رسانایی الکتریکی چیست؟ تعریف، واحدها، عوامل موثر و مثال‌ها
رسانایی الکتریکی، معیاری است برای سنجش میزان جریان الکتریکی که یک ماده قادر به عبور دادن از خود است. به بیان دیگر، این خاصیت نشان‌دهنده توانایی یک ماده در هدایت جریان الکتریکی است. رسانایی الکتریکی، که گاهی اوقات به آن هدایت ویژه نیز گفته می‌شود، یک ویژگی ذاتی و اساسی برای هر ماده محسوب می‌شود. این ویژگی، تعیین‌کننده میزان سهولت عبور جریان الکتریکی از ماده تحت شرایط معین است. مواد با رسانایی الکتریکی بالا، به راحتی جریان را عبور می‌دهند، در حالی که مواد با رسانایی پایین، مقاومت بیشتری در برابر جریان الکتریکی نشان می‌دهند. درک مفهوم رسانایی برای طراحی و استفاده از مدارهای الکتریکی و دستگاه‌های مختلف بسیار مهم است.
واحد اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی
رسانایی الکتریکی معمولاً با نماد σ (سیگما) نشان داده می‌شود و واحد اندازه‌گیری آن در سیستم SI، زیمنس بر متر (S/m) است. در مهندسی برق، گاهی از حرف یونانی κ (کاپا) نیز برای نمایش رسانایی استفاده می‌شود. در برخی موارد، حرف γ (گاما) هم ممکن است برای این منظور به کار رود. در مورد آب، رسانایی اغلب به صورت هدایت ویژه گزارش می‌شود که مقایسه‌ای با رسانایی آب خالص در دمای 25 درجه سانتی‌گراد است. این مقایسه به تعیین میزان رسانایی آب نسبت به حالت ایده‌آل کمک می‌کند و نشان‌دهنده وجود املاح و مواد حل‌شده در آب است.
ارتباط بین رسانایی و مقاومت الکتریکی
رسانایی الکتریکی (σ) و مقاومت الکتریکی (ρ) رابطه معکوس با یکدیگر دارند. به عبارت ساده‌تر، هرچه ماده‌ای رسانایی بالاتری داشته باشد، مقاومت آن کمتر است و برعکس. این رابطه به صورت زیر بیان می‌شود:
σ = 1/ρ
مقاومت الکتریکی یک ماده با سطح مقطع یکنواخت، با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:
ρ = RA/l
در این فرمول:
- R: مقاومت الکتریکی
- A: سطح مقطع ماده
- l: طول ماده
رسانایی الکتریکی در فلزات با کاهش دما به تدریج افزایش می‌یابد. در دماهای بسیار پایین، به اصطلاح دمای بحرانی، مقاومت در مواد ابررسانا به صفر می‌رسد. در این حالت، جریان الکتریکی می‌تواند بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی، در یک حلقه سیم ابررسانا جریان یابد.
در بسیاری از مواد، هدایت الکتریکی از طریق الکترون‌ها یا حفره‌های موجود در نوارهای انرژی ماده صورت می‌گیرد. در الکترولیت‌ها، یون‌ها به طور کامل حرکت کرده و بار الکتریکی خالص خود را حمل می‌کنند. در محلول‌های الکترولیتی، غلظت یون‌ها نقش کلیدی در رسانایی ماده ایفا می‌کند.
مواد با رسانایی الکتریکی خوب و ضعیف
فلزات و پلاسما نمونه‌هایی از موادی هستند که رسانایی الکتریکی بالایی دارند. بهترین رسانای الکتریکی در بین عناصر، نقره (یک فلز) است. عایق‌های الکتریکی، مانند شیشه و آب خالص، رسانایی الکتریکی ضعیفی دارند. بیشتر غیرفلزات در جدول تناوبی، رسانای الکتریکی و حرارتی ضعیفی هستند. رسانایی نیمه‌هادی‌ها بین عایق و رسانا قرار دارد.
نمونه‌هایی از رساناهای عالی:
- نقره
- مس
- طلا
- آلومینیوم
- روی
- نیکل
- برنج
نمونه‌هایی از رساناهای الکتریکی ضعیف:
- لاستیک
- شیشه
- پلاستیک
- چوب خشک
- الماس
- هوا
آب خالص (نه آب شور، که رسانا است)
- شیمی
- علم
