Lastnosti električnih vodil
Električni vodnik je material, ki dovoljuje električnim nabojem, da se skozi njega lažno gibljejo, ko je podvržen potencialni razliki. Električni vodniki so ključni za mnoge uporabe, kot so žice, prenosne linije, električne stroje, grelni elementi, elektrostatsko ščitilo in več. V tem članku bomo raziskovali lastnosti električnih vodnikov, njihove vrste, primere in uporabe.
Kaj je električni vodnik?
Električni vodnik je definiran kot material, ki ima proste elektrone ali ionce, ki lahko nosijo električni tok, ko je na njega uporabljen električno polje. Sposobnost materiala, da vodi elektriko, se imenuje prevodnost. Nasprotno od vodnika je izolator, ki ima zelo malo ali nobenih prostih elektronov ali ioncev in ne dovoljuje, da skozi njega teče električni tok.
Prevodnost materiala odvisna je od več dejavnikov, kot so njegova atomska struktura, temperatura, onesnaženost in zunanji vplivi. Splošno imajo kovini visoko prevodnost, ker imajo veliko prostih elektronov v svoji najbolj zunanjem ovojnici, ki se lahko lažno gibljejo od enega atoma na drugega. Nekateri primeri dobrih vodnikov so srebro, bakar, zlato, aluminij, železo in grafit. Nemetalne snovi imajo nizko prevodnost, ker imajo malo ali nobenih prostih elektronov v svoji najbolj zunanjem ovojnici in jih trdno obdržujejo. Nekateri primeri izolatorjev so guma, steklo, les, plastika in zrak.
Nekateri materiali imajo medsebojno prevodnost med vodniki in izolatorji. Ti se imenujejo polprevodniki in so široko uporabljani v elektroniki in računalniški tehnologiji. Nekateri primeri polprevodnikov so kremik, germanij, gallium arsenid in ogljeni nanotrstiki.
Lastnosti električnih vodnikov
Električni vodniki kažejo nekatere skupne lastnosti, ko so v ravnovesnih pogojih. Te lastnosti so:
Upornost: Upornost je merilo, kako mocno vodnik nasprotuje pretoku električnega toka. Odvisna je od materiala, njegove upornosti, dolžine, premera in temperature. Upornost je intrinzična lastnost materiala, ki določa njegovo upornost na enoto dolžine in površine. Inverzno sorazmerna je prevodnosti. Vodniki imajo nizko upornost in nizko upornost, medtem ko izolatorji imajo visoko upornost in visoko upornost. Upornost povzroči, da se del električne energije v vodniku pretvori v toplotno energijo. To se imenuje Joulovo segrevanje ali Ohmov segrevanje.
Indukcija: Indukcija je merilo, kako mocno vodnik nasprotuje spremembi v električnem toku, ki skozi njega teče. Odvisna je od oblike, velikosti, orientacije in postavitve vodnika. Indukcija povzroči, da se okoli vodnika ustvari magnetno polje, ko skozi njega teče električni tok. To magnetno polje lahko inducirata elektromotivno silo (EMF) v istem ali bližnjem vodniku, ki nasprotuje spremembi toka. To se imenuje samoidukcija ali vzajemna indukcija, glede na to, ali gre za isti ali drug vodnik. Indukcija vpliva na porazdelitev toka in napetost padec v vodniku, kadar je uporabljen za izmenični tok (AC).
Električno polje znotraj vodnika je nič: Električno polje znotraj popolnega vodnika je nič, ker bi katerokoli električno polje izvajalo silo na proste elektrone in jih pospeševalo, dokler ne dosežejo ravnovesja. V ravnovesnih pogojih je neto sila na proste elektrone nič, in oni ne premikajo. To pomeni, da ni nobene napetostne razlike znotraj vodnika, in vsi točki so na isti napetosti. Ta lastnost vodnikom omogoča, da se uporabljajo za elektrostatsko ščitilo električnega opreme.
Gostota naboja znotraj vodnika je nič: Gostota naboja znotraj popolnega vodnika je nič, ker bi katerikoli naboj ustvaril električno polje, ki bi odražal isti naboj na površino vodnika. Medsebojni elektrostatski odpornost med enakimi naboji (elektroni) jih pritiše na zunanjo površino vodnika, kjer se lahko čim bolj razmaknejo. To pomeni, da ni nobenega naboja znotraj vodnika, in le prosta obremenitev obstaja na površini.
Prosta obremenitev obstaja samo na površini vodnika: Kot smo že omenili, prosta obremenitev (elektroni) ne obstaja znotraj vodnika, ampak le na njegovem površju zaradi elektrostatske odpornosti. Količina in porazdelitev proste obremenitve na površju odvisna sta od oblike in velikosti vodnika ter zunanje električno polje, ki je nanj uporabljen.
Električno polje na površini vodnika je pravokotno na površino: Električno polje na površini popolnega vodnika je pravokotno (pravokotno) na površino, ker bi katera tangencialna komponenta povzročila, da bi se proste elektroni premikal po površju, dokler ne bi odpovedali tangencialne komponente. To pomeni, da ni nobene vzporedne komponente električnega polja na površju, in obstaja le pravokotna komponenta.
Vrste električnih vodnikov
Električni vodniki se lahko razdelijo na različne vrste glede na njihovo strukturo, sestavo, vedenje in uporabo. Nekatere običajne vrste so:
Kovinske vodnike: To so vodniki, izdelani iz kovin ali legirin, ki imajo visoko prevodnost zaradi svojih prostih elektronov. Široko se uporabljajo za žice, prenosne linije, električne stroje, električne kontakte itd. Nekateri primeri so srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminij (Al), železo (Fe) itd.
Jonovski vodniki: To so vodniki, izdelani iz jonovskih spojin, ki imajo visoko prevodnost zaradi svojih prostih ionov, ko so raztopljeni v vodi ali stopljeni v tekočo stanje. Uporabljajo se za elektrolizo, baterije, gorivo celice itd. Nekateri primeri so sodijski klorid (NaCl), kalijev hidroksid (KOH), sirovna kislina (H2SO4) itd.
Molekulski vodniki: To so vodniki, izdelani iz molekul, ki imajo visoko prevodnost zaradi svojih delokaliziranih elektronov ali molekulskih orbital, ki se lahko prekrivajo med seboj. Uporabljajo se za organsko elektroniko, nanotehnologijo itd. Nekateri primeri so grafen (C), ogljeni nanotrstiki (CNTs), poliacetilen (PA) itd.
Superprovodniki: To so vodniki, ki imajo ničelno upornost in neskončno prevodnost, ko so ohladjeni pod določeno kritično temperaturo. Prav tako kažejo druge pojave, kot je Meissnerjev učinek, trajni tok, kvantno levitacija itd. Uporabljajo se za superprovodne magneti, kvantne računalnike, medicinsko slikanje itd. Nekateri primeri so vivan (Hg), svino (Pb), itrij barij kovinski oksid (YBCO) itd.
Uporaba električnih vodnikov
Električni vodniki imajo veliko uporab v različnih panogah znanosti, inženiringa in tehnologije. Nekatere običajne uporabe so:
