Tabla de Contenidos
Pod względem zdolności przewodzenia elektryczności materiały można ogólnie podzielić na materiały przewodzące, półprzewodnikowe, izolacyjne lub dielektryczne. Jak sama nazwa wskazuje, przewodnikiem elektrycznym jest każdy materiał, który jest zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego, gdy jest podłączony do różnicy potencjałów lub poddany działaniu pola elektrycznego.
Zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego jest charakterystyczną właściwością metali. W rzeczywistości zdecydowana większość najlepszych przewodników to elementy metalowe. Jednak bardzo szczególny alotrop węgla jest w stanie konkurować nawet z najbardziej przewodzącym metalem w całym układzie okresowym.
Jak mierzy się zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego?
Zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego mierzy się przewodnictwem elektrycznym. Jest to intensywna właściwość materii, która reprezentuje przewodnictwo przewodnika o jednostkowej długości i przekroju. Będąc właściwością intensywną, nie zależy ona od wymiarów czy kształtu przewodnika, a jedynie od materiału, z którego jest wykonany. Z tego powodu, jeśli chcemy porównać pierwiastki na podstawie ich zdolności do przewodzenia prądu, wystarczy porównać ich przewodnictwo.
W zależności od przewodności materiału można go podzielić na przewodnik, półprzewodnik i izolator. Poniższa tabela przedstawia zakresy przewodności dla każdego rodzaju materiału:
| Rodzaj materiału | Typowy zakres przewodności (S/m) |
| Kierowca | 10 2 – 10 8 |
| półprzewodnikowy | 10 -6 – 10 -4 |
| Izolacyjny | 10 -19 – 10 -11 |
Wiedząc, jakie wartości przewodności charakteryzują przewodniki, poniższa tabela przedstawia uporządkowaną listę przewodności 50 pierwiastków układu okresowego pierwiastków, które najlepiej przewodzą prąd. Wartości te odpowiadają przewodności pierwiastków w objętości, czyli w ilościach makroskopowych.
| Element | symbol chemiczny | Przewodność elektryczna (σ.m/S) w 20°C (293K) | Rodzaj materiału |
| Srebro | sierpień | 6,30,10 7 | Kierowca |
| Miedź | cu | 596,10 7 | Kierowca |
| Złoto | Oh | 4,52,10 7 | Kierowca |
| Aluminium | Do | 377,10 7 | Kierowca |
| Wapń | AC | 2.98.10 7 | Kierowca |
| Beryl | Być | 281,10 7 | Kierowca |
| Rod | Rh | 2,33,10 7 | Kierowca |
| Magnez | mg | 2,28,10 7 | Kierowca |
| iryd | Iść | 2.13.10 7 | Kierowca |
| Sód | nie | 2,10.10 7 | Kierowca |
| Wolfram | W | 189,10 7 | Kierowca |
| molibden | pn | 187,10 7 | Kierowca |
| Kobalt | Współ | 179,10 7 | Kierowca |
| Cynk | zn | 169,10 7 | Kierowca |
| Kadm | płyta CD | 1,47,10 7 | Kierowca |
| Nikiel | Żaden | 1,44,10 7 | Kierowca |
| Ruten | ru | 1,41,10 7 | Kierowca |
| Potas | k | 1,39,10 7 | Kierowca |
| indyjski | W | 1,25,10 7 | Kierowca |
| Osm | Ty | 1,23,10 7 | Kierowca |
| Lit | Li | 1.08.10 7 | Kierowca |
| Żelazo | Wiara | 1.04.10 7 | Kierowca |
| Platyna | pkt | 9,52,10 6 | Kierowca |
| Paladium | PS | 9,49,10 6 | Kierowca |
| Cyna | sn | 870,10 6 | Kierowca |
| Chrom | Kr | 8.00.10 6 | Kierowca |
| Rubid | rb | 781,10 6 | Kierowca |
| tantal | Ta | 7,63,10 6 | Kierowca |
| Stront | Pan | 758,10 6 | Kierowca |
| Gal | Ga | 7,35,10 6 | Kierowca |
| tor | cz | 680,10 6 | Kierowca |
| tal | tl | 6,67,10 6 | Kierowca |
| Niob | Uwaga | 658,10 6 | Kierowca |
| ren | Odnośnie | 581,10 6 | Kierowca |
| Protaktyn | rocznie | 5,65,10 6 | Kierowca |
| Wanad | V | 5,08.10 6 | Kierowca |
| Cez | cs | 488,10 6 | Kierowca |
| Ołów | bp | 481,10 6 | Kierowca |
| Iterb (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | Kierowca |
| Uran | LUB | 3,57,10 6 | Kierowca |
| Hafn | Hf | 3.02.10 6 | Kierowca |
| Bar | Ba | 3.01.10 6 | Kierowca |
| Antymon | sb | 256,10 6 | Kierowca |
| Tytan | Ty | 256,10 6 | Kierowca |
| Polon | Po | 250,10 6 | Kierowca |
| Cyrkon | Zr | 2,38,10 6 | Kierowca |
| Skand (290–300 K) | sc | 178,10 6 | Kierowca |
| Lutet (290–300 K) | lu | 1,72,10 6 | Kierowca |
| Itr (290–300 K) | I | 168,10 6 | Kierowca |
| Lantan (290–300 K) | The | 1,63,10 6 | Kierowca |
Jak widać, pierwiastkiem, który najlepiej przewodzi prąd jest srebro (Ag) o przewodności właściwej 6,30,10 7 S/m . Oznacza to, że blok czystego srebra o przekroju 1 m2 i długości 1 m będzie miał przewodność 6,30,10 7 siemensów lub A/V. To z kolei oznacza, że jeśli zastosujemy stałą różnicę potencjałów elektrycznych 1 V między dwiema powierzchniami przewodnika, zostanie wygenerowany prąd elektryczny o natężeniu 6,30,10 7 amperów.
Przewodnictwo wyrażone w ten sposób jest trudne do wyobrażenia, ponieważ nieczęsto bierze się blok czystego srebra o powierzchni 1 m3 i używa go jako przewodnika elektrycznego. Zamiast tego wygodniej jest wyrażać przewodnictwo w postaci Sm/ mm2 . W tych jednostkach przewodnictwo srebra wynosi 63,0 Sm/mm 2 . Oznacza to, że jeśli przyłożymy napięcie 1 V do srebrnego przewodnika o długości 1 m i przekroju poprzecznym 1 mm 2 , zostanie wygenerowany prąd o natężeniu 63,0 amperów.
Srebro, miedź, złoto i aluminium jako przewodniki elektryczne
Proste obliczenie na podstawie danych w powyższej tabeli pokazuje, że przewodność srebra jest o 5,7% wyższa niż miedź, o 39,4% wyższa niż złoto io 67,1% wyższa niż aluminium. Te trzy pierwiastki są jednak znacznie częściej wykorzystywane w zastosowaniach elektrycznych niż srebro. W rzeczywistości srebro jest rzadko używane jako przewodnik elektryczny, mimo że jest pierwiastkiem, który najlepiej przewodzi prąd.
Przyczyny tego są proste. Po pierwsze, miedź jest znacznie tańszym metalem niż srebro, a jednocześnie jest tylko nieznacznie mniej przewodząca. Z tego powodu o wiele bardziej sensowne jest stosowanie miedzi w elektronice i okablowaniu budynków niż srebra, ponieważ wzrost przewodności nie usprawiedliwia imponującego wzrostu ceny.
Tym bardziej dotyczy to aluminium, które jest stosowane jeszcze częściej iw większych ilościach niż miedź, zwłaszcza w kilometrowych liniach wysokiego napięcia. Aluminium jest znacznie tańsze i łatwiejsze w produkcji niż miedź, a także jest lżejsze i bardziej odporne na korozję. Jeżeli porównamy przewód miedziany z przewodem aluminiowym o dwukrotnie większym przekroju, przewodność przewodu aluminiowego jest ponad dwukrotnie większa niż miedzianego (lepiej przewodzi prąd), jego cena jest wciąż niższa (ok. 40% tańszy) i dodatkowo jest o 40% lżejszy. Wszystkie te cechy sprawiają, że aluminium, pomimo czwartego miejsca pod względem przewodności, w wielu zastosowaniach jest bardziej odpowiednim przewodnikiem niż srebro i miedź.
Z drugiej strony złoto jest znacznie droższym metalem szlachetnym niż srebro, gorzej przewodzi prąd elektryczny, jest dużo gęstsze lub cięższe. Warto więc zadać sobie pytanie, dlaczego złoto jest częściej używane jako przewodnik elektryczny niż srebro? Powodem są właściwości chemiczne złota. Oprócz tego, że jest metalem szlachetnym, złoto jest również metalem szlachetnym.bardzo odporny na korozję. To czyni go idealnym materiałem do produkcji styków elektrycznych w zastosowaniach takich jak sprzęt komputerowy, urządzenia mobilne itp. Z drugiej strony srebro szybko pokrywa się patyną na swojej powierzchni w kontakcie z powietrzem w wyniku utleniania atomów powierzchni. Zmniejsza to jego przewodność, przez co metal ten nie nadaje się do tego typu zastosowań.
Grafen jest lepszym przewodnikiem niż srebro
Jeśli mówimy o przewodnictwie czystych pierwiastków, to jest jeden pierwiastek, który bije wszystkie inne i, co ciekawe, nie jest to srebro. Chodzi o węgiel. Jednak nie mówimy o jakimkolwiek węglu, takim jak ten, który możemy znaleźć naturalnie, ale o bardzo szczególnej formie węgla zwanej grafenem.
Grafen jest bardzo szczególnym alotropem węgla. Jest to heksagonalna siatka sp 2 -hybrydyzowanych atomów węgla o grubości jednego atomu. Składa się tylko z jednej z warstw atomów węgla, które tworzą alotrop grafitu. Mając grubość zaledwie jednego atomu, ten rodzaj materiału nazywany jest kryształem dwuwymiarowym i posiada unikalne właściwości fizyczne, w tym najwyższą znaną przewodność elektryczną.
W niektórych laboratoriach odnotowano przewodnictwo grafenu rzędu 8,0,10 7 S/m, które jest o 27% wyższe niż przewodnictwo srebra, co czyni grafen, a tym samym węgiel, pierwiastkiem najlepiej przewodzącym prąd elektryczny .
Pomimo powyższego, fakt, że przewodnictwo to odpowiada nanometrycznym próbkom materiału, a nie makroskopowym objętościom pierwiastka, może być niewłaściwe porównywanie tego przewodnictwa z przewodnictwem innych metali, które zmierzono dla każdego pierwiastka w próbkach makroskopowych. . W tej skali jakaś nowa postać innego pierwiastka może okazać się nawet lepszym przewodnikiem niż grafen. Z tego powodu złoty medal możemy na razie zostawić srebrnikom.
Bibliografia
10 Materiały przewodzące prąd elektryczny . (2022). Kable elektryczne i przewodniki. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/
Globalny, B. (2022, 12 stycznia). Czy przewodniki na bazie grafenu mogą konkurować z miedzią pod względem przewodności elektrycznej? Bosch globalny. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/
Orendain, S. (2020, 11 sierpnia). Co jest najlepszym przewodnikiem elektryczności? Obwody gotowe. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/
Pastor, J. (2014, 7 lutego). Grafen przewodzi elektryczność nawet lepiej niż sugerowała teoria . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria
Rizwan, A. (2021, 3 września). Dlaczego srebro jest dobrym przewodnikiem elektryczności? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-dobry-przewodnik-elektryczności
Srebro jest najlepszym przewodnikiem ciepła i elektryczności.(a) Prawda(b) Fałsz . (2020, 14 sierpnia). Wedantu. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb
Dlaczego srebro jest najlepszym przewodnikiem elektryczności? (2016, 16 listopada). Wymiana stosu fizyki. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity
