رسانا و نارسانا – آنچه باید بدانید به زبان ساده

مواد را می‌توان بر اساس ویژگی‌های مختلف آن‌ها دسته‌بندی کرد. به عنوان مثال حالت فیزیکی مواد آن‌ها را در سه دسته جامد، مایع یا گاز قرار می‌دهد. به همین ترتیب هدایت مواد سبب طبقه‌بندی آن‌ها به چهار گروه ابررسانا، رسانا، نیمه‌رسانا و نارسانا می‌شود. در این مطلب قصد داریم ویژگی‌های مواد رسانا و نارسانا را بررسی کنیم.

رسانا چیست؟

رسانایی به توانایی یک ماده در انتقال انرژی اشاره دارد و انواع مختلفی از جمله رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی و رسانایی صوتی دارد.

رساناترین عنصر نقره است و پس از آن مس و طلا قرار دارند. همچنین نقره دارای بالاترین رسانایی گرمایی و بیشترین بازتاب نور است. در بین فلزات و عناصر مس و طلا بیشترین کاربرد را در ابزارهای الکترونیکی دارند زیرا مس از قیمت کمتر و طلا در برابر خوردگی از مقاومت بسیار بالاتری برخوردار است. از آنجا که نقره تیره می‌شود برای فرکانس‌های بالا خیلی مطلوب نیست زیرا سطح خارجی آن در اثر تیرگی کاهش رسانایی پیدا می‌کند.

سوال: چرا نقره بهترین رسانا است؟ پاسخ این است که الکترون‌های نقره نسبت به سایر عناصر آزادتر هستند. آزادی بیشتر الکترون‌ها نسبت به بقیه عناصر مربوط به ظرفیت و ساختار بلوری نقره است.

بیشتر فلزات هادی برق هستند. عناصر دیگری که هدایت الکتریکی بالا دارند عبارتند از: آلومینیوم، روی، نیکل، آهن و پلاتین. برنج و برنز نسبت به عناصر دیگر بیشتر رسانای الکتریکی هستند.

رسانایی الکتریکی چیست؟

هدایت یا رسانایی الکتریکی میزان جریان الکتریکی است که یک ماده می‌تواند حمل کند. رسانایی الکتریکی به عنوان رسانایی خاص نیز شناخته می‌شود و خاصیت ذاتی یک ماده است. نمونه‌هایی از رساناهای الکتریکی ضعیف عبارتند از: لاستیک، شیشه، پلاستیک، چوب خشک، الماس، هوا و آب خالص.

رسانایی گرمایی چیست؟

پابرهنه راه رفتن روی کاشی حمام در زمستان آزار دهنده است زیرا احساس سرمای بیشتری نسبت به راه رفتن روی فرش دارد. با اینکه هر دو محیط در داخل خانه و در یک دما هستند چرا یکی از آن‌ها سردتر است؟ تفاوت دمایی که احساس می‌کنیم با این واقعیت توضیح داده می‌شود که مواد مختلف گرما را با سرعت‌های متفاوت انتقال می‌دهند. کاشی و سنگ با سرعت بیشتری نسبت به فرش و پارچه گرما را هدایت می‌کنند. بنابراین کاشی و سنگ در زمستان سردتر می‌شوند زیرا گرما را سریعتر از فرش از پای شما خارج می‌کنند.

به طور کلی رساناهای خوب الکتریسیته (فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، طلا و نقره) رساناهای گرمایی خوبی نیز هستند در حالی که عایق‌های الکتریکی (مانند چوب، پلاستیک و لاستیک) هادی‌های حرارتی ضعیفی هستند.

شکل زیر مولکول‌های دو جسم را در دماهای مختلف نشان می‌دهد. انرژی جنبشی متوسط یک مولکول در یک جسم گرم بیشتر از یک جسم سرد است. در صورت برخورد دو مولکول انتقال انرژی از مولکول گرم به مولکول سرد رخ می‌دهد.

اثر تجمعی ناشی از تمام برخوردها منجر به شارش خالص گرما از جسم داغ‌تر به جسم سردتر می‌شود. انتقال گرمای بین دو جسم در تماس با یکدیگر را انتقال حرارتی می‌نامیم.

جدول رسانایی الکتریکی فلزات

این لیست شامل آلیاژها و همچنین عناصر خالصی است که رسانای الکتریکی هستند. از آنجا که اندازه و شکل ماده بر رسانایی آن تأثیر می‌گذارد در این لیست همه نمونه‌ها یک اندازه فرض شده‌اند و به ترتیب به سمت پایین رسانایی کاهش می‌یابد:

• نقره
• مس
• طلا
• آلومینیوم
• روی
• نیکل
• برنج
• برنز
• آهن
• پلاتین
• فولاد کربن
• سرب
• فولاد ضدزنگ

عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی

برخی فاکتورها می‌توانند بر میزان هدایت الکتریکی ماده تأثیر بگذارند، این عوامل عبارتند از:

1. دما
2. ناخالصی
3. فاز و ساختار بلور
4. میدان‌های الکترومغناطیسی
5. فرکانس

در ادامه در مورد تاثیرات این عوامل بر روی رسانایی الکتریکی صحبت خواهیم کرد.

دما

تغییر درجه حرارت نقره یا هر رسانای دیگر هدایت الکتریکی آن را تغییر می‌دهد. به طور کلی افزایش دما باعث تحریک اتم‌ها می شود و ضمن افزایش مقاومت، رسانایی را کاهش می‌دهد. رابطه بین رسانایی و دما خطی است اما در دماهای پایین این رابطه از بین می‌رود.

ناخالصی

افزودن ناخالصی به یک رسانا رسانندگی آن را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال نقره استرلینگ (نقره‌ای که ۹۲٫۵٪ آن نقره و ۷٫۵٪ آن فلزات دیگر است) به اندازه نقره خالص رسانای خوبی نیست. در حقیقت ناخالصی‌ها مانع جریان یافتن الکترون‌ها می‌شوند.

فاز و ساختار بلور

اگر فازهای مختلفی از ماده در ساختار وجود داشته باشند رسانایی کمی کاهش می‌یابد و مقدار آن از یک ساختار به ساختار دیگر متفاوت می‌شود. نحوه پردازش و تهیه یک ماده نیز بر میزان انتقال الکتریکی ماده تأثیر می‌گذارد.

میدان‌های الکترومغناطیسی

با عبور جریان از رساناها، آن‌ها میدان الکترومغناطیس خود را تولید می‌کنند. در حقیقت با عبور میدان الکتریکی از درون رسانا میدان مغناطیسی عمود بر میدان الکتریکی تولید می‌شود.  بدین ترتیب میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی مقاومت مغناطیسی ایجاد می‌کنند که باعث کند شدن جریان می‌شود و رسانایی کاهش می‌یابد.

فرکانس

تعداد نوسان‌هایی که یک جریان الکتریکی متناوب در هر ثانیه انجام می‌دهد، فرکانس بر حسب هرتز است. فرکانسی بالاتر از یک مقدار مشخص، باعث می‌شود جریان بیشتر در اطراف یک رسانا شارش یابد و بدین طریق جریان داخل رسانا کاهش می‌یابد. از آنجا که در جریان مستقیم هیچ نوسان و فرکانسی وجود ندارد این اثر در جریان مستقیم رخ نمی‌دهد.

آیا آب رسانا است؟

آب خالص رسانا نیست و یک هادی ضعیف برق است. با این حال آبی که حاوی یون‌های باردار و ناخالصی است آن را به یک رسانای بسیار خوب الکتریسیته تبدیل می‌کند.

آب مواد زیادی را در خود حل می‌کند به همین دلیل به عنوان یک حلال خوب شناخته می‌شود. در واقع آب اغلب به اشتباه به عنوان حلال جهانی شناخته می‌شود زیرا قادر است مواد زیادی را از هر ماده در خود حل کند.

بیشتر آبی که در زندگی روزمره با آن روبرو هستید مقداری مواد محلول در آن وجود دارد. فرقی نمی‌کند که آب از شیر آشپزخانه، دوش، استخر یا هر جای دیگری باشد با خیال راحت می‌توانید این آب را حاوی مقدار قابل توجهی مواد محلول، مواد شیمیایی و مواد معدنی بدانید. در حقیقت بسیار بعید است که آبی که دارید کاملاً خالص باشد و فاقد همه نمک‌ها، موادمعدنی و ناخالصی‌ها باشد و بدین دلیل است که آب را هادی الکتریسته می‌دانند در حالی که آب خالص رسانایی الکتریکی ندارد.

چرا مس رسانا است؟

در اواخر دهه 1700 مس به عنوان گزینه بهتری نسبت به نقره شناخته شد. مقاومت کم، در دسترس بودن و هزینه کم آن نسبت به نقره، این فلز را به رتبه‌های بالای رسانندگی الکتریکی رساند. در ادامه برخی ویژگی‌هایی که سبب می‌شود تا یک ماده به عنوان رسانای خوب شناخته شود توضیح داده شده است. چهار فلز مس، آلومینیوم، طلا و نقره نسبت به سایر فلزات به عنوان رساناهای بهتر شناخته می‌شوند. ولی سوال این است که غیر از رسانندگی چه ویژگی‌هایی از یک فلز یک رسانای خوب را می‌سازد.

فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

چگالی، این پارامتر وزن یک رسانا را مشخص می‌کند و هر چه سبک‌تر باشد بهتر است. در حقیقت چگالی آلومینیوم $$2.7 \frac{gr}{cm^{3}}$$، چگالی مس $$8.9 \frac{gr}{cm^{3}}$$، چگالی نقره $$10.5 \frac{gr}{cm^{3}}$$ و چگالی طلا $$19.4 \frac{gr}{cm^{3}}$$ است.

نقطه ذوب، این پارامتر میزان تحمل فلزات در برابر دمای بالا را مشخص می‌کند و هر چه بالاتر باشد بهتر است. دمای ذوب مس $$1084$$ درجه سانتی‌گراد، دمای ذوب طلا $$1063$$ درجه سانتی‌گراد، نقره $$961$$ درجه سانتی‌گراد و آلومینیوم $$660$$ درجه سانتی‌گراد است.

قیمت، ویژگی دیگری است که هر چه پایین‌تر باشد بهتر است. در بازار آمریکا قیمت یک پوند آلومینیوم $$0.87$$ دلار، قیمت یک پوند نقره $$1.17$$ دلار، قیمت یک پوند مس $$2.57$$ دلار و قیمت یک پوند طلا $$85.57$$ دلار است.

مغناطیس پذیری، این کمیت تاثیر رسانا را در مجاورت میدان‌های مغناطیسی اطراف بررسی می‌کند و هر چه به صفر نزدیکتر باشد بهتر است. بدین ترتیب مغناطیس‌پذیری برای مس $$-5.46$$، برای آلومینیوم $$+16.5$$، برای نقره $$-19.5$$ و برای طلا $$-28$$ است.

ضریب انبساط حرارتی، این پارامتر تغییر در ابعاد فیزیکی رسانا را هنگام تغییر دما تعیین می‌کند و هر چه کمتر باشد بهتر است. برای طلا این کمیت به ازای هر درجه سانتی‌گراد $$14.2$$ قسمت در یک میلیون، برای مس به ازای هر درجه سانتی‌گراد $$16.5$$ قسمت در یک میلیون، برای نقره به ازای هر درجه سانتی‌گراد $$19.68$$ قسمت در یک میلیون و برای آلومینیوم به ازای هر درجه سانتی‌گراد $$23.6$$ قسمت در یک میلیون تغییر به وجود می‌آید.

مقاومت کششی نهایی، این پارامتر قدرت کلی رسانا را هنگام اعمال فشار تعیین می‌کند و هر چه بیشتر باشد بهتر است. این کمیت برای مس $$220$$ مگاپاسکال، برای نقره $$170$$ مگاپاسکال، برای طلا $$100$$ مگاپاسکال و برای آلومینیوم $$45$$ مگاپاسکال است.

واکنش شیمیایی، این پارامتر واکنش‌پذیری رساناها را در محیط مشخص می‌کند و هر چه کمتر باشد بهتر است. طلا و نقره در محیط واکنش‌پذیری پایینی دارند، مس به جز با چند اسید واکنش‌پذیری پایینی دارد. اما آلومینیوم نسبت به بسیاری از عناصر واکنش‌پذیر است مگر اینکه توسط اکسید آن محافظت شود.

همان‌طور که از ویژگی‌های بالا مشخص است، مس در سه ویژگی از سه فلز دیگر رفتار بهتری را ارائه می‌دهد. دو ویژگی‌ای که مس رتبه‌های پایین را در آن کسب می‌کند قیمت و واکنش شیمیایی است، که در مورد قیمت باید گفت مس در بسیاری از بازارها از نقره ارزان‌تر است. ولی واکنش‌پذیری مس با اسید تنها نقطه ضعف این فلز است . در نهایت تمام این عوامل باعث شده است که مس از بهترین رساناهای الکتریکی باشد.

آیا چوب خیس رسانا است؟

چوب الکتریسیته را هدایت نمی‌کند و در حقیقت غیررسانا است. با این حال در آب به دلیل وجود ناخالصی هدایت الکتریکی وجود داشته و در نتیجه چوب خیس یا مرطوب رسانایی الکتریکی دارد. در مواردی که احتمال برق‌گرفتگی است چوب خیس می‌تواند به عنوان خطر شناخته شود.

مقاومت رسانا

مقاومت به عنوان پارامتری مخالف با جریان الکتریکی یک رسانا تعریف می‌شود. در حقیقت رسانایی و مقاومت با یکدیگر نسبت عکس دارند.

به شرطی که ابعاد (طول و سطح مقطع) رسانا تغییر نکند مقاومت آن ثابت خواهد ماند. در حقیقت اگر ابعاد دو رسانا یکسان باشند ولی مقاومت‌های متفاوتی داشته باشند بدین معنی است که از مواد مختلفی ساخته شده‌اند.

یکی از راه‌های توصیف یک ماده اندازه‌گیری مقاومت آن ماده است. مقاومت یک ماده به عنوان مقاومت یک قطعه از آن ماده به طول یک متر و سطح مقطع یک متر مربع تعریف می‌شود.

مقاومت ویژه یک کمیت ذاتی است و به جنس جسم بستگی دارد، نماد مقاومت ویژه $$\rho$$ و واحد آن اهم‌متر است. مقاومت هر رسانا را می‌توان با سه پارامتر طول $$L$$، سطح مقطع $$A$$ و مقاومت ویژه $$\rho$$ تعریف کرد. بدین ترتیب به شرطی که ابعاد و مقاومت ویژه یک رسانا مشخص باشد از فرمول زیر می توان برای یافتن مقاومت آن استفاده کرد.

$$\large R=\frac{\rho \times L}{A}$$

هنگام استفاده از این فرمول یا هر فرمول دیگری باید هر واحد فرعی (میلی‌متر، سانتی‌متر و غیره) را به واحد استاندارد تبدیل کنید.

جدول ۱: مقاومت ویژه نسبی بعضی از مواد رایج (اهم در متر)

از جدول فوق مشخص می‌شود که مقاومت ویژه نارسانا بسیار بیشتر از رسانا است.

نارسانا چیست؟

همان‌طور که از اسم این ویژگی مشخص است نارسانا در مقابل رسانا و به معنای عدم توانایی انتقال انرژی می‌آید. در حقیقت هر چه تاکنون در مورد رسانا گفته‌ایم به صورت عکس برای نارسانا صدق می‌کند.

مواد غیر رسانا که به عنوان عایق نیز شناخته می‌شوند موادی هستند که از جریان الکترون جلوگیری کرده یا مانع آن می‌شوند زیرا اتم‌های داخل این مواد حاوی الکترون‌های اضافی مورد نیاز برای عبور بار الکتریکی نیستند.

برخی از نمونه‌های مواد غیر رسانا شامل کاغذ، شیشه، لاستیک، چینی، سرامیک و پلاستیک است. از بین این مواد شیشه، سرامیک و پلاستیک در صنایع مختلف استفاده می‌شوند و اغلب با فلز پوشانده می‌شوند. این عمل باعث می‌شود که ظاهر و خصوصیات فیزیکی آن‌ها تغییر کند، مواد غیررسانا و روکش شده در بخش‌های زیر محبوب هستند.

خودرو: در صنعت خودرو از مقدار زیادی مواد غیر رسانای آبکاری شده که بیشتر با پلاستیک پوشیده شده استفاده می‌شود. قطعات پلاستیکی به راحتی هر شکل و قالبی می‌گیرند و این ویژگی به مهندسین خودرو اجازه می‌دهد بدون اینکه وزن خودرو افزایش یابد، خلاقیت بیشتری در طراحی‌هایشان داشته باشند.

وسایل خانه: استفاده از وسایل پلاستیکی و سرامیکی در همه موارد از لوله‌کشی و تاسیسات برقی گرفته تا دستگیره‌ها و وسایل تزئینی معمول است. در حالی که پلاستیک یا سرامیک ساده همیشه جذاب‌ترین گزینه نیست، مواد نارسانای آبکاری شده زیبایی بیشتری دارند و در عین حال مزایایی مانند بهبود مقاومت در برابر سایش را نیز فراهم می‌کنند. به علاوه قیمت این محصولات ارزان‌تر از تمام محصولات فلزی است.

الکترونیک: آبکاری روشی استاندارد در صنعت الکترونیک است که در ساخت انواع قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود. آبکاری فلزات ظاهر قطعات الکترونیکی را بهبود می‌بخشد و همچنین اغلب به عنوان یک محافظ برای مدار و قطعات الکترونیکی عمل می‌کند.

نارسانایی گرمایی چیست؟

عایق گرمایی یا نارسانای حرارتی به موادی اطلاق می‌شود که گرما را از خود عبور ندهند یعنی آهنگ شارش گرما از این مواد کوچک باشد. هیچ ماده‌ای در عمل کاملاً رسانا نیست اما اگر به دنبال موادی هستید که دارای رسانایی حرارتی کوچکی بوده و به راحتی در دسترس باشد اکثر گازها گزینه خوبی هستند.

با این حال نقطه ضعف گازها این است که می‌توانند گرما را از طریق هدایت‌ گرمایی نیز منتقل کنند. برای جلوگیری از انتقال حرارتی توسط گازها بهترین راه‌حل این است که آن‌ها را در محفظه‌های کوچک جداگانه به دام بیندازیم تا از حرکت آن‌ها جلوگیری شود. بنابراین در عمل بسیاری از عایق‌های حرارتی فوم یا الیاف هستند، به عنوان مثال از پلی استرن منبسط شده و پشم شیشه به طور گسترده‌ای برای عایق حرارتی استفاده می‌شود.

همچنین برای کاهش فشار گاز مورد نظر ایجاد خلاء جزئی نیز موثر است. خلاء ایجاد شده کمک می‌کند تا هدایت و همرفت به طور قابل توجهی کاهش یابد. از این روش در ساخت فلاسک‌ها و قمقمه‌ها استفاده می‌شود.

واضح است که مقاومت در برابر دما نیز عاملی در انتخاب مواد نارسانای حرارتی است زیرا اگر ماده‌ای ذوب یا تجزیه شود یعنی  عایق حرارتی خوبی به کار نبرده ایم. به این دلیل برای درجه حرارت‌های بالا از الیاف و انواع سرامیک‌های نسوز مانند اکسیدهای آلومینیوم و زیرکونیوم استفاده می‌شود. همچنین ممکن است این مواد لایه بندی شوند و موادی با انعطاف بیشتر در سمت گرم و مواد با انعطاف کمتر اما عایق بهتر مانند پشم‌شیشه یا سرامیک در سمت خنک قرار بگیرند.

در نهایت باید گفت که هدایت حرارتی فولاد ضدزنگ به طور قابل توجهی پایین‌تر از بیشتر فلزات از جمله فولادهای دیگر است.