Tabla de Contenidos
Sähkönjohtamiskyvyn suhteen materiaalit voidaan jakaa laajasti johtaviin, puolijohtaviin ja eristeisiin tai dielektrisiin materiaaleihin. Nimensä mukaisesti sähköjohdin on mitä tahansa materiaalia, joka pystyy johtamaan sähköä, kun se on kytketty potentiaalieroon tai joutuessaan alttiiksi sähkökentän vaikutukselle.
Kyky johtaa sähköä on metallien ominaisuus. Itse asiassa suurin osa parhaista johtimista on metallielementtejä. Kuitenkin hyvin erityinen hiilen allotrooppi pystyy kilpailemaan jopa johtavimman metallin kanssa koko jaksollisessa taulukossa.
Miten materiaalin kykyä johtaa sähköä mitataan?
Materiaalin kykyä johtaa sähköä mitataan sähkönjohtavuudella . Tämä on aineen intensiivinen ominaisuus , joka edustaa yksikköpituuden ja poikkileikkauksen johtimen johtavuutta. Koska se on intensiivinen ominaisuus, se ei riipu johtimen mitoista tai muodosta, vaan ainoastaan materiaalista, josta se on valmistettu. Tästä syystä, jos haluamme vertailla elementtejä niiden kyvyn perusteella johtaa sähköä, riittää vertailla niiden johtavuutta.
Materiaalin johtavuudesta riippuen se voidaan luokitella johtimeksi, puolijohteeksi ja eristeeksi. Seuraavassa taulukossa on esitetty kunkin materiaalityypin johtavuusalueet:
| Materiaalin tyyppi | Tyypillinen johtavuusalue (S/m) |
| Kuljettaja | 10 2-10 8 _ |
| Puolijohde | 10 -6 – 10 -4 |
| Eristävä | 10-19-10-11 _ _ _ |
Kun tiedät, mitkä johtavuusarvot luonnehtivat johtimia, seuraavassa taulukossa on järjestetty luettelo jaksollisen taulukon 50 sähköä parhaiten johtavan elementin johtavuudesta. Nämä arvot vastaavat elementtien johtavuutta tilavuudessa, eli makroskooppisissa määrissä.
| Elementti | kemiallinen symboli | Sähkönjohtavuus (σ.m/S) 20°C:ssa (293K) | Materiaalin tyyppi |
| Hopea | elokuu | 6,30,10 7 | Kuljettaja |
| Kupari | cu | 5,96,10 7 | Kuljettaja |
| Kulta | vai niin | 4,52,10 7 | Kuljettaja |
| Alumiini | Kohteeseen | 3 77,10 7 | Kuljettaja |
| Kalsium | AC | 2.98.10 7 | Kuljettaja |
| Beryllium | Olla | 2,81,10 7 | Kuljettaja |
| Rodium | Rh | 2,33,10 7 | Kuljettaja |
| Magnesium | mg | 2,28,10 7 | Kuljettaja |
| iridium | Mennä | 2.13.10 7 | Kuljettaja |
| Natrium | na | 2,10,10 7 | Kuljettaja |
| Volframi | W | 1 89,10 7 | Kuljettaja |
| Molybdeeni | Mo | 1 87,10 7 | Kuljettaja |
| Koboltti | Co | 1 79,10 7 | Kuljettaja |
| Sinkki | Zn | 1 69,10 7 | Kuljettaja |
| Kadmium | CD | 1,47,10 7 | Kuljettaja |
| Nikkeli | Ei kumpikaan | 1,44,10 7 | Kuljettaja |
| ruteeni | ru | 1,41,10 7 | Kuljettaja |
| kalium | k | 1,39,10 7 | Kuljettaja |
| intialainen | Sisään | 1,25,10 7 | Kuljettaja |
| Osmium | Sinä | 1,23,10 7 | Kuljettaja |
| Litium | Li | 1.08.10 7 | Kuljettaja |
| Rauta | Usko | 1.04.10 7 | Kuljettaja |
| Platina | pt | 9,52,10 6 | Kuljettaja |
| Palladium | P.S | 9,49,10 6 | Kuljettaja |
| Tina | sn | 8,70,10 6 | Kuljettaja |
| Kromi | Cr | 8.00.10 6 | Kuljettaja |
| Rubidium | rb | 7,81,10 6 | Kuljettaja |
| tantaali | Ta | 7,63,10 6 | Kuljettaja |
| Strontium | Herra | 7,58,10 6 | Kuljettaja |
| Gallium | Ga | 7,35,10 6 | Kuljettaja |
| torium | th | 6,80,10 6 | Kuljettaja |
| tallium | tl | 6,67,10 6 | Kuljettaja |
| Niobium | Huom | 6,58,10 6 | Kuljettaja |
| renium | Re | 5,81,10 6 | Kuljettaja |
| Protactinium | pa | 5,65,10 6 | Kuljettaja |
| Vanadiini | V | 5,08,10 6 | Kuljettaja |
| Cesium | cs | 4 88,10 6 | Kuljettaja |
| Johtaa | bp | 4,81,10 6 | Kuljettaja |
| Ytterbium (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | Kuljettaja |
| Uraani | TAI | 3,57,10 6 | Kuljettaja |
| Hafnium | Hf | 3.02.10 6 | Kuljettaja |
| Barium | Ba | 3.01.10 6 | Kuljettaja |
| Antimoni | sb | 2 56,10 6 | Kuljettaja |
| Titaani | Sinä | 2 56,10 6 | Kuljettaja |
| Polonium | po | 2,50,10 6 | Kuljettaja |
| Zirkonium | Zr | 2 38,10 6 | Kuljettaja |
| Scandium (290–300 K) | sc | 1 78,10 6 | Kuljettaja |
| Lutetium (290–300 K) | lu | 1 72,10 6 | Kuljettaja |
| yttrium (290–300 K) | JA | 1 68,10 6 | Kuljettaja |
| Lantaani (290–300 K) | The | 1 63,10 6 | Kuljettaja |
Kuten näemme, sähköä parhaiten johtava elementti on hopea (Ag) ja sen johtavuus on 6.30.10 7 S/m . Tämä tarkoittaa, että puhtaan hopean lohkon, jonka poikkileikkaus on 1 m 2 ja pituus 1 m, johtavuus on 6.30.10 7 siemeniä tai A/V. Tämä puolestaan tarkoittaa, että jos käytämme jatkuvaa 1 V:n sähköpotentiaalieroa johtimen kahden pinnan välillä, syntyy 6.30.10 7 ampeerin sähkövirta .
Tällä tavalla ilmaistua johtavuutta on vaikea visualisoida, koska ei ole yleistä ottaa 1 m 3 puhdasta hopeaa ja käyttää sitä sähköjohtimena. Sen sijaan on kätevämpää ilmaista johtavuus Sm/mm2: na . Näissä yksiköissä hopean johtavuus on 63,0 Sm/mm 2 . Tämä tarkoittaa, että jos asetamme 1 V:n jännitteen hopeajohtimeen, joka on 1 m pitkä ja jonka poikkipinta-ala on 1 mm 2, syntyy 63,0 ampeerin virta .
Sähköjohtimina hopeaa, kuparia, kultaa ja alumiinia
Yksinkertainen laskelma yllä olevan taulukon tiedoista paljastaa, että hopean johtavuus on 5,7 % korkeampi kuin kuparilla, 39,4 % korkeampi kuin kullalla ja 67,1 % korkeampi kuin alumiinilla. Näitä kolmea elementtiä käytetään kuitenkin paljon useammin sähkösovelluksissa kuin hopeaa. Itse asiassa hopeaa käytetään harvoin sähköjohtimena, vaikka se on sähköä parhaiten johtava elementti.
Syyt tähän ovat yksinkertaiset. Ensinnäkin kupari on paljon halvempi metalli kuin hopea, vaikka se on vain hieman vähemmän johtavaa. Tästä syystä elektroniikassa ja rakennusjohdoissa on paljon järkevämpää käyttää kuparia kuin hopeaa, sillä johtavuuden kasvu ei oikeuta vaikuttavaa hinnannousua.
Tämä pätee vielä enemmän alumiiniin, jota käytetään vieläkin useammin ja enemmän kuin kuparia, erityisesti kilometrien pituisissa suurjännitelinjoissa. Alumiini on paljon halvempaa ja helpompi valmistaa kuin kupari, ja se on myös kevyempi ja korroosionkestävämpi. Jos kuparijohdinta verrataan alumiinijohtimeen, jonka poikkipinta-ala on kaksinkertainen, alumiinijohtimen johtavuus on yli kaksinkertainen kuparijohtimeen verrattuna (johtaa paremmin sähköä), sen hinta on silti alhaisempi (noin yksi 40 % halvempi) ja lisäksi se on 40 % kevyempi. Kaikki nämä ominaisuudet tekevät alumiinista huolimatta johtavuuden neljännestä sijasta sopivamman johtimen kuin hopea ja kupari monissa sovelluksissa.
Toisaalta kulta on paljon kalliimpi jalometalli kuin hopea, se on huonompi sähköjohdin, ja se on paljon tiheämpää tai raskaampaa. On siis syytä kysyä itseltämme, miksi kultaa käytetään useammin sähköjohtimena kuin hopeaa? Syy liittyy kullan kemiallisiin ominaisuuksiin. Sen lisäksi, että kulta on jalometalli, se on myös jalometalli .erittäin kestävä korroosiota vastaan. Tämä tekee siitä täydellisen materiaalin sähköisten koskettimien valmistukseen sovelluksissa, kuten tietokonelaitteissa, mobiililaitteissa jne. Hopea sen sijaan saa nopeasti patinan pintaansa joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa, johtuen pinnan atomien hapettumisesta. Tämä vähentää sen johtavuutta, mikä tekee tästä metallista sopimattoman tämäntyyppisiin sovelluksiin.
Grafeeni on parempi johdin kuin hopea
Jos puhumme puhtaiden alkuaineiden johtavuudesta, on yksi elementti, joka päihittää kaikki muut, ja kummallista kyllä, se ei ole hopeaa. Kyse on hiilestä. Emme kuitenkaan puhu mistä tahansa hiilestä, kuten se, jota voimme löytää luonnostaan, vaan aivan erityisestä hiilen muodosta nimeltä grafeeni.
Grafeeni on hyvin erityinen hiilen allotrooppi . Se on yhden atomin paksuinen kuusikulmainen hila, jossa on sp 2 -hybridisoituja hiiliatomeja. Se koostuu vain yhdestä hiiliatomien kerroksista, jotka muodostavat grafiittiallotroopin. Koska tämä materiaali on vain yhden atomin paksuinen, sitä kutsutaan kaksiulotteiseksi kiteeksi ja sillä on ainutlaatuiset fysikaaliset ominaisuudet, mukaan lukien korkein tunnettu sähkönjohtavuus.
Joissakin laboratorioissa on raportoitu grafeenin johtavuuden suuruusluokkaa 8,0,10 7 S/m, mikä on 27 % korkeampi kuin hopean johtavuus, mikä tekee grafeenista ja siten hiilestä sähköä parhaiten johtavan alkuaineen .
Huolimatta edellä mainitusta tosiasiasta, että tämä johtavuus vastaa nanometrisiä materiaalinäytteitä elementin makroskooppisten tilavuuksien sijaan, voi olla epäasianmukaista verrata tätä johtavuutta muiden metallien johtavuuteen, jotka mitattiin jokaiselle elementille makroskooppisissa näytteissä. Tässä mittakaavassa jokin toisen elementin uusi muoto voi osoittautua paremmaksi johtimeksi jopa grafeenia. Tästä syystä tällä hetkellä voimme jättää kultamitalin hopealle.
Viitteet
10 Sähköä johtavat materiaalit . (2022). Sähkökaapelit ja johtimet. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/
Global, B. (2022, 12. tammikuuta). Voivatko grafeenipohjaiset johtimet kilpailla kuparin kanssa sähkönjohtavuudessa? Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/
Orendain, S. (2020, 11. elokuuta). Mikä on paras sähkönjohdin? Piirit valmiina. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/
Pastor, J. (2014, 7. helmikuuta). Grafeeni johtaa sähköä jopa paremmin kuin teoria ehdotti . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria
Rizwan, A. (2021, 3. syyskuuta). Miksi hopea on hyvä sähkönjohdin? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity
Hopea on paras lämmön- ja sähkönjohdin.(a) Totta(b) Väärin . (2020, 14. elokuuta). Vedanthu. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb
Miksi hopea on paras sähkönjohdin? (2016, 16. marraskuuta). Physics Stack Exchange. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity
