هادیان الکتریکی: تعریف انواع و ویژگی ها
یک رسانا الکتریکی ماده‌ای است که اجازه می‌دهد بار الکتریکی با مقاومت کم از آن عبور کند. رساناهای الکتریکی معمولاً فلزاتی هستند مانند مس، نقره، طلا، آلومینیوم و آهن. آنها تعداد زیادی الکترون آزاد دارند که می‌توانند به راحتی در صورت اعمال میدان الکتریکی حرکت کنند. رساناهای الکتریکی برای ساخت سیم‌ها، کابل‌ها، مدارها و دستگاه‌های دیگری که جریان الکتریکی را منتقل می‌کنند استفاده می‌شوند.
رسانا الکتریکی چیست؟
رسانا الکتریکی به عنوان یک شیء یا نوع ماده تعریف می‌شود که اجازه می‌دهد جریان بار در یک یا چند جهت عبور کند. موادی که از فلز ساخته شده‌اند، رساناهای الکتریکی رایج هستند، زیرا فلزات دارای رسانایی بالا و مقاومت پایین هستند.
رساناهای الکتریکی اجازه می‌دهند الکترون‌ها بین اتم‌ها آن ماده با سرعت افت در نوار رسانایی حرکت کنند. نوار رسانایی سطح انرژی است که الکترون‌ها می‌توانند در آن به آزادی در ماده حرکت کنند. رسانا از اتم‌ها تشکیل شده که دارای الکترون‌های والانسی آزاد هستند که می‌توانند توسط یک میدان الکتریکی یا اثر حرارتی تحریک شوند. وقتی یک الکترون از نوار والانس به نوار رسانایی حرکت می‌کند، یک حفره مثبت را که می‌تواند باری را منتقل کند، پشت سر می‌گذارد.
رساناهای الکتریکی ممکن است فلزات، آلیاژهای فلزی، الکترولیت‌ها یا برخی غیرفلزات مانند گرافیت و پلیمرهای رسانا باشند. این مواد اجازه می‌دهند برق (یعنی جریان بار) به راحتی از آنها عبور کند.
رسانا چگونه جریان را رساند می‌کند؟
جریان در یک رسانا نرخ جریان بار از طریق مقطع مقطعی رسانا است. جریان متناسب با میدان الکتریکی و رسانایی ماده است. میدان الکتریکی توسط یک تفاوت پتانسیل یا ولتاژ در رسانا ایجاد می‌شود. رسانایی معیاری است که نشان می‌دهد ماده چقدر به راحتی اجازه می‌دهد بار از آن عبور کند.
وقتی یک تفاوت پتانسیل در رسانا اعمال می‌شود، الکترون‌های در نوار رسانایی 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 رسانا برخورد می‌کنند که باعث مقاومت و تولید گرما می‌شود. مقاومت معیاری است که نشان می‌دهد ماده چقدر مخالفت با جریان بار را ایجاد می‌کند.
جریان در یک رسانا به چندین عامل بستگی دارد، مانند:
تفاوت پتانسیل در رسانا
طول و مساحت مقطعی رسانا
دمای و ترکیب ماده
وجود آلاینده‌ها یا نقص‌ها در ماده
ویژگی‌های رساناهای الکتریکی چیست؟
برخی از ویژگی‌های اصلی رساناهای الکتریکی عبارتند از:
آنها دارای رسانایی بالا و مقاومت پایین
آنها تعداد زیادی الکترون آزاد در نوار رسانایی خود دارند
آنها هیچ فاصله انرژی بین نوار والانس و نوار رسانایی خود ندارند
آنها دارای پیوندهای فلزی هستند که شبکه‌ای از یون‌های مثبت محاط شده در ابر الکترونی را تشکیل می‌دهند
آنها داخل خود دارای میدان الکتریکی صفر و چگالی بار صفر هستند
آنها فقط بارهای آزاد روی سطح خود دارند
آنها دارای میدان الکتریکی عمود بر سطح خود هستند
انواع رساناهای الکتریکی چیستند؟
رساناهای الکتریکی می‌توانند بر اساس پاسخ اوهمی خود طبقه‌بندی شوند، که چگونگی رعایت آنها از قانون اهم است. قانون اهم بیان می‌کند که جریان در یک رسانا متناسب مستقیم با تفاوت پتانسیل در آن و متناسب معکوس با مقاومتش است.
رساناهای اوهمی
رساناهای اوهمی موادی هستند که برای هر تفاوت پتانسیل و دمایی قانون اهم را رعایت می‌کنند. آنها رابطه خطی بین ولتاژ و جریان دارند که به معنای ثابت بودن مقاومت آنها است. بیشتر فلزات در شرایط نرمال رساناهای اوهمی هستند.
مثال‌ها: نقره، مس، آلومینیوم، آهن و غیره.
رساناهای غیراوهمی
رساناهای غیراوهمی موادی هستند که برای هر تفاوت پتانسیل یا دمایی قانون اهم را رعایت نمی‌کنند. آنها رابطه غیرخطی بین ولتاژ و جریان دارند که به معنای متغیر بودن مقاومت آنها با ولتاژ اعمال شده است. رساناهای غیراوهمی ممکن است مقاومت منفی داشته باشند، که در آن جریان با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد، یا مقاومت مثبت، که در آن جریان با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد، اما نسبت مستقیم نیست. برخی از رساناهای غیراوهمی ممکن است ولتاژ آستانه‌ای داشته باشند که در زیر آن هیچ جریانی عبور نمی‌کند.
رساناهای جامد
رساناهای جامد موادی هستند که دارای شکل و حجم ثابت هستند. آنها می‌توانند به رساناهای فلزی و غیرفلزی تقسیم شوند.
