Elektriske ledere: Definition, typer og egenskaber
En elektrisk leder er et materiale, der tillader elektriske ladninger at flyde gennem det med lille modstand. Elektriske ledere er normalt metaller, såsom kobber, sølv, guld, aluminium og jern. De har mange frie elektroner, der kan bevæge sig let, når et elektrisk felt anvendes. Elektriske ledere bruges til at lave ledninger, kabler, kredsløb og andre enheder, der bærer elektrisk strøm.
Hvad er en elektrisk leder?
En elektrisk leder defineres som et objekt eller type materiale, der tillader ladningens flydning i én eller flere retninger. Materiale lavet af metal er almindelige elektriske ledere, da metaller har høj ledningsevne og lav modstand.
Elektriske ledere tillader elektroner at flyde mellem de atomer i materialet med drift hastighed i ledningsbåndet. Ledningsbåndet er energiniveauet, hvor elektroner kan bevæge sig frit inden for materialet. Lejeren er dannet af atomer, der har løst binde valenselektroner, der kan blive opspændt af et elektrisk felt eller en termisk effekt. Når et elektron flytter sig fra det valensbånd til ledningsbåndet, efterlader det en positiv hull, der også kan bære en ladning.
Elektriske ledere kan være metaller, metallegemer, elektrolyter eller nogle ikke-metaller som grafitt og ledbare polymerer. Disse materialer tillader elektricitet (dvs. ladningens flydning) at passere gennem dem nemt.
Hvordan leder en leder strøm?
Strømmen i en leder er ladningens flydenhedsrate gennem en tværsnit af lederen. Strømmen er proportional med det elektriske felt og den ledningsevne af materialet. Det elektriske felt skabes af en potentiaforskel eller spænding over lederen. Den ledningsevne er en måling af, hvor let materialet tillader ladning at flyde gennem det.
Når en potentiaforskel anvendes på en leder, får elektronerne i ledningsbåndet energi og begynder at drifte fra den negative terminal til den positive terminal af spændingskilden. Retningen af strømmen er modsat retningen af elektronernes flyden, da strøm defineres som flyden af positiv ladning. Elektronerne kolliderer med atomer og andre elektroner i lederen, hvilket forårsager modstand og varmegenerering. Den modstand er en måling af, hvor meget materialet modarbejder ladningens flyden gennem det.
Strømmen i en leder afhænger af flere faktorer, såsom:
Den potentielle forskel over lederen
Længden og tværsnitsarealet af lederen
Temperaturen og sammensætningen af materialet
Tilstedeværelsen af urenheder eller defekter i materialet
Hvad er egenskaberne ved elektriske ledere?
Nogle af de vigtigste egenskaber ved elektriske ledere er:
De har høj ledningsevne og lav modstand
De har mange frie elektroner i deres ledningsbånd
De har ingen energikløft mellem deres valensbånd og ledningsbånd
De har metalliske bindinger, der danner et gitter af positive ioner omringet af en elektronsky
De har intet elektrisk felt og intet ladningsdensitet indeni dem
De har frie ladninger kun på deres overflade
De har et elektrisk felt, der står vinkelret på deres overflade
Hvilke typer af elektriske ledere findes der?
Elektriske ledere kan klassificeres baseret på deres ohmske respons, som er, hvordan de overholder Ohms lov. Ohms lov siger, at strømmen i en leder er direkte proportional med den potentielle forskel over den og invers proportional med dens modstand.
Ohmske ledere
Ohmske ledere er materialer, der følger Ohms lov for enhver potentielforskel og temperatur. De har en lineær relation mellem spænding og strøm, hvilket betyder, at deres modstand er konstant. De fleste metaller er ohmske ledere under normale forhold.
Eksempler: Sølv, kobber, aluminium, jern, osv.
Ikke-ohmske ledere
Ikke-ohmske ledere er materialer, der ikke følger Ohms lov for enhver potentielforskel eller temperatur. De har en ikke-lineær relation mellem spænding og strøm, hvilket betyder, at deres modstand varierer med den anvendte spænding. Ikke-ohmske ledere kan vise negativ modstand, hvor strømmen falder, når spændingen stiger, eller positiv modstand, hvor strømmen stiger, når spændingen stiger, men ikke proportionalt. Nogle ikke-ohmske ledere kan også have en terskelspænding, under hvilken ingen strøm flyder.
Faste ledere
Faste ledere er materialer, der har en fast form og volumen. De kan yderligere deles i metalliske og ikke-metalliske ledere.
Metalliske ledere: Dette er metaller eller metallegemer, der har høj ledningsevne og lav resistivitet. De har et gitterstruktur af positive ioner omringet af en hav af frie elektroner. Nogle eksempler på metalliske ledere er sølv, kobber, guld, aluminium, jern, messing, bronz, osv.
Ikke-metalliske ledere: Dette er ikke-metaller, der har nogle frie elektroner eller ioner i deres struktur. De har lavere ledningsevne og højere resistivitet end metaller. Nogle eksempler på ikke-metalliske ledere er grafitt, kulstofnanorør, grafen, osv.
