هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی

در این مقاله قصد داریم هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی را به صورت ریشه‌ای واکاوی کنیم و رفتار عناصر و اجسام مختلف نسبت به الکتریسیته را با توجه به ساختار آن‌ها مورد بررسی قرار دهیم. قبلا در مقاله‌ای در رابطه با بار الکتریکی و ساختار درون اتم صحبت کردیم و توصیه می‌کنیم ابتدا مقاله الکتریسیته چیست را برای پیش نیاز این مقاله مطالعه بفرمایید.

حتما شما هم از عباراتی همچون هادی برق، رسانا، نارسانا، عایق، نیمه رسانا و … استفاده کرده‌اید. اما آیا دلیل نسبت دادن این ویژگی به اجسام و عناصر را می‌دانید؟ برای دانستن این موضوع لازم است به علت و ریشه این نام‌گذاری بپردازیم؛ یعنی هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی.

انتقال انرژی

همانطور که می‌دانید در جهان هستی، انرژی‌های مختلف به طور مداوم در حال حرکت از جسم و ماده‌ای به جسم و ماده‌ای دیگر و یا در حال تبدیل شدن به یکدیگر هستند. یکی از این انرژی‌ها انرژی الکتریسیته است. این انرژی نیز از مابقی انرژی‌ها مستثنی نیست و می‌تواند جابه‌جا شود یا به شکل دیگری تبدیل شود.

برای حرکت دادن یک ماشین به یک مسیر باز برای عبور آن نیاز داریم. برای هدایت آب به یک مسیر باز برای جاری شدن آن نیاز داریم. برای الکتریسیته نیز این مسیر حرکتی برای هدایت آن لازم است. هر ماده یا عنصری که بخواهیم الکتریسیته را از آن عبور دهیم، با توجه به ساختار اتمی خود رفتار متفاوتی را نسبت به عبور این انرژی از خود نشان می‌دهد. به تفاوت عبور آب از یک مسیر شیب‌دار و بدون مانع نسبت به عبور از یک مسیر نسبتا مسطح و سنگلاخی فکر کنید. آیا انرژی حرکتی آب در این دو مسیر به یک صورت منتقل خواهد شد؟

ساختار درونی عناصر

اگر از شما بپرسند که اگر یک لیتر آب و یک لیتر الکل را با هم در شرایط یکسان گرم کنیم، آیا هر دو همزمان به جوش می‌آیند، پاسختان چیست؟ یا اینکه اگر یک میله آهنی و یک میله مسی با ابعاد یکسان داشته باشیم و شروع به گرم کردن یک سر از این میله‌ها در شرایط برابر کنیم، در کدام میله گرما زودتر به سر دیگر منتقل می‌شود؟ یا سوال‌هایی از این دست.

پر واضح است که رفتار اجسام و عناصر در برخورد با انرژی‌های مختلف به شکل یکسانی نیست و این موضوع به ساختار اتمی عنصر یا عناصر تشکیل دهنده آن‌ها و حتی نوع پیوند بین مولکولی آن‌ها برمی‌گردد.

می‌دانیم که هر عنصر ساختار اتمی مختص به خود را داراست و تعداد الکترون‌های موجود در لایه‌های مختلف هر عنصر با عنصر دیگر متفاوت است. هم چنین بالاترین لایه یا همان لایه والانس مهم‌ترین لایه در بحث جدا شدن الکترون‌ها از هسته و جاری شدن الکتریسیته است.

تعریف هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی

این عبارت یا به زبان بهتر، این ویژگی نشان دهنده توانایی یک ماده برای هدایت و عبور دادن الکتریسیته یا همان جریان الکتریکی از درون خود است که یک ویژگی ذاتی ماده است. هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی را با نماد σ (بخوانید زیگما یا سیگما) نمایش می‌دهند و واحد اندازه‌گیری آن زیمنس بر متر (S/m) است.

مقایسه هدایت الکتریکی اجسام مختلف

یک مقایسه ساده برای بررسی هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی، مقایسه تعداد الکترون‌های موجود در لایه والانس هر عنصر است. هرچه تعداد الکترون‌های موجود در لایه والانس یک عنصر کمتر باشد، هدایت الکتریکی بیشتری خواهد داشت. یک مثال خوب از این موضوع عناصری همچون مس، نقره و طلا هستند که تنها یک الکترون در لایه والانس خود دارند و به همین دلیل نسبت به بقیه عناصر الکتریسیته را راحت‌تر از خود عبور می‌دهند.

نقره بهترین هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی را دارد و مس و طلا در رده‌های بعد قرار دارند. علت این موضوع، تعداد اتم‌های این عناصر است. یک حجم مشخص و یکسانی از نقره و مس را در نظر بگیرید. در این مقدار یکسان، تعداد اتم‌های نقره از تعداد اتم‌های مس بیشتر است. اما گرانی نقره، کاربرد آن را در ساخت وسایل ارتباطی الکتریکی نسبت به مس کاهش داده است و مس بیشتر از آن به کار می‌رود. البته امروزه باز هم به همین دلایل اقتصادی از آلومینیوم به عنوان جایگزین مس نیز استفاده می‌شود.

رسانا

همانطور که بیان شد، هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی عناصری هم‌چون مس، به گونه‌ای است که جریان الکتریکی به راحتی از آن‌ها عبور می‌کند. به این عناصر و اجسام که این ویژگی را دارند، رسانا یا هادی الکتریکی می‌گویند.

نارسانا

اجسام و عناصر نارسانا در نقطه مقابل رساناها قرار دارند. یعنی هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی آن‌ها به نحوی است که در مقابل عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند و اجازه عبور آن را نمی‌دهند. به این نوع مواد، نارسانا یا عایق الکتریکی می‌گویند. یکی از آشناترین نارساناها پلاستیک می‌باشد.

نیمه رسانا

یک عایق را در نظر بگیرید که در حالت عادی خود، عایق الکتریکی باشد اما با افزودن عنصری دیگر به آن خاصیت هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی در آن را ایجاد کنیم. این مواد که عموما در آزمایشگاه ساخته می‌شوند، نیمه رسانا یا نیمه هادی می‌گویند. ظهور نیمه هادی‌ها انقلاب بزرگی در علم الکترونیک ایجاد نمود.

سیلیکون ماده‌ای است که سلطه بی‌مانندی بر همه نیمه‌رساناها در صنعت الکترونیک دارد. تلاش دانشمندان برای کشف مواد جدیدتر که سرعت بیشتری را ارائه دهند کماکان ادامه دارد اما مسائل اقتصادی و کمیابی عناصر باعث شده است محبوبیت سیلیکون در این بازار حفظ شود.

سخن پایانی

همانطور که بیان شد هدایت الکتریکی یا رسانایی الکتریکی که از ویژگی‌های ذاتی ماده است نقش بسزایی در بحث الکتریسیته دارد و در انتخاب عناصر مختلف در موضوعات مربوط به الکتریسته بسیار تعیین کننده است. بشر کماکان به دنبال رسیدن به موادی است که بتوانند انرژی الکتریسیته را در بهترین حالت منتقل کنند.

سوالات متداول: