מוליכות חשמלית

מוליכות חשמלית (או אי-התנגדות חשמלית) של גוף חומר מסוים היא מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור בגוף זה. התנגדות חשמלית היא הגודל ההופכי למוליכות, ומייצגת את ההתנגדות למעבר זרם בגוף. ככל שההתנגדות גבוהה יותר, הזרם שעובר בגוף קטן יותר תחת הפרש מתח נתון. חומרים מוליכים הם חומרים בהם קיימים חלקיקים טעונים עם חופש תנועה (למשל אלקטרונים בנחושת). חומרים מוליכים יכולים להיות מתכת, תמיסה מוליכה (למשל מי ים), וקיימים גם מספר חומרים קרמיים ופולימרים מוליכים.

בחומר אחיד (הומוגני), מגדירים מקדם מוליכות, אשר בעזרתו ניתן לחשב את ההתנגדות בגוף העשוי מאותו חומר. המוליכות אינה קבועה אלא תלויה בתנאי הסביבה כגון טמפרטורה, לחץ ומתח חשמלי. נגד הוא רכיב במעגל חשמלי אשר ההתנגדות שלו קבועה בקירוב בתנאי העבודה של המעגל.

הגדרה

מוליכות חשמלית $G$ מוגדרת כזרם החשמלי $I$ בין שתי נקודות בגוף חלקי המתח החשמלי $V$ ביניהם:

• $G={\frac {I}{V}}$

התנגדות חשמלית $R$ מוגדרת כהופכי של המוליכות, או המתח החשמלי בין שתי נקודות בגוף חלקי הזרם החשמלי ביניהם (ראו חוק אוהם):

• $R={\frac {1}{G}}={\frac {V}{I}}$

מן ההגדרה נובע שככל שמוליכותו של הגוף תהיה גבוהה יותר, היכולת של הזרם לעבור בו תהיה גבוהה יותר, וככל שמוליכותו קטנה יותר, היכולת של הזרם לעבור בו קטנה יותר.

מקדם התנגדות ומקדם מוליכות

דחיסות הקפיץ מגדילה את אורך התיל המשולב במעגל החשמלי, ובכך מגדילה את התנגדות.

מוליכותו של גוף תלויה לא רק בחומר ממנו הוא עשוי אלא גם בממדיו הפיזיים, למשל, מוליכותו של תיל תלויה באורכו ובשטח החתך שלו. התכונה המשותפת לכל הגופים העשויים מחומר מסוים נקראת מקדם מוליכות. זוהי תכונה המכמתת את הקלות שבה מניע שדה חשמלי את נושאי המטען החופשיים שבחומר. מקדם המוליכות מושפע מצפיפות נושאי המטען החופשיים וכן מגורמים המפריעים לתנועתם כגון אילוח ופגמים גבישיים. חומר בעל מקדם מוליכות גבוה נקרא מוליך, וחומר בעל מקדם מוליכות נמוך מאוד נקרא מבדד.

יחידות מידה

יחידת המידה של ההתנגדות החשמלית במערכת היחידות הבין-לאומית היא אוהם (Ω). המוליכות נמדדת ביחידה ההופכית סימנס (S). שמות היחידות מסמלים את העובדה שהתנגדות ומוליכות הן גדלים הופכיים זה לזה. ורנר פון סימנס וגאורג אוהם נחשבו למדענים יריבים בתחומם. יש הקוראים ליחידות המוליכות MHO שסימונה $\mho$. גם כאן הדגש הוא על היפוך של יחידת אוהם, כאשר שמות היחידות הן היפוך אותיות הדדי.

IACS (International Annealed Copper Standard) הוא תקן השוואתי למדידת מוליכות חשמלית כאשר נקודת ההתייחסות היא המוליכות של נחושת מרופה מסורתית.

חישוב התנגדות אוהמית

חישוב התנגדות תיל לפי אורך ושטח חתך

ההתנגדות של תיל העשוי מחומר אוהמי ניתנת על ידי הנוסחה: $R=\rho {\frac {l}{A}}$

כאשר $\rho$ היא מקדם ההתנגדות של החומר, $l$ הוא אורך התיל ו-$A$ הוא שטח החתך שלו בניצב לכיוון הזרם.

מקדם ההתנגדות משתנה בהתאם לטמפרטורה. בחישוב הנדסי של נגדים במערכת בה הטמפרטורה משתנה נהוג להשתמש בנוסחה המקורבת הבאה:

$\rho =\rho _{0}\left(1+\alpha (T-T_{0})\right)$

כאשר $\rho _{0}$ היא מקדם ההתנגדות של החומר בטמפרטורה ידועה $T_{0}$ (בדרך כלל טמפרטורת החדר), $T$ היא הטמפרטורה ו־$\alpha$ הוא קבוע ייחודי לחומר הנמדד אמפירית.

חומרים מוליכים ומבודדים

המאפיין המגדיר את ההבדל בין חומר מוליך למבודד הוא התנהגות המוליכות תחת שינוי טמפרטורה. בחומר מבודד המוליכות עולה עם עליית הטמפרטורה, ואילו במוליך התהליך הוא הפוך – המוליכות יורדת עם עליית הטמפרטורה. הסיבה לכך מוסברת בפיזיקת המצב המוצק על ידי פער אנרגיה במבודד וויברציות של הסריג במוליך.

בחומרים מוליכים, אלקטרונים חופשיים נעים בקלות יחסית. לעומתם במבודדים, האלקטרונים קשורים בחוזקה לגרעין האטום. במוליכים האלקטרונים שנמצאים במעגלים הרחוקים ביותר מהגרעין, קשורים לגרעין באופן חלש, ולכן יכולים לנוע בקלות מאטום לאטום. במתכות האלקטרונים החיצוניים קשורים בקשר כל כך חלש לגרעין שלהם, עד כי ניתן לתאר שהם אינם שייכים לאטום ספציפי זה או אחר, אלא קיימים ב"ים האלקטרונים". לעומת זאת בחומרים מבודדים גם האלקטרונים החיצוניים קשורים באופן חזק לגרעין ואינם ניידים.

מתכות כגון נחושת מוליכות היטב. קיימים גם פולימרים מוליכים (PPY, PANI). חומרים קרמיים מוליכים כוללים גרפיט וסיליקון ניטריד.

עץ, שעם, זכוכית, חרסינה, אוויר ומרבית סוגי הפלסטיק הם מבדדים נפוצים.

מוליכים למחצה (למשל צורן וגרמניום) מוליכותם הטבעית נמוכה אך ניתנת לשליטה, יכולת שהביאה לשימוש הרב בהם באלקטרוניקה כחומר לייצור רכיבים נשלטים.

מים מזוקקים מבודדים, אך המסת מלחים ומינרלים בהם גורמת לכך שמי שתייה הם מוליכים.

מוליכות-על היא תכונה של חומרים שבטמפרטורות נמוכות אינם מתנגדים כלל לתנועת מטענים.

קישורים חיצוניים

• חיכוך חשמלי, סרטון של מוזיאון המדע בירושלים באתר יוטיוב