موصل كهربائي

مقالات عن
الكهرومغناطيسية
كهرباء المغناطيسية بصريات تاريخ حسابي الكتب المدرسية الظواهر
الكهرباء الساكنة كثافة الشحنة موصل قانون كولومب إلكتريت الشحنة الكهربائية ثنائي القطب الكهربائي المجال الكهربائي التدفق الكهربائي الإمكانات الكهربائية التفريغ الكهروستاتيكي الحث الكهروستاتيكي قانون جاوس عازل السماحية الاستقطاب الطاقة الكامنة الكهرباء الساكنة الكهرباء الاحتكاكية
المغناطيسية الساكنة قانون أمبير قانون بيوت-سافارت قانون غاوس المغناطيسي ثنائي القطب المغناطيسي المجال المغنطيسي التدفق المغناطيسي الإمكانات القياسية المغناطيسية إمكانات المتجه المغناطيسي مغنطة نفاذية قاعدة اليد اليمنى
الديناميكا الكهربائية ضوء الكبح إشعاع السيكلوترون تيار الإزاحة التيار الدوامي المجال الكهرومغناطيسي الحث الكهرومغناطيسي نبضة كهرومغناطيسية الإشعاع الكهرومغناطيسي قانون فاراداي معادلات جيفيمينكو صيغة لارمور قانون لينز إمكانات ليينارد-ويشرت معادلات لندن قوة لورنتز معادلات ماكسويل موتر ماكسويل متجه بوينتينج إشعاع السنكروترون
الشبكة الكهربائية التيار المتناوب السعة كثافة التيار التيار المباشر التيار الكهربائي التحليل الكهربائي القوة الدافعة الكهربائية مقاومة المحاثة تسخين جول قوانين كيرشوف تحليل الشبكة قانون أوم دائرة متوازية مقاومة التجاويف الرنانة دائرة متسلسلة الجهد االكهربى الموجهات الموجية
الدائرة المغناطيسية محرك التيار المتردد محرك تيار مستمر آلة كهربائية محرك كهربائي مكثف الدوران محرك تحريضي محرك خطي القوة الدافعة المغناطيسية النفاذية الإحجام (معقد) الإحجام (الحقيقي) الدوار الجزء الثابت محول
صياغة متغايرة موتر كهرومغناطيسي الكهرومغناطيسية والنسبية الخاصة أربعة تيارات أربعة إمكانات الأوصاف الرياضية معادلات ماكسويل في الزمكان المنحني الكهرومغناطيسية النسبية موتر الإجهاد والطاقة
العلماء أمبير بيو كولومب دافي اينشتاين فاراداي فيزو جاوس هيفيسايد هلمهولتز هنري هرتز هوبكنسون جيفيمينكو جول كلفن كيرشوف لارمور لينز لينارد لورنتز ماكسويل نيومان أوم أورستيد سمكة بوينتينغ ريتشي سافارت مغني شتاينميتز تيسلا تومسون فولتا ويبر ويشرت
ف ت هـ

في الفيزياء والهندسة الكهربائية ، الموصل هو جسم أو نوع من المواد يسمح بتدفق الشحنة ( التيار الكهربائي ) في اتجاه واحد أو أكثر. المواد المصنوعة من المعدن هي موصلات كهربائية شائعة. يولد تدفق الإلكترونات المشحونة سلبًا تيارًا كهربائيًا وثقوبًا مشحونة إيجابيًا وأيونات موجبة أو سالبة في بعض الحالات.

لكي يتدفق التيار داخل دائرة كهربائية مغلقة ، لا يحتاج جسيم مشحون واحد إلى الانتقال من المكون الذي ينتج التيار ( مصدر التيار ) إلى أولئك الذين يستهلكونه ( الأحمال ). بدلاً من ذلك، يحتاج الجسيم المشحون ببساطة إلى دفع جاره بمقدار محدود، والذي سيدفع جاره ، وهكذا دواليك حتى يتم دفع الجسيم إلى المستهلك، وبالتالي تشغيله. ما يحدث بشكل أساسي هو سلسلة طويلة من نقل الزخم بين حاملات الشحنة المتحركة ؛ يصف نموذج درود للتوصيل هذه العملية بدقة أكبر. يجعل نموذج نقل الزخم هذا المعدن خيارًا مثاليًا للموصل؛ تمتلك المعادن، بشكل مميز، بحرًا غير موضعي من الإلكترونات مما يمنح الإلكترونات القدرة الكافية على الحركة للتصادم وبالتالي التأثير على نقل الزخم.

كما تمت مناقشته أعلاه ، فإن الإلكترونات هي المحرك الأساسي في المعادن؛ ومع ذلك، فإن الأجهزة الأخرى مثل الإلكتروليت الكاتيوني للبطارية ، أو البروتونات المتحركة لموصل البروتون في خلية الوقود تعتمد على حاملات الشحنة الموجبة. العوازل هي مواد غير موصلة ذات شحنات متحركة قليلة تدعم تيارات كهربائية ضئيلة فقط.

تعتمد مقاومة موصل معين على المادة المصنوعة منها وعلى أبعادها. بالنسبة لمادة معينة، تكون المقاومة متناسبة عكسيًا مع مساحة المقطع العرضي. ^[1] على سبيل المثال، يتمتع السلك النحاسي السميك بمقاومة أقل من السلك النحاسي الرقيق المتطابق بخلاف ذلك. أيضًا، بالنسبة لمادة معينة، تكون المقاومة متناسبة مع الطول؛ على سبيل المثال، يتمتع السلك النحاسي الطويل بمقاومة أعلى من السلك النحاسي القصير المتطابق بخلاف ذلك. وبالتالي، يمكن حساب المقاومة R والموصلية G لموصل ذي مقطع عرضي منتظم على النحو التالي ^[1]

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

حيث هو طول الموصل، مقاسًا بالمتر [م]، A هي مساحة المقطع العرضي للموصل مقاسة بالمتر المربع [م ² ]، σ ( سيجما ) هي الموصلية الكهربائية مقاسة بالسيمنز لكل متر (S·m ⁻¹ )، وρ ( رو ) هي المقاومة الكهربائية (وتسمى أيضًا المقاومة الكهربائية النوعية ) للمادة، مقاسة بالأوم متر (Ω·m). المقاومة الكهربائية والموصلية ثابتان تناسبيان، وبالتالي يعتمدان فقط على المادة التي صنع منها السلك، وليس على هندسة السلك. المقاومة الكهربائية والموصلية متبادلتان : . المقاومة الكهربائية هي مقياس لقدرة المادة على مقاومة التيار الكهربائي. ${\displaystyle \ell }$${\displaystyle \rho =1/\sigma }$

هذه الصيغة ليست دقيقة: فهي تفترض أن كثافة التيار موحدة تمامًا في الموصل، وهو ما لا ينطبق دائمًا في المواقف العملية. ومع ذلك، لا تزال هذه الصيغة توفر تقريبًا جيدًا للموصلات الطويلة والرفيعة مثل الأسلاك.

هناك موقف آخر لا تكون هذه الصيغة دقيقة له وهو التيار المتناوب (AC)، لأن تأثير الجلد يمنع تدفق التيار بالقرب من مركز الموصل. بعد ذلك، يختلف المقطع العرضي الهندسي عن المقطع العرضي الفعال الذي يتدفق فيه التيار بالفعل، وبالتالي تكون المقاومة أعلى من المتوقع. وبالمثل، إذا كان موصلان بالقرب من بعضهما البعض يحملان تيارًا متناوبًا، فإن مقاوماتهما تزداد بسبب تأثير القرب . عند تردد الطاقة التجارية ، تكون هذه التأثيرات مهمة للموصلات الكبيرة التي تحمل تيارات كبيرة، مثل قضبان التوصيل في محطة فرعية كهربائية ، ^[2] أو كابلات الطاقة الكبيرة التي تحمل أكثر من بضع مئات من الأمبير.

بصرف النظر عن هندسة السلك، فإن درجة الحرارة لها أيضًا تأثير كبير على فعالية الموصلات. تؤثر درجة الحرارة على الموصلات بطريقتين رئيسيتين، الأولى هي أن المواد قد تتمدد تحت تأثير الحرارة. يتم التحكم في مقدار تمدد المادة بواسطة معامل التمدد الحراري الخاص بالمادة. سيغير هذا التمدد (أو الانكماش) ​​هندسة الموصل وبالتالي مقاومته المميزة. ومع ذلك، فإن هذا التأثير صغير بشكل عام، في حدود 10 ⁻⁶ . ستؤدي زيادة درجة الحرارة أيضًا إلى زيادة عدد الفونونات المتولدة داخل المادة. الفونون هو في الأساس اهتزاز شبكي، أو بالأحرى حركة حركية توافقية صغيرة لذرات المادة. تمامًا مثل اهتزاز آلة البينبول، تعمل الفونونات على تعطيل مسار الإلكترونات، مما يتسبب في تشتتها. سيقلل تشتت الإلكترونات هذا من عدد تصادمات الإلكترونات وبالتالي سيقلل من إجمالي كمية التيار المنقول.

مادة	ρ [Ω·m] عند 20 درجة مئوية	σ[ ⁠س/م] عند 20 درجة مئوية
الفضة، Ag	1.59 × 10 −8	6.30 × 10 7
النحاس، النحاس	1.68 × 10 −8	5.96 × 10 7
الألومنيوم، Al	2.82 × 10 −8	3.50 × 10 7

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

يتمتع النحاس بموصلية عالية . يعتبر النحاس الملدن هو المعيار الدولي الذي تتم مقارنة جميع الموصلات الكهربائية الأخرى به؛ موصلية النحاس الملدن الدولي هي58 MS/m ، على الرغم من أن النحاس فائق النقاء يمكن أن يتجاوز 101% IACS قليلاً. الدرجة الرئيسية من النحاس المستخدمة في التطبيقات الكهربائية، مثل أسلاك البناء، ولفائف المحرك ، والكابلات، وقضبان التوصيل ، هي النحاس ذو الملعب الصلب الكهروليتي (ETP) (CW004A أو تسمية ASTM C100140). إذا كان يجب لحام النحاس عالي الموصلية أو لحامه أو استخدامه في جو مختزل، فيمكن استخدام النحاس عالي الموصلية الخالي من الأكسجين (CW008A أو تسمية ASTM C10100). ^[3] ونظرًا لسهولة توصيله عن طريق اللحام أو المشبك، لا يزال النحاس هو الخيار الأكثر شيوعًا لمعظم الأسلاك ذات القياس الخفيف.

الفضة موصلة للكهرباء بنسبة 6% أكثر من النحاس، ولكن بسبب التكلفة فهي غير عملية في معظم الحالات. ومع ذلك، يتم استخدامها في المعدات المتخصصة، مثل الأقمار الصناعية ، وكطلاء رقيق للتخفيف من خسائر تأثير الجلد عند الترددات العالية. ومن المعروف أن 14700 طن قصير (13300 طن) من الفضة على سبيل الإعارة من وزارة الخزانة الأمريكية تم استخدامها في صنع مغناطيسات الكالوترون أثناء الحرب العالمية الثانية بسبب نقص النحاس في زمن الحرب. ^[4]

يعد سلك الألومنيوم أكثر المعادن شيوعًا في نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية . وعلى الرغم من أن موصليته لا تزيد عن 61% من موصلية النحاس من حيث مساحة المقطع العرضي، فإن كثافته المنخفضة تجعله موصلًا ضعفي موصلية النحاس من حيث الكتلة. ونظرًا لأن تكلفة الألومنيوم تبلغ ثلث تكلفة النحاس من حيث الوزن، فإن المزايا الاقتصادية كبيرة عند الحاجة إلى موصلات كبيرة.

تكمن عيوب الأسلاك المصنوعة من الألومنيوم في خصائصها الميكانيكية والكيميائية. فهي تشكل أكسيدًا عازلًا بسهولة، مما يجعل الوصلات تسخن. كما أن معامل التمدد الحراري الأكبر من المواد النحاسية المستخدمة في الموصلات يتسبب في ارتخاء الوصلات. كما يمكن للألومنيوم أن "يزحف" ويتشوه ببطء تحت الحمل، مما يؤدي أيضًا إلى ارتخاء الوصلات. يمكن التخفيف من هذه التأثيرات باستخدام موصلات مصممة بشكل مناسب وعناية إضافية في التركيب، لكنها جعلت أسلاك المباني المصنوعة من الألومنيوم غير مرغوبة بعد انقطاع الخدمة .

المركبات العضوية مثل الأوكتان الذي يحتوي على 8 ذرات كربون و18 ذرة هيدروجين لا يمكنها توصيل الكهرباء. الزيوت هي هيدروكربونات، لأن الكربون له خاصية التترا تكافؤ ويشكل روابط تساهمية مع عناصر أخرى مثل الهيدروجين، لأنه لا يفقد أو يكتسب الإلكترونات، وبالتالي لا يشكل أيونات. الروابط التساهمية هي ببساطة مشاركة الإلكترونات. وبالتالي، لا يحدث فصل للأيونات عند مرور الكهرباء من خلالها. السوائل المصنوعة من مركبات ذات روابط تساهمية فقط لا يمكنها توصيل الكهرباء. على النقيض من ذلك، يمكن لبعض السوائل الأيونية العضوية توصيل التيار الكهربائي.

رغم أن الماء النقي ليس موصلًا للكهرباء، إلا أن حتى جزء صغير من الشوائب الأيونية، مثل الملح ، يمكنه تحويله بسرعة إلى موصل.

يتم قياس الأسلاك من خلال مساحة مقطعها العرضي. وفي العديد من البلدان، يتم التعبير عن الحجم بالملليمتر المربع. وفي أمريكا الشمالية، يتم قياس الموصلات باستخدام مقياس الأسلاك الأمريكي للموصلات الأصغر حجمًا، والمليمتر الدائري للموصلات الأكبر حجمًا.

ترتبط سعة التيار الكهربائي للموصل، أي مقدار التيار الذي يمكنه حمله، بمقاومته الكهربائية: فالموصل ذو المقاومة المنخفضة يمكنه حمل قيمة تيار أكبر. وتتحدد المقاومة بدورها بالمادة التي صنع منها الموصل (كما هو موضح أعلاه) وحجم الموصل. فبالنسبة لمادة معينة، تتمتع الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأكبر بمقاومة أقل من الموصلات ذات مساحة المقطع العرضي الأصغر.

بالنسبة للموصلات العارية، فإن الحد الأقصى هو النقطة التي يؤدي فيها فقدان الطاقة بسبب المقاومة إلى ذوبان الموصل. وبصرف النظر عن الصمامات ، فإن معظم الموصلات في العالم الحقيقي تعمل عند درجات حرارة أقل بكثير من هذا الحد. على سبيل المثال، عادة ما يتم عزل الأسلاك المنزلية بعزل من البولي فينيل كلوريد المصنف للعمل عند حوالي 60 درجة مئوية فقط، وبالتالي، يجب أن يكون التيار في مثل هذه الأسلاك محدودًا حتى لا يسخن موصل النحاس أبدًا فوق 60 درجة مئوية، مما يتسبب في خطر نشوب حريق . قد تسمح العوازل الأخرى الأكثر تكلفة مثل التيفلون أو الألياف الزجاجية بالتشغيل عند درجات حرارة أعلى بكثير.

إذا تم تطبيق مجال كهربائي على مادة، وكان التيار الكهربائي المستحث الناتج في نفس الاتجاه، يقال إن المادة موصل كهربائي متساوي الخواص . إذا كان التيار الكهربائي الناتج في اتجاه مختلف عن المجال الكهربائي المطبق، يقال إن المادة موصل كهربائي متباين الخواص .

تصنيف المواد على أساس السماحية

⁠ε r ″/ε r ′⁠	التوصيل الحالي	انتشار الحقل
0		وسط عازل مثالي بدون خسائر
≪ 1	مادة ذات موصلية منخفضة وموصلة رديئة	عازل كهربائي جيد متوسط ​​الخسارة ومنخفض
≈ 1	مادة موصلة ذات فقد للتيار الكهربائي	وسط انتشار ضائع
≫ 1	مادة ذات موصلية عالية وموصل جيد	عازل كهربائي متوسط ​​عالي الخسارة
∞	موصل مثالي

• ويليام هنري بريس. حول الموصلات الكهربائية . 1883.
• أوليفر هيفسايد. الأوراق الكهربائية . ماكميلان، 1894.

• الكتاب السنوي لمعايير ASTM: الموصلات الكهربائية. الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد. (كل عام)
• لوائح الأسلاك الكهربائية لمعهد الهندسة والتكنولوجيا. تم أرشفة wiringregulations.net في 2021-04-02 على موقع Wayback Machine

• BBC: المرحلة الثانية من التعليم الأساسي: الموصلات الكهربائية
• اكتشاف الموصلات والعوازل من قبل جراي ودوفاي وفرانكلين.