التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة
يمكن تعريف الموصلية بأنها السهولة التي يمكن للتيار الكهربائي أن يمر بها عبر مادة معينة، ومن الجدير بالذكر أن المواد الصلبة لا توصل الكهرباء بكميات متساوية، فبعضها لديه موصلية عالية، والبعض الآخر لا يوصل الكهرباء على الإطلاق، وعلى أساس التوصيل الكهربائي، يمكن تقسيم المواد الصلبة بشكل عام إلى ثلاث فئات:
الموصلات
الموصلات هي المواد الصلبة التي تسمح بمرور التيار الكهربائي بسهولة من خلالها، وتعد المعادن بشكل عام موصلات جيدة للكهرباء، ويعود السبب في ذلك إلى وجود إلكترونات حرة الحركة داخلها.
أشباه الموصلات
عندما توفير طاقة كافية للإلكترونات فإن هذه الطاقة تجعل الإلكترونات تقفز إلى نطاق التوصيل، ومثال على ذلك، أنه تزداد موصلية أشباه الموصلات مع زيادة درجة الحرارة.
العوازل
وهي المواد التي لا توصل الكهرباء إطلاقا، حتى لو تم توفير كمية كبيرة من الطاقة لهذه المواد الصلبة، فإنها لا توصل الكهرباء.
الموصلات والعوازل
تتمتع إلكترونات الأنواع المختلفة من الذرات بدرجات متباينة من حرية الحركة، وتكون الإلكترونات الخارجية في الذرات مرتبطة بشكل خفيف لدرجة أنها تتحرك بشكل عشوائي في الفراغ بين ذرات تلك المادة من خلال تأثير الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة، ونظرًا لأن هذه الإلكترونات غير مقيدة تقريبًا، فإنها تكون حرة في ترك ذراتها وغالبًا ما يطلق عليها الإلكترونات الحرة، وتتمتع إلكترونات الذرات بقدر ضئيل جدًا من الحرية في التحرك في أنواع معينة من المواد، وتسمى الانتقال النسبي للإلكترونات داخل ذرات المادة بالتوصيل الكهربائي.
تحديد مستوى الموصلية في المواد
يمكن تحديد الموصلية من خلال أنواع الذرات في المادة، وهي عدد البروتونات في نواة كل ذرة، وتحديد هويتها الكيميائية، وكيفية ارتباط الذرات ببعضها البعض، وتسمى المواد ذات الحركة العالية للإلكترون -التي تحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة- بالموصلات، بينما تسمى المواد ذات الحركة المنخفضة للإلكترونات -تحتوي عدد قليل من الإلكترونات الحرة- بالعوازل، إضافة إلى أنه ليست كل المواد الموصلة لها نفس المستوى من الموصلية، وليست كل المواد العازلة لها نفس مستوى العزل.
أمثلة شائعة على المواصلات والعوازل
فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة على الموصلات والعوازل:
- الموصلات: الفضة، النحاس، الذهب، الألومنيوم، الحديد، النحاس، البرونز، الزئبق ، الجرافيت، المياه غير النقية، الإسمنت.
- العوازل: الزجاج، النفط، الإسفلت، الألياف الزجاجية، الخزف، السيراميك، الكوارتز، القطن (الجاف)، الورق (الجاف)، الخشب (الجاف)، البلاستيك، الهواء، الألماس ، الماء النقي.
العلاقة بين الموصلية الكهربائية والحرارة
الموصلات الجيدة للكهرباء غالبًا ما تكون أيضًا موصلات جيدة للحرارة، وهذا يتضح في معظم المعادن، ويمكن أن تؤثر درجة حرارة مادة ما في الموصلية بطريقة غير مباشرة، حيث أنه وبالنسبة للمواد المعروفة باسم الموصلات، تؤدي الزيادة في درجة الحرارة بشكل عام إلى تقليل الموصلية والعكس صحيح، أما بالنسبة للعوازل، يكون الحال على العكس من ذلك، حيث أن الزيادة في درجة الحرارة تزيد فعليًا من درجة توصيلها.
