Էլեկտրական հաղորդիչներ

Ֆիզիկայում և էլեկտրատեխնիկայում հաղորդիչը նյութի տեսակ կամ օբյեկտ է, որը թույլ է տալիս լիցքի հոսքը (էլեկտրական հոսանքը) մեկ կամ մի քանի ուղղություններով։ Մետաղից պատրաստված նյութերը սովորական էլեկտրական հաղորդիչներ են։ Էլեկտրական հոսանքը առաջանում է բացասական լիցքավորված էլեկտրոնների (մետաղներում և համաձուլվածքներում), դրական լիցքավորված խոռոչների (կիսահաղորդիչներում) և որոշ դեպքերում դրական կամ բացասական իոնների հոսքից(Էլեկտրոլիտներում)։ Նյութի պլազմային վիճակում հոսանքակիրները ազատ էլեկտրոններն են և իոնները։

Վերգետնյա հաղորդիչները էլեկտրաէներգիա են մատակարարում արտադրող կայաններից դեպի բաժանորդներ:

Որպեսզի Էլեկտրական հոսանք լինիի փակ էլեկտրական շղթայում, անհրաժեշտ չէ, որ մեկ լիցքավորված մասնիկ պոկվի մի բևեռից և շարժվելով հասնի մյուս բևեռին։ Փոխարենը, լիցքավորված մասնիկը պարզապես պետք է հրի իր հարևանին, ով կստիպի իր հարևանին, և այդպես շարունակ, այդպիսով ստեղծելով ուղղորդված շարժում։ Ըստ էության, այն, ինչ տեղի է ունենում, շարժական լիցքակիրների միջև իմպուլսի փոխանցման երկար շղթա է, որի մասին ավելի մանրամասն ներկայացրել է Փոլ Դրուդը (Դրուդի մոդել)։ Իմպուլսի փոխանցման այս մոդելը, մետաղի, որպես հաղորդիչ ընտրությունը, դարձնում է իդեալական։ Մետաղները, որպես կանոն, ունեն ազատ էլեկտրոնների տեղայնացված ծով, որը էլեկտրոններին բավականաչափ շարժունակություն է տալիս բախվելու համար և այդպիսով ազդում իմպուլսի փոխանցման վրա։

Ինչպես նշվեց վերևում, էլեկտրոնները մետաղներում հիմնական շարժվող մասնիկներն են, սակայն, այլ սարքերում, ինչպիսիք են մարտկոցի կատիոնային էլեկտրոլիտը (ներ)ը կամ պրոտոնային շարժմամբ պրոտոնային հաղորդիչները, հոսանքը հիմնված է դրական լիցքի կրիչների վրա։ Մեկուսիչները քիչ ազատ լիցքերով հոսանք չհաղորդող նյութեր են, որոնք ապահովում են միայն աննշան էլեկտրական հոսանքներ։

Դիմադրություն և հաղորդունակություն

Դիմադրողական նյութի մի կտոր երկու ծայրերում էլեկտրական կոնտակտներով, որտեղ A-ով նշված է S լայնական հատույթի մակերեսը

Տվյալ հաղորդիչի դիմադրությունը կախված է այն նյութից, որից այն պատրաստված է և դրա չափսերից։ Տվյալ նյութի համար դիմադրությունը հակադարձ համեմատական է լայնական հատույթի մակերեսին^[1]։ Օրինակ, հաստ պղնձե մետաղալարն ավելի ցածր դիմադրություն ունի, քան նույնպիսի բարակ պղնձե մետաղալարը։ Նաև տվյալ նյութի համար դիմադրությունը համեմատական է երկարությանը. Օրինակ, երկար պղնձե մետաղալարն ավելի մեծ դիմադրություն ունի, քան նույնպիսի կարճ պղնձե մետաղալարը։ Այսպիսով, հաղորդիչի R դիմադրությունը և G հաղորդունակությունը կարող ենք որոշել հետևյալ բանաձևերով․^[1]

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

որտեղ ${\displaystyle \ell }$ -ը հաղորդիչի երկարությունն է՝ չափված մետրերով [մ], S-ը՝ լայնական հատույթի մակերեսն է չափված քառակուսի մետրով [մ²], σ (սիգմա)-ն էլեկտրական հաղորդունակությունն է արտահայտված Սիմենս հարաբերած մետրով(Սմ·մ⁻¹), ρ (ռո)-ն՝ նյութի տեսակարար դիմադրությունը(դիմադրողականություն), արտահայտված Օհմ մետրով(Օմ·մ)։ Տեսակարար դիմադրությունը և հաղորդունակությունը նույնաչափ հաստատուններ են ու կախված են միայն նյութի տեսակից, և կախված չեն երկրաչափական չափսերից։ Տեսակարար դիմադրությունը և հաղորդունակությունը միմյանց հակադարձ համեմատական են․ ${\displaystyle \rho =1/\sigma }$։ Դիմադրողականությունը նյութի էլեկտրական հոսանքին հակադրվելու ունակության չափն է։

Այս բանաձևը ճշգրիտ չէ. այն ենթադրում է, որ Հոսանքի խտությունը հաղորդչում լիովին միատեսակ է, ինչը միշտ չէ, որ ճիշտ է գործնականում։ Այնուամենայնիվ, այս բանաձևը մեծ ճշտությամբ կարելի է կիրառել երկար բարակ հաղորդիչների համար, ինչպիսիք են լարերը։

Մեկ այլ իրավիճակ, որի դեպքում այս բանաձևը ճշգրիտ չէ, փոփոխական հոսանքն է, քանի որ մակերևութային էֆեկտը (սկին էֆեկտ) արգելակում է ընթացիկ հոսքը հաղորդչի կենտրոնի մոտ։ Երբ երկրաչափական հատույթի մակերեսը տարբերվում է էֆեկտիվ հատույթի մակերեսից, որի մեջով իրականում հոսում է հոսանքը, դիմադրությունը սպասվածից բարձր է լինում։ Նմանապես, երբ երկու փոփոխական հոսանքակիր հաղորդիչներ միմյանց մոտ են լինում, նրանց դիմադրությունները մեծանում են միմյանց վրա ազդեցության պատճառով։ Այսպիսի երևույթներ դիտվում են մեծ հոսանքներ տեղափոխող մեծ հաղորդիչներում, ինչպիսիք են էլեկտրակայանների էլեկտրական փաթույթները^[2] կամ մի քանի հարյուր Ամպերից մեծ հոսանքակիր հաղորդալարերում։

Բացի երկրաչափական չափսերից, ջերմաստիճանը նույնպես էական ազդեցություն ունի հաղորդիչների արդյունավետության վրա։ Ջերմաստիճանը երկու հիմնական ազդեցություն է թողնում հաղորդիչների վրա, առաջին հերթին նյութերն ընդարձակվում են ջերմաստիճանի ազդեցությամբ։ Նյութի ընդարձակման չափսը նկարագրող մեծությունը ջերմաստիճանային ընդարձակման գործակիցն է, որը կախված է նյութի տեսակից։ Այսպիսի ընդարձակումը (կամ սեղմումը) կփոխի հաղորդչի երկրաչափական չափսերը, հետևաբար նաև բնորոշ դիմադրությունը։ Այնուամենայնիվ, այս ազդեցությունը ընդհանուր առմամբ փոքր է՝ 10⁻⁶ կարգի։ Ջերմաստիճանի բարձրացումը կավելացնի նաև նյութի ներսում առաջացած ֆոնոնների քանակը։ Ֆոնոնը ըստ էության բյուրեղային ցանցի ատոմների տատանումներով կամ կարելի է ասել կինետիկական շարժմամբ պայմանավորված տարրական գրգռումների քվանտ, քվազիմասնիկ է։ Տատանվող գնդիկի նմնան, ֆոնոնները ծառայում են էլեկտրոնների ուղին խաթարելուն՝ պատճառ դառնալով նրանց ցրման։ Էլեկտրենների նման ցրումը նվազեցնում է նրանց միմյանց հետ բախումների քանակը և հետևաբար նաև փոխանցվող հոսանքը։

Հաղորդիչ նյութեր

Հաղորդիչ նյութեր են մետաղները, էլեկտրոլիտները, գերհաղորդիչները, կիսահաղորդիչները, պլազման և որոշ ոչ մետաղական հաղորդիչներ, ինչպիսին են գրաֆիտը և հաղորդիչ պոլիմերները։

Պղինձն ունի բարձր հաղորդունակություն։ Հիմնականում պղինձն ունի էլեկտրական տարբեր կիրառություններ, ինչպիսիք են շինարարական մետաղալարերը, էլեկտրաշարժիչների փաթույթները^[3]։ Զոդման կամ սեղմման միջոցով միացման հեշտության պատճառով պղինձը դեռևս ամենատարածված ընտրությունն է բարակ հաղորդալարերի մեծ մասի համար։

Արծաթը 6%-ով ավելի հաղորդունակ է, քան պղնձը, սակայն արժեքի պատճառով այն շատ դեպքերում գործնականում չի կիրառվում։ Այնուամենայնիվ, այն օգտագործվում է մասնագիտացված սարքավորումներում, ինչպիսիք են արբանյակները, և որպես բարակ ծածկույթ՝ բարձր հաճախականություններում մակերևութային էֆեկտի (սկին էֆեկտ) ազդեցությունը մեղմելու համար։ Հայտնի է, որ պղնձի պակասի պատճառով 13․300 տոննա արծաթ Միացյալ Նահանգների գանձապետարանից օգտագործվել է Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ կալուտրոնային մագնիսների պատրաստման համար^[4]։

Ալյումինե մետաղալարը էլեկտրաէներգիայի փոխանցման և բաշխման ամենատարածված մետաղն է։ Թեև պղնձի հաղորդունակության միայն 61%-ն է կազմում լայնական կտրվածքի մակերեսով, իր ցածր խտությունը այն դարձնում է զանգվածով երկու անգամ ավելի հաղորդունակ։ Քանի որ ալյումինը կշռով պղնձի արժեքի մոտավորապես մեկ երրորդն է, տնտեսական առավելությունները զգալի են, երբ պահանջվում են մեծ հաղորդիչներ։

Ալյումինե լարերի թերությունները նրանց մեխանիկական և քիմիական հատկությունների մեջ են։ Այն հեշտությամբ ձևավորում է մեկուսիչ օքսիդ, ինչը միացումները տաքացնում է։ Եվ քանի որ ունի ավելի բարձր ջերմաստիճանային ընդարձակման գործակից, քան արույրե նյութերը, որոնք օգտագործվում են միացումներում, կապերը թուլանում են։ Ծանրաբեռնվածության դեպքում այն կարող է նաև դեֆորմանալ և կրկին թուլացնել միացումները։ Այս ազդեցությունները ալյումինե լարերի օգտագործումը շինություններում դարձրել են ոչ հանրաճանաչ։

Օրգանական միացությունները, ինչպիսին է օկտանը, որն ունի 8 ածխածնի ատոմ և 18 ջրածնի ատոմ, չի կարող էլեկտրականություն հաղորդել։ Յուղերը ածխաջրածիններ են, քանի որ ածխածինը ունի քառակովալենտության հատկություն և ձևավորում է կովալենտային կապեր այլ տարրերի հետ, ինչպիսին է ջրածինը, քանի որ այն չի կորցնում կամ ձեռք բերում էլեկտրոններ, հետևաբար չեն ձևավորում իոններ։ Կովալենտային կապերը պարզապես էլեկտրոնների կիսումն է։ Հետևաբար, իոնների տարանջատում չկա, երբ էլեկտրաէներգիան անցնում է դրա միջով։ Միայն կովալենտային կապերով միացություններից կազմված հեղուկները չեն կարող էլեկտրական հոսանք անցկացնել։ Որոշ օրգանական իոնային հեղուկներ, ընդհակառակը, կարող են էլեկտրական հոսանք անցկացնել։

Թեև մաքուր ջուրը էլեկտրական հաղորդիչ չէ, նույնիսկ իոնային միացությունների մի փոքր մասը, օրինակ՝ աղը, կարող է արագ վերածել այն հաղորդչի։

Հաղորդալարերի չափսը

Հաղորդալարերը չափվում են իրենց լայնական հատույթի մակերեսով։ Շատ երկրներում այդ չափն արտահայտվում է քառակուսի միլիմետրերով։

Հաղորդչի հոսանքի ուժը

Հաղորդչի հոսանքի ուժը, այսինքն հոսանքի քանակը, որը այն կարող է տեղափոխել, կախված է իր էլեկտրական դիմադրությունից․ ավելի փոքր դիմադրությամբ հաղորդիչը կարող է տեղափոխել ավելի շատ հոսանք։ Դիմադրությունը, իր հերթին, որոշվում է նյութով, որից պատրաստված է հաղորդիչը (ինչպես շարադրված է վերևում) և հաղորդչի չափսերից։ Տրված նյութից ավելի մեծ լայնական հատույթի մակերեսով հաղորդչի դիմադրությունն ավելի փոքր է, քան ավելի փոքր լայնական հատույթի մակերեսով հաղորդչի դիմադրությունը։

Չմեկուսացված հաղորդիչների համար հոսանքի ուժի առավելագույն արժեքն այն է, երբ դիմադրությամբ պայմանավորված կորցրած էներգիան հանգեցնում է հաղորդչի հալմանը։ Չնայած որ կան հոսանքի ապահովիչներ, իրականում աշխարհում հաղորդիչները շահագործվում են այս սահմանի ավելի փոքր հոսանքներով։ Օրինակ կենցաղային լարերը պատված են պոլիվինիլքլորիդային մեկուսիչներով, որը նախատեսված է միայն մոտ 60 °C աշխատելու համար, հետևաբար, այդպիսի լարերի հոսանքը պետք է սահմանափակվի այնպես, որ այն երբեք չտաքացնի պղնձե հաղորդիչը 60 °C-ից բարձր՝ առաջացնելով հրդեհի վտանգ։ Այլ, ավելի թանկ մեկուսացումը, ինչպիսիք են Թեֆլոնը կամ ապակեպլաստը, կարող են թույլ տալ աշխատել շատ ավելի բարձր ջերմաստիճաններում։

Իզոտրոպիա

Եթե նյութի վրա կիրառվում է էլեկտրական դաշտ, և արդյունքում առաջացող էլեկտրական հոսանքը նույն ուղղությունն ունի, ապա նյութը կոչվում է իզոտրոպ էլեկտրական հաղորդիչ։ Եթե առաջացող էլեկտրական հոսանքը կիրառվող էլեկտրական դաշտից տարբեր ուղղությամբ է, ապա նյութը կոչվում է անիզոտրոպ էլեկտրական հաղորդիչ։

Ծանոթագրություններ

1. «Wire Sizes and Resistance» (PDF). Վերցված է 2018 թ․ հունվարի 14-ին.
2. Fink and Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, pages 17–19
3. «High conductivity coppers (electrical)». Copper Development Association (U.K.). Արխիվացված է օրիգինալից 2013 թ․ հուլիսի 20-ին. Վերցված է 2013 թ․ հունիսի 1-ին.
4. «From Treasury Vault to the Manhattan Project» (PDF). American Scientist. Վերցված է 2022 թ․ հոկտեմբերի 27-ին.

Գրականություն

Պիոներական և պատմական գրքեր

• William Henry Preece. On Electrical Conductors. 1883.
• Oliver Heaviside. Electrical Papers. Macmillan, 1894.

Տեղեկատու գրքեր

• 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 Արխիվացված 2021-04-02 Wayback Machine

Արտաքին հղումներ

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

Այս հոդվածի կամ նրա բաժնի որոշակի հատվածի սկզբնական կամ ներկայիս տարբերակը վերցված է Քրիեյթիվ Քոմմոնս Նշում–Համանման տարածում 3.0 (Creative Commons BY-SA 3.0) ազատ թույլատրագրով թողարկված Հայկական սովետական հանրագիտարանից  (հ․ 6, էջ 80)։

Վիքիպահեստն ունի նյութեր, որոնք վերաբերում են «Էլեկտրական հաղորդիչներ» հոդվածին։