Elektromos vezetékek tulajdonságai
Elektromos vezető olyan anyag, amely könnyen enged át az elektromos töltéseket, ha hozzájuk alkalmaznak potenciális különbséget. Az elektromos vezetők számos alkalmazásban alapvetőek, mint például a vezetékesítés, átviteli vezetékek, elektromos gépek, fűtőelemek, elektrosztatikus védelem és más hasznos célok. Ebben a cikkben megvizsgáljuk az elektromos vezetők tulajdonságait, típusait, példáit és alkalmazásait.
Mi az elektromos vezető?
Az elektromos vezető olyan anyag, amelynek szabad elektronjai vagy ionjai át tudják vinni az elektromos áramot, amikor rájuk hat elektromos tér. Az anyag képessége, hogy elektromosságot vezessen, elektromos vezetőképességnek nevezik. A vezető ellentéte az elszigetelő, amelynek nagyon kevés vagy egyáltalán nincsenek szabad elektronjai vagy ionjai, és nem enged át elektromos áramot.
Az anyag vezetőképessége függ több tényezőtől, mint például az atomi szerkezet, a hőmérséklet, a tisztaság, valamint külső hatások. Általában a fémdarabok magas vezetőképességgel rendelkeznek, mivel sok szabad elektronja van a legkülső rétegükben, amelyek könnyen mozoghatnak az atomok között. Néhány jó vezető példa: ezüst, réz, arany, alumínium, vas, grafit. A nemfémek alacsony vezetőképességgel rendelkeznek, mert kevesebb vagy egyáltalán nincsenek szabad elektronjuk a legkülső rétegben, és erősen fogják őket. Néhány elszigetelő példa: gumi, üveg, fa, műanyag, levegő.
Néhány anyag köztes vezetőképességgel rendelkezik a vezetők és az elszigetelők között. Ezeket szemiletőknek nevezik, és széles körben használják az elektrotechnikai és számítógépes technológiákban. Néhány szemilető példa: szilícium, germánium, gallium-arsenid, szén nanotrubok.
Az elektromos vezetők tulajdonságai
Az elektromos vezetők néhány közös tulajdonságot mutatnak, amikor egyensúlyi állapotban vannak. Ezek a tulajdonságok:
Ellenállás: Az ellenállás mértéke, hogy mennyire ellenzi a vezető az elektromos áram folyását. Ez függ az anyag ellenállósságától, hosszától, keresztszegmens területétől és hőmérséklettől. Az ellenállósság az anyag belső tulajdonsága, ami meghatározza ellenállását egységnyi hosszúság és terület esetén. Inverz arányban áll a vezetőképességgel. A vezetők alacsony ellenállósságúak és alacsony ellenállásúak, míg az elszigetelők magas ellenállósságúak és magas ellenállásúak. Az ellenállás részben átalakítja az elektromos energiát hőenergiává a vezetőben. Ez a Joule-féle hőtermelés vagy Ohm-féle hőtermelés.
Indukció: Az indukció mértéke, hogy mennyire ellenzi a vezető az elektromos áram folyásának változását. Ez függ a vezető alakjától, méretétől, orientációjától és elrendezésétől. Az indukció egy mágneses mezőt generál a vezető körül, amikor átmennek rajta elektromos áram. Ez a mágneses mező indukálhat elektromotív erőt (EMF) ugyanazon vagy közeli vezetőkben, ami ellenzi az áram változását. Ez a sajátindukció vagy kölcsönös indukció, attól függően. Az indukció befolyásolja az árameloszlást és a feszültség leeresztést a vezetőben, amikor váltóárammal (VA) használják.
A vezető belsejében az elektromos mező nulla: A tökéletes vezető belsejében az elektromos mező nulla, mert bármilyen elektromos mező erőt gyakorolna a szabad elektronokra, és gyorsítaná őket, amíg elérnék egyensúlyi állapotot. Az egyensúlyi állapotban a szabad elektronokra ható nettó erő nulla, és nem mozognak. Ez azt jelenti, hogy a vezető belsejében nincs feszültségkülönbség, és minden pont ugyanazon feszültségen van. Ez a tulajdonság alkalmas a vezetők elektrosztatikus védelmére.
A vezető belsejében a töltéssűrűség nulla: A tökéletes vezető belsejében a töltéssűrűség nulla, mert bármilyen töltés elektromos mezőt hozna létre, ami elrepelné azonos töltést a vezető felületére. A hasonló töltések (elektronok) közötti elektrosztatikus repulzív erő kiszorítja őket a vezető külső felületére, ahol lehetőleg messze tartódnak egymástól. Ez azt jelenti, hogy a vezető belsejében nincs töltés, csak a felületén vannak szabad töltések.
A szabad töltések csak a vezető felületén vannak: Ahogy fent említettük, a szabad töltések (elektronok) nem léteznek a vezető belsejében, csak a felületén, mert elektrosztatikus repulzív erő miatt. A felületen lévő szabad töltések mennyisége és eloszlása függ a vezető alakjától és méretétől, valamint a rá ható külső elektromos térétől.
A vezető felületén az elektromos mező normális a felületre: A tökéletes vezető felületén az elektromos mező normális (merőleges) a felületre, mert bármilyen érintő komponens mozdítaná a szabad elektronokat a felületen, amíg kiejtené az érintő komponenst. Ez azt jelenti, hogy nincs párhuzamos komponens az elektromos mezőn a felületen, csak normális komponens létezik.
Az elektromos vezetők típusai
Az elektromos vezetőket különböző típusokba sorolhatjuk, alapján az ő szerkezetük, összetevőik, viselkedésük és alkalmazásuk. Néhány gyakori típus:
Fémvezetők: Ezek olyan vezetők, amelyek fémekből vagy fémötvözetekből készültek, amelyek magas vezetőképességgel rendelkeznek a szabad elektronjaik miatt. Széles körben használják vezetékesítéshez, átviteli vezetékekhez, elektromos gépekhez, elektromos kapcsolókhöz, stb. Néhány példa: ezüst (Ag), réz (Cu), arany (Au), alumínium (Al), vas (Fe), stb.
Ionvezetők: Ezek olyan vezetők, amelyek ionos vegyületekből készültek, amelyek magas vezetőképességgel rendelkeznek a szabad ionjaik miatt, amikor oldják őket vízben vagy olvadt állapotba hozzák őket. Használják elektrolízishöz, akkumulátorkészülékekhez, üzemanyagcellákhoz, stb. Néhány példa: nátrium-klorid (NaCl), kalium-hidroxid (KOH), szulfirsav (H2SO4), stb.
Molekulavezetők: Ezek olyan vezetők, amelyek molekulákból készültek, amelyek magas vezetőképességgel rendelkeznek a delokálizált elektronjaik vagy molekuláris orbitáljaik miatt, amelyek átfedhetik egymást. Használják organikus elektrotechnikai alkalmazásokhoz, nanotechnológiához, stb. Néhány példa: grafit (C), szén nanotrubok (CNT), poliacetilén (PA), stb.
Szupervezetők: Ezek olyan vezetők, amelyek nullát tesznek ki ellenállásukkal és végtelen vezetőképességgel, amikor alacsonyabb hőmérsékletre hűtik őket, mint a kritikus hőmérséklet. Ezenkívül más jelenségeket is mutatnak, mint a Meissner-effektus, tartós áram, kvantumlevitáció, stb. Használják szupervezető mágnesekhez, kvantumszámítógépekhez, orvosi képalkotáshoz, stb. Néhány példa: hydrargyrum (Hg), ólom (Pb), itrium-bárium-réz-oxid (YBCO), stb.
