Tabla de Contenidos
Az elektromosság vezetőképességét tekintve az anyagok nagy vonalakban vezető, félvezető és szigetelő vagy dielektromos anyagokra oszthatók. Ahogy a neve is sugallja, az elektromos vezető minden olyan anyag, amely potenciálkülönbséghez kötve vagy elektromos tér hatásának kitéve elektromos áramot képes vezetni.
Az elektromos áramvezetés képessége a fémek jellemző tulajdonsága. Valójában a legjobb vezetők túlnyomó többsége fémes elemek. A szén egy nagyon különleges allotrópja azonban a teljes periódusos rendszer legvezetőbb fémével is képes felvenni a versenyt.
Hogyan mérhető egy anyag elektromos áramvezető képessége?
Egy anyag elektromos vezetőképességét az elektromos vezetőképességgel mérjük. Ez az anyag intenzív tulajdonsága , amely egy egységnyi hosszúságú és keresztmetszetű vezető vezetőképességét jelenti. Intenzív tulajdonság lévén, nem a vezető méreteitől vagy alakjától függ, hanem csak az anyagtól, amelyből készült. Emiatt, ha az elemeket villamosenergia-vezető képességük alapján akarjuk összehasonlítani, elegendő a vezetőképességüket összehasonlítani.
Az anyag vezetőképességétől függően vezetőként, félvezetőként és szigetelőként osztályozható. Az alábbi táblázat az egyes anyagok vezetőképességi tartományait mutatja be:
| Anyag típusa | Tipikus vezetőképességi tartomány (S/m) |
| Sofőr | 10 2 – 10 8 |
| Félvezető | 10 -6 – 10 -4 |
| Szigetelő | 10 -19 – 10 -11 |
Annak ismeretében, hogy milyen vezetőképességi értékek jellemzik a vezetőket, a következő táblázat a periódusos rendszer 50 elemének vezetőképességének rendezett listáját mutatja, amelyek a legjobban vezetik az elektromosságot. Ezek az értékek az elemek térfogatban, azaz makroszkopikus mennyiségben mért vezetőképességének felelnek meg.
| Elem | vegyi szimbólum | Elektromos vezetőképesség (σ.m/S) 20°C-on (293K) | Anyag típusa |
| Ezüst | Augusztus | 6,30,10 7 | Sofőr |
| Réz | cu | 5,96,10 7 | Sofőr |
| Arany | ó | 4,52,10 7 | Sofőr |
| Alumínium | Hoz | 3 77,10 7 | Sofőr |
| Kalcium | AC | 2.98.10 7 | Sofőr |
| Berillium | Lenni | 2,81,10 7 | Sofőr |
| Ródium | Rh | 2,33,10 7 | Sofőr |
| Magnézium | mg | 2,28,10 7 | Sofőr |
| irídium | Megy | 2.13.10 7 | Sofőr |
| Nátrium | na | 2,10,10 7 | Sofőr |
| Volfrám | W | 1,89,10 7 | Sofőr |
| Molibdén | Mo | 1,87,10 7 | Sofőr |
| Kobalt | Co | 1,79,10 7 | Sofőr |
| Cink | Zn | 1,69,10 7 | Sofőr |
| Kadmium | CD | 1,47,10 7 | Sofőr |
| Nikkel | Se | 1,44,10 7 | Sofőr |
| Ruténium | ru | 1,41,10 7 | Sofőr |
| Kálium | k | 1,39,10 7 | Sofőr |
| indián | Ban ben | 1,25,10 7 | Sofőr |
| Ozmium | te | 1,23,10 7 | Sofőr |
| Lítium | Li | 1.08.10 7 | Sofőr |
| Vas | Hit | 1.04.10 7 | Sofőr |
| Platina | pt | 9,52,10 6 | Sofőr |
| Palládium | P.S | 9,49,10 6 | Sofőr |
| Ón | sn | 8,70,10 6 | Sofőr |
| Króm | Kr | 8.00.10 6 | Sofőr |
| Rubídium | rb | 7,81,10 6 | Sofőr |
| tantál | Ta | 7,63,10 6 | Sofőr |
| Stroncium | úr | 7,58,10 6 | Sofőr |
| Gallium | Ga | 7,35,10 6 | Sofőr |
| tórium | th | 6,80,10 6 | Sofőr |
| tallium | tl | 6,67,10 6 | Sofőr |
| Nióbium | Nb | 6,58,10 6 | Sofőr |
| rénium | Újra | 5,81,10 6 | Sofőr |
| Protactinium | pa | 5,65,10 6 | Sofőr |
| Vanádium | V | 5,08,10 6 | Sofőr |
| Cézium | cs | 4,88,10 6 | Sofőr |
| Vezet | bp | 4,81,10 6 | Sofőr |
| itterbium (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | Sofőr |
| Uránium | VAGY | 3,57,10 6 | Sofőr |
| Hafnium | HF | 3.02.10 6 | Sofőr |
| Bárium | Ba | 3.01.10 6 | Sofőr |
| Antimon | sb | 2,56,10 6 | Sofőr |
| Titán | te | 2,56,10 6 | Sofőr |
| Polónium | Po | 2,50,10 6 | Sofőr |
| Cirkónium | Zr | 2,38,10 6 | Sofőr |
| Scandium (290–300 K) | sc | 1,78,10 6 | Sofőr |
| Lutécium (290–300 K) | lu | 1,72,10 6 | Sofőr |
| ittrium (290–300 K) | ÉS | 1,68,10 6 | Sofőr |
| Lantán (290-300K) | A | 1,63,10 6 | Sofőr |
Amint látjuk, az elektromos áramot legjobban vezető elem az ezüst (Ag), vezetőképessége 6,30,10 7 S/m . Ez azt jelenti, hogy egy 1 m 2 keresztmetszetű és 1 m hosszú tiszta ezüst tömb vezetőképessége 6.30.10 7 siemens vagy A/V. Ez viszont azt jelenti, hogy ha állandó 1 V elektromos potenciálkülönbséget alkalmazunk a vezető két lapja között, akkor 6.30.10 7 amperes elektromos áram keletkezik.
Az így kifejezett vezetőképességet nehéz elképzelni, mivel nem szokás egy 1 m 3 -es tiszta ezüsttömböt venni és elektromos vezetőként használni. Ehelyett kényelmesebb a vezetőképességet Sm/mm 2 -ben kifejezni . Ezekben az egységekben az ezüst vezetőképessége 63,0 Sm/mm 2 . Ez azt jelenti, hogy ha 1 V feszültséget kapcsolunk egy 1 m hosszú és 1 mm 2 keresztmetszetű ezüst vezetőre , akkor 63,0 amperes áram keletkezik.
Elektromos vezetőként ezüst, réz, arany és alumínium
A fenti táblázat adataiból végzett egyszerű számítás azt mutatja, hogy az ezüst vezetőképessége 5,7%-kal nagyobb, mint a rézé, 39,4%-kal magasabb, mint az aranyé , és 67,1%-kal magasabb, mint az alumíniumé. Ezt a három elemet azonban sokkal gyakrabban használják elektromos alkalmazásokban, mint az ezüstöt. Valójában az ezüstöt ritkán használják elektromos vezetőként, annak ellenére, hogy ez az elem, amely a legjobban vezeti az elektromosságot.
Ennek okai egyszerűek. Egyrészt a réz sokkal olcsóbb fém, mint az ezüst, miközben csak valamivel kevésbé vezető. Emiatt sokkal értelmesebb az elektronikában és az épületvezetékekben rezet használni az ezüst helyett, mivel a vezetőképesség növekedése nem indokolja a lenyűgöző áremelkedést.
Még inkább igaz ez az alumínium esetében, amelyet még a réznél is gyakrabban és nagyobb mennyiségben használnak, különösen kilométeres magasfeszültségű vezetékekben. Az alumínium sokkal olcsóbb és könnyebben előállítható, mint a réz, emellett könnyebb és jobban ellenáll a korróziónak. Ha egy rézvezetőt összehasonlítunk egy kétszer akkora keresztmetszetű alumínium vezetővel, akkor az alumínium vezető vezetőképessége több mint kétszerese a rézének (jobban vezeti az áramot), az ára még mindig alacsonyabb (kb. egy 40% olcsóbb), ráadásul 40%-kal könnyebb. Mindezek a jellemzők az alumíniumot, annak ellenére, hogy vezetőképességben a negyedik helyen áll, alkalmasabb vezetővé teszik, mint az ezüst és a réz számos alkalmazásban.
Másrészt az arany jóval drágább nemesfém , mint az ezüst, rosszabb elektromos vezető, és sokkal sűrűbb vagy nehezebb. Érdemes tehát feltenni magunknak a kérdést, hogy miért használják az aranyat gyakrabban elektromos vezetőként, mint az ezüstöt? Ennek oka az arany kémiai tulajdonságai. Az arany amellett, hogy nemesfém, egyben nemesfém is.nagyon ellenáll a korróziónak. Ez tökéletes anyaggá teszi az elektromos érintkezők gyártásához olyan alkalmazásokban, mint a számítógépes berendezések, mobil eszközök stb. Az ezüst viszont gyorsan patinás lesz a felületén, ha levegővel érintkezik, a felületi atomok oxidációja miatt. Ez csökkenti vezetőképességét, így ez a fém alkalmatlan az ilyen típusú alkalmazásokra.
A grafén jobb vezető, mint az ezüst
Ha a tiszta elemek vezetőképességéről beszélünk, akkor van egy elem, amely felülmúlja az összes többit, és érdekes módon az nem ezüst. A szénről van szó . Azonban nem akármilyen szénről beszélünk, mint amilyen a természetben is megtalálható, hanem a szén egy egészen különleges formájáról, a grafénről.
A grafén a szén egy nagyon különleges allotrópja . Ez egy atom vastagságú, sp 2 -hibridizált szénatomokból álló hatszögletű rács. Csak az egyik szénatomrétegből áll, amely a grafit allotrópot alkotja. Mivel csak egy atom vastagságú, ezt az anyagtípust kétdimenziós kristálynak nevezik, és egyedülálló fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a legmagasabb ismert elektromos vezetőképességet.
Egyes laboratóriumokban a grafén vezetőképessége 8,0,10 7 S/m nagyságrendű, ami 27%-kal magasabb, mint az ezüst vezetőképessége, így a grafén, tehát a szén a legjobban vezeti az elektromosságot .
A fentiek ellenére, hogy ez a vezetőképesség nanométeres anyagmintáknak felel meg, nem pedig az elem makroszkopikus térfogatának, helytelen lehet ezt a vezetőképességet összehasonlítani más fémek vezetőképességével, amelyeket a makroszkopikus mintákban minden elemnél mértek. Ebben a léptékben egy másik elem valamilyen új formája jobb vezetőnek bizonyulhat, mint a grafén. Emiatt az aranyérmet egyelőre az ezüstnek hagyhatjuk.
Hivatkozások
10 Elektromosan vezető anyagok . (2022). Elektromos kábelek és vezetékek. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/
Global, B. (2022, január 12.). Versenyezhetnek-e a grafén alapú vezetők a rézzel az elektromos vezetőképesség terén? Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/
Orendain, S. (2020, augusztus 11.). Melyik a legjobb elektromos vezető? Az áramkörök készen állnak. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/
Pastor, J. (2014, február 7). A grafén még az elmélet által javasoltnál is jobban vezeti az elektromosságot . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria
Rizwan, A. (2021, szeptember 3.). Miért jó elektromos vezető az ezüst? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity
Az ezüst a legjobb hő- és elektromos vezető.(a) Igaz(b) Hamis . (2020, augusztus 14.). Vedanthu. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb
Miért az ezüst a legjobb elektromos vezető? (2016. november 16.). Fizika veremcsere. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity
