مفهوم المواد الموصلة للكهرباء
تُعرَف المواد الموصلة (بالإنجليزية: Electrical Conductors) بأنّها المواد التي يُمكن للتيار الكهربائي المرور عبرها، وبذلك يُمكن استخدامها في صناعة و تركيب الدارات الكهربائيّة .
وتعدّ سهولة حركة الإلكترونات خاصيّة مميّزة للموصلات عمومًا فمن خلالها تتمكّن من نقل الشحنات الكهربائية، كما تحتلّ المعادن النسبة الأكبر من المواد المستخدمة في التطبيقات العملية للمواد الموصلة، بسبب كفاءتها العالية في التوصيل.
أشهر المعادن الموصلة للكهرباء
من المعادن التي تمتاز بقدرتها الكبيرة على توصيل الكهرباء:
الفضة
تُعدّ الفضة أفضل موصل للتيار الكهربائي؛ لأنّها تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات الحرة، فعند مرور الكهرباء من خلال المعدن فإنّها تعمل على تحريك الإلكترونات في المعدن لتستطيع المرور من خلاله.
لذا كلما زاد عدد الإلكترونات الحرة في المعدن زادت موصليته للكهرباء، ومع ذلك لا تُعدّ الفضة الأكثر استخداماً في مجال التوصيل الكهربائي؛ بسبب كلفتها الباهظة.
النحاس
يُعدّ النحاس أقل موصلية للكهرباء من الفضة، إلّا أنّه أقل تكلفة من الفضة، لذا فإنّه يشيع استخدامه عند الحاجة إلى قدر كبير من المواد الموصلة للكهرباء.
الألومنيوم
يُعدّ الألومنيوم مقارنة بوزن الوحدة أكثر موصلية من النحاس وذا تكلفة أقل، إلّا أنّ استخدام الألومنيوم ينطوي عليه عدد من العيوب، من أهمّها ميل الألومنيوم إلى تكوين أكسيد مقاوم للتوصيل الكهربائي في الموصلات الكهربائية، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الموصل.
لذا يُستخدم الألومنيوم في خطوط النقل ذات الجهد العالي، حيث يتمّ تغطيتها بالفولاذ لتوفير حماية إضافية لها.
الذهب
يُعدّ الذهب موصلاً جيداً للكهرباء، بالإضافة إلى عدم تأكسده عند تعرضه للهواء كالنحاس والفولاذ، إلّا أنّه معدن باهظ الثمن، لذا فهو يُستخدم فقط في أمور محددة، مثل الموصلات الكهربائية الصغيرة.
الفولاذ
عبارة عن سبيكة من الحديد، وهو موصل جيد للكهرباء، إلّا أنّه شديد التآكل في الهواء، لذا فهو يُستخدم لتطويق الموصلات الأخرى، أو في المنشآت الضخمة.
الحديد
يعدّ الحديد من الموصلات الكهربائية الجيّدة بسبب خاصية عدم التمركز التي تتمتّع بها إلكتروناته، إذ يمكنها الدوران حول ذرّات مختلفة.
ويُستخدم الحديد بصورة واسعة في تصميم هياكل الأدوات الكهربائية، كما يُمكن معالجته لتحسين مواصفاته واستخدامه بصورة أوسع في مجال الكهرباء، وتُساهم خصائصه المغناطيسيّة في زيادة استخدامه في مجال المولدات، والمحرّكات الكهربائية.
البلاتين
يعدّ البلاتين من الموصلات الكهربائية الجيّدة، كما أنّ له استخدامات واسعة في مجال الكابلات الصوتيّة، كما أنّه مستخدم في الأقطاب الكهربائيّة، وبعض الأسلاك المستخدمة في المصابيح، ومن ميّزات هذا المعدن صلابته، ومقاومته للتأكسد.
النيكل
يُصنّف معدن النيكل ضمن المواد جيّدة التوصيل الكهربائي، كما أنّ له العديد من الاستخدامات، كصناعة الأسلاك مثلًا، أو المعدات العسكرية والفضائية، كما أنّه من المعادن المستخدمة في تحسين صفات المعادن الأخرى عن طريق دمجه معها أو طلائها لحمايتها، إضافةً إلى استخدامه في صناعة البطاريات والإلكترونيات.
تجربة فحص موصلية المواد للكهرباء
يمكن تحديد موصلية المواد للكهرباء من خلال تجربة فحص بسيطة كما هو موضّح أدناه:
الأدوات اللازمة لتجربة فحص موصلية المواد للكهرباء
تتطلّب هذه التجربة تحضير الأدوات الآتية:
- جهاز قياس المقاومة الكهربائي (أوميتر) رباعيّ النقاط (Four-terminal ohmmeter).
- مواد للاختبار بشكل شبيه بالصندوق.
خطوات تنفيذ تجربة فحص موصلية المواد للكهرباء
يُمكن تنفيذ التجربة تبعًا للخطوات الموضّحة فيما يأتي:
- قياس المقاومة الكهربائية لمادة الاختبار باستخدام الأوميتر عن طريق تثبيت زوج من الأسلاك على الأوجه المتقابلة للمادة.
- يقيس الجهاز كل من الجهد والتيار الكهربائي، ويُظهر النتيجة مباشرةً بعد تطبيق قانون: المقاومة= الجهد/ التيار.
- قياس أبعاد المادة المراد اختبار موصليتها، ويكون الطول هو المسافة الفاصلة بين أطراف الجهاز، كما تعبّر المساحة عن مساحة سطح قياس المقاومة.
- حساب الموصلية باستخدام القانون: الموصلية= الطول/ المساحة × المقاومة، وتُحسب بوحدة سيمنز المكافئة لوحدة أوم.
العوامل التي تؤثر على الموصلية الكهربائية
تؤثر العديد من العوامل على كفاءة توصيل المواد للتيار الكهربائي، ومن هذه العوامل ما يأتي:
تتناسب موصلية المواد عكسيًا مع درجة حرارتها، إذ تقل الموصلية بارتفاع درجة حرارة المادة.
يؤثر وجود الشوائب سلبًا على كفاءة توصيل المواد المختلفة للتيار الكهربائي، ويمكن تفسير ذلك بتقليلها من سهولة تدفّق الإلكترونات.
- التركيب البلّوري والحالة الفيزيائية للمادة
يؤثر التركيب البلوري وطريقة معالجة المواد على كفاءتها في التوصيل، كما تختلف كفاءة توصيل المواد باختلاف حالتها الفيزيائية، كما أنّها تقل عمومًا عند النقطة الفاصلة بين حالة وأخرى.
- وجود مجالات كهرومغناطيسية مجاورة
يمكن أن يؤدي وجود مجالات مغناطيسية قريبة إلى إعاقة مرور التيار الكهربائي.
يؤثر التردّد العالي على قيمة التوصيل وكفاءته، فالتردد العالي يؤدي إلى انتقال التيار للتدفّق حول المادة الموصلة بدلًا من التدفّق عبرها.
