Hvilket element er den beste lederen av elektrisitet?

Når det gjelder evnen til å lede elektrisitet, kan materialer grovt deles inn i ledende, halvledende og isolerende eller dielektriske materialer. Som navnet tilsier, er en elektrisk leder ethvert materiale som er i stand til å lede elektrisitet når det er koblet til en potensialforskjell eller når det utsettes for virkningen av et elektrisk felt.

Evnen til å lede elektrisitet er en karakteristisk egenskap til metaller. Faktisk er det store flertallet av de beste lederne metalliske elementer. Imidlertid er en helt spesiell allotrop av karbon i stand til å konkurrere med selv det mest ledende metallet i hele det periodiske systemet.

Hvordan måles et materiales evne til å lede elektrisitet?

Et materiales evne til å lede elektrisitet måles ved elektrisk ledningsevne. Dette er en intensiv egenskap ved materie som representerer konduktansen til en leder med enhetslengde og tverrsnitt. Siden den er en intensiv egenskap, avhenger den ikke av dimensjonene eller formen på lederen, men bare av materialet den er laget av. Av denne grunn, hvis vi ønsker å sammenligne elementer basert på deres evne til å lede elektrisitet, er det nok å sammenligne deres ledningsevne.

Avhengig av ledningsevnen til et materiale, kan det klassifiseres som en leder, halvleder og isolator. Følgende tabell viser konduktivitetsområdene for hver type materiale:

Når du vet hvilke konduktivitetsverdier som kjennetegner ledere, viser følgende tabell en ordnet liste over konduktiviteten til de 50 elementene i det periodiske systemet som best leder elektrisitet. Disse verdiene tilsvarer konduktiviteten til elementene i volum, det vil si i makroskopiske mengder.

Som vi kan se er det grunnstoffet som best leder elektrisitet sølv (Ag) og har en ledningsevne på 6.30.10 ⁷ S/m . Dette betyr at en blokk av rent sølv med et tverrsnitt på 1 m ² og en lengde på 1 m vil ha en ledningsevne på 6.30.10 ⁷ siemens eller A/V. Dette betyr igjen at hvis vi påfører en konstant elektrisk potensialforskjell på 1 V mellom de to flatene på lederen, vil det genereres en elektrisk strøm på 6.30.10 ^{7 ampere.}

Konduktivitet uttrykt på denne måten er vanskelig å visualisere, siden det ikke er vanlig å ta en 1 m ³ blokk med rent sølv og bruke den som en elektrisk leder. I stedet er det mer praktisk å uttrykke konduktivitet i form av Sm/mm ² . I disse enhetene er ledningsevnen til sølv 63,0 Sm/mm ² . Dette innebærer at hvis vi legger en spenning på 1 V over en sølvleder som er 1 m lang og har et tverrsnittsareal på 1 mm 2 , vil det genereres en strøm ^{på 63,0 ampere.}

Sølv, kobber, gull og aluminium som elektriske ledere

En enkel beregning fra dataene i tabellen ovenfor viser at sølv har en ledningsevne som er 5,7 % høyere enn kobber, 39,4 % høyere enn gull og 67,1 % høyere enn aluminium. Imidlertid brukes disse tre elementene mye oftere i elektriske applikasjoner enn sølv. Faktisk brukes sølv sjelden som en elektrisk leder til tross for at det er det elementet som leder elektrisitet best.

Årsakene bak dette er enkle. For det første er kobber et mye billigere metall enn sølv, mens det bare er litt mindre ledende. Av denne grunn er det mye mer fornuftig å bruke kobber i elektronikk og bygningsledninger i stedet for sølv, da økningen i ledningsevnen ikke rettferdiggjør den imponerende prisøkningen.

Dette gjelder enda mer når det gjelder aluminium, som brukes enda hyppigere og i større mengde enn kobber, spesielt i kilometerlange høyspentledninger. Aluminium er mye billigere og lettere å produsere enn kobber, og er også lettere og mer motstandsdyktig mot korrosjon. Hvis vi sammenligner en kobberleder med en aluminiumsleder med det dobbelte av tverrsnittsarealet, er konduktansen til aluminiumslederen mer enn det dobbelte av kobberlederen (den leder elektrisitet bedre), prisen er fortsatt lavere (omtrent en 40 % billigere) og i tillegg er den 40 % lettere. Alle disse egenskapene gjør aluminium, til tross for rangering på fjerde plass i konduktivitet, til en mer egnet leder enn sølv og kobber i mange bruksområder.

På den annen side er gull et mye dyrere edelt metall enn sølv, det er en dårligere elektrisk leder, og det er mye tettere eller tyngre. Det er da verdt å spørre oss selv, hvorfor brukes gull oftere som en elektrisk leder enn sølv? Årsaken har å gjøre med de kjemiske egenskapene til gull. I tillegg til å være et edelt metall, er gull også et edelmetall.svært motstandsdyktig mot korrosjon. Dette gjør det til det perfekte materialet for produksjon av elektriske kontakter i applikasjoner som datautstyr, mobile enheter, etc. Sølv på sin side får raskt patina på overflaten når det kommer i kontakt med luft, på grunn av oksidasjonen av overflateatomene. Dette reduserer ledningsevnen og gjør dette metallet uegnet for denne typen bruk.

Grafen er en bedre leder enn sølv

Hvis vi snakker om ledningsevnen til rene elementer, er det ett element som slår alle de andre, og merkelig nok er det ikke sølv. Det handler om karbon. Vi snakker imidlertid ikke om hvilket som helst karbon som det vi kunne finne naturlig, men om en helt spesiell form for karbon kalt grafen.

Grafen er en veldig spesiell allotrop av karbon. Det er et heksagonalt gitter av sp ² -hybridiserte karbonatomer ett atom tykt. Den består av bare ett av lagene med karbonatomer som utgjør grafittallotropen. Siden den bare er ett atom tykt, kalles denne typen materiale en todimensjonal krystall og har unike fysiske egenskaper, inkludert den høyeste kjente elektriske ledningsevnen.

I noen laboratorier er det rapportert ledningsevner i størrelsesorden 8.0.10 ^{7 S/m for grafen, som er 27 % høyere enn ledningsevnen til sølv,} noe som gjør grafen, og derfor karbon, til det grunnstoffet som best leder elektrisitet .

Til tross for det ovennevnte, det faktum at denne ledningsevnen tilsvarer nanometriske prøver av materiale i stedet for makroskopiske volumer av elementet, kan det være upassende å sammenligne denne ledningsevnen med andre metaller, som ble målt for hvert element i makroskopiske prøver. . På denne skalaen kan en ny form for et annet element vise seg å være en bedre leder selv enn grafen. Av denne grunn kan vi for øyeblikket overlate gullmedaljen til sølvet.

Referanser

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

Global, B. (2022, 12. januar). Kan grafenbaserte 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). Hva er den beste lederen av elektrisitet? Kretser klare. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/

Pastor, J. (2014, 7. februar). Grafen leder elektrisitet enda bedre enn teorien antydet . 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 av elektrisitet? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity

Sølv er den beste lederen av varme og elektrisitet.(a) Sant(b) Usant . (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 beste lederen av elektrisitet? (2016, 16. november). Fysikkstabelutveksling. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity