Elektrická vodivost kovů a měrný elektrický odpor – který materiál lépe propouští proud.

V elektroenergetice se používají takové pojmy jako vodič, polovodič a dielektrikum. Materiály lze zařadit do jedné z těchto skupin podle toho, jak dobře vedou elektrický proud. Toto rozdělení platí pro všechny materiály, žádný kov však nemůže být dielektrikem. To znamená, že všechny vedou elektřinu. Ale jestli je lepší nebo horší, to je potřeba změřit a nastudovat.

Proč kovy vedou elektrický proud?

Připomeňme si naše školní časy a hodiny chemie a fyziky. Na vnějším obalu atomu mohou být volné elektrony. V ideálním případě by jich mělo být 8. Proto, když jsou atomy blízko sebe, své elektrony buď odevzdají, pokud je jich málo, nebo si ty chybějící od svého souseda vezmou.

V periodické tabulce má každý prvek skupinu od 1 do 8. Když látka patří do jedné ze skupin, odráží to, kolik valenčních elektronů, tedy těch, které se nacházejí na vnějším obalu, materiál má.

Nejvíce kovů se nachází ve skupinách 1-4. To znamená, že mají navenek málo elektronů. A je pro ně snazší je rozdávat, než přitahovat chybějící.

Proud je pohyb takových volných elektronů podél vodiče. To znamená, že čím snadněji atom ztrácí své valenční elektrony, tím lepší je jeho elektrická vodivost. Všechny kovy se tedy s tímto úkolem dokonale vyrovnávají.

Kovy mají navíc speciální krystalovou mřížku. Skládá se ze silných vazeb iontů a atomů. A elektrony jsou ve volném stavu, jako by migrovaly mezi vazbami. Když jsou vystaveny elektrickému proudu, získávají směr pohybu.

Nekovy mají buď atomovou nebo molekulární krystalovou mřížku. A jejich vnější valenční elektrony se podílejí na tvorbě vazeb. Jelikož jsou již obsazené, nemohou pod vlivem elektrického proudu změnit svůj směr. Proto, i když má nekov volné elektrony na vnějším obalu atomu, jsou bezpečně upevněny v krystalové mřížce.

Jaké jsou vlastnosti vodivých kovů?

Každý kov a slitina vede elektřinu jinak. Zjistili jsme, že mezi kovy nemůže být dielektrikum. Existují však materiály, které vedou elektřinu lépe nebo hůře.

Chcete-li vybrat kov se správnými vlastnostmi, musíte se podívat na:

• Měrný elektrický odpor. To je schopnost kovu bránit toku proudu. Tento indikátor se mění v závislosti na teplotě. Nejčastěji se u kovů a slitin zvyšuje odpor s rostoucí teplotou. Vysvětluje se to tím, že atomy začnou intenzivněji kmitat, což brání volnému a rychlému průchodu elektronů krystalovou mřížkou. Odpor se měří v Ohm*m.
• Specifická elektrická vodivost. Toto je převrácená hodnota odporu a charakterizuje, jak dobře kov vede elektřinu. Elektrická vodivost se měří v S/m. Cm je siemens, nezaměňovat s centimetry.

Tyto vlastnosti se aktivně využívají v elektrotechnice. Kromě kovů mohou elektřinu vést i některé kyseliny, alkalické roztoky včetně obyčejné slané vody. Jako nejstabilnější vodič se však používají kovy.

Který kov vede elektřinu nejlépe?

Za prvé stojí za zmínku, že čisté kovy a slitiny mají dobrou elektrickou vodivost. Tedy takové, které obsahují nejmenší množství nečistot. Legující přísady mohou zlepšit pevnostní vlastnosti kovů, ale mají negativní vliv na elektrickou vodivost. Pokud je tedy potřeba dobrý vodič, specialisté používají čisté kovy. Ale které?

Za nejlepší dirigenty jsou považovány:

• Stříbro. Je nejlepší pro vedení elektřiny, ale je považován za vzácný neželezný kov, takže se dnes používá jen zřídka k vytváření drátů nebo kontaktů. Ačkoli ve starých televizorech nebo jiných zařízeních je docela snadné najít postříbřené kontakty. Měrná elektrická vodivost – 6,3 * 10^7 S/m. Odpor – 1,59 * 10^-8 Ohm*m.
• Měď. Mezi ostatními neželeznými kovy je měď lídrem v elektrické vodivosti, je 5,96 * 10^7 S/m, tedy jen o něco méně než má stříbro. Kromě toho je měď odolná a odolá stejnosměrnému i střídavému proudu, vysokým teplotám a dlouhodobému opotřebení, ale zůstává spolehlivá. To vysvětluje rozsáhlé použití mědi jako vodiče. Vyrábí se z něj dráty a tyče pro kabely, anody pro potahování výrobků tenkou vrstvou vodivé mědi a mnoho dalšího. V dnešní době jsou měděné dráty nejkvalitnější a nejodolnější, ale také dražší na trhu.
• Zlato. Další kov v řadě je dobrý vodič elektřiny. Jednou nevýhodou jsou vysoké náklady. Připomeňme, že dobré vodiče jsou čistý kov a zlato ve své čisté formě je velmi drahé a extrémně plastické, dokonce měkké. Pro odhad hodnoty ryzího zlata si představme šperk. S největší pravděpodobností je vyroben z hodnoty 585, to znamená, že je o něco více než polovina zlata a zbytek jsou nečistoty. To není vhodné pro dirigenta.
• Hliník. Má dobrou specifickou vodivost, ale je horší než měď kvůli nízkému bodu tání. Vystavení vysokým teplotám vede ke snížení odolnosti proti opotřebení a konečnému namáhání. Proto se hliníkový drát v základně kabelů používá pro méně důležité elektrické komponenty, ale stále se používá v domácích spotřebičích a v elektrických rozvodech. Elektrická vodivost hliníku je 3,5 * 10^7 S/m, tedy 2krát nižší než u mědi.

Všechny ostatní kovy se jako vodiče používají mnohem méně často, protože jejich výkon je výrazně nižší než u prvních čtyř. Za zmínku však stojí kovy, které jsou „uprostřed“:

• Wolfram a nichrom. Mají vysoký elektrický odpor, a proto se nepoužívají při výrobě kabelů. Naopak se z nich vyrábí elektrody a vlákna, protože když jimi prochází elektrický proud, kovy se velmi zahřívají. Wolfram je však nejvíce žáruvzdorný a nejtvrdší kov, proto se také používá pro řadu dílů v elektrotechnických výrobcích.
• Zinek a nikl. Tyto kovy mají podobné hodnoty elektrické vodivosti – 1,69 * 10^7 S/m, respektive 1,43 * 10^7 S/m. K vytvoření povlaku se používá zinek – pozinkovaná ocel má vyšší elektrickou vodivost než ocel negalvanizovaná. Nikl se také v elektrotechnice často nepoužívá v čisté formě, obvykle ve formě povlaků, a také v kombinaci s chromem. Například, aby ušetřili peníze, někteří výrobci vyrábějí plastové kontakty s niklovým povlakem. Nikl se také používá k vytvoření mezilehlých ochranných vrstev, aby se zabránilo reakci těchto dvou kovů. Taková vrstva je například nezbytná mezi zlatem a mědí.
• Železo. Ve srovnání s mědí má železo velmi nízkou elektrickou vodivost – 1 * 10^7 S/m. Kov má však jednu velkou výhodu – extrémně nízkou cenu. To umožňuje využití železa v elektrotechnice. V tomto průmyslu se železo používá ve slitinách, to znamená, že se používá hlavně litina a ocel. Ocel se používá k vytvoření různých typů svorkovnic, konektorů, hardwaru pro elektroniku a zemnících obvodů. Nelze však nalézt dobré ocelové kontakty bez dodatečného povlaku mědí nebo jinými kovy s vysokou elektrickou vodivostí.

Které kovy vedou elektřinu nejhůře?

Pamatujte, že jakýkoli kov vede elektrický proud. To je základ samotné definice kovu. Některé z nich však mají poměrně vysoký elektrický odpor. Patří mezi ně rtuť, vizmut, mangan a také plutonium a germanium. Nemohou být nazývány dielektriky, ale jejich elektrická vodivost je nejnižší mezi kovy.

Cín a platina také nejsou nejlepší vodiče. Zejména při pokojové teplotě. Gallium, cesium a vizmut lze také považovat za outsidery. Své uplatnění však tyto kovy nacházejí i ve výrobě. Rtuť se například používá k výrobě teploměrů, rtuťových usměrňovačů a spínačů.

Jak se používá elektrická vodivost kovů v průmyslu

Mnoho odvětví průmyslu a vědy je založeno na schopnosti kovů vést elektrický proud. Je těžké si představit takové výhody civilizace, jako je osvětlení, elektrifikace, telefon a domácí spotřebiče, pokud by nebyly známy vlastnosti kovů pro vedení elektřiny. Kovy se používají jako vodiče pro:

• výroba kabelů;
• tvorba motorů, generátorů, transformátorů, indukčních ohřívačů;
• Výroba desek plošných spojů;
• výroba pružin, kontaktních skupin, konektorů.

Kovy se používají k výrobě energie a také k přeměně tepla na elektřinu. Přeprava, výroba a skladování elektrické energie jsou všechny možné díky elektrické vodivosti kovů.