ترتيب المعادن من حيث توصيل الكهرباء
أهم المعادن الموصلة للكهرباء
في البحث عن الموصلات الكهربائية، تكون الموصلات الكهربائية وأنواعها هي الأجزاء الأكثر أهمية التي تعتمد عليها الكهرباء. جميع المعادن توصل الكهرباء إلى حد معين، ولكن بعض المعادن تكون أكثر قدرة على التوصيل، ومن بين المعادن الأكثر توصيلا الفضة والنحاس والذهب. فالنحاس، على سبيل المثال، يتمتع بقدرة توصيل عالية ويستخدم عادة في الأسلاك المعدنية، ومن ناحية أخرى، يحتوي النحاس الأصفر على مواد أخرى تدخل في تركيبته وتقلل من قدرته على التوصيل الجيد للكهرباء. أما الفضة النقية، فهي أكثر المعادن توصيلا للكهرباء، ولكنها باهظة الثمن. ويمكن ترتيب المعادن بحسب توصيلها الكهربائي، حسب الأعلى في درجة التوصيل كما يلي:
- الفضة النقية
- النحاس النقي
- الذهب نقي
- الألومنيوم
- نحاس “28%”
- الزنك
- النيكل
- الحديد النقي
- القصدير
- الفسفور برونز
- الفولاذ
- الرصاص النقي
- النيكل ألومنيوم برونز
- البلاتين
- ستانلس ستيل
لماذا الفضة هي أفضل المعادن توصيلاً للكهرباء
يحدد وجود الإلكترونات التكافؤ قدرة المعدن على توصيل التيار الكهربائي، حيث تُعرف الإلكترونات التكافؤ باسم “الإلكترونات الحرة” والتي تتيح للمعادن إجراء التيار الكهربائي عندما تتحرك الإلكترونات الحرة عبر المعدن مثل كرات البلياردو وتنقل الطاقة عندما تصطدم ببعضها البعض.
الفضة والنحاس معادن ذات إلكترونات تكافؤ مفردة حرة الحركة، لذلك تتحرك الإلكترونات في جميع أنحاء المعدن بمقاومة قليلة مما يجعل الفضة أكثر موصلية بل إنها أعلى موصلية لجميع المعادن ولكن لها أيضًا سعر باهظ بينما النحاس ذو توصيل عالي للكهرباء فيمكن إستخدامه لأنه يمكن تحمل تكلفته فيعد للكثيرين خيارًا أفضل.
ما هو استخدام النحاس
عند البحث عن التوصيل الكهربائي، يتضح أن النحاس هو موصل كهربائي ممتاز، إذ يستخدم بشكل شائع في الأغراض الكهربائية، وذلك لأن العديد من التطبيقات الشائعة تعتمد على النحاس لأنه يتميز بخصائص فريدة مثل قدرته على التوصيل الحراري، ويشمل استخدامات النحاس الشائعة بعض الأمور مثل
- دبابيس في قابس 13 أمبير، وذلك لأنها موصل كهربائيمنخفض التفاعل وقوي.
- يستخدم الأنابيب المصنوعة من PVC لأنها لينة ولكنها قوية، ولها فوائد إضافية تتمثل في قدرتها على مقاومة البكتيريا ولها تفاعل منخفض.
- يتم صناعة قاعدة القدر بسبب كونها موصلًا حراريًا جيدًا مع تفاعل منخفض وقوي.
- تُعد صناعة الكابلات الكهربائية مهمة جدًا، حيث يتم استخدامها كموصل كهربائي قوي وفعال، وتشمل ذلك الأسلاك المستخدمة في الإلكترونيات مثل الأجهزة التلفزيونية وملحقاتها.
- المعالجات الدقيقة، وتشبه الكابلات الكهربائية.
هل الذهب موصل للكهرباء
يُعرف عن الذهب توصيله الجيد للكهرباء، وأكثر ما يميزه عن بقية المعادن أنه لا يبهت مثل عند تعرضه للهواء، فقد يتأكسد الفولاذ أو النحاس ويتآكل عندما يتفاعل مع الأكسجين لفترة طويلة لكن بالرغم من خواص الذهب الفريدة إلا أنه باهظ الثمن بشكل كبير وأحد عيوبه أنه لا يستخدم إلا في مواد معينة مثل مكونات لوحة الدوائر أو الموصلات الكهربائية الصغيرة، ولتفادي سعره المرتفع يتم طلاء المواد بالذهب كموصل كهربائي أو إستخدام كمية صغيرة جدًا منه من ثم يتم طلاءها في مادة أخرى لتقليل تكاليف التصنيع.
توصيل الألومنيوم للكهرباء
يعمل عنصر الألمنيوم كموصل كهربائي بشكل جيد لكنه ينطوي على عدة مخاطر وعيوب فعلى سبيل المثال يُكون الألومنيوم سطح أكسيد مقاوم كهربائيًا مما ينتج عن ذلك ارتفاع درجة حرارة التوصيل، لذلك يتم إستخدامه في خطوط النقل عالية الجهد وتتمثل في كابلات الهاتف التي يتم تغليفها بمادة الفولاذ أيضًا لتوفير حماية إضافية.
سبائك الصلب والنحاس في توصيل الكهرباء
الصلب هو سبيكة مصنوعة من الحديد ويعتبر موصلا جيدا للكهرباء. يعتبر الصلب معدنا غير مرن ومعرضا للتآكل عند تعرضه للهواء لفترة طويلة. يستخدم في بعض الآلات الضخمة، ولكن من الصعب صبه واستخدامه في المنتجات أو الآلات الصغيرة، لذا يتم استبداله بالفولاذ لتغليف الموصلات الأخرى. أما سبائك النحاس، فهي معدن قابل للشد مما يجعله سهل الانحناء والتشكيل لتشكيل أجزاء مختلفة في الآلات الصغيرة الحجم. وتتميز بأنها تتآكل أقل من الصلب وتوفر توصيلا أفضل قليلا وتكون أرخص في السعر.
أشباه الموصلات
تستخدم أشباه الموصلات في تصنيع مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك الترانزستورات والدوائر المتكاملة، ونظرًا لحجمها الصغير وموثوقيتها وكفاءتها في استخدام الطاقة وتكلفتها المنخفضة، تم استخدامها كذلك في أجهزة الطاقة وأجهزة الاستشعار البصرية.
تتمتع أشباه الموصلات بمجموعة واسعة من الإمكانيات للتعامل مع التيار والجهد، والأهم من ذلك هو قدرتها على الاندماج في الدوائر الإلكترونية الدقيقة المعقدة، والتي تستخدم في الاتصالات ومعالجة الإشارات. تحتوي المعادن شبه الموصلة على إلكترونات متعددة التكافؤ مما يقلل من تفاعل الطرد، وبالرغم من ذلك، فإنه يمكن أن تصبح أكثر فعالية من الموصلات الكهربائية الأخرى عند تسخينها أو دمجها مع عناصر أخرى، حيث تعتمد مقاومة أشباه الموصلات على وجود شوائب في المعدن. بالإضافة إلى الشوائب، تشمل العوامل الأخرى التي يمكن أن تؤثر على كيفية توصيل المعادن للكهرباء التردد، وتشمل أنواع أشباه الموصلات: القصدير والجرمانيوم والسيليكون والتيلوريوم والزرنيخ والغاليوم والسلينيوم.
المواد شبه الموصلة هي بلورات مفردة، حيث تكون الذرات مرتبة بشكل ثلاثي الأبعاد بشكل منتظم. تحتوي البلورة النقية من السيليكون على شوائب ضئيلة. وتحيط كل ذرة سيليكون في البلورة بأربعة جيران أقرب، حيث تحتوي كل ذرة على أربع إلكترونات في المدار الخارجي وتشترك هذه الإلكترونات مع أربعة جيران لها عندما لا يكون هناك اهتزاز حراري (بمعنى درجة حرارة منخفضة). إذا، فإن الإلكترونات الموجودة في العازل أو بلورة شبه الموصل ستملأ تماما.
يمكن أن يكون التوصيل الكهربائي ضعيفا جدا في الموصلات الشبه موصلة الذاتية في درجة حرارة الغرفة، وتتمتع هذه الموصلات بخصائص كثيرة وفي بعض الحالات يتم استخدامها كعوازل، في حين يمكن أن تكون موصلة للكهرباء في حالات أخرى، وتم تأكيد ذلك في قوانين الفيزياء الخاصة بالكهرباء.
المواد العازلة للكهرباء
تعرف المادة العازلة على أنها مادة غير معدنية تمتاز بمقاومة عالية ومعامل درجة حرارة سلبي للمقاومة ومقاومة عزل كبيرة. وتعرفها بعض العلماء أيضا على أنها مادة غير موصلة تخزن الشحنات الكهربائية. عند وضع عازل في مجال كهربائي، لا تتدفق الشحنات الكهربائية عبر المادة وتنحرف الشحنات الكهربائية قليلا عن موضع التوازن المتوسط، مما يسبب استقطاب العازل.
يتسبب الاستقطاب العازل في تحريك الشحنات الموجبة باتجاه المجال، فيما يؤدي إلى تحريك الشحنات السالبة في الاتجاه المعاكس للمجال، وتنتج عن هذه العملية مجال كهربائي داخلي يقلل من المجال الكهربائي الكلي داخل المادة العازلة.
خصائص المادة العازلة
- تكون المواد العازلة في الغالب صلبة
- تتألف بعض المواد العازلة من جزيئات ترابطها ضعيف
- تستخدم المواد العازلة لتخزين الطاقة، وتتواجد هذه المواد في أشكال صلبة وسائلة وغازية.
- بعض الأمثلة على المواد العازلة : تشمل العوازل الصلبة مثل السيراميك والبلاستيك والميكا والزجاج، والعوازل السائلة مثل الماء المقطر، والعوازل الغازية مثل الهواء الجاف والفراغ والنيتروجين والهيليوم.
- تكون الفجوة في الطاقة في المواد العازلة كبيرة جدًا.
- معامل درجة الحرارة للمقاومة سالب.
- المواد العازلة لديها مقاومة عالية.
- الجاذبية بين الإلكترونات والنواة الأم قوية جدا.
- تتمتع هذه المواد بموصلية كهربائية منخفضة للغاية، حيث لا توجد إلكترونات حرة لنقل التيار.