رسانای الکتریکی: دنیای شگفت‌انگیز مواد جریان‌پذیر
رسانای الکتریکی چیست و چگونه کار می‌کند؟
یک رسانای الکتریکی ماده‌ای است که به الکتریسیته اجازه می‌دهد به راحتی از درون آن عبور کند. دلیل این امر، وجود ذرات باردار آزاد (معمولاً الکترون‌ها یا یون‌ها) در ساختار ماده است که می‌توانند تحت تأثیر یک میدان الکتریکی حرکت کنند و جریان الکتریکی را تشکیل دهند. برای درک بهتر، جریان الکتریکی را مانند جریان آب در یک لوله در نظر بگیرید. رسانا همان لوله‌ای است که آب به راحتی در آن جریان پیدا می‌کند.
الکترون‌ها در فلزات، مانند مس یا آلومینیوم، به‌صورت آزادانه در شبکۀ اتمی حرکت می‌کنند. هنگامی که یک باتری یا منبع انرژی به دو سر یک سیم مسی وصل می‌شود، یک میدان الکتریکی در طول سیم ایجاد می‌شود. این میدان به الکترون‌های آزاد نیرو وارد کرده و آن‌ها را به حرکت در می‌آورد. این حرکت جهت‌دارِ الکترون‌ها، همان جریان الکتریکی است.
انواع مختلف رساناهای الکتریکی
رساناها را می‌توان به چند دستۀ اصلی تقسیم کرد. فلزات رایج‌ترین نوع هستند، اما مواد دیگری نیز وجود دارند که رسانایی دارند.
| نوع رسانا | مکانیسم رسانایی | نمونه‌ها |
|---|---|---|
| رسانای فلزی | حرکت الکترون‌های آزاد | مس، طلا، آلومینیوم، آهن |
| رسانای الکترولیتی | حرکت یون‌های مثبت و منفی | آب نمک، اسیدها، باتری‌های مایع |
| رسانای گازی | حرکت یون‌ها و الکترون‌های آزاد شده | هوا در هنگام رعد و برق، نور نئون |
| ابررسانا | حرکت الکترون‌ها بدون هیچ مقاومتی | برخی آلیاژها در دمای بسیار پایین (نزدیک به -273°C) |
مقاومت الکتریکی: دشمن جریان!
همه‌ی رساناها تا حدی در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند. این ویژگی مقاومت الکتریکی نام دارد و واحد آن اهم (Ω) است. مقاومت مانند اصطکاک برای جریان الکتریکی عمل می‌کند. میزان مقاومت یک ماده به چهار عامل اصلی بستگی دارد:
- جنس ماده: مس مقاومت کمی دارد، در حالی که آهن مقاومت بیشتری دارد.
- طول: هر چه رسانا بلندتر باشد، مقاومت آن بیشتر است. مقاومت با طول رابطه‌ی مستقیم دارد: $ R \propto L $
- سطح مقطع: هر چه رسانا کلفت‌تر باشد (سطح مقطعبزرگتر داشته باشد)، مقاومت آن کمتر است. مقاومت با سطح مقطع رابطه‌ی عکس دارد: $ R \propto \dfrac{1}{A} $
- دما: برای فلزات، با افزایش دما، مقاومت افزایش می‌یابد.
این روابط را می‌توان در قالب یک فرمول مشهور خلاصه کرد:
که در آن: R مقاومت (اهم)، ρ مقاومت ویژه‌ی ماده (ثابت که به جنس ماده بستگی دارد)، L طول رسانا، و A سطح مقطع آن است.
کاربردهای رساناها در فناوری و زندگی روزمره
رساناهای الکتریکی ستون فقرات تمدن مدرن هستند. بدون آن‌ها، هیچ یک از دستگاه‌های الکترونیکی که می‌شناسیم کار نمی‌کرد.
- سیم‌کشی برق: سیم‌های مسی داخل دیوارهای خانه‌تان، برق را از شبکه به پریزها و چراغ‌ها می‌رسانند.
- تراشه‌های رایانه‌ای: مسیرهای میکروسکوپی از جنس مس یا طلا روی بردهای الکترونیکی، سیگنال‌ها را بین ترانزیستورها جابه‌جا می‌کنند.
- محافظت در برابر صاعقه: میله‌های برق‌گیر روی ساختمان‌های بلند از مس ساخته می‌شوند تا جریان عظیم رعد و برق را به طور ایمن به زمین هدایت کنند.
- پزشکی: الکترودهای دستگاه نوار قلب (ECG)[1] رسانایی پوست بدن را اندازه‌گیری می‌کنند تا فعالیت قلب را ثبت کنند.
یک آزمایش ساده: یک باتری قلمی، یک لامپ کوچک و دو تکه سیم بردارید. با اتصال آن‌ها به هم، یک مدار ساده می‌سازید. حالا به جای سیم‌ها، از یک مداد (که چوب آن نارسانا و مغز گرافیتی آن نیمه‌رسانا است) استفاده کنید. خواهید دید که نور لامپ بسیار کمتر می‌شود، زیرا گرافیت مقاومت بالایی دارد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. آب مقطر خالص تقریباً نارسانا است زیرا یون آزاد بسیار کمی دارد. آنچه آب را رسانا می‌کند، ناخالصی‌های موجود در آن، مانند نمک‌های معدنی (الکترولیت) است. به همین دلیل است که برق گرفتگی با آب دریا بسیار خطرناک‌تر از آب خالص است.
اگرچه طلا رسانایی کمی بهتر از مس دارد و زنگ نمی‌زند، اما قیمت بسیار بالایی دارد. مس رسانایی عالی دارد، به اندازه‌ی کافی انعطاف‌پذیر است و از همه مهم‌تر، مقرون به‌صرفه است. بنابراین برای مصارف عمومی مانند سیم‌کشی ساختمان، مس بهترین گزینه است. از طلا فقط در اتصالات بسیار حساس و کوچک، مانند سوکت‌های پردازنده، استفاده می‌شود.
بله! بدن انسان به دلیل وجود یون‌ها در خون و مایعات بدن، رسانای الکتریسیته است. البته مقاومت آن نسبت به مس بسیار بالا است. مقاومت پوست خشک می‌تواند بسیار زیاد باشد، اما اگر پوست مرطوب یا زخمی شود، مقاومت به شدت کاهش یافته و خطر برق گرفتگی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
پاورقی
[1] ECG (Electrocardiogram): نوار قلب. دستگاهی که سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط قلب را ثبت و تفسیر می‌کند.