Električna vodljivost u metalima rezultat je kretanja električno nabijenih čestica. Atome metalnih elemenata karakterizira prisutnost valentnih elektrona, koji su elektroni u vanjskoj ljusci atoma, koji se slobodno kreću. Upravo ti "slobodni elektroni" omogućavaju metalima da vode električnu struju.
Budući da se valencijski elektroni mogu slobodno kretati, mogu putovati kroz rešetku koja tvori fizičku strukturu metala. Pod električnim poljem, slobodni elektroni se kreću kroz metal, nalik na bilijarske kuglice koje se kucaju jedna o drugu, prolazeći električni naboj dok se kreću.
Prijenos energije
Prijenos energije je najjači kada postoji mali otpor. Na biljarskom stolu to se događa kada lopta udari u drugu pojedinačnu loptu, prenoseći većinu svoje energije na sljedeću loptu. Ako jedna kuglica pogodi više drugih kuglica, svaka će od njih nositi samo djelić energije.
Na isti način, najučinkovitiji provodnici električne energije su metali koji imaju jedan valentni elektron koji se slobodno kreće i koji izaziva snažnu odbojnu reakciju u drugim elektronima. To je slučaj kod metala koji najviše provode, poput srebra,
zlato, i bakar. Svaki ima po jedan valentni elektron koji se kreće s malim otporom i izaziva snažnu odbojnu reakciju.Poluprovodnički metali (ili metaloidi) imaju veći broj valentnih elektrona (obično četiri ili više). Iako mogu provoditi struju, oni su neučinkoviti u obavljanju zadatka. Međutim, pri zagrijavanju ili dopiranju s drugim elementima, poluvodiči poput silicij a germanij može postati izuzetno učinkovit provodnik električne energije.
Metalna vodljivost
Provođenje metala mora slijediti Ohmov zakon koji kaže da je struja izravno proporcionalna električnom polju primijenjenom na metal. Zakon, nazvan po njemačkom fizičaru Georgu Ohmu, pojavio se 1827. godine u objavljenom radu u kome se utvrđuje kako se struja i napon mjere električnim krugovima. Ključna varijabla u primjeni Ohmovog zakona je otpornost metala.
Otpornost je suprotna električnoj vodljivosti, određuje koliko se snažno metal suprotstavlja protoku električne struje. To se obično mjeri na suprotnim stranama jednosmjerne kocke materijala i opisuje se kao metar ohma (Ω⋅m). Otpornost je često predstavljena grčkim slovom rho (ρ).
S druge strane, električna vodljivost obično se mjeri sienom po metru (S⋅m)−1) i predstavljeno grčkim slovom sigma (σ). Jedna siemenska jednaka je recipročnoj vrijednosti jednog ohma.
Vodljivost, otpornost metala
Materijal |
otpor |
Provodljivost |
|---|---|---|
| Srebro | 1.59x10-8 | 6.30x107 |
| Bakar | 1.68x10-8 | 5.98x107 |
| Žar bakra | 1.72x10-8 | 5.80x107 |
| Zlato | 2.44x10-8 | 4.52x107 |
| aluminijum | 2.82x10-8 | 3.5x107 |
| kalcijum | 3.36x10-8 | 2.82x107 |
| Berilijum | 4.00x10-8 | 2.500x107 |
| rodijum | 4.49x10-8 | 2.23x107 |
| Magnezij | 4.66x10-8 | 2.15x107 |
| Molibden | 5.225x10-8 | 1.914x107 |
| iridijum | 5.289x10-8 | 1.891x107 |
| Volfram | 5.49x10-8 | 1.82x107 |
| Cinkov | 5.945x10-8 | 1.682x107 |
| Kobalt | 6.25x10-8 | 1.60x107 |
| kadmium | 6.84x10-8 | 1.467 |
| Nikal (elektrolitski) | 6.84x10-8 | 1.46x107 |
| rutenijum | 7.595x10-8 | 1.31x107 |
| litij | 8.54x10-8 | 1.17x107 |
| Željezo | 9.58x10-8 | 1.04x107 |
| Platina | 1.06x10-7 | 9.44x106 |
| paladijum | 1.08x10-7 | 9.28x106 |
| Kositar | 1.15x10-7 | 8.7x106 |
| Selen | 1.197x10-7 | 8.35x106 |
| Tantal | 1.24x10-7 | 8.06x106 |
| niobijum | 1.31x10-7 | 7.66x106 |
| Čelik (liveni) | 1.61x10-7 | 6.21x106 |
| Krom | 1.96x10-7 | 5.10x106 |
| voditi | 2.05x10-7 | 4.87x106 |
| vanadijum | 2.61x10-7 | 3.83x106 |
| uranijum | 2.87x10-7 | 3.48x106 |
| Antimon* | 3.92x10-7 | 2.55x106 |
| cirkonij | 4.105x10-7 | 2.44x106 |
| titanijum | 5.56x10-7 | 1.798x106 |
| Merkur | 9.58x10-7 | 1.044x106 |
| germanij * | 4.6x10-1 | 2.17 |
| Silicij * | 6.40x102 | 1.56x10-3 |
* Napomena: Otpornost poluvodiča (metaloida) jako ovisi o prisutnosti nečistoća u materijalu.