ตัวนำไฟฟ้า: ประเภทและลักษณะสำคัญ - กายภาพ - 2025

ตัวนำไฟฟ้าหรือวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเป็นผู้ที่มีความต้านทานน้อยที่จะไหลของกระแสไฟฟ้าที่ได้รับคุณสมบัติเฉพาะของตน โครงสร้างอะตอมของตัวนำไฟฟ้าช่วยอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านพวกมันซึ่งองค์ประกอบประเภทนี้ช่วยในการส่งกระแสไฟฟ้า

ตัวนำสามารถนำเสนอในรูปแบบต่างๆหนึ่งในนั้นคือวัสดุในสภาพทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจงเช่นแท่งโลหะ (แท่ง) ที่ไม่ได้ถูกทำให้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้า แม้ว่าจะไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของชุดประกอบไฟฟ้า แต่วัสดุเหล่านี้ก็ยังคงคุณสมบัติที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอยู่เสมอ

นอกจากนี้ยังมีตัวนำไฟฟ้าเดียวหรือหลายขั้วซึ่งใช้เป็นองค์ประกอบเชื่อมต่อของวงจรไฟฟ้าในที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม ตัวนำประเภทนี้สามารถเกิดขึ้นได้ภายในด้วยสายทองแดงหรือวัสดุโลหะชนิดอื่นหุ้มด้วยฉนวน

นอกจากนี้ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าวงจรตัวนำสำหรับการใช้งานที่อยู่อาศัย (แบบบาง) หรือสายเคเบิลสำหรับก๊อกใต้ดินในระบบจำหน่ายไฟฟ้า (แบบหนา) สามารถสร้างความแตกต่างได้

สำหรับวัตถุประสงค์ของบทความนี้เราจะมุ่งเน้นไปที่ลักษณะของวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในสภาพบริสุทธิ์ นอกจากนี้เราจะทราบว่าวัสดุใดเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ใช้มากที่สุดในปัจจุบันและเพราะเหตุใด

ลักษณะเฉพาะ

ตัวนำไฟฟ้ามีลักษณะโดยไม่ให้ความต้านทานต่อการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านพวกมันมากนักซึ่งเป็นไปได้ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพเท่านั้นซึ่งรับประกันได้ว่าการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำจะไม่ทำให้เกิดการเสียรูปหรือถูกทำลาย ของเนื้อหาที่เป็นปัญหา

ลักษณะไฟฟ้า

ลักษณะทางไฟฟ้าหลักของตัวนำไฟฟ้ามีดังนี้:

การนำไฟฟ้าได้ดี

ตัวนำไฟฟ้าต้องมีความสามารถในการนำไฟฟ้าได้ดีเพื่อให้สามารถขนส่งพลังงานไฟฟ้าได้

International Electrotechnical Commission ได้กำหนดในกลางปี ​​1913 ว่าการนำไฟฟ้าของทองแดงในสถานะบริสุทธิ์สามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการวัดและเปรียบเทียบการนำไฟฟ้าของวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าอื่น ๆ

ดังนั้นจึงมีการกำหนดมาตรฐานทองแดงอบอ่อนระหว่างประเทศ (IACS สำหรับตัวย่อในภาษาอังกฤษ)

การอ้างอิงที่นำมาใช้เป็นการนำของลวดทองแดงอบของหนึ่งเมตรยาวและหนึ่งกรัมของมวลที่ 20 ° C มีค่าเท่ากับ 5.80 x 10 ⁷เอสเอ็ม-1 ค่านี้เรียกว่า IACS การนำไฟฟ้า 100% และเป็นเกณฑ์มาตรฐานในการวัดค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะพิจารณาว่ามี IACS มากกว่า 40% วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้ามากกว่า 100% IACS ถือเป็นวัสดุที่มีการนำไฟฟ้าสูง

โครงสร้างอะตอมช่วยให้สามารถผ่านกระแสได้

โครงสร้างอะตอมช่วยให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้เนื่องจากอะตอมมีอิเล็กตรอนน้อยในเปลือกวาเลนซ์และในทางกลับกันอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกแยกออกจากนิวเคลียสของอะตอม

โครงร่างที่อธิบายไว้เป็นนัยว่าไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านตัวนำ

อิเล็กตรอนประเภทนี้เรียกว่าอิเล็กตรอนอิสระ การจัดการและอิสระในการเคลื่อนไหวตลอดโครงสร้างอะตอมคือสิ่งที่ทำให้การไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำนั้นเอื้อ

ยูไนเต็ดนิวเคลียส

โครงสร้างโมเลกุลของตัวนำประกอบด้วยเครือข่ายนิวเคลียสที่ถักอย่างแน่นหนาซึ่งยังคงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้เนื่องจากการเกาะติดกัน

สิ่งนี้ทำให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่อยู่ไกลออกไปภายในโมเลกุลนั้นเอื้อเนื่องจากพวกมันเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและตอบสนองต่อความใกล้ชิดของสนามไฟฟ้า

ปฏิกิริยานี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงซึ่งจะช่วยให้การไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

สมดุลไฟฟ้าสถิต

เมื่ออยู่ภายใต้ประจุเฉพาะในที่สุดวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะเข้าสู่สภาวะสมดุลของไฟฟ้าสถิตซึ่งการเคลื่อนที่ของประจุภายในวัสดุจะไม่เกิดขึ้น

ประจุบวกรวมตัวกันที่ปลายด้านหนึ่งของวัสดุและประจุลบจะสะสมที่ปลายด้านตรงข้าม การกระจัดของประจุไปยังพื้นผิวของตัวนำทำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่เท่ากันและตรงข้ามภายในตัวนำ ดังนั้นสนามไฟฟ้าภายในทั้งหมดภายในวัสดุจึงเป็นศูนย์

ลักษณะทางกายภาพ

ดัดแปลงได้ง่าย

ตัวนำไฟฟ้าต้องอ่อนได้ นั่นคือต้องมีความสามารถในการเปลี่ยนรูปโดยไม่แตกหัก

วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามักใช้ในงานในประเทศหรือในอุตสาหกรรมซึ่งต้องได้รับการดัดและดัด ดังนั้นความอ่อนตัวจึงเป็นลักษณะที่สำคัญอย่างยิ่ง

ต้านทาน

วัสดุเหล่านี้ต้องทนต่อการสึกหรอเพื่อทนต่อสภาวะของความเค้นเชิงกลที่มักจะต้องเผชิญประกอบกับอุณหภูมิที่สูงเนื่องจากการหมุนเวียนของกระแสไฟฟ้า

ชั้นฉนวน

เมื่อใช้ในงานที่อยู่อาศัยหรืออุตสาหกรรมหรือเป็นส่วนหนึ่งของระบบจ่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกันตัวนำจะต้องหุ้มด้วยชั้นฉนวนที่เหมาะสมเสมอ

ชั้นนอกนี้เรียกอีกอย่างว่าเสื้อฉนวนมีความจำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำไปสัมผัสกับคนหรือสิ่งของที่อยู่รอบ ๆ

ประเภทของตัวนำไฟฟ้า

ตัวนำไฟฟ้ามีหลายประเภทและในแต่ละประเภทเป็นวัสดุหรือสื่อที่มีการนำไฟฟ้าสูงสุด

โดยความเป็นเลิศตัวนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดคือโลหะแข็งซึ่งทองแดงทองเงินอลูมิเนียมเหล็กและโลหะผสมบางชนิดมีความโดดเด่น

อย่างไรก็ตามมีวัสดุหรือสารละลายประเภทอื่นที่มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ดีเช่นกราไฟต์หรือสารละลายน้ำเกลือ

ขึ้นอยู่กับวิธีการนำไฟฟ้าไปใช้มันเป็นไปได้ที่จะแยกความแตกต่างของวัสดุสามประเภทหรือสื่อนำไฟฟ้าซึ่งมีรายละเอียดด้านล่าง:

ตัวนำโลหะ

กลุ่มนี้ประกอบด้วยโลหะแข็งและโลหะผสมตามลำดับ

ตัวนำโลหะมีความสามารถในการนำไฟฟ้าสูงกับเมฆของอิเล็กตรอนอิสระที่สนับสนุนการไหลเวียนของกระแสไฟฟ้าผ่านพวกมัน โลหะจะยอมทิ้งอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรสุดท้ายของอะตอมโดยไม่ต้องลงทุนพลังงานจำนวนมากขึ้นซึ่งจะทำให้การกระโดดของอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งเป็นไปได้

ในทางกลับกันโลหะผสมมีลักษณะที่มีความต้านทานสูง นั่นคือมีความต้านทานตามสัดส่วนกับความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำ

โลหะผสมที่ใช้กันมากที่สุดในการติดตั้งระบบไฟฟ้า ได้แก่ ทองเหลืองโลหะผสมทองแดง - สังกะสี เหล็กวิลาดโลหะผสมของเหล็กและดีบุก โลหะผสมนิกเกิลทองแดง และโลหะผสมโครเมียมนิกเกิล

ตัวนำไฟฟ้า

โซลูชันเหล่านี้ประกอบด้วยไอออนอิสระซึ่งช่วยในการนำไฟฟ้าระดับไอออนิก

ตัวนำประเภทนี้ส่วนใหญ่มีอยู่ในสารละลายไอออนิกเนื่องจากสารอิเล็กโทรไลต์จะต้องผ่านการแยกตัวบางส่วน (หรือทั้งหมด) เพื่อสร้างไอออนที่จะรับประจุ

ตัวนำอิเล็กโทรไลต์มีพื้นฐานการทำงานของพวกมันในปฏิกิริยาเคมีและการกระจัดของสสารซึ่งอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านเส้นทางการหมุนเวียนที่เปิดใช้งานโดยไอออนอิสระ

ตัวนำก๊าซ

ในประเภทนี้คือก๊าซที่เคยผ่านกระบวนการไอออไนซ์ซึ่งทำให้สามารถนำกระแสไฟฟ้าผ่านได้

อากาศทำหน้าที่เป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าเมื่อเกิดการสลายตัวของอิเล็กทริกจะทำหน้าที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าสำหรับการก่อตัวของฟ้าผ่าและการปล่อยประจุไฟฟ้า

ตัวอย่างของตัวนำ

อลูมิเนียม

มันถูกใช้อย่างมากในระบบส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะเนื่องจากแม้ว่าจะมีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 35% เมื่อเทียบกับทองแดงที่ผ่านการอบอ่อน แต่น้ำหนักของมันก็เบากว่าทองแดงถึงสามเท่า

ซ็อกเก็ตไฟฟ้าแรงสูงมักถูกปกคลุมด้วยพื้นผิวภายนอกของโพลีไวนิลคลอไรด์ (PVC) ซึ่งป้องกันไม่ให้ตัวนำร้อนเกินไปและแยกทางเดินของกระแสไฟฟ้าจากภายนอก

ทองแดง

เป็นโลหะที่ใช้เป็นตัวนำไฟฟ้าในงานอุตสาหกรรมและที่อยู่อาศัยมากที่สุดเนื่องจากมีความสมดุลระหว่างการนำไฟฟ้าและราคา

ทองแดงสามารถใช้ในตัวนำที่มีมาตรวัดต่ำและปานกลางโดยใช้สายเดียวหรือหลายเส้นขึ้นอยู่กับความจุแอมเพอโรเมตริกของตัวนำ

ทอง

เป็นวัสดุที่ใช้ในการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของไมโครโปรเซสเซอร์และวงจรรวม นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตขั้วแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์และการใช้งานอื่น ๆ

การนำของทองมีค่าน้อยกว่าการนำไฟฟ้าของทองที่ผ่านการอบอ่อนประมาณ 20% อย่างไรก็ตามเป็นวัสดุที่ทนทานและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก

เงิน

ด้วยค่าการนำไฟฟ้า 6.30 x 10 ⁷ Sm ^-1 (สูงกว่าความสามารถในการนำไฟฟ้าของทองแดงที่ผ่านการอบ 9-10%) จึงเป็นโลหะที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงที่สุดในปัจจุบัน

เป็นวัสดุที่อ่อนตัวได้และมีความเหนียวโดยมีความแข็งเทียบเท่ากับทองหรือทองแดง อย่างไรก็ตามค่าใช้จ่ายสูงมากดังนั้นการใช้งานจึงไม่บ่อยนักในอุตสาหกรรม

อ้างอิง

1. ตัวนำไฟฟ้า (sf) Ecured ฮาวานาคิวบา กู้คืนจาก: ecured.cu
2. ตัวนำไฟฟ้า (sf) สืบค้นจาก: aprendeelectricidad.weebly.com
3. Longo, J. (2009) ตัวนำไฟฟ้า. สืบค้นจาก: vivehogar.republica.com
4. Martín, T และ Serrano A. (nd) ตัวนำในสภาวะสมดุลไฟฟ้าสถิต มหาวิทยาลัยโปลีเทคนิคแห่งมาดริด สเปน. กู้คืนจาก: montes.upm.es
5. Pérez, J. และ Gardey, A. (2016). ความหมายของตัวนำไฟฟ้า. กู้คืนจาก: Definicion.de
6. คุณสมบัติของตัวนำไฟฟ้า (sf) สืบค้นจาก: neetescuela.org
7. Wikipedia, สารานุกรมเสรี (2018). การนำไฟฟ้า. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
8. Wikipedia, สารานุกรมเสรี (2018). ตัวนำไฟฟ้า. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org