بحث عن الموصلات الكهربائية

ما هي الموصلات الكهربائية؟

تتكون المادة من ذرات، وتحتوي الذرات على جزيئات صغيرة جدًا تعرف باسم الإلكترونات، وتعد هذه الإلكترونات هي المسؤولة عما يسمى بالموصلية الكهربائية، وذلك نظرًا لقدرتها على التحرك، وتعرف الموصلية بأنها قدرة المادة على توصيل التيار الكهربائي^[١]، وبالتالي فإن الموصلات الكهربائية (conductors)، مصطلح يستخدم للتعبير عن المواد التي يمكن للشحنات الكهربائية المرور من خلالها بدون عوائق وصعوبات، بالاعتماد على طبيعة الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي لذرات المواد^[٢]، وبالطبع فإن موصلية العناصر تقاس، ويعبّر عنها بوحدة سيمنز Siemens واختصارًا "S".^[٣]

الموصلات الكهربائية هي المواد التي يمكن للشحنات المرور من خلال دون مقاومة.

كيف تعمل الموصلات الكهربائية؟

تم تعريف الموصلات الكهربائية، وذُكر بأن الشحنات تمر من خلالها بسهولة فكيف يتم ذلك؟ ^[٤]

• تتحرك الإلكترونات داخل المادة.
• تنتقل الإلكترونات بين الذرات المتجاورة المتلامسة عندما تكون المادة موصلة للكهرباء.
• تبقى الإلكترونات في حالة حركة حرة ما لم تحدث تصادمات وهذا بالضبط ما يقال له مرور الإلكترون بسهولة.
• باستمرار حركة الإلكترونات تستمر المادة بتوصيل الكهرباء.
• عند حدوث تصادم فإن هذا يثبط عمل الموصل ويقلل كفاءته.

بشكل عام تصنف المواد بأنها موصلات أفضل كلما كانت الإلكترونات حرة أكثر والتصادمات أقل.

ما هي أنواع الموصلات الكهربائية؟

للموصلات الكهربائية أنواع عديدة تتمايز فيما بينها وتتفاوت بالطبع، وفيما يأتي سيتم الحديث عن أنواع الموصلات الكهربائية:

المعادن

تعرف المعدن (Metal)، بأنها مجموعة من العناصر التي تكون فيها حركة الإلكترونات ميسّرة، وتتألف المعادن من الفلزات ذات أعلى قدرة على التوصيل الكهربائي بين عناصر الجدول الدوري، ويمكن تمييز الفلزات نظريًا، إذ أنها تتميز بلمعانها وتشكيلها بالسحب والطرق، ويوجد أمثلة عديدة على المعادن التي يتم استخدامها في الحياة اليومية بشكل كبير كالألمنيوم والحديد.^[٥]

وفي الجدول الآتي سيتم ترتيب المعادن من حيث توصيل الكهرباء من الأعلى موصلية إلى الأقل مقاسة بوحدة سيمنز/م:

اعتمادًا على الجدول السابق يمكن ملاحظة اختلاف المعادن فيما بينها بدرجة موصليتها، فلا تمتلك جميعها نفس الكفاءة في التوصيل، أي أنه لكل معدن درجة موصلية خاصة به.^[٦]

يمتلك معدن الفضة أعلى موصلية للكهرباء، ويعود السبب في ذلك لاحتوائه على أكبر عدد من الإلكترونات الحرة، إلا أنه ومع ذلك فإننا لا نجد لاستخدامه رواجًا، بسبب تكلفته المرتفعة عن غيره من المعادن التي يمكن استخدامها كبدائل، وبالتالي فإن استخدامه بصورة كبيرة يعد خسارة اقتصادية، ولكن يتم استخدامه عند الحاجة الملحة في ظرف لا يؤدي غيره الغرض منها، أما النحاس الذي يملك موصلية أقل من الفضة يبقى ذو موصلية عالية مقارنة بباقي المعادن، فضلاً عن سهولة تشكيله واستخدامه وانخفاض ثمنه نسبيًا، ويستنتج مما سبق أنه لا يتم النظر للموصلية بشكل منفصل، إنما يتم أخذ عدة عوامل أخرى بعين الاعتبار عند اختيار معدن ما لغرض معين.^[٧]

اللافلزات

تعد اللافلزات (Nonmetals) موصلات سيئة مقارنة بالفلزات سواء للحرارة أو الكهرباء، ولا يمكن تشكيلها بسهولة:^[٨]

ومن الأمثلة على مركبات اللافلزات وموصلية كل منها:^[٩]

• الكربون (C) : 10^(-13) سيمنز/م
• الكبريت (S) : 10^(-16) سيمنز/م
• المطاط (C5H8) : 10^(-14) سيمنز/م
• برافين (CnH2n+2) : 10^(-18) سيمنز/م

جميع الأمثلة السابقة تشترك في كونها لافلزات موصليتها سيئة جدًا، ولهذا لا تستخدم في مجال التوصيل الكهربائي.^[٩]

المحاليل الكهربائية

المحلول بشكل عام هو مزيج من عدة مواد موجود بالحالة السائلة، والمحاليل أنواع تبعًا لتوصيلها فمنها المحاليل الموصلة للتيار الكهربائي أو الكهرلية (electrolytes) ومنها اللاكهرلية (nonelectrolytes)، وفي موضوع الموصلات سيكون التركيز على الكهرلية بالطبع، إذ أنها محاليل تتنج بتحللها أيونات موجبة وأخرى سالبة تسهّل عملية انتقال الكهرباء خلال المحلول (يصبح المحلول وسط ناقل).^[١٠]

تصنف الأملاح كمحاليل عالية القدرة على التوصيل سواء كانت حمضية أم قاعدية، ومن الأمثلة الشهيرة عليها:^[١١]

• حمض الهيدروكلوريك HCl
• حمض النيتريك HNO₃
• حمض البيركلوريك HClO₄
• حمض الكبريتيك H₂SO₄
• هيدروكسيد الصوديوم NaOH
• هيدروكسيد الكالسيوم Ca(OH)₂

يعد كل من الأمثلة السابقة محاليل موصلة بشكل جيد للكهرباء عند تحللها وذوبانها^[١١]، والموصلية للمحاليل الكهربائية ليست قيمة ثابتة وإنما قيم متعددة تختلف باختلاف تركيز المحلول وتحسب بوحدة ميكروسيمنز/سم.^[١٢]

الموصلات الفائقة

عند الحاجة لموصلات دون فقدان أي جزء من الطاقة يتم اللجوء للموصلات الفائقة (Superconductors)، وهي موصلات تفقد مقاومتها لمرور التيار بشكل كامل عند تبريدها لدرجة حرارة معينة^[١٣]، ومن الأمثلة المهمة على الحاجة لاستخدام هذه الموصلات، الحاجة لمرور القطار فوق سكته بدون خسارة طاقة نتيجة الاحتكاك؛ فتجعل هذه الموصلات القطار وكأنه قد حُمل على السكة وطفى باستخدام ظاهرة تسمى الرفع المغناطيسي.^[١٤]

وتجدر الإشارة هنا إلى أن الموصلات قوية التوصيل ليس بالضرورة أن تكون فائقة عند تبريدها مثل الفضة والنحاس والذهب، ومن الأمثلة على الموصلات الفائقة:^[١٥]

• الرصاص (Pb)
• اللانثانوم (La)
• التانتالوم (Ta)
• الزئبق (Hg)
• القصدير (Sn)
• إنديوم (In)

كل الأمثلة السابقة هي موصلات تصبح مقاومتها تساوي 0 وقيمة الموصلية لها لا نهائية عندما تُبرّد وتصل لدرجات حرارة منخفضة جدًا.^[١٥]

إذن للموصلات الكهربائية أنواعًا مختلفة ولكل نوع أهمية واستخدام وقدرة معينة على التوصيل، وهي؛ المعادن، اللافلزات، المحاليل الكهربائي والموصلات الفائقة.

ما هي خصائص الموصلات الكهربائية؟

هناك عدّة خصائص فيزيائية تميز المواد الموصلة للكهرباء، وهذه الخصائص كالآتي:

• إذا كان الموصل في حالة توازن ولا يؤثر عليه أي شيء أو شحنة خارجية فإن الشحنات داخله ستكون مستقرة، ويعبر عنه فيزيائيًا بأن مجاله الكهربائي يساوي صفر.^[١٦]
• يكون الفرق بين جهد أي نقطتين داخل الموصل يساوي صفر في حال كان متعادل وذلك حسب قانون غاوس.^[١٦]
• عند أي نقطة على سطح الموصل يكون المجال زاوية 90 مع السطح.^[١٦]
• معظم الفلزات صلبة.^[١٧]
• عند صقلها فإنها تكون ذات بريق واضح.^[١٧]
• فضلاً عن كونها موصلات جيدة للكهرباء فإنها جيدة التوصيل للحرارة.^[١٧]

ومما سبق فإن للموصلات أنواع مختلفة لكل نوع صفات تميزه عن الآخر إلا أنها تشترك جميعها في كونها تسمح للتيار بالمرور من خلالها.

ما هي العوامل المؤثرة على التوصيل الكهربائي؟

يتأثر التوصيل الكهربائي للموصلات بعوامل عدة فيزيد أو يقل، ومن أهم هذه العوامل ما يأتي:

• درجة الحرارة: تتناسب درجة الحرارة عكسيًا وخطيًا مع موصلية الموصلات الكهربائية بشكل عام.^[١٨]
• الشوائب: تعيق الشوائب حركة الإلكترونات داخل الموصلات الكهربائية، وبذلك تتناسب كمية الشوائب أيضًا عكسيًا مع موصلية الموصل، إذ أن أفضل هي الموصلات النقيّة تمامًا.^[١٨]
• التركيب البلوري للمادة وحالتها: للمادة حالات، صلبة وسائلة وغازية، ويمكن تحويل الموصل من حالة إلى أخرى، وتختلف موصلية المادة باختلاف الحالة، إذ أن عملية التحويل تؤثر على الموصلية أيضًا.^[١٨]

• المجال الكهرومغناطيسي: الموصل بشكل طبيعي يكون مجاله المغناطيسي الخاص باتجاه متعامد مع المجال الكهربائي الذي يمر خلاله، وعند وضع هذا الموصل بجانب مجال كهرومغناطيسي خارجي قد يؤثر سلبًا ويقلل من مقدار وسرعة المجال الكهربائي داخله.^[١٨]

• شكل الموصل وأبعاده: يؤثر شكل الموصل وأبعاده على موصليته، إذ يؤثر طوله عكسيًا على موصليته فالموصل الطويل موصليته أقل؛ وذلك لأن الإلكترون سينتقل بمسار أطول وبالتالي عدد تصادمات أعلى، فيكون القصير موصليته أعلى، كما تؤثر سماكة الموصل طرديًا على موصليته بثبات الطول والحجم فالموصل ذو السماكة الأعلى موصل جيد أكثر من الموصل قليل السماكة.^[١٩]

إذًا فالموصل نفسه قد يتأثر بالظروف التي تحيط به ولا تكون موصليته ثابتة دائمًا، ويعتمد في هذا على عوامل مختلفة، أهما؛ درجة الحرارة، الشوائب، التركيب البلوري للمادة، حالة المادة، المجال الكهرومغناطيسي وشكل الموصل وأبعاده.

ما أبرز استخدامات الموصلات الكهربائية؟

للموصلات الكهربائية استخدامات متعددة منها ما سيتم ذكره هنا إلا أن هذا جزء صغير فقط:

تستخدم الفضة في بطاريات الساعات

الفضة من أقوى الموصلات وأفضلها إذ أن عمرها طويل إلا أن سعرها المرتفع يحد من استخدامها بشكل واسع، فيتم استخدامها بكميات قليلة مثل؛ استخدامها في بطاريات صغيرة للساعات فتكون خيارًا ممتازًا نظرًا لوزنها الخفيف وعمرها الافتراضي الطويل.^[٢٠]

يستخدم النحاس في الأسلاك والدوائر الكهربائية

النحاس يتفوق على الفضة لكونه أقل ثمنًا من الفضة، ويؤدي الغرض في مجالات توصيل التيار الكهربائي فهو موصل قوي، فيكثر استخدامه في أسلاك التوصيلات الكهربائية المنازل. ^[٢٠]

يستخدم الألمنيوم في الأسلاك الكهربائية

الألمنيوم موصل ممتاز وميزته تكمن في خفة وزنه، ولذا يمكن استخدامه في التوصيلات والأسلاك الكهربائية، إلا أن النحاس أفضل منه في التوصيل فيشيع استخدامه بشكل أكبر.^[٢٠]

تستخدم المحاليل الكهرلية في المكثفات الكهربائية

يتم استخدام المحاليل الكهرلية التي تسمح بتوصيل التيار الكهربائي في الدارات ذات المواسعات العالية فتحقق سعة كبيرة جدًا مقارنة بحجمها، ومن أشهر هذه المكثفات التنتالوم. ^[٢١] 

تستخدم الموصلات الفائقة في الطب

يعتمد تشخيص الأمراض اعتمادًا كبيرًا على الموصلات الفائقة وذلك لاستخدامها في أجهزة هامة منها جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي وهذا يعد من الثورات الكبيرة في عالم الطب. ^[٢٢]

تستخدم الموصلات الفائقة في مجال الاتصالات الهواتف المحمولة

تحقق الموصلات الفائقة ما لا تحققه باقي الموصلات إذ تتطلب الاتصالات واسعة النطاق لترددات عالية لا يمكن الوصول إليها إلا باستخدام الموصلات الفائقة، ويظهر هذا الاستخدام في أبراج الاستقبال الخاصة بالهواتف المحمولة.^[٢٢]

شبكة الكهرباء المعتمدة على الموصلات الفائقة

أصبحت الكهرباء من أهم الأساسيات في حياة الإنسان، ووجود شبكة طاقة كهربائية هو أمر لا بد منه، إلا أن الشبكات الحالية يحدث فيها أعطال تسبب انقطاع التيار، مما ينتج عنه خسائر فادحة وهذا غير مقبول، لذا فقد تم التفكير باستخدام الموصلات الفائقة في الشبكات لتحسين ورفع كفاءة الشبكة وتقليل الحيز الذي تشغله الشبكات الحالية إذا يتم توصيلها تحت الأرض، وتم التخطيط لاستبدال الشبكة بالكامل في أميركا بحلول عام 2030.^[٢٢]

ومما سبق يتضح أن للموصلات أهمية بالغة في مجالات متنوعة، وهذا عمل على انتشارها في مختلف مناحي الحياة اليومية.

أسئلة شائعة حول الموصلات الكهربائية

فيما يأتي بعض الأسئلة الشائعة حول الموصلات الكهربائية:

ما هي العوازل الكهربائية؟

العازل الكهربائي (Insulator) عكس الموصل الكهربائي، وهذه العوازل تكون إلكتروناتها ذات ارتباط وثيق بالنواة فلا تكون حركتها سهلة كما في الموصلات، وتكون ذات مقاومة عالية لمرور أي تيار خلالها^[٢٣]، ومن أهم استخدامات العوازل الكهربائية؛ استخدامها في تغطية الموصلات وهو أمر بالغ الأهمية للسلامة، فلو بقيت الأسلاك معرّاة لكان الأمر خطيرًا، ومن الأمثلة الشائعة في هذا المجال؛ المطاط.^[٢٤]

ما هي شبه الموصلات الكهربائية؟

يمكن تعريف المواد شبه الموصلة (Semiconductors) بأنها مواد موصليتها الكهربائية متوسطة، فلا هي من الموصلات ولا هي من العوازل، ويتوقع بأن تشكل أشباه الموصلات سيطرة على الأنظمة الإلكترونية الحديثة مستقبلً، ومن أمثلتها:^[٢٥]

• السيليكون Si
• الجرمانيوم Ge
• السيلينيوم Se

هل الخشب موصل للكهرباء؟

يعد الخشب (Wood) من العوازل الجيدة للكهرباء نظرًا لقوة ارتباط الكتروناته بأنوية ذراته، وهذا للخشب الجاف الذي لا يشوبه شيء، وبالتالي فإن الخشب غير موصل للكهرباء.^[٢٦]

هل الماء موصل للكهرباء؟

هذا السؤال مثير جدًا وسبب ذلك هو أن ما يتبادر للذهن هو أنه موصل جيد، إلا أن هذا ليس صحيح، فالماء النقي هو من أقوى العوازل إلا أن هذا عكس المألوف، واللبس جاء من كون الماء مذيب جيد فمن الصعب أن نجده بصورته النقية تمامًا، وتعمل الأيونات الذائبة فيه على جعله موصل للتيار المار من خلال.^[٢٧]

هل الكربون موصل للكهرباء؟

الكربون (Carbon) كعنصر لافلزي لا يوصل الكهرباء، إلا أن الغرافيت، وهو شكل من أشكال الكربون، فهو معدن موصل جيد للكهرباء.^[٢٨]

هل القصدير موصل للكهرباء؟

نعم، يعد القصدير (Tin) من الموصلات الكهربائية، تبلغ موصليته 8.7*10^(6) سيمنز/م. ^[٢٩]

هل الألومنيوم موصل للكهرباء؟

يعد الألمنيوم (Aluminum) من الموصلات الجيدة، إذ تبلغ موصليته 3.5*10(7) سيمنز/م.^[٢٩]

هل الكحول موصل للكهرباء؟

لا تعد الكحول (Alcohol) من المحاليل الكهرلية، وذلك لعدم تحللها في الماء وإنتاج الأيونات التي تعمل على توصيل الكهرباء، وبالتالي فهي غير موصلة.^[٣٠]

هل الغازات موصلة للكهرباء؟

تكون الغازات (Gases) موصلة للكهرباء عند الضغط المنخفض، بينما تكون غير موصلة عند الضغط المرتفع.^[٣١]

لماذا يستخدم النحاس في التوصيل الكهربائي؟

النحاس (Copper) من المعادن التي تسمح بالتوصيل الكهربائي وبشكل رائع، ويمكن لهذا المعدن أن ينثني ويتشكل بالصورة التي يرغب بها مستخدمه، فضلاً عن وفرته وهذا ما جعله في مقدمة المعادن التي تم استخدامها منذ القدم للتوصيل الكهربائي.^[٣٢]

المواد منها موصلة ومنها عازلة ومنها ما بين هذا وذاك وما يحدد هذا هو السماح بمرور التيار أو عدمه ولكل من هذه المواد أهمية واستخدام.

المراجع

1. ↑ "10 Examples of Electrical Conductors and Insulators", thoughtco. Edited.
2. ↑ "Material Properties", physics.bu. Edited.
3. ↑ "How to Calculate Conductance", sciencing. Edited.
4. ↑ "Electrical Conductivity and Resistivity", chem.libretexts. Edited.
5. ↑ "METALS", encyclopedia. Edited.
6. ↑ "Table of Electrical Resistivity and Conductivity", thoughtco. Edited.
7. ↑ "What Metals Make Good Conductors of Electricity?", sciencing. Edited.
8. ↑ "Chemical Properties of Metals and Nonmetals", toppr. Edited.
9. ^ ^{أ ب} "Metals, Nonmetals, and Metalloids", chem.libretexts. Edited.
10. ↑ "Solutions And Solubilities", britannica. Edited.
11. ^ ^{أ ب} "Electrolyte", encyclopedia. Edited.
12. ↑ "Conductivity Vs. Concentration", sciencing. Edited.
13. ↑ "Superconductor Definition, Types, and Uses", thoughtco. Edited.
14. ↑ "Uses for Superconductors", superconductors. Edited.
15. ^ ^{أ ب} "Type 1 Superconductors", superconductors. Edited.
16. ^ ^{أ ب ت} "Conductors", brilliant. Edited.
17. ^ ^{أ ب ت} "Metal", encyclopedia. Edited.
18. ^ ^{أ ب ت ث} "What Is the Most Conductive Element?", thoughtco. Edited.
19. ↑ "10 Examples of Electrical Conductors and Insulators", thoughtco. Edited.
20. ^ ^{أ ب ت} "What Are Some Good Conductors?", sciencing. Edited.
21. ↑ "The Advantages of Using Electrolytic Capacitors", sciencing. Edited.
22. ^ ^{أ ب ت} "The Advantages & Disadvantages of Superconductors", sciencing. Edited.
23. ↑ "What Are Insulators?", sciencing. Edited.
24. ↑ "10 Examples of Electrical Conductors and Insulators", thoughtco. Edited.
25. ↑ "Semiconductor", britannica. Edited.
26. ↑ "10 Examples of Electrical Conductors and Insulators", thoughtco. Edited.
27. ↑ "Conductivity (Electrical Conductance) and Water", usgs. Edited.
28. ↑ "Electric Conductors and Insulators", ck12. Edited.
29. ^ ^{أ ب} "Electrical Conductivity of Metals", thoughtco. Edited.
30. ↑ "Nonelectrolyte Definition in Chemistry", thoughtco. Edited.
31. ↑ "Nonmetals", toppr. Edited.
32. ↑ "What Is the Conductivity of Copper?", sciencing. Edited.