Alempien vastusvaikutusten ja korkean johtavuuden materiaalit: Yleiskatsaus
Alhainen vastuskyky tai korkean johtavuuden materiaalina määritellään sellainen materiaali, joka sallii sähkövirtan helposti kulkea sen läpi. Nämä materiaalit ovat hyvin käyttökelpoisia sähkötekniikassa sähköisten koneiden, laitteiden ja välineiden valmistukseen. Niitä käytetään myös kaikenlaisissa kierroksissa, jotka tarvitaan sähköisissä koneissa, laitteissa ja välineissä. Lisäksi niitä käytetään johtimina sähkön siirtämiseen ja jakamiseen.
Alhaisen vastuskyvyn tai korkean johtavuuden materiaalien ominaisuudet
Seuraavat ominaisuudet ovat toivottavia alhaisessa vastuskyvyssä tai korkeassa johtavuudessa olevilla materiaaleilla:
Korkein mahdollinen johtavuus (idealisesti nolla). Tämä tarkoittaa, että materiaali tarjoaa minimi vastusta sähkövirran kululle ja siten minimoi tehon menetyksen ja lämpögeneroinnin.
Pienin mahdollinen vastuskerroin (idealisesti nolla). Tämä tarkoittaa, että materiaalin vastus ei muutu merkittävästi lämpötilan myötä ja siten se ylläpitää vakaita suorituskykyjä laajalla lämpötilavälillä.
Korkea sulamispiste. Tämä tarkoittaa, että materiaali voi kestää korkeita lämpötiloja ilman, että se menettää muodon tai johtavuuden.
Korkea mekaaninen vahvuus. Tämä tarkoittaa, että materiaali voi vastustaa muotojen muuttumista, rikkoutumista tai kulun syntymistä mekaanisen stressin tai kuorman alla.
Korkea venyvyys. Tämä tarkoittaa, että materiaalia voidaan vetää kiinteäksi tai muiksi muodoksi ilman, että se rikkoutuu tai revittyää.
Korkea korroosiovastuskyky (ilmaisvapaa). Tämä tarkoittaa, että materiaali ei reagoi happeen tai muiden ympäristön aineiden kanssa ja siten säilyttää johtavuuden ja ulkonäön.
Löydettävyys. Tämä tarkoittaa, että materiaalia voidaan löytää helposti yhdistämään johtimia tai liittämään muita komponentteja.
Alhainen hinta. Tämä tarkoittaa, että materiaali on edullinen ja laajasti saatavilla.
Pitkä elinkaari tai kestävyys. Tämä tarkoittaa, että materiaali ei heikkenä tai huononee ajan myötä ja siten säilyttää laadun ja suorituskyvyn.
Korkea joustavuus. Tämä tarkoittaa, että materiaalia voidaan taivuttaa tai kääntää ilman, että se rikkoutuu tai menettää johtavuuden.
Edellä mainitut ominaisuudet vaihtelevat materiaalin käyttötarkoituksesta riippuen. Esimerkiksi joillekin sovelluksille saattaa olla vaadittu korkeampi johtavuus kuin muille, kun taas joillekin saattaa olla vaadittu korkeampi mekaaninen vahvuus kuin muille.
Materiaalin vastuskyvyn tai johtavuuden vaikutteet
Materiaalin vastuskyvyn tai johtavuuden riippuvuus useista tekijöistä, kuten:
Materiaalin tyyppi. Eri materiaalilla on erilaiset atominrakenteet ja elektronikonfiguraatiot, jotka vaikuttavat siihen, kuinka helposti elektronit voivat kulkea niiden läpi. Yleensä metallit ovat pienempää vastuskyvyn kuin epämetallit, koska metallit ovat vapaita elekronit, jotka voivat kuljettaa sähkövirtaa, kun taas epämetallit ovat tiiviisti sidottuja elekronit, jotka vastustavat sähkövirtaa.
Materiaalin puhtaus. Kaikki impuriteetti, olipa kyseessä metallinen tai epämetallinen, lisää metallien vastuskyvyn. Jopa pieni vastuskyvyn impuriteetti lisää metallin vastuskyvyn. Syynä tähän on, että pieni impuriteetti luo epätäsmällisyyksiä kristalliverkkoon, mikä häiritsee elektronien kulku metallien läpi. Siksi puhtaat metallit ovat pienempää vastuskyvyn kuin liittymät tai yhdisteet.
Materiaalin lämpötila. Useimpien materiaalien vastuskyky kasvaa lämpötilan myötä, koska korkeampi lämpötila aiheuttaa enemmän vibraatioita atomeissa, mikä häiritsee elektronien liikkumista. Kuitenkin joillekin materiaaleille, kuten puolijoille, vastuskyky on pienempi korkeammalla lämpötilalla, koska korkeampi lämpötila lisää vapaana olevien elektronien määrää johtamiseen.
Materiaalin muoto ja koko. Materiaalin vastuskyky on luontainen ominaisuus, joka ei riipu sen muodosta ja koko. Kuitenkin johtimen vastus riippuu sen muodosta ja kooksesta, koska vastus on verrannollinen pituuteen ja käänteisesti verrannollinen poikkileikkauksen pinta-alaan. Siksi pidemmät ja ohuemmat johtimet ovat korkeampia vastuskyvyn kuin lyhyemmät ja paksut.
Esimerkkejä alhaisesta vastuskyvystä tai korkeasta johtavuudesta olevista materiaaleista
Joitakin esimerkkejä alhaisesta vastuskyvystä tai korkeasta johtavuudesta olevista materiaaleista ovat:
Hopea (Ag)
Hopea on paras sähköjohtaja kaikista metalleista. Se on korkeinta johtavuutta ja pienintä vastuskyvyn kaikista materiaaleista huoneenlämpötilassa. Se on myös mallaskykyinen, hitaustyöskentelykykyinen, venyvä, korroosiovastuskykyinen ja löydettävä. Hopean pääasiallinen haittapuoli on, että se on erittäin kalliia, mikä rajoittaa sen käyttömahdollisuuksia sähköisissä koneissa ja laitteissa. Kuitenkin sitä käytetään edelleen arvokkaissa tutkimuslaitteissa, joissa hinta ei ole ongelma.
Ominaisuudet:
Vastuskyky: 1,58 µΩ-cm
Vastuskerroin 20°C:ssa: 0,0038/°C
Sulamispiste: 962°C
Tiheyys: 10,49 g/cm³
Kupari (Cu)
Kupari on laajimmin käytetty korkean johtavuuden materiaali sähköisissä koneissa ja laitteissa. Sillä on erinomainen mallaskyky, hitaustyöskentelykyky, löydettävyys, venyvyys, korroosiovastuskyky ja joustavuus. Puhdassa muodossa kuparin johtavuus on hyvä, mutta standardikapasiteettikuparin johtavuus on vähentyneen impuriteettien vuoksi.
Ominaisuudet:
Vastuskyky: 1,68 µΩ-cm
Vastuskerroin 20°C:ssa: 0,00386/°C
Sulamispiste: 1085°C
Tiheyys: 8,96 g/cm³
