Przewodniki prądu - co przewodzi prąd, a co nie?

Przewodniki prądu to substancje, które mają szczególną budowę na poziomie atomowym. Nadaje im to pewne cechy, dzięki którym mogą z małymi stratami przewodzić prąd elektryczny. Na drugim końcu są materiały, które nie przewodzą prądu – nazywamy je izolatorami. Żeby nie było tak prosto, pomiędzy tymi dwoma biegunami są półprzewodniki, czyli substancje, które przewodzą prąd, ale tylko trochę…

Rezystancja właściwa

Do klasyfikacji używa się miary zwanej rezystancją właściwą. Jest to opór elektryczny (wyrażany w omach [Ω]) próbki o długości 1m i polu przekroju poprzecznego 1m². Faktycznie mierzone próbki mogą mieć inne wymiary, lecz wtedy dokonuje się proporcjonalnego przeliczenia: próbka o długości 2x większej będzie miała 2x większą rezystancją, zaś o 2x większym polu przekroju poprzecznego - rezystancję 2x mniejszą.

Jak działają przewodniki?

Aby obiekt był zaklasyfikowany jako przewodnik, musi w nim zachodzić przewodnictwo walencyjne lub jonowe.

Pierwszy rodzaj polega na tym, że atomy związane w sieci krystalicznej nadal mają jeden (lub kilka) elektron swobodny, który może swobodnie przemieszczać się w obrębie całej próbki. Przewodnictwo jonowe zachodzi głównie w gazach i cieczach – polega na przemieszczaniu się jonów, czyli naładowanych elektrycznie atomów. Ten drugi rodzaj przewodnictwa ma gorsze właściwości, tj. wykazuje większą rezystancję właściwą.

Izolatory i półprzewodniki

Można z tego wysnuć wniosek, że izolatory ani nie ulegają jonizacji (niezbędnej do uzyskania przewodnictwa jonowego), ani nie mają wolnych elektronów walencyjnych, które mogłyby wziąć udział w przewodnictwie walencyjnym.

W półprzewodnikach, niezbędnych do produkcji tranzystorów czy diod, prąd elektryczny również nie ma łatwej drogi, ale jego rezystancja właściwa silnie zależy od temperatury. Ponadto, łatwo możemy ją zmieniać przez domieszkowanie, czyli dodawanie obcych atomów.

Co jest przewodnikiem?

Wracając do przewodników, to z pewnością są nimi wszystkie metale. Żelazo, aluminium, miedź, cynk, srebro, cyna i wiele, wiele innych – one przewodzą prąd. Metalem, który najlepiej przewodzi prąd, jest srebro – ma najmniejszy opór właściwy. Nieco gorsza od niego (ale tylko trochę) jest miedź, z której powszechnie wyrabia się przewody. Jej cena, w porównaniu ze srebrem, rekompensuje tę niedogodność i to z nawiązką.

Problematyczne aluminium

Na trzecim miejscu plasuje się aluminium, czyli glin. Jest tani i lekki, ale za to kruchy. Poza tym, jest pod pewnym względem wyjątkowy: jego tlenek, który tworzy się samoistnie po kontakcie z powietrzem, jest doskonałym izolatorem. To bardzo pogarsza kontakt jakichkolwiek złącz z przewodami wykonanymi z tego typu metalu. Instalacje elektryczne wykonane z aluminium były przyczyną wielu pożarów.

Inne metale

Dobrymi przewodnikami są również takie metale jak złoto czy wolfram. Jednak z racji ceny, możemy je znaleźć w niewielu miejscach i to w śladowych ilościach. Rtęć, pomimo swojej ciekłej postaci, też przewodzi prąd.

Związki i mieszaniny metali

Trzeba dodać, że stopy różnych metali też są przewodnikami. Różne rodzaje stali (żelazne i te bez żelaza) czy stop cyny z ołowiem do lutowania – również dobrze przewodzą prąd elektryczny. Natomiast związki metali z innymi pierwiastkami (tlenem, węglem, siarką itd.) już niekoniecznie. Wspomniany wyżej tlenek aluminium jest doskonałym izolatorem.

Przewodzące niemetale

Przewodniki, które nie są metalami, również możemy znaleźć w naszym otoczeniu. Zalicza się do nich grafit, czyli odmianę alotropową zwykłego węgla. Sam węgiel jest natomiast izolatorem. Tak samo zanieczyszczona, najlepiej solą, zwykła woda. Zachodzące w niej przewodnictwo jonowe może powodować zwarcia w instalacjach i układach elektronicznych.

Szerokie grono izolatorów

Izolatory mają bardzo wysoką rezystancję właściwą, od przewodników może je dzielić wiele rzędów wielkości. Zalicza się do nich, przede wszystkim, pierwiastki będące niemetalami: zarówno gazy (tlen, wodór, azot itd.), jak i ciała stałe. Mieszanina gazów też nie przewodzi prądu, dlatego powietrze zaliczamy do izolatorów. Woda również nie przewodzi prądu, pod warunkiem, że jest idealnie czysta.

Tworzywa sztuczne

Powszechnie spotykanymi izolatorami są różnego rodzaju tworzywa sztuczne, zwane potocznie plastikiem. Są do tego stopnia skuteczne, że wykonuje się z nich obudowy urządzeń elektronicznych, chroniące przecież przed porażeniem. Również te elastyczne substancje, jak guma czy silikon, nie przewodzą prądu – wykonuje się z nich izolacje przewodów elektrycznych.

Oleje

Izolatorem jest również olej, pod warunkiem, że jest suchy i czysty. Różnego rodzaju oleje mogą absorbować wodę i zanieczyszczenia, co pogarsza ich izolacyjne właściwości. W specjalnej odmianie oleju, tzw. transformatorowym, są zalewane właśnie transformatory energetyczne wysokiego napięcia, aby poprawić parametry ich izolacji.

Drewno - to zależy

Drewno również można zaliczyć do grona izolatorów, ale to dosyć kontrowersyjny temat. O ile suche i czyste drewno można tak nazwać, o tyle wilgotne już niekoniecznie. A drewno doskonale chłonie wodę, czego przykładem może być puchnięcie drewnianego parkietu czy mebli pod wpływem większej wilgotności powietrza. Zawarte w drewnie sole mineralne po rozpuszczeniu w wodzie mogą drastycznie pogorszyć jego izolacyjne właściwości.

Szklane izolatory

Szkło i piasek nie przewodzą prądu. Ze szkła są produkowane izolatory do przewodów energetycznych niskiego napięcia, które prowadzą elektryczność do naszych domów. Taki przewód jest wtedy zaczepiony na haku odizolowanym taką właśnie szklaną nakładką. Natomiast piaskiem wypełnia się niektóre bezpieczniki topikowe, żeby szybciej gasł w nich łuk elektryczny, powstający po przepaleniu się drucika.