Hvilket element er den bedste leder af elektricitet?

Med hensyn til evnen til at lede elektricitet kan materialer bredt opdeles i ledende, halvledende og isolerende eller dielektriske materialer. Som navnet antyder, er en elektrisk leder ethvert materiale, der er i stand til at lede elektricitet, når det er forbundet til en potentialforskel, eller når det udsættes for virkningen af ​​et elektrisk felt.

Evnen til at lede elektricitet er en karakteristisk egenskab ved metaller. Faktisk er langt de fleste af de bedste ledere metalliske elementer. En meget speciel allotrop af kulstof er dog i stand til at konkurrere med selv det mest ledende metal i hele det periodiske system.

Hvordan måles et materiales evne til at lede elektricitet?

Et materiales evne til at lede elektricitet måles ved elektrisk ledningsevne. Dette er en intensiv egenskab ved stof, der repræsenterer ledningsevnen af ​​en leder af enhedslængde og tværsnit. Da den er en intensiv egenskab, afhænger den ikke af dimensionerne eller formen af ​​lederen, men kun af det materiale, den er lavet af. Af denne grund, hvis vi ønsker at sammenligne elementer baseret på deres evne til at lede elektricitet, er det nok at sammenligne deres ledningsevne.

Afhængigt af et materiales ledningsevne kan det klassificeres som en leder, halvleder og isolator. Følgende tabel viser ledningsevneområderne for hver type materiale:

Ved at vide, hvilke ledningsevneværdier der karakteriserer ledere, viser følgende tabel en ordnet liste over ledningsevnerne af de 50 elementer i det periodiske system, der bedst leder elektricitet. Disse værdier svarer til elementernes ledningsevne i volumen, det vil sige i makroskopiske mængder.

Som vi kan se, er det grundstof, der bedst leder elektricitet, sølv (Ag) og har en ledningsevne på 6.30.10 ⁷ S/m . Det betyder, at en blok af rent sølv med et tværsnit på 1 m ² og en længde på 1 m vil have en ledningsevne på 6.30.10 ⁷ siemens eller A/V. Dette betyder igen, at hvis vi anvender en konstant elektrisk potentialforskel på 1 V mellem lederens to flader, vil der blive genereret en elektrisk strøm på 6.30.10 ^{7 ampere.}

Konduktivitet udtrykt på denne måde er svær at visualisere, da det ikke er almindeligt at tage en 1 m ³ blok af rent sølv og bruge den som en elektrisk leder. I stedet er det mere bekvemt at udtrykke ledningsevne i form af Sm/mm ² . I disse enheder er ledningsevnen af ​​sølv 63,0 Sm/mm ² . Dette indebærer, at hvis vi anvender en spænding på 1 V over en sølvleder, der er 1 m lang og har et tværsnitsareal på 1 mm 2 , vil der blive genereret en strøm ^{på 63,0 ampere.}

Sølv, kobber, guld og aluminium som elektriske ledere

En simpel beregning ud fra dataene i tabellen ovenfor afslører, at sølv har en ledningsevne, der er 5,7 % højere end kobber, 39,4 % højere end guld og 67,1 % højere end aluminium. Disse tre elementer bruges dog meget hyppigere i elektriske applikationer end sølv. Faktisk bruges sølv sjældent som en elektrisk leder på trods af at det er det element, der bedst leder elektricitet.

Årsagerne bag dette er enkle. For det første er kobber et meget billigere metal end sølv, mens det kun er lidt mindre ledende. Af denne grund giver det meget mere mening at bruge kobber i elektronik og bygningsledninger frem for sølv, da stigningen i ledningsevnen ikke retfærdiggør den imponerende prisstigning.

Det gælder i endnu højere grad for aluminium, som bruges endnu hyppigere og i større mængder end kobber, især i kilometerlange højspændingsledninger. Aluminium er meget billigere og lettere at fremstille end kobber, og det er også lettere og mere modstandsdygtigt over for korrosion. Hvis vi sammenligner en kobberleder med en aluminiumsleder med det dobbelte tværsnitsareal, er aluminiumslederens ledningsevne mere end dobbelt så stor som kobberlederen (den leder elektricitet bedre), dens pris er stadig lavere (ca. en 40% billigere) og desuden er den 40 % lettere. Alle disse egenskaber gør aluminium til en mere egnet leder end sølv og kobber i mange applikationer, på trods af den fjerdeplads i ledningsevne.

På den anden side er guld et meget dyrere ædelmetal end sølv, det er en dårligere elektrisk leder, og det er meget tættere eller tungere. Det er så værd at spørge os selv, hvorfor bruges guld hyppigere som en elektrisk leder end sølv? Årsagen har at gøre med guldets kemiske egenskaber. Udover at være et ædelmetal er guld også et ædelmetal.meget modstandsdygtig over for korrosion. Dette gør det til det perfekte materiale til fremstilling af elektriske kontakter i applikationer som computerudstyr, mobile enheder osv. Sølv derimod får hurtigt patina på overfladen, når det kommer i kontakt med luft, på grund af oxidationen af ​​overfladeatomerne. Dette reducerer dets ledningsevne, hvilket gør dette metal uegnet til denne type anvendelse.

Grafen er en bedre leder end sølv

Hvis vi taler om ledningsevnen af ​​rene grundstoffer, er der et element, der slår alle de andre, og mærkeligt nok er det ikke sølv. Det handler om kulstof. Vi taler dog ikke om et hvilket som helst kulstof som det vi kunne finde naturligt, men om en helt speciel form for kulstof kaldet grafen.

Grafen er en meget speciel allotrop af kulstof. Det er et sekskantet gitter af sp ² -hybridiserede carbonatomer et atom tykt. Den består af kun et af lagene af kulstofatomer, der udgør grafitallotropen. Da den kun er et atom tyk, kaldes denne type materiale en todimensionel krystal og besidder unikke fysiske egenskaber, herunder den højeste kendte elektriske ledningsevne.

I nogle laboratorier er der rapporteret ledningsevner i størrelsesordenen 8.0.10 ^{7 S/m for grafen, hvilket er 27 % højere end ledningsevnen for sølv,} hvilket gør grafen og derfor kulstof til det grundstof, der bedst leder elektricitet .

På trods af ovenstående, det faktum, at denne ledningsevne svarer til nanometriske prøver af materiale i stedet for makroskopiske volumener af elementet, kan det være uhensigtsmæssigt at sammenligne denne ledningsevne med andre metallers ledningsevne, som blev målt for hvert element i makroskopiske prøver. . På denne skala kan en ny form for et andet element vise sig at være en bedre leder selv end grafen. Af denne grund kan vi for øjeblikket overlade guldmedaljen til sølvet.

Referencer

10 Elektrisk ledende materialer . (2022). Elektriske kabler og ledere. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/

Global, B. (2022, 12. januar). Kan grafenbaserede ledere konkurrere med kobber i elektrisk ledningsevne? Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/

Orendain, S. (2020, 11. august). Hvad er den bedste leder af elektricitet? Kredsløb klar. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/

Pastor, J. (2014, 7. februar). Grafen leder elektricitet endnu bedre end teorien antydede . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria

Rizwan, A. (2021, 3. september). Hvorfor er sølv en god leder af elektricitet? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity

Sølv er den bedste leder af varme og elektricitet.(a) Sandt(b) Falsk . (2020, 14. august). Vedanthu. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb

Hvorfor er sølv den bedste leder af elektricitet? (2016, 16. november). Fysik stak udveksling. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity