Elektromos vezetés
A fizikában az elektromos vezető olyan anyag, amely képes elektromos áramot vezetni.
Az elektromos vezetésre képes anyagok fő példái a kristályos szerkezetű fémek. A kristályban az atomok nagyon közel vannak egymáshoz (a rácsállandó kicsi), ezért a szomszédos atomok közösen használják a vegyértékelektronjaikat. A sávszerkezetben ez azt jelenti, hogy a közös elektron egyaránt tartozik a vezetési és a vegyérték sávhoz, vagyis a két sáv részben fedi egymást. A kristályban sok szabad elektron van, ennek következtében az anyag jól vezet, fajlagos vezetőképessége nagy.
Jó elektromos vezetők a fémek (ezüst, réz, alumínium, vas stb.), az elektrolitok és a grafit.
Elektromos vezetők
szerkesztésAz elektromos vezetők olyan anyagok, amelyek szabadon mozgó, elektromosan töltött részecskéket tartalmaznak. Ezek eljutása az egyik helyről a másikra az elektromos áram.
Azt, hogy a testek mennyire jó vezetők, az elektromos vezetőképességgel (konduktancia) jellemzik, melynek jele: G. (Az elektromos vezetőképesség helyett röviden csak a vezetőképesség kifejezést is használják.) Az elektromos vezetőképesség az ellenállás reciproka, képlettel:
- .
Mértékegysége a siemens, jele: S (Ernst Werner von Siemens tiszteletére). A siemens az ohm reciproka, mert
- .
Anyag | ρ [Ω·m] 20°C-on | σ [S/m] 20°C-on |
---|---|---|
Ezüst (Ag) | 1,59 × 10−8 | 6,30 × 107 |
Réz (Cu) | 1,68 × 10−8 | 5,96 × 107 |
Alumínium (Al) | 2,82 × 10−8 | 3,50 × 107 |
A különféle anyagokat elektromos vezetés szempontjából a fajlagos vezetőképességgel (konduktivitás) jellemzik, jele: σ. A fajlagos vezetőképesség a fajlagos ellenállás reciproka, képlettel:
- .
Mértékegysége a siemens/méter, mert
- .
Az áramvezetés mechanizmusa alapján az elektromos vezetők két csoportba sorolhatók. Az elsőfajú vezetők (elektronvezetők, fémes vezetők) esetében az elektromosságot az elektromos erőtér hatására elmozduló elektronok vezetik, míg a másodfajú vezetők (elektrolitok, ionvezetők) esetében ionok szállítják az elektromosságot.
Elsőfajú/elsőrendű vezetők
szerkesztésAz elsőfajú vezetők közé főleg a szilárd, illetve folyékony fémek tiszta vagy ötvözött állapotban tartoznak, továbbá más fémfényű anyagok (félvezetők, grafit, fémoxidok, szulfidok, karbidok stb.). Vezetőképességük a kristályszerkezeten alapul, amelyben a le nem kötött vegyértékelektronok sok atom közös elektronjaivá válnak, és szabadon elmozdulhatnak. Az elsőfajú vezetők kémiailag változatlanok maradnak az áram vezetése közben. A grafit csak a rétegekkel párhuzamosan tudja vezetni az áramot. A legjobb vezető az ezüst; utána a réz és az arany következik.[1]
A vezetőképesség hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével a fémek ellenállása lassan nő, míg a félvezetőké és a grafité akár csökkenhet is. Alacsony hőmérsékleten egyes anyagok, akár hőszigetelők ellenállása a nullára esik vissza; ez a jelenség a szupravezetés.
Kvantummechanika
szerkesztésA fémeket kvantummechanikai szempontból vizsgálva a hullámegyenletekből és a Fermi–Dirac-statisztikából adódóan az elektronok nem vehetnek fel akármekkora energiát. A felvehető energiák sávokba rendeződnek, amiket tiltott sávok választanak el egymástól. Ezek a sávok a fém kristályrácsától függnek.
Az abszolút nulla fokon a legnagyobb energiájú elektron energiája a Fermi-energia. Ha ez a Fermi-energia szabad sávba esik, akkor az anyag vezető. Ha tiltott sávba, akkor félvezető vagy szigetelő, attól függően, hogy a termikus energia elég-e a sávhatár átlépéséhez.
A félvezetők tiszta állapotukban stabil kovalens kötésekkel összetartott kristályrácsot alkotnak. Magasabb hőmérsékleten az elektronok átléphetnek egy szabad sávba, ezért a félvezetők magasabb hőmérsékleten jobban vezetik az áramot, ellentétben a fémekkel. A félvezetőkben a szabad sávba felugrott elektron lyukat hagy maga után, amibe más elektronok ugornak bele, ezért a lyuk mozog. Mivel a semleges atomokat egy negatív töltésű elektron hagyja el, ezért a lyuk pozitív töltéshordozónak minősül. Ezért a lyukak is hozzájárulnak a vezetőképességhez; ez a lyukvezetés. A tiszta félvezetőben ugyanannyi lyuk van, mint elektron; ez szennyezéssel mindkét irányban megváltoztatható. Például a nitrogénnel szennyezett szilíciumban aránylag sok az elektron, ezért n-vezető lesz, míg a bórral szennyezettben a lyukak lesznek többen, és azok válnak a fő töltéshordozóvá; ezt p-vezetésnek nevezik.
Szupravezetés
szerkesztésA szupravezetés azt jelenti, hogy az adott anyag ellenállása egy bizonyos hőmérséklet alatt nullára esik vissza. A jelenség a kvantummechanikával magyarázható. Alacsony hőmérsékleten fordul elő. Míg az első vizsgált anyagoknál ez a hőmérséklet az abszolút nulla fok közelében volt, ma már ismeretesek jóval magasabb hőmérsékleten szupravezetővé váló anyagokat. Ez azonban még mindig túl hideg a legtöbb gyakorlati alkalmazás számára, hiszen nem lépi át a -130°C-t.
Felhasználása:
- érzékeny elektromágneses érzékelők
- az ellenállás által okozott veszteség csökkentése
- az elektromos áram veszteségmentes szállítása
Másodfajú/másodrendű vezetők
szerkesztésAz elektrolitok másodfajú vezetők. Vezetőképességüket az egy vagy több só kristályrácsából kiszabadult ionok adják. Lehetnek sóoldatok vagy sóolvadékok.
A sóoldatok az elektrolitok klasszikus példái. A só kristályrácsából kioldott ionjait a poláris oldószer molekulái veszik körül; ezek elmozdulása adja az áramot. A pozitív ionok a negatív töltésű katód felé mozdulnak el, ezért kationoknak nevezik őket. A negatív töltésűek a pozitívan töltött anódhoz vonzódnak, ezért anionnak hívják őket. Az elektródokhoz érve az ionok elvesztik töltésüket és kiválnak. Így válhat ki fém a katódon, klór az anódon, vagy hidrogén a katódon és oxigén az anódon. Ezt a kémiai változást galvanizálásra is használják.
Az olvadt üveg szintén tartalmaz különféle ionokat, így melegíthető tovább az olvadt üveg azzal, hogy áramot vezetnek bele.
Hővezetés
szerkesztésA hővezetés a hő terjedésének egyik módja. Az elsőfajú vezetőkben a közös elektronok nemcsak töltést, hanem hőt is szállítanak. Általában a jó elektromos vezetők jó hővezetők is; ez a Wiedemann–Franz-törvény. Fémek esetén, mivel a hőt is a szabad elektronok szállítják, hőáram keletkezik. Ez a Seebeck-hatás.
Elektromos szigetelőkben a hőt a szerkezet rezgései terjesztik, így a hő hangsebességgel terjed. Félvezetőkben a hő terjedésének mindkét módja fontos.
A hővezetés a szilárd anyagokra jellemző. Folyadékokban, gázokban a hő főként áramlással és sugárzással terjed.
Jó hővezetők: kristályos fémek
Rossz hővezetők: fa, műanyag, sók
Az elektromágneses hullámok vezetése
szerkesztésNagyfrekvenciás és mikrohullámú vezetők
szerkesztésNagyobb frekvenciákon az elektromos jeleket már nem célszerű hagyományos huzalokon vezetni. A frekvencia növelésével erősödik az ún. skinhatás (bőr-hatás, felületi vezetés, áramkiszorítás), ami azt jelenti, hogy az áramsűrűség a vezeték keresztmetszetén nézve a közepe felé csökken, vagyis nagyobb ellenállást mutat. Ezért már az 50Hz-es energiaátvitelnél is inkább több vékony vezetéket, vagy sodort vezetéket használnak.
Nagyobb frekvenciákon ún. hullámvezetőket használunk, amikben a jel már inkább elektromágneses hullámként terjed. Ilyen a koaxiális kábel, amely egy belső vezetőből, azt körülvevő szigetelőből és egy külső (árnyékoló) vezetőrétegből áll. Egyenáramon és alacsony frekvencián a belső vezetőben terjed a jel, nagyobb frekvenciákon egyre inkább a két vezető közti szigetelőben terjed vezetett hullámként. A gigahertzes tartományban használnak csőtápvonalakat is, amelyek belül üreges, vezető falú csövek, jellemzően kör vagy téglalap keresztmetszettel. Ezekben csak vezetett hullámok terjednek, korlátozott frekvenciasávban (ahol a csőtápvonal keresztmetszete a fél hullámhossz körül van).
Fényvezetés
szerkesztésFényvezetés céljára optikai kábelek szolgálnak. Ezekben egy vagy több vékony optikai üvegszálat fognak össze. Bent a fény többszörösen is teljesen visszaverődve halad, ezért a csillapítás egészen kicsi lehet. A kétdimenziós fényvezetőket félvezetőlézerekben alkalmazzák.
Mágneses vezetők
szerkesztésKözeg | µr | Típusa |
---|---|---|
Szupravezetők | 0 | ideálisan diamágneses |
Ólom, cink, réz | < 1 | diamágneses |
Vákuum | 1 | egyezményes referenciaérték, semleges |
Levegő, alumínium, platina | > 1 | paramágneses |
Kobalt | 80…200 | ferromágneses |
Vas | 300…10.000 | ferromágneses |
Ferritek | 4…15.000 | ferromágneses |
Mumetall (NiFe) | 50.000…140.000 | ferromágneses |
amorf fémek | 700…500.000 | ferromágneses |
A mágneses vezetőképességet mágneses permeabilitásnak nevezik. Jele μ, és a mágneses mező befogadására való készséget jelöli. Szorosan kapcsolódik a mágneses szuszceptibilitáshoz. A permeabilitás a H mágneses térerő és a B mágneses indukció hányadosa:
- ,
és mértékegysége .
A μ0 = 1,2566·10-6·Vs/Am mágneses állandó a vákuum permeabilitása. A μr relatív permeabilitás egyenlő a μ permeabilitás és μ0 hányadosával:
- .
A mértékegység nélküli μr relatív permeabilitás a következőképpen függ össze a χ mágneses szuszceptibilitással:
A szupravezetők teljesen kilökik magukból a mágneses teret. Ez a Meißner-Ochsenfeld-hatás.
Jegyzetek
szerkesztés- ↑ Archivált másolat. [2017. augusztus 19-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2017. október 5.)
Források
szerkesztés- Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Aufl. Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000. ISBN 3-8171-1628-4
- Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Aufl. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
- Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Aufl. Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9
További információk
szerkesztés- Feszültség, áramerősség (Hozzáférés: 2017. október 5.)