رسانای برق و نارسانای الکتریکی چیست؟
سفر به قلب ماده: اتم‌ها و الکترون‌ها
برای درک رسانایی، باید ابتدا بدانیم همه چیز از اتم ساخته شده است. هر اتم از یک هسته (متشکل از پروتون و نوترون) و الکترون‌هایی تشکیل شده که به دور هسته می‌چرخند. پروتون‌ها بار الکتریکی مثبت و الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند. معمولاً تعداد پروتون‌ها و الکترون‌ها برابر است و اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است. کلید درک رسانایی، الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه اتم است که به آن‌ها الکترون‌های ظرفیت می‌گویند.
رسانای الکتریکی: بزرگراه الکترون‌ها
رساناها موادی هستند که الکتریسیته (بار الکتریکی) را به راحتی از خود عبور می‌دهند. دلیل این امر ساختار اتمی خاص آن‌هاست. در رساناها، الکترون‌های ظرفیت پیوند ضعیفی با هسته خود دارند و می‌توانند به آسانی از اتمی به اتم دیگر بپرند و حرکت کنند. این الکترون‌های آزاد[1] مانند مهره‌های روی یک نخ، با اعمال یک نیروی الکتریکی (مثلاً از یک باتری)، به حرکت درمی‌آیند و جریان برق را ایجاد می‌کنند.
بهترین رسانای الکتریکی، فلز نقره است. اما به دلیل قیمت بالا، رایج‌ترین رسانای مورد استفاده در سیم‌کشی منازل و کابل‌ها، مس و سپس آلومینیوم است. طلا نیز رسانای بسیار خوبی است و به دلیل مقاومت در برابر اکسید شدن، در کانکتورهای باکیفیت استفاده می‌شود.
| نام ماده (فلز) | رسانایی نسبی (نسبت به مس) | یک کاربرد رایج |
|---|---|---|
| نقره (Silver) | ۱۰۶٪ | قطعات الکترونیکی خاص و جواهرسازی |
| مس (Copper) | ۱۰۰٪ (به عنوان مبنا) | سیم و کابل برق، سیم‌کشی ساختمان |
| طلا (Gold) | ۷۰٪ | پین‌های کانکتورهای حساس (مثل USB) |
| آلومینیوم (Aluminum) | ۶۱٪ | خطوط انتقال برق فشار قوی |
| آهن (Iron) | ۱۷٪ | بدنه موتورهای الکتریکی (نه برای هدایت جریان) |
نارسانای الکتریکی: دیوار محافظ در برابر برق
نارساناها (عایق‌ها) موادی هستند که الکتریسیته را به راحتی از خود عبور نمی‌دهند. در این مواد، الکترون‌ها پیوند بسیار محکمی با هسته اتم خود دارند و به اصطلاح، الکترون آزاد بسیار کمی برای ایجاد جریان الکتریکی وجود دارد. این ویژگی آن‌ها را برای محافظت و ایزوله کردن تبدیل به گزینه‌ای ایده‌آل کرده است. تصور کنید اگر دسته سشوار یا پلاستیک روی سیم‌ها رسانا بودند، هر بار که آن را لمس می‌کردید دچار برق‌گرفتگی می‌شدید!
از جمله نارساناهای رایج می‌توان به پلاستیک، شیشه، چوب خشک، لاستیک، سرامیک و هوا اشاره کرد. هوای خشک یک نارسانای نسبتاً خوب است، به همین دلیل است که پرندگان می‌توانند روی سیم‌های برق فشار قوی بنشینند بدون اینکه آسیب ببینند؛ زیرا جریانی از بدن آن‌ها عبور نمی‌کند.
| نام ماده (نارسانا) | کاربرد عملی |
|---|---|
| لاستیک (Rubber) | دسته عایق انبر، دستکش عایق برقکاران، غلاف کابل |
| پلاستیک PVC | روکش سیم و کابل، پریز و کلید برق |
| چوب خشک (Dry Wood) | تیرک برق، دسته ابزار |
| سرامیک (Ceramic) | ایزولاتورهای خطوط انتقال برق، پایه‌ی شمع خودرو |
| شیشه (Glass) | عایق در پایه‌ی لامپ‌های رشتهای، ترمینال‌های پست برق |
نیمه‌رساناها: مواد همه‌فن‌حریف دنیای فناوری
بین دو دسته رسانا و نارسانا، دسته سومی به نام نیمه‌رساناها وجود دارد. رسانایی این مواد نه مانند رساناهاست و نه مانند نارساناها، بلکه چیزی بین این دو است. ویژگی جالب نیمه‌رساناها این است که رسانایی آن‌ها را می‌توان با افزودن ناخالصی (Doping[2]) یا تغییر دما و نور به دقت کنترل کرد. مهم‌ترین نیمه‌رساناها سیلیسیم (Si) و ژرمانیم (Ge) هستند.
کامپیوتر، موبایل، تلویزیون، لپ‌تاپ و تقریباً هر وسیله الکترونیکی پیشرفته‌ای که استفاده می‌کنید، قلب تپنده‌اش از نیمه‌رساناها ساخته شده است. ترانزیستورها، آیسی‌ها (IC)[3] و مدارهای مجتمع همگی بر پایه نیمه‌رساناها کار می‌کنند.
کاربردهای حیاتی در زندگی روزمره و صنعت
درک تفاوت رساناها و نارساناها تنها یک موضوع تئوری نیست، بلکه پایه و اساس طراحی و ایمنی تمام وسایل الکتریکی ماست.
کاربرد رساناها: از مس در سیم‌ها برای هدایت جریان برق از نیروگاه به خانه شما استفاده می‌شود. از آلومینیوم سبک‌وزن در خطوط انتقال فشار قوی بهره می‌برند. بدنه فلزی یخچال یا ماشین لباس‌شویی برای ایجاد سیم زمین (Earth) و جلوگیری از برق‌گرفتگی از فلز (رسانا) ساخته شده است.
کاربرد نارساناها (عایق‌ها):پلاستیک یا لاستیک روی سیم‌ها، شما را از تماس مستقیم با هادی مسی درون سیم محافظت می‌کند. دسته‌ی قابلمه از پلاستیک یا چوب ساخته می‌شود تا هنگام پخت‌وپز دست شما نسوزد (عایق حرارتی نیز هستند). پایه‌های سرامیکی یا شیشه‌ای که سیم‌های فشارقوی روی دکل‌ها را نگه می‌دارند، از نشتی جریان به بدنه دکل جلوگیری می‌کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
این یک باور نادرست اما رایج است. آب خالص (مقطر) یک نارسانای بسیار ضعیف است زیرا یون[4] کمی دارد. اما آبی که ما استفاده می‌کنیم (آب لوله کشی، آب دریا) به دلیل وجود ناخالصی‌ها و نمک‌های حل شده در آن که یون آزاد تولید می‌کنند، رسانای نسبتاً خوبی است. به همین دلیل است که هرگز نباید با دست خیس یا در حالی که روی زمین مرطوب ایستاده‌اید با وسایل برقی کار کنید.
پرندگان فقط روی یک سیم می‌نشینند (فاز). از آنجایی که آن‌ها با هیچ چیز دیگری (مانند زمین یا سیم نول) تماس ندارند، مسیری با مقاومت کم برای عبور جریان برق از بدنشان ایجاد نمی‌شود. جریان ترجیح می‌دهد از مسیر کم‌مقاومت‌تر، یعنی خود سیم مسی، عبور کند. اما اگر یک پرنده همزمان با بال‌هایش سیم فاز و نول را لمس کند، دچار برق‌گرفتگی می‌شود.
الماس که از کربن ساخته شده، معمولاً یک نارسانای بسیار خوب است زیرا تمام الکترون‌های اتم‌های کربن در پیوندهای کووالانسی[5] قوی مشارکت دارند و الکترون آزاد ندارد. اما گرافیت (مداد سیاه) که آن هم از کربن ساخته شده، به دلیل ساختار لایه‌ای خود، رسانای خوبی است.
پاورقی
[1]الکترون آزاد (Free Electron): به الکترون‌هایی گفته می‌شود که به اتم خاصی وابسته نیستند و می‌توانند آزادانه درون ماده حرکت کنند.
[2]دوپینگ (Doping): فرآیند افزودن مقادیر بسیار کم ناخالصی به یک نیمه‌رسانا برای کنترل دقیق خواص الکتریکی آن.
[3]آیسی (IC) یا مدار مجتمع (Integrated Circuit): یک قطعه کوچک که می‌تواند شامل میلیون‌ها ترانزیستور و دیگر قطعات الکترونیکی باشد.
[4]یون (Ion): یک اتم یا مولکول که بار الکتریکی دارد because تعداد الکترون‌های آن با تعداد پروتون‌هایش برابر نیست.
[5]پیوند کووالانسی (Covalent Bond): نوعی پیوند شیمیایی قوی که در آن اتم‌ها الکترون‌های خود را به اشتراک می‌گذارند.