Metallien sähkönjohtavuus on seurausta sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikkeistä. Metallielementtien atomille on ominaista valenssielektronien läsnäolo, jotka ovat atomien ulkokuoressa olevia elektroneja, jotka voivat vapaasti liikkua. Juuri nämä "vapaat elektronit" antavat metalleille johtaa sähkövirran.
Koska valenssielektronit voivat liikkua vapaasti, ne voivat kulkea hilan läpi, joka muodostaa metallin fyysisen rakenteen. Sähkökentän alla vapaat elektronit liikkuvat metallin läpi samalla tavalla kuin biljardipallot koputtavat toisiaan vastaan ja kulkevat sähkövarauksen liikkuessaan.
Energian siirto
Energian siirto on voimakkainta, kun vastus on vähäinen. Biljardipöydällä tämä tapahtuu, kun pallo osuu toista yksittäistä palloa vastaan ja siirtää suurimman osan energiastaan seuraavaan palloon. Jos yksi pallo lyö useita muita palloja, kukin niistä kuljettaa vain murto-osan energiasta.
Samoin tehokkaimmat sähkönjohtimet ovat metalleja, joissa on yksi valenssielektroni, joka voi vapaasti liikkua ja aiheuttaa voimakkaan hylkivä reaktion muissa elektroneissa. Tämä on tilanne johtavinmetalleissa, kuten hopeassa,
kultaja kupari. Jokaisella on yksi valenssielektroni, joka liikkuu pienellä vastuksella ja aiheuttaa voimakkaan hylkivä reaktion.Puolijohdemetallit (tai epämetalleja), joilla on suurempi määrä valenssielektroneja (yleensä neljä tai enemmän). Joten vaikka he voivat johtaa sähköä, ne ovat tehottomia tehtävässä. Kuitenkin, kun lämmitetään tai seostetaan muilla elementeillä, puolijohteet kuten pii ja germaniumista voi tulla erittäin tehokkaita sähkönjohtimia.
Metallin johtavuus
Metallien johtavuuden on noudatettava Ohmin lakia, jonka mukaan virta on suoraan verrannollinen metalliin kohdistettuun sähkökenttään. Saksalainen fyysikko Georg Ohm nimeltään laki ilmestyi vuonna 1827 julkaistussa lehdessä, jossa esitettiin kuinka virta ja jännite mitataan sähköpiirien kautta. Avainmuuttuja Ohmin lain soveltamisessa on metallin resistiivisyys.
Vastus on vastakohta sähkönjohtavuudelle arvioitaessa, kuinka voimakkaasti metalli vastustaa sähkövirran virtausta. Tämä mitataan yleensä yhden metrin materiaalikuution vastakkaisilla pinnoilla ja kuvataan ohmimittariksi (Ω⋅m). Resistiivisyyttä edustaa usein kreikkalainen kirjain rho (ρ).
Toisaalta sähkönjohtavuus mitataan yleensä siemensekoilla metriä kohti (S⋅m−1) ja jota edustaa kreikkalainen kirjain sigma (σ). Yksi siemens on yhtä ohmin vastavuoroinen.
Metallien johtavuus, ominaisvastus
materiaali |
ominaisvastus |
johtokyky |
|---|---|---|
| Hopea | 1.59x10-8 | 6.30x107 |
| Kupari | 1.68x10-8 | 5.98x107 |
| Hehkutettu kupari | 1.72x10-8 | 5.80x107 |
| Kulta | 2.44x10-8 | 4.52x107 |
| Alumiini | 2.82x10-8 | 3.5x107 |
| kalsium | 3.36x10-8 | 2.82x107 |
| beryllium | 4.00x10-8 | 2.500x107 |
| rodium | 4.49x10-8 | 2.23x107 |
| Magnesium | 4.66x10-8 | 2.15x107 |
| molybdeeni | 5.225x10-8 | 1.914x107 |
| Iridium | 5.289x10-8 | 1.891x107 |
| Volframi | 5.49x10-8 | 1.82x107 |
| Sinkki | 5.945x10-8 | 1.682x107 |
| Koboltti | 6.25x10-8 | 1.60x107 |
| Kadmium | 6.84x10-8 | 1.467 |
| Nikkeli (elektrolyyttinen) | 6.84x10-8 | 1.46x107 |
| rutenium | 7.595x10-8 | 1.31x107 |
| litium | 8.54x10-8 | 1.17x107 |
| Rauta | 9.58x10-8 | 1.04x107 |
| Platina | 1.06x10-7 | 9.44x106 |
| palladium | 1.08x10-7 | 9.28x106 |
| Tina | 1.15x10-7 | 8.7x106 |
| Seleeni | 1.197x10-7 | 8.35x106 |
| tantaali | 1.24x10-7 | 8.06x106 |
| niobium | 1.31x10-7 | 7.66x106 |
| Teräs (valettu) | 1.61x10-7 | 6.21x106 |
| Kromi | 1.96x10-7 | 5.10x106 |
| Johtaa | 2.05x10-7 | 4.87x106 |
| vanadiinia | 2.61x10-7 | 3.83x106 |
| uraani | 2.87x10-7 | 3.48x106 |
| antimoni * | 3.92x10-7 | 2.55x106 |
| zirkonium | 4.105x10-7 | 2.44x106 |
| Titaani | 5.56x10-7 | 1.798x106 |
| elohopea | 9.58x10-7 | 1.044x106 |
| germanium * | 4.6x10-1 | 2.17 |
| pii * | 6.40x102 | 1.56x10-3 |
* Huomaa: Puolijohteiden (metalloidien) resistiivisyys riippuu suuresti epäpuhtauksien läsnäolosta materiaalissa.