Właściwości przewodników elektrycznych

Przewodnik elektryczny to materiał, który umożliwia łatwe przepływanie ładunków elektrycznych pod wpływem różnicy potencjałów. Przewodniki elektryczne są niezbędne w wielu zastosowaniach, takich jak przewody, linie przesyłowe, maszyny elektryczne, elementy grzewcze, ekranowanie elektrostatyczne i wiele innych. W tym artykule przeanalizujemy właściwości przewodników elektrycznych, ich typy, przykłady i zastosowania.

Czym jest przewodnik elektryczny?

Przewodnik elektryczny definiuje się jako materiał, który ma wolne elektrony lub jony, które mogą przeprowadzać prąd elektryczny, gdy na niego działa pole elektryczne. Możliwość przewodzenia prądu przez materiał nazywana jest przewodnością. Opozycją dla przewodnika jest izolator, który ma bardzo niewiele lub żadnych wolnych elektronów lub jonów i nie pozwala na przepływ prądu elektrycznego.

Przewodność materiału zależy od wielu czynników, takich jak jego struktura atomowa, temperatura, domieszki i wpływy zewnętrzne. Ogólnie rzecz biorąc, metale mają wysoką przewodność, ponieważ mają wiele wolnych elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce, które mogą łatwo przemieszczać się z jednego atomu do drugiego. Niektóre przykłady dobrych przewodników to srebro, miedź, złoto, aluminium, żelazo i grafit. Nemetale mają niską przewodność, ponieważ mają niewiele lub żadnych wolnych elektronów w najbardziej zewnętrznej powłoce i tendują do mocnego ich utrzymywania. Niektóre przykłady izolatorów to guma, szkło, drewno, plastik i powietrze.

Niektóre materiały mają przewodność pośrednią między przewodnikami a izolatorami. Są one nazywane półprzewodnikami i są szeroko stosowane w elektronice i technologii komputerowej. Niektóre przykłady półprzewodników to krzem, german, gall arsenid i nanorurki węglowe.

Właściwości przewodników elektrycznych

Przewodniki elektryczne wykazują pewne wspólne właściwości, gdy są w stanie równowagi. Te właściwości to:

• Opor: Opor to miara tego, jak bardzo przewodnik przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego. Zależy on od przewodności materialu, długości, przekroju poprzecznego i temperatury. Przewodność to wewnętrza właściwość materiału, która określa jego opór na jednostkę długości i powierzchni. Jest ona odwrotnie proporcjonalna do przewodności. Przewodniki mają niską przewodność i niski opór, podczas gdy izolatory mają wysoką przewodność i wysoki opór. Opor powoduje, że część energii elektrycznej zostaje przekształcona w ciepło w przewodniku. To zjawisko nazywane jest grzaniem Joule'a lub grzaniem ohmicznym.

• Indukcyjność: Indukcyjność to miara tego, jak bardzo przewodnik przeciwstawia się zmianie prądu elektrycznego płynącego przez niego. Zależy ona od kształtu, rozmiaru, orientacji i ułożenia przewodnika. Indukcyjność powoduje, że wokół przewodnika powstaje pole magnetyczne, gdy przez niego przepływa prąd elektryczny. To pole magnetyczne może indukować siłę elektromotoryczną (EMF) w tym samym lub pobliskim przewodniku, która przeciwstawia się zmianie prądu. To zjawisko nazywane jest indukcją własną lub wzajemną, odpowiednio. Indukcyjność wpływa na rozkład prądu i spadek napięcia w przewodniku, gdy jest on używany do zasilania prądem przemiennym (AC).

• Pole elektryczne wewnątrz przewodnika wynosi zero: Pole elektryczne wewnątrz idealnego przewodnika wynosi zero, ponieważ każde pole elektryczne wywierałoby siłę na wolne elektrony i przyspieszałoby je, aż osiągną równowagę. W warunkach równowagi, całkowita siła działająca na wolne elektrony wynosi zero, a one nie poruszają się. To oznacza, że wewnątrz przewodnika nie ma spadku potencjału, a wszystkie punkty są na tym samym poziomie potencjału. Ta właściwość sprawia, że przewodniki są odpowiednie do ekranowania elektrostatycznego sprzętu elektrycznego.

• Gęstość ładunku wewnątrz przewodnika wynosi zero: Gęstość ładunku wewnątrz idealnego przewodnika wynosi zero, ponieważ każdy ładunek tworzy pole elektryczne, które odpędza ten sam ładunek na powierzchnię przewodnika. Wzajemne odpychanie ładunków o jednakowych znakach (elektrony) popycha je na zewnętrzną powierzchnię przewodnika, gdzie mogą być jak najdalej od siebie. To oznacza, że wewnątrz przewodnika nie ma ładunku, a tylko wolny ładunek istnieje na jego powierzchni.

• Wolny ładunek istnieje tylko na powierzchni przewodnika: Jak wspomniano wcześniej, wolny ładunek (elektrony) nie istnieje wewnątrz przewodnika, ale tylko na jego powierzchni ze względu na odpychanie elektrostatyczne. Ilość i rozkład wolnego ładunku na powierzchni zależą od kształtu i rozmiaru przewodnika oraz zewnętrznego pola elektrycznego, które do niego zastosowane.

• Pole elektryczne na powierzchni przewodnika jest prostopadłe do powierzchni: Pole elektryczne na powierzchni idealnego przewodnika jest prostopadłe (prostopadle) do powierzchni, ponieważ każda składowa styczna spowodowałaby ruch wolnych elektronów wzdłuż powierzchni, aż anulują tę składową styczną. To oznacza, że nie ma równoległej składowej pola elektrycznego na powierzchni, a istnieje tylko składowa prostopadła.

Typy przewodników elektrycznych

Przewodniki elektryczne można klasyfikować na różne typy w zależności od ich struktury, składu, zachowania i zastosowania. Niektóre popularne typy to:

• Metaliczne przewodniki: Są to przewodniki wykonane z metali lub stopów, które mają wysoką przewodność dzięki swoim wolnym elektronom. Są szeroko stosowane do przewodów, linii przesyłowych, maszyn elektrycznych, kontaktów elektrycznych itp. Niektóre przykłady to srebro (Ag), miedź (Cu), złoto (Au), aluminium (Al), żelazo (Fe) itp.

• Jonowe przewodniki: Są to przewodniki wykonane z związków jonowych, które mają wysoką przewodność dzięki swoim wolnym jonom, gdy są rozpuszczone w wodzie lub stopione w stan ciekły. Są one stosowane do elektrolizy, baterii, komórek paliwowych itp. Niektóre przykłady to chlorek sodu (NaCl), wodorotlenek potasu (KOH), kwas siarkowy (H2SO4) itp.

• Molekularne przewodniki: Są to przewodniki wykonane z cząsteczek, które mają wysoką przewodność dzięki swoim delokalizowanym elektronom lub orbitalom molekularnym, które mogą na siebie nachodzić. Są one stosowane w elektronice organicznej, nanotechnologii itp. Niektóre przykłady to grafen (C), nanorurki węglowe (CNTs), poliacetylen (PA) itp.

• Nadprzewodniki: Są to przewodniki, które mają zerowy opór i nieskończoną przewodność, gdy są ochłodzone poniżej pewnej krytycznej temperatury. Wykazują one również inne zjawiska, takie jak efekt Meissnera, trwały prąd, kwantowe uniesienie itp. Są one stosowane do nadprzewodzących magnesów, komputerów kwantowych, obrazowania medycznego itp. Niektóre przykłady to rtęć (Hg), ołów (Pb), tlenek barionitratu itp.

Zastosowania przewodników elektrycznych

Przewodniki elektryczne mają wiele zastosowań w różnych dziedzinach nauki, inżynierii i technologii. Niektóre popularne zastosowania to:

• Przewodzenie: Przewodzenie to jedno z najpopularniejszych zastosowań przewodników elektrycznych. Polega ono na połączeniu różnych urządzeń lub komponentów elektrycznych za pomocą przewodów wykonanych z metalicznych przewodników, takich jak miedź lub aluminium. Przewodzenie pozwala na przepływ prądu elektrycznego z jednego punktu do drugiego z minimalnymi stratami lub zakłóceniami.

• Linie przesyłowe: Linie przesyłowe to specjalne przewody lub kable, które transportują wysokie napięcie prądu przemiennego (HVAC) lub prądu stałego (HVDC) na duże odległości od elektrowni do stacji transformatorowych lub konsumpcji. Linie przesyłowe wykorzystują metaliczne przewodniki, takie jak aluminium lub stal wzmocniona rd