Egenskaper til elektriske ledere

En elektrisk ledere er et materiale som lar elektriske ladninger bevege seg lett gjennom det når det utsatt for en potensialforskjell. Elektriske ledere er viktige for mange anvendelser, som kabler, overføringslinjer, elektriske maskiner, varmelementer, elektrostatisk skjerming, og mer. I denne artikkelen vil vi utforske egenskapene til elektriske ledere, deres typer, eksempler, og anvendelser.

Hva er en elektrisk leder?

En elektrisk leder defineres som et materiale som har frie elektroner eller ioner som kan bære elektrisk strøm når et elektrisk felt påføres. Evnen til et materiale til å lede elektrisitet kalles ledeevne. Det motsatte av en leder er en isolator, som har få eller ingen frie elektroner eller ioner og lar ikke elektrisk strøm flyte gjennom det.

Ledeevnen til et materiale avhenger av flere faktorer, som dens atomstruktur, temperatur, urenheter, og eksterne påvirkninger. Generelt har metaller høy ledeevne fordi de har mange frie elektroner i den ytterste skallet som kan bevege seg lett fra ett atom til et annet. Noen eksempler på gode ledere er sølv, kobber, gull, aluminium, jern, og grafit. Ikke-metaller har lav ledeevne fordi de har få eller ingen frie elektroner i det ytterste skallet og tendenser til å holde dem tett. Noen eksempler på isolatorer er gummi, glass, tre, plast, og luft.

Noen materialer har mellomledende ledeevne mellom ledere og isolatorer. Disse kalles halvledere og brukes vidt i elektronikk og datateknologi. Noen eksempler på halvledere er silisium, germanium, gallium arsenid, og karbonnanorør.

Egenskaper ved elektriske ledere

Elektriske ledere viser noen felles egenskaper når de er i likevektstilstand. Disse egenskapene er:

• Motstand: Motstand er målet på hvor mye en leder motarbeider flyten av elektrisk strøm. Den avhenger av materialets motstandsdyktighet, lengde, tverrsnittsareal, og temperatur. Motstandsdyktighet er det innebygde egenskapen til et materiale som bestemmer dets motstand per enhetslengde og -areal. Den er omvendt proporsjonal med ledeevne. Ledere har lav motstandsdyktighet og lav motstand, mens isolatorer har høy motstandsdyktighet og høy motstand. Motstand fører til at noe av den elektriske energien blir konvertert til varmeenergi i en leder. Dette kalles Joule-varming eller ohmsk varming.

• Induktans: Induktans er målet på hvor mye en leder motarbeider endringen i elektrisk strøm som flyter gjennom den. Den avhenger av form, størrelse, orientering, og oppstilling av lederen. Induktans fører til at et magnetfelt genereres rundt en leder når en elektrisk strøm flyter gjennom den. Dette magnetfeltet kan inducere en elektromotorisk kraft (EMK) i samme eller nærliggende ledere som motarbeider endringen i strømmen. Dette kalles selv-induktans eller gjensidig induktans, henholdsvis. Induktans påvirker strømfordelingen og spenningsfall i en leder når den brukes for alternerende strøm (AC)-forråd.

• Det elektriske feltet inni lederen er null: Det elektriske feltet inni en perfekt leder er null fordi ethvert elektrisk felt ville utøve en kraft på de frie elektronene og akselerere dem til de nådde likevekt. I likevektstillstand er den netto kraften på de frie elektronene null, og de beveger seg ikke. Dette betyr at det ikke er noen spenningsforskjell inni lederen, og alle punkter er på samme potensial. Denne egenskapen gjør at ledere er egnet for elektrostatisk skjerming av elektrisk utstyr.

• Ladningsdempingen inni lederen er null: Ladningsdempingen inni en perfekt leder er null fordi ethvert ladning ville skape et elektrisk felt som ville støte tilbake samme ladning til overflaten av lederen. Den gjensidige elektrostatisk repulsjon mellom like ladninger (elektroner) presser dem til ytre overflaten av lederen, der de kan være så langt unna hverandre som mulig. Dette betyr at det ikke er noen ladning inni lederen, og bare frie ladninger finnes på overflaten.

• Fri ladning finnes kun på overflaten av lederen: Som diskutert ovenfor, finnes frie ladninger (elektroner) ikke inni lederen, men kun på overflaten på grunn av elektrostatisk repulsjon. Mengden og fordelingen av frie ladninger på overflaten avhenger av formen og størrelsen på lederen og det eksterne elektriske feltet som påføres den.

• Det elektriske feltet på overflaten av lederen er normalt til overflaten: Det elektriske feltet på overflaten av en perfekt leder er normalt (vinkelrett) til overflaten fordi enhver tangensiell komponent ville føre til at de frie elektronene beveget seg langs overflaten til de kansellerte den tangensielle komponenten. Dette betyr at det ikke er noen parallelkomponent av et elektrisk felt på overflaten, og bare en normalkomponent eksisterer.

Typer av elektriske ledere

Elektriske ledere kan klassifiseres inn i ulike typer basert på deres struktur, sammensetning, oppførsel, og anvendelse. Noen vanlige typer er:

• Metalliske ledere: Disse er ledere laget av metaller eller legeringer som har høy ledeevne på grunn av deres frie elektroner. De brukes vidt for kabling, overføringslinjer, elektriske maskiner, elektriske kontakter, osv. Noen eksempler er sølv (Ag), kobber (Cu), gull (Au), aluminium (Al), jern (Fe), osv.

• Ioniske ledere: Disse er ledere laget av ioniske forbindelser som har høy ledeevne på grunn av deres frie ioner når de løses i vann eller smelter til en flytende tilstand. De brukes for elektrolyse, batterier, brændselsceller, osv. Noen eksempler er natriumklorid (NaCl), kaliumhydroksid (KOH), svovlsyre (H2SO4), osv.

• Molekyledere: Disse er ledere laget av molekyler som har høy ledeevne på grunn av deres delokaliserte elektroner eller molekylære orbitaler som kan overlappe med hverandre. De brukes for organisk elektronikk, nanoteknologi, osv. Noen eksempler er grafitt (C), karbonnanorør (CNTs), polyasetyleen (PA), osv.

• Superledere: Disse er ledere som har null motstand og uendelig ledeevne når de kjøles ned under en viss kritisk temperatur. De viser også andre fenomener, som Meissner-effekten, vedvarende strøm, kvanteflyting, osv. De brukes for superledende magneter, kvante-datamaskiner, medisinsk bildeforming, osv. Noen eksempler er kvikksølv (Hg), bly (Pb), yttrium-baryum-kobber-oksid (YBCO), osv.

Anvendelser av elektriske ledere

Elektriske ledere har mange anvendelser i ulike fagområder innen vitenskap, teknikk, og teknologi. Noen vanlige anvendelser er:

• Kabling: Kabling er en av de mest vanlige brukene av elektriske ledere. Det involverer kobling av ulike elektriske enheter eller komponenter med tråder laget av metalliske ledere som kobber eller aluminium. Kabling tillater at elektrisitet flyter fra et punk