Elektrik iletkeni - Electrical conductor

Havai iletkenler, elektrik enerjisini üretim istasyonlarından müşterilere taşır.

Olarak fizik ve elektrik mühendisliği , bir iletken bir nesne veya türüdür malzeme akışını sağlar şarj ( elektrik akımı , bir veya daha fazla yönde). Metalden yapılmış malzemeler yaygın elektrik iletkenleridir. Elektrik akımı, negatif yüklü elektronların , pozitif yüklü deliklerin ve bazı durumlarda pozitif veya negatif iyonların akışıyla üretilir .

Akımın kapalı bir elektrik devresinde akabilmesi için, yüklü bir parçacığın akımı üreten bileşenden ( akım kaynağı ) onu tüketenlere ( yükler ) gitmesi gerekmez . Bunun yerine, yüklü parçacığın komşusunu sonlu bir miktarda dürtmesi gerekir , bu da komşusunu dürtecek ve bir parçacık tüketicinin içine itilene kadar devam edecek ve böylece ona güç verecektir . Esasen, mobil yük taşıyıcıları arasında uzun bir momentum transferi zinciri meydana gelmektedir ; Drude modeli iletiminin daha titiz bir şekilde, bu yöntem tarif edilmiştir. Bu momentum transfer modeli, metali bir iletken için ideal bir seçim haline getirir; metaller, karakteristik olarak, elektronlara çarpışmak için yeterli hareketlilik veren ve böylece bir momentum transferini etkileyen , delokalize bir elektron denizine sahiptir .

Yukarıda tartışıldığı gibi, elektronlar metallerde birincil hareket ettiricidir; bununla birlikte, bir pilin katyonik elektrolit (ler)i veya bir yakıt hücresinin proton iletkeninin hareketli protonları gibi diğer cihazlar , pozitif yük taşıyıcılarına dayanır. Yalıtkanlar , yalnızca önemsiz elektrik akımlarını destekleyen az sayıda mobil yüke sahip yalıtkan malzemelerdir.

Direnç ve iletkenlik

Her iki ucunda elektrik kontakları olan dirençli bir malzeme parçası.

Direnci belirli bir iletkenin bunun yapıldığı malzeme bağlıdır ve boyutlarına bağlı. Belirli bir malzeme için direnç, kesit alanı ile ters orantılıdır. Örneğin, kalın bir bakır tel , aksi takdirde aynı olan ince bir bakır telden daha düşük dirence sahiptir. Ayrıca, belirli bir malzeme için direnç, uzunlukla orantılıdır; örneğin, uzun bir bakır tel, aksi takdirde aynı olan bir kısa bakır telden daha yüksek dirence sahiptir. Bu nedenle, düzgün kesitli bir iletkenin direnci $R$ ve iletkenliği $G$ , şu şekilde hesaplanabilir:

{\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{hizalı }}

nerede iletkenin uzunluğu, metre cinsinden ölçülür [m], A iletkenin metre kare cinsinden ölçülen kesit alanıdır [m ² ], σ ( sigma ) metre başına siemens cinsinden ölçülen elektriksel iletkenliktir (S· m ^-1 ) ve ρ ( rho ) olan elektriksel direnç (ayrıca özel elektrik direnci ohm-metre ölçülen malzemenin) (Ω · m). Direnç ve iletkenlik orantı sabitleridir ve bu nedenle telin geometrisine değil, yalnızca telin yapıldığı malzemeye bağlıdır. Direnç ve iletkenlik karşılıklıdır : . Özdirenç, malzemenin elektrik akımına karşı koyma yeteneğinin bir ölçüsüdür. ${\görüntüleme stili\el }$ $\rho =1/\sigma$

Bu formül kesin değildir: Pratik durumda her zaman doğru olmayan iletkendeki akım yoğunluğunun tamamen tekdüze olduğunu varsayar . Bununla birlikte, bu formül, teller gibi uzun ince iletkenler için hala iyi bir yaklaşım sağlar.

Bu formülün kesin olmadığı başka bir durum da alternatif akım (AC) ile ilgilidir, çünkü deri etkisi iletkenin merkezine yakın akım akışını engeller. O halde geometrik kesit, akımın fiilen aktığı etkin kesitten farklıdır , dolayısıyla direnç beklenenden daha yüksektir. Benzer şekilde, AC akım taşıyan iki iletken birbirine yakınsa, yakınlık etkisinden dolayı dirençleri artar . En ticari güç frekansında , bu etkiler gibi büyük akımları taşıyan büyük iletkenler için önemli olan bara bir in elektrik trafo birkaç yüz amper daha taşıyan, ya da büyük güç kabloları.

Telin geometrisinin yanı sıra, sıcaklığın da iletkenlerin etkinliği üzerinde önemli bir etkisi vardır. Sıcaklık, iletkenleri iki ana yoldan etkiler; birincisi, malzemelerin ısı uygulaması altında genleşebilmesidir. Malzemenin genleşeceği miktar, malzemeye özgü termal genleşme katsayısı tarafından yönetilir . Böyle bir genişleme (veya büzülme), iletkenin geometrisini ve dolayısıyla karakteristik direncini değiştirecektir. Ancak, bu etki genellikle küçüktür, 10 ⁻⁶ mertebesindedir . Sıcaklıktaki bir artış, malzeme içinde üretilen fonon sayısını da artıracaktır. Bir fonon , esasen bir kafes titreşimi veya daha doğrusu malzemenin atomlarının küçük, harmonik bir kinetik hareketidir. Bir langırt makinesinin sallanması gibi, fononlar elektronların yolunu bozarak onların dağılmasına neden olur. Bu elektron saçılması, elektron çarpışmalarının sayısını azaltacak ve dolayısıyla aktarılan toplam akım miktarını azaltacaktır.

İletken malzemeleri

Malzeme	ρ [Ω·m] 20°C'de	σ [ S/m] 20°C'de
Gümüş, Ag	1.59 × 10 ^-8	6.30 × 10 ⁷
Bakır, Cu	1.68 × 10 ^-8	5,96 × 10 ⁷
Alüminyum, Al	2,82 × 10 ^-8	3.50 × 10 ⁷

İletim malzemeleri arasında metaller , elektrolitler , süper iletkenler , yarı iletkenler , plazmalar ve grafit ve iletken polimerler gibi bazı metalik olmayan iletkenler bulunur .

Bakırın iletkenliği yüksektir . Tavlı bakır, diğer tüm elektrik iletkenlerinin karşılaştırıldığı uluslararası standarttır; Uluslararası Tavlı Bakır Standart iletkenlik olduğunu58 MS/m , ancak ultra saf bakır %101 IACS'yi biraz aşabilir. Bina teli, motor sargıları, kablolar ve baralar gibi elektrik uygulamaları için kullanılan ana bakır sınıfı , elektrolitik tok adımlı (ETP) bakırdır ( CW004A veya ASTM tanımlaması C100140). Yüksek iletkenliğe sahip bakırın kaynaklanması veya lehimlenmesi veya indirgeyici bir atmosferde kullanılması gerekiyorsa , oksijensiz yüksek iletkenliğe sahip bakır (CW008A veya ASTM tanımı C10100) kullanılabilir. Lehimleme veya kenetleme ile bağlantı kolaylığı nedeniyle bakır, çoğu hafif tel için hala en yaygın seçimdir.

Gümüş , bakırdan %6 daha iletkendir, ancak maliyeti nedeniyle çoğu durumda pratik değildir. Bununla birlikte, uydular gibi özel ekipmanlarda ve yüksek frekanslarda cilt etkisi kayıplarını azaltmak için ince bir kaplama olarak kullanılır . Ünlü olarak, savaş zamanı bakır kıtlığı nedeniyle II. Dünya Savaşı sırasında calutron mıknatıslarının yapımında Birleşik Devletler Hazinesinden ödünç verilen 14.700 kısa ton (13.300 ton) gümüş kullanıldı .

Alüminyum tel, elektrik enerjisi iletimi ve dağıtımında en yaygın metaldir . Bakırın iletkenliğinin kesit alanına göre sadece %61'i olmasına rağmen, düşük yoğunluğu onu kütle olarak iki kat daha iletken yapar. Alüminyum, bakırın ağırlıkça maliyetinin kabaca üçte biri olduğundan, büyük iletkenler gerektiğinde ekonomik avantajlar dikkate değerdir.

Alüminyum kablolamanın dezavantajları mekanik ve kimyasal özelliklerinde yatmaktadır. Kolayca yalıtkan bir oksit oluşturarak bağlantıların ısınmasını sağlar. Konektörler için kullanılan pirinç malzemelerden daha büyük termal genleşme katsayısı, bağlantıların gevşemesine neden olur. Alüminyum ayrıca yük altında yavaşça deforme olan "sürünebilir" ve bu da bağlantıları gevşetir. Bu etkiler, uygun şekilde tasarlanmış konektörler ve kurulumda ekstra özen ile azaltılabilir, ancak bunlar, alüminyum bina kablolarını hizmet düşüşünden sonra popüler olmaktan çıkardı .

8 karbon atomu ve 18 hidrojen atomu olan oktan gibi organik bileşikler elektriği iletemezler. Yağlar hidrokarbonlardır, çünkü karbon tetrakovalanlık özelliğine sahiptir ve hidrojen gibi diğer elementlerle kovalent bağlar oluşturur, çünkü elektron kaybetmez veya kazanmaz, dolayısıyla iyon oluşturmaz. Kovalent bağlar basitçe elektronların paylaşılmasıdır. Bu nedenle, içinden elektrik geçtiğinde iyon ayrımı olmaz. Böylece sıvı (yağ veya herhangi bir organik bileşik) elektriği iletemez.

Saf su bir elektrik iletkeni olmasa da, tuz gibi iyonik safsızlıkların küçük bir kısmı bile onu hızla iletkene dönüştürebilir.

Tel boyutu

Teller kesit alanları ile ölçülür. Birçok ülkede boyut, milimetre kare olarak ifade edilir. Kuzey Amerika'da iletkenler, daha küçük olanlar için Amerikan tel ölçüsü ve daha büyük olanlar için dairesel miller ile ölçülür .

İletken kapasitesi

İzin verilen akım şiddeti olan bir iletken, miktarı akımı taşıyabileceği, elektrik direnci ile ilgilidir: bir alt-dirençli iletken akımın daha büyük bir değer taşıyabilir. Direnç ise iletkenin yapıldığı malzeme (yukarıda açıklandığı gibi) ve iletkenin boyutu ile belirlenir. Belirli bir malzeme için, daha büyük bir kesit alanına sahip iletkenler, daha küçük bir kesit alanına sahip iletkenlerden daha az dirence sahiptir.

Çıplak iletkenler için nihai sınır, dirence karşı kaybedilen gücün iletkenin erimesine neden olduğu noktadır. Sigortaların yanı sıra , gerçek dünyadaki çoğu iletken bu sınırın çok altında çalıştırılır. Örneğin, ev kabloları genellikle yalnızca yaklaşık 60 °C'ye kadar çalışacak şekilde derecelendirilen PVC yalıtımı ile yalıtılır , bu nedenle bu tür kablolardaki akım, bakır iletkeni asla 60 °C'nin üzerine ısıtmayacak şekilde sınırlandırılmalıdır, bu da riske neden olur. ateş . Teflon veya fiberglas gibi diğer, daha pahalı yalıtım , çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışmaya izin verebilir.

izotropi

Bir malzemeye bir elektrik alanı uygulanırsa ve ortaya çıkan indüklenen elektrik akımı aynı yöndeyse, malzemenin izotropik bir elektrik iletkeni olduğu söylenir . Ortaya çıkan elektrik akımı, uygulanan elektrik alanından farklı bir yönde ise, malzemenin anizotropik bir elektrik iletkeni olduğu söylenir .

Ayrıca bakınız

Geçirgenliğe göre malzemelerin sınıflandırılması
$e r ″ / ε r'$	akım iletimi	alan yayılımı
0		mükemmel dielektrik kayıpsız ortam
≪ 1	düşük iletken malzeme zayıf iletken	düşük kayıplı orta iyi dielektrik
≈ 1	kayıplı iletken malzeme	kayıplı yayılma ortamı
≫ 1	yüksek iletken malzeme iyi iletken	yüksek kayıplı orta zayıf dielektrik
∞	mükemmel iletken

demet iletkeni
Şarj transfer kompleksi
Elektrik direnci ve iletkenlik
dördüncü ray
havai hat
Stephen Gray , elektrik iletkenlerini ve yalıtkanları tanımlayan ilk kişi
süper iletkenlik
Üçüncü ray

Referanslar

daha fazla okuma

Öncü ve tarihi kitaplar

William Henry Preece. Elektrik İletkenleri Üzerine . 1883.
Oliver Heaviside. Elektrik Kağıtları . Macmillan, 1894.

Referans kitapları

ASTM Standartları Yıllık Kitabı: Elektrik İletkenleri. Amerikan Test ve Malzeme Kurumu. (her yıl)
IET Kablolama Düzenlemeleri. Mühendislik ve Teknoloji Kurumu. kablo düzenlemeleri.net

Languages

In other projects