موصل كهربائي

في الفيزياء والهندسة الكهربائية ، الموصل هو جسم أو نوع من المواد يسمح بتدفق الشحنة ( التيار الكهربائي ) في اتجاه واحد أو أكثر. تُعد المواد المعدنية من الموصلات الكهربائية الشائعة. ويؤدي تدفق الإلكترونات سالبة الشحنة إلى توليد التيار الكهربائي، والفجوات موجبة الشحنة ، والأيونات الموجبة أو السالبة في بعض الحالات.

لكي يسري التيار الكهربائي في دائرة كهربائية مغلقة ، لا يحتاج الجسيم المشحون إلى الانتقال من المكون المُنتِج للتيار ( مصدر التيار ) إلى المكونات المستهلكة له ( الأحمال ). بل يكفي أن يدفع الجسيم المشحون جاره بمقدار محدود، فيدفعه بدوره ، وهكذا دواليك حتى ينتقل جسيم إلى المستهلك، فيُشغّله. ما يحدث في جوهره هو سلسلة طويلة من نقل الزخم بين حاملات الشحنة المتحركة ؛ ويصف نموذج درود للتوصيل هذه العملية بدقة أكبر. يجعل نموذج نقل الزخم هذا المعدن خيارًا مثاليًا للموصلات؛ فالمعادن، بطبيعتها، تمتلك بحرًا غير متمركز من الإلكترونات، مما يمنحها قدرة كافية على الحركة للتصادم، وبالتالي إحداث نقل للزخم.

كما ذُكر سابقًا، تُعدّ الإلكترونات المحرك الرئيسي في المعادن؛ إلا أن أجهزة أخرى، مثل الإلكتروليتات الكاتيونية في البطاريات ، أو البروتونات المتحركة في موصل البروتونات في خلايا الوقود، تعتمد على حاملات الشحنة الموجبة. أما العوازل فهي مواد غير موصلة ذات شحنات متحركة قليلة، ولا تدعم إلا تيارات كهربائية ضئيلة.

تعتمد مقاومة أي موصل على المادة المصنوع منها وأبعاده. بالنسبة لمادة معينة، تتناسب المقاومة عكسيًا مع مساحة المقطع العرضي. ^{[ 1 ]} على سبيل المثال، سلك نحاسي سميك مقاومته أقل من سلك نحاسي رفيع مماثل له في جميع الخصائص. كذلك، بالنسبة لمادة معينة، تتناسب المقاومة طرديًا مع الطول؛ على سبيل المثال، سلك نحاسي طويل مقاومته أعلى من سلك نحاسي قصير مماثل له في جميع الخصائص. بالتالي، يمكن حساب المقاومة R والموصلية G لموصل ذي مقطع عرضي منتظم كما يلي ^{[ 1 ]}

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

أين${\displaystyle \ell }$يمثل طول الموصل، مقاسًا بالمتر [م]، وA مساحة مقطعه العرضي، مقاسة بالمتر المربع [م² ^] ، وσ ( سيجما ) الموصلية الكهربائية ، مقاسة بالسيمنز لكل متر (سيمنز/م ⁾ ، وρ ( رو ) المقاومة الكهربائية (وتسمى أيضًا المقاومة الكهربائية النوعية ) للمادة، مقاسة بالأوم-متر (أوم.م). المقاومة والموصلية ثابتان تناسبيان، وبالتالي يعتمدان فقط على مادة السلك، وليس على شكله الهندسي. المقاومة والموصلية مقلوبتان .${\displaystyle \rho =1/\sigma }$المقاومة هي مقياس لقدرة المادة على مقاومة التيار الكهربائي.

تفترض هذه الصيغة أن كثافة التيار منتظمة في الموصل. وهذا ليس صحيحًا دائمًا في التطبيقات العملية، مثل ظاهرة التغلغل السطحي للتيار المتردد . ومع ذلك، لا تزال هذه الصيغة تُقدّم تقريبًا جيدًا للموصلات الطويلة والرفيعة كالأسلاك.

هناك حالة أخرى لا تكون فيها هذه الصيغة دقيقة تمامًا، وهي حالة التيار المتردد ، لأن تأثير السطح يمنع تدفق التيار بالقرب من مركز الموصل. عندئذٍ، يختلف المقطع العرضي الهندسي عن المقطع العرضي الفعال الذي يتدفق فيه التيار فعليًا، وبالتالي تكون المقاومة أعلى من المتوقع. وبالمثل، إذا كان موصلان متجاورين يحملان تيارًا مترددًا، فإن مقاومتهما تزداد بسبب تأثير التقارب . عند ترددات الطاقة التجارية ، تكون هذه التأثيرات كبيرة بالنسبة للموصلات الكبيرة التي تحمل تيارات عالية، مثل قضبان التوزيع في محطة فرعية كهربائية ، ^{[ 2 ]} أو كابلات الطاقة الكبيرة التي تحمل أكثر من بضع مئات من الأمبيرات.

إلى جانب هندسة السلك، تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على كفاءة الموصلات. وتؤثر درجة الحرارة على الموصلات بطريقتين رئيسيتين: الأولى هي تمدد المواد عند تعرضها للحرارة، وتعتمد درجة التمدد على معامل التمدد الحراري الخاص بكل مادة. ويؤدي هذا التمدد (أو الانكماش) ​​إلى تغيير هندسة الموصل، وبالتالي مقاومته المميزة. ومع ذلك، يكون هذا التأثير ضئيلاً عمومًا، في حدود 10⁻⁶ ^. كما تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة عدد الفونونات المتولدة داخل المادة. والفونون هو في الأساس اهتزاز شبكي، أو بالأحرى حركة حركية توافقية صغيرة لذرات المادة. وكما هو الحال في اهتزاز آلة البينبول، تعمل الفونونات على تعطيل مسار الإلكترونات، مما يؤدي إلى تشتتها. ويؤدي هذا التشتت إلى تقليل عدد تصادمات الإلكترونات، وبالتالي تقليل إجمالي التيار المنقول.

تشمل مواد التوصيل المعادن ، والإلكتروليتات ، والموصلات الفائقة ، وأشباه الموصلات ، والبلازما، وبعض الموصلات غير المعدنية مثل الجرافيت والبوليمرات الموصلة .

يتميز النحاس بموصلية عالية . يُعد النحاس المُلدّن المعيار الدولي الذي تُقارن به جميع الموصلات الكهربائية الأخرى؛ وموصلية معيار النحاس المُلدّن الدولي هيتبلغ الموصلية النوعية للنحاس 58  ميجا سيمنز/متر ، مع العلم أن النحاس فائق النقاء قد يتجاوز قليلاً 101% من الموصلية النوعية للنحاس. يُعدّ النحاس الإلكتروليتي عالي النقاوة (ETP) (CW004A أو ASTM C100140) النوع الرئيسي المستخدم في التطبيقات الكهربائية، مثل أسلاك البناء، ولفائف المحركات ، والكابلات، وقضبان التوصيل . في حال تطلّب الأمر لحام أو لحام النحاس عالي الموصلية ، أو استخدامه في بيئة مُختزلة، يُمكن استخدام النحاس عالي الموصلية الخالي من الأكسجين (CW008A أو ASTM C10100). ^{[ 3 ]} ونظرًا لسهولة توصيله باللحام أو التثبيت، لا يزال النحاس الخيار الأكثر شيوعًا لمعظم الأسلاك ذات المقياس الرقيق.

الفضة موصلة للكهرباء بنسبة 6% أكثر من النحاس، ولكن نظرًا لتكلفتها، فهي غير عملية في معظم الحالات. مع ذلك، تُستخدم في معدات متخصصة، مثل الأقمار الصناعية ، وكطبقة رقيقة للحد من فقدان الطاقة الناتج عن تأثير الجلد عند الترددات العالية. ومن المعروف أن 14700 طن قصير (13300 طن متري) من الفضة، مُقترضة من وزارة الخزانة الأمريكية، استُخدمت في صناعة مغناطيسات الكالوترون خلال الحرب العالمية الثانية بسبب نقص النحاس في زمن الحرب. ^{[ 4 ]} 

يُعدّ سلك الألومنيوم المعدن الأكثر شيوعًا في نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية . ورغم أن موصليته لا تتجاوز 61% من موصلية النحاس من حيث مساحة المقطع العرضي، إلا أن كثافته المنخفضة تجعله أكثر موصلية بمرتين من حيث الكتلة. وبما أن تكلفة الألومنيوم تُقارب ثلث تكلفة النحاس من حيث الوزن، فإن المزايا الاقتصادية تكون كبيرة عند الحاجة إلى موصلات كبيرة.

تكمن عيوب أسلاك الألمنيوم في خصائصها الميكانيكية والكيميائية. فهي تُكوّن بسهولة طبقة أكسيد عازلة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوصلات. كما أن معامل تمددها الحراري الأكبر من معامل تمدد النحاس المستخدم في الموصلات يتسبب في ارتخاء هذه الوصلات. كذلك، قد يحدث "زحف" للألمنيوم، حيث يتشوه ببطء تحت الحمل، مما يؤدي أيضاً إلى ارتخاء الوصلات. يمكن التخفيف من هذه الآثار باستخدام موصلات مصممة بشكل مناسب واتباع عناية فائقة أثناء التركيب، إلا أن هذه العيوب جعلت أسلاك الألمنيوم في المباني غير شائعة الاستخدام بعد توصيلها بمصدر الطاقة الرئيسي .

قلة قليلة من المركبات العضوية موصلة للكهرباء. على سبيل المثال، تُعد زيوت الهيدروكربون ، كالأوكتان ، عازلاً شائعاً في المحولات . لا تُوصل المركبات العضوية النموذجية الكهرباء لافتقارها إلى حاملات الشحنة . فهي جزيئات غير مشحونة، غير قادرة على التوصيل الأيوني ؛ وتكون إلكتروناتها غير قابلة للتأثر عند الطاقة المنخفضة، ومتمركزة في روابط تساهمية خاملة نسبياً . تنشأ الموصلات العضوية النادرة نتيجةً لعدم وجود أي من هذين الشرطين: فبعض السوائل الأيونية تُوصل الكهرباء عبر نقل الأيونات، بينما تُوزع البوليمرات الموصلة جزءاً كبيراً من إلكتروناتها في نظام π .

على الرغم من أن الماء النقي ليس موصلاً للكهرباء، إلا أن حتى جزءًا صغيرًا من الشوائب الأيونية، مثل الملح ، يمكن أن يحوله بسرعة إلى موصل.

تُقاس الأسلاك بمساحة مقطعها العرضي. في العديد من البلدان، يُعبّر عن الحجم بالمليمترات المربعة. أما في أمريكا الشمالية، فتُقاس الموصلات بوحدة المقياس الأمريكي للأسلاك الصغيرة، وبوحدة المليمترات الدائرية للأسلاك الكبيرة.

تعتمد سعة التيار الكهربائي للموصل، أي مقدار التيار الذي يمكنه حمله، على مقاومته الكهربائية: فالموصل ذو المقاومة المنخفضة يستطيع حمل تيار أكبر. وتتحدد المقاومة بدورها بنوع المادة المصنوع منها الموصل (كما ذُكر سابقًا) وحجمه. بالنسبة لمادة معينة، تكون مقاومة الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأكبر أقل من مقاومة الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأصغر.

بالنسبة للموصلات غير المعزولة، فإن الحد الأقصى هو النقطة التي يؤدي عندها فقدان الطاقة بسبب المقاومة إلى انصهار الموصل. ومع ذلك، باستثناء المصهرات ، فإن معظم الموصلات في الواقع العملي تعمل عند درجات حرارة أقل بكثير من هذا الحد. على سبيل المثال، عادةً ما تُعزل أسلاك المنازل بعزل PVC مصمم للعمل حتى حوالي 60  درجة مئوية فقط، وبالتالي، يجب تقييد التيار في هذه الأسلاك بحيث لا ترتفع درجة حرارة موصل النحاس فوق 60  درجة مئوية، مما يُسبب خطر نشوب حريق . قد تسمح مواد عزل أخرى، أكثر تكلفة، مثل التفلون أو الألياف الزجاجية، بالتشغيل عند درجات حرارة أعلى بكثير.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي على مادة ما، وكان التيار الكهربائي الناتج في نفس اتجاه المجال الكهربائي المطبق، فإن المادة تُوصف بأنها موصل كهربائي متجانس الخواص . أما إذا كان التيار الكهربائي الناتج في اتجاه معاكس لاتجاه المجال الكهربائي المطبق، فإن المادة تُوصف بأنها موصل كهربائي غير متجانس الخواص .

• مانعة الصواعق

تصنيف المواد بناءً على السماحية

⁠ ε r ″ / ε r ′ ⁠	توصيل التيار	انتشار المجال
0		وسط عازل مثالي عديم الفقد
${\displaystyle \ll 1}$	مادة ذات موصلية منخفضة، موصل رديء	عازل كهربائي متوسط ​​الجودة ذو فقد منخفض
${\displaystyle \approx 1}$	مادة موصلة ذات فقد	وسط انتشار ذو فقد
${\displaystyle \gg 1}$	مادة ذات موصلية عالية، موصل جيد	عازل كهربائي متوسط ​​الفقدان ذو عازل كهربائي متوسط ​​النقص
${\displaystyle \infty }$	موصل مثالي

• بي بي سي: ملخصات المرحلة الأساسية الثانية: الموصلات الكهربائية
• اكتشاف الموصلات والعوازل بواسطة غراي، دوفاي وفرانكلين.