Властивості електричних провідників
Електричний провідник — це матеріал, який дозволяє електричним зарядам легко рухатися через нього при наявності потенційної різниці. Електричні провідники необхідні для багатьох застосувань, таких як проводка, лінії передачі, електричні машини, нагрівальні елементи, електростатичне екранування і багато іншого. У цій статті ми розглянемо властивості електричних провідників, їхні типи, приклади та застосування.
Що таке електричний провідник?
Електричний провідник визначається як матеріал, який має вільні електрони або іони, які можуть переносити електричний струм, коли до нього застосовується електричне поле. Способність матеріалу проводити електричество називається провідністю. Протилежність провіднику — це ізолятор, який має дуже мало або взагалі немає вільних електронів або іонів і не дозволяє електричному струму протікати через себе.
Провідність матеріалу залежить від кількох факторів, таких як його атомна структура, температура, домішки та зовнішні впливи. Зазвичай, металами мають високу провідність, оскільки вони мають багато вільних електронів у своїй зовнішній оболонці, які можуть легко переміщатися від одного атома до іншого. Некоторые примеры хороших проводников — серебро, мідь, золото, алюміній, залізо і графіт. Неметалами мають низьку провідність, оскільки вони мають мало або взагалі немає вільних електронів у своїй зовнішній оболонці і схиляються тримати їх міцно. Некоторые примеры изоляторов — резина, скло, дерево, пластик і повітря.
Деякі матеріали мають проміжну провідність між провідниками та ізоляторами. Це називаються напівпровідниками і широко використовуються в електроніці та комп'ютерних технологіях. Деякі приклади напівпровідників — кремній, германій, галій-арсенид, та вуглецеві нанотрубки.
Властивості електричних провідників
Електричні провідники демонструють деякі загальні властивості, коли вони знаходяться в рівноважних умовах. Ці властивості:
Опір: Опір — це міра того, наскільки провідник опонує потоку електричного струму. Він залежить від матеріалу, його специфічного опору, довжини, площі поперечного перерізу та температури. Специфічний опір — це внутрішня властивість матеріалу, яка визначає його опір на одиницю довжини та площі. Він обернено пропорційний провідності. Провідники мають низький специфічний опір і низький опір, тоді як ізолятори мають високий специфічний опір і високий опір. Опір спричиняє перетворення частини електричної енергії в теплову енергію в провіднику. Це називається закон Джоуля або омічне нагрівання.
Індуктивність: Індуктивність — це міра того, наскільки провідник опонує зміні електричного струму, що протікає через нього. Вона залежить від форми, розміру, орієнтації та розташування провідника. Індуктивність спричиняє утворення магнітного поля навколо провідника, коли через нього протікає електричний струм. Це магнітне поле може індукувати електромотивну силу (ЕМС) в тому ж або близьких провідниках, які опонують зміні струму. Це називається самовикликаною індуктивністю або взаємною індуктивністю, відповідно. Індуктивність впливає на розподіл струму та напругу у провіднику, коли він використовується для перемінного струму (AC).
Електричне поле всередині провідника дорівнює нулю: Електричне поле всередині ідеального провідника дорівнює нулю, оскільки будь-яке електричне поле прикладає силу до вільних електронів, прискорюючи їх до досягнення рівноваги. У рівноважних умовах загальна сила на вільні електрони дорівнює нулю, і вони не рухаються. Це означає, що всередині провідника немає потенційної різниці, і всі точки знаходяться на одному потенціалі. Ця властивість робить провідники придатними для електростатичного екранування електричного обладнання.
Зарядова густина всередині провідника дорівнює нулю: Зарядова густина всередині ідеального провідника дорівнює нулю, оскільки будь-який заряд створює електричне поле, яке відштовхує такий же заряд на поверхню провідника. Мутуальна електростатична відштовхувальна сила між однаковими зарядами (електронами) тіснить їх на зовнішню поверхню провідника, де вони можуть бути якомога далі одне від одного. Це означає, що всередині провідника немає заряду, і лише вільний заряд існує на поверхні.
Вільний заряд існує лише на поверхні провідника: Як обговорювалось вище, вільний заряд (електрони) не існує всередині провідника, а лише на його поверхні через електростатичну відштовхувальну силу. Кількість та розподіл вільного заряду на поверхні залежать від форми та розміру провідника та зовнішнього електричного поля, прикладеного до нього.
Електричне поле на поверхні провідника нормальне до поверхні: Електричне поле на поверхні ідеального провідника нормальне (перпендикулярне) до поверхні, оскільки будь-яка тангенціальна компонента призведе до руху вільних електронів вздовж поверхні до того моменту, поки вони не скасають тангенціальну компоненту. Це означає, що паралельної компоненти електричного поля на поверхні немає, і існує лише нормальна компонента.
Типи електричних провідників
Електричні провідники можна класифікувати на різні типи залежно від їхньої структури, складу, поведінки та застосування. Деякі поширені типи:
Металеві провідники: Це провідники, виготовлені з металів або сплавів, які мають високу провідність завдяки своїм вільним електронам. Вони широко використовуються для проводки, ліній передачі, електричних машин, електричних контактів тощо. Деякі приклади — срібло (Ag), мідь (Cu), золото (Au), алюміній (Al), залізо (Fe) тощо.
Іонні провідники: Це провідники, виготовлені з іонних сполук, які мають високу провідність завдяки своїм вільним іонам, коли вони розчинені в воді або розплавлені в рідинний стан. Вони використовуються для електролізу, батарей, паливних елементів тощо. Деякі приклади — хлорид натрію (NaCl), гідроксид калію (KOH), сульфатна кислота (H2SO4) тощо.
Молекулярні провідники: Це провідники, виготовлені з молекул, які мають високу провідність завдяки своїм делокалізованим електронам або молекулярним орбіталям, які можуть перекриватися одна з одною. Вони використовуються для органічної електроніки, нанотехнологій тощо. Деякі приклади — графіт ©, вуглецеві нанотрубки (CNTs), поліакрилена (PA) тощо.
Суперпровідники: Це провідники, які мають нульовий опір та нескінченну провідність, коли їх охолоджують нижче певної критичної температури. Вони також демонструють інші явища, такі як
