الموصل الكهربائي

في العلوم والهندسة ، الموصل الكهربائي هو مادة تحتوي على شحنات كهربائية متحركة.

في الموصلات المعدنية ، مثل النحاس أو الألومنيوم ، تكون الجسيمات المشحونة المتحركة عبارة عن إلكترونات.

قد تكون الشحنات الموجبة أيضًا متحركة على شكل ذرات في شبكة تفتقد الإلكترونات (تسمى “الثقوب”) أو الأيونات ، كما هو الحال في إلكتروليت البطارية.

تفاصيل

ينطبق ما يلي على الحالات التي تنطوي على التيار المباشر فقط.

عندما يتناوب اتجاه الجهد / التيار ، تلعب تأثيرات أخرى (الحث والسعة) أيضًا.

تحتوي جميع الموصلات على شحنات كهربائية تتحرك عند تطبيق فرق الجهد الكهربائي (يقاس بالفولت) عبر نقاط منفصلة على المادة.

هذا التدفق من الشحنة (يقاس بالأمبير) هو المقصود بالتيار الكهربائي.

في معظم المواد ، يتناسب معدل التيار مع الجهد (قانون أوم) بشرط أن تظل درجة الحرارة ثابتة وأن تظل المادة في نفس الشكل والحالة.

تسمى النسبة بين الجهد والتيار المقاومة (مقاسة بالأوم) للكائن بين النقاط التي تم فيها تطبيق الجهد.

تسمى المقاومة عبر الكتلة (والشكل) القياسيين للمادة عند درجة حرارة معينة بمقاومة المادة.

عكس المقاومة والمقاومة هو التوصيل والتوصيل.

بعض الأمثلة الجيدة للموصلات معدنية.

معظم الموصلات المألوفة معدنية.

النحاس هو المادة الأكثر شيوعًا للأسلاك الكهربائية (الفضة هي الأفضل لكنها باهظة الثمن) ، والذهب لتلامس سطح-سطح عالي الجودة.

ومع ذلك ، هناك أيضًا العديد من الموصلات غير المعدنية ، بما في ذلك الجرافيت ومحاليل الأملاح وجميع البلازما.

المواد غير الموصلة تفتقر إلى الشحنات المتنقلة ، وبالتالي تقاوم تدفق التيار الكهربائي ، وتولد الحرارة.

في الواقع ، تقدم جميع المواد بعض المقاومة والاحماء عندما يتدفق التيار.

وبالتالي ، فإن التصميم المناسب للموصل الكهربائي يأخذ في الاعتبار درجة الحرارة التي يحتاجها الموصل ليكون قادرًا على تحملها دون ضرر ، وكذلك كمية التيار الكهربائي.

تخلق حركة الشحنات أيضًا مجالًا كهرومغناطيسيًا حول الموصل الذي يمارس قوة ضغط ميكانيكية شعاعية على الموصل.

لا يوجد حد حقيقي للموصل لمادة وحجم معينين (الطول × مساحة المقطع العرضي) للتيار الذي يمكن أن يحمله دون أن يتم تدميره طالما تمت إزالة الحرارة الناتجة عن فقدان المقاومة ويمكن للموصل أن يتحمل القوى الشعاعية.

هذا التأثير مهم بشكل خاص في الدوائر المطبوعة ، حيث تكون الموصلات صغيرة نسبيًا وقريبة من بعضها البعض ، وداخل حاوية:

الحرارة الناتجة ، إذا لم يتم إزالتها بشكل صحيح ، يمكن أن تتسبب في اندماج (ذوبان) المسارات.

نظرًا لأن جميع الموصلات لديها بعض المقاومة ، وستحمل جميع العوازل بعض التيار ، فلا يوجد خط فاصل نظري بين الموصلات والعوازل.

ومع ذلك ، هناك فجوة كبيرة بين توصيل المواد التي ستحمل تيارًا مفيدًا عند الفولتية العاملة وتلك التي ستحمل تيارًا ضئيلًا للغرض المطروح ، وبالتالي فإن فئات العازل والموصل لها فائدة عملية.

غالبًا ما تكون الموصلية الحرارية والكهربائية معًا (على سبيل المثال ، معظم المعادن عبارة عن موصلات كهربائية وحرارية على حد سواء).

ومع ذلك ، فإن بعض المواد عبارة عن موصلات كهربائية عملية ولكنها ليست موصلات حرارية جيدة.

التوصيل الكهربائي

الموصلية الكهربائية أو الموصلية النوعية هي مقياس لقدرة المادة على توصيل تيار كهربائي.

عندما يتم وضع فرق الجهد الكهربائي عبر موصل ، تتدفق شحناته المنقولة ، مما يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي.

يتم تعريف الموصلية σ على أنها نسبة كثافة التيار إلى شدة المجال الكهربائي:

من الممكن أيضًا الحصول على مواد تكون فيها الموصلية متباينة الخواص ،

وفي هذه الحالة تكون σ عبارة عن مصفوفة 3 × 3 (أو بشكل أكثر تقنيًا موترًا من الرتبة 2) تكون متماثلة بشكل عام.

الموصلية هي عكس (معكوس) المقاومة الكهربائية ولها وحدات SI من سيمنز لكل متر (S · m-1)

، على سبيل المثال ، إذا كان التوصيل الكهربائي بين الوجوه المتقابلة لمكعب يبلغ طوله مترًا واحدًا هو 1 Siemens الموصلية الكهربائية للمادة هي 1 سيمنز لكل متر.

عادةً ما يتم تمثيل الموصلية الكهربائية بالحرف اليوناني σ ، ولكن يتم استخدام κ أو أيضًا في بعض الأحيان.

عادة ما يستخدم مقياس التوصيل الكهربائي لقياس التوصيلية في المحلول.

تصنيف المواد عن طريق التوصيل

يمكن تصنيف المواد بناءً على توصيلها الكهربائي ، على النحو التالي.

الموصل مثل المعدن له موصلية عالية.

عازل مثل الزجاج أو الفراغ لديه موصلية منخفضة.

تكون موصلية أشباه الموصلات متوسطة بشكل عام ، ولكنها تختلف اختلافًا كبيرًا في ظل ظروف مختلفة ،

مثل تعرض المادة لمجالات كهربائية أو ترددات محددة للضوء ، والأهم من ذلك ، مع درجة الحرارة وتكوين مادة أشباه الموصلات.

تُحدث درجة تعاطي المنشطات في أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة فرقًا كبيرًا في الموصلية.

يؤدي المزيد من المنشطات إلى زيادة الموصلية.

تعتمد موصلية محلول الماء بشكل كبير على تركيز الأملاح الذائبة وأحيانًا الأنواع الكيميائية الأخرى التي تميل إلى التأين في المحلول.

تُستخدم الموصلية الكهربائية لعينات المياه كمؤشر على مدى خلو العينة من الملح أو الشوائب ؛ كلما كان الماء أنقى ، انخفضت الموصلية.

هندسة الطاقة

في هندسة الطاقة ، الموصل هو قطعة من المعدن تُستخدم لتوصيل الكهرباء ، وتُعرف بالعامية بالأسلاك الكهربائية.

حجم الموصل

في العديد من البلدان ، تقاس الموصلات من خلال المقطع العرضي لها بالمليمتر المربع.

ومع ذلك ، في الولايات المتحدة ، تقاس الموصلات بمقياس الأسلاك الأمريكي للأصغر ، والميل الدائري للأكبر.

في بعض البلدان الفقيرة لديهم حمولة زائدة من الأسلاك التي تدخل في دائرة واحدة.

مواد موصل

من المعادن التي يشيع استخدامها للموصلات ، يتمتع النحاس بموصلية عالية.

الفضة أكثر قدرة على التوصيل ، ولكن بسبب التكلفة فهي غير عملية في معظم الحالات.

ومع ذلك ، يتم استخدامه في المعدات المتخصصة ، مثل الأقمار الصناعية ، وكطلاء رقيق للتخفيف من خسائر تأثير الجلد عند الترددات العالية.

نظرًا لسهولة الاتصال عن طريق اللحام أو التثبيت ، لا يزال النحاس هو الخيار الأكثر شيوعًا لمعظم الأسلاك ذات مقياس الضوء.

تم استخدام الألمنيوم كموصل في تطبيقات الإسكان لأسباب تتعلق بالتكلفة.

إنه في الواقع موصل أكثر من النحاس عند مقارنته بوزن الوحدة ، ولكن لديه مشاكل فنية تتعلق بالحرارة وتوافق المعادن.

الجهد موصل

يتم تحديد الجهد على الموصل بواسطة الدائرة المتصلة وليس له علاقة بالموصل نفسه.

عادة ما تكون الموصلات محاطة و / أو مدعومة بالعوازل ويحدد العزل أقصى جهد يمكن تطبيقه على أي موصل معين.

يتم إعطاء جهد الموصل “V” بواسطة

V=IR

حيث

I التيار هو يقاس بالأمبير

V هو فرق الجهد المقاس بالفولت

R هي المقاومة المقاسة بالأوم

أمبير الموصل

ترتبط قدرة الموصل ، أي مقدار التيار الذي يمكن أن يحمله ، بمقاومته الكهربائية: يمكن للموصل ذي المقاومة المنخفضة أن يحمل تيارًا أكبر. 

يتم تحديد المقاومة ، بدورها ، من خلال المادة التي يتكون منها الموصل (كما هو موضح أعلاه) وحجم الموصل.

بالنسبة لمادة معينة ، تتمتع الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأكبر بمقاومة أقل من الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأصغر.

بالنسبة للموصلات العارية ، فإن الحد الأقصى هو النقطة التي تؤدي عندها الطاقة المفقودة بسبب المقاومة إلى ذوبان الموصل.

بصرف النظر عن الصمامات ، يتم تشغيل معظم الموصلات في العالم الحقيقي أقل بكثير من هذا الحد.

على سبيل المثال ، عادةً ما تكون الأسلاك المنزلية معزولة بعزل PVC المصنّف فقط للعمل عند حوالي 60 درجة مئوية ، وبالتالي

، يجب أن يكون التيار المتدفق في هذه الأسلاك محدودًا بحيث لا يسخن أبدًا الموصل النحاسي فوق 60 درجة مئوية ، مما يتسبب في خطر من النار.

قد تسمح العوازل الأخرى الأكثر تكلفة مثل التفلون أو الألياف الزجاجية بالعمل في درجات حرارة أعلى بكثير.

تحتوي مقالة قياس الأسلاك الأمريكية على جدول يوضح القيم المسموح بها لمجموعة متنوعة من أحجام الأسلاك النحاسية.

الخواص

إذا تم تطبيق مجال كهربائي على مادة ، وكان التيار الكهربائي المستحث الناتج في نفس الاتجاه ، فيُقال إن المادة موصل كهربائي متناحٍ.

إذا كان التيار الكهربائي الناتج في اتجاه مختلف عن المجال الكهربائي المطبق ، فيُقال إن المادة موصل كهربائي متباين الخواص!.

حساب مقطع الكابل الكهربائي المناسب

يسعدنا زيارتكم صفحاتنا على مواقع التواصل الاجتماعي حيث نقوم بنشر عروض حصرية على موقعنا الالكتروني.

صفحتنا علي الفيسبوك هنا.

حسابنا على تويتر هنا.