الموصلية الكهربائية في المعادن هي نتيجة لحركة الجسيمات المشحونة كهربائيًا. تتميز ذرات العناصر المعدنية بوجود إلكترونات التكافؤ ، وهي إلكترونات في الغلاف الخارجي لذرة حرة الحركة. هذه "الإلكترونات الحرة" هي التي تسمح للمعادن بإجراء تيار كهربائي.
نظرًا لأن إلكترونات التكافؤ تتمتع بحرية الحركة ، يمكنها الانتقال عبر الشبكة التي تشكل البنية المادية للمعدن. تحت مجال كهربائي ، تتحرك الإلكترونات الحرة عبر المعدن مثل كرات البلياردو التي تطرق مع بعضها البعض ، لتمرير شحنة كهربائية أثناء تحركها.
نقل الطاقة
يكون نقل الطاقة أقوى عندما تكون المقاومة قليلة. على طاولة بلياردو ، يحدث هذا عندما تصطدم كرة ضد كرة مفردة أخرى ، لتمرير معظم طاقتها إلى الكرة التالية. إذا ضربت كرة واحدة عدة كرات أخرى ، فلن تحمل كل واحدة منها سوى جزء صغير من الطاقة.
على نفس المنوال ، فإن أكثر موصلات الكهرباء فعالية هي المعادن التي لها إلكترون تكافؤ واحد حر في الحركة ويتسبب في رد فعل قوي في الإلكترونات الأخرى. هذا هو الحال في معظم المعادن الموصلة ، مثل الفضة ، ذهبو نحاس. لكل منها إلكترون تكافؤ واحد يتحرك مع مقاومة قليلة ويؤدي إلى رد فعل قوي.
معادن أشباه الموصلات (أو الفلزات) لديها عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ (عادة أربعة أو أكثر). لذا ، على الرغم من أنه يمكنهم توصيل الكهرباء ، إلا أنهم غير فعالين في المهمة. ومع ذلك ، عند تسخينها أو تناولها مع عناصر أخرى ، مثل أشباه الموصلات السيليكون ويمكن أن يصبح الجرمانيوم موصلات فعالة للغاية للكهرباء.
الموصلية المعدنية
يجب أن يتبع التوصيل في المعادن قانون أوم ، الذي ينص على أن التيار يتناسب بشكل مباشر مع المجال الكهربائي المطبق على المعدن. ظهر القانون ، الذي سمي باسم الفيزيائي الألماني جورج أوم ، في عام 1827 في ورقة منشورة تحدد كيفية قياس التيار والجهد عبر الدوائر الكهربائية. المتغير الرئيسي في تطبيق قانون أوم هو مقاومة المعدن.
المقاومة هي عكس الموصلية الكهربائية ، حيث تقيم مدى معارضة المعادن لتدفق التيار الكهربائي. يتم قياس هذا عادة عبر الوجوه المقابلة لمكعب متر واحد من المواد ويوصف بأنه متر أوم (ميكرومتر). غالبًا ما يتم تمثيل المقاومة بالحرف اليوناني rho (ρ).
من ناحية أخرى ، يقاس الموصلية الكهربائية عادة سيمنز لكل متر (S⋅m−1) ويمثلها الحرف اليوناني سيجما (σ). واحد سيمنز يساوي معادلة أوم واحد.
الموصلية ومقاومة المعادن
مواد |
المقاومة النوعية |
التوصيل |
|---|---|---|
| فضة | 1.59 × 10-8 | 6.30x107 |
| نحاس | 1.68 × 10-8 | 5.98 × 107 |
| صلب النحاس | 1.72 × 10-8 | 5.80x107 |
| ذهب | 2.44 × 10-8 | 4.52 × 107 |
| الألومنيوم | 2.82 × 10-8 | 3.5x107 |
| الكالسيوم | 3.36 × 10-8 | 2.82 × 107 |
| البريليوم | 4.00 × 10-8 | 2.500 × 107 |
| الروديوم | 4.49x10-8 | 2.23x107 |
| المغنيسيوم | 4.66 × 10-8 | 2.15 × 107 |
| الموليبدينوم | 5.225 × 10-8 | 1.914x107 |
| إيريديوم | 5.289 × 10-8 | 1.891 × 107 |
| تنجستن | 5.49 × 10-8 | 1.82 × 107 |
| زنك | 5.945 × 10-8 | 1.682x107 |
| الكوبالت | 6.25 × 10-8 | 1.60x107 |
| الكادميوم | 6.84 × 10-8 | 1.467 |
| النيكل (كهربائيا) | 6.84 × 10-8 | 1.46 × 107 |
| الروثينيوم | 7.595 × 10-8 | 1.31x107 |
| الليثيوم | 8.54 × 10-8 | 1.17 × 107 |
| حديد | 9.58 × 10-8 | 1.04 × 107 |
| البلاتين | 1.06 × 10-7 | 9.44 × 106 |
| البلاديوم | 1.08 × 10-7 | 9.28 × 106 |
| القصدير | 1.15 × 10-7 | 8.7x106 |
| السيلينيوم | 1.197 × 10-7 | 8.35 × 106 |
| التنتالوم | 1.24 × 10-7 | 8.06 × 106 |
| النيوبيوم | 1.31x10-7 | 7.66 × 106 |
| فولاذ (Cast) | 1.61x10-7 | 6.21x106 |
| الكروم | 1.96 × 10-7 | 5.10x106 |
| قيادة | 2.05 × 10-7 | 4.87 × 106 |
| الفاناديوم | 2.61x10-7 | 3.83 × 106 |
| اليورانيوم | 2.87x10-7 | 3.48 × 106 |
| الأنتيمون * | 3.92x10-7 | 2.55 × 106 |
| الزركونيوم | 4.105 × 10-7 | 2.44 × 106 |
| التيتانيوم | 5.56 × 10-7 | 1.798 × 106 |
| الزئبق | 9.58 × 10-7 | 1.044 × 106 |
| الجرمانيوم * | 4.6x10-1 | 2.17 |
| سيليكون * | 6.40x102 | 1.56 × 10-3 |
* ملاحظة: تعتمد مقاومة أشباه الموصلات (الفلزات) بشكل كبير على وجود شوائب في المادة.