مجرایان الکتریکی: تعریف، انواع و خصوصیات

یک هادی الکتریکی ماده‌ای است که به جریان بار الکتریکی با مقاومت کم اجازه عبور می‌دهد. هادی‌های الکتریکی معمولاً فلزاتی همچون مس، نقره، طلا، آلومینیوم و آهن هستند. آنها تعداد زیادی الکترون آزاد دارند که می‌توانند در صورت اعمال میدان الکتریکی به راحتی حرکت کنند. هادی‌های الکتریکی برای ساخت سیم‌ها، کابل‌ها، مدارها و دستگاه‌های دیگری که جریان الکتریکی را منتقل می‌کنند استفاده می‌شوند.

هادی الکتریکی چیست؟

یک هادی الکتریکی به عنوان یک شیء یا نوع ماده‌ای تعریف می‌شود که اجازه جریان بار را در یک یا چند جهت می‌دهد. موادی که از فلز ساخته شده‌اند، هادی‌های الکتریکی مشهور هستند، زیرا فلزات دارای همسان‌رسی بالا و مقاومت پایین هستند.

هادی‌های الکتریکی به الکترون‌ها اجازه می‌دهند که بین اتم‌ها ماده با سرعت اغتشاش در نوار هادی حرکت کنند. نوار هادی سطح انرژی است که در آن الکترون‌ها می‌توانند در ماده به راحتی حرکت کنند. هادی از اتم‌ها تشکیل شده که دارای الکترون‌های والانس آزاد هستند که می‌توانند توسط یک میدان الکتریکی یا یک تأثیر حرارتی تحریک شوند. وقتی یک الکترون از نوار والانس به نوار هادی حرکت می‌کند، یک سوراخ مثبت را که می‌تواند باری را حمل کند، پشت سر خود می‌گذارد.

هادی‌های الکتریکی ممکن است فلزات، آلیاژهای فلزی، الکترولیت‌ها یا برخی غیرفلزات مانند گرافیت و پلیمرهای هادی باشند. این مواد اجازه می‌دهند که برق (یعنی جریان بار) به راحتی از آن‌ها عبور کند.

هادی چگونه جریان را هادی می‌کند؟

جریان در یک هادی نرخ جریان بار از طریق مقطع مقطعی هادی است. جریان متناسب با میدان الکتریکی و همسان‌رسی ماده است. میدان الکتریکی توسط یک تفاوت پتانسیل یا ولتاژ ایجاد می‌شود. همسان‌رسی اندازه‌گیری می‌کند که چقدر ماده به راحتی اجازه می‌دهد بار از آن عبور کند.

وقتی یک تفاوت پتانسیل روی یک هادی اعمال می‌شود، الکترون‌ها در نوار هادی انرژی می‌گیرند و شروع به حرکت از ترمینال منفی به ترمینال مثبت منبع ولتاژ می‌کنند. جهت جریان مخالف جهت جریان الکترون‌ها است، زیرا جریان به عنوان جریان بار مثبت تعریف می‌شود. الکترون‌ها با اتم‌ها و الکترون‌های دیگر در هادی برخورد می‌کنند، که باعث مقاومت و تولید گرما می‌شود. مقاومت اندازه‌گیری می‌کند که چقدر ماده جریان بار را مخالفت می‌کند.

جریان در یک هادی به چندین عامل بستگی دارد، مانند:

• تفاوت پتانسیل روی هادی

• طول و مساحت مقطعی هادی

• دمای و ترکیب ماده

• وجود آلودگی‌ها یا نقص‌ها در ماده

ویژگی‌های هادی‌های الکتریکی چیست؟

برخی از ویژگی‌های اصلی هادی‌های الکتریکی عبارتند از:

• آنها دارای همسان‌رسی بالا و مقاومت پایین هستند

• آنها تعداد زیادی الکترون آزاد در نوار هادی خود دارند

• آنها هیچ فاصله انرژی بین نوار والانس و نوار هادی خود ندارند

• آنها پیوندهای فلزی دارند که یک شبکه از یون‌های مثبت را محاط می‌کنند که با یک ابر الکترونی احاطه شده‌اند

• آنها داخل خود هیچ میدان الکتریکی و هیچ چگالی باری ندارند

• آنها فقط بارهای آزاد روی سطح خود دارند

• آنها یک میدان الکتریکی عمود بر سطح خود دارند

انواع هادی‌های الکتریکی چیست؟

هادی‌های الکتریکی می‌توانند بر اساس پاسخ اهمی خود طبقه‌بندی شوند که چگونه آن‌ها قانون اهم را رعایت می‌کنند. قانون اهم می‌گوید که جریان در یک هادی مستقیماً متناسب با تفاوت پتانسیل روی آن و معکوساً متناسب با مقاومت آن است.

هادی‌های اهمی

هادی‌های اهمی موادی هستند که قانون اهم را برای هر تفاوت پتانسیل و دما رعایت می‌کنند. آنها رابطه خطی بین ولتاژ و جریان دارند، که به این معنی است که مقاومت آنها ثابت است. بیشتر فلزات در شرایط نرمال هادی‌های اهمی هستند.

مثال‌ها: نقره، مس، آلومینیوم، آهن و غیره.

هادی‌های غیراهمی

هادی‌های غیراهمی موادی هستند که قانون اهم را برای هر تفاوت پتانسیل یا دما رعایت نمی‌کنند. آنها رابطه غیرخطی بین ولتاژ و جریان دارند، که به این معنی است که مقاومت آنها با ولتاژ اعمال شده متفاوت است. هادی‌های غیراهمی ممکن است مقاومت منفی داشته باشند، که در آن جریان با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد، یا مقاومت مثبت داشته باشند، که در آن جریان با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد، اما به طور متناسب. برخی از هادی‌های غیراهمی ممکن است ولتاژ آستانه‌ای داشته باشند، که در زیر آن هیچ جریانی عبور نمی‌کند.

هادی‌های جامد