Tabla de Contenidos
От гледна точка на способността да провеждат електричество, материалите могат да бъдат широко разделени на проводящи, полупроводникови и изолационни или диелектрични материали. Както подсказва името му, електрически проводник е всеки материал, който може да провежда електричество, когато е свързан към потенциална разлика или когато е подложен на действието на електрическо поле.
Способността да провеждат електричество е характерно свойство на металите. Всъщност по-голямата част от най-добрите проводници са метални елементи. Въпреки това, много специален алотроп на въглерода е способен да се конкурира дори с най-проводимия метал в цялата периодична таблица.
Как се измерва способността на материала да провежда електричество?
Способността на материала да провежда електричество се измерва чрез електрическа проводимост. Това е интензивно свойство на материята, което представлява проводимостта на проводник с единична дължина и напречно сечение. Като интензивно свойство, то не зависи от размерите или формата на проводника, а само от материала, от който е направен. Поради тази причина, ако искаме да сравним елементи въз основа на тяхната способност да провеждат електричество, достатъчно е да сравним тяхната проводимост.
В зависимост от проводимостта на материала, той може да бъде класифициран като проводник, полупроводник и изолатор. Следната таблица показва диапазоните на проводимост за всеки тип материал:
Вид материал | Типичен диапазон на проводимост (S/m) |
Шофьор | 10 2 – 10 8 |
полупроводник | 10 -6 – 10 -4 |
Изолиращ | 10 -19 – 10 -11 |
Знаейки какви стойности на проводимост характеризират проводниците, следващата таблица показва подреден списък на проводимостта на 50-те елемента от периодичната таблица, които най-добре провеждат електричество. Тези стойности съответстват на проводимостта на елементите в обем, т.е. в макроскопични количества.
елемент | химически символ | Електрическа проводимост (σ.m/S) при 20°C (293K) | Вид материал |
Сребро | авг | 6,30.10 7 | Шофьор |
Мед | куб | 5,96.10 7 | Шофьор |
злато | ох | 4,52.10 7 | Шофьор |
Алуминий | Към | 377,10 7 | Шофьор |
калций | AC | 2.98.10 7 | Шофьор |
Берилий | Бъда | 2,81.10 7 | Шофьор |
Родий | Rh | 233,10 7 | Шофьор |
Магнезий | мг | 2 28,10 7 | Шофьор |
иридий | Отивам | 2.13.10 7 | Шофьор |
Натрий | на | 2,10.10 7 | Шофьор |
Волфрам | У | 189,10 7 | Шофьор |
Молибден | мо | 187,10 7 | Шофьор |
Кобалт | Co | 179,10 7 | Шофьор |
Цинк | Zn | 169,10 7 | Шофьор |
Кадмий | CD | 147,10 7 | Шофьор |
никел | Нито едно | 144,10 7 | Шофьор |
Рутений | ru | 1,41.10 7 | Шофьор |
калий | к | 139,10 7 | Шофьор |
индийски | в | 1,25.10 7 | Шофьор |
Осмий | Вие | 1 23,10 7 | Шофьор |
литий | Ли | 1.08.10 7 | Шофьор |
Желязо | вяра | 1.04.10 7 | Шофьор |
Платина | pt | 9,52.10 6 | Шофьор |
Паладий | P.S | 9,49.10 6 | Шофьор |
Калай | сн | 8,70.10 6 | Шофьор |
Chrome | Кр | 8.00.10 6 | Шофьор |
Рубидий | rb | 7,81.10 6 | Шофьор |
тантал | Та | 7,63.10 6 | Шофьор |
Стронций | г-н | 7,58.10 6 | Шофьор |
Галий | Ga | 7,35.10 6 | Шофьор |
торий | th | 6,80.10 6 | Шофьор |
талий | tl | 6,67.10 6 | Шофьор |
Ниобий | Nb | 6,58.10 6 | Шофьор |
рений | Re | 5,81.10 6 | Шофьор |
Протактиний | па | 5,65.10 6 | Шофьор |
Ванадий | V | 5,08.10 6 | Шофьор |
Цезий | cs | 4,88.10 6 | Шофьор |
Водя | bp | 4,81.10 6 | Шофьор |
Итербий (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | Шофьор |
Уран | ИЛИ | 3,57.10 6 | Шофьор |
Хафний | Hf | 3.02.10 6 | Шофьор |
Барий | Ба | 3.01.10 6 | Шофьор |
Антимон | sb | 2,56.10 6 | Шофьор |
Титан | Вие | 2,56.10 6 | Шофьор |
полоний | По | 2,50.10 6 | Шофьор |
Цирконий | Zr | 238,10 6 | Шофьор |
Скандий (290–300 K) | sc | 178,10 6 | Шофьор |
Лутеций (290–300 K) | лу | 172,10 6 | Шофьор |
Итрий (290–300 K) | И | 168,10 6 | Шофьор |
лантан (290–300K) | The | 163,10 6 | Шофьор |
Както виждаме, елементът, който най-добре провежда електричество, е среброто (Ag) и има проводимост от 6.30.10 7 S/m . Това означава, че блок от чисто сребро с напречно сечение 1 m 2 и дължина 1 m ще има проводимост 6.30.10 7 siemens или A/V. Това от своя страна означава, че ако приложим постоянна електрическа потенциална разлика от 1 V между двете страни на проводника, ще се генерира електрически ток от 6.30.10 7 ампера.
Проводимостта, изразена по този начин, е трудна за визуализиране, тъй като не е обичайно да се вземе блок от чисто сребро от 1 m 3 и да се използва като електрически проводник. Вместо това е по-удобно да се изрази проводимостта по отношение на Sm/mm 2 . В тези единици проводимостта на среброто е 63,0 Sm/mm 2 . Това означава, че ако приложим напрежение от 1 V върху сребърен проводник с дължина 1 m и площ на напречното сечение от 1 mm 2 , ще се генерира ток от 63,0 ампера.
Сребро, мед, злато и алуминий като електрически проводници
Едно просто изчисление от данните в таблицата по-горе разкрива, че среброто има проводимост, която е с 5,7% по-висока от медта, 39,4% по-висока от златото и 67,1% по-висока от алуминия. Тези три елемента обаче се използват много по-често в електрическите приложения от среброто. Всъщност среброто рядко се използва като електрически проводник, въпреки че е елементът, който най-добре провежда електричество.
Причините за това са прости. От една страна, медта е много по-евтин метал от среброто, като същевременно е малко по-малко проводима. Поради тази причина е много по-логично да се използва мед в електрониката и сградното окабеляване, отколкото сребро, тъй като увеличаването на проводимостта не оправдава впечатляващото увеличение на цената.
Това важи още повече за алуминия, който се използва дори по-често и в по-голямо количество от медта, особено в километрични високоволтови линии. Алуминият е много по-евтин и лесен за производство от медта, освен това е по-лек и по-устойчив на корозия. Ако сравним меден проводник с алуминиев проводник с два пъти по-голямо напречно сечение, проводимостта на алуминиевия проводник е повече от два пъти по-голяма от тази на медния (той провежда по-добре електричество), цената му е все още по-ниска (приблизително 40% по-евтин) и освен това е с 40% по-лек. Всички тези характеристики правят алуминия, въпреки че е четвърти по проводимост, по-подходящ проводник от среброто и медта в много приложения.
От друга страна, златото е много по-скъп благороден метал от среброто, то е по-лош електропроводник и е много по-плътно или по-тежко. Тогава си струва да се запитаме защо златото се използва по-често като електрически проводник от среброто? Причината е свързана с химичните свойства на златото. Освен благороден метал, златото е и благороден метал.много устойчив на корозия. Това го прави идеалният материал за производство на електрически контакти в приложения като компютърно оборудване, мобилни устройства и др. Среброто, от друга страна, бързо придобива патина на повърхността си при контакт с въздуха, поради окисляването на повърхностните атоми. Това намалява неговата проводимост, което прави този метал неподходящ за този тип приложение.
Графенът е по-добър проводник от среброто
Ако говорим за проводимостта на чистите елементи, има един елемент, който побеждава всички останали и, което е любопитно, той не е сребро. Става дума за въглерод. Ние обаче не говорим за всеки въглерод като този, който можем да намерим в природата, а за много специална форма на въглерод, наречена графен.
Графенът е много специфичен алотроп на въглерода. Това е шестоъгълна решетка от sp 2 -хибридизирани въглеродни атоми с дебелина един атом. Състои се само от един от слоевете въглеродни атоми, които изграждат графитния алотроп. Тъй като е с дебелина само един атом, този тип материал се нарича двуизмерен кристал и притежава уникални физически свойства, включително най-високата позната електрическа проводимост.
В някои лаборатории е отчетена проводимост от порядъка на 8.0.10 7 S/m за графен, което е с 27% по-висока от проводимостта на среброто, което прави графен, а следователно и въглерод, елементът, който най-добре провежда електричество .
Въпреки горното, фактът, че тази проводимост съответства на нанометрични проби от материал вместо на макроскопични обеми на елемента, може да е неуместно да се сравнява тази проводимост с тази на други метали, които са измерени за всеки елемент в макроскопични проби. В този мащаб някаква нова форма на друг елемент може да се окаже по-добър проводник дори от графена. Поради тази причина за момента можем да оставим златния медал на сребърния.
Препратки
10 Електрически проводими материали . (2022). Електрически кабели и проводници. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/
Глобал, Б. (2022 г., 12 януари). Могат ли проводниците на базата на графен да се конкурират с медта в електрическата проводимост? Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/
Орендейн, С. (2020 г., 11 август). Кой е най-добрият проводник на електричество? Готови схеми. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/
Пастор, Дж. (2014, 7 февруари). Графенът провежда електричество дори по-добре, отколкото предполага теорията . Хатака. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria
Ризван, А. (2021 г., 3 септември). Защо среброто е добър проводник на електричество? Биомадам. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity
Среброто е най-добрият проводник на топлина и електричество. (a) Вярно (b) Невярно . (2020 г., 14 август). Веданту. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb
Защо среброто е най-добрият проводник на електричество? (2016, 16 ноември). Обмен на стекове за физика. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity