Μεταλλική Αγωγή

Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια ενός ατόμου μετάλλου είναι ελεύθερα να μετακινηθούν από το ένα άτομο στο άλλο, σε αντίθεση με τα πολυμερή που είναι κλειδωμένα σε μια δομή αλυσίδας. Όταν εφαρμόζετε ρεύμα σε ένα σύρμα, εισάγονται νέα ηλεκτρόνια, με αποτέλεσμα τα υπάρχοντα ελεύθερα ηλεκτρόνια να μετακινούνται για να τους δημιουργηθεί χώρος, εφόσον τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια στο άλλο άκρο μεταφέρονται από την κάθοδο ή το θετικό τερματικό.

Η θερμότητα ταξιδεύει μέσω των αναδευόμενων ατόμων μετάλλου, τα οποία με τη σειρά τους αναδεύουν τους γείτονές τους και ούτω καθεξής στην άλλη πλευρά ή την άκρη του σύρματος. Έτσι γίνεται η αγωγιμότητα του μετάλλου. Τώρα, ας βουτήξουμε βαθύτερα και ας μάθουμε τι είναι ένας μεταλλικός αγωγός.

Τι είναι ένας Μεταλλικός Αγωγός;

Τα μέταλλα έχουν κάποιο είδος χημικού δεσμού (λόγω ηλεκτροστατικών ελκτικών δυνάμεων), στον οποίο ο πυρήνας δονείται, αλλά το εξωτερικό κέλυφος (και μερικές φορές μέρος του επόμενου εσωτερικού κελύφους) μπορεί να κινηθεί κατά βούληση είναι ηλεκτρόνια. Αλλά αυτά τα ηλεκτρόνια κινούνται με τον ίδιο τρόπο που κινούνται τα μόρια αερίου ή υγρού και είναι ελεύθερα και ανεπηρέαστα από τους γείτονές τους.

Αυτή η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα μέταλλα τους επιτρέπει να μεταφέρουν θερμότητα και ηλεκτρισμό με ευκολία. Πολύ πιο εύκολο από τις περισσότερες ουσίες (αν και οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ορισμένους υπεραγωγούς, για παράδειγμα, αλουμίνιο, νιόβιο, διβορίδιο μαγνησίου).

Η αγωγιμότητα είναι το αποτέλεσμα της εφαρμογής μιας δυναμικής τάσης σε ένα φύλλο μετάλλου, προκαλώντας τη ροή φορτίων προς την ίδια κατεύθυνση ή προς την αντίθετη κατεύθυνση, ανάλογα με τον τρόπο που ορίζετε το ρεύμα φόρτισης (οι χημικοί προτιμούν τα ηλεκτρόνια, φυσικοί και μηχανικοί χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια για να αφήσουν πίσω τρύπες· είναι μια λεπτή διαφορά που έχει νόημα μόνο αν προσπαθείτε να κάνετε υπολογισμούς ροής φορτίου.). Η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων εξηγεί επίσης την αγωγιμότητα της θερμότητας.

Έτσι, η μεταλλική αγωγιμότητα είναι η ελεύθερη τυχαία ροή ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο, η οποία μπορεί στη συνέχεια να κατευθυνθεί για να επιτρέψει τη ροή της θερμότητας και του ηλεκτρικού ρεύματος. Η θερμότητα ρέει πάντα προς τα κάτω από περιοχές υψηλότερης θερμοκρασίας, ενώ το ρεύμα ρέει προς τα κάτω από περιοχές υψηλού δυναμικού.

Μηχανισμός Μεταλλικής Αγωγής

Τα ηλεκτρόνια σθένους στα άτομα μετάλλων μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Επομένως, τα μέταλλα περιέχουν μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων που κινούνται τυχαία από το ένα άτομο στο άλλο προς όλες τις κατευθύνσεις. Όταν δεν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σε έναν μεταλλικό αγωγό, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με τον αγωγό και κινούνται τυχαία στην επιφάνεια.

Έτσι η μέση ταχύτητα των ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση είναι μηδέν. Καθώς αυτή η κίνηση δεν συνιστά καθαρή μεταφορά φορτίου μέσω οποιουδήποτε τμήματος του αγωγού, δεν υπάρχει ρεύμα στον αγωγό.

Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο συνδέοντας μια μπαταρία σε έναν αγωγό, κάθε ηλεκτρόνιο επηρεάζεται από ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται προς την αντίθετη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Τα ηλεκτρόνια αποκτούν τότε ταχύτητα και κινητική ενέργεια. Ωστόσο, αυτά τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα (ή ιόντα) στις θέσεις του πλέγματος του μετάλλου.

Σε μια σύγκρουση, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνουν την ενέργειά τους στα άτομα, γεγονός που τα επιβραδύνει. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται ξανά λόγω του ηλεκτρισμού και συγκρούονται με τα άτομα. Αυτές οι συγκρούσεις μειώνουν τη μέση επιτάχυνση των ηλεκτρονίων στο μηδέν, έτσι τα ηλεκτρόνια επιτυγχάνουν μια σταθερή μέση ταχύτητα που είναι στην αντίθετη κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου. Αυτή η ταχύτητα ονομάζεται ταχύτητα μετατόπισης και είναι υπεύθυνη για τη διέλευση του ρεύματος μέσω του αγωγού. Επομένως, η μέση ταχύτητα που λαμβάνεται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον αγωγό υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου ονομάζεται ταχύτητα μετατόπισης.

Ποιο μέταλλο είναι ο καλύτερος αγωγός θερμότητας;

Η ικανότητα ενός μετάλλου να μεταφέρει τη θερμότητα μετριέται με τη θερμική αγωγιμότητα. Αυτή η ιδιότητα ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο μετάλλου και είναι σημαντικό να λαμβάνεται υπόψη σε εφαρμογές όπου οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας είναι συνηθισμένες. Στα καθαρά μέταλλα, η θερμική αγωγιμότητα παραμένει περίπου η ίδια με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στα κράματα, ωστόσο, η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Τα μέταλλα που έχουν την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα είναι ο χαλκός και το αλουμίνιο, ενώ ο χάλυβας και ο μπρούντζος έχουν τη χαμηλότερη. Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό κατά την επιλογή μετάλλων για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Επειδή ο χαλκός είναι εξαιρετικός αγωγός της θερμότητας, είναι κατάλληλος για εναλλάκτες θερμότητας, καλοριφέρ, ακόμη και για τον πάτο των δοχείων. Επειδή ο χάλυβας είναι κακός αγωγός της θερμότητας, είναι κατάλληλος για περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας, όπως κινητήρες αεροσκαφών.

Συμπέρασμα

Τα μέταλλα που άγουν το ηλεκτρισμό με τη ροή ηλεκτρονίων ονομάζονται μεταλλικοί αγωγοί. Αφορά απλώς φυσικές αλλαγές και η αγωγιμότητα μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε μέταλλα όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός ονομάζεται ηλεκτρόνια, ενώ σε άλλα μέταλλα μπορεί να υπάρχουν ιόντα ή άλλα θετικά φορτία.

Παράδειγμα: Ο χαλκός, το ασήμι, το αλουμίνιο, ο χρυσός και ο χάλυβας είναι μερικά από τα πιο κοινά αγώγιμα μέταλλα. Φυσικά, το ασήμι και ο χρυσός είναι αποτελεσματικοί στη συμπεριφορά, αλλά είναι ακριβοί. Επομένως, ο πιο κοινός μεταλλικός αγωγός είναι ο χαλκός. Παράγοντες που επηρεάζουν τους μεταλλικούς αγωγούς είναι οι ιδιότητες και η δομή της ύλης, τα ηλεκτρόνια σθένους ανά άτομο, η πυκνότητα της ύλης.