رسانایی الکتریکی اندازه گیری این است که چگونه یک ماده به راحتی اجازه می دهد جریان الکتریکی از آن عبور کند. برعکس، مقاومت الکتریکی میزان مقاومت یک ماده در برابر جریان الکتریکی را اندازه می‌گیرد. این دو ویژگی دقیقاً معکوس یکدیگر هستند. هدایت الکتریکی با حرف یونانی نشان داده می شود σ و مقاومت الکتریکی با حرف یونانی نشان داده می شود ρ.
مواد اغلب به دلیل هدایت الکتریکی آنها برای کاربردها انتخاب یا دور انداخته می شوند، زمانی که عبور جریان الکتریکی برای عملکرد کاربرد آنها بسیار مهم است. فلزات عموما بهترین رسانای الکتریسیته هستند در حالی که پلیمرها کمترین رسانای الکتریسیته هستند. نقره بهترین رسانای الکتریسیته است، اما به دلیل کمیاب بودن و هزینه گزاف آن، به ندرت برای این کار استفاده می شود.
در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:
- رسانایی الکتریکی چیست؟
- اندازه گیری هدایت الکتریکی
- کاربردهای هدایت الکتریکی
- مواد و کاربردهای آینده
مقطع کابل برق زیرزمینی.
رسانایی الکتریکی چیست؟
رسانای خوب الکتریسیته نیز اغلب رسانای خوبی برای گرما هستند که در بیشتر فلزات مشهود است. دمای یک ماده می تواند رسانایی آن را به روشی نه چندان ساده تحت تأثیر قرار دهد. برای موادی که به عنوان رسانا شناخته می شوند، به طور کلی دما افزایش می یابد کاهش می دهد هدایت آنها و بالعکس. اما در مورد عایق ها، در واقع افزایش دما برعکس است افزایش هدایت آنها این رابطه بین دما و هدایت الکتریکی در ایجاد ابررساناها مفید است. ابررسانا ماده ای است که الکتریسیته را تقریباً بدون هیچ گونه مقاومتی هدایت می کند. تا کنون، تمام ابررساناهای شناخته شده به دمای بسیار پایین (تا 234-) نیاز دارندoج) برای نمایش این ویژگی.
رسانایی الکتریکی یک ماده با فرمول به دست می آید
`sigma =frac{1}{rho}`
جایی که ρ مقاومت ماده است.
مقاومت در اهم · متر (Ω · m) اندازه گیری می شود، در حالی که رسانایی بر حسب زیمنس بر متر (S/m) اندازه گیری می شود.، که متقابل واحد مقاومت است. رسانایی یا مقاومت الکتریکی یک ماده یک ویژگی تغییر ناپذیر است که با توجه به اندازه یا شکل ماده تغییر نمی کند.
رسانایی یک ماده با دما متفاوت است، اما می تواند بر اساس میدان مغناطیسی اعمال شده نیز تغییر کند. تا کنون، ما فرض کرده ایم که همه مواد همگن و همسانگرد هستند. همگن به این معنی که خواص یک ماده بدون توجه به اینکه نمونه از کجا گرفته شده است یکسان است، و همسانگرد به این معنی است که این خواص بدون توجه به اینکه از کدام جهت اندازه گیری می شوند دارای ارزش یکسانی هستند. با این حال، این همیشه صادق نیست، به خصوص برای نیمه هادی ها، که مواد خاصی هستند که رسانایی متفاوتی در جهات مختلف از خود نشان می دهند. علاوه بر این، هدایت و مقاومت نباید به ترتیب با رسانایی یا مقاومت اشتباه گرفته شود. اگرچه به هم مرتبط هستند، اما یکسان نیستند و قابل تعویض نیستند. رسانایی و مقاومت متناسب با اندازه ماده مورد نظر متفاوت است، در حالی که رسانایی و مقاومت متفاوت است..
میز 1. مقاومت و رسانایی مواد معمول در دمای 20 درجه سانتیگراد [1]
| مواد | مقاومت ρ (Ω.m) در 20 درجه سانتیگراد | رسانایی σ (S/m) در 20 درجه سانتی گراد |
| نقره | 1.59×10-8 | 6.30×107 |
| فلز مس | 1.68×10-8 | 5.96×107 |
| طلا | 2.44×10-8 | 4.10×107 |
| آلومینیوم | 2.82×10-8 | 3.5×107 |
| کلسیم | 3.36×10-8 | 2.98×107 |
| تنگستن | 5.60×10-8 | 1.79×107 |
| فلز روی | 5.90×10-8 | 1.69×107 |
| نیکل | 6.99×10-8 | 1.43×107 |
| لیتیوم | 9.28×10-8 | 1.08×107 |
| اهن | 1.0×10-7 | 10×107 |
| پلاتین | 1.06×10-7 | 9.43×106 |
| قلع | 1.09×10-7 | 9.17×106 |
| فولاد کربن | -1010 | 1.43×10-7 |
| رهبری | 2.2×10-7 | 4.55×106 |
| تیتانیوم | 4.20×10-7 | 2.38×106 |
| کنستانتان | 4.9×10-7 | 2.04×106 |
| فولاد ضد زنگ | 6.9×10-7 | 1.45×106 |
| سیاره تیر | 9.8×10-7 | 1.02×106 |
| کربن (بی شکل) | 5×10-4 – 8×10-4 | 1.25 – 2×103 |
| کربن (الماس) | 1×1012 | ~ 10-13 |
| سیلیکون | 6.40×102 | 1.56×10-3 |
| شیشه | 10×1010 – 10×1014 | 10-11 – 10-15 |
| لاستیک سخت | 1×1013 | 10-14 |
| تفلون | 10×1022 – 10×1024 | 10-25 – 10-23 |
اندازه گیری هدایت الکتریکی
تکنیک‌های دو نقطه‌ای و چهار نقطه‌ای دو تا از رایج‌ترین تکنیک‌ها برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی هستند [2].
تکنیک دو نقطه ای
این روش شامل عبور جریان (از طریق منبع ولتاژ) از یک نمونه (یک میله مستطیلی) از یک ماده است. این جریان از طریق دو گره مسی که به هر دو انتهای میله متصل هستند (از این رو تکنیک دو نقطه ای نامیده می شود) تحویل داده می شود. مقدار جریانی که از میله عبور می کند اندازه گیری می شود و از آنجایی که ولتاژ از قبل مشخص است، مقاومت با فرمول زیر محاسبه می شود.
`R =frac{V}{I}`
جایی که آر = مقاومت در Ω، V = ولتاژ بر حسب ولت و من = جریان بر حسب آمپر
رسانایی میله را می توان به صورت محاسبه کرد
`sigma =frac{l}{Rwh}`
جایی که σ رسانایی بر حسب S/m است، آر مقاومت اندازه گیری شده بر حسب Ω و است w، ساعت، و ل به ترتیب عرض، ارتفاع و طول نوار نمونه هستند.
تکنیک چهار نقطه
تکنیک دو نقطه ای ذاتاً مستعد خطا است زیرا تجهیزات اندازه گیری به طور مؤثر دارای ویژگی هایی هستند که همزمان با نمونه آزمایشی نیز اندازه گیری می شوند. این بدان معنی است که رسانایی اندازه گیری شده مواد معمولاً کمتر از چیزی است که واقعاً هست. تکنیک چهار نقطه ای با استفاده از یک ولت متر متصل به طول مشخصی از نمونه جدا از آمپرمتر که از دو سر متصل است، بسیاری از این خطاها را کاهش می دهد. یک منبع جریان جریان را از نمونه عبور می دهد و ولتاژ و جریان به ترتیب با ولت متر و آمپر متر اندازه گیری می شوند.
رسانایی میله را می توان به صورت محاسبه کرد
`sigma =frac{Il^{1}}{Vwh}`
جایی که σ رسانایی است که بر حسب S/m اندازه گیری می شود، من جریان اندازه گیری شده توسط آمپر متر در آمپر است، V ولتاژی است که توسط ولت متر بر حسب ولت اندازه گیری می شود، ل1 طول بین دو نقطه ای است که ولتاژ اندازه گیری می شود، w و ساعت به ترتیب عرض و ارتفاع نوار نمونه هستند.
کاربردها و مواد
رسانایی الکتریکی در صنایع مختلف از انتقال نیرو گرفته تا الکترونیک کاربرد دارد. در اینجا چند نمونه از کاربردهای رایج اصل رسانایی آورده شده است [3].
- خطوط برق هوایی که برای انتقال برق مورد استفاده قرار می گیرند معمولاً از آلومینیوم ساخته شده اند زیرا رسانای بسیار خوبی برای الکتریسیته است. به طور مشابه، بیشتر عایق ها از پلیمر با رسانایی بسیار کم ساخته می شوند تا از انسان در برابر شوک الکتریکی محافظت کنند.
- برای جلوگیری از تخلیه الکترواستاتیک (ESD)، پلاستیک ها و کامپوزیت های رسانای الکتریکی به گونه ای طراحی شده اند که الکتریسیته ساکن را از بین ببرند. این در الکترونیک که در آن از پلاستیک برای پوشش استفاده می شود و سایر کاربردهایی که تخلیه الکترواستاتیک ممکن است باعث اشتعال گاز یا مایع قابل اشتعال شود، مهم است.
- رسانایی الکتریکی می تواند توسط یک سنسور برای تعیین سطح مشترک بین دو مایع در صورتی که تفاوت قابل توجهی در رسانایی داشته باشند، مورد استفاده قرار گیرد. این می تواند در فرآوری شیمیایی و ساخت غذا و نوشیدنی مفید باشد.
- نمک زدایی آب دریا از هدایت الکتریکی برای نظارت بر چگونگی حذف جامدات یونی محلول از آب استفاده می کند و در نتیجه بینشی از کامل بودن فرآیند تصفیه می دهد.
مواد و کاربردهای آینده
نادر بودن برخی از مواد، هزینه های تولید آنها و سایر عوامل به این معنی است که اغلب اوقات بهترین ماده برای یک کاربرد خاص، از نقطه نظر رسانایی الکتریکی، همیشه انتخاب نمی شود. نقره که به عنوان بهترین رسانای فلزی شناخته می شود، برای کاربردهای مدار مجتمع عالی است زیرا بی اثر است. طلا، اگرچه رسانایی کمتری دارد، اما زمانی که محافظت در برابر تشعشع مهم است بهتر از نقره خواهد بود. الماس، کم رساناترین ماده ای است که تا کنون به آن اشاره کرده ایم، ممکن است تنها گزینه زمانی باشد که فشارهای بالا در میان باشد. در نهایت، ابررساناها تقریباً مواد کاملی هستند اما برای عملکرد به دمای نزدیک به صفر مطلق نیاز دارند. ابررایانه‌های کوانتومی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که به ابررساناها نیاز دارند، زیرا محاسبات آنها بر تعداد دقیق تخلیه الکترون‌ها متکی است تا با سرعت و دقت خود کار کنند. [4].
خطوط انتقال نیرو به ترکیبی از مواد با خاصیت هدایت الکتریکی و مقاومت الکتریکی نیاز دارند.
[1] الف. هلمنستین، “جدول مقاومت و رسانایی الکتریکی”، [Online] در دسترس از: https://sciencenotes.org/table-of-electrical-resistivity-and-conductivity/، 2019.
[2] هینیمایکل بی. رسانایی و مقاومت الکتریکی” اندازه گیری الکتریکی، پردازش سیگنال و نمایشگر. اد. جان جی. وبستر. CRC Press، 2003.
[3] “نظریه و کاربرد رسانایی” مدیریت فرآیند امرسون [Online] موجود در: https://www.emerson.com/documents/automation/application-data-sheet-theory-application-of-conductivity-rosemount-en-68442.pdf
[4] G. Maglione، “کاوش در قلمرو رسانایی”، [Online] موجود در: https://ysjournal.com/exploring-the-realm-of-conductivity/