คุณสมบัติของตัวนำไฟฟ้า
ตัวนำไฟฟ้าคือวัสดุที่อนุญาตให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้ง่ายเมื่อถูกนำไปสู่ความต่างศักย์ ตัวนำไฟฟ้ามีความสำคัญสำหรับการใช้งานหลายอย่าง เช่น การเดินสายไฟ สายส่งไฟฟ้า เครื่องจักรไฟฟ้า องค์ประกอบทำความร้อน การป้องกันไฟฟ้าสถิต และอื่นๆ ในบทความนี้ เราจะสำรวจคุณสมบัติของตัวนำไฟฟ้า ประเภท ตัวอย่าง และการใช้งาน
ตัวนำไฟฟ้าคืออะไร?
ตัวนำไฟฟ้าหมายถึงวัสดุที่มีอิเล็กตรอนหรือไอออนอิสระที่สามารถนำ กระแสไฟฟ้า เมื่อมีการใช้ สนามไฟฟ้า ความสามารถในการนำไฟฟ้าของวัสดุเรียกว่าความนำไฟฟ้า ตรงข้ามกับตัวนำไฟฟ้าคือฉนวน ซึ่งมีอิเล็กตรอนหรือไอออนอิสระน้อยมากหรือไม่มีเลยและไม่อนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
ความนำไฟฟ้าของวัสดุขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น โครงสร้าง อะตอม อุณหภูมิ สิ่งเจือปน และอิทธิพลจากภายนอก โดยทั่วไปแล้วโลหะมีความนำไฟฟ้าสูงเพราะมีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากในชั้นนอกสุดที่สามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง ตัวอย่างของตัวนำไฟฟ้าที่ดีคือเงิน ทองแดง ทองคำ อลูมิเนียม เหล็ก และกราไฟต์ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะมีความนำไฟฟ้าน้อยเพราะมีอิเล็กตรอนอิสระน้อยในชั้นนอกสุดและมักจะยึดติดกันแน่น ตัวอย่างของฉนวนคือยาง แก้ว ไม้ พลาสติก และอากาศ
บางวัสดุมีความนำไฟฟ้าระหว่างตัวนำและฉนวน เรียกว่าวัสดุกึ่งตัวนำและใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรไฟฟ้าและเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างของวัสดุกึ่งตัวนำคือซิลิคอน เจอร์เมเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ และท่อคาร์บอนนาโน
คุณสมบัติของตัวนำไฟฟ้า
ตัวนำไฟฟ้าแสดงคุณสมบัติที่พบบ่อยเมื่ออยู่ในภาวะสมดุล คุณสมบัติเหล่านี้คือ:
ความต้านทาน: ความต้านทานเป็นการวัดว่าตัวนำไฟฟ้าต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าได้มากแค่ไหน ความต้านทานขึ้นอยู่กับวัสดุ ความต้านทานจำเพาะ ความยาว พื้นที่ตัดขวาง และอุณหภูมิ ความต้านทานจำเพาะเป็นคุณสมบัติภายในของวัสดุที่กำหนดความต้านทานต่อหน่วยความยาวและพื้นที่ ความต้านทานจำเพาะมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับความนำไฟฟ้า ตัวนำไฟฟ้ามีความต้านทานจำเพาะต่ำและ ความต้านทานต่ำ ในขณะที่ฉนวนมีความต้านทานจำเพาะสูงและความต้านทานสูง ความต้านทานทำให้บางส่วนของพลังงานไฟฟ้าเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนในตัวนำไฟฟ้า นี่เรียกว่า การเกิดความร้อนตามกฎของโจล หรือ ความร้อนโอห์ม.
ความเหนี่ยวนำ: ความเหนี่ยวนำเป็นการวัดว่าตัวนำไฟฟ้าต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมันได้มากแค่ไหน ความเหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับรูปร่าง ขนาด แนวตั้งและการจัดเรียงของตัวนำไฟฟ้า ความเหนี่ยวนำทำให้เกิด สนามแม่เหล็ก รอบตัวนำไฟฟ้าเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน มีสนามแม่เหล็กที่สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้า (EMF) ในตัวนำไฟฟ้าเดียวกันหรือตัวนำไฟฟ้าใกล้เคียงที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า นี่เรียกว่าความเหนี่ยวนำตนเองหรือความเหนี่ยวนำร่วมตามลำดับ ความเหนี่ยวนำส่งผลต่อการกระจายกระแสและ แรงดันไฟฟ้า ที่ลดลงในตัวนำไฟฟ้าเมื่อใช้สำหรับ กระแสไฟฟ้าสลับ (AC) กำลัง.
สนามไฟฟ้าภายในตัวนำไฟฟ้าเท่ากับศูนย์: สนามไฟฟ้าภายในตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์เท่ากับศูนย์เพราะสนามไฟฟ้าใด ๆ จะออกแรงบนอิเล็กตรอนอิสระและเร่งความเร็วจนถึงภาวะสมดุล ในภาวะสมดุลแรงรวมบนอิเล็กตรอนอิสระเท่ากับศูนย์และไม่เคลื่อนที่ นั่นหมายความว่าไม่มีความต่างศักย์ภายในตัวนำไฟฟ้าและจุดทั้งหมดอยู่ที่ศักย์เดียวกัน คุณสมบัตินี้ทำให้ตัวนำไฟฟ้าเหมาะสมสำหรับการป้องกันไฟฟ้าสถิตของอุปกรณ์ไฟฟ้า
ความหนาแน่นของประจุภายในตัวนำไฟฟ้าเท่ากับศูนย์: ความหนาแน่นของประจุภายในตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์เท่ากับศูนย์เพราะประจุใด ๆ จะสร้างสนามไฟฟ้าที่ผลักประจุเดียวกันออกไปที่ผิวของตัวนำไฟฟ้า แรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุเดียวกัน (อิเล็กตรอน) ผลักอิเล็กตรอนไปที่ผิวด้านนอกของตัวนำไฟฟ้าที่สามารถอยู่ห่างกันได้มากที่สุด นั่นหมายความว่าไม่มีประจุภายในตัวนำไฟฟ้าและมีเฉพาะประจุอิสระบนผิวเท่านั้น
ประจุอิสระมีอยู่เฉพาะบนผิวของตัวนำไฟฟ้า: ตามที่กล่าวมาข้างต้น ประจุอิสระ (อิเล็กตรอน) ไม่มีอยู่ภายในตัวนำไฟฟ้าแต่มีเฉพาะบนผิวเนื่องจากแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต ปริมาณและการกระจายของประจุอิสระบนผิวขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของตัวนำไฟฟ้าและสนามไฟฟ้าภายนอกที่ใช้กับมัน
สนามไฟฟ้าที่ผิวของตัวนำไฟฟ้าตั้งฉากกับผิว: สนามไฟฟ้าที่ผิวของตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์ตั้งฉาก (ตั้งฉาก) กับผิวเพราะส่วนประกอบที่ขนานใด ๆ จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ตามผิวจนกระทั่งยกเลิกส่วนประกอบที่ขนาน นั่นหมายความว่าไม่มีส่วนประกอบที่ขนานของสนามไฟฟ้าที่ผิวและมีเฉพาะส่วนประกอบที่ตั้งฉากเท่านั้น
ประเภทของตัวนำไฟฟ้า
ตัวนำไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่าง ๆ ตามโครงสร้าง การประกอบ พฤติกรรม และการใช้งาน ประเภทที่พบบ่อยคือ:
ตัวนำไฟฟ้าโลหะ: ตัวนำไฟฟ้าเหล่านี้ทำมาจากโลหะหรืออัลลอยด์ที่มีความนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระ ตัวนำไฟฟ้าโลหะใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการเดินสายไฟ, สายส่งไฟฟ้า เครื่องจักรไฟฟ้า ตัวต่อไฟฟ้า ฯลฯ ตัวอย่างเช่น เงิน (Ag) ทองแดง (Cu) ทองคำ (Au) อลูมิเนียม (Al) เหล็ก (Fe) ฯลฯ
ตัวนำไฟฟ้าไอออน: ตัวนำไฟฟ้าเหล่านี้ทำมาจากสารประกอบไอออนที่มีความนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากมีไอออนอิสระเมื่อละลายในน้ำหรือหลอมเป็นของเหลว ตัวนำไฟฟ้าไอออนใช้สำหรับการแยกไฟฟ้า แบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง ฯลฯ ตัวอย่างเช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) กรดซัลฟูริก (H2SO4) ฯลฯ
ตัวนำไฟฟ้าโมเลกุล: ตัวนำไฟฟ้าเหล่านี้ทำมาจากโมเลกุลที่มีความนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากมีอิเล็กตรอนที่กระจายหรือวงโคจรโมเลกุลที่สามารถซ้อนทับกัน ตัวนำไฟฟ้าโมเลกุลใช้สำหรับอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ เทคโนโลยีนาโน ฯลฯ ตัวอย่างเช่น กราไฟต์ (C) ท่อคาร์บอนนาโน (CNTs) โพลีอะเซทิลีน (PA) ฯลฯ
ตัวนำไฟฟ้าซูเปอร์คอนดักเตอร์: ตัวนำไฟฟ้าเหล่านี้มีความต้านทานเท่ากับศูนย์และความนำไฟฟ้าอนันต์เมื่อเย็นต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติที่กำหนด ตัวนำไฟฟ้าซูเปอร์คอนดักเตอร์ยังแสดงปรากฏการณ์อื่น ๆ เช่น เอฟเฟกต์ไมส์เนอร์ กระแสคงที่ ควอนตัมเลวาเทชัน ฯลฯ ตัวนำไฟฟ้าซูเปอร์คอนดักเตอร์ใช้สำหรับแม่เหล็กซูเปอร์คอนดักเตอร์ คอมพิวเตอร์ควอนตัม การสร้างภาพทางการแพทย์ ฯลฯ ตัวอย่างเช่น ปรอท (Hg) ตะกั่ว (Pb) ยิตริยัมบาร์เซียมโคบัลต์ออกไซด์ (YBCO) ฯลฯ
