الكثير المواد الموصلة والعازلة يتم تصنيفهم حسب سلوكهم فيما يتعلق بالكهرباء. هناك من هو قادر على توصيل الكهرباء وآخر لا يستطيع على العكس من ذلك. هذه المواد لها خصائص مختلفة وتستخدم في قطاعات مختلفة من الصناعة والمنزل.
سنخبرك في هذه المقالة بكل ما تحتاج لمعرفته حول المواد الموصلة والعازلة وما الغرض من كل منها.
المواد الموصلة والعازلة
يمكن تقسيم المواد إلى فئتين رئيسيتين: الموصلات والعوازل. سيكون من الأصح تعريفهم كموصلات جيدة وموصلات سيئة ، اعتمادًا على ما إذا كانت كل مادة تسهل القيادة أو تعيقها. يؤثر هذا التقسيم على الموصلية الحرارية (أي نقل الحرارة) أو التوصيل الكهربائي (أي تدفق التيار).
يعتمد ما إذا كانت المادة موصلة للكهرباء أم لا على مدى سهولة مرور الإلكترونات من خلالها. لا تتحرك البروتونات لأنها ، على الرغم من أنها تحمل شحنة كهربائية ، فإنها ترتبط بالبروتونات والنيوترونات الأخرى في النواة. تشبه إلكترونات التكافؤ الكواكب الخارجية التي تدور حول النجوم. إنهم ينجذبون بما يكفي للبقاء في مكانهم ، لكن لا يتطلب الأمر دائمًا الكثير من الطاقة لإخراجها من مكانها.
تفقد المعادن بسهولة وتكتسب الإلكترونات ، لذا فهي تحكم قائمة الموصلات. الجزيئات العضوية هي في الغالب عوازل ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها مرتبطة ببعضها البعض عن طريق الروابط التساهمية (الإلكترونات الشائعة) ، ولكن أيضًا لأن الروابط الهيدروجينية تساعد على استقرار العديد من الجزيئات. معظم المواد ليست موصلات جيدة ولا عوازل جيدة. إنها لا توصل الكهرباء بسهولة ، ولكن مع الطاقة الكافية ، تتحرك الإلكترونات.
تم العثور على بعض المواد العازلة في حالة نقية ، لكنها تتصرف أو تتفاعل إذا تم تعاطيها بكميات صغيرة من عنصر آخر أو إذا كانت تحتوي على شوائب. على سبيل المثال ، تعتبر معظم السيراميك عوازل ممتازة ، ولكن إذا قمت بتعديلها ، يمكنك الحصول على موصلات فائقة. الماء النقي عازل ، لكن الماء المتسخ أقل موصلة ، بينما الماء المالح مع الأيونات الحرة العائمة موصلة بشكل جيد.
ما هي المادة الموصلة؟
الموصلات هي تلك المواد التي تسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية بين الجسيمات. ستسمح الأشياء المصنوعة من مواد موصلة للشحنة بنقل الشحنة عبر سطح الجسم بالكامل. إذا تم نقل شحنة إلى كائن في مكان معين ، فسيتم توزيعها بسرعة على سطح الكائن بالكامل.
ينتج توزيع الشحنة عن حركة الإلكترونات. تسمح المواد الموصلة للإلكترونات بالانتقال من جسيم إلى آخر لأن الجسم المشحون سوف يوزع شحنته دائمًا حتى يتم تقليل قوة التنافر الكلية بين الإلكترونات الزائدة. بهذه الطريقة ، إذا لامس موصل مشحون جسمًا آخر ، فيمكن للموصل نقل شحنته إلى هذا الكائن.
من المرجح أن يحدث نقل الشحنة بين الأشياء إذا كان الجسم الثاني مصنوعًا من مادة موصلة. تسمح الموصلات بنقل الشحنة من خلال الحركة الحرة للإلكترونات.
ما هي مادة أشباه الموصلات؟
من بين المواد الموصلة نجد مواد لها نفس الوظيفة ولكنها يمكن أن تعمل أيضًا كعوازل ، على الرغم من أن هذا يعتمد على عدة عوامل. هذه العوامل هي:
- الحقل الكهربائي
- حقل مغناطيسي
- الضغط
- إشعاع الحادث
- درجة حرارة بيئتك
مواد أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا هي السيليكون والجرمانيوم ولم يتم استخدام الكبريت إلا مؤخرًا كمادة أشباه الموصلات.
ما هي المادة فائقة التوصيل؟
هذه المادة رائعة لأنها تمتلك القدرة الكامنة على أن المادة يجب أن تجري تيارًا كهربائيًا ، ولكن في ظل الظروف المناسبة ، دون مقاومة أو فقدان للطاقة.
بشكل عام ، تقل مقاومة الموصلات المعدنية مع انخفاض درجة الحرارة. عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة حرجة ، تنخفض مقاومة الموصل الفائق بشكل كبير ، ولكنها تضمن استمرار تدفق الطاقة بالداخل ، وإن كان بدون طاقة. يتم إنشاء الموصلية الفائقة.
يحدث في مجموعة متنوعة من المواد ، بما في ذلك السبائك البسيطة مثل القصدير أو الألومنيوم التي لا تظهر مقاومة كهربائية ، وبالتالي تمنع المواد من دخول مجالها. وهو تأثير مايسنر ، فهو يسمح بصد المواد ، مما يبقيها واقفة على قدميها.
ما هي مادة عازلة
على عكس الموصلات ، فإن العوازل عبارة عن مواد تمنع التدفق الحر للإلكترونات من ذرة إلى ذرة ومن جزيء إلى جزيء. إذا تم نقل الحمولة إلى المعزل في موقع معين ، فسيظل الحمل الزائد في الموقع الأصلي للحمل. لا تسمح الجسيمات العازلة بالتدفق الحر للإلكترونات ، لذلك نادرًا ما يتم توزيع الشحنة بالتساوي على سطح المادة العازلة.
على الرغم من أن العوازل ليست مفيدة يلعب نقل الشحنة دورًا حيويًا في التجارب والمظاهرات الكهروستاتيكية. عادة ما يتم تركيب الأشياء الموصلة على أجسام عازلة. هذا الترتيب للموصلات فوق العازل يمنع نقل الشحنة من الجسم الموصل إلى محيطه ، وتجنب الحوادث مثل قصر الدوائر أو الصعق بالكهرباء. يسمح لنا هذا الترتيب بمعالجة الكائن الموصّل دون لمسه.
لذلك يمكننا القول أن المادة العازلة تعمل كمقبض للموصل أعلى طاولة المختبر المتنقلة. على سبيل المثال ، إذا تم استخدام علبة صودا الألومنيوم لتحميل التجارب ، يجب تثبيت العلبة فوق الكوب البلاستيكي. يعمل الزجاج كعازل ، ويمنع تسرب علبة الصودا.
أمثلة على المواد الموصلة والعازلة
تشمل أمثلة المواد الموصلة ما يلي:
- الفضة
- نحاس
- الذهب
- الألومنيوم
- حديد
- صلب
- النحاس
- برونز
- زئبق
- الجرافيت
- مياه البحر
- أسمنت
تشمل أمثلة المواد العازلة ما يلي:
- سفن
- مطاط
- نفط
- أسفلت
- الألياف الزجاجية
- الخزف
- خزفي
- كوارتز
- قطن (جاف)
- ورق (جاف)
- الخشب الجاف)
- البلاستيك
- اير
- الماس
- ماء نقي
- ممحاة
يعتبر تقسيم المواد إلى فئات الموصلات والعوازل نوعًا من التقسيم الاصطناعي. من الأنسب وضع المادة في مكان ما على طول السلسلة المتصلة.
يجب أن يكون مفهوما أنه ليست كل المواد الموصلة لها نفس الموصلية ، وليست كل العوازل مقاومة بشكل متساوٍ لحركة الإلكترونات. الموصلية هي مماثلة لشفافية بعض المواد للضوء.: المواد التي "تمر" بسهولة تسمى "شفافة" ، في حين أن المواد التي "تمر" بسهولة تسمى "غير شفافة". ومع ذلك ، ليست كل المواد الشفافة لها نفس الموصلية البصرية. الشيء نفسه ينطبق على الموصلات الكهربائية ، بعضها أفضل من البعض الآخر.
يتم وضع المواد ذات الموصلية الفائقة ، والمعروفة باسم الموصلات الفائقة ، في أحد طرفيها وتوضع المواد ذات الموصلية المنخفضة في الطرف الآخر. كما ترون أعلاه ، سيتم وضع المعدن بالقرب من الطرف الأكثر توصيلًا ، أثناء سيتم وضع الزجاج في الطرف الآخر من السلسلة المتصلة. يمكن أن تصل موصلية المعادن إلى تريليون تريليون مرة من الزجاج.
تؤثر درجة الحرارة أيضًا على الموصلية. مع زيادة درجة الحرارة ، تكتسب الذرات والإلكترونات الطاقة. بعض العوازل ، مثل الزجاج ، تكون موصلة رديئة عند البرودة ، لكنها لا تزال موصلة جيدة عندما تكون ساخنة. معظم المعادن موصلات أفضل.. أنها تسمح بالتبريد وأسوأ الموصلات عندما تكون ساخنة. تم العثور على بعض الموصلات الجيدة في الموصلات الفائقة عند درجات حرارة منخفضة للغاية.
آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن المواد الموصلة والعازلة.