فرادرسرسانای الکتریکی چیست و چه ویژگی هایی دارد؟ — به زبان ساده
در دوران کودکی بارها از پدر یا مادر خود این جمله را شنیده‌اید: به پریز برق دست نزن، خطر دارد. در واقع آن‌ها ما را از خطر برق‌گرفتگی مطلع می‌کردند. اکنون می‌دانیم لمس سیمِ بدون محافظ پلاستیکی خطرناک است. دلیل این امر رسانندگی الکتریکی سیم فلزی بدون حفاظ است. رسانایی الکتریکی مواد یکی از ویژگیهای مهم در کاربردهای الکترونیکی است. در این مطلب به پرسش رسانای الکتریکی چیست پاسخ خواهیم داد و در ادامه در مورد ویژگیهای آن توضیح می‌دهیم.
رسانای الکتریکی چیست ؟
به بیان کلی به توانایی جسم برای هدایت جریان الکتریکی رسانندگی الکتریکی می‌گوییم. مقاومت الکتریکی نقطه مقابل رسانای الکتریکی است و به صورت مقاومت جسم در برابر انتقال جریان الکتریکی تعریف می‌شود. در ادامه به منظور آشنایی با مفهوم رسانای الکتریکی چیست ابتدا باید بدانیم چه موادی و با چه ویژگی‌هایی رسانای جریان الکتریکی هستند.
ماده رسانا چیست ؟
ماده رسانا ماده‌ای است که در آن الکترون‌ها از ذره‌ای به ذره دیگر به راحتی منتقل می‌شوند. در ماده رسانا بار الکتریکی به راحتی در سطح ماده جریان دارد.
همان‌گونه که در توضیحات بالا اشاره شده به مقدار جریان الکتریکی در جسم یا به توانایی ماده در انتقال جریان الکتریکی رسانای الکتریکی گفته می‌شود. در ادامه، برای آشنایی بیشتر با مفهوم رسانایی الکتریکی چیست و پاسخ به این پرسش، دو مفهوم بار الکتریکی و جریان الکتریکی به اختصار توضیح داده می‌شوند.
بار الکتریکی چیست ؟
بار الکتریکی یا به اختصار بار یکی از بنیادی‌ترین ویژگیهای فیزیکی مواد است. واحد بنیادی بار کولن (C) است. اگر جسمی دارای بار الکتریکی غیر صفر باشد به هنگام قرار گرفتن در میدان الکتریکی یا مغناطیسی نیرویی را حس خواهد کرد. بار الکتریکی ساکن، ایجاد کننده میدان الکتریکی و بار الکتریکی متحرک، ایجاد کننده میدان مغناطیسی است.
بار الکتریکی به دو نوع بار مثبت و بار منفی تقسیم می‌شود که به ترتیب به وسیله پروتون‌ها و الکترون‌ها حمل می‌شوند.
تعریف بار الکتریکی
بار الکتریکی به صورت زیر تعریف می‌شود:
بار الکتریکی یکی از ویژگیهای ذرات ریز اتمی است که موجب می‌شود این ذرات به هنگام قرار گرفتن در میدان الکتریکی یا مغناطیسی نیرویی را احساس کنند.
آیا بار الکتریکی کمیتی برداری است ؟
بار الکتریکی کمیتی نرده‌ای است. کمیت برداری علاوه بر داشتن بزرگی و جهت باید از قانون‌های جمع برداری، مانند قانون مثلث جمع برداری، پیروی کند. هنگامی که دو جریان الکتریکی در نقطه اتصال به یکدیگر برسند، جریان کل برابر جمع جبری دو جریان خواهد بود. بنابراین، جریان الکتریکی علی‌رغم داشتن بزرگی و جهت کمیتی اسکالر است.
اندازه‌گیری بار الکتریکی
واحد بار الکتریکی کولن است. یک کولن مقدار باری است که در یک ثانیه منتقل می‌شود. کولن به بیان ریاضی به صورت زیر نشان داده می‌شود:
$$Q=I \times t $$
در معادله بالا Q بار الکتریکی، I جریان الکتریکی و t زمان است.
جریان الکتریکی چیست ؟
به نرخ جریان الکترون‌ها در ماده رسانای الکتریکی، جریان الکتریکی گفته می‌شود. یکای SI جریان الکتریکی آمپر است.
الکترون‌ها ذرات کوچکی هستند که داخل ساختار مولکولی ماده وجود دارند. برخی اوقات این الکترون‌ها بسیار محکم در جای خود قرار گرفته‌اند اما گاهی آزادانه تا مسافت معینی داخل ماده حرکت می‌کنند. همان‌گونه که می‌دانیم الکترون‌ها ذراتی با بار الکتریکی منفی هستند. بنابراین به هنگام حرکت آن‌ها داخل ماده انتقال بار خواهیم داشت. به حرکت الکترون‌ها جریان الکتریکی می‌گوییم. ذکر این نکته مهم است که تعداد الکترون‌هایی که در ماده آزادانه حرکت می‌کنند تعیین کننده توانایی ماده در هدایت جریان الکتریکی است. جریان الکتریکی در برخی مواد بهتر از مواد دیگر منتقل می‌شود. بنابراین، بسته به اینکه جریان الکتریکی در ماده‌ای به راحتی منتقل شود یا نه، مواد به دو دسته کلی رسانا و عایق تقسیم‌بندی می‌شوند.
واحد جریان الکتریکی
بزرگی جریان الکتریکی بر حسب کولن بر ثانیه اندازه‌گیری می‌شود. یکای SI جریان الکتریکی آمپر (A) است. آمپر به صورت زیر تعریف می‌شود:
آمپر: به حرکت یک کولن بار از یک نقطه در یک ثانیه، آمپر می‌گوییم.
اگر تعداد $$ 6.241 \times 10 ^ {18} $$ الکترون از چارچوب مرجع ما در مدت زمان یک ثانیه عبور کنند، آن‌گاه جریان الکتریکی برابر یک آمپر خواهد بود.
تاکنون با دو مفهوم بار و جریان الکتریکی آشنا شدیم. در ادامه، به پرسش رسانای الکتریکی چیست پاسخ دهیم. برای پاسخ به این پرسش در ابتدا به این موضوع می‌پردازیم که چرا در برخی مواد، به خصوص فلزات، الکترون‌ها به راحتی حرکت می‌کنند.
چرا فلزات رسانای الکتریکی هستند ؟
فلزات به دلیل داشتن الکترون‌های آزاد، جریان الکتریکی را هدایت می‌کنند. پیوند فلزی در فلزات منحصربه‌فرد است. دلیل این امر آن است که الکترون‌ها با اتم خاصی پیوند ندارند. در نتیجه، الکترون‌های غیرمحلی، پس از ایجاد اختلاف پتانسیل در ماده حرکت خواهند کرد.
پیوند فلزی چیست ؟
به نیروی نگه دارنده اتم‌ها در کنار هم داخل ماده فلزی، پیوند فلزی می‌گویند. چنین جامدی شامل اتم‌های با فاصله بسیار نزدیک به یکدیگر خواهد بود. در اغلب حالت‌ها، بیرونی‌ترین لایه الکترونی هر یک از اتم‌های فلزی با تعداد زیادی از اتم‌های همسایه هم‌پوشانی دارد. در نتیجه، الکترون‌های ظرفیت به طور پیوسته از اتمی به اتم دیگر حرکت می‌کنند و متعلق به جفت اتم‌های خاصی نیستند. به بیان دیگر، الکترون‌های ظرفیت در فلزات غیرمحلی هستند و آزادانه در سرتاسر کریستال حرکت می‌کنند. اتم‌ها به هنگام از دست دادن الکترون‌ها تبدیل به یون مثبت می‌شوند. برهم‌کنش بین این یون‌های مثبت و الکترون‌های ظرفیت سبب ایجاد نیروی پیوندی قوی خواهد شد. این نیروی پیوندی نگهدارنده ساختار کریستالی فلز است.
دلیل بسیاری از ویژگیهای فلزات وجود الکترون‌های غیر محلی و آزاد است. الکترون‌های ظرفیتِ داخل فلزات در حضور میدان الکتریکی آزادانه حرکت می‌کنند. شکل‌پذیری و چکش‌خواری فلزات به دلیل وجود الکترون‌های ظرفیت و غیر جهت‌دار بودن نیروی پیوندی بین یون‌های فلزی است. فلزات پس از تغییر شکل یا کشیده شدن، شکسته نخواهند شد. دلیل این امر آن است که یون‌های داخل ساختار کریستالی به آسانی نسبت به یکدیگر جابجا می‌شوند. به علاوه، الکترون‌های ظرفیت مانند سپری بین یون‌های با بار هم‌نام عمل می‌کنند. در نتیجه، از نزدیک شدن یونها به یکدیگر و ایجاد نیروی دافعه قوی جلوگیری می‌شود. از این رو، کریستار دچار شکست نخواهد شد. مهم‌ترین ویژگیهای فلزات در ادامه آمده است:
- چکش‌خواری
- شکل‌پذیری
- نقطه ذوب بالا
- درخشش
- رسانای گرمایی
- رسانای الکتریکی
- استحکام
چرا فلزات دریای الکترون دارند ؟
به دلیل وجود برهم‌کنش‌های کوانتومی، اتم‌های فلزات، الکترون لایه بیرونی را به اشتراک می‌گذارند. این الکترون‌ها به جای اشتراک بین دو اتم، میان تمام اتم‌های فلز به اشتراک گذاشته می‌شوند. در نتیجه مدل دریای الکترون بهترین مدل توصیف کننده این پدیده است. اتم‌های فلز به صورت الگوهای تکرارشونده (ساختار کریستالی) در فلز به خط شده‌اند و فاصله بین و اطراف آن‌ها با الکترون‌های آزاد پر شده است.
ویژگیهای الکتریکی فلزات
مهم‌ترین مشخصه الکتریکی فلزات، رسانا بودن آن‌ها نسبت به جریان الکتریکی است. رسانندگی مقدار جریان الکتریکی عبوری از ماده را اندازه می‌گیرد. رسانندگی به صورت رابطه زیر نوشته می‌شود:
$$ \sigma = \frac{1}{\rho } = n\ q \ \mu $$
در رابطه بالا:
- n چگالی بار است. به بیان دیگر، نشان‌دهنده تعداد الکترون‌هایی است که در سطح مقطع خاصی وجود دارند.
- Q بار الکتریکی است. برای الکترون‌ها مقدار آن برابر -1 خواهد بود.
- $$ \mu$$ تحرکپذیری است. با استفاده از آن سرعت حرکت الکترون‌ها در ماده تخمین زده می‌شود.
معادله فوق برای هر حالتی از جمله وجود میدان الکتریکی تعمیم داده شده است، اما در بیشتر حالت‌ها، بار حامل، الکترون خواهد بود.
به طور معمول، اگر مهندسان بخواهند رسانندگی ماده‌ای را تغییر دهند، $$ \mu$$ یا رسانندگی الکترون‌های آن ماده را تغییر خواهند داد. به عنوان مثال، الکترون‌ها به هنگام رسیدن به مرزدانه‌ها پراکنده می‌شوند. در نتیجه، سرعت حرکت آن‌ها در سیم فلزی کاهش خواهد یافت.
بهترین فلزات رسانای الکتریکی چیست ؟
تاکنون با مفهوم رسانای الکتریکی چیست آشنا شدیم. در ادامه بهترین فلزات رسانای جریان الکتریکی به اختصار معرفی خواهند شد. برای این کار ابتدا نگاهی به جدول تناوبی می‌اندازیم. تعداد الکترون‌های ظرفیت اتمِ ماده بر میزان رسانندگی جریان الکتریکی آن تاثیر می‌گذارد. در بیشتر موردها مواد رسانای الکتریکی یک یا دو (گاهی سه) الکترون ظرفیت دارند.
فلزات مس، طلا، پلاتین، و نقره یک الکترون ظرفیت دارند. آهن دارای دو الکترون ظرفیت است. آلومینیوم به رغم داشتن سه الکترون، رسانای الکتریکی بسیاری خوبی است.
در جدول زیر ۱۲ فلز از بهترین رسانای الکتریکی به کمترین رسانای الکتریکی آورده شده است.
در ادامه ویژگیهای هر یک از این فلزات به اختصار توضیح داده می‌شود.
نقره
نقره به عنوان یکی از بهترین رساناهای الکتریکی معرفی می‌شود. دلیل این امر آن است که تعداد الکترون‌های آزاد این فلز نسبت به فلزات دیگر بیشتر است. هر چه تعداد الکترون‌های آزاد فلزی بیشتر باشد، آن فلز رسانای الکتریکی بهتری خواهد بود. اما نکته منفی در مورد نقره قیمت بالای آن است. بنابراین، استفاده از آن، مگر در موارد خاص مانند ماهواره‌ها، به صرفه نخواهد بود.
مس
رسانایی الکتریکی مس از نقره کمتر است اما این فلز ارزان‌تر است و در لوازم برقی خانگی به طور گسترده استفاده می‌شود. جنس بیشتر سیم‌های مورد استفاده از مس است. همچنین از آنجایی که مس به راحتی لحیم‌کاری می‌شود بهترین گزینه برای استفاده در صنایع خواهد بود.
مس پخته شده
مس پخته شده از گرما دادن مس در دمای مشخص و سپس سرد کردن آن به دست می‌آید. این مس از نظر شیمیایی با مس عادی یکسان است اما از نظر استحکام مکانیکی تفاوت دارد.
کاربردها
از مس پخته شده در انتقال‌دهنده‌ها و سیم‌کشی‌ها استفاده می‌شود.
طلا
طلا رسانای الکتریکی خوبی است و به هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن زنگ نمی‌زند. اما به منظور استفاده در زندگی روزمره و ساخت وسایل الکترونیکی، فلز گران‌قیمتی است. در نتیجه، از این فلز در موارد خاص استفاده می‌شود.
رسانای الکتریکی آلومینیوم
رسانای الکتریکی آلومینیوم به خوبی مس نیست. سطح سیم‌های آلومینیومی به هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن هوا به اکسید آلومینیوم تبدیل می‌شود. تشکیل این اکسید منجر به گرم شدن بیش از حد اتصال‌های الکتریکی خواهد شد. خطوط انتقال ولتاژ بالا به منظور حفاظت بیشتر علاوه بر فولاد، با آلومینیوم نیز روکش شده‌اند.
رسانای الکتریکی روی
روی فلزی آبی رنگ با عدد اتمی 30 است. در دمای اتاق این فلز شکننده و در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد چکش‌خوار خواهد بود. بنابراین، در دمای بالا فلز روی بدون شکستن به راحتی خم می‌شود یا تغییر شکل می‌دهد. روی رسانای متوسط جریان الکتریکی است.
رسانای الکتریکی نیکل
بیشتر فلزها رسانای جریان الکتریکی هستند. نیکل عنصری با رسانندگی الکتریکی بالا است.
رسانای الکتریکی برنج
فلز برنج به دلیل آن‌که به راحتی به شکل قالب‌های مختلف در می‌آید، در قسمت‌های مختلف ماشین‌های کوچک‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فلز نسبت به فولاد، رسانای الکتریکی بالاتر و خوردندگی کمتری دارد. ذکر این نکته مهم است که فلز برنج آلیاژی از عنصر‌های مختلف است.
رسانای الکتریکی برنز
برنز نیز مانند برنج آلیاژی از عنصر‌های مختلف و رسانا است.
رسانای الکتریکی آهن
آهن پیوند فلزی دارد. در نتیجه، داخل این فلز الکترون‌ها آزادانه به دور اتم‌ها حرکت می‌کنند. به این دلیل آهن رسانای خوب الکتریکی است.
رسانای الکتریکی پلاتین
پلاتین با رسانای الکتریکی بالا، نسبت به فلزهای طلا، نقره یا مس انعطاف‌پذیرتر است. این فلز مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد و در دماهای بالا پایدار است. همچنین ویژگیهای الکتریکی این فلز در شرایط مختلف پایدار خواهد بود.
رسانای الکتریکی فولاد
فولاد آلیاژی از آهن و رسانای جریان الکتریکی است. این فلز به طور معمول به عنوان روکش رساناهای الکتریکی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل این امر عدم انعطاف پذیری و خوردندگی بالای این فلز به هنگام قرار گرفتن در معرض هوا خواهد بود.
رسانای الکتریکی سرب
سرب خالص جریان الکتریکی را هدایت می‌کند. این فلز به دلیل نرم بودن و قابلیت شکل‌دهی آسان، در اتصالات الکتریکی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اتصالات باطری‌های ماشین از سرب ساخته شده‌اند. موتور ماشین جریانی در حدود ۱۰۰ آمپر تولید می‌کند. برای هدایت این جریان به باتری، به اتصال قوی مانند سرب نیاز است.
رسانای الکتریکی فولاد ضد زنگ
فولاد ضدزنگ مانند دیگر فلزات، رسانای الکتریکی به نسبت خوبی است.
فولا ضد زنگ چیست ؟
فولاد ضدزنگ یکی از پرکاربردترین فلزات در زندگی روزمره است. این فلز در حدود صد سال قبل شناخته شد اما در سال‌های اخیر به طور گسترده در ساخت و ساز و معماری استفاده می‌شود.
این نوع فولاد به دلیل غلظت ۱۲ درصدی و حتی بیشتر کروم در برابر زنگ زدگی مقاوم است. ترکیب کروم و فولاد سبب تشکیل اکسید کروم می‌شود. این اکسید بر روی سطح، لایه محافظی تشکیل خواهد داد. با افزایش غلظت کروم، مقاومت فولاد در برابر خوردگی افزایش می‌یابد. کروم یکی از تشکیل‌هنده‌های اصلی و ضروری فولاد ضدزنگ است. ترکیب این عنصر با آهن، فولاد ضدزنگی با ويژگی‌های زیر تولید خواهد کرد:
- مقاومت بالا در برابر زنگ زدگی
- استحکام بالا
- قابلیت جوشکاری
- طول عمر مفید بالا بدون از دست دادن مشخصه‌های اولیه.
- ظاهر جذابِ محصولات ساخته شده از این فلز.
به منظور اضافه کردن مشخصه‌های بیشتر و بهبود بیشتر ویژگیهای گفته شده در بالا، عناصری مانند نیکل، تیتانیوم، مولیبدن، نیوبیوم، کبالت و غیره به ترکیب شیمیایی این آلیاژ اضافه می‌شوند.
تاکنون با مفهوم رسانای الکتریکی چیست آشنا شدیم و بهترین فلزات رسانای الکتریکی را معرفی کردیم. در ادامه ویژگیهای الکتریکی فلزات توضیح داده می‌شود.
ویژگیهای الکتریکی فلزات
مهم‌ترین ویژگی فلرات، رسانای الکتریکی است.
قبل از توضیح در مورد ویژگیهای الکتریکی فلزات ممکن است این سوال مطرح شود که رسانای الکتریکی چیست و چگونه تعریف می‌شود.
به مقدار جریان الکتریکی عبوری از ماده، رسانای الکتریکی یا رسانندگی می‌گوییم.
رسانندگی برعکس مقاومت است و به صورت زیر بیان می‌شود:
رسانای الکتریکی فلزات بر حسب دما
مقاومت الکتریکی نقطه مقابل هدایت الکتریکی است. با افزایش دما، رسانای الکتریکی فلزات کاهش و در نتیجه مقاومت الکتریکی آن‌ها افزایش می‌یابد. با افزایش دما، رسانای الکتریکی فلزات به صورت خطی کاهش خواهد یافت. دلیل این کاهش برهم‌کنش فونونها با الکترون‌ها است. از آنجایی که دما اندازه‌گیری سرعت ارتعاش اتم‌ها است (به آن ارتعاش فونون نیز می‌گوییم)، افزایش ارتعاش اتم‌ها منجر به برهم‌کنش آن‌ها با الکترون‌های عبوری خواهد شد. این برهم‌کنش‌ها سبب کاهش حرکت و تحرکپذیری الکترون‌ها می‌شود.
همان‌گونه که در تصویر فوق دیده می‌شود، با افزایش دما رفتار بسیار متفاوتی از نیمه‌رساناها دیده می‌شود.
ذکر این نکته مهم است که در ادامه مطلب در مورد نیمه‌رساناها و ابررساناها توضیح داده خواهد شد.
فونون چیست ؟
اتم‌های داخل کریستال ارتعاش می‌کنند. در فیزیک ماده چگال، به واحد انرژی ارتعاشی فونون گفته می‌شود. هر کریستال جامدی (مانند نمک طعام) از اتم‌هایی تشکیل شده است که به الگوی تکرارشونده در سه بعد به نام شبکه، مقید هستند. در شبکه فرض شده است که اتم‌ها به وسیله فنرهای کوچک به یکدیگر وصل شده‌اند. از این رو انرژی گرمایی اتم‌ها یا نیروهای خارجی اعمال شده بر شبکه، سبب ارتعاش آن خواهد شد.
ارتعاش ایجاد شده، امواج مکانیکی تولید می‌کند که گرما و صوت را به سراسر ماده منتقل خواهد کرد. یک بسته از این امواج می‌تواند با انرژی و تکانه مشخصی در سراسر ماده حرکت کند. بنابراین، از دیدگاه فیزیک کوانتوم امواج مانند ذراتی به نام فونون رفتار می‌کنند. فونون کوانتای انرژی مکانیکی ارتعاشی است.
فونونها و الکترون‌ها دو نوع اصلی ذرات بنیادی در جامدها هستند. الکترون‌ها مسئول ویژگیهای الکتریکی در مواد هستند. در مقابل، فونونها سرعت صوت در ماده و میزان گرمای دریافتی توسط ماده برای تغییر دما را تعیین می‌کنند.
فونونها علاوه بر تعیین خواص گرمایی و صوتی، برای رخ دادن پدیده ابررسانایی نیز ضروری هستند.
راه‌های تغییر رسانای الکتریکی فلز
راه‌های زیادی مانند بهبود مرز دانه برای بهبود و تغییر رسانای الکتریکی فلزات وجود دارد.
شکل فلز
تغییر شکل فلز بر مقاومت ذاتی آن تاثیری نخواهد داشت، اما مقاومت بیرونی تغییر خواهد کرد. به منظور محاسبه مقاومت فلز از رابطه نشان داده شده در تصویر زیر استفاده می‌کنیم.
همان‌گونه که در رابطه فوق می‌بینیم، با تغییر سطح مقطع یا طول ماده، مقاومت آن تغییر می‌کند.
در مهندسی مواد، مقاومت ویژه مواد بسیار مهم‌تر از مقاومت است. اما باید به این نکته توجه کرد که افزایش مقاومت ماده منجر به تغییر دما در آن خواهد شد.
دما
در توضیحات بالا در مورد تغییرات مقاومت و رسانای الکتریکی فلز بر حسب دما صحبت کردیم. در ادامه اثر تغییر دما بر چگونگی تغییر مقاومت فلزات بررسی خواهد شد.
جدول زیر مقدارهای ضریب مقاومت برای فلزات مختلف را نشان می‌دهد.
| عنصر | $$\alpha \times 10^{-3} (\frac{1}{^oC})$$ |
| آلومینیوم | 3/8 |
| مس | 4/29 |
| آهن | 6/41 |
| جیوه | 8/9 |
| پلاتین | 3/93 |
| نقره | 1/59 |
| قلع | 4/2 |
| تنگستن | 4/5 |
| نیکل | 6/41 |
به دلیل افزایش ارتعاش اتم‌ها با دما، برهم‌کنش آن‌ها با الکترون‌ها بیشتر و در نتیجه الکترون‌ها از مسیر اصلی منحرف می‌شوند. بنابراین، رسانایی الکتریکی کاهش خواهد یافت. اتم‌ها در کریستال بدون نقص و در دمای صفر مطلق ارتعاشی ندارند.
مثال تاثیر دما بر مقاومت الکتریکی
مقاومت آهنی در دمای $$20 \ ^o C$$ برابر 200 اهم است. مقدار مقاومت پس از افزایش دما به $$80 \ ^o C$$ چه مقدار خواهد شد. ($$\alpha = 0.005 \ ^oC^{-1}$$)
پاسخ:
مقاومت الکتریکی رسانا به دما وابسته است. مقدار آن با افزایش دما به صورت خطی افزایش خواهد یافت. با استفاده از فرمول زیر می‌توان مقاومت رسانا را در دمای داده شده به دست آورد:
$$\rho = \rho_0 (1\ + \ \alpha \triangle T)$$
داده‌های پرسش به صورت زیر است:
$$\rho_0 = 200 \ \Omega \\ T_1 = 20^o \ C \\ T_2 = 80^o \ C \\ \alpha = 0.005^o \ C \\ R = ? \ \Omega$$
با جایگزینی داده فوق در رابطه داریم:
$$\rho = \rho_0( 1 \ + \ \alpha \ \triangle T) \\ R= (200 \ \Omega)(1+(0.005^o \ C)\times (80^o \ C \ - 20^o \ C)) \\ R=(200)(1 \ + \ (0.005)\times( 60)) \ \ \Omega \\ R = 260 \ \Omega
$$
اتم‌های ناخالص
با افزایش اتم‌های ناخالص در فلز، رسانایی الکتریکی کاهش می‌یابد. دلیل این امر کاهش تحرکپذیری الکترون‌ها است. در ساختار کریستالی فلز خالص، تمام اتم‌ها از یک نوع هستند و هیچ اتم ناخالصی وجود ندارد. به هنگام افزودن عنصر خارجی به ساختار یک فلز دو حالت اتفاق می‌افتد:
- عنصر خارجی جایگزین فلز میزبان می‌شود (جایگزینی).
- عنصر خارجی در بین اتم‌های فلز میزبان قرار می‌گیرد (بینابینی).
دو حالت بیان شده در بالا در تصویر زیر نشان داده شده است.
حتی اگر میزان ناخالصی اضافه شده به فلز بسیار کم باشد، اثر آن بر روی رسانایی الکتریکی بسیار بزرگ خواهد بود. به عنوان مثال، افزودن 0/2 درصد وزنی آلومینیوم به مس، رسانایی الکتریکی آن را به اندازه 20 درصد کاهش می‌دهد. تصویر نشان داده شده در ادامه، تغییرات مقاومت الکتریکی مس را بر حسب درصد وزنی عناصر مختلف نشان می‌دهد.
در بسیاری از حالت‌ها اضافه کردن عنصر خارجی به فلز، رسانایی الکتریکی آن را کاهش می‌دهد.
مرز دانه ها
با تغییر مرز دانه‌ها می‌توان رسانایی الکتریکی فلز را تغییر داد. مرز دانه‌ها قسمت‌هایی از فلز هستند که در آن دو آرایش کریستالی با جهت‌گیری متفاوت کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.
مرز دانه‌ها دارای کرنش کریستالی هستند. این کرنش با الکترون‌ها برهم‌کنش می‌کند و تحرکپذیری آن‌ها را کاهش می‌دهد. اندازه مرز دانه نقش مهمی در رسانایی الکتریکی فلز در مقیاس نانو ایفا می‌کند. مقاومت الکتریکی فلز با کاهش اندازه مرز دانه، افزایش خواهد یافت.
ساختار کریستالی و فازها
اگر ماده‌ای فازهای متعددی داشته باشد، رسانایی الکتریکی در مرز دو فاز به آرامی کاهش خواهد یافت. همچنین، رسانایی الکتریکی ممکن است از ساختاری به ساختار دیگر تفاوت داشته باشد. در پایان، چگونگی سنتز و ساخت ماده بر رسانایی الکتریکی آن تاثیر خواهد گذاشت.
اکنون می‌توانیم به پرسش رسانای الکتریکی چیست پاسخ دهیم. در مطالب فوق آموختیم عواملی مانند دما، وجود عنصر خارجی در ماده، اندازه و تعداد مرز دانه‌ها، شکل ماده و ساختار کریستالی بر رسانایی الکتریکی ماده تاثیر می‌گذارد. در ادامه با دو مفهوم نیمه‌رسانا و ابررسانا آشنا خواهیم شد.
نیمه رسانا چیست ؟
به ماده‌ای با ویژگیهای رسانا و عایق، نیمه‌رسانا گفته می‌شود. به بیان دیگر، مقاومت الکتریکی این دسته از مواد بین مقاومت الکتریکی رساناها و عایق‌ها قرار می‌گیرد. علاوه بر مقاومت الکتریکی، ویژگیهای گفته شده در ادامه نیز برا تعیین نیمه‌رسانا بودن ماده لازم است:
- مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها از عایق‌ها بیشتر و از رساناها کمتر است.
- ضریب مقاومت مواد نیمه‌رسانا منفی است. مقاومت الکتریکی در نیمه‌رساناها با کاهش دما، افزایش می‌یابد.
- هدایت الکتریکی نیمه‌رساناها با افزودن ناخالصی فلزی به آن تغییر خواهد کرد. این مشخصه در نیمه‌رسانا بسیار مهم است.
نیمه‌رساناها به دو دسته اصلی نیمه‌رسانای ذاتی و نیمه‌رسانای غیرذاتی تقسیم می‌شوند.
رسانای الکتریکی نیمه رسانا
همان‌طور که می‌دانیم الکترون‌های ظرفیت در بیرونی‌ترین پوسته قرار دارند. این الکترون‌ها پیوند بسیار ضعیفی نسبت به هسته دارند. اگر دو اتمِ دارای الکترون ظرفیت کنار یکدیگر قرار بگیرند، الکترون‌های این دو اتم پس از ترکیب با یکدیگر تشکیل جفت الکترون (پیوند کووالانسی) خواهند داد.
به عنوان مثال، اتم ژرمانیوم ۳۲ الکترون دارد که ۴ الکترون در بیرونی‌ترین لایه (الکترون‌های ظرفیت) قرار گرفته‌اند. این الکترون‌ها تمایل به ترکیب شدن با الکترون‌های ظرفیت اتم کناری و تشکیل جفت الکترون دارند.
تشکیل حفره
به دلیل وجود انرژی گرمایی در کریستال، بعضی از الکترون‌ها تمایل به شکستن پیوند کووالانسی دارند. پس از شکسته شدن پیوندهای کووالانسی، الکترون‌ها آزادانه در کریستال حرکت خواهند کرد. الکترون‌ها پس از ترک جایگاه خود، جای خالی به نام حفره به جا می‌گذارند. حفره به عنوان واحد بار مثبت در نظر گرفته می‌شود.
الکترون‌ها در غیاب میدان التکتریکی خارجی به صورت تصادفی در سراسر کریستال حرکت می‌کنند. اما پس از اعمال میدان الکتریکی، الکترون‌ها در جهت مخالف آن حرکت خواهند کرد. حفره‌ها بر خلاف الکترون‌ها در جهت میدان الکتریکی حرکت می‌کنند.
جریان حفره ها
همان‌گونه که گفته شد، هنگامی که پیوند کووالانسی می‌شکند حفره به وجود می‌آید. اما ذکر این نکته مهم است که ماده نیمه‌رسانا تمایل زیادی به تشکیل این پیوند دارد. در نتیجه، نیمه‌رسانا تمایلی به تشکیل حفره داخل ساختار کریستالی خود ندارد (تصویر نشان داده شده در ادامه).
هنگامی که الکترون از مکان A حرکت می‌کند، حفره ایجاد می‌شود. به دلیل تمایل به تشکیل پیوند کووالانسی، الکترون از مکان A به مکان B حرکت می‌کند. مشابه حالت قبل و ایجاد تعادل در پیوند کووالانسی در B، الکترون از C به B حرکت خواهد کرد. پس از تکرار این روند مسیری ساخته می‌شود. حرکت حفره در غیاب میدان الکتریکی به طور کامل تصادفی است. پس از اعمال میدان، حفره در جهت آن شروع به حرکت می‌کند و جریان حفره شکل می‌گیرد.
در صورتی که الکترون و حفره با یکدیگر ترکیب شوند انرژی حرارتی آزاد خواهد شد. با آزاد شدن انرژی حرارتی دمای نیمه‌رسانا افزایش می‌یابد. از این رو، نرخ تولید الکترون‌ها و حفره‌ها (چگالی الکترون و حفره) و به دنبال آن نرخ بازترکیب آن‌ها، افزایش می‌یابد. در نتیجه، رسانای الکتریکی نیمه‌رسانا افزایش و مقاومت آن کاهش خواهد یافت (ضریب مقاومت منفی).
نیمه رسانای ذاتی
مشخصه‌های نیمه‌رساناهای ذاتی به صورت زیر است:
- الکترون‌ها و حفره‌ها تنها توسط برانگیختگی گرمایی تولید می‌شوند.
- تعداد الکترون‌های آزاد برابر تعداد حفره‌ها است.
- رسانای الکتریکی نیمه‌رسانا در دمای اتاق کم است.
همان‌گونه که در توضیحات بالا عنوان شد اضافه کردن عنصر خارجی به فلز، رسانایی الکتریکی آن را تغییر می‌دهد. مشابه همین حالت نیز برای نیمه رسانا رخ خواهد داد. با اضافه کردن عنصر خارجی به نیمه‌رسانای ذاتی رسانایی الکتریکی آن بهبود بخشیده می‌شود. به این نیمه‌رسانا، نیمه‌رسانای غیرذاتی می‌گوییم.
نیمه رسانای غیر ذاتی
نیمه‌رسانای غیرذاتی به دو دسته زیر تقسیم می‌شود:
- نیمه‌رسانای نوع n.
- نیمه‌رسانای نوع p.
نیمه‌رسانای نوع n
نیمه‌رسانای نوع n با اضافه کردن عنصر خارجی با پنج الکترون ظرفیت ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، اگر اتم آرسنیک به اتم ژرمانیوم اضافه شود، چهار الکترون ظرفیت از پنج الکترون ظرفیت اتم آرسنیک با اتم‌های ژرمانیوم پیوند برقرار می‌کنند. در نتیجه، یک الکترون به عنوان الکترون آزاد باقی می‌ماند.
تمام این الکترون‌های آزاد تشکیل جریان الکترونی خواهند داد. بنابراین، در نیمه‌رسانای نوع n، الکترون‌ها رسانایی یا هدایت الکتریکی را بر عهده دارند.
- در نیمه‌رسانای نوع n، بارهای حامل اکثریت الکترون‌ها هستند.
- هنگامی که میدان الکتریکی به این نوع نیمه‌رسانا اعمال شود، الکترون‌ها به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند.
نیمه‌رسانای نوع p
نیمه‌رسانای نوع p با اضافه کردن عنصر خارجی با سه الکترون ظرفیت ایجاد خواهد شد. به عنوان مثال، اگر اتم بور به اتم ژرمانیوم اضافه شود، سه الکترون ظرفیت آن با اتم‌های ژرمانیوم پیوند برقرار می‌کنند. اما یکی از الکترون‌های اتم ژرمانیوم بدون تشکیل پیوند باقی خواهد ماند. از آنجایی که الکترون دیگری برای پیوند با این الکترون باقی نمانده است، فضای ایجاد شده یک حفره خواهد بود.
در نیمه‌رسانای نوع p داریم:
- در نیمه‌رسانای نوع p، بارهای حامل اکثریت حفره‌ها هستند.
- عنصر خارجی اضافه شده به نیمه‌رسانا پذیرنده نام دارد. زیرا این عنصر از اتم‌های ژرمانیوم الکترون می‌پذیرد.
- در صورتی‌‌که تعداد حفره‌های متحرک برابر تعداد پذیرنده‌ها باشد، نیمه‌رسانای نوع p از نظر الکتریکی خنثی باقی خواهد ماند.
- هنگامی‌که میدان الکتریکی خارجی به نیمه‌رسانای نوع p اعمال شود، حفره‌ها به سمت الکترود منفی حرکت می‌کنند. در این حالت، الکترون‌های ظرفیت از یک پیوند کووالانسی به پیوند دیگری حرکت خواهند کرد.
تاکنون با مفهوم رسانای الکتریکی چیست و کاربرد این مفهوم در فلزات و نیمه‌رساناها آشنا شدیم. همان‌گونه که در مطالب بالا عنوان شد بعضی از فلزات در دمای حدود صفر مطلق به ابررسانا تبدیل می‌شوند. در ادامه مفهوم ابررسانایی به اختصار توضیح داده خواهد شد.
ابررسانا چیست ؟
در مطالب بالا به این موضوع اشاره شد که فلزات رساناهای خوبی برای جریان الکتریکی هستند. دلیل این امر آن است که آن‌ها در ساختار خود تعداد زیادی الکترون‌های آزاد دارند. با افزایش دما سه پدیده در فلز رخ می‌دهد:
- دامنه ارتعاشات شبکه فلز افزایش می‌یابد.
- با افزایش دما الکترون‌های آزاد به طور مداوم پراکنده می‌شوند.
- مقاومت فلز افزایش خواهد یافت.
ذکر این نکته مهم است که حتی در صفر مطلق (صفر کلوین) نیز فلزات مقاومت بسیار کوچکی دارند. این مقاومت کوچک به پراکندگی الکترون‌ها توسط ناخالصی‌ها و نواقص موجود در فلز مربوط است. به تصویر زیر دقت کنید.
همان‌گونه که در تصویر فوق دیده می‌شود فلز در دمای صفر مطلق مقاومت کوچکی دارد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که در مورد ابررسانا چه اتفاقی می‌افتد؟
بعضی از فلزات مانند جیوه، قلع، روی، آلومینیوم، و سرب در دماهای بسیار پایین به ابررسانا تبدیل می‌شوند. در واقع، در حالت عادی مقاومت الکتریکی فلز با کاهش دما کم می‌شود. در فلزاتی با مشخصه ابررسانایی، هنگامی که دما از دمای خاصی با نام دمای گذار یا دمای بحرانی ($$T _ c$$) کمتر شود مقاومت الکتریکی ناگهان صفر خواهد شد. مقاومت الکتریکی صفر به معنای عبور همیشگی جریان الکتریکی از ابررسانا است
گذار از فلز به ابررسانایی بازگشت‌پذیر است. هنگامی که دمای فلز به بالاتر از دمای گذار افزایش یابد، مقاومت آن غیر صفر خواهد شد.
معرفی فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه
مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه برای دانش‌جویان سال اول علوم‌پایه و فنی مهندسی کرده که این مجموعه آموزشی از سیزده درس تشکیل شده است.
در درس یکم مبحث بار الکتریکی و مفهوم کوانتیزه بودن بار آموزش داده می‌شود. پس از تماشای درس یکم مفهوم جریان الکتریکی را می‌آموزید و به پرسش رسانای الکتریکی چیست به راحتی پاسخ می‌دهید. در درس دوم با میدان الکتریکی و روش‌های محاسبه میدان الکتریکیِ شکل‌های مختلف باردار مانند میله یا دیسک آشنا می‌شوید.
قانون گاوس و پتانسیل الکتریکی به ترتیب در درس‌های سوم و چهارم آموزش داده می‌شوند. در درس‌های پنجم تا سیزدهم مباحثی مانند خازن و ظرفیت آن، مدارهای الکتریکی، مدارهای الکترومغناطیسی و خودالقایی را فرا خواهید گرفت.
- برای دیدن فیلم آموزش فیزیک ۲ دانشگاه + اینجا کلیک کنید.
اکنون می‌توانید به پرسش رسانای الکتریکی چیست پاسخ دهید، اما سوال‌های متداول دیگری در مورد رسانای الکتریکیِ مواد گوناگون وجود دارد که در ادامه سعی بر آن است به مهم‌ترین پرسش‌های مطرح شده در این زمینه پاسخ دهیم.
سوالات متداول در مورد رسانای الکتریکی
تاکنون به مهم‌ترین سوال یعنی رسانای الکتریکی چیست و عوامل موثر بر آن پاسخ دادیم. در ادامه به چند پرسش مطرح شده در مورد رسانای الکتریکی مواد مختلف پاسخ داده خواهد شد.
کدام فلز بهترین رسانای جریان الکتریکی است ؟
نقره بهترین رسانای جریان الکتریکی است. اما این فلز به دلایل زیر به طور گسترده در صنایع الکترونیک استفاده نمی‌شود:
- این فلز بعد از استفاده مداوم تیره می‌شود.
- در جریان‌های فرکانس بالا، توزیع غیریکنواختی از جریان در سطح نقره رخ خواهد داد.
- نقره بسیار گران است. این فلز از آلومینیوم و مس بسیار گران‌تر است.
کدام فلز ضعیفترین رسانای الکتریکی است ؟
فولاد ضد زنگ یکی از ضعیفترین رساناهای الکتریکی در میان فلزات است. اما درجهبندیهای مختلف این فلز کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیک دارد.
چرا آب مقطر رسانای جریان الکتریکی نیست اما آب باران جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهد؟
همان‌گونه که در مطالب بالا آموختیم به حرکت ذرات باردار در مسیری مشخص در ماده، هدایت یا رسانای الکتریکی گفته می‌شود. در دسترس بودن یونها یکی از عامل‌های مهم برای هدایت الکتریکی است. آب مقطر نوعی آب خالص است که هیچ یون مثبت یا منفی در ساختار خود ندارد.
در آب باران گازهایی مانند $$CO_2$$ و $$SO_2$$ حل شده‌اند. پس از حل شدن این گازها در آب اسید‌هایی مانند اسیدهای کربونیک تشکیل می‌شوند. این اسیدها در ادامه به یون‌های مختلف تبدیل می‌شوند.
آیا آب دریا رسانای جریان الکتریکی است ؟
آب دریا رسانای جریان الکتریکی است. در حقیقت، آب دریا در مقایسه با آب معمولی رسانای بهتر جریان الکتریکی است. آب دریا از نمک NaCl و ترکیب‌های دیگری تشکیل شده است. این ترکیب‌های محلول در آب به یون‌های مختلف تبدیل می‌شوند. به عنوان مثال، NaCl به دو یون $$Na^+$$ و $$Cl^-$$ تبدیل می‌شود. این یون‌های مثبت و منفی به عنوان ذرات باردار، جریان الکتریکی را هدایت می‌کنند.
از بین آب دریا، آب معمولی و آب مقطر کدام‌یک رسانای بهتر جریان الکتریکی است ؟
از بین موارد عنوان شده آب دریا بهترین رسانا الکتریکی و آب مقطر ضعیفترین رسانای الکتریکی است.
آیا خاک رسانای جریان الکتریکی است ؟
خاک رسانای جریان الکتریکی است. خاک‌های رسی ذرات کوچک‌تری دارند. در نتیجه، نقاط اتصال بین آن‌ها بیشتر است. در مقابل، خاک‌های شنی از ذرات بزرگ‌‌تری تشکیل شده‌اند و نقاط اتصال بین آن‌ها کمتر است. بنابراین خاک رسی در مقایسه با خاک‌ه شنی رسانای بهتر جریان الکتریکی است.
چگونه رسانندگی فلز اندازه گرفته می‌شود ؟
فلزات به طور معمول رسانای خوب جریان الکتریکی هستند. با دنبال کردن قدم‌های گفته شده در ادامه می‌توانید رسانایی الکتریکی فلر را اندازه بگیرید:
- با استفاده از اهم‌متر مقاومت فلزی را با مساحت و طول مشخص اندازه بگیرید. اهم‌مترها به طور معمول از دو نقطه تماس استفاده می‌کنند. برای اندازه‌گیری مقاومت فلز، هر یک از نقطه‌های تماس، در نقاط انتهایی نمونه قرار داده می‌شوند.
- با استفاده از اهم‌متری با چهار نقطه تماس، اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر خواهد بود. در این نوع اهم‌متر از دو نقطه اتصال برای اندازه‌گیری جریان و از دو نقطه دیگر برای اندازه‌گیری ولتاژ استفاده می‌شود.
- مقاومت نشان داده شده توسط اهم‌متر را بخوانید. اهم‌متر به طور خودکار و با استفاده از معادله R=V/I، مقاومت نمونه را به ما نشان می‌دهد.
در مراحل بالا، روش اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی شرح داده شد. ذکر این نکته مهم است رسانندگی الکتریکی با مقاومت الکتریکی رابطه معکوس دارد. در نتیجه، هر چه مقاومت الکتریکی نمونه‌ای کمتر باشد، جریان الکتریکی بیشتری از نمونه می‌گذرد و ماده رسانای بهتر جریان الکتریکی است.
