التوصيل الكهربائي في المواد الصلبة
تعرف الموصلية الكهربائية بأنها القدرة على مرور التيار الكهربائي عبر مادة معينة. من المهم ملاحظة أن المواد الصلبة تختلف في قدرتها على توصيل الكهرباء؛ حيث تتمتع بعض هذه المواد بموصلية عالية، بينما تفتقر أخرى إلى القدرة على توصيل الكهرباء تمامًا. بناءً على خصائص التوصيل الكهربائي، يمكن تقسيم المواد الصلبة إلى ثلاث فئات رئيسية:
الموصلات
تشمل الموصلات المواد الصلبة التي تسمح بمرور التيار الكهربائي بسهولة. تعتبر المعادن بشكل عام موصلات فعالة للكهرباء، ويرجع ذلك إلى وجود الإلكترونات الحرة التي تسهل حركة التيار داخلها.
أشباه الموصلات
تزداد موصلية أشباه الموصلات عندما يتم توفير كمية كافية من الطاقة للإلكترونات، مما يجعلها تقفز إلى نطاق التوصيل. على سبيل المثال، تزداد موصلية هذه المواد مع ارتفاع درجات الحرارة.
العوازل
أما العوازل فهي المواد التي لا تسمح بمرور الكهرباء على الإطلاق. حتى مع توفير كمية كبيرة من الطاقة، تظل هذه المواد غير قادرة على توصيل التيار الكهربائي.
الموصلات والعوازل
تتمتع الإلكترونات الموجودة في مختلف أنواع الذرات بدرجات متفاوتة من حرية الحركة. تكون الإلكترونات الخارجية في الذرات مرتبطة بشكل ضعيف، مما يمنحها القدرة على الحركة العشوائية في الفراغ بين ذرات المادة نتيجة لتأثير الطاقة الحرارية في درجة حرارة الغرفة. وبما أن هذه الإلكترونات ليست مقيدة بشكل كبير، فإنها تُعرف بالإلكترونات الحرة. ومن ناحية أخرى، فإن الإلكترونات في بعض المواد تكون محصورة بشكل أكبر، مما ينتج عنه انتقال منخفض للإلكترونات ويعرف بالتوصيل الكهربائي.
تحديد مستوى الموصلية في المواد
يمكن معرفة الموصلية من خلال دراسة نوع الذرات في المادة، بما في ذلك عدد البروتونات في نواة كل ذرة، والخصائص الكيميائية، وطريقة ارتباط الذرات ببعضها. تُعتبر المواد التي تحتوي على إلكترونات حرة كثيرة موصلات، بينما تُصنف المواد التي تحتوي على عدد قليل من الإلكترونات الحرة على أنها عوازل. من الجدير بالذكر أن ليس جميع الموصلات تتمتع بنفس المستوى من الموصلية، ولا جميع العوازل تمتاز بنفس درجة العزل.
أمثلة شائعة على المواصلات والعوازل
إليكم بعض الأمثلة المعروفة للموصلات والعوازل:
- الموصلات: الفضة، النحاس، الذهب، الألومنيوم، الحديد، البرونز، الزئبق، الجرافيت، المياه غير النقية، الإسمنت.
- العوازل: الزجاج، النفط، الإسفلت، الألياف الزجاجية، الخزف، السيراميك، الكوارتز، القطن الجاف، الورق الجاف، الخشب الجاف، البلاستيك، الهواء، الألماس، الماء النقي.
العلاقة بين الموصلية الكهربائية والحرارة
تظهر الموصلات الفعالة للكهرباء غالبًا كموصلات جيدة للحرارة، وهذا ينطبق على معظم المعادن. يمكن أن تؤثر درجة حرارة المادة على موصليتها بشكل غير مباشر؛ فعند ارتفاع درجة الحرارة في الموصلات، فإن الموصلية تنخفض بشكل عام والعكس صحيح. في حالة العوازل، فإنه مع زيادة درجة الحرارة، تزداد الموصلية بشكل فعلي.