Egenskaper hos elektriska ledare

En elektrisk ledare är ett material som tillåter elektriska laddningar att röra sig lätt genom det när det utsätts för en spännings skillnad. Elektriska ledare är nödvändiga för många tillämpningar, såsom kablar, överföringslinjer, elektriska maskiner, värmelement, elektrostatisk skärmning och mer. I den här artikeln kommer vi att utforska egenskaperna hos elektriska ledare, deras typer, exempel och tillämpningar.

Vad är en elektrisk ledare?

En elektrisk ledare definieras som ett material som har fria elektroner eller jon som kan bära elektrisk ström när ett elektriskt fält appliceras. Förmågan hos ett material att leda elektricitet kallas konduktivitet. Det motsatta till en ledare är en isolator, som har mycket få eller inga fria elektroner eller jon och tillåter inte elektrisk ström att flöda genom det.

Konduktiviteten hos ett material beror på flera faktorer, såsom dess atomstruktur, temperatur, föroreningar och externa inflytanden. Generellt sett har metaller hög konduktivitet eftersom de har många fria elektroner i sin yttersta skal som kan röra sig lätt från ett atom till en annan. Några exempel på goda ledare är silver, koppar, guld, aluminium, järn och grafitt. Icke-metaller har låg konduktivitet eftersom de har få eller inga fria elektroner i sin yttersta skal och tenderar att hålla dem hårt. Några exempel på isolatorer är gummi, glas, trä, plast och luft.

Vissa material har mellanliggande konduktivitet mellan ledare och isolatorer. Dessa kallas halvledare och används vidt utbrett inom elektronik och dator teknologi. Några exempel på halvledare är silikon, germanium, gallium arsenid och kolnanorör.

Egenskaper hos elektriska ledare

Elektriska ledare visar vissa gemensamma egenskaper när de befinner sig i jämviktstillstånd. Dessa egenskaper är:

• Motstånd: Motstånd är en mätning av hur mycket en ledare motarbetar elektrisk ströms flöde. Det beror på materialets resistivitet, längd, tvärsnittsarea och temperatur. Resistivitet är den intrinsika egenskapen hos ett material som bestämmer dess motstånd per enhetslängd och area. Den är omvänt proportionell till konduktivitet. Ledare har låg resistivitet och lågt motstånd, medan isolatorer har hög resistivitet och högt motstånd. Motstånd orsakar att en del av den elektriska energin omvandlas till värmeenergi i en ledare. Detta kallas Joule-värmning eller ohmisk värmning.

• Induktans: Induktans är en mätning av hur mycket en ledare motarbetar förändringen i den elektriska ström som flödar genom den. Den beror på form, storlek, orientering och anordning av ledaren. Induktans orsakar ett magnetfält att genereras runt en ledare när en elektrisk ström flödar genom den. Detta magnetfält kan inducera en elektromotorisk kraft (EMF) i samma eller närliggande ledare som motarbetar förändringen i strömmen. Detta kallas självinduktans eller ömsesidig induktans, respektive. Induktans påverkar strömfördelningen och spänning fall i en ledare när den används för växelström (AC) leverans.

• Det elektriska fältet inuti ledaren är noll: Det elektriska fältet inuti en perfekt ledare är noll eftersom ett elektriskt fält skulle utöva en kraft på de fria elektronerna och accelerera dem tills de når jämvikt. I jämviktstillstånd är den totala kraften på de fria elektronerna noll, och de rör sig inte. Detta betyder att det finns ingen spännings skillnad inuti ledaren, och alla punkter är vid samma potential. Denna egenskap gör ledare lämpliga för elektrostatisk skärmning av elektrisk utrustning.

• Laddnings täthet inuti ledaren är noll: Laddnings täthet inuti en perfekt ledare är noll eftersom en laddning skulle skapa ett elektriskt fält som skulle repellera samma laddning till ytan av ledaren. Den ömsesidiga elektrostatiska repulsionen mellan lika laddningar (elektroner) driver dem till den yttre ytan av ledaren, där de kan vara så långt ifrån varandra som möjligt. Detta betyder att det inte finns någon laddning inuti ledaren, och endast fri laddning existerar på ytan.

• Fri laddning finns endast på ytan av ledaren: Som diskuterats ovan, finns fri laddning (elektroner) inte inuti ledaren utan endast på dess yta på grund av elektrostatisk repulsion. Mängden och fördelningen av fri laddning på ytan beror på form och storlek av ledaren och det externa elektriska fältet som appliceras på den.

• Det elektriska fältet vid ytan av ledaren är normalt mot ytan: Det elektriska fältet vid ytan av en perfekt ledare är normalt (vinkelrätt) mot ytan eftersom en tangent komponent skulle orsaka att de fria elektronerna rör sig längs ytan tills de tar bort den tangentiella komponenten. Detta betyder att det inte finns någon parallell komponent av ett elektriskt fält vid ytan, och endast en normal komponent existerar.

Typer av elektriska ledare

Elektriska ledare kan indelas i olika typer baserat på deras struktur, sammansättning, beteende och tillämpning. Några vanliga typer är:

• Metalliska ledare: Dessa är ledare gjorda av metaller eller legeringar som har hög konduktivitet på grund av sina fria elektroner. De används vidt utbrett för kablage, överföringslinjer, elektriska maskiner, elektriska kontakter, etc. Några exempel är silver (Ag), koppar (Cu), guld (Au), aluminium (Al), järn (Fe), etc.

• Joniska ledare: Dessa är ledare gjorda av joniska föreningar som har hög konduktivitet på grund av sina fria jon när de löses i vatten eller smälts till en flytande tillstånd. De används för elektrolys, batterier, bränsleceller, etc. Några exempel är natriumklorid (NaCl), kaliumhydroxid (KOH), svavelsyrat (H2SO4), etc.

• Molekylära ledare: Dessa är ledare gjorda av molekyler som har hög konduktivitet på grund av sina delokaliserade elektroner eller molekylära orbitaler som kan överlappa med varandra. De används för organisk elektronik, nanoteknik, etc. Några exempel är grafit (C), kolnanorör (CNTs), polyacetyleen (PA), etc.

• Superledare: Dessa är ledare som har noll motstånd och oändlig konduktivitet när de kyls ned under en viss kritisk temperatur. De visar också andra fenomen, såsom Meissner-effekten, beständig ström, kvantlevitation, etc. De används för superledande magneter, kvantdatorer, medicinsk bildbehandling, etc. Några exempel är kvicksilver (Hg), bly (Pb), yttrium barium kopparoxid (YBCO), etc.

Tillämpningar av elektriska ledare

Elektriska ledare har många tillämpningar inom olika områden av vetenskap, teknik och teknologi. Några vanliga tillämpningar är:

• Kablage: Kablage är en av de vanligaste användningarna av elektriska ledare. Det innefattar att ansluta olika elektriska enheter eller komponenter med trådar gjorda av metalliska ledare som koppar eller aluminium. Kablage tillåter elektricitet att flöda från en punkt till en annan med minimal förlust eller störning.