Ποιο στοιχείο είναι ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού;

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Όσον αφορά την ικανότητα αγωγής του ηλεκτρισμού, τα υλικά μπορούν να χωριστούν ευρέως σε αγώγιμα, ημιαγώγιμα και μονωτικά ή διηλεκτρικά υλικά. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, ηλεκτρικός αγωγός είναι κάθε υλικό που είναι ικανό να άγει ηλεκτρισμό όταν συνδέεται με διαφορά δυναμικού ή όταν υπόκειται στη δράση ηλεκτρικού πεδίου.

Η ικανότητα αγωγής του ηλεκτρισμού είναι μια χαρακτηριστική ιδιότητα των μετάλλων. Στην πραγματικότητα, η συντριπτική πλειοψηφία των καλύτερων αγωγών είναι μεταλλικά στοιχεία. Ωστόσο, ένα πολύ ειδικό αλλοτρόπιο άνθρακα είναι ικανό να ανταγωνιστεί ακόμη και το πιο αγώγιμο μέταλλο σε ολόκληρο τον περιοδικό πίνακα.

Πώς μετριέται η ικανότητα ενός υλικού να άγει ηλεκτρισμό;

Η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει ηλεκτρισμό μετριέται με την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αυτή είναι μια έντονη ιδιότητα της ύλης που αντιπροσωπεύει την αγωγιμότητα ενός αγωγού μοναδιαίου μήκους και διατομής. Ως εντατική ιδιότητα, δεν εξαρτάται από τις διαστάσεις ή το σχήμα του αγωγού αλλά μόνο από το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος. Για το λόγο αυτό, αν θέλουμε να συγκρίνουμε στοιχεία με βάση την ικανότητά τους να αγώγουν ηλεκτρισμό, αρκεί να συγκρίνουμε τις αγωγιμότητες τους.

Ανάλογα με την αγωγιμότητα ενός υλικού, μπορεί να ταξινομηθεί ως αγωγός, ημιαγωγός και μονωτής. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τα εύρη αγωγιμότητας για κάθε τύπο υλικού:

Είδος υλικού Τυπικό εύρος αγωγιμότητας (S/m)
Οδηγός 10 2 – 10 8
Ημιαγωγός 10 -6 – 10 -4
Μονωτικός 10 -19 – 10 -11

Γνωρίζοντας ποιες τιμές αγωγιμότητας χαρακτηρίζουν τους αγωγούς, ο παρακάτω πίνακας δείχνει μια ταξινομημένη λίστα με τις αγωγιμότητες των 50 στοιχείων του περιοδικού πίνακα που αγώγουν καλύτερα την ηλεκτρική ενέργεια. Αυτές οι τιμές αντιστοιχούν στην αγωγιμότητα των στοιχείων σε όγκο, δηλαδή σε μακροσκοπικές ποσότητες.

Στοιχείο χημικό σύμβολο Ηλεκτρική αγωγιμότητα (σ.m/S) στους 20°C (293Κ) Είδος υλικού
Ασήμι Αύγ 6,30,10 7 Οδηγός
Χαλκός cu 5,96,10 7 Οδηγός
Χρυσός ω 4,52,10 7 Οδηγός
Αλουμίνιο Στο 3,77,10 7 Οδηγός
Ασβέστιο ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ 2.98.10 7 Οδηγός
Βηρύλλιο Είναι 2,81,10 7 Οδηγός
Ρόδιο Rh 2,33,10 7 Οδηγός
Μαγνήσιο mg 2,28,10 7 Οδηγός
ιρίδιο Πηγαίνω 2.13.10 7 Οδηγός
Νάτριο na 2,10,10 7 Οδηγός
Βολφράμιο W 1,89,10 7 Οδηγός
Μολυβδαίνιο Μο 1,87,10 7 Οδηγός
Κοβάλτιο Co 1,79,10 7 Οδηγός
Ψευδάργυρος Zn 1.69,10 7 Οδηγός
Κάδμιο CD 1,47,10 7 Οδηγός
Νικέλιο κανενα απο τα δυο 1,44,10 7 Οδηγός
Ρουθήνιο ru 1,41,10 7 Οδηγός
Κάλιο κ 1,39,10 7 Οδηγός
Ινδός Σε 1,25,10 7 Οδηγός
Ωσμίο Εσείς 1,23,10 7 Οδηγός
Λίθιο Li 1.08.10 7 Οδηγός
Σίδερο Πίστη 1.04.10 7 Οδηγός
Πλατίνα pt 9,52,10 6 Οδηγός
Παλλάδιο ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ 9,49,10 6 Οδηγός
Κασσίτερος sn 8,70,10 6 Οδηγός
Χρώμιο Cr 8.00.10 6 Οδηγός
Ρουβίνιο rb 7,81,10 6 Οδηγός
ταντάλιο Ta 7,63,10 6 Οδηγός
Στρόντιο κύριος 7,58,10 6 Οδηγός
Γάλλιο Ga 7,35,10 6 Οδηγός
θόριο ου 6,80,10 6 Οδηγός
θάλλιο tl 6,67,10 6 Οδηγός
Νιόβιο Σημ 6,58,10 6 Οδηγός
ρήνιο Σχετικά με 5,81,10 6 Οδηγός
Πρωτακτίνιο πα 5,65,10 6 Οδηγός
Βανάδιο V 5,08.10 6 Οδηγός
καίσιο cs 4,88,10 6 Οδηγός
Οδηγω bp 4,81,10 6 Οδηγός
Υτέρβιο (290–300 K) Yb 4.00.10 6 Οδηγός
Ουράνιο Ή 3,57,10 6 Οδηγός
Αφνιο Χφ 3.02.10 6 Οδηγός
Βάριο Ba 3.01.10 6 Οδηγός
Αντιμόνιο sb 2,56,10 6 Οδηγός
Τιτάνιο Εσείς 2,56,10 6 Οδηγός
Πολώνιο ταχυδρομείο 2,50,10 6 Οδηγός
Ζιρκόνιο Zr 2,38,10 6 Οδηγός
Σκάνδιο (290–300 K) sc 1,78,10 6 Οδηγός
Λουτέτιο (290–300 K) lu 1,72,10 6 Οδηγός
Ύττριο (290–300 K) ΚΑΙ 1,68,10 6 Οδηγός
Λανθάνιο (290–300 K) ο 1,63,10 6 Οδηγός

Όπως μπορούμε να δούμε, το στοιχείο που άγει καλύτερα τον ηλεκτρισμό είναι ο άργυρος (Ag) και έχει αγωγιμότητα 6.30.10 7 S/m . Αυτό σημαίνει ότι ένα μπλοκ από καθαρό ασήμι με διατομή 1 m 2 και μήκος 1 m θα έχει αγωγιμότητα 6.30.10 7 siemens ή A/V. Αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι εάν εφαρμόσουμε σταθερή διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού 1 V μεταξύ των δύο όψεων του αγωγού, θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα 6.30.10 7 amp.

Η αγωγιμότητα που εκφράζεται με αυτόν τον τρόπο είναι δύσκολο να απεικονιστεί, καθώς δεν είναι συνηθισμένο να παίρνουμε ένα μπλοκ καθαρού ασημιού 1 m 3 και να το χρησιμοποιείτε ως ηλεκτρικό αγωγό. Αντίθετα, είναι πιο βολικό να εκφράζουμε την αγωγιμότητα σε όρους Sm/mm 2 . Σε αυτές τις μονάδες, η αγωγιμότητα του αργύρου είναι 63,0 Sm/mm 2 . Αυτό σημαίνει ότι εάν εφαρμόσουμε τάση 1 V σε έναν ασημένιο αγωγό μήκους 1 m και επιφάνειας διατομής 1 mm 2, θα δημιουργηθεί ρεύμα 63,0 αμπέρ .

Ασήμι, χαλκός, χρυσός και αλουμίνιο ως ηλεκτρικοί αγωγοί

Ένας απλός υπολογισμός από τα δεδομένα στον παραπάνω πίνακα αποκαλύπτει ότι το ασήμι έχει αγωγιμότητα 5,7% υψηλότερη από τον χαλκό, 39,4% υψηλότερη από τον χρυσό και 67,1% υψηλότερη από το αλουμίνιο. Ωστόσο, αυτά τα τρία στοιχεία χρησιμοποιούνται πολύ πιο συχνά σε ηλεκτρικές εφαρμογές από το ασήμι. Στην πραγματικότητα, το ασήμι χρησιμοποιείται σπάνια ως ηλεκτρικός αγωγός παρά το γεγονός ότι είναι το στοιχείο που άγει καλύτερα τον ηλεκτρισμό.

Οι λόγοι πίσω από αυτό είναι απλοί. Για ένα, ο χαλκός είναι πολύ φθηνότερο μέταλλο από το ασήμι, ενώ είναι ελαφρώς λιγότερο αγώγιμο. Για το λόγο αυτό, είναι πολύ πιο λογικό να χρησιμοποιείται χαλκός στα ηλεκτρονικά και τις καλωδιώσεις κτιρίων και όχι ασήμι, καθώς η αύξηση της αγωγιμότητας δεν δικαιολογεί την εντυπωσιακή αύξηση της τιμής.

Αυτό ισχύει ακόμη περισσότερο στην περίπτωση του αλουμινίου, το οποίο χρησιμοποιείται ακόμη πιο συχνά και σε μεγαλύτερη ποσότητα από τον χαλκό, ειδικά σε γραμμές υψηλής τάσης μήκους χιλιομέτρων. Το αλουμίνιο είναι πολύ φθηνότερο και πιο εύκολο στην παραγωγή από τον χαλκό, και είναι επίσης ελαφρύτερο και πιο ανθεκτικό στη διάβρωση. Εάν συγκρίνουμε έναν χάλκινο αγωγό με έναν αγωγό αλουμινίου με διπλάσια επιφάνεια διατομής, η αγωγιμότητα του αγωγού αλουμινίου είναι υπερδιπλάσια από αυτή του χάλκινου (αγώγει καλύτερα το ρεύμα), η τιμή του είναι ακόμα χαμηλότερη (περίπου ένας 40% φθηνότερο) και, επιπλέον, είναι 40% ελαφρύτερο. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το αλουμίνιο, παρά την τέταρτη θέση σε αγωγιμότητα, πιο κατάλληλο αγωγό από το ασήμι και τον χαλκό σε πολλές εφαρμογές.

Από την άλλη πλευρά, ο χρυσός είναι πολύ πιο ακριβό πολύτιμο μέταλλο από το ασήμι, είναι χειρότερος ηλεκτρικός αγωγός και είναι πολύ πιο πυκνός ή βαρύτερος. Αξίζει να αναρωτηθούμε, λοιπόν, γιατί ο χρυσός χρησιμοποιείται πιο συχνά ως ηλεκτρικός αγωγός από το ασήμι; Ο λόγος έχει να κάνει με τις χημικές ιδιότητες του χρυσού. Εκτός από πολύτιμο μέταλλο, ο χρυσός είναι επίσης ένα ευγενές μέταλλο.πολύ ανθεκτικό στη διάβρωση. Αυτό το καθιστά το τέλειο υλικό για την κατασκευή ηλεκτρικών επαφών σε εφαρμογές όπως εξοπλισμός υπολογιστών, φορητές συσκευές κ.λπ. Το ασήμι, από την άλλη, αποκτά γρήγορα μια πατίνα στην επιφάνειά του όταν έρχεται σε επαφή με τον αέρα, λόγω της οξείδωσης των επιφανειακών ατόμων. Αυτό μειώνει την αγωγιμότητά του καθιστώντας αυτό το μέταλλο ακατάλληλο για αυτόν τον τύπο εφαρμογής.

Το γραφένιο είναι καλύτερος αγωγός από το ασήμι

Αν μιλάμε για την αγωγιμότητα των καθαρών στοιχείων, υπάρχει ένα στοιχείο που ξεπερνά όλα τα άλλα και, περιέργως, δεν είναι το ασήμι. Πρόκειται για άνθρακα. Ωστόσο, δεν μιλάμε για οποιονδήποτε άνθρακα σαν αυτόν που θα μπορούσαμε να βρούμε φυσικά, αλλά για μια πολύ ειδική μορφή άνθρακα που ονομάζεται γραφένιο.

Το γραφένιο είναι ένα πολύ ιδιαίτερο αλλοτρόπο του άνθρακα. Είναι ένα εξαγωνικό πλέγμα από sp 2 -υβριδισμένα άτομα άνθρακα πάχους ενός ατόμου. Αποτελείται μόνο από ένα από τα στρώματα ατόμων άνθρακα που συνθέτουν το αλλοτρόπιο του γραφίτη. Με πάχος μόνο ενός ατόμου, αυτός ο τύπος υλικού ονομάζεται δισδιάστατος κρύσταλλος και έχει μοναδικές φυσικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της υψηλότερης γνωστής ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

Σε ορισμένα εργαστήρια, έχουν αναφερθεί αγωγιμότητα της τάξης των 8,0,10 7 S/m για το γραφένιο, η οποία είναι 27% υψηλότερη από την αγωγιμότητα του αργύρου, καθιστώντας το γραφένιο, και επομένως τον άνθρακα, το στοιχείο που αγώγει καλύτερα τον ηλεκτρισμό .

Παρά τα παραπάνω, το γεγονός ότι αυτή η αγωγιμότητα αντιστοιχεί σε νανομετρικά δείγματα υλικού αντί για μακροσκοπικούς όγκους του στοιχείου, μπορεί να είναι ακατάλληλη η σύγκριση αυτής της αγωγιμότητας με αυτή άλλων μετάλλων, τα οποία μετρήθηκαν για κάθε στοιχείο σε μακροσκοπικά δείγματα. Σε αυτή την κλίμακα, κάποια νέα μορφή ενός άλλου στοιχείου μπορεί να αποδειχθεί καλύτερος αγωγός ακόμη και από το γραφένιο. Για το λόγο αυτό, προς το παρόν, μπορούμε να αφήσουμε το χρυσό μετάλλιο στο ασημένιο.

βιβλιογραφικές αναφορές

10 Ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά . (2022). Ηλεκτρικά Καλώδια και Αγωγοί. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/

Global, B. (2022, 12 Ιανουαρίου). Μπορούν οι αγωγοί με βάση το γραφένιο να ανταγωνιστούν τον χαλκό στην ηλεκτρική αγωγιμότητα; Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/

Orendain, S. (2020, 11 Αυγούστου). Ποιος είναι ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού; Έτοιμα κυκλώματα. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/

Pastor, J. (2014, 7 Φεβρουαρίου). Το γραφένιο άγει τον ηλεκτρισμό ακόμη καλύτερα από ό,τι προτείνεται από τη θεωρία . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria

Rizwan, A. (2021, 3 Σεπτεμβρίου). Γιατί το ασήμι είναι καλός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας; Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity

Το ασήμι είναι ο καλύτερος αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού.(α) Σωστό(β) Λάθος . (2020, 14 Αυγούστου). Βεντάντου. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb

Γιατί το ασήμι είναι ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού; (2016, 16 Νοεμβρίου). Physics Stack Exchange. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity

-Διαφήμιση-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados