بحث عن الموصلات الكهربائية

يعرّف التيار الكهربائي بأنّه تدفق الجسيمات المشحونة خلال أيّ وسط موصل، مثل الأسلاك، وعند الحديث عن الكهرباء فإنّ المقصود بالجسميات المشحونة دائمًا الإلكترونات، حيث تحتوي الذرات الموجودة في المواد الموصلة على الكثير من الإلكترونات الحرة التي تنتشر من ذرة إلى ذرة وفي كل مكان بينهما إذ تكون حركة هذه الإلكترونات عشوائية، لذلك لا يتم التدفق في اتجاه محدد، ولكن عندما يُطبق جهد على الموصل ستتحرك جميع الإلكترونات الحرة في نفس الاتجاه فيتولد التيار، ويُصنف التيار إلى نوعين مختلفين وهما: التيار المستمر والتيار المتردد [١]، ويقاس التيار بوحدة الأمبير، وفي هذا المقال بحث عن الموصلات الكهربائية[٢].
بحث عن الموصلات الكهربائية
في بداية البحث عن الموصلات الكهربائية لا بدّ من الإشارة إلى تعريف الموصلات الكهربائية في الفيزياء والهندسة الكهربائية؛ حيث تُعَرِّف الموصلات على أنّها جسيم أو نوع من المواد التي تسمح بتدفق الشحنات أيّ التيار الكهربائي في اتجاه واحد أو عدّة اتجاهات، ولكي يتدفق التيار ليس من الضروري لجسيم واحد مشحون أنّ ينتقل من الآلة المنتجة للتيار إلى الآلة المستهلكة للتيار، وبدلًا من ذلك تحتاج الجسيمات المشحونة ببساطة إلى دفع الجسيمات المجاورة لها بمقدار محدد والتي تؤدي بدورها إلى دفع الجسيمات المجاورة لها أيضًا وهكذا إلى حين دفع الجسيم إلى المستهلك وبالتالي تشغيل الجهاز.[٣]
وتصنف المواد على أنّها موصلات، عوازل أو أشباه موصلات وذلك تبعًا للموصلية الكهربائية الخاصة بكل مادة[٤]، حيث تتميز المواد العازلة بأنّها تمتلك مقاومة عالية وموصلية منخفضة، إذ تحتوي ذراتها على إلكترونات لا تتحرك على طول المادة، لأنّ الإلكترونات فيها ثابتة ولا تتجول بحرية بالتالي لا يمكن للتيار أنّ يمر من خلالها بسهولة[٥]، أمّا أشباه الموصلات فهي مجموعة من المواد البلورية الصلبة، والتي تكون قدرتها على توصيل التيار الكهربائي متوسطة بين المواد الموصلة والمواد العازلة، كما يتم استخدام أشباه الموصلات في صناعة العديد من الأجهزة الإلكترونية مثل: الديودات، الترانزستورات والدوائر المتكاملة.[٦]
تعتمد إمكانية المادة على توصيل الكهرباء على مدى سهولة انتقال الإلكترونات من خلال هذه المادة، والجدير بالذكر أنّه لا يمكن للبروتونات أنّ تتحرك لأنّها بينما تحمل شحنة كهربائية فإنّها ترتبط بالبروتونات والنيوترونات الأخرى في نواة الذرة، كما تشبه إلكترونات التكافؤ الكواكب الخارجية التي تدور حول نجم ما، والتي تنجذب بدرجة كافية للبقاء في موقعها، إذ أنّ الأمر لا يتطلب دائمًا الكثير من الطاقة لإخراجهم من مكانهم، كما تتميز المعادن بسهولة فقد واكتساب الإلكترونات، ولهذا السبب تسيطر المعادن على قائمة الموصلات، أمّا الجزيئات العضوية فمعظمها عوازل، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنّها مرتبطة ببعضها البعض بروابط تساهمية، وأيضًا لأنّ الرابطة الهيدروجينية تساعد على استقرار العديد من الجزيئات، كما أنّ معظم المواد ليست موصلات جيدة، ولا عوازل جيدة، إذ أنّها لا تقوم بالتوصيل بشكل سهل إلا إذا تم تزويدها بالطاقة الكافية الأمر الذي يؤدي إلى حركة الإلكترونات.[٧]
كما تعتمد قدرة الموصل أيّ مقدار التيار الذي يمكن للموصل حمله على مقاومته الكهربائية إذ يمكن للموصل ذات المقاومة المنخفضة أن يحمل قيمة أكبر للتيار الكهربائي، حيث تعتمد مقاومة الموصلات على المواد التي تتكوّن منها وعلى أبعادها، إذ تتناسب المقاومة تناسبًا عكسيًا مع مساحة المقطع العرضي لمادة ما، على سبيل المثال تمتلك الأسلاك النحاسية السميكة مقاومة أقل من الأسلاك النحاسية الرفيعة المماثلة، كما تتناسب المقاومة مع الطول؛ على سبيل المثال تمتلك الأسلاك النحاسية الطويلة مقاومة أعلى من الأسلاك النحاسية القصيرة المتماثلة.[٣]
وعند كتابة بحث عن الموصلات الكهربائية لا بدّ من ذكر المواد الموصلة والتي تشتمل أيضًا على المحاليل الكهربائية، الموصلات الفائقة، البلازما وبعض الموصلات اللافلزية مثل الجرافيت والبوليمرات الموصلة، أمّا النحاس فهو من المعادن التي تتميز بالموصلية العالية، فالنحاس الصلب هو المعيار الدولي الذي تقارن به جميع الموصلات الكهربائية الأخرى، أمّا الفضة فهي أكثر موصلية من النحاس بنسبة 6٪، ولكن نظرًا لتكلفته المرتفعة فإنّه غير عملي في معظم الحالات، ومع ذلك يتم استخدامه في بعض المعدات المتخصصة، مثل الأقمار الصناعية.[٣]
كما يُعتبر الفولاذ، الذهب والألومنيوم موصلات جيدة للكهرباء حيث يتم استخدامهم في الغالب في الدارات الكهربائية وفي الأنظمة على شكل أسلاك، والزئبق أيضًا يُعتبر موصل سائل ممتاز يُستخدم في العديد من الآلات، أمّا الغازات فهي ليست موصلات جيدة للكهرباء لأنّ جسيمات المادة بعيدة جدًا عن بعضها البعض وبالتالي فهي غير قادرة على توصيل الإلكترونات، كما تُعتبر أجسام البشر، الأرض والحيوانات جميعها موصلات، وهذا هو سبب حدوث الصعقات الكهربائية وذلك لكونها جيدة التوصيل، إذ يسمح الجسم البشري بمرور التيار من خلاله وذلك لأنّ الجسم ذات مسار خالي من المقاومة للتيار.[٨]
وتُستخدم الموصلات في العديد من التطبيقات اليومية فهي مفيدة جدًا وفي مجالات كثيرة، ومن أهم التطبيقات التي يُستخدم فيها الموصلات ميزان الحرارة حيث يحتوي على الزئبق وذلك لقياس درجة حرارة الجسم، كما يتم استخدام الألومنيوم في صناعة رقائق القصدير الذي يستخدم في تخزين الطعام وفي إنتاج المقالي لتخزين الحرارة بسرعة، والحديد هو أحد الموصلات الذي يتم استخدامه بشكل شائع في تصنيع محركات المركبات لتوصيل الحرارة، كما تتكوّن صفيحة الحديد من الفولاذ لامتصاص الحرارة بخفة، كما يتم استخدام الموصلات في رادياتير السيارات أيّ مبرد محرك السيارة حيث يتم من خلاله إبعاد الحرارة عن المحرك.[٨]