آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا فلزات رسانای جریان الکتریکی هستند؟ شاید از خودتان پرسیده باشید که چرا فلزات (و البته آب) تنها هادی های الکتریکی هستند که در زندگی روزمره با آنها روبرو می شویم؟ بنابراین تا انتها همراه ما باشید و این مقاله جذاب و علمی را از دست ندهید.
خواص فلزات
اتم های عناصر توسط پیوندهای کووالانسی یونی، کووالانسی و مختصات (داتیو) به یکدیگر متصل می شوند؛ البته نوع دیگری از پیوند به نام پیوند فلزی وجود دارد که فقط بین فلزات برقرار است. در ادامه با بررسی پیوندهای شیمیایی فلزات (پیوندهای فیزیکی و الکترون‌های آزاد) و خواص الکتریکی آنها خواهیم دانست راز و روش رسانا بودن فلزات چیست.
پیوندهای شیمیایی
پیوندهای فلزی
نیروی جاذبه الکترواستاتیکی بین اتم هایی با بار مثبت و دریایی از الکترون ها را، پیوندهای فلزی می نامند. هر چه تعداد الکترون‌ها در این دریا بیشتر باشد، فلزات توانایی رسانایی الکتریکی بیشتری خواهند داشت؛ البته فلزات دارای خواص فیزیکی دیگری نیز هستند، از جمله:
- ساختار مواد فلزات به‌شدت در هم تنیده است و این گویای استحکام پیوندهای فلزی خواهد بود.
- اتم ها به صورت لایه ای مرتب شده اند.
- فلزات واسطه دارای کرنش کششی بسیار بالایی هستند که این از جمله خواص شبکه های فلزی است.
- فلزات چکش خوار و انعطاف پذیر هستند.
الکترون های آزاد
الکترون های موجود در شبکه های مواد را الکترون آزاد می نامند. کلمه “آزاد” در ساختار الکترون آزاد، به بی بند بودن و حرکت آسان آن اشاره دارد. الکترون ها عاری از مرزهای اتمی هستند، اما با نیروهای جاذبه ای که پیوند فلزی نامیده می شود، به اتم های اطراف پیوند می خورند.
خواص الکتریکی فلزات
فلزات دارای دریایی از الکترون های آزاد در ساختار خود هستند و این الکترون ها، منبع رسانایی هستند که در یک مدار الکتریکی قرار دارند. جریان الکتریکی به عنوان عبور الکترون از یک ماده تعریف می شود. فلزات موادی با ساختارهای شبکه ای هستند که به آنها شبکه های فلزی می گویند. هر اتم در یک شبکه فلزی، توسط دریایی از الکترون ها احاطه شده است. هنگامی که الکترون های منبع الکتریکی (باتری) می آیند، الکترون های شبکه به بیرون رانده می شوند؛ بنابراین فلزات این کار را ادامه می دهند (الکتریسیته را هدایت می کنند) تا زمانی که الکترون های شبکه جایگزین شوند (نه حذف).
فلزات رسانای جریان الکتریکی
به بیان کلی به میزان توانایی اجسام برای هدایت جریان الکتریکی، رسانایی گفته می‌شود و اگر جسمی این قابلیت را داشته باشد، آن را رسانای جریان الکتریکی می‌دانند. مقاومت الکتریکی در اجسام، اساساً به‌عنوان نقطه مقابل رسانای الکتریکی قرار گرفته و به‌صورت مقاومت جسم در برابر انتقال جریان الکتریکی تعریف می‌شود.
از دلایل اصلی رسانا بودن بعضی از اجسام مثل فلزات، می‌توان به وجود الکترون‌های آزاد در لایه‌های آخر اتم آنها اشاره نمود؛ به‌صورت کلی موادی (همچون فلزات) که در لایه‌های آخر خود دارای الکترون آزاد هستند، از رسانایی الکتریکی بالایی برخوردار هستند و موادی که اتم‌های آنان فاقد الکترون آزاد باشد (همانند چوب و پلاستیک)، نارسانای جریان الکتریکی خواهند بود.
رسانایی فلزات بر اساس نظریه باند هدایت (CBT)
بر اساس نظریه نوار رسانایی، نوارهای ظرفیت و رسانایی در فلزات بسیار نزدیک به یکدیگر بوده و به نظر می رسد که آنها با یکدیگر همپوشانی دارند. هنگامی که فلزات به یک منبع (باتری) متصل می شوند، الکترون های باند ظرفیت ممکن است به راحتی به نوار رسانایی بپرند؛ این الکترون ها و این پرش مسئول خاصیت رسانایی فلزات هستند.
بایستی دانست که سه نوع هادی الکتریکی وجود دارد:
هادی ها
نیمه هادی ها
عایق ها
و طبق نظریه CBT (تئوری باند هدایت)، فلزات رسانایی هستند که بین نوارهای هدایت و ظرفیت همپوشانی دارند؛ نیمه هادی ها واسطه هایی هستند که اختلاف کمی بین باندهای ظرفیت و رسانایی دارند و عایق ها نیز تفاوت زیادی بین باند ظرفیت و رسانایی دارند که به همین دلیل است که عایق ها نمی توانند الکترون های خود را به نوار رسانایی ارتقا دهند تا تبدیل به رسانا شوند.
آیا میزان رسانایی همه فلزات به یک اندازه است؟
میزان رسانایی همه فلزات به یک اندازه نیست؛ در بخش زیر به رتبه‌بندی فلزات برحسب میزان رسانایی جریان الکتریکی آنان، اشاره شده است:
1- نقره خالص 105.2 درصد
2- مس 100.3 درصد
3- طلا خالص 70.4 درصد
4- آلومینیوم 61.5 درصد
5 برنج 28.6 درصد
6- روی 27.7 درصد
7- نیکل 22.8 درصد
8- آهن خاص 17.9 درصد
روش‌هایی برای تغییر رسانایی الکتریکی فلز
روش‌های زیادی وجود دارد که مهندسان می‌توانند رسانایی الکتریکی فلزات را تغییر دهند، از تغییر محیط فلز گرفته تا اصلاح مرز دانه؛ در ادامه به بررسی هریک از آنان خواهیم پرداخت:
شکل
شکل، مقاومت ذاتی مواد را تغییر نمی دهد، اما بر مقاومت بیرونی تأثیر می گذارد. از آنجایی که مقاومت الکتریکی همان الکترون هایی هستند که از هر سطح مقطع عبور می کنند، می توانید آن را را با ضرب مقاومت ویژه در طول سیم و تقسیم بر سطح مقطع سیم محاسبه کنید. مهندسان مواد به اندازه مقاومت ویژه با مقاومت سر و کار ندارند، اما دانستن این رابطه مهم است. به خصوص به این دلیل که افزایش مقاومت می تواند دما را تغییر دهد و افزایش دما، خود می تواند بر مقاومت تأثیر بگذارد.
درجه حرارت
با افزایش دما، ارتعاشات اتم ها نیز افزایش می یابد. این ارتعاشات منجر به افزایش تعداد زیادی برخورد می شود که در نتیجه در دسترس بودن الکترون های آزاد را کاهش خواهد داد؛ از این رو با افزایش دما رسانایی هم کاهش می یابد.
ناخالصی اتم
به دلیلی مشابه دما، افزایش ناخالصی اتم ها نیز باعث کاهش رسانایی می شود؛ زیرا تحرک الکترون ها را کاهش می دهد. هنگامی که فلزات مختلف با هم ذوب می شوند، محلولی جامد-جامد به وجود می آید که آلیاژ نامیده می شود؛ معمولاً فلزات را برای افزایش استحکام آنها آلیاژ می کنند. اما ممکن است رسانایی آنها را کاهش دهد. هنگام آلیاژ کردن عناصر در محلول جامد، عنصر فلز پایه ساختار شبکه ای را تشکیل می دهد. بیشتر اتم‌های شبکه از یک نوع هستند، اما در آلیاژها عناصر اضافی وجود دارد که می‌توانند جایگزین عنصر پایه شوند (که محلول جامد جایگزین نامیده می‌شود).
از آنجایی که این عناصر دارای اندازه متفاوتی با عنصر پایه هستند، شبکه را تحت فشار قرار می دهند و رسانایی را کاهش می دهند؛ شایان ذکر است که حتی افزودنی های آلیاژی کوچک می توانند تأثیر زیادی بر رسانایی داشته باشند، به عنوان مثال، افزودن 0.2 درصد وزنی آلومینیوم به مس می تواند رسانایی مس را تا 20 درصد کاهش دهد.
حتی اگر عناصر اضافی، یک محلول جامد (Solid solution) را تشکیل ندهند، رسوبات نیز می‌توانند هدایت الکتریکی را کاهش دهند؛ البته در بسیاری از موارد، رسوب‌ها رسانایی را کمتر از اتم‌های محلول جامد کاهش می‌دهند. جالب است بدانید که یک روش سریع برای تعیین رسوب در فلزات، بررسی رسانایی آنان است.
مرزهای دانه (Grain Boundaries)
چهارمین روشی که مهندسان می توانند رسانایی را کنترل کنند، تغییر مرزهای دانه است. مرزهای دانه بخش هایی از فلز هستند که در آن دو آرایش کریستالی با جهت متفاوت به هم می رسند. مرزهای دانه دارای کرنش شبکه ای هستند که با الکترون ها برهمکنش می کند و تحرک آنها را کاهش می دهد؛ مرزهای دانه کمتر، به معنای افزایش مقاومت است.
چرا آب رسانای الکتریسیته است؟ (هدایت یونی)
برخلاف فلزات که الکتریسیته را توسط «الکترون‌های آزاد» هدایت می‌کنند، آب با حرکت یون‌های باردار الکتریسیته را هدایت می‌کند. یون اتمی با بار خالص مثبت یا منفی است؛ به عنوان مثال، اگر نمک خوراکی (NaCl) را بگیرید و آن را در آب حل کنید، نمک به Na+ و Cl– تجزیه می شود و به عبارتی دیگر Na یک الکترون را از Cl می‌دزدد.
در حالت عادی خود، این یون ها به طور تصادفی در اطراف آب پخش می شوند؛ با این حال، زمانی که آب تغییر بالقوه ای را تجربه می کند، یون های شناور آزاد می توانند حرکت کنند. از آنجایی که یون‌های مثبت به سمت یک بار منفی جذب شده و یون‌های منفی با بار منفی دفع می‌شوند، اگر یک سر سیم زنده را در وان حمام نمک فرو کنید، الکترون‌های موجود در سیم، یون‌های کلر را دفع کرده و یون‌های Na+ را جذب می‌کنند.
جریان خالص اتم های باردار چیزی است که باعث می شود الکتریسیته در اتم ها جریان یابد؛ خود الکترون ها در واقع حرکت نمی کنند (از نظر فنی، در واقع نیمی از واکنش‌ها رخ می‌دهند: 2e– + H2O —> 2OH– + H2 و 2Cl– –> Cl2 + 2e– که به این معنی است که در نهایت، آب تمام یون‌ها را مصرف کرده و هدایت را متوقف می‌کند).
در نتیجه این بدان معناست که آب خالص رسانای خوبی نیست؛ رسانایی آب دریا حدود یک میلیون برابر بیشتر از آب خالص و صد برابر بیشتر از آب آشامیدنی است. با این حال، از آنجایی که آب آشامیدنی معمولی غالباً دارای یون های حل شده در آن است (از فلز یا مواد معدنی)، آب آشامیدنی حدود 10000 برابر بیشتر از آب خالص رسانا است.
جمع‌بندی کلی
در مقاله فوق به‌صورت کلی به بررسی چرا فلزات رسانای جریان الکتریکی پرداخته شد و می‌توان اذعان نمود که در بیشتر فلزات، الکترون‌های آزاد وجود داشته و سبب رسانایی آنها می‌شوند. از بهترین فلزات رسانای جریان الکتریکی، می‌توان به عناصری همچون نقره خالص، مس، طلا، آلومینیوم، برنج، روی و … اشاره داشت. لطفا نظرات خود را پیرامون چرا فلزات رسانای جریان الکتریکی با ما و مخاطبان ما در قسمت دیدگاه‌ها به اشتراک بگذارید.
2324 بازدید
الهه زینالی
