Elektrische geleiders: Definitie, soorten en eigenschappen

Een elektrische geleider is een materiaal dat elektrische lading met weinig weerstand doorlaat. Elektrische geleiders zijn meestal metalen, zoals koper, zilver, goud, aluminium en ijzer. Ze hebben veel vrije elektronen die gemakkelijk kunnen bewegen wanneer er een elektrisch veld wordt toegepast. Elektrische geleiders worden gebruikt voor het maken van draden, kabels, circuits en andere apparaten die elektrische stroom overbrengen.

Wat is een elektrische geleider?

Een elektrische geleider wordt gedefinieerd als een object of type materiaal dat de stroom van lading in één of meer richtingen toelaat. Materialen gemaakt van metaal zijn veelvoorkomende elektrische geleiders, omdat metalen hoge geleidbaarheid en lage weerstand hebben.

Elektrische geleiders laten elektronen tussen de atomen van dat materiaal met drijfsnelheid in de geleidingsband doorstromen. De geleidingsband is het energieniveau waarop elektronen zich vrij binnen het materiaal kunnen verplaatsen. De geleider bestaat uit atomen die los verbonden valentie-elektronen hebben die opgewekt kunnen worden door een elektrisch veld of een thermisch effect. Wanneer een elektron van de valentieband naar de geleidingsband verplaatst, laat het een positieve gat achter dat ook een lading kan dragen.

Elektrische geleiders kunnen metalen, metalen legeringen, elektrolyten of sommige niet-metalen zoals grafiet en geleidende polymeren zijn. Deze materialen laten elektriciteit (d.w.z. de stroom van lading) gemakkelijk door zich heen passeren.

Hoe geleidt een geleider stroom?

De stroom in een geleider is het tempo waarmee lading door een doorsnede van de geleider stroomt. De stroom is evenredig aan het elektrisch veld en de geleidbaarheid van het materiaal. Het elektrisch veld wordt gecreëerd door een potentiaalverschil of spanning over de geleider. De geleidbaarheid is een maat voor hoe gemakkelijk het materiaal lading door zich heen laat stromen.

Wanneer een potentiaalverschil over een geleider wordt aangebracht, krijgen de elektronen in de geleidingsband energie en beginnen ze te drijven van de negatieve naar de positieve pool van de spanningbron. De richting van de stroom is tegengesteld aan de richting van de elektronenstroom, omdat stroom wordt gedefinieerd als de stroom van positieve lading. De elektronen botsen met atomen en andere elektronen in de geleider, wat weerstand en warmteproductie veroorzaakt. De weerstand is een maat voor hoeveel het materiaal de stroom van lading tegenwerkt.

De stroom in een geleider hangt af van verschillende factoren, zoals:

• Het potentiaalverschil over de geleider

• De lengte en doorsnede van de geleider

• De temperatuur en samenstelling van het materiaal

• Het voorkomen van onzuiverheden of defecten in het materiaal

Welke eigenschappen hebben elektrische geleiders?

Enkele van de belangrijkste eigenschappen van elektrische geleiders zijn:

• Ze hebben hoge geleidbaarheid en lage weerstand

• Ze hebben veel vrije elektronen in hun geleidingsband

• Ze hebben geen energiegap tussen hun valentieband en geleidingsband

• Ze hebben metallische bindingen die een rooster van positieve ionen omringd door een elektronwolk vormen

• Ze hebben nul elektrisch veld en nul ladingsdichtheid binnenin

• Ze hebben vrije ladingen alleen op hun oppervlak

• Ze hebben een elektrisch veld loodrecht op hun oppervlak

Welke soorten elektrische geleiders zijn er?

Elektrische geleiders kunnen worden ingedeeld op basis van hun ohmische respons, dat wil zeggen hoe ze Ohm's wet naleven. Ohm's wet stelt dat de stroom in een geleider recht evenredig is met het potentiaalverschil over deze en omgekeerd evenredig met de weerstand.

Ohmische geleiders

Ohmische geleiders zijn materialen die Ohm's wet volgen voor elk potentiaalverschil en temperatuur. Ze hebben een lineair verband tussen spanning en stroom, wat betekent dat hun weerstand constant is. De meeste metalen zijn ohmische geleiders onder normale omstandigheden.

Voorbeelden: Zilver, koper, aluminium, ijzer, enz.

Niet-ohmische geleiders

Niet-ohmische geleiders zijn materialen die Ohm's wet niet volgen voor elk potentiaalverschil of temperatuur. Ze hebben een niet-lineair verband tussen spanning en stroom, wat betekent dat hun weerstand varieert met de aangebrachte spanning. Niet-ohmische geleiders kunnen negatieve weerstand vertonen, waarbij de stroom afneemt naarmate de spanning toeneemt, of positieve weerstand, waarbij de stroom toeneemt naarmate de spanning toeneemt, maar niet evenredig. Sommige niet-ohmische geleiders kunnen ook een drempelspanning hebben, onder welke geen stroom stroomt.

Vaste geleiders

Vaste geleiders zijn materialen die een vaste vorm en volume hebben. Ze kunnen verder worden verdeeld in metallische en niet-metallische geleiders.

• Metallische geleiders: Dit zijn metalen of metalen legeringen die hoge geleidbaarheid en lage weerstand hebben. Ze hebben een roostersamenstelling van positieve ionen omringd door een zee van vrije elektronen. Enkele voorbeelden van metallische geleiders zijn zilver, koper, goud, aluminium, ijzer, messing, brons, enz.

• Niet-metallische geleiders: Dit zijn niet-metalen die enkele vrije elektronen of ionen in hun structuur hebben. Ze hebben lagere geleidbaarheid en hogere weerstand dan metalen. Enkele voorbeelden van niet-metallische geleiders zijn grafiet, koolstofnanobuisjes, grafene, enz.

Vloeibare gele