مواد با مقاومت کم و رسانایی بالا: مروری بر اجمالی

یک ماده با مقاومت الکتریکی کم یا هدایت‌پذیری بالا به عنوان ماده‌ای تعریف می‌شود که اجازه می‌دهد جریان الکتریکی به راحتی از آن عبور کند. این مواد در مهندسی برق برای ساخت ماشین‌آلات، تجهیزات و دستگاه‌های الکتریکی بسیار مفید هستند. این مواد همچنین به عنوان هادی‌ها برای انواع مختلف پیچش‌ها مورد نیاز در ماشین‌آلات، تجهیزات و دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شوند. علاوه بر این، این مواد به عنوان هادی‌ها در انتقال و توزیع انرژی الکتریکی استفاده می‌شوند.

ویژگی‌های مواد با مقاومت الکتریکی کم یا هدایت‌پذیری بالا

ویژگی‌های زیر در مواد با مقاومت الکتریکی کم یا هدایت‌پذیری بالا مطلوب هستند:

• هدایت‌پذیری بالاترین ممکن (به طور مثالية صفر). این بدان معناست که ماده مقاومت کمی به جریان الکتریکی ارائه می‌دهد و بدین ترتیب، تلفات قدرت و تولید گرما را به حداقل می‌رساند.مقاومت به جریان الکتریکی ارائه می‌دهد و بدین ترتیب، تلفات قدرت و تولید گرما را به حداقل می‌رساند.

• کمترین ضریب مقاومت ممکن در دمای محیط (به طور مثالية صفر). این بدان معناست که مقاومت ماده با تغییر دمای محیط تغییر چشمگیری نمی‌کند و عملکرد پایداری را در محدوده گسترده‌ای از دماها حفظ می‌کند.

• نقطه ذوب بالا. این بدان معناست که ماده می‌تواند در دماهای بالا بدون از دست دادن شکل یا هدایت‌پذیری خود تحمل کند.

• قوی بودن مکانیکی. این بدان معناست که ماده می‌تواند در برابر تغییر شکل، شکست یا خوردگی تحت فشار مکانیکی یا بار تحمل کند.

• پهن‌شدگی بالا. این بدان معناست که ماده می‌تواند به سیم‌ها یا اشکال دیگری کشیده شود بدون اینکه بشکند یا ترک بخورد.

• مقاومت بالا در برابر خوردگی (آزاد از اکسیداسیون). این بدان معناست که ماده با اکسیژن یا مواد دیگر در محیط واکنش نمی‌دهد و بدین ترتیب هدایت‌پذیری و ظاهر خود را حفظ می‌کند.

• قابلیت لحیم‌کاری. این بدان معناست که ماده می‌تواند به راحتی لحیم شود تا هادی‌ها را به هم متصل کند یا اجزای دیگری را به آن بچسباند.

• هزینه پایین. این بدان معناست که ماده قابل تحمل و به طور گسترده در دسترس است.

• عمر طولانی یا پایداری. این بدان معناست که ماده با گذر زمان تخریب یا تضعیف نمی‌یابد و بدین ترتیب کیفیت و عملکرد خود را حفظ می‌کند.

• انعطاف‌پذیری بالا. این بدان معناست که ماده می‌تواند خم یا پیچ شود بدون اینکه بشکند یا هدایت‌پذیری خود را از دست بدهد.

ویژگی‌های فوق با هدفی که ماده برای آن استفاده می‌شود متفاوت است. به عنوان مثال، برخی کاربردها ممکن است نیاز به هدایت‌پذیری بالاتری داشته باشند، در حالی که برخی دیگر ممکن است نیاز به قوی بودن مکانیکی بالاتری داشته باشند.

عوامل مؤثر بر مقاومت الکتریکی یا هدایت‌پذیری مواد

مقاومت الکتریکی یا هدایت‌پذیری یک ماده به چند عامل بستگی دارد، از جمله:

• نوع ماده. مواد مختلف ساختارهای اتمی و ترتیب الکترونی متفاوتی دارند که تأثیر می‌گذارند که الکترون‌ها چگونه می‌توانند از آن‌ها عبور کنند. به طور کلی، فلزات مقاومت الکتریکی کمتری نسبت به غیرفلزات دارند زیرا فلزات الکترون‌های آزادی دارند که می‌توانند جریان الکتریکی را منتقل کنند، در حالی که غیرفلزات الکترون‌های محکم‌بسته‌ای دارند که مقاومت به جریان الکتریکی می‌کنند.

• نرمی ماده. هر نوع آلودگی، چه فلزی و چه غیرفلزی، مقاومت الکتریکی فلزات را افزایش می‌دهد. حتی آلودگی با مقاومت کم نیز مقاومت فلز را افزایش می‌دهد. دلیل این امر این است که افزودن آلودگی کمی نقصان‌هایی در شبکه بلوری ایجاد می‌کند که جریان الکترون‌ها را در فلزات مختل می‌کند. بنابراین، فلزات خالص مقاومت الکتریکی کمتری نسبت به آلیاژها یا ترکیبات دارند.

• دمای ماده. مقاومت الکتریکی بیشتر مواد با افزایش دما افزایش می‌یابد زیرا دمای بالاتر باعث ارتعاشات بیشتر در اتم‌ها می‌شود که جریان الکترون‌ها را مختل می‌کند. با این حال، برخی مواد مانند نیمه‌رساناها در دماهای بالاتر مقاومت الکتریکی کمتری دارند زیرا دمای بالا تعداد الکترون‌های آزاد موجود برای هدایت را افزایش می‌دهد.

• شکل و اندازه ماده. مقاومت الکتریکی یک ماده یک ویژگی ذاتی است که به شکل و اندازه آن بستگی ندارد. با این حال، مقاومت یک هادی به شکل و اندازه آن بستگی دارد زیرا مقاومت متناسب با طول و نسبت عکس با مساحت مقطع است. بنابراین، هادی‌های طولانی‌تر و نازک‌تر مقاومت بیشتری نسبت به کوتاه‌تر و ضخیم‌تر دارند.

نمونه‌هایی از مواد با مقاومت الکتریکی کم یا هدایت‌پذیری بالا

برخی از نمونه‌های مواد با مقاومت الکتریکی کم یا هدایت‌پذیری بالا عبارتند از:

نقره (Ag)

نقره بهترین هادی الکتریکی در میان تمام فلزات است. این ماده دارای هدایت‌پذیری بالاترین و مقاومت الکتریکی کمترین در میان تمام مواد در دمای اتاق است. نقره همچنین می‌تواند پهن‌شدگی، جوشکاری، پهن‌شدگی، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت لحیم‌کاری داشته باشد. مشکل اصلی نقره این است که بسیار گران است که استفاده عملی آن در ماشین‌آلات و تجهیزات الکتریکی را محدود می‌کند. با این حال، هنوز در تجهیزات با ارزش برای تحقیقات استفاده می‌شود که هزینه مهم نیست.

ویژگی‌ها:

• مقاومت الکتریکی: ۱.۵۸ میکروام-سانتی‌متر

• ضریب مقاومت در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد: ۰.۰۰۳۸/درجه سانتی‌گراد

• نقطه ذوب: ۹۶۲ درجه سانتی‌گراد

• چگالی: ۱۰.۴۹ گرم بر سانتی‌متر مکعب

مس (Cu)