מוליכים חשמליים: סוגים ומאפיינים עיקריים - גוּפָנִי - 2025

מוליכים חשמליים או חומרים מוליכים הם אלה שיש להם התנגדות מועטה זרימת זרם חשמלי, נתון המאפיינים הספציפיים שלה. המבנה האטומי של מוליכים חשמליים מאפשר את תנועת האלקטרונים דרכם, בעזרתם סוג זה של אלמנטים מעדיף העברת חשמל.

ניתן להציג מוליכים בצורות שונות, כאשר אחד מהם הוא החומר בתנאים גופניים ספציפיים, כמו מוטות מתכת (מוטות) שלא הוכחו להיות חלק ממעגלים חשמליים. למרות שלא היו חלק ממכלול חשמלי, חומרים אלה שומרים תמיד על תכונותיהם המוליכות.

ישנם גם מוליכים חשמליים חד-קוטביים או רב-קוטביים, המשמשים רשמית כאלמנטים מחברים של מעגלי חשמל בסביבה מגורים ותעשייתיים. מוליך מסוג זה יכול להיווצר בפנים על ידי חוטי נחושת או סוג אחר של חומר מתכתי, המכוסה במשטח בידוד.

בנוסף, בהתאם לתצורת המעגל, ניתן להבדיל בין מוליכים ליישומי מגורים (דקים) או כבלים לברזים תת קרקעיים במערכות הפצה חשמליות (עבות).

לעניין מאמר זה, נתמקד במאפיינים של חומרים מוליכים במצבם הטהור; בנוסף, נדע מהם החומרים המוליכים המשומשים ביותר כיום ומדוע.

מאפיינים

מוליכים חשמליים מאופיינים בכך שהם לא מציעים התנגדות רבה למעבר זרם חשמלי דרכם, וזה אפשרי רק בזכות תכונותיהם החשמליות והפיזיות, שמבטיחים כי זרימת החשמל דרך המוליך אינה גורמת לעיוות או הרס. של החומר המדובר.

מאפיינים חשמליים

המאפיינים החשמליים העיקריים של מוליכי חשמל הם כדלקמן:

מוליכות טובה

על מוליכים חשמליים להיות בעלי מוליכות חשמלית טובה בכדי למלא את תפקידם בהובלת אנרגיה חשמלית.

הנציבות הבינלאומית האלקטרוטכנית קבעה באמצע שנת 1913 כי המוליכות החשמלית של נחושת במצבה הטהור יכולה לשמש התייחסות למדידה והשוואה של המוליכות של חומרים מוליכים אחרים.

לפיכך, הוקם התקן הבינלאומי Anneals Copper (IACS על ראשי תיבות שלו באנגלית).

הפניה שאומצה הייתה מוליכות של חוט נחושת מחוטא באורך של מטר אחד, ושל גרם אחד של מסה ב 20 מעלות צלזיוס, שערכו שווה ל 5.80 x 10 ⁷ Sm ^-1 . ערך זה ידוע כ- 100% מוליכות חשמלית IACS, והוא מהווה אמת מידה למדידת המוליכות של חומרים מוליכים.

חומר מוליך נחשב ככזה אם יש לו יותר מ- 40% IACS. חומרים בעלי מוליכות גבוהה מ- 100% IACS נחשבים לחומרי מוליכות גבוהים.

מבנה אטומי מאפשר מעבר של זרם

המבנה האטומי מאפשר מעבר של זרם חשמלי, שכן לאטומים מעט אלקטרונים נמצאים במעטפת הערכיות שלהם, ובתורם האלקטרונים הללו מנותקים מגרעין האטום.

התצורה המתוארת מרמזת כי כמות גדולה של אנרגיה אינה נדרשת כדי אלקטרונים לעבור מאטום אחד למשנהו, דבר המאפשר את תנועת האלקטרונים דרך המוליך.

סוגים אלה של אלקטרונים נקראים אלקטרונים חופשיים. נטייתם וחופש התנועה שלהם לאורך המבנה האטומי הוא זה שהופך את זרימת החשמל דרך המוליך לתורמת.

גרעינים מאוחדים

המבנה המולקולרי של המוליכים מורכב מרשת גרעינים סרוגה בחוזקה, שנותרה ללא תנועה בגלל הלכידות שלה.

זה הופך את תנועת האלקטרונים הנמצאים הרחק למולקולה לתורמת, מכיוון שהם נעים בחופשיות ומגיבים לקרבת שדה חשמלי.

תגובה זו גורמת לתנועת האלקטרונים לכיוון ספציפי, ובכך מאפשרת זרימת זרם חשמלי דרך החומר המוליך.

איזון אלקטרוסטטי

על ידי הטלת מטען מסוים, חומרים מוליכים מגיעים בסופו של דבר למצב של שיווי משקל אלקטרוסטטי בו תנועת המטענים בתוך החומר אינה מתרחשת.

מטענים חיוביים מצטברים בקצה אחד של החומר ומטענים שליליים מצטברים בקצה ההפוך. תזוזת המטענים לכיוון פני המוליך מייצרת נוכחות של שדות חשמליים שווים והפוכים בתוך המוליך. לפיכך, השדה החשמלי הפנימי הכולל בתוך החומר הוא אפס.

מאפיינים פיזיים

חָשִׁיל

המוליכים החשמליים חייבים להיות ניתנים לביצוע; כלומר עליהם להיות מסוגלים לעוות ללא שבירה.

חומרים מוליכים משמשים לרוב ביישומים ביתיים או תעשייתיים, בהם עליהם להיות כפופים וכיפוף; לכן גמישות היא מאפיין חשוב ביותר.

עָמִיד בִּפְנֵי

חומרים אלה חייבים להיות עמידים בפני שחיקה, בכדי לעמוד בתנאי הלחץ המכני אליהם הם נתונים בדרך כלל, יחד עם טמפרטורות גבוהות בגלל זרימת הזרם.

שכבת בידוד

כאשר משתמשים בהם ביישום למגורים או לתעשייה או כחלק ממערכת אספקת החשמל המחוברת זה לזה, חייבים תמיד להיות מכוסים על המוליכים בשכבת בידוד מתאימה.

שכבה חיצונית זו, המכונה גם מעיל בידוד, הכרחית בכדי למנוע מהזרם החשמלי הזורם במוליך לבוא במגע עם אנשים או חפצים סביבו.

סוגי מוליכים חשמליים

ישנן קטגוריות שונות של מוליכים חשמליים, ובתורם, בכל קטגוריה הם החומרים או המדיות בעלי המוליכות החשמלית הגבוהה ביותר.

במצטיינות, מיטב המוליכים החשמליים הם מתכות מוצקות, שביניהן בולטות נחושת, זהב, כסף, אלומיניום, ברזל וכמה סגסוגות.

עם זאת, ישנם סוגים אחרים של חומרים או פתרונות שיש להם תכונות הולכה חשמלית טובות, כגון גרפיט או תמיסות מלוחים.

בהתאם לאופן בו מתבצעת הולכה חשמלית, ניתן להבדיל בין שלושה סוגים של חומרים או חומרים מוליכים, המפורטים להלן:

מוליכים מתכתיים

קבוצה זו מורכבת ממתכות מוצקות וסגסוגותיהם בהתאמה.

מוליכים מתכתיים חייבים את המוליכות הגבוהה שלהם לענני אלקטרונים חופשיים המעדיפים את זרימת הזרם החשמלי דרכם. מתכות מוותרות על האלקטרונים שנמצאים במסלול האחרון של האטומים שלהם מבלי להשקיע כמויות אנרגיה גדולות יותר, מה שהופך את קפיצת האלקטרונים מאטום לאחד למועילה.

מצד שני, הסגסוגות מאופיינות בכך שיש להם התנגדות גבוהה; כלומר הם מציגים התנגדות פרופורציונלית לאורכו וקוטרו של המוליך.

הסגסוגות הנפוצות ביותר במתקנים חשמליים הם פליז, סגסוגת אבץ נחושת; לוחית פח, סגסוגת ברזל ופח; סגסוגות ניקל נחושת; וסגסוגות ניקל כרום.

מוליכים אלקטרוליטיים

אלה פתרונות המורכבים מיונים חופשיים, המסייעים להולכה חשמלית של יונים.

לרוב, מוליכים מסוג זה קיימים בתמיסות יוניות, מכיוון שעל החומרים האלקטרוליטיים לעבור ניתוק חלקי (או מוחלט) כדי ליצור את היונים שיהיו נשאי מטען.

מוליכים אלקטרוליטיים מבססים את פעולתם על תגובות כימיות ועל עקירה של חומר, המאפשרת את תנועת האלקטרונים דרך נתיב הדם המאפשר יונים חופשיים.

מוליכים גזים

בקטגוריה זו נמצאים הגזים שעברו בעבר תהליך יינון, המאפשר הולכת חשמל דרכם.

האוויר עצמו פועל כמוליך חשמל כאשר הוא מתפקד כמתפרק דיאלקטרי כאמצעי מוליך להיווצרות ברקים ופריקות חשמל.

דוגמאות למוליכים

אֲלוּמִינְיוּם

הוא משמש מאוד במערכות הילוכים חשמליות עיליות שכן, למרות שיש לו מוליכות נמוכה של 35% בהשוואה לנחושת מבוטלת, משקלו קל פי שלושה מהאחרון.

שקעי מתח גבוה מכוסים בדרך כלל על ידי משטח חיצוני של פוליוויניל כלוריד (PVC), אשר מונע את המוליכה להתחמם יתר ומבודד את מעבר הזרם החשמלי מבחוץ.

נְחוֹשֶׁת

זוהי המתכת המשמשת ביותר כמוליך חשמל ביישומים תעשייתיים ומגורים, לאור האיזון שהיא מציגה בין מוליכותה למחיר שלה.

ניתן להשתמש בנחושת במוליכים של מד נמוך ובינוני, עם חוט אחד או כמה, תלוי ביכולת האמפרומטרית של המוליך.

זהב

זהו חומר המשמש במכלולים אלקטרוניים של מעבדי מיקרו ומעגלים משולבים. הוא משמש גם לייצור מסופי סוללה לרכבים, בין יישומים אחרים.

המוליכות של זהב פחותה בכ -20% מהמוליכות של הזהב המחושם. עם זאת, מדובר בחומר עמיד מאוד ועמיד בפני קורוזיה.

כסף

עם מוליכות של 6.30 x 10 ⁷ Sm ^-1 (גבוהה יותר של 9-10% מהמוליכות של נחושת מחוטלת), זו המתכת בעלת המוליכות החשמלית הגבוהה ביותר הידועה עד כה.

זהו חומר בעל יכולת ניעור מאוד ושמיש, עם קשיות דומה לזה של זהב או נחושת. עם זאת, עלותו גבוהה במיוחד, ולכן השימוש בו אינו כה נפוץ בענף.

הפניות

1. מוליך חשמלי (sf). מיושן. הוואנה קובה. התאושש מ: ecured.cu
2. מוליכים חשמליים (sf). התאושש מ: aprendeelectricidad.weebly.com
3. Longo, J. (2009) מוליכי חשמל. התאושש מ: vivehogar.republica.com
4. מרטין, טי וסרנו א '(נ'). מוליכים בשיווי משקל אלקטרוסטטי. האוניברסיטה הפוליטכנית במדריד. סְפָרַד. התאושש מ: montes.upm.es
5. Pérez, J., and Gardey, A. (2016). הגדרת מוליך חשמלי. התאושש מ: definicion.de
6. מאפיינים של מוליכים חשמליים (sf). התאושש מ: neetescuela.org
7. ויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית (2018). מוליכות חשמלית. התאושש מ: es.wikipedia.org
8. ויקיפדיה, האינציקלופדיה החופשית (2018). מוליך חשמלי. התאושש מ: es.wikipedia.org