Elektromos vezetés

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A fizikában az elektromos vezető olyan anyag, ami képes elektromos áramot vezetni.

Az elektromos vezetésre képes anyagok fő példái a kristályos szerkezetű fémek. A kristályban az atomok nagyon közel vannak egymáshoz (a rácsállandó kicsi), ezért a szomszédos atomok közösen használják a vegyértékelektronjaikat. A sávszerkezetben ez azt jelenti, hogy a közös elektron egyaránt tartozik a vezetési és a vegyérték sávhoz, vagyis a két sáv részben fedi egymást. A kristályban sok szabad elektron van, ennek következtében az anyag jól vezet, fajlagos vezetőképessége nagy.

Jó elektromos vezetők a fémek (ezüst, réz, vas, alumínium stb.), elektrolitok és a grafit.

Elektromos vezetők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektromos vezető egy olyan anyag, ami szabadon mozgó elektromosan töltött részecskéket tartalmaz. Ezek eljutása az egyik helyről a másikra az elektromos áram.

Az anyagok elektromos vezetőképességének elnevezése a konduktancia, az ellenállás reciproka. Jele: G, mértékegysége a siemens, jele: S (Ernst Werner von Siemens tiszteletére).

Elsőfajú vezetők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kristályos fémek és a grafit elsőfajú vezetők. Vezetőképességük a kristályszerkezeten alapul, amiben a le nem kötött vegyértékelektronok sok atom közös elektronjaivá válnak, és szabadon elmozdulhatnak. Az elsőfajú vezetők kémiailag változatlanok maradnak az áram vezetése közben. A grafit csak a rétegekkel párhuzamosan tudja vezetni az áramot. A legjobb vezető az ezüst; utána az arany és a réz következik.

A vezetőképesség hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével a fémek ellenállása lassan nő, míg a félvezetőké és a grafité akár csökkenhet is. Alacsony hőmérsékleten egyes anyagok, akár hőszigetelők ellenállása a nullára esik vissza; ez a jelenség a szupravezetés.

Kvantummechanika[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ha a fémeket kvantummechanikai szempontból nézzük, akkor a hullámegyenletekből és a Fermi-Dirac-statisztikából adódóan az elektronok nem vehetnek fel akármekkora energiát. A felvehető energiák sávokba rendeződnek, amiket a tiltott sávok választanak el egymástól. Ezek a sávok a fém kristályrácsától függnek.

Az abszolút nulla fokon a legnagyobb energiájú elektron energiája a Fermi-energia. Ha ez a Fermi-energia szabad sávba esik, akkor az anyag vezető. Ha tiltott sávba, akkor félvezető vagy szigetelő attól függően, hogy a termikus energia elég-e a sávhatár átlépéséhez.

A félvezetők tiszta állapotukban stabil kovalens kötésekkel összetartott kristályrácsot alkotnak. Magasabb hőmérsékleten az elektronok átléphetnek egy szabad sávba, ezért a félvezetők magasabb hőmérsékleten jobban vezetik az áramot, ellentétben a fémekkel. A félvezetőkben a szabad sávba felugrott elektron lyukat hagy maga után, amibe más elektronok ugornak bele, ezért a lyuk mozog. Mivel a semleges atomokat egy negatív töltésű elektron hagyta el, ezért a lyuk pozitív töltéshordozónak minősül. Ezért a lyukak is hozzájárulnak a vezetőképességhez; ez a lyukvezetés. A tiszta félvezetőben ugyanannyi lyuk van, mint elektron; ez szennyezéssel mindkét irányban megváltoztatható. Például a nitrogénnel szennyezett szilíciumban aránylag sok az elektron, ezért n-vezető lesz, míg a bórral szennyezettben a lyukak lesznek többen, és ők válnak a fő töltéshordozóvá; ezt p-vezetésnek nevezik.

Szupravezetés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szupravezetés alacsony hőmérsékleten fordul elő. Ez azt jelenti, hogy az adott anyag ellenállása egy bizonyos hőmérséklet alatt nullára esik vissza. A jelenség a kvantummechanikával magyarázható. Míg az első vizsgált anyagoknál ez a hőmérséklet az abszolút nulla közelében volt, ma már ismeretesek jóval magasabb hőmérsékleten szupravezetővé váló anyagokat. Ez azonban még mindig túl hideg a legtöbb gyakorlati alkalmazás számára, hiszen nem lépi át a -130 °C-ot.

Felhasználása:

  • érzékeny elektromágneses érzékelők
  • az ellenállás által okozott veszteség csökkentése
  • az elektromos áram veszteségmentes szállítása

Másodfajú vezetők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az elektrolitok másodfajú vezetők. Vezetőképességüket az egy vagy több kristályrácsából kiszabadult ionok adják. Lehetnek sóoldatok vagy sóolvadékok.

A sóoldatok az elektrolitok klasszikus példái. A só kristályrácsából kioldott ionjait a poláris oldószer molekulái veszik körül; ezek elmozdulása adja az áramot. A pozitív ionok a negatív töltésű katód felé mozdulnak el, ezért kationoknak nevezik őket. A negatív töltésűek a pozitívan töltött anódhoz vonzódnak, ezért anionnak hívják őket. Az elektródokhoz érve az ionok elvesztik töltésüket és kiválnak. Így válhat ki fém a katódon, klór az anódon, vagy hidrogén a katódon és oxigén az anódon. Ezt a kémiai változást galvanizálásra is használják.

Az olvadt üveg szintén tartalmaz különféle ionokat, így melegíthető tovább az olvadt üveg azzal, hogy áramot vezetnek bele.

Hővezetés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hővezetés a hő terjedésének egyik módja. Az elsőfajú vezetőkben a közös elektronok nemcsak töltést, hanem hőt is szállítanak. Általában a jó elektromos vezetők jó hővezetők is; ez a Wiedemann–Franz-törvény. Fémek esetén, mivel a hőt is a szabad elektronok szállítják, hőáram keletkezik. Ez a Seebeck-hatás.

Elektromos szigetelőkben a hőt a szerkezet rezgései terjesztik, így a hő hangsebességgel terjed. Félvezetőkben a hő terjedésének mindkét módja fontos.

A hővezetés a szilárd anyagokra jellemző. Folyadékokban, gázokban a hő főként áramlással és sugárzással terjed.

Jó hővezetők: kristályos fémek

Rossz hővezetők: fa, műanyag, sók

Az elektromágneses hullámok vezetése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Nagyfrekvenciás és mikrohullámú vezetők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Nagyobb frekvenciákon az elektromos jeleket már nem célszerű hagyományos huzalokon vezetni. A frekvencia növelésével erősödik az ún. skin-hatás (bőr-hatás, felületi vezetés, áramkiszorítás), ami azt jelenti, hogy az áramsűrűség a vezeték keresztmetszetén nézve a közepe felé csökken, vagyis nagyobb ellenállást mutat. Ezért már az 50Hz-es energiaátvitelnél is inkább több vékony vezetéket, vagy sodort vezetéket használnak.

Nagyobb frekvenciákon ún. hullámvezetőket használunk, amikben a jel már inkább elektromágneses hullámként terjed. Ilyen a koaxiális kábel, amely egy belső vezetőből, azt körülvevő szigetelőből és egy külső (árnyékoló) vezetőrétegből áll. Egyenáramon és alacsony frekvencián a belső vezetőben terjed a jel, nagyobb frekvenciákon egyre inkább a két vezető közti szigetelőben terjed vezetett hullámként. A gigahertzes tartományban használnak csőtápvonalakat is, amelyek belül üreges, vezető falú csövek, jellemzően kör vagy téglalap keresztmetszettel. Ezekben csak vezetett hullámok terjednek, korlátozott frekvenciasávban (ahol a csőtápvonal keresztmetszete a fél hullámhossz körül van).


Fényvezetés[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fényvezetés céljára optikai kábelek szolgálnak. Ezekben egy vagy több vékony optikai üvegszálat fognak össze. Bent a fény többszörösen is teljesen visszaverődve halad, ezért a csillapítás egészen kicsi lehet. Egyes modern eszközökben fénykristályokat használnak. A kétdimenziós fényvezetőket például félvezetőlézerekben alkalmazzák.

Mágneses vezetők[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Különböző anyagok relatív permeabilitása
Közeg µr Típusa
Szupravezetők 0 ideálisan diamágneses
Ólom, cink, réz < 1 diamágneses
Vákuum 1 (neutral per Definition)
Levegő, alumínium, platina > 1 paramágneses
Kobalt 80…200 ferromágneses
Vas 300…10.000 ferromágneses
Ferritek 4…15.000 ferromágneses
Mumetall (NiFe) 50.000…140.000 ferromágneses
amorf fémek 700…500.000 ferromágneses

A mágneses vezetőképességet mágneses permeabilitásnak nevezik. Jele μ, és a mágneses mező befogadására való készséget jelöli. Szorosan kapcsolódik a mágneses szuszceptibilitáshoz. A permeabilitás a H mágneses térerő és a B mágneses indukció hányadosa:

 \mu = \frac {\left| \vec{H} \right|} {\left| \vec{B} \right|},

és mértékegysége \frac{V s}{A m}.

A μ0 = 1,2566·10-6·Vs/Am mágneses állandó a vákuum permeabilitása. A μr relatív permeabilitás egyenlő a μ permeabilitás és μ0 hányadosával:

\mu_r = \frac{\mu}{\mu_0}.

A mértékegység nélküli μr relatív permeabilitás a következőképpen függ össze a χ mágneses szuszceptibilitással:  \mu_r = 1 + \chi

A szupravezetők teljesen kilökik magukból a mágneses teret. Ez a Meißner-Ochsenfeld-hatás.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Aufl. Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000. ISBN 3-8171-1628-4
  • Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1 Aufl. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18.Aufl. Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9

Lásd még[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]