همه چیز در رابطه با مواد رسانا و نارسانا ( الکتریکی – گرمایی)

رسانا و نارسانا دو دسته از مواد هستند که کاربرد گسترده ای در زندگی روزمره ما دارند. در واقع می توان گفت در صورت نبود این ترکیبات خیلی از وسایل الکترونیکی و گرمایشی نمی توانند کار کنند.

البته علاوه بر رسانا و نارسانا مواد دیگری همچون نیمه رسانا و ابر رسانا را نیز در این زمینه ها مورد استفاده قرار می دهیم. رسانا یا هادی ماده ای است که می تواند به راحتی انرژی را انتقال دهد. در مقابل نارسانا یک عایق است که هیچ انرژی از آن عبور نمی کند. در مبحث رسانا و نارسانا را تعریف کنید کلاس چهارم این ترکیبات به خوبی شرح داده شده اند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

رسانا چیست و چه موادی رساناهای خوبی هستند

در فیزیک و مهندسی برق، رسانا جسم یا ماده ای است که انتقال جریان الکتریکی را در یک یا چند جهت امکان پذیر می کند. مواد ساخته شده از فلز رساناهای الکتریکی متداول هستند. جریان الکتریکی در واقع با جریان الکترون های دارای بار منفی  و در برخی موارد با جریان یون های مثبت یا منفی تولید می شود.

یکی از بهترین رساناهای الکتریکی فلز نقره است و پس از آن مس و طلا هستند که کاربرد گسترده ای در وسایل الکترونیکی دارند. از آنجاییکه سطح خارجی نقره در فرکانس های بالا تیره و لکه دار می رسانایی آن کاهش می یابد در این موارد فلز ترجیحی به دلیل ارزانی و خصوصیات فیزیکی دیگر مس است. البته در وسایل الکترونیکی مهم به دلیل  مقاومت در برابرخوردگی  از طلا استفاده می شود.

بیشتر فلزات رساناهای خوبی برای جریان الکتریکی هستند به همین دلیل از آلومینیوم، روی، نیکل، آهن و پلاتین و حتی آلیاژهای برنج و برنز نیز در وسایل الکترونیکی استفاده می شود.

تعریف رسانایی گرمایی

انتقال حرارت یا گرما در واقع انتقال انرژی داخلی توسط برخورد میکروسکوپی ذرات و حرکت الکترون ها در داخل یک جسم است . ذرات برخورد کننده ، که شامل مولکول ها ، اتم ها و الکترون ها هستند ، انرژی پتانسیل میکروسکوپی بی نظمی را که به طور مشترک به عنوان انرژی داخلی شناخته می شود را انتقال می دهند.

گرما خود به خود از یک جسم گرم تر به یک جسم سردتر جریان می یابد. به عنوان مثال ، گرما از صفحه گرم اجاق گاز برقی به دیگ منتقل می شود. در غیاب منبع انرژی محرک خارجی مخالف ، درون یک جسم یا بین اجسام ، اختلاف دما با گذشت زمان به تعادل گرمایی نزدیک می شود و دما یکنواخت تر می شود. معمولا رساناهای الکتریکی ، رساناهای گرمایی خوبی هم هستند بنابراین در این زمینه نیز فلزات بهتر عمل می کنند. با دانستن موارد فوق اکنون می توانید نارسانای گرمایی را تعریف کنید.

تعریف رسانایی الکتریکی

الکترون های خارجی همانطور که در رسانایی گرمایی نقش دارند در اثر جریان الکتریسیته نیز به حرکت در آمده و جریان را هدایت می کنند. هنگامی که اختلاف پتانسیل در یک ماده رسانا در دو نقطه اتفاق می افتد ، الکترون ها انرژی کافی برای تولید جریان الکتریسیته را بدست می آورند. بنابراین به طور کلی در یک ماده رسانا به وفور الکترون وجود دارد.

به عبارت دیگر می توان گفت که در مواد هادی یا رسانا پیوندهای فلزی وجود دارند. این پیوندهای فلزی بر اساس ساختار یونهای مثبت و منفی فلز ساخته شده اند و توسط ابر الکترونی احاطه می شوند.

تفاوت رسانا و نارسانا چیست

الکترون های ظرفیتی مانند سیاراتی هستند که به دور یک ستاره می چرخند. آنها به اندازه کافی به اتمهای خود جذب شده اند تا در موقعیت خود بمانند اما بیرون کشیدن آنها همیشه انرژی زیادی لازم ندارد – این الکترون ها به راحتی جریان الکتریکی را حمل می کنند. موادی  مانند فلزات و پلاسما که به راحتی الکترون از دست می دهند و الکترون به دست می آورند ، در بالای لیست رساناها قرار دارند.

در مقابل مولکول های آلی عمدتا نارسانا هستند زیرا توسط پیوندهای کووالانسی (الکترون مشترک) به هم متصل شده اند و پیوند هیدروژنی موجود در آنها نیز به پایدارسازی بسیاری از مولکول ها کمک می کند. واقعیت این است که بیشتر مواد نه رسانای خوبی هستند و نه عایق خوب بلکه جایی در وسط قرار می گیرند. اینها به راحتی هدایت گرما و الکتریسیته را انجام نمی دهند اما اگر انرژی کافی تأمین شود ، الکترون ها حرکت می کنند.

سرامیک رسانا است یا نارسانا

برخی از مواد به صورت خالص عایق هستند اما اگر با مقادیر کمی از عنصر دیگر ترکیب شوند یا حاوی ناخالصی باشند می توانند به رسانا تبدیل شوند. به عنوان مثال ، بیشتر سرامیک ها عایق های عالی هستند اما اگر آنها را دوپ کنید ، می توانید یک ابررسانا ایجاد کنید. آب خالص نیز یک عایق است اما آب آلوده یک رسانای ضعیف است و آب شور – با وجود یونهای شناور آزاد – یک هادی خوب است.

در مورد مثال نارسانا می توان به چوب خشک اشاره کرد که یک غیر رسانا است ولی چوب خیس یا مرطوب رسانای الکتریسیته است و می ‌تواند به عنوان یک خطر برای برق گرفتگی شناخته شود.

انوع رسانا

بهترین هادی الکتریکی ، در شرایط دما و فشار معمولی ، عنصر فلزی نقره است. البته نقره همیشه رسانای ایده آلی نیست ، زیرا گران است و مستعد لکه دار شدن است و لایه اکسید معروف به لکه که روی آن ایجاد می شود رسانا نیست.

به همین ترتیب ، زنگ زدگی و سایر لایه های اکسید ، رسانایی را حتی در قوی ترین هادی ها کاهش می دهند. موثرترین هادی های الکتریکی عبارتند از:

• نقره
• طلا
• فلز مس
• آلومینیوم
• جیوه فولاد
• آهن
• آب دریا

دیگر هادی های قوی عبارتند از:

• پلاتین
• برنج
• برنز
• گرافیت
• آب آلوده
• آب لیمو

انواع نارسانا

بارهای الکتریکی در این ترکیبات آزادانه جریان ندارند و این وضعیت در بسیاری از موارد یک کیفیت ایده آل است – از عایق های قوی اغلب برای پوشاندن یا ایجاد مانع بین هادی ها جهت کنترل جریان های الکتریکی استفاده می شود. این را می توان در سیم ها و کابل های روکش دار لاستیکی مشاهده کرد. موثرترین عایق های الکتریکی عبارتند از:

• لاستیک
• شیشه
• آب خالص
• روغن
• هوا
• الماس
• چوب خشک
• پنبه خشک
• پلاستیک

عایق های قوی دیگر عبارتند از:

• فایبرگلاس
• کاغذ خشک
• ظروف چینی
• سرامیک
• کوارتز

فاکتورهای تأثیرگذار بر رسانایی

شکل و اندازه یک ماده بر هدایت آن تأثیر دارد. به عنوان مثال ، یک قطعه ماده ضخیم بهتر از یک قطعه نازک به همان اندازه و طول هدایت الکتریکی و گرمایی  دارد. اگر دو قطعه از ماده ضخامت یکسانی داشته باشند اما یکی از آن کوتاهتر از ماده دیگر باشد ، ماده کوتاهتر عملکرد بهتری خواهد داشت زیرا قطعه کوتاه تر مقاومت کمتری دارند ، دقیقاً به همان روشی که انتقال آب از یک لوله کوتاه تر بهتر از یک لوله بلند انجام می شود.

دما هم بر هدایت تأثیر می گذارد. با افزایش دما ، اتم ها و الکترون ها انرژی بیشتری به دست می آورند. بعضی از عایق ها مانند شیشه هنگام خنک بودن رسانای ضعیفی هستند اما در هنگام گرم شدن به یک رسانای خوب تبدیل می شوند . بیشتر فلزات در زمان خنک بودن رسانای بهتری هستند و هنگام گرم شدن رسانایی کمتری دارند. برخی از هادی های خوب در دمای بسیار پایین به ابر رسانا تبدیل می شوند.

گاهی اوقات خود رسانایی، دمای ماده را تغییر می دهد. الکترون ها از طریق رساناها جریان می یابند بدون اینکه به اتمها آسیب برسانند یا باعث سایش شوند. از آنجاییکه الکترون های متحرک مقاومت را تجربه می کنند. به همین دلیل جریان های الکتریکی می تواند مواد رسانا را گرم کند.

نارسانا یا عایق چیست؟

موادی که جریان الکتریکی ، گرما یا صدا را منتقل نمی کنند یا آن را ضعیف منتقل می کند به عنوان نارسانا شناخته می شوند برخی از نمونه های غیر رساناها لاستیک ، پلاستیک و الماس هستند. نارسانایی می تواند الکتریکی و گرمایی باشد مواد غیر رسانا را می توان تقریباً در همه وسایل الکتریکی و کنترل گرما استفاده کرد.

ارائه مواد غیر رسانا در همه صنایع یکی از ویژگیهای کلیدی است زیرا می توانند گرمای حاصل از منابع الکتریکی یا طبیعی را کنترل کنند. شیشه ، چینی ، پلاستیک و لاستیک نمونه هایی از مواد غیر رسانا هستند. این مواد به عنوان عایق نیز شناخته می شوند. از آنها برای جلوگیری از جریان برق استفاده می شود.

عایق ها از جریان الکترون جلوگیری می کنند یا مانع آن می شوند. اتم های داخل غیر هادی ها الکترون اضافی ندارند که آزادانه در یک ماده حرکت کنند. با این حال ، چیزی به عنوان یک عایق کامل وجود ندارد زیرا یک عایق می تواند رسانای الکتریکی شود.

تفاوت اجسام رسانا و نارسانا علوم هشتم

رسانا یا هادی ها موادی هستند که به الکترون ها اجازه می دهند از طریق جریان الکتریکی عبور کنند. این جریان به عنوان رسانایی ماده شناخته می شود. یک جسم رسانا همچنین اجازه می دهد تا گرما و نور از جسمی به جسم دیگر منتقل شود. این ترکیبات همچنین دارای الکترون های آزاد بر روی سطح خود است که اجازه می دهد جریان الکتریکی به راحتی از آن عبور کند.

تمایز اولیه بین رسانا و نارسانا این است که عایق هر ماده ای است که از انتقال گرما، صدا یا الکتریسیته جلوگیری می کند. از طرف دیگر رسانا هر ماده ای است که از انتقال الکتریسیته جلوگیری نکند. تمایزات دیگری بین این دو در منشأ، معادل‌ ها، معانی و سایر اصطلاحات مرتبط وجود دارد. ویژگی های فیزیکی اجزای اطراف ما ممکن است آنها را متمایز کند، مانند جنبه، تحرک، رنگ، ساختار، جذب، جهت گیری و غیره.

عایق ها واحدهای اساسی هستند که اجازه نمی دهند الکتریسیته از آنها عبور کند. آنها، در بیشتر موارد، جامد هستند. عایق ها اغلب در سیستم های مختلف استفاده می شوند زیرا از جریان گرما جلوگیری می کنند. ویژگی مقاومت، عایق ها را از هادی ها متمایز می کند. چوب، پارچه، پلاستیک، الماس و کریستال همگی عایق های خوبی هستند. عایق ها از گرما، صدا و البته انتقال بار الکتریکی محافظت می کنند. علاوه بر این، عایق ها اصلاً الکترون اضافی ندارند. این بهترین و به طور گسترده پذیرفته شده ترین توضیح برای اینکه چرا آنها الکتریسیته را هدایت نمی کنند، است.

مواد یا موادی که اجازه می دهند الکتریسیته در آنها جریان ضعیفی داشته باشد، نارسانا هستند. علاوه بر این، نارساناها اجازه می دهند گرما از آنها عبور کند اما ضعیف. نارساناها عناصری هستند که جریان الکتریکی را قادر به عبور از آنها نمی کنند. این یک عایق الکتریکی ناکارآمد و ضعیف است. یک میدان الکتریکی اعمال شده می تواند این ماده را قطبی کند. اینها به عنوان مواد دی الکتریک نیز شناخته می شوند. آنها موادی هستند که به شدت قطبش پذیر هستند. نمونه های معروف سرامیک، ظروف شیشه ای، میکا و پلیمرها هستند.