مقاومت و رسانایی الکتریکی

رسانایی الکتریکی به مفهوم اندازه‌گیری قابلیت هدایت جریان الکتریکی در یک ماده می‌باشد و یکای آن در سیستم استاندارد بین‌المللی واحدها، زیمنس (یکا) است. در بعضی از اجسام، انتقال بار الکتریکی از منطقه‌ای در درون جسم به منطقه دیگر آن به آسانی صورت می‌گیرد و در بعضی چنین نیست. به عنوان مثال اگر سر یک سیم مسی را به میله نایلونی باردار و سر دیگر آن را به یک گلوله چوب‌پنبه‌ای که در ابتدا بدون بار است، وصل کنیم، با نزدیک کردن اجسام باردار دیگر، معلوم می‌شود که گلوله باردار شده‌است؛ بنابراین به سیم مسی که در آن انتقال بار صورت می‌گیرد، جسم رسانا گویند.
تعریف رسانایی از دیدگاه جریان الکتریکی
اجسامی که می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد (با مقاومت الکتریکی کم) از خود عبور دهند، رسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.
افرادی که بیشتر با وسایل برقی کار می‌کنند، در هنگام کار از وسایلی استفاده می‌کنند که برق آنها را نگیرد. به عنوان مثال، کفشهای مخصوص پوشیده و مشغول کار می‌شوند. یعنی از آنجا که بدن انسان رسانا است، از اینرو برای اینکه جریان برق از طریق بدن انسان به زمین منتقل نشود، (چون در این صورت برق گرفتگی اتفاق می‌افتد) باید از کفشهای مخصوص یا دستگش‌های مخصوص استفاده کنند. دسته فازمتر ماده‌ای عایق است و لذا می‌توان با استفاده از آن به راحتی برای تشخیص وجود یا عدم وجود جریان برق استفاده نمود.
در همه این نمونه هاباید اطلاع داشته باشیم که چه اجسامی قابلیت انتقال جریان الکتریسیته را دارند و چه موادی فاقد این قابلیت هستند. دسته اول را رسانا و دسته دوم را نارسانا می‌نامند.
رسانایی الکترونی
برای پی بردن به دلیل رسانش می‌توان ساختمان مواد رسانا را مورد توجه قرار داد. از جمله مواد رسانای بسیار معروف فلزات هستند. ویژگی عمده فلزات از نظر خصوصیت الکتریکی این است که این مواد دارای الکترونهای آزاد هستند. این الکترونها را اصطلاحا حاملین بار می‌گویند. هنگامی که اتمهای منزوی برای تشکیل جسم جامد فلزی با هم ترکیب می‌شوند، الکترونهای لایه خارجی اتم، مقید به اتمهای منفرد باقی نمی‌مانند، بلکه آزادانه در سرتاسر حجم جسم جامد حرکت می‌کنند.
زمانی که در جسمی جابجایی بار صورت می‌گیرد، می‌گویند از جسم جریان الکتریکی می‌گذرد؛ بنابراین اگر فلزی را در مسیر جریان الکتریکی قرار دهیم، این جریان توسط الکترونهای آزاد منتقل می‌شود و از اینرو خاصیت رسانایی بیشتر متوجه حاملین بار و سرعت آنهاست. البته غیر از فلزات رساناهای دیگری نیز وجود دارند. از این جمله می‌توان به محلولهای آبی نمکها و اسیدها و بسیاری از اجسام رسانای دیگر اشاره کرد در این مواد رسانایی به شیوه یونی انجام می‌گیرد.
رسانایی یونی
یک واکنش شیمیایی است که با عبور جریان برق از درون یک محلول به وقوع می‌پیوندند.
ابر رسانا، رسانا، نیمه رسانا، نارسانا (عایق)
تمام عناصر و اجسام ما از لحاظ عبور جریان برق به سه گروه رسانا نیمه رسانا و نارسانا یا عایق طبقه‌بندی می‌شوند. معمولا در بین عناصر شناخته شده فلزات رسانی الکتریکی می‌باشند و غیر فلزات نا رسانا و در برخی مواقع نیمه رسانا می‌باشند اما عدد اتمی و چینش الکترون‌ها و پیوندهای آنها نقش به سزایی در رسانای الکتریکی دارد بنا بر این این مورد استثنائاتی هم دارد. مثلا نافلز بروم درگروه هفدهم میباشدو دوره چهارم جدول مندلیف قرار دارد برم نافلزی است که رسانای جریان برق می‌باشد. فلزات معمولا نقطه جوش بالایی دارند همچنین سطح براق و درخشانی دارند و چکش خوارند وبا کشیدن خم می‌شوند. ۴. جریان برق را از خود عبور می‌دهند . ولی نافلزات نقطه مقابل فلزات هستند. شبه فلز یک عنوان برای طبقه‌بندی عناصر شیمایی است؛ که به عناصری اطلاق می‌گردد که خواصشان میان فلز و نافلز است.
تعریف معینی برای شبه فلزها وجود ندارد اما دو خاصیت زیر مشخصه آنها است:
شبه‌فلزها معمولا به شکل اکسیدهای آمفوتر یافت می‌شوند.
شبه‌فلزها معمولا نیمه‌رسانا هستند
عناصری که در دسته شبه‌فلزها جای می‌گیرند: بور (B) سیلیسیوم (Si) ژرمانیوم (Ge)آرسنیک As)آنتیموان(Sb)تلوریوم (Te) پولونیوم (Po)
بعضی از آلوتروپ‌های دیگر عناصر نیز مانند شبه‌فلزها رفتار می‌کنند. همه این عناصر در بلوک پی قرار دارند
کربن دارای آلوتروپها یا دگرشکلهایی است. الماس و گرافیت از جمله دگرشکل‌های کربن هستند. دربلور الماس هر اتم کربن به وسیله چهار پیوند کووالانسی به چهار اتم کربن دیگر متصل است، درنتیجه چهار الکترون ظرفیت آن درگیر پیوند می‌باشند. الماس رسانایی برق یا الکتریسیته ندارد، اما رسانایی گرمایی آن حدود پنج برابر فلز مس است.
گرافیت آلوتروپ دیگر کربن ماده‌ای سیاه و نرم بوده و ساختار لایه‌ای دارد؛ و اما در گرافیت، هر یک از اتم‌های کربن در هر لایه با سه اتم مجاور خود پیوند دارد. یعنی چهار الکترون پیوندی با سه اتم کربن دیگر پیوند برقرار می‌کنند، بنابراین هر اتم کربن با یکی از اتم‌های کربنی که با آن پیوند دارد، پیوندی دوگانه برقرار می‌کند. یکی از این پیوندها سست بوده و درنتیجه یکی از الکترونهای متعلق به هر کربن تقریبا آزاد بوده و می‌تواند در سراسر لایه حرکت کند. می‌دانید حرکت یون یا الکترون سبب رسانایی الکتریسیته می‌شود. درنتیجه گرافیت در طول هر لایه از لایه‌های خود رسانایی الکتریسیته دارد البته با پیش رفت علم نانو کاربرد کربن بسیار بیشتر شده. از این لحاظ اتم کربن به لحاظ انواع پیوندهایی که می‌تواند داشته باشد بی‌نظیر است همین موضوع باعث اهمیت فوق‌العاده کربن در علم نانو شده‌است.
ابر رسانا
. ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند، یعنی میدان مغناطیسی را از درون خود طرد می‌کند. طرد میدان مغناطیسی تنها تفاوت اصلی ابررسانا با رسانای کامل است، زیرا در رسانای کامل انتظار می‌رود میدان مغناطیسی ثابت بماند، در حالی که در ابررسانا میدان مغناطیسی همواره صفر است.
مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شود. در رساناهای معمولی مثل مس و نقره، وجود ناخالصی و مشکلات دیگر این روند را کند می‌کند. به طوری که حتی در صفر مطلق هم نمونه‌های معمول مس همچنان مقاومت الکتریکی کمی دارند. در مقابل ابررساناها موادی هستند که اگر دمایشان از یک دمای بحرانی کمتر شود، ناگهان مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. جریانی از الکتریسیته در یک حلقه ابررسانا می‌تواند برای مدت نامحدودی بدون وجود مولد جریان وجود داشته باشد. مانند پدیده فرومغناطیس و خطوط طیفی اتم‌ها، ابررسانایی نیز پدیده‌ای کوانتومی است. هر چند یک تئوری جهانشمول برای ابررسانایی وجود ندارد؛ و نمی‌توان آن را با فیزیک کلاسیک به مانند یک رسانای مطلوب توصیف کرد.
پدیده ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند، ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند، همچنین پدیده ابررسانایی در فلزات فرومغناطیس هم روی نمی‌دهد. در سال ۱۹۸۶ ابررسانایی دمای بالا کشف شد. دمای بحرانی این ابررساناها بیش از ۹۰ کلوین است. نظریه‌های کنونی ابررسانایی نمی‌توانند ابررسانایی دمای بالا را، که به ابررسانایی نوع ۲ (Type II) معروف است، توضیح دهند. از نظر عملی ابررساناهای دمای بالا کاربردهای بسیار بیشتری دارند، زیرا در دماهایی ابررسانا می‌شوند که راحت‌تر قابل ایجاد هستند. پژوهش برای یافتن موادی که دمای بحرانی آن‌ها باز هم بیشتر باشد، و همچنین برای یافتن نظریه‌ای برای توضیح ابررسانایی دمای بالا همچنان ادامه دارد.
رسانا
اجسامی که می‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد (با مقاومت الکتریکی کم) از خود عبور دهند، رسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.
نیمه رسانا
نیم‌رسانا یا نیمه‌هادی عنصر یا ماده‌ای است که در حالت عادی عایق باشد ولی با افزودن مقداری ناخالصی قابلیت هدایت الکتریکی پیدا می‌کند. (منظور از ناخالصی عنصر یا عناصر دیگری است غیر از عنصر اصلی یا پایه؛ بر فرض مثال، اگر عنصر پایه سیلیسیوم باشد ناخالصی می‌تواند آلومینیوم یا فسفر باشد) نیمه‌رساناها در لایه ظرفیت خود چهار الکترون دارند. میزان مقاومت الکتریکی نیمه‌رساناها بین رساناها و نارساناها می‌باشد. از نیمه رساناها برای ساخت قطعاتی مانند دیود، ترانزیستور، تریستور، آی سی و … استفاده می‌شود. ظهور نیمه رساناها در علم الکترونیک انقلاب عظیمی را در این علم ایجاد کرده که اختراع رایانه یکی از دستاوردهای این انقلاب است. نیمه‌رساناها به دو نوع قسمت‌بندی می‌شوند.
انواع نیمه رسانا
نیمه‌رسانای ذاتی
نیمه‌رسانای غیرذاتی
در نیمه‌رسانای ذاتی تعداد حفره و الکترون برابر است، در صورتی که در نیمه‌رسانای غیر ذاتی چنین نیست. نیمه رسانای غیر ذاتی با آلاییدن نیمه‌رسانای چهار ظرفیتی با یک عنصر سه یا پنج ظرفیتی پدید می‌آید. نیمه‌رساناهای غیر ذاتی به دو دسته تقسیم می‌شوند.
نوع پی P یا Possitive یا دارنده الکترون آزاد (دهنده) که در آن تعداد حفره‌ها بیشتر است.
نوع ان N یا Negative یا گیرنده الکترون آزاد (پذیرنده) که در آن تعداد الکترون‌ها بیشتر است.
عایق
اجسامی که نمی‌توانند جریان الکتریسیته را بدون اتلاف زیاد (با مقاومت الکتریکی کم) از خود عبور دهند، نارسانای الکتریسته خوانده می‌شوند.
اهمیت اجسام رسانا
در زندگی امروزی اجسام رسانا نقش بسیار اساسی ایفا می‌کنند. به عنوان نمونه، می‌توان به سیمهای انتقال اشاره کرد که به این وسیله جریان برق تولید شده در نیروگاه‌ها به شهرها و مناطق مسکونی منتقل می‌شود. البته اهمیت مواد رسانا تنها به این مورد خاص که اشاره شد، محدود نمی‌شود. اگر وسایل برقی خانگی را مورد توجه قرار دهیم و به مواد مختلف رسانا که در ساختمان آن بکار رفته‌است، توجه کنیم، اهمیت این مواد بیشتر واضح خواهد بود.