Niski otpor i visoka vodljivost materijala: Pregled
Materijal s niskom specifičnom otpornosti ili visokom vodljivošću definira se kao materijal koji omogućuje lako protjecanje električnog struja kroz njega. Ovi materijali su vrlo korisni u elektrotehnici za proizvodnju električnih strojeva, opreme i uređaja. Koriste se također kao vodiči za sve vrste navijanja potrebnih u električnim strojevima, aparaturi i uređajima. Također se koriste kao vodiči u prijenosu i distribuciji električne energije.
Svojstva materijala s niskom specifičnom otpornosti ili visokom vodljivošću
Sljedeća svojstva su poželjna u materijalima s niskom specifičnom otpornosti ili visokom vodljivošću:
Najveća moguća vodljivost (idejalno nula). To znači da materijal pruža minimalnu otpornost električnoj strujanju time minimizira gubitak snage i generiranje topline.
Najmanji mogući temperaturni koeficijent otpornosti (idejalno nula). To znači da otpornost materijala ne mijenja se značajno s temperaturom i time održava stabilnu performansu na širokom rasponu temperatura.
Visoka točka taloženja. To znači da materijal može izdržati visoke temperature bez gubitka oblika ili vodljivosti.
Visoka mehanička čvrstoća. To znači da materijal može odoljeti deformaciji, razbijanju ili istirivanju pod mehaničkim naprezanjima ili opterećenjima.
Visoka duktilnost. To znači da materijal može biti izvučen u žice ili druge oblike bez loma ili pukotina.
Visoka otpornost na koroziiju (slobodan od oksidacije). To znači da materijal ne reagira s kiseonikom ili drugim tvarima u okruženju i time održava svoju vodljivost i izgled.
Savarenost. To znači da materijal lako može biti savaren kako bi se spojili vodiči ili pričvrstili druge komponente.
Niska cijena. To znači da je materijal pristupačan i široko dostupan.
Dugačak životni vijek ili dugovečnost. To znači da materijal ne degenerira ili se ne deteriore nad vremenom i time održava svoju kvalitetu i performansu.
Visoka fleksibilnost. To znači da materijal može se saviti ili iskriviti bez loma ili gubitka vodljivosti.
Gore navedena svojstva variraju s namjenom za koju se materijal koristi. Na primjer, neke primjene mogu zahtijevati višu vodljivost od drugih, dok neke mogu zahtijevati veću mehaničku čvrstoću od drugih.
Faktori koji utječu na specifičnu otpornost ili vodljivost materijala
Specifična otpornost ili vodljivost materijala ovisi o nekoliko faktora, poput:
Vrsta materijala. Različiti materijali imaju različite atomske strukture i konfiguracije elektrona, što utječe na to koliko lako elektroni mogu kroz njih teći. Općenito, metali imaju nižu specifičnu otpornost od nemetala jer metali imaju slobodne elektrone koji mogu nositi električnu struju, dok nemetali imaju usko vezane elektrone koji otpiru električnoj strujanju.
Čistoća materijala. Bilo kakva nečistoća, bilo metalička ili nemetalička, povećava specifičnu otpornost metala. Čak i nečistoća s niskom specifičnom otpornosti povećat će specifičnu otpornost metala. Razlog za to je da dodavanje malog iznosa nečistoće stvara nedostatke u kristalnoj mreži, što ometa tok elektrona kroz metale. Stoga imaju čisti metali nižu specifičnu otpornost od legura ili spojeva.
Temperatura materijala. Specifična otpornost većine materijala raste s temperaturom jer viša temperatura uzrokuje više vibracija u atomima, što ometa pokret elektrona. Međutim, neki materijali, poput poluvodiča, imaju nižu specifičnu otpornost pri višim temperaturama jer viša temperatura povećava broj slobodnih elektrona dostupnih za provodnost.
Oblik i veličina materijala. Specifična otpornost materijala je intrinzično svojstvo koje ne ovisi o obliku i veličini. Međutim, otpornost vodiča ovisi o obliku i veličini jer je otpornost proporcionalna duljini i obrnuto proporcionalna površini presjeka. Stoga duži i tanji vodiči imaju veću otpornost od kraćih i debljih.
Primjeri materijala s niskom specifičnom otpornosti ili visokom vodljivošću
Neki primjeri materijala s niskom specifičnom otpornosti ili visokom vodljivošću su:
Srebro (Ag)
Srebro je najbolji provodnik električne struje među svim metlima. Ima najveću vodljivost i najnižu specifičnu otpornost među svim materijalima pri sobnoj temperaturi. Također je plastično, spajano, duktilno, odporno na koroziju i savarno. Glavna nedostataka srebra je da je vrlo skupo, što ograničava njegovu praktičnu upotrebu u električnim strojevima i opremi. Ipak, još se koristi u dragocjenim instrumentima koristenim za istraživanje gdje cijena nije problem.
Svojstva:
Specifična otpornost: 1,58 µΩ-cm
Temperaturni koeficijent otpornosti pri 20°C: 0,0038/°C
Točka taloženja: 962°C
Specifična težina: 10,49 g/cm³
Bakar (Cu)
Bakar je najviše korišteni materijal s visokom vodljivošću kao vodič za električne strojeve i opremu. Ima odličnu plastičnost, spajanost, savaranost, duktilnost, otpornost na koroziju i fleksibilnost. Bakar u čistom obliku ima dobru vodljivost, ali vodljivost standardne kvalitete bakra smanjuje se zbog prisutnosti nečistoća.
Svojstva:
Specifična otpornost: 1,68 µΩ-cm
Temperaturni koeficijent otpornosti pri 20°C: 0,00386/°C
Točka taloženja: 1085°C
Specifična težina: 8,96 g/cm³
