נושאי חשמל: הגדרה טיפוסים ומאפיינים

מַנְהִיג חשמלי הוא חומר המאפשר לזרם חשמלי לזרום דרכו עם מִקְצָת מנַהִיג חשמלי. מנהיגי חשמל הם בדרך כלל מתכות, כגון נחושת, כסף, זהב, אלומיניום וברזל. יש להם הרבה אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בקלות כאשר מופעל עליהם שדה חשמלי. מנהיגי חשמל משמשים לייצור כבלים, מעגלים ואביזרים אחרים הנושאים זרם חשמלי.

מהו מנהיג חשמלי?

מנהיג חשמלי מוגדר כתכונה או סוג של חומר המאפשר זרימת מטען בכיוון אחד או יותר. חומרים עשויים ממתכת הם מנהיגי חשמל נפוצים, מכיוון שהמתכות בעלות מניעות גבוהה ו-התנגדות נמוכה.

מנהיגי חשמל מאפשרים לאלקטרונים לזרום בין ה-אטומים של החומר במהירות נסיעה בפס ההולדה. הפס ההולדה הוא רמת האנרגיה שבה אלקטרונים יכולים לנוע חופשיות בתוך החומר. המנהיג בנוי מאטומים שיש להם אלקטרונים ערך חופשי שיכולים להמריץ על ידי שדה חשמלי או השפעה תרמית. כאשר אלקטרון עובר מה-פס הערכים לפס ההולדה, הוא משאיר מאחור חור חיובי שיכול גם הוא לשאת מטען.

מנהיגי חשמל יכולים להיות מתכות, תערובות מתכת, חומרי מוליך חשמלי או כמה מתכות לא-מתכתיות כמו גרף ופולימרים מוליכים. חומרים אלה מאפשרים ל-חשמל (כלומר, זרימת מטען) לעבור דרכם בקלות.

איך מנהיג מוליך זרם?

הזרם במנהיג הוא קצב זרימת המטען דרך חתך המנהיג. הזרם פרופורציונלי לשדה החשמלי ול-מניעות החומר. השדה החשמלי נוצר על ידי הפרש פוטנציאל או מתח לאורך המנהיג. המניעות היא מדד לכך עד כמה החומר מאפשר למטען לזרום דרכו בקלות.

כאשר מופעל הפרש פוטנציאל לאורך מנהיג, האלקטרונים בפס ההולדה מקבלים אנרגיה מתחילים לנדוד מהטיל שלילי לטיל החיובי של מקור המתח. כיוון הזרם מנוגד לכיוון זרימת האלקטרונים, מכיוון שזרם מוגדר כזרימת מטען חיובי. האלקטרונים מתנגשים באטומים ובאלקטרונים אחרים במנהיג, מה שגורם ל-התנגדות והפקת חום. ההתנגדות היא מדד לזה עד כמה החומר מתנגד לזרימת המטען דרכו.

הזרם במנהיג תלוי במספר גורמים, כגון:

• הפרש הפוטנציאל לאורך המנהיג

• האורך והשטח החתך של המנהיג

• הטמפרטורה והרכב החומר

• הימצאות מינונים או פגמים בחומר

מהן התכונות של מנהיגי חשמל?

כמה מהתכונות העיקריות של מנהיגי חשמל הן:

• יש להם מניעות גבוהה ו-התנגדות נמוכה

• יש להם הרבה אלקטרונים חופשיים בפס ההולדה שלהם

• אין להם פער אנרגיה בין פס הערכים לפס ההולדה שלהם

• יש להם קשרים מתכתיים היוצרים סריג של יונים חיוביים המוקפים בענן אלקטרונים

• אין להם שדות חשמליים וצפיפות מטען בתוך החומר

• יש להם מטענים חופשיים רק על פני השטח שלהם

• יש להם שדה חשמלי מאונך לפני השטח שלהם

מהן הסוגים של מנהיגי חשמל?

מנהיגי חשמל ניתן לסווג לפי תגובתם אוהמית, שהיא איך הם עוקבים אחר חוק אוהם. חוק אוהם קובע כי הזרם במנהיג הוא פרופורציונלי ישירות להפרש הפוטנציאל לאורך המנהיג ובאופן הפוך להתנגדות שלו.

מנהיגי אוהם

מנהיגי אוהם הם חומרים שמקיימים את חוק אוהם עבור כל הפרש פוטנציאל וטמפרטורה. יש להם קשר ליניארי בין מתח וזרם, מה שאומר שהתנגדות שלהם קבועה. רוב המתכות הן מנהיגי אוהם בתנאים נורמליים.

דוגמאות: כסף, נחושת, אלומיניום, ברזל, וכו'.

מנהיגי לא-אוהמיים

מנהיגי לא-אוהמיים הם חומרים שאינם עוקבים אחרי חוק אוהם עבור כל הפרש פוטנציאל או טמפרטורה. יש להם קשר לא ליניארי בין מתח וזרם, מה שאומר שהתנגדות שלהם משתנה בהתאם למתח המופעל. מנהיגי לא-אוהמיים עשויים להראות התנגדות שלילית, שבה הזרם קטן ככל שמתח גדל, או התנגדות חיובית, שבה הזרם גדל ככל שמתח גדל, אך לא באופן פרופורציונלי. חלק מהמנהיגים הלא-אוהמיים עשויים גם להראות מתח סף, מתחת לו אין זרם.

מנהיגי מוצקים

מנהיגי מוצקים הם חומרים בעלי צורה וממדים קבועים. ניתן לחלק אותם למתכות ולא-מתכות מוליכות.

• מנהיגי מתכות: אלו הם מתכות או תערובות מתכת בעלות מוליכות גבוהה ו-התנגדות נמוכה. יש להם מבנה סריג של יונים חיוביים מוקפים בענן אלקטרונים חופשיים. כמה דוגמאות למנהיגי מתכות הם כסף, נחושת, זהב, אלומיניום, ברזל, ארד, ברונזה, וכו'.

• מנהיגי לא-מתכות: אלו הם לא-מתכות שיש להם כמה אלקטרונים או יונים חופשיים במבנה שלהם. יש להם מוליכות נמוכה יותר והתנגדות גבוהה יותר מאשר מתכות. כמה דוגמאות למנהיגי לא-מתכות הם גרף, צינורות פחמן, גרפין, וכו'.

מנהיגי נוזלים

מנהיגי נוזלים הם חומרים שאין להם צורה קבועה אך יש להם ממד קבוע. ניתן לחלק אותם למתכות ולא-מתכות מוליכות.

• מנהיגי מתכות: אלו הם מתכות שנמצאות במצב נוזלי בטמפרטורת החדר או כאשר מתחממות. יש להם מוליכות גבוהה והתנגדות נמוכה. יש להם מבנה דומה למתכות מוצקות אך עם מרחק בין-אטומי גדול יותר וניידות גבוהה יותר. דוגמה למנ nues