Prowadniki elektryczne: Definicja, typy i właściwości

Przewodnik elektryczny to materiał, który pozwala na przepływ ładunku elektrycznego z małym oporem. Przewodniki elektryczne są zwykle metalami, takimi jak miedź, srebro, złoto, aluminium i żelazo. Mają wiele swobodnych elektronów, które mogą łatwo się poruszać, gdy zostanie zastosowane pole elektryczne. Przewodniki elektryczne są używane do produkcji przewodów, kabli, obwodów i innych urządzeń przesyłających prąd elektryczny.

Czym jest przewodnik elektryczny?

Przewodnik elektryczny definiuje się jako obiekt lub materiał, który pozwala na przepływ ładunku w jednym lub więcej kierunkach. Materiały wykonane z metali są powszechnymi przewodnikami elektrycznymi, ponieważ metale mają wysoką przewodność i niski opór.

Przewodniki elektryczne pozwalają elektronom przepływać między atomami materiału z prędkością dryfu w pasmie przewodzenia. Pasmem przewodzenia jest poziom energetyczny, w którym elektrony mogą swobodnie przemieszczać się w materiale. Przewodnik składa się z atomów, które mają luźno związane elektrony walencyjne, które mogą być pobudzone polem elektrycznym lub efektem termicznym. Gdy elektron przenosi się z pasma walencyjnego do pasa przewodzenia, pozostawia za sobą dodatnią dziurę, która również może przeprowadzać ładunek.

Przewodniki elektryczne mogą być metalami, stopami metali, elektrolitami lub niektórymi niemetalami, takimi jak grafit i polimery przewodzące. Te materiały pozwalają na elektryczność (tj. przepływ ładunku) przejść przez nie łatwo.

Jak przewodnik przewodzi prąd?

Prąd w przewodniku to szybkość przepływu ładunku przez przekrój przewodnika. Prąd jest proporcjonalny do pola elektrycznego i przewodności materiału. Pole elektryczne powstaje poprzez różnicę potencjałów lub napięcie na przewodniku. Przewodność to miara, w jakiej materiał pozwala na przepływ ładunku przez siebie.

Gdy na przewodniku zastosowana jest różnica potencjałów, elektrony w pasmie przewodzenia zdobywają energię i zaczynają dryfować od ujemnego do dodatniego bieguna źródła napięcia. Kierunek prądu jest przeciwny do kierunku przepływu elektronów, ponieważ prąd definiuje się jako przepływ ładunku dodatniego. Elektrony kolizyjnie zderzają się z atomami i innymi elektronami w przewodniku, co powoduje opór i generowanie ciepła. Opór to miara, w jakiej materiał przeciwstawia się przepływowi ładunku przez siebie.

Prąd w przewodniku zależy od wielu czynników, takich jak:

• Różnica potencjałów na przewodniku

• Długość i przekrój poprzeczny przewodnika

• Temperatura i skład materiału

• Obecność domieszek lub defektów w materiale

Jakie są właściwości przewodników elektrycznych?

Niektóre z głównych właściwości przewodników elektrycznych to:

• Mają wysoką przewodność i niski opór

• Mają wiele swobodnych elektronów w pasmie przewodzenia

• Nie mają luki energetycznej między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia

• Mają wiązania metaliczne tworzące krystaliczną sieć jonów dodatnich otoczonych chmurą elektronową

• Mają zero pól elektrycznych i gęstości ładunku wewnątrz siebie

• Mają wolne ładunki tylko na powierzchni

• Mają pole elektryczne prostopadłe do powierzchni

Jakie są rodzaje przewodników elektrycznych?

Przewodniki elektryczne można klasyfikować na podstawie ich ohmicznego odpowiedzi, czyli jak przestrzegają Prawa Ohma. Prawo Ohma mówi, że prąd w przewodniku jest bezpośrednio proporcjonalny do różnicy potencjałów na nim i odwrotnie proporcjonalny do jego oporu.

Ohmiczne przewodniki

Ohmiczne przewodniki to materiały, które przestrzegają Prawa Ohma dla dowolnej różnicy potencjałów i temperatury. Mają liniową zależność między napięciem a prądem, co oznacza, że ich opór jest stały. Większość metali jest ohmicznymi przewodnikami w normalnych warunkach.

Przykłady: Srebro, miedź, aluminium, żelazo, itp.

Non-ohmiczne przewodniki

Non-ohmiczne przewodniki to materiały, które nie przestrzegają Prawa Ohma dla dowolnej różnicy potencjałów lub temperatury. Mają nieliniową zależność między napięciem a prądem, co oznacza, że ich opór zmienia się w zależności od zastosowanego napięcia. Non-ohmiczne przewodniki mogą wykazywać negatywny opór, gdzie prąd maleje, gdy napięcie rośnie, lub dodatni opór, gdzie prąd rośnie, gdy napięcie rośnie, ale nie proporcjonalnie. Niektóre non-ohmiczne przewodniki mogą również mieć progowe napięcie, poniżej którego nie płynie prąd.

Stałe przewodniki

Stałe przewodniki to materiały, które mają stałą formę i objętość. Można je dalej podzielić na metaliczne i niemetaliczne przewodniki.

• Metaliczne przewodniki: To metale lub stopy metali, które mają wysoką przewodność i niską oporność właściwą. Mają strukturę krystaliczną jonów dodatnich otoczonych morzem swobodnych elektronów. Przykłady metalicznych przewodników to srebro, miedź, złoto, aluminium, żelazo, mosiądz, brąz, itp.

• Niemetaliczne przewodniki: To niemetale, które mają pewne swobodne elektrony lub jony w swojej strukturze. Mają niższą przewodność i wyższą oporność właściwą niż metale. Przykłady niemetalicznych przewodników to grafen, nanorurki węglowe, grafen, itp.

Płynne przewodniki

Płynne przewodniki to materiały, które nie mają stałej formy, ale stałą objętość. Można je dalej podzielić na metaliczne i niemetaliczne przewodniki.