Električni provodnik

U fizici i elektrotehnici, električni provodnik je objekt ili vrsta materijala koji omogućava protok električnog naboja (električne struje) u jednom ili više smjerova. Materijali napravljeni od metala su uobičajeni električni provodnici. Protok negativno nabijenih elektrona generira električnu struju, pozitivno nabijene elektronske rupe, a u nekim slučajevima i pozitivne ili negativne ione.

Da bi struja tekla unutar zatvorenog električnog kola, jedna nabijena čestica ne mora putovati od komponente koja proizvodi struju (izvor struje) do onih koji je troše (električno opterećenje). Umjesto toga, naelektrisana čestica jednostavno treba da pogura svog susjeda za konačnu količinu, koji će pogurati "svog" susjeda, i tako dalje i tako dalje sve dok čestica ne bude gurnuta u potrošača, na taj način ga napajajući. U suštini, ono što se dešava je dugi lanac prenosa impulsa između mobilnih nosioca naboja; Drudeov model provođenja opisuje ovaj proces rigoroznije. Ovaj model prenosa impulsa čini metal idealnim izborom za provodnik; metali, karakteristično, posjeduju delokalizovano more elektrona koje elektronima daje dovoljnu pokretljivost da se sudare i tako utiču na prijenos impulsa.

Kao što je gore objašnjeno, elektroni su primarni pokretač u metalima; međutim, drugi uređaji poput kationskog elektrolita baterije ili mobilnih protona protonskog provodnika gorivne ćelije oslanjaju se na pozitivne nosioce naboja. Izolator (električna energija) je neprovodljiv materijal sa malo mobilnih naboja koji podržava samo neznatne električne struje.

Električni provodnici su materijali u kojima postoje slobodni nosioci električnog naboja (elektroni), pa zbog toga dobro vode električnu struju.

 Otpor i provodljivost 

Otpor datog provodnika zavisi od materijala od kojeg je napravljen i od njegovih dimenzija. Za dati materijal, otpor je obrnuto proporcionalan površini poprečnog presjeka. Naprimjer, debela bakrena žica ima niži otpor od inače identične tanke bakrene žice. Također, za dati materijal, otpor je proporcionalan dužini; naprimjer, duga bakrena žica ima veći otpor od inače identične kratke bakrene žice. Otpor  i provodljivost  provodnika uniformnog poprečnog presjeka, stoga, mogu se izračunati kao


gdje  je dužina provodnika, mjerena u metrima [m], A je površina poprečnog presjeka provodnika mjerena u kvadratnim metrima [m2], σ (sigma) je električna provodljivost mjerena u siemensima po metru (S·m−1), a ρ (rho) je električna otpornost (također nazvana specifični električni otpor) materijala, mjerena u om-metrima (Ω·m). Otpornost i provodljivost su konstante proporcionalnosti i stoga zavise samo od materijala od kojeg je žica napravljena, a ne od geometrije žice. Otpornost i provodljivost su recipročna veličina:. Otpornost je mjera sposobnosti materijala da se suprotstavi električnoj struji.

Ova formula nije tačna: Pretpostavlja da je gustoća struje potpuno ujednačena u provodniku, što nije uvijek tačno u praksi. Međutim, ova formula i dalje pruža dobru aproksimaciju za duge tanke provodnike poput žica.

Druga situacija za koju ova formula nije tačna je naizmjenična struja (AC), jer skin efekat inhibira protok struje blizu središta provodnika. Tada se "geometrijski" poprečni presjek razlikuje od "efektivnog" poprečnog presjeka u kojem struja zapravo teče, pa je otpor veći od očekivanog. Slično, ako su dva provodnika blizu jedan drugom i nose naizmjeničnu struju, njihovi otpori se povećavaju zbog efekta blizine (elektromagnetizam). Na frekvenciji električne energije, ovi efekti su značajni za velike provodnike koji nose velike struje, kao što su sabirnice u električnoj trafostanici,Fink and Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, pages 17–19 ili veliki energetski kablovi koji nose više od nekoliko stotina ampera.

Osim geometrije žice, temperatura također ima značajan utjecaj na efikasnost provodnika. Temperatura utječe na provodnike na dva glavna načina, prvi je da se materijali mogu širiti pod utjecajem topline. Količina kojom će se materijal proširiti određena je koeficijentom toplinskog širenja specifičnim za materijal. Takvo širenje (ili skupljanje) promijenit će geometriju provodnika i stoga njegov karakteristični otpor. Međutim, ovaj učinak je općenito mali, reda veličine 10−6. Povećanje temperature također će povećati broj fonona generiranih unutar materijala. Fonon je u suštini vibracija rešetke, ili bolje rečeno malo, harmonijsko kinetičko kretanje atoma materijala. Slično kao i trešenje flipera, fononi služe za prekid putanje elektrona, uzrokujući njihovo raspršivanje. Ovo raspršivanje elektrona smanjit će broj sudara elektrona i stoga će smanjiti ukupnu količinu prenesene struje.

Provodni materijali

 Materijal  ρ [Ω·m] na 20 °C  σ [] na 20 °CSrebro, Ag  1,59 × 10−8  6,30 × 107 Bakar, Cu  1,68 × 10−8  5,96 × 107 Aluminij, Al  2,82 × 10−8 3,50 × 107

Provodni materijali uključuju metale, elektrolite, supravodiče, poluprovodnike, plazmu i neke nemetalne provodnike poput grafita i provodljivih polimera.

Bakar ima visoku električnu provodljivost. Žarenje bakra je međunarodni standard s kojim se uspoređuju svi ostali električni provodnici; provodljivost Međunarodnog standarda za žareni bakar je , iako ultračisti bakar može neznatno premašiti 101% IACS. Glavna vrsta bakra koja se koristi za električne primjene, kao što su građevinske žice, namotaji elektromotora, kablovi i sabirnice, je bakar bez kisika#Specifikacija|elektrolitički žilavi (ETP) bakar]] (CW004A ili ASTM oznaka C100140). Ako se bakar visoke provodljivosti mora zavarivati ili lemiti ili koristiti u redukcijskoj atmosferi, tada se može koristiti bakar visoke provodljivosti bez kisika (CW008A ili ASTM oznaka C10100). Zbog jednostavnog spajanja lemljenjem ili stezanjem, bakar je i dalje najčešći izbor za većinu tankih žica.

Srebro je 6% provodljivije od bakra, ali zbog cijene nije praktično u većini slučajeva. Međutim, koristi se u specijaliziranoj opremi, kao što su sateliti, i kao tanki premaz za ublažavanje gubitaka uzrokovanih skin efektom na visokim frekvencijama. Poznato je da je 14700 ST t srebra posuđenih od Ministarstva financija Sjedinjenih Država korišteno u izradi kalutron magneta tokom Drugog svjetskog rata zbog ratne nestašice bakra.

Aluminijska žica je najčešći metal u prijenosu električne energije i distribuciji. Iako ima samo 61% provodljivosti bakra po površini poprečnog presjeka, njena niža gustoća je čini dvostruko provodljivijom po masi. Budući da je aluminij otprilike trećina cijene bakra po težini, ekonomske prednosti su značajne kada su potrebni veliki provodnici.

Nedostaci aluminijskog ožičenja leže u njegovim mehaničkim i hemijskim svojstvima. Lako formira izolacijski oksid, što uzrokuje zagrijavanje spojeva. Njegov veći koeficijent toplinskog širenja od mesinganih materijala koji se koriste za konektore uzrokuje labavljenje spojeva. Aluminij se također može "puzati", polako se deformirajući pod opterećenjem, što također labavi spojeve. Ovi efekti se mogu ublažiti odgovarajuće dizajniranim konektorima i dodatnom pažnjom pri instalaciji, ali su učinili aluminijske ožičenja u zgradama nepopularnim nakon pada usluge.
Organski spojevi poput oktana, koji ima 8 atoma ugljika i 18 atoma vodika, ne mogu provoditi električnu energiju. Ulja su ugljikovodici, budući da ugljik ima svojstvo tetrakovalentnosti i formira kovalentne veze s drugim elementima poput vodika, budući da ne gubi niti dobija elektrone, stoga ne formira ione. Kovalentne veze su jednostavno dijeljenje elektrona. Stoga, ne dolazi do razdvajanja iona kada se kroz njih propušta elektricitet. Tekućine napravljene od spojeva sa samo kovalentnim vezama ne mogu provoditi električnu struju. Određene organske ionske tekućine, nasuprot tome, mogu provoditi električnu struju.

Dok čista voda nije električni provodnik, čak i mali dio ionskih nečistoća, poput soli, može je brzo transformirati u provodnik.

Veličina žice
Žice se mjere po površini poprečnog presjeka. U mnogim zemljama, veličina se izražava u kvadratnim milimetrima. U Sjevernoj Americi, provodnici se mjere američkom mjerom žice za manje provodnike i kružnim milovima za veće provodnike.

Amperatura provodnika
Amperatura provodnika, odnosno količina struje koju može prenositi, povezana je s njegovim električnim otporom: provodnik nižeg otpora može prenositi veću vrijednost struje. Otpor je, pak, određen materijalom od kojeg je provodnik napravljen (kao što je gore opisano) i veličinom provodnika. Za dati materijal, provodnici s većom površinom poprečnog presjeka imaju manji otpor od provodnika s manjom površinom poprečnog presjeka.

Za gole provodnike, krajnja granica je tačka u kojoj gubitak snage zbog otpora uzrokuje topljenje provodnika. Osim osigurača, većina provodnika u stvarnom svijetu radi daleko ispod ove granice. Naprimjer, kućne instalacije su obično izolirane PVC izolacijom koja je predviđena za rad samo do oko 60 °C, stoga struja u takvim žicama mora biti ograničena kako nikada ne bi zagrijala bakreni provodnik iznad 60 °C, što bi uzrokovalo rizik od požara. Druga, skuplja izolacija poput teflona ili stakloplastike može omogućiti rad na mnogo višim temperaturama.

 Opteretivost provodnika 

Strujna opteretivost provodnika zavisi od njegovog otpora, jer od toga zavisi koliko će se električne energije pri protjecanju električne struje pretvoriti u toplotu, te s time povezanoj najvećoj dopuštenoj temperaturi, koja najčešće zavisi i od materijala kojim je provodnik izoliran. U praksi se obično iskazuje kao omjer jačine struje i površine poprečnog presjeka provodnika u A/mm².

Izotropija
Ako se električno polje primijeni na materijal, a rezultirajuća inducirana električna struja je u istom smjeru, materijal se naziva izotropnim električnim provodnikom. Ako je rezultirajuća električna struja u drugom smjeru od primijenjenog električnog polja, materijal se naziva anizotropnim električnim provodnikom.
 Objašnjenje 

U elektrotehnici se materijali razlikuju prema otporu koji pružaju protoku električne struje, pa osim vodiča postoje električni izolatori kod kojih je taj otpor vrlo velik, poluprovodnici kod kojih se otpor mijenja u velikom rasponu i supraprovodnici koji uopće nemaju otpora, ali samo na vrlo niskim temperaturama.

U provodnicima postoje slobodni nosoci električnog naboja koji se mogu kretati pod utjecajem električnog polja koje u provodniku nastaje kada se na njega dovede električni napon, a usmjereno kretanje tih nosioca je pojava koja se zove električna struja.

U primjeni su najčešći metalni provodnici, od kojih je najbolje srebro, a zatim bakar, koji je međutim znatno jeftiniji. Kada nije bitan volumen, već samo cijena i masa provodnika, kao npr. kod dalekovoda, koristi se aluminij. Kako su pored vodljivosti često važne i neke hemijske ili mehaničke osobine provodnika koriste se i mnogi drugi metali i njihove legure, npr. zlato, platina, cink, živa, mesing, bronza, čelik.

Od nemetala se često koristi ugljik u obliku uglja ili grafita, a u provodnike se također ubrajaju i elektroliti te plazma.

Također pogledajte

Snop provodnika
Kompleks za prijenos naboja
Električni kabel
Električna otpornost i provodljivost
 Četvrta šina
 Nadzemni vod
 Stephen Gray, prvi koji je identificirao električne provodnike i izolatore
Superprovodljivost
 Treća šina

Reference

Dopunska literatura
Pionirske i historijske knjige 
 William Henry Preece. On Electrical Conductors.  1883.
 Oliver Heaviside. Electrical Papers. Macmillan, 1894.

Referentne knjige
 Annual Book of ASTM Standards: Electrical Conductors. American Society for Testing and Materials. (every year)
 IET Wiring Regulations. Institution for Engineering and Technology. wiringregulations.net 

Vanjski linkovi

 BBC: Key Stage 2 Bitesize: Electrical Conductors
 The discovery of conductors and insulators by Gray, Dufay and Franklin.

 Također pogledajte 
 Poluprovodnik

Kategorija:Električna energija

Kategorija:Elektrotehnika
Kategorija:Elektricitet