تفاوت رسانا و عایق در الکتریسیته و جریان الکترون چگونه شکل می‌گیرد ؟

تفاوت رسانا و عایق در الکتریسیته و جریان الکترون چگونه شکل می‌گیرد ؟ الکترون‌های انواع مختلف اتم‌ها، میزان آزادی متفاوتی برای حرکت دارند. در برخی مواد، مانند فلزات، الکترون‌های لایهٔ بیرونی اتم‌ها آن‌قدر سست به هسته متصل‌اند که تنها تحت تأثیر انرژی گرمایی دمای اتاق، به‌صورت نامنظم در فضای میان اتم‌ها حرکت می‌کنند. از آنجا که این الکترون‌ها عملاً مقید به اتم خاصی نیستند و می‌توانند از اتم خود جدا شده و میان اتم‌های مجاور جابه‌جا شوند، به آن‌ها «الکترون‌های آزاد» گفته می‌شود.

رساناها در برابر عایق‌ها

در برخی مواد دیگر، مانند شیشه، الکترون‌های اتم‌ها آزادی حرکت بسیار کمی دارند. هرچند نیروهای خارجی، مانند مالش فیزیکی، می‌توانند باعث شوند تعدادی از این الکترون‌ها از اتم خود جدا شده و به اتم‌های ماده‌ای دیگر منتقل شوند، اما این الکترون‌ها به‌راحتی در داخل همان ماده از اتمی به اتم دیگر حرکت نمی‌کنند.

این میزان تحرک نسبی الکترون‌ها در یک ماده «رسانایی الکتریکی» نام دارد. رسانایی به نوع اتم‌های تشکیل‌دهندهٔ ماده بستگی دارد (تعداد پروتون‌های موجود در هستهٔ هر اتم، هویت شیمیایی آن را تعیین می‌کند) و همچنین به نحوهٔ پیوند اتم‌ها با یکدیگر. موادی که تحرک الکترونی بالایی دارند و در آن‌ها تعداد زیادی الکترون آزاد وجود دارد، «رسانا» نامیده می‌شوند. در مقابل، موادی که تحرک الکترونی کمی دارند یا تقریباً فاقد الکترون آزاد هستند، «عایق» به شمار می‌آیند. در ادامه چند نمونهٔ رایج از رساناها و عایق‌ها آورده شده است:

باید توجه داشت که همهٔ رساناها رسانایی یکسانی ندارند و همهٔ عایق‌ها نیز به یک اندازه در برابر حرکت الکترون‌ها مقاومت نمی‌کنند. رسانایی الکتریکی را می‌توان با شفافیت مواد در برابر نور مقایسه کرد: موادی که نور را به‌راحتی عبور می‌دهند «شفاف» و موادی که این ویژگی را ندارند «کدر» نامیده می‌شوند. با این حال، همهٔ مواد شفاف به یک اندازه نور را عبور نمی‌دهند. شیشهٔ پنجره از بسیاری از پلاستیک‌ها شفاف‌تر است و قطعاً از فایبرگلاس شفاف عملکرد بهتری دارد. در مورد رساناهای الکتریکی نیز وضعیت به همین شکل است؛ برخی رساناتر از بقیه‌اند.

برای مثال، نقره بهترین رسانا در فهرست بالا محسوب می‌شود و عبور الکترون‌ها در آن آسان‌تر از هر مادهٔ دیگری است که نام برده شد. آب آلوده و بتن نیز رسانا هستند، اما رسانایی آن‌ها به‌مراتب کمتر از فلزات است.

همچنین باید دانست که برخی مواد، بسته به شرایط، خواص الکتریکی متفاوتی از خود نشان می‌دهند. شیشه در دمای اتاق یک عایق بسیار خوب است، اما اگر تا دماهای بسیار بالا گرم شود، به رسانا تبدیل می‌شود. گازهایی مانند هوا که معمولاً عایق‌اند، در دماهای بسیار بالا رسانا می‌شوند. بیشتر فلزات با افزایش دما رسانایی کمتری پیدا می‌کنند و با کاهش دما رساناتر می‌شوند. برخی مواد رسانا نیز در دماهای بسیار پایین به حالتی می‌رسند که مقاومت الکتریکی آن‌ها عملاً صفر می‌شود؛ این پدیده «ابررسانایی» (Superconductivity) نام دارد.

جریان الکترون / جریان الکتریکی

اگرچه حرکت طبیعی الکترون‌های آزاد در یک رسانا کاملاً تصادفی و بدون جهت مشخص است، اما می‌توان این الکترون‌ها را وادار کرد که به‌صورت هماهنگ و جهت‌دار در یک مادهٔ رسانا حرکت کنند. این حرکت یکنواخت الکترون‌ها همان چیزی است که آن را «الکتریسیته» یا «جریان الکتریکی» می‌نامیم. دقیق‌تر آن است که این حالت را «الکتریسیتهٔ دینامیکی» بنامیم، در مقابل «الکتریسیتهٔ ساکن» که تجمع بدون حرکت بار الکتریکی است.

همان‌طور که آب می‌تواند در فضای خالی یک لوله جریان یابد، الکترون‌ها نیز در فضای خالی درون و میان اتم‌های یک رسانا حرکت می‌کنند. هرچند رسانا از نظر ظاهری جامد به نظر می‌رسد، اما هر ماده‌ای که از اتم‌ها تشکیل شده باشد، در مقیاس اتمی عمدتاً از فضای خالی تشکیل شده است. به همین دلیل، تشبیه حرکت الکترون‌ها به جریان مایع بسیار مناسب است و اغلب از واژهٔ «جریان» برای توصیف آن استفاده می‌شود.

نکتهٔ جالبی در اینجا وجود دارد: وقتی هر الکترون در یک رسانا به‌صورت یکنواخت حرکت می‌کند، به الکترون جلویی خود فشار وارد می‌کند و در نتیجه، همهٔ الکترون‌ها به‌صورت یک مجموعه حرکت می‌کنند. آغاز یا توقف جریان الکترون در طول یک مسیر رسانا، تقریباً به‌صورت آنی از یک سر رسانا تا سر دیگر رخ می‌دهد، حتی اگر حرکت هر الکترون به‌تنهایی بسیار کند باشد. این وضعیت را می‌توان با لوله‌ای پر از تیله مقایسه کرد:

در این مثال، لوله کاملاً از تیله پر شده است، همان‌طور که یک رسانا از الکترون‌های آزاد پر است. اگر یک تیلهٔ جدید ناگهان از سمت چپ وارد لوله شود، بلافاصله تیله‌ای از سمت راست خارج خواهد شد. با اینکه هر تیله فقط مسافت کوتاهی طی می‌کند، انتقال اثر حرکت در طول لوله تقریباً آنی است، فارغ از اینکه لوله چقدر طولانی باشد. در الکتریسیته نیز اثر کلی جریان از یک سر رسانا تا سر دیگر با سرعت نور رخ می‌دهد؛ یعنی حدود ۱۸۶ هزار مایل بر ثانیه. با این حال، سرعت حرکت هر الکترون به‌تنهایی بسیار کمتر از این مقدار است.

جریان الکترون در سیم

اگر بخواهیم الکترون‌ها در جهتی مشخص و به مکانی معین حرکت کنند، باید مسیر مناسبی برای حرکت آن‌ها فراهم کنیم؛ درست مانند لوله‌کشی که برای هدایت آب انجام می‌شود. به همین منظور، سیم‌ها از فلزات بسیار رسانا مانند مس یا آلومینیوم و در اندازه‌های مختلف ساخته می‌شوند.

به خاطر داشته باشید که الکترون‌ها تنها زمانی می‌توانند جریان یابند که فضای لازم برای حرکت میان اتم‌های یک ماده وجود داشته باشد. بنابراین، جریان الکتریکی فقط زمانی برقرار می‌شود که یک مسیر پیوسته از مادهٔ رسانا وجود داشته باشد تا الکترون‌ها بتوانند از آن عبور کنند. در مثال تیله‌ها، جریان فقط زمانی برقرار است که لوله در انتهای خود باز باشد. اگر انتهای لوله بسته شود، تیله‌ها درون لوله انباشته می‌شوند و دیگر جریانی رخ نخواهد داد. در مورد جریان الکتریکی نیز همین اصل برقرار است: برای جریان پیوستهٔ الکترون‌ها باید مسیر کاملاً بسته و بدون وقفه‌ای وجود داشته باشد. برای روشن‌تر شدن موضوع، به نمودار زیر توجه کنید:

خط نازک و پیوسته در این شکل، نماد متداول یک سیم یکپارچه است. چون سیم از ماده‌ای رسانا مانند مس ساخته شده، اتم‌های آن دارای الکترون‌های آزاد فراوانی هستند که به‌راحتی می‌توانند حرکت کنند. با این حال، تا زمانی که الکترون‌ها جایی برای ورود و خروج نداشته باشند، جریان یکنواختی در سیم برقرار نخواهد شد. حال یک «منبع» و یک «مقصد» فرضی برای الکترون‌ها در نظر بگیرید:

اکنون با فشرده شدن الکترون‌های جدید از سمت منبع به داخل سیم، جریان الکترون از چپ به راست برقرار می‌شود. اما اگر مسیر رسانا در جایی قطع شود، جریان نیز متوقف خواهد شد:

پیوستگی الکتریکی

از آنجا که هوا یک عایق است و فاصلهٔ هوایی بین دو بخش سیم وجود دارد، مسیر پیوسته‌ای که پیش‌تر وجود داشت قطع شده و الکترون‌ها دیگر نمی‌توانند از منبع به مقصد برسند. این وضعیت مشابه بریدن یک لولهٔ آب و بستن دو سر آن است؛ در چنین حالتی، آبی جریان نخواهد یافت. در اصطلاح الکتریکی، زمانی که سیم یکپارچه بود، «پیوستگی الکتریکی» وجود داشت و با قطع شدن سیم، این پیوستگی از بین رفته است.

اگر قطعهٔ دیگری از سیم را به مقصد وصل کنیم و آن را به‌طور فیزیکی با سیم متصل به منبع تماس دهیم، بار دیگر مسیر پیوسته‌ای برای جریان الکترون‌ها ایجاد می‌شود. دو نقطهٔ نشان‌داده‌شده در شکل، بیانگر تماس فلز با فلز میان دو سیم هستند:

در این حالت، پیوستگی از منبع تا محل اتصال جدید و سپس تا مقصد برقرار شده است. این وضعیت مانند نصب یک سه‌راهی در لولهٔ آب و هدایت جریان از مسیر جدید است. توجه داشته باشید که بخش قطع‌شدهٔ سیم در سمت راست دیگر جریانی ندارد، زیرا جزئی از مسیر کامل بین منبع و مقصد نیست.

نکتهٔ قابل‌توجه این است که برخلاف لوله‌های آب که با گذر زمان دچار خوردگی و فرسایش می‌شوند، در سیم‌ها به دلیل عبور جریان الکتریکی فرسودگی مکانیکی ایجاد نمی‌شود. البته الکترون‌ها هنگام حرکت با مقداری اصطکاک روبه‌رو می‌شوند و این اصطکاک می‌تواند باعث تولید گرما در رسانا شود. این موضوع در بخش‌های بعدی با جزئیات بیشتری بررسی خواهد شد.

مرور مطالب

• در مواد رسانا، الکترون‌های لایهٔ بیرونی اتم‌ها به‌راحتی جدا می‌شوند و «الکترون آزاد» نام دارند.
• در مواد عایق، الکترون‌های لایهٔ بیرونی آزادی حرکت بسیار کمی دارند.
• تمام فلزات رسانای الکتریکی هستند.
• الکتریسیتهٔ دینامیکی یا جریان الکتریکی، حرکت یکنواخت الکترون‌ها در یک رسانا است.
• الکتریسیتهٔ ساکن، تجمع بدون حرکت بار الکتریکی است که معمولاً به دلیل افزایش یا کاهش تعداد الکترون‌ها در یک جسم و بر اثر تماس و جدایش مواد ناهم‌جنس ایجاد می‌شود.
• برای جریان پیوستهٔ الکترون‌ها در یک رسانا، وجود یک مسیر کامل و بدون وقفه برای ورود و خروج الکترون‌ها ضروری است.

اگر این مقاله تفاوت رسانا و عایق در الکتریسیته و جریان الکترون چگونه شکل می‌گیرد ؟ برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.