Lav resistivitet og høj ledningsevne materialer: En oversigt

En material med lav resistivitet eller høj ledningsevne defineres som en material, der tillader elektrisk strøm at flyde let gennem den. Disse materialer er meget nyttige i elektroteknik til produktion af elektriske maskiner, udstyr og enheder. De bruges også som ledere for alle typer vindinger, der kræves i elektriske maskiner, apparater og enheder. Desuden bruges de som ledere i transmission og distribution af elektrisk energi.

Egenskaber ved materialer med lav resistivitet eller høj ledningsevne

Følgende egenskaber er ønskelige i materialer med lav resistivitet eller høj ledningsevne:

• Højst mulig ledningsevne (ideelt set nul). Dette betyder, at materialet tilbyder minimalt modstand mod elektrisk strøm og dermed minimere effekttab og varmegenerering.

• Lavest mulig temperaturkoefficient for modstand (ideelt set nul). Dette betyder, at materialets modstand ikke ændrer sig betydeligt med temperaturen og dermed opretholder stabil ydeevne over et bredt temperaturinterval.

• Høj smeltepunkt. Dette betyder, at materialet kan tåle høje temperaturer uden at miste sin form eller ledningsevne.

• Høj mekanisk styrke. Dette betyder, at materialet kan modstå deformation, brud eller slid under mekanisk spænding eller belastning.

• Høj duktilitet. Dette betyder, at materialet kan trækkes ud til tråde eller andre former uden at bryde eller sprække.

• Høj korrosionsbestandhed (fri for oxidation). Dette betyder, at materialet ikke reagerer med ilt eller andre stoffer i miljøet og dermed bevare sin ledningsevne og sit udseende.

• Solderbarhed. Dette betyder, at materialet nemt kan solderes for at forbinder ledere eller montere andre komponenter.

• Lav pris. Dette betyder, at materialet er tilgængeligt og omkostningsforsynet.

• Lang levetid eller holdbarhed. Dette betyder, at materialet ikke nedbrydes eller forringes over tid og dermed opretholder sin kvalitet og ydeevne.

• Høj fleksibilitet. Dette betyder, at materialet kan bøjes eller drejes uden at bryde eller miste sin ledningsevne.

De ovenstående egenskaber varierer afhængigt af, hvilket formål materialet bruges til. For eksempel kan nogle anvendelser kræve højere ledningsevne end andre, mens nogle kan kræve højere mekanisk styrke end andre.

Faktorer, der påvirker resistiviteten eller ledningsevnen af materialer

Resistiviteten eller ledningsevnen af et materiale afhænger af flere faktorer, såsom:

• Materialetype. Forskellige materialer har forskellige atomstrukturer og elektronkonfigurationer, som påvirker, hvor let elektroner kan bevæge sig gennem dem. Generelt har metaller lavere resistivitet end ikke-metaller, da metaller har frie elektroner, der kan føre elektrisk strøm, mens ikke-metaller har tæt bundede elektroner, der modarbejder elektrisk strøm.

• Renhed af materiale. Enhver forurening, enten metallisk eller ikke-metallisk, øger resistiviteten af metaller. Selv en forurening med lav resistivitet vil øge resistiviteten af metal. Grunden til dette er, at tilføjelsen af en lille forurening skaber fejl i kristalstruktur, som forstyrrer elektronernes bevægelse gennem metaller. Derfor har rene metaller lavere resistivitet end legemer eller forbindelser.

• Temperaturen af materialet. Resistiviteten af de fleste materialer stiger med temperatur, da højere temperatur forårsager flere vibrationer i atomerne, som forstyrrer elektronernes bevægelse. Dog har nogle materialer, som halvledere, lavere resistivitet ved højere temperatur, da højere temperatur øger antallet af frie elektroner, der er tilgængelige for konduktion.

• Form og størrelse af materialet. Resistiviteten af et materiale er en intrinsisk egenskab, der ikke afhænger af dets form og størrelse. Dog afhænger modstanden hos en leder af dets form og størrelse, da modstand er proportionel med længden og omvendt proportional med tværsnitsarealet. Derfor har længere og tyndere ledere højere modstand end kortere og tykkere.

Eksempler på materialer med lav resistivitet eller høj ledningsevne

Nogle eksempler på materialer med lav resistivitet eller høj ledningsevne er:

Sølv (Ag)

Sølv er den bedste leder af elektricitet blandt alle metaller. Det har den højeste ledningsevne og den laveste resistivitet blandt alle materialer ved rumtemperatur. Det er også hamringsdygtigt, svarelsmeltebart, duktilt, korrosionsbestandigt og solderbart. Den største ulempe ved sølv er, at det er meget dyrt, hvilket begrænser dets praktiske anvendelse i elektriske maskiner og udstyr. Dog anvendes det stadig i kostbare instrumenter, der bruges til forskning, hvor prisen ikke har betydning.

Egenskaber:

• Resistivitet: 1,58 µΩ-cm

• Temperaturkoefficient for modstand ved 20°C: 0,0038/°C

• Smeltepunkt: 962°C

• Specifik vægt: 10,49 g/cm³

Kobber (Cu)

Kobber er det mest udbredte høj-ledningsevne materiale, der bruges som leder i elektriske maskiner og udstyr. Det har fremragende hamringsdygtighed, svarelsmeltebarhed, solderbarhed, duktilitet, korrosionsbestandighed og fleksibilitet. Kobber i rent form har god ledningsevne, men ledningsevnen af standardklasse kobber er reduceret pga. tilstedeværelsen af forureninger.

Egenskaber:

• Resistivitet: 1,68 µΩ-cm

• Temperaturkoefficient for modstand ved 20°C: 0,00386/°C

• Smeltepunkt: 1085°C

• Specifik vægt: 8,96 g/cm³

Guld (Au)

Guld er et kostbart og dyrt metal, der har god ledningsevne. Guld har den højeste hamringsdygtighed og duktilitet blandt alle metaller og kan trækkes ud til meget tynde tråde uden at bryde. Guld er også korrosionsbestandigt og solderbart. Pga. dens høje pris er dets praktiske anvendelse begrænset til kostbare instrumenter, der bruges til forskning eller dekoration.