Elektrische Leiter: Typen und Haupteigenschaften
Elektrische Leiter oder leitende Materialien sind solche, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nur einen geringen Widerstand gegen die Zirkulation von elektrischem Strom aufweisen. Die atomare Struktur der elektrischen Leiter erleichtert die Bewegung der Elektronen durch diese hindurch, wodurch diese Art von Elementen die Übertragung von Elektrizität begünstigt.
Die Leiter können in verschiedenen Formen auftreten. Eine davon ist das Material unter bestimmten physikalischen Bedingungen, z. B. Metallstangen (Bewehrungsstangen), die nicht für elektrische Schaltkreise entwickelt wurden. Obwohl sie nicht Teil einer elektrischen Baugruppe sind, behalten diese Materialien immer ihre Fahreigenschaften bei.
Es gibt auch unipolare oder mehrpolige elektrische Leiter, die formal als Verbindungselemente von elektrischen Schaltkreisen in Wohn- und Gewerbegebieten eingesetzt werden. Diese Art von Leiter kann innen durch Kupferdrähte oder eine andere Art von metallischem Material gebildet sein, das mit einer isolierenden Oberfläche bedeckt ist.
Darüber hinaus können je nach Konfiguration des Stromkreises Leiter für Wohnzwecke (dünn) oder Kabel für unterirdische Steckdosen in elektrischen Verteilungssystemen (grob) unterschieden werden.
Für die Zwecke dieses Artikels konzentrieren wir uns auf die Eigenschaften von leitenden Materialien in ihrem reinen Zustand; Darüber hinaus werden wir wissen, welche leitfähigen Materialien am häufigsten verwendet werden und warum.
Eigenschaften
Die elektrischen Leiter zeichnen sich dadurch aus, dass sie dem Durchgang von elektrischem Strom nicht viel Widerstand entgegensetzen, was nur aufgrund ihrer elektrischen und physikalischen Eigenschaften möglich ist, die gewährleisten, dass die Zirkulation von Elektrizität durch den Leiter keine Verformung oder Zerstörung hervorruft des fraglichen Materials.
Elektrische Eigenschaften
Die wichtigsten elektrischen Eigenschaften von elektrischen Leitern sind die folgenden:
Gute Leitfähigkeit
Elektrische Leiter müssen eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um ihre Funktion zum Transport elektrischer Energie zu erfüllen.
Die Internationale Elektrotechnische Kommission stellte Mitte 1913 fest, dass die elektrische Leitfähigkeit von reinem Kupfer als Referenz für die Messung und den Vergleich der Leitfähigkeit anderer leitfähiger Materialien dienen kann.
So wurde der Internationale Standard für geglühtes Kupfer ( IACS für das Akronym in Englisch) festgelegt.
Die angenommene Referenz war die Leitfähigkeit eines geglühten Kupferdrahtes von einem Meter Länge und einem Gramm Masse bei 20ºC, dessen Wert gleich 5, 80 · 10 & sup7; Sm & supmin; ¹ ist. Dieser Wert wird als elektrische Leitfähigkeit von 100% IACS bezeichnet und ist der Bezugspunkt für die Messung der Leitfähigkeit von leitfähigen Materialien.
Ein leitfähiges Material wird als solches angesehen, wenn es mehr als 40% IACS aufweist. Materialien mit einer Leitfähigkeit von mehr als 100% IACS gelten als Materialien mit hoher Leitfähigkeit.
Die atomare Struktur ermöglicht den Durchgang des Stroms
Die Atomstruktur ermöglicht den Durchgang von elektrischem Strom, da Atome nur wenige Elektronen in ihrer Valenzschale haben und diese Elektronen sich wiederum vom Atomkern ablösen.
Die beschriebene Konfiguration impliziert, dass für die Bewegung von Elektronen von einem Atom zum anderen keine große Energiemenge erforderlich ist, wodurch die Bewegung von Elektronen durch den Leiter erleichtert wird.
Diese Art von Elektronen nennt man freie Elektronen. Seine Anordnung und Bewegungsfreiheit entlang der atomaren Struktur erleichtert die Zirkulation von Elektrizität durch den Leiter.
Vereinigte Kerne
Die molekulare Struktur der Leiter besteht aus einem Netzwerk sehr enger Kerne, die aufgrund ihrer Kohäsion praktisch unbeweglich bleiben.
Dies macht die Bewegung von Elektronen, die weit weg im Molekül sind, günstig, da sie sich frei bewegen und auf die Nähe eines elektrischen Feldes reagieren.
Diese Reaktion induziert die Bewegung der Elektronen in eine bestimmte Richtung, wodurch die Zirkulation von elektrischem Strom entsteht, der durch das leitende Material fließt.
Elektrostatisches Gleichgewicht
Bei einer bestimmten Belastung erreichen die leitenden Materialien schließlich einen elektrostatischen Gleichgewichtszustand, in dem keine Bewegung von Ladungen innerhalb des Materials auftritt.
Positive Ladungen agglomerieren an einem Ende des Materials und negative Ladungen sammeln sich am gegenüberliegenden Ende. Die Verschiebung der Ladungen in Richtung der Oberfläche des Leiters erzeugt das Vorhandensein gleicher und entgegengesetzter elektrischer Felder im Inneren des Leiters. Somit ist das gesamte interne elektrische Feld innerhalb des Materials Null.
Physikalische Eigenschaften
Formbar
Die elektrischen Leiter müssen verformbar sein; das heißt, sie müssen sich verformen können, ohne zu brechen.
Die leitenden Materialien werden üblicherweise in häuslichen oder industriellen Anwendungen verwendet, bei denen sie Biegungen und Biegungen ausgesetzt sein müssen; Daher ist die Formbarkeit ein äußerst wichtiges Merkmal.
Beständig
Diese Werkstoffe müssen verschleißfest sein, um den Bedingungen der mechanischen Beanspruchung, denen sie üblicherweise ausgesetzt sind, zusammen mit den erhöhten Temperaturen aufgrund der Stromzirkulation standhalten zu können.
Isolationsschicht
Bei Verwendung in Wohngebieten, Industrieanwendungen oder als Teil des angeschlossenen Stromversorgungssystems müssen die Leiter immer mit einer geeigneten Isolierschicht bedeckt sein.
Diese äußere Schicht, auch als Isoliermantel bezeichnet, ist erforderlich, um zu verhindern, dass der durch den Leiter fließende elektrische Strom mit Personen oder Gegenständen in der Umgebung in Kontakt kommt.
Arten von elektrischen Leitern
Es gibt verschiedene Kategorien von elektrischen Leitern und in jeder Kategorie wiederum die Materialien oder Medien mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit.
Für Spitzenleistungen sind die besten elektrischen Leiter feste Metalle, darunter Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Eisen und einige Legierungen.
Es gibt jedoch auch andere Arten von Materialien oder Lösungen mit guten elektrischen Leitungseigenschaften, wie Graphit- oder Salzlösungen.
In Abhängigkeit von der Art und Weise, in der die elektrische Leitung ausgeführt wird, können drei Arten von Materialien oder leitenden Mitteln unterschieden werden, die nachstehend näher erläutert werden:
Metallleiter
Diese Gruppe besteht aus festen Metallen und ihren jeweiligen Legierungen.
Die metallischen Leiter verdanken ihre hohe Leitfähigkeit den Wolken freier Elektronen, die die Zirkulation von elektrischem Strom durch sie begünstigen. Die Metalle liefern die Elektronen, die sich in der letzten Umlaufbahn ihrer Atome befinden, ohne größere Energiemengen zu investieren, wodurch Elektronen von einem Atom zum anderen springen.
Andererseits zeichnen sich die Legierungen durch einen hohen spezifischen Widerstand aus; Das heißt, sie haben einen Widerstand, der proportional zur Länge und zum Durchmesser des Leiters ist.
Die am häufigsten verwendeten Legierungen in elektrischen Anlagen sind Messing, eine Legierung aus Kupfer und Zink; Weißblech, eine Legierung aus Eisen und Zinn; Kupfer- und Nickellegierungen; und Chrom- und Nickellegierungen.
Elektrolytische Leiter
Hierbei handelt es sich um Lösungen aus freien Ionen, die die elektrische Leitung der Ionenklasse unterstützen.
Diese Leitertypen sind größtenteils in ionischen Lösungen vorhanden, da die elektrolytischen Substanzen teilweise (oder vollständig) dissoziiert werden müssen, um die Ionen zu bilden, die Ladungsträger sind.
Die elektrolytischen Leiter basieren auf chemischen Reaktionen und der Verdrängung von Materie, was die Bewegung von Elektronen durch den Zirkulationsweg erleichtert, der durch freie Ionen ermöglicht wird.
Gasleiter
In diese Kategorie fallen die Gase, die zuvor einem Ionisationsprozess unterzogen wurden, der die Weiterleitung von Elektrizität durch sie ermöglicht.
Die Luft selbst wirkt als elektrischer Leiter, wenn sie beim Auftreten des dielektrischen Bruchs als elektrisch leitendes Medium zur Bildung von Blitzen und elektrischen Entladungen dient.
Beispiele für Fahrer
Aluminium
Es wird häufig in elektrischen Freileitungssystemen eingesetzt, da es trotz einer um 35% geringeren Leitfähigkeit im Vergleich zu geglühtem Kupfer dreimal leichter ist als das letztere.
Die Hochspannungsauslässe sind normalerweise mit einer Außenfläche aus Polyvinylchlorid (PVC) bedeckt, die eine Überhitzung des Fahrers verhindert und den Durchgang des elektrischen Stroms von außen isoliert.
Kupfer
Es ist das am häufigsten verwendete Metall als elektrischer Leiter in Industrie- und Wohngebieten, da es in einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Leitfähigkeit und Preis steht.
Kupfer kann in Leitern mit niedrigem und mittlerem Kaliber, mit einem oder mehreren Drähten verwendet werden, abhängig von der amperometrischen Kapazität des Leiters.
Gold
Es ist ein Material, das in elektronischen Baugruppen von Mikroprozessoren und integrierten Schaltkreisen verwendet wird. Es wird unter anderem auch zur Herstellung von Batterieklemmen für Fahrzeuge verwendet.
Die Leitfähigkeit des Goldes ist ungefähr 20% geringer als die Leitfähigkeit des getemperten Goldes. Es ist jedoch ein sehr haltbares Material und korrosionsbeständig.
Silber
Mit einer Leitfähigkeit von 6, 30 x 10 & sup7; Sm & supmin; ¹ (9-10% höher als die Leitfähigkeit von geglühtem Kupfer) ist es das Metall mit der höchsten bisher bekannten elektrischen Leitfähigkeit.
Es ist ein sehr formbarer und duktiler Werkstoff, dessen Härte mit der von Gold oder Kupfer vergleichbar ist. Die Kosten sind jedoch extrem hoch, so dass die Verwendung in der Industrie nicht so verbreitet ist.
