Tabla de Contenidos
När det gäller förmågan att leda elektricitet kan material grovt delas in i ledande, halvledande och isolerande eller dielektriska material. Som namnet antyder är en elektrisk ledare vilket material som helst som kan leda elektricitet när det är anslutet till en potentialskillnad eller när det utsätts för inverkan av ett elektriskt fält.
Förmågan att leda elektricitet är en karakteristisk egenskap hos metaller. Faktum är att de allra flesta av de bästa ledarna är metalliska element. En mycket speciell allotrop av kol är dock kapabel att konkurrera med även den mest ledande metallen i hela det periodiska systemet.
Hur mäts ett materials förmåga att leda elektricitet?
Ett materials förmåga att leda elektricitet mäts genom elektrisk ledningsförmåga. Detta är en intensiv egenskap hos materia som representerar konduktansen hos en ledare av enhetslängd och tvärsnitt. Eftersom den är en intensiv egenskap, beror den inte på dimensionerna eller formen på ledaren utan bara på materialet från vilket den är gjord. Av denna anledning, om vi vill jämföra element baserat på deras förmåga att leda elektricitet, räcker det att jämföra deras ledningsförmåga.
Beroende på ledningsförmågan hos ett material kan det klassificeras som en ledare, halvledare och isolator. Följande tabell visar konduktivitetsintervallen för varje typ av material:
| Typ av material | Typiskt konduktivitetsområde (S/m) |
| Förare | 10 2 – 10 8 |
| Halvledare | 10 -6 – 10 -4 |
| Isolerande | 10 -19 – 10 -11 |
Genom att veta vilka konduktivitetsvärden som kännetecknar ledare visar följande tabell en ordnad lista över konduktiviteterna för de 50 elementen i det periodiska systemet som bäst leder elektricitet. Dessa värden motsvarar elementens konduktivitet i volym, det vill säga i makroskopiska kvantiteter.
| Element | kemisk symbol | Elektrisk ledningsförmåga (σ.m/S) vid 20°C (293K) | Typ av material |
| Silver | aug | 6,30,10 7 | Förare |
| Koppar | cu | 5,96,10 7 | Förare |
| Guld | åh | 4,52,10 7 | Förare |
| Aluminium | Till | 3,77,10 7 | Förare |
| Kalcium | AC | 2.98.10 7 | Förare |
| Beryllium | Vara | 2,81,10 7 | Förare |
| Rodium | Rh | 2,33,10 7 | Förare |
| Magnesium | mg | 2,28,10 7 | Förare |
| iridium | Gå | 2.13.10 7 | Förare |
| Natrium | na | 2,10,10 7 | Förare |
| Volfram | W | 1 89,10 7 | Förare |
| Molybden | Mo | 1,87,10 7 | Förare |
| Kobolt | Co | 1,79,10 7 | Förare |
| Zink | Zn | 1 69,10 7 | Förare |
| Kadmium | CD | 1,47,10 7 | Förare |
| Nickel | Varken | 1,44,10 7 | Förare |
| Rutenium | ru | 1,41,10 7 | Förare |
| Kalium | k | 1 39,10 7 | Förare |
| indiska | I | 1,25,10 7 | Förare |
| Osmium | Du | 1,23,10 7 | Förare |
| Litium | Li | 1.08.10 7 | Förare |
| Järn | Tro | 1.04.10 7 | Förare |
| Platina | pt | 9,52,10 6 | Förare |
| Palladium | P.S | 9,49,10 6 | Förare |
| Tenn | sn | 8,70,10 6 | Förare |
| Krom | Cr | 8.00.10 6 | Förare |
| Rubidium | rb | 7,81,10 6 | Förare |
| tantal | Ta | 7,63,10 6 | Förare |
| Strontium | herr | 7,58,10 6 | Förare |
| Gallium | Ga | 7,35,10 6 | Förare |
| torium | th | 6,80,10 6 | Förare |
| tallium | tl | 6,67,10 6 | Förare |
| Niob | Obs | 6,58,10 6 | Förare |
| renium | Re | 5,81,10 6 | Förare |
| Protaktinium | pa | 5,65,10 6 | Förare |
| Vanadin | V | 5,08,10 6 | Förare |
| Cesium | cs | 4,88,10 6 | Förare |
| Leda | bp | 4,81,10 6 | Förare |
| Ytterbium (290–300 K) | Yb | 4.00.10 6 | Förare |
| Uran | ELLER | 3,57,10 6 | Förare |
| Hafnium | Hf | 3.02.10 6 | Förare |
| Barium | Ba | 3.01.10 6 | Förare |
| Antimon | sb | 2,56,10 6 | Förare |
| Titan | Du | 2,56,10 6 | Förare |
| Polonium | po | 2,50,10 6 | Förare |
| Zirkonium | Zr | 2,38,10 6 | Förare |
| Scandium (290–300 K) | sc | 1,78,10 6 | Förare |
| Lutetium (290–300 K) | lu | 1,72,10 6 | Förare |
| Yttrium (290–300 K) | OCH | 1,68,10 6 | Förare |
| Lantan (290–300 000) | De | 1,63,10 6 | Förare |
Som vi kan se är det grundämne som bäst leder elektricitet silver (Ag) och har en konduktivitet på 6.30.10 7 S/m . Detta innebär att ett block av rent silver med ett tvärsnitt på 1 m 2 och en längd på 1 m kommer att ha en konduktivitet på 6.30.10 7 siemens eller A/V. Detta betyder i sin tur att om vi applicerar en konstant elektrisk potentialskillnad på 1 V mellan ledarens två ytor, kommer en elektrisk ström på 6.30.10 7 ampere att genereras.
Konduktivitet uttryckt på detta sätt är svår att visualisera, eftersom det inte är vanligt att ta ett 1 m 3 block av rent silver och använda det som en elektrisk ledare. Istället är det bekvämare att uttrycka konduktivitet i termer av Sm/mm 2 . I dessa enheter är ledningsförmågan för silver 63,0 Sm/mm 2 . Detta innebär att om vi applicerar en spänning på 1 V över en silverledare som är 1 m lång och har en tvärsnittsarea på 1 mm 2 kommer en ström på 63,0 ampere att genereras.
Silver, koppar, guld och aluminium som elektriska ledare
En enkel beräkning från data i tabellen ovan visar att silver har en konduktivitet som är 5,7 % högre än koppar, 39,4 % högre än guld och 67,1 % högre än aluminium. Dessa tre element används dock mycket oftare i elektriska applikationer än silver. Silver används faktiskt sällan som en elektrisk ledare trots att det är det element som leder elektricitet bäst.
Skälen bakom detta är enkla. För det första är koppar en mycket billigare metall än silver, samtidigt som den bara är något mindre ledande. Av denna anledning är det mycket mer meningsfullt att använda koppar i elektronik och byggnadsledningar snarare än silver, eftersom ökningen av konduktiviteten inte motiverar den imponerande prishöjningen.
Detta gäller i ännu högre grad när det gäller aluminium, som används ännu mer frekvent och i större mängd än koppar, särskilt i kilometerlånga högspänningsledningar. Aluminium är mycket billigare och lättare att tillverka än koppar, och är dessutom lättare och mer motståndskraftigt mot korrosion. Om vi jämför en kopparledare med en aluminiumledare med dubbelt så stor tvärsnittsarea, är konduktansen hos aluminiumledaren mer än dubbelt så stor som kopparledaren (den leder elektricitet bättre), dess pris är fortfarande lägre (ungefär en 40% billigare) och dessutom är den 40 % lättare. Alla dessa egenskaper gör aluminium, trots att den ligger på fjärde plats i konduktivitet, till en mer lämplig ledare än silver och koppar i många applikationer.
Å andra sidan är guld en mycket dyrare ädelmetall än silver, det är en sämre elektrisk ledare och den är mycket tätare eller tyngre. Det är värt att fråga oss själva, varför används guld oftare som en elektrisk ledare än silver? Anledningen har att göra med guldets kemiska egenskaper. Förutom att vara en ädelmetall är guld också en ädelmetall.mycket motståndskraftig mot korrosion. Detta gör det till det perfekta materialet för tillverkning av elektriska kontakter i applikationer som datorutrustning, mobila enheter, etc. Silver, å andra sidan, får snabbt en patina på sin yta när det kommer i kontakt med luft, på grund av oxidationen av ytatomerna. Detta minskar dess ledningsförmåga vilket gör denna metall olämplig för denna typ av applikation.
Grafen är en bättre ledare än silver
Om vi pratar om ledningsförmågan hos rena element, finns det ett element som slår alla andra och konstigt nog är det inte silver. Det handlar om kol. Men vi pratar inte om vilket kol som helst som det vi kunde hitta naturligt, utan om en mycket speciell form av kol som kallas grafen.
Grafen är en mycket speciell allotrop av kol. Det är ett hexagonalt gitter av sp 2 -hybridiserade kolatomer en atom tjockt. Den består av endast ett av lagren av kolatomer som utgör grafitallotropen. Eftersom den bara är en atom tjock, kallas denna typ av material en tvådimensionell kristall och har unika fysikaliska egenskaper, inklusive den högsta kända elektriska ledningsförmågan.
I vissa laboratorier har ledningsförmåga i storleksordningen 8.0.10 7 S/m för grafen rapporterats, vilket är 27 % högre än ledningsförmågan för silver, vilket gör grafen, och därför kol, till det grundämne som bäst leder elektricitet .
Trots ovanstående, det faktum att denna ledningsförmåga motsvarar nanometriska materialprov istället för makroskopiska volymer av elementet, kan det vara olämpligt att jämföra denna ledningsförmåga med den för andra metaller, som mättes för varje element i makroskopiska prover. . På denna skala kan någon ny form av ett annat element visa sig vara en bättre ledare till och med än grafen. Av denna anledning kan vi för tillfället lämna guldmedaljen till silvret.
Referenser
10 Elektriskt ledande material . (2022). Elkablar och ledare. https://cablesyconductores.com/materiales-conductores-de-electricidad/
Global, B. (2022, 12 januari). Kan grafenbaserade ledare konkurrera med koppar i elektrisk ledningsförmåga? Bosch Global. https://www.bosch.com/stories/can-graphene-compete-with-copper-in-electrical-conductivity/
Orendain, S. (2020, 11 augusti). Vilken är den bästa ledaren av elektricitet? Kretsar redo. https://circuitoslistos.com/cual-es-el-mejor-conductor-de-electricidad/
Pastor, J. (2014, 7 februari). Grafen leder elektricitet ännu bättre än teorin föreslog . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/el-grafeno-conduce-la-electricidad-aun-mejor-de-lo-que-apuntaba-la-teoria
Rizwan, A. (2021, 3 september). Varför är silver en bra ledare av elektricitet? Biomadam. https://www.biomadam.com/why-silver-is-good-conductor-of-electricity
Silver är den bästa ledaren av värme och elektricitet.(a) Sant(b) Falskt . (2020, 14 augusti). Vedanthu. https://www.vedantu.com/question-answer/silver-is-the-best-conductor-of-heat-and-class-10-chemistry-cbse-5f363d6ff224761096d481fb
Varför är silver den bästa ledaren av elektricitet? (2016, 16 november). Fysik Stack Exchange. https://physics.stackexchange.com/questions/293019/why-is-silver-the-best-conductor-of-electricity
