Eigenschappen van elektrische geleiders
Een elektrische geleider is een materiaal dat elektrische ladingen gemakkelijk doorlaat wanneer er een potentiaalverschil op wordt toegepast. Elektrische geleiders zijn essentieel voor veel toepassingen, zoals bedrading, transmissielijnen, elektrische machines, verwarmings-elementen, elektrostatische scherming en meer. In dit artikel zullen we de eigenschappen van elektrische geleiders, hun types, voorbeelden en toepassingen onderzoeken.
Wat is een elektrische geleider?
Een elektrische geleider wordt gedefinieerd als een materiaal dat vrije elektronen of ionen heeft die elektrische stroom kunnen dragen wanneer er een elektrisch veld wordt toegepast. De vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden wordt conductiviteit genoemd. Het tegenovergestelde van een geleider is een isolator, die zeer weinig of geen vrije elektronen of ionen heeft en geen elektrische stroom doorlaat.
De conductiviteit van een materiaal hangt af van verschillende factoren, zoals de atoomstructuur, temperatuur, onzuiverheden en externe invloeden. Over het algemeen hebben metalen een hoge conductiviteit omdat ze veel vrije elektronen in hun buitenste schil hebben die gemakkelijk van het ene atoom naar het andere kunnen bewegen. Enkele voorbeelden van goede geleiders zijn zilver, koper, goud, aluminium, ijzer en grafiet. Niet-metallen hebben een lage conductiviteit omdat ze weinig of geen vrije elektronen in hun buitenste schil hebben en deze sterk vasthouden. Enkele voorbeelden van isolatoren zijn rubber, glas, hout, plastic en lucht.
Sommige materialen hebben een tussenliggende conductiviteit tussen geleiders en isolatoren. Deze worden halbleiders genoemd en worden wijdverspreid gebruikt in elektronica en computertechnologie. Enkele voorbeelden van halbleiders zijn silicium, germanium, galliumarsenide en koolstofnanobuisjes.
Eigenschappen van elektrische geleiders
Elektrische geleiders vertonen enkele gemeenschappelijke eigenschappen wanneer ze in evenwichtscondities verkeren. Deze eigenschappen zijn:
Weerstand: Weerstand is de maat voor hoeveel een geleider de stroom van elektrische stroom tegenwerkt. Het hangt af van het materiaal's weerstandcoëfficiënt, lengte, doorsnede en temperatuur. Weerstandcoëfficiënt is de intrinsieke eigenschap van een materiaal die de weerstand per lengte-eenheid en -oppervlakte bepaalt. Het staat in omgekeerde verhouding tot de conductiviteit. Geleiders hebben een lage weerstandcoëfficiënt en lage weerstand, terwijl isolatoren een hoge weerstandcoëfficiënt en hoge weerstand hebben. Weerstand zorgt ervoor dat een deel van de elektrische energie in warmteenergie wordt omgezet in een geleider. Dit wordt Joulewarming of Ohmische verwarming genoemd.
Inductie: Inductie is de maat voor hoeveel een geleider de verandering in de elektrische stroom die erdoorheen stroomt, tegenwerkt. Het hangt af van de vorm, grootte, oriëntatie en opstelling van de geleider. Inductie veroorzaakt een magnetisch veld dat rondom een geleider wordt opgewekt wanneer er een elektrische stroom doorheen stroomt. Dit magnetische veld kan een elektromotief koppel (EMK) in dezelfde of nabijgelegen geleiders opwekken, waardoor de verandering in stroom wordt tegengewerkt. Dit wordt zelfinductie of wederzijdse inductie genoemd, respectievelijk. Inductie beïnvloedt de stroomverdeling en spanning val in een geleider wanneer deze wordt gebruikt voor wisselstroom (AC)-voeding.
Het elektrisch veld binnen de geleider is nul: Het elektrisch veld binnen een perfecte geleider is nul omdat elk elektrisch veld een kracht zou uitoefenen op de vrije elektronen en ze zou versnellen totdat ze in evenwicht komen. In evenwichtscondities is de netto kracht op de vrije elektronen nul, en zij bewegen niet. Dit betekent dat er geen potentiaalverschil binnen de geleider is, en alle punten staan op hetzelfde potentiaal. Deze eigenschap maakt geleiders geschikt voor elektrostatische scherming van elektrische apparatuur.
Ladingsdichtheid binnen de geleider is nul: De ladingsdichtheid binnen een perfecte geleider is nul omdat elke lading een elektrisch veld zou creëren dat dezelfde lading naar de oppervlakte van de geleider zou afstoten. De wederzijdse elektrostatische afstoting tussen gelijke ladingen (elektronen) duwt ze naar de buitenste oppervlakte van de geleider, waar ze zo ver mogelijk uit elkaar kunnen liggen. Dit betekent dat er geen lading binnen de geleider is, en alleen vrije lading bestaat op de oppervlakte.
Vrije lading bestaat alleen op de oppervlakte van de geleider: Zoals hierboven besproken, bestaan de vrije lading (elektronen) niet binnen de geleider, maar alleen op de oppervlakte door elektrostatische afstoting. De hoeveelheid en verdeling van de vrije lading op de oppervlakte hangen af van de vorm en grootte van de geleider en het externe elektrisch veld dat erop wordt toegepast.
Het elektrisch veld aan de oppervlakte van de geleider is loodrecht op de oppervlakte: Het elektrisch veld aan de oppervlakte van een perfecte geleider is loodrecht (loodrecht) op de oppervlakte, omdat elke tangentiële component de vrije elektronen langs de oppervlakte zou laten bewegen totdat ze de tangentiële component annuleren. Dit betekent dat er geen parallelle component van een elektrisch veld aan de oppervlakte is, en alleen een normale component bestaat.
Soorten elektrische geleiders
Elektrische geleiders kunnen worden ingedeeld in verschillende soorten op basis van hun structuur, samenstelling, gedrag en toepassing. Enkele veelvoorkomende soorten zijn:
Metalen geleiders: Dit zijn geleiders gemaakt van metalen of legeringen die een hoge conductiviteit hebben vanwege hun vrije elektronen. Ze worden wijdverspreid gebruikt voor bedrading, transmissielijnen, elektrische machines, elektrische contacten, enz. Enkele voorbeelden zijn zilver (Ag), koper (Cu), goud (Au), aluminium (Al), ijzer (Fe), enz.
Ionische geleiders: Dit zijn geleiders gemaakt van ionische verbindingen die een hoge conductiviteit hebben vanwege hun vrije ionen wanneer ze in water worden opgelost of in een vloeibare toestand smelten. Ze worden gebruikt voor elektrolyse, batterijen, brandstofcellen, enz. Enkele voorbeelden zijn natriumchloride (NaCl), kaliumhydroxide (KOH), zwavelzuur (H2SO4), enz.
Moleculaire geleiders: Dit zijn geleiders gemaakt van moleculen die een hoge conductiviteit hebben vanwege hun gedelocaliseerde elektronen of moleculaire banen die met elkaar kunnen overlappen. Ze worden gebruikt voor organische elektronica, nanotechnologie, enz. Enkele voorbeelden zijn grafiet (C), koolstofnanobuisjes (CNT's), polyacetyleen (PA), enz.
Supergeleiders: Dit zijn geleiders die nul weerstand en oneindige conductiviteit hebben wanneer ze onder een bepaalde kritische temperatuur worden gekoeld. Ze vertonen ook andere fenomenen, zoals de Meissner-effect, persistente stroom, kwantumlevitatie, enz. Ze worden gebruikt voor supergeleidende magneten, kwantumcomputers, medische beeldvorming, enz. Enkele voorbeelden zijn kwik (Hg), lood (Pb), yttrium-barium-koperoxide (YBCO), enz.
Toepassingen van elektrische geleiders
Elektrische geleiders hebben veel toepassingen in verschillende gebieden van wetenschap, techniek en technologie. Enkele veelvoorkomende toepassingen zijn:
