Svojstva električnih vodilaca
Električni vodil je materijal koji omogućava lako kretanje električnih nabojeva kroz sebe pod dejstvom razlike potencijala. Električni vodili su neophodni za mnoge primene, kao što su žice, prenosne linije, električne mašine, grejalne elemente, elektrostatička ekraniranja i druge. U ovom članku ćemo istražiti osobine električnih vodila, njihove vrste, primere i primene.
Šta je električni vodil?
Električni vodil se definiše kao materijal koji ima slobodne elektrone ili jone koji mogu da nose električnu struju kada se primeni električno polje. Mogućnost materijala da provodi elektricitet zove se konduktivnost. Suprotan pojam vodilu je izolator, koji ima vrlo malo ili nema slobodnih elektrona ili jona i ne dopušta da električna struja prođe kroz njega.
Konduktivnost materijala zavisi od nekoliko faktora, kao što su njegova atomska struktura, temperatura, prljavi materijali i vanjski uticaji. Opšte, metali imaju visoku konduktivnost jer imaju mnogo slobodnih elektrona u svojoj najspoljasnjoj skorpi koja se lako mogu kretati od jednog atoma do drugog. Neke primere dobrih vodila su srebro, bakar, zlato, aluminijum, željezo i grafit. Nemetalici imaju nisku konduktivnost jer imaju malo ili nema slobodnih elektrona u svojoj najspoljasnjoj skorpi i tendiraju da ih čvrsto zadrže. Neke primere izolatora su guma, staklo, drvo, plastika i vazduh.
Neki materijali imaju srednju konduktivnost između vodila i izolatora. Ovi se nazivaju poluprovodnici i široko se koriste u elektronici i računarskoj tehnologiji. Neke primere poluprovodnika su silicij, germanij, gajev arsenid i ugljeni nanotrubci.
Osobine električnih vodila
Električni vodili pokazuju neke zajedničke osobine kada su u ravnoteži. Te osobine su:
Otpor: Otpor je mera koliko vodil suprotstavlja toku električne struje. Zavisi od materijala, njegove specifične otpornosti, dužine, poprečnog presjeka i temperature. Specifična otpornost je intrinsična osobina materijala koja određuje njegov otpor po jedinici dužine i površine. Ona je obrnuto proporcionalna konduktivnosti. Vodili imaju nisku specifičnu otpornost i niski otpor, dok izolatori imaju visoku specifičnu otpornost i visok otpor. Opor uzrokuje da se deo električne energije pretvori u toplinsku energiju u vodilu. To se naziva Joulovo zagrijavanje ili Ohmovo zagrijavanje.
Indukcija: Indukcija je mera koliko vodil suprotstavlja promeni tokom električne struje kroz sebe. Zavisi od oblika, veličine, orijentacije i rasporeda vodila. Indukcija uzrokuje da se magnetsko polje generiše oko vodila kada kroz njega protiče električna struja. Ovo magnetsko polje može indukovati electromotornu snagu (EMF) u istom ili susednim vodilima, koja suprotstavlja promeni struje. To se naziva samaindukacija ili međuindukacija, redom. Indukcija utiče na raspodelu struje i pad napona u vodilu kada se koristi za izmeničnu struju (AC).
Električno polje unutar vodila je nula: Električno polje unutar savršenog vodila je nula jer bilo koje električno polje bi izazvalo silu na slobodne elektrone i ubrzalo ih sve dok ne dostignu ravnotežu. U uslovima ravnoteže, neto sila na slobodne elektrone je nula, i oni se ne kreću. To znači da ne postoji razlika potencijala unutar vodila, i sve tačke su na istom potencijalu. Ova osobina čini vodile prikladnim za elektrostatičko ekraniranje električnog opreme.
Gustina naboja unutar vodila je nula: Gustina naboja unutar savršenog vodila je nula jer bilo koji naboj bi stvorio električno polje koje bi odbijalo isti naboj na površinu vodila. Međusobni elektrostatički odboj između sličnih naboja (elektrona) gurne ih na spoljnu površinu vodila, gde mogu biti što dalje jedan od drugog. To znači da ne postoji naboj unutar vodila, i samo slobodni naboj postoji na površini.
Slobodni naboj postoji samo na površini vodila: Kao što je već diskutovano, slobodni naboj (elektroni) ne postoji unutar vodila, već samo na njegovoj površini zbog elektrostatičkog odboja. Količina i raspodela slobodnog naboja na površini zavise od oblika i veličine vodila i vanjskog električnog polja koje mu se primeni.
Električno polje na površini vodila je normalno na površinu: Električno polje na površini savršenog vodila je normalno (normalno) na površinu jer bilo koji tangentni komponenta bi uzrokovala da se slobodni elektroni kreću duž površine dok ne otpeče tangentni komponent. To znači da ne postoji paralelni komponent električnog polja na površini, a postoji samo normalni komponent.
Vrste električnih vodila
Električni vodili se mogu klasifikovati na različite vrste na osnovu njihove strukture, sastave, ponašanja i primene. Nekoliko čestih vrsta su:
Metalni vodili: Ovi su vodili izrađeni od metala ili legura koji imaju visoku konduktivnost zbog svojih slobodnih elektrona. Široko se koriste za žice, prenosne linije, električne mašine, električne kontakte itd. Neke primere su srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminijum (Al), željezo (Fe) itd.
Jon vodili: Ovi su vodili izrađeni od jon kompleksa koji imaju visoku konduktivnost zbog svojih slobodnih jona kada su rastvoreni u vodi ili stopljeni u tekući stanje. Koriste se za elektrolizu, baterije, gorive celije itd. Neke primere su natrijum hlorid (NaCl), kalijum hidroksid (KOH), sirovatska kiselina (H2SO4) itd.
Molekularni vodili: Ovi su vodili izrađeni od molekula koji imaju visoku konduktivnost zbog svojih delokalizovanih elektrona ili molekularnih orbitala koji se mogu preklapati jedni sa drugima. Koriste se u organičkoj elektronici, nanotehnologiji itd. Neke primere su grafik (C), ugljeni nanotrubci (CNTs), poliacetilen (PA) itd.
Superprovodnici: Ovi su vodili koji imaju nultu otpornost i beskonačnu konduktivnost kada su ohlađeni ispod određene kritične temperature. Takođe pokazuju i druge fenomene, kao što je Meisner efekt, trajna struja, kvantna levitacija itd. Koriste se za superprovodne magnetike, kvantne računare, medicinsko slikanje itd. Neke primere su merkur (Hg), olovo (Pb), jiterij barijum bakar oksid (YBCO) itd.
Primene električnih vodila
Električni vodili imaju mnogo primena u različitim oblastima nauke, inženjerstva i tehnologije. Neke česte primene su:
