میزان رسانایی فلزات: بررسی عوامل مؤثر و کاربردها

رسانایی فلزات ناشی از حرکت ذرات باردار الکتریکی است. اتم های فلزات دارای الکترون های ظرفیت هستند که الکترون های موجود در لایه بیرونی اتم هستند و قادر به حرکت هستند. این "الکترون های آزاد" هستند که به فلزات اجازه می دهند جریان الکتریکی را منتقل کنند.

از آنجا که الکترون های ظرفیت آزادانه حرکت می کنند، می توانند از طریق شبکه ای که ساختار فیزیکی فلز را تشکیل می دهد، عبور کنند. در زیر یک میدان الکتریکی، الکترون های آزاد از میان فلز به گونه ای حرکت می کنند که مانند توپ های بیلیارد که به یکدیگر برخورد می کنند، بار الکتریکی را منتقل می کنند.

انتقال انرژی

انتقال انرژی زمانی قوی ترین است که مقاومت کمی وجود داشته باشد. در یک میز بیلیارد، این زمانی اتفاق می افتد که یک توپ به یک توپ دیگر ضربه می زند و بیشتر انرژی خود را به توپ بعدی منتقل می کند. اگر یک توپ به چندین توپ دیگر ضربه بزند، هر یک از آن ها تنها بخشی از انرژی را دریافت خواهند کرد.

به همین ترتیب، مؤثرترین هادی های برق فلزاتی هستند که یک الکترون ظرفیت آزاد برای حرکت دارند و واکنش دافعه قوی در الکترون های دیگر ایجاد می کنند. این حالت در فلزات بسیار هادی مانند نقره، طلا و مس وجود دارد. هرکدام یک الکترون ظرفیت دارند که با کمترین مقاومت حرکت می کند و واکنش دافعه قوی ایجاد می کند.

فلزات نیمه هادی (یا متالوئیدها) دارای تعداد بیشتری الکترون های ظرفیت هستند (معمولاً چهار یا بیشتر). بنابراین، هرچند که آن ها می توانند الکتریسیته را هدایت کنند، در این کار ناکارآمد هستند. اما، وقتی که گرم می شوند یا با عناصر دیگر دوز می شوند، نیمه هادی هایی مانند سیلیکون و ژرمانیوم می توانند به هادی های بسیار کارآمد الکتریسیته تبدیل شوند.

رسانایی فلزات

هدایت در فلزات باید از قانون اهم پیروی کند، که بیان می کند که جریان به میدان الکتریکی وارد شده به فلز به طور مستقیم متناسب است. این قانون که به نام فیزیکدان آلمانی جورج اهم نام گذاری شده است، در سال 1827 در یک مقاله منتشر شده که نحوه اندازه گیری جریان و ولتاژ از طریق مدارهای الکتریکی را شرح می دهد، مطرح شد. متغیر کلیدی در اعمال قانون اهم، مقاومت ویژه فلز است.

مقاومت ویژه، معکوس رسانایی فلزات است و ارزیابی می کند که یک فلز چقدر به جریان برق مقاومت می کند. این معمولاً در سطوح مخالف یک مکعب یک متری از ماده اندازه گیری می شود و به عنوان اهم متر (Ω⋅m) توصیف می گردد. مقاومت ویژه معمولاً با حرف یونانی رو (ρ) نشان داده می شود.

از طرف دیگر، هدایت الکتریکی معمولاً با واحد زیمنس بر متر (S⋅m−1) اندازه گیری می شود و با حرف یونانی سیگما (σ) نمایش داده می شود. یک زیمنس معادل عکس یک اهم است.

هدایت و مقاومت فلزات

جنسمقاومت خاص (Ω•m) در دمای 20 درجه سانتی گرادهدایت الکتریکی (S/m) در دمای 20 درجه سانتی گراد

* توجه: مقاومت خاص نیمه هادی ها (متالوئیدها) به شدت به وجود ناخالصی ها در ماده وابسته است.