آشنایی با مفهوم رسانا و نارسانا

به طور کلی می توان اجسام را بر اساس  وجود یا عدم وجود قابلیت هدایت جریان الکتریکی به چهار دسته تقسیم کرد. ابررسانا، نیمه رسانا، رسانا و نارسانا.

در این مقاله مواد رسانا، مواد نارسانا و خصوصیات هر کدام از آن‌ها را معرفی می کنیم

 

دانلود رایگان PDF این مقاله

آشنایی با نظریه نواری

برای معرفی مفهوم رسانا و نارسانا، لازم است که نظریه نواری آشنا شویم. این نظریه چگونگی رسانا یا نارسانا بودن اجسام را توضیح می دهد.

یک جسم جامد، مجموعه ای از اتم های نزدیک به هم است و تراز های انرژی الکترون ها ، نقش مهمی در رسانا و نارسانا بودن اجسام دارد.

ترازهای انرژی الکترون ها براساس نظریه ی نواری تعریف می شود.

الف : ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد (مانند مدارهای اتمی) مقدارهای انرژی ویژه ی خود را دارند.

ب : ترازهای انرژی الکترون ها در جسم جامد نیز همانند ترازهای اتمی گسسته اند

ج : هر تراز انرژی تنها توسط یک الکترون می تواند اشغال شود.

د : ترازهای انرژی الکترون در جسم جامد تشکیل نوارهایی را می دهند. هر نوار شامل تعداد بسیار زیادی ترازهای گسسته است که از نظر مقدار انرژی بسیار نزدیک به هم هستند. ولی بین نوارهای مختلف در برخی از موارد ممکن است از نظر انرژی فاصله ی زیادی باشد.

در فاصله ی بین نوارهای انرژی هیچ تراز انرژی وجود ندارد. این فاصله را ناحیه ی ممنوع یا گاف انرژی می نامند.

 

تراز انرژی در نظریه نواری

 

ترازهای انرژی از پایین به بالا توسط الکترون ها اشغال می شوند تا جائیکه دیگر تراز خالی در نوار اول موجود نباشد. حال اگر تعداد الکترون ها در جسم جامد بیش از تعداد ترازها در نوار اول باشد، ترازهای انرژی نوار بعدی نیز به ترتیب از پایین به بالا اشغال می شوند. آخرین نوار ممکن است پر شود یا بخشی از آن پر شود یا خالی باشد.

الکترون های نوارهای پر در رسانش سهمی ندارند. تنها آن دسته از الکترون ها که در نوارهای با ظرفیت خالی قرار می‌گیرند، در رسانش جسم نقش دارند.

 الکترون با جذب انرژی از یک تراز به تراز خالی بالاتر انتقال پیدا می کند. انتقال الکترون از یک تراز به تراز دیگر در همان نوار به انرژی کمی نیاز دارد. اما انتقال از یک نوار به نوار دیگر انرژی بسیار زیادی لازم دارد.

نکته ۱: وقتی می گوییم یک الکترون از یک تراز به تراز بالاتر می رود، منظورمان این است که الکترون انرژی خود را به مقدار معینی افزایش داده است، نه این که الکترون از جایی درون جسم جامد به جای دیگررفته است. نکته ۲: انرژی مورد نیاز الکترون برای انجام انتقال بین ترازهای مختلف در یک جسم جامد از دو منبع «میدان الکتریکی» و یا  «برانگیختگی گرمایی» تامین می شود.

رسانا و نارسانا به کمک الکترون های آزاد و الکترون های مقید

الکترون ها را می توان در دو دسته الکترون های آزاد و الکترون های مقید معرفی کرد.

در بعضی از اجسام، تعدادی الکترون وجود دارد که به اتم خاصی وابسته نیستند. این الکترون ها می توانند بر اثر حرارت یا جریان الکتریکی آزادانه درون ماده حرکت ‌کنند و الکترسیته یا حرارت را منتقل کنند.چنین الکترون هایی را  الکترون آزاد می گویند.

در نقطه مقابل، الکترون های مقید قرار می گیرند.این الکترون ها وابسته به اتم هستند و امکان جدا شدن از آن را ندارند.در حقیقت هر الکترون در قید اتم خودش می‌باشد. بدون الکترون آ‎زاد، امکان انتقال جریان وجود ندارد.

به این ترتیب، وجود یا عدم وجود الکترون های آزاد، در رسانا و نارسانا بودن اجسام، اهمیت دارد.

مواد رسانا

توانایی یک ماده در انتقال و هدایت انرژی اصطلاحا رسانایی نامیده می شود. و انواع مختلفی از جمله رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی و رسانایی صوتی دارد.

مواد رسانا، در لایه بیرونی خود دارای الکترون های آزاد هستند. این الکترون ها به راحتی از اتم خود جدا می شوند و درون جسم حرکت می‌کنند و به این ترتیب جریان الکتریکی و گرما را منتقل می کنند.

تقریبا همه فلزات رسانا هستند اما برخی از اجسام به خاطر اینکه الکترون های آزاد آن ها نسبت به سایر اجسام بیشتر است، رسانایی بالاتری دارند. از مواد با رسانش بالا می توان به نقره، مس، طلا، آلومینیوم و آهن اشاره کرد.

مواد غیر فلزی  نیز وجود دارند که  دارای رسانش بالا می باشند. مغز مداد(گرافیت)آب لیمو، سرکه آب دریا و برخی محلول های شیمیایی از این دسته هستند.

بدن انسان نیز قابلیت رسانایی بالایی دارد.

 

کاربرد اجسام رسانا و نارسانا

این اجسام کاربردهای فراوانی دارند. مثلا در ظروف غذا، از قابلیت رسانایی گرمایی فلزات برای پخت وپز استفاده می شود. همچنین به کمک قابلیت رسانایی الکتریکی برخی فلزات نظیر مس، جریان برق تولید شده در نیروگاه‌ها به شهرها و مناطق مسکونی منتقل می‌شود.

 

نحوه ی توزیع بار در اجسام رسانا

هرگاه به یک جسم هادی بار الکتریکی یا گرما بدهیم, بار و گرما به دلیل وجود الکترون های آزاد حرکت خواهند کرد و روی سطح فلز پخش خواهند شد.

اگر شکل جسم هادی نامتقارن باشد، چگالی سطحی بار درنقاط نوک تیز بیشتر خواهد بود.

 

مواد نارسانا

موادی که حرارت یا جریان  را به خوبی منتقل نمی‌کنند، نارسانا (عایق) هستند. این مواد الکترون های آزاد بسیار کمی‌ دارند. به مواد عایق الکتریکی، دی الکتریک نیز می گویند.

از مواد و اجسام نارسانا می توان به شیشه، لاستیک و پلاستیک، جوب و کاغذ، سنگ، الکل، آب مقطر، کائوچو، فایبرگلاس و سرامیک اشاره کرد.

وقتی می گوئیم جسمی نارسانا است به این معنی نیست که جریان یا حرارت اصلا از آن عبور نمی کند بلکه به این معنی است که اگرچه مقدار ناچیزی رسانایی وجود دارد اما باری که می‌تواند از اجسام نارسانا در مدت زمان معینی عبور کند، (در شرایط مساوی) بسیار کمتر از باری است که از رسانایی با همان شکل و اندازه عبور می‌کند. و می توان از آن صرفنظر کرد.

مواد نارسانا کاربرد بسیاری در عایق کاری دارند. به عنوان مثال از پلاستیک به عنوان روکش سیم های برق استفاده می‌شود و شیشه های دو جداره در پنجره ها به عنوان عایق صوتی عمل می کنند.

 

نحوه ی توزیع بار در اجسام نارسانا

هرگاه به یک جسم عایق، بار الکتریکی یا گرما بدهیم بارها در همان نقطه باقی خواهند ماند. چون در لایه خارجی آنها الکترون آزادی وجود ندارد که آن ها را در سطح جسم به حرکت در بیاورد.

 

کاربرد مواد عایق

از کاربردهای مواد عایق می توان استفاده به عنوان روکش های پلاستیکی سیم های برق، دستکش های مخصوص ضد الکترسیته و ضد گرما و تولید لباس های ایمنی را اشاره کرد.

همچنین استفاده از مواد عایق در خازن های الکتریکی ضروری است.

دو رسانا که بتوانند بارهای مساوی و مختلف‌العلامه را در خود ذخیره کنند و اختلاف پتانسیل میان آنها به باردار بودن سایر رساناهای دیگر دستگاه بستگی نداشته باشد، به عنوان خازن معروف هستند. معمولا میان دو صفحه خازن ماده دی الکتریک (عایق) قرار می‌دهند.

 

رسانا و نارسانا – تبدیل مواد نارسانا به اجسام رسانا

بعضی از اجسام در حالت عادی نارسانا هستند. ولی با ایجاد تغییراتی در آن ها، رسانا می شوند. مثلا با اضافه کردن نمک به آب مقطر می توان آن را رسانا کرد  و با خیس کردن چوب می توان رسانش آن را بالا برد.

با تغییر دما نیز می توان مواد نارسانا را به رسانا تبدیل کرد. مثلا سیلسیم در دمای حدود ۲۰ در جه ی سلسیوس الکترون آزاد ندارد و نارساناست.  ولی با بالا رفتن حرارت در آن الکترون آزاد ایجاد می شود و هادی می شود. با ذوب کردن سرامیک نیز می‌ توان از آن یک ابر رسانا ساخت.

دانلود رایگان PDF این مقاله

 

 

***    ***     ***

تیم تولید محتوای سایت توت مدیا امیدوار است این مقاله مورد استفاده شما قرار گرفته باشد.

جهت دسترسی به سایر مقالات درسی کلیک نمائید