اقرأ في هذا المقال
ما هو الموصل الكهربائي؟
في فترة القرنين الثامن عشر والتاسع عشر ظهر مفهوم التوصيل الكهربائي وفي مجال الهندسة الكهربائية والفيزيائية تعتبر الموصلات ضرورية للغاية لتوليد تدفق للتيار. جاءت مفاهيم الموصلات والعوازل والمجال الكهربائي مع الأفكار والتجارب التي قام بها العديد من العلماء والشخص الذي وقف وراء اختراع هذه كان “ستيفن جراي” في عام (1734م). ومنذ ذلك الحين ظهرت نظريات مثل التوصيل الكهربائي، والتوصيل المعدني وكان تصنيف الموصلات معروفًا.
تعريف الموصل الكهربائي:
الموصل هو نوع من المعدن يسمح بتدفق الكهرباء من خلاله تسمّى المعادن التي تسمح بالتوصيل الكهربائي من خلالها بالموصلات وهي الألومنيوم والنحاس وقليل من السبائك الأخرى. مع تطبيق اختلافات الجهد بين الذرات تتدفق الشحنة الكهربائية عبرها. تعتبر المعادن موصلات اعتمادًا على معايير مختلفة مثل الظروف الجوية، قوة الشد، التوصيل، وغيرها الكثير. يحتوي سطح الموصلات على إلكترونات حرة تسمح بمرور التيار وبالتالي تمتلك هذه الإلكترونات القدرة على توليد الكهرباء.
وعادةً ما تكون الموصلات المستخدمة في بث الطاقة محصورة ولديها قوة ميكانيكية كبيرة ومرونة. بشكل عام، في الموصلات المجدولة، يتم إحاطة السلك المركزي بالعديد من طبقات الأسلاك وقد تختلف الطبقات في نطاق (6-24) سلكًا وغيرها. بينما يُعرف حجم الموصل بمساحة المقطع العرضي المقابلة للنحاس.
تدفق الإلكترون في الموصل الكهربائي:
كما نعلم أنّ الموصلات تتكون إمّا من شحنات كهربائية متحركة أو غير ثابتة ويطلق على التيار الكهربائي تدفق عناصر الشحنات الكهربائية. لذلك، عندما تكون هناك حركة تيار في الموصل، يكون لها حركة مثل حركة الإلكترونات الحرة في المعدن. لذا، لننتقل إلى مناقشة حركة الإلكترونات في الموصلات.
عن طريق الإلكترونات الحرة يتم توليد الكهرباء. بدون أي قوى خارجية، تمتلك الإلكترونات الحرة حركة عشوائية تسقط عبر المعدن وتولد تيارًا صفريًا. بينما عندما تكون البطارية متصلة، فإنّ هذه الإلكترونات الحرة تكتسب التسارع بسبب المجال الكهربائي وتكتسب الإلكترونات الطاقة.
على الرغم من عدم وجود حركة سلسة لأنّ الإلكترونات والأيونات الشبكية تتصادم مع بعضها البعض حيث يكون الأيون هو الإنجاز النهائي في اكتساب الطاقة. يُظهر فقدان طاقة الإلكترونات أثناء الاصطدام وزيادة سرعتها بواسطة المجال الكهربائي، أخيرًا، نتيجة تدفق الإلكترون في اتجاه واحد فقط.
لذا، فإنّ حركة الإلكترون هي بالتالي تكوين الحركة بسبب الاصطدامات العشوائية. عندما يتم النظر في الإلكترونات الحرة بأكملها، فإنّ حركتها التعسفية لاغية، وليس لها أي تأثير في حركة الانجراف. لذا فإنّ حركة الانجراف هي فقط بسبب توليد المجال الكهربائي في الإلكترونات.
كيف يعمل الموصل على توصيل التيار الكهربائي؟
لتوصيل التيار في الموصلات، يجب ألا يكون هناك مسافة بين نطاقي التكافؤ والتوصيل. سيكون هناك ارتباط مؤقت للإلكترونات الخارجية بالذرة في نطاق التكافؤ. عندما يكون هناك تطبيق لقوة دافعة كهربائية (emf) خارجي أو قوى أخرى، تنتقل الإلكترونات من التكافؤ إلى نطاق التوصيل. هنا، يكتسب الإلكترون الزخم للتدفق في أي مكان داخلي للموصل. لذلك، كما هو الحال في الثقب “الشحنة الموجبة”، فإنّ نطاق التوصيل يحتوي على حد أقصى من الإلكترونات.
اعتمادًا على بنية أيونات المعادن الموجبة، توجد روابط معدنية في الموصلات ويتم تغطية الهياكل بأكملها بسحابة إلكترونية. عندما يكون هناك فرق جهد على كلا الحافتين، تكتسب الإلكترونات طاقة كافية لتوصيلها من طاقة أقل إلى طاقة أعلى في نطاق التوصيل مقابل المقاومة الدقيقة التي تمنحها مادة الموصل، لذا فإنّ اتجاه التيار يتعارض مع اتجاه حركة الإلكترونات.
خصائص الموصلات الكهربائية:
فيما يلي خصائص الموصل الكهربائي الذي يتماشى مع حركة التيار الجيد:
خصائص التوصيل – Conductance Properties:
تعتبر الموصلات الكهربائية نموذجية مع الحد الأدنى من المقاومة لتتماشى مع التدفق الجيد للتيار. الموصل المثالي له موصلية (0). من الناحية العملية تختلف المقاومة من الحد الأدنى إلى القيمة القصوى. تستخدم الموصلات ذات المقاومة الأقل والموصلية العالية في الغالب لخطوط النقل والتوصيلات الأرضية والآلات الكهربائية.
خصائص الحث – Inductance Properties:
عندما يكون مصدر الطاقة (AC)، فإنّ الموصل يولد تدفقًا مغناطيسيًا له تدفق خارجي وداخلي، يظهر محاثّة الموصل نتيجة انخفاض الجهد الإضافي. أيضًا يُظهر التأثير على دوران الطاقة في جميع أنحاء منطقة الموصل ويُطلق عليه اسم الظاهرة السطحية (Skin effect). كما أنّه يتأثر بتوصيل التدفق بالموصل بسبب تدفق التيار عبر الموصل القريب بينما عندما يكون مصدر الطاقة هو التيار المستمر، فإنّ كل هذه التأثيرات لن تكون موجودة لأنّ التدفق المغناطيسي الذي يوفره التيار المستمر يظل ثابتًا طوال الوقت.
المجال الكهربائي صفر – Electric Field is Zero:
داخل الموصل الجيد، المجال الكهربائي يساوي (0). هذا يخلق تسارعًا في الإلكترون، بينما في حالة التوازن القوة الصافية للإلكترون هي (0). يسمح هذا السيناريو بعمل الموصلات على الحماية الكهروستاتيكية للأجهزة الكهربائية.
- كثافة الشحنة داخل الموصل (0).
- تدفق الشحنات الحرة على سطح الموصلات.
- الموصلات الجيدة لها قوة مرنة عالية.
- الثبات البيئي.
- لديهم موصلية حرارية عالية.
- مرونة جيدة.
