Elektrický vodič

O elektrickom vodiči ako zariadení na prenos elektrickej energie pozri vodič (elektrotechnika)

Elektrický vodič z hľadiska fyziky je materiál (látka), ktorá vedie elektrický prúd, tzn. prúd elektrónov alebo iónov, ktoré so sebou nesú energiu v podobe elektrického náboja (jedna z ich vlastností). Schopnosť vodiča viesť elektrický prúd sa nazýva elektrická vodivosť. Vodiče rozdeľujeme podľa spôsobu vedenia elektrického prúdu na vodiče prvej triedy (kovy a nekovy), vodiče druhej triedy (roztoky a taveniny) a vodiče tretej triedy (plazma).^[1]

Pri elektrónovej vodivosti prúd prenášajú voľné elektróny. Vodiče sa vedením prúdu chemicky nemenia. V elektrolytoch prúd prenášajú elektricky nabité častice – ióny. Pohybom častíc dochádza aj k pohybu hmoty a k následným chemickým zmenám. Rýchlosť pohybu iónov v elektrolyte je menšia ako rýchlosť elektrónov, preto majú elektrolyty nižšiu vodivosť.

Vodivosť

Schopnosť vodiča viesť elektrický prúd vyjadruje veličina elektrická vodivosť, čo je prevrátená hodnota elektrického odporu. Jednotková vodivosť vodiča alebo tiež merná vodivosť (vodivosť 1 m vodiča s priemerom 1 m²) nazývame konduktivita vodiča, jeho prevrátená hodnota je potom jednotkový odpor vodiča (merný odpor) – rezistivita vodiča.

Vodivosť G, resp. odpor R vodiča vypočítame $G=\sigma {\frac {S}{l}}$ , resp. $R=\rho {\frac {l}{S}}$ , kde σ je konduktivita vodiča, ρ je rezistivita vodiča, S je obsah prierez vodiča, l je dĺžka vodiča.

Teplotné závislosti

Vodivosť (a tým odpor) vodiča, je závislý od jeho teploty. So stúpajúcou teplotou klesá vodivosť a rastie odpor. Fyzikálne tento jav vysvetľujeme tepelným pohybom tých častíc vo vodiči, ktoré sa nezúčastňujú vedenia elektrického prúdu, ale bránia voľným nabitým časticiam v ich pohybe.

Zmenu odporu ΔR na teplote popisuje vzťah $\Delta R=R_{0}\alpha \Delta t$ , kde R₀ je počiatočný odpor vodiča, α je teplotný súčiniteľ odporu, Δt je rozdiel teplôt.

Extrémne – pri ochladení vodiča na teplotu blízku absolútnej nule dochádza k javu supravodivosti – vodič nekladie elektrickému prúdu žiaden odpor – vzniká supravodič.

Keďže každý vodič (okrem supravodičov) kladie elektrickému prúdu odpor, spotrebováva elektrickú energiu. Takto spotrebovaná elektrická energia sa mení na teplo, ktoré nazývame Joulovo teplo. Množstvo tepla Q sa vypočíta vzťahom $Q=R.I^{2}.t$ , kde R je odpor vodiča, t je čas, počas ktorého preteká elektrický prúd I vodičom.

Dobré a zlé vodiče

Na výrobu vodičov sa používajú kovy ktoré sú „dobrými vodičmi“ čiže kladú prechádzajúcemu elektrickému prúdu nízky odpor. Najčastejšie používanými kovmi na výrobu elektrických vodičov sú meď, hliník, striebro, zlato, platina. Kovy sa obvykle používajú v zliatinách, ktoré vylepšujú ich mechanické vlastnosti.

Zliatiny používané v elektrotechnike:

zliatiny medi: fosforový a berýliový bronz, mosadz a niklová mosadz
zliatiny striebra: striebro + meď, striebro + paládium (tzv. tvrdé striebro) na kontakty stykačov
zliatiny zlata: zlato + nikel, zlato + striebro + nikel
volfrám + molybdén (na vysoké napätia)

Nepravé zliatiny (zhotovujú sa práškovou metalurgiou) používajú sa hlavne pre vysokonapäťové kontakty.

volfrám + striebro
volfrám + meď
molybdén + striebro
striebro + grafit
striebro + nikel
striebro + nikel + grafit
striebro + olovo
meď + kadmium
meď + olovo

Zlé vodiče vodiče s malou vodivosťou, resp. veľkým odporom sa prechodom elektrického prúdu zahrievajú silne – vo vodiči vzniká veľké množstvo tepla. Táto vlastnosť sa využíva v tepelných elektrických spotrebičoch (žehlička, ohrievač, elektrická rúra…). Medzi zlé vodiče patria nikelín, konštantán, chrómnikel, grafit…

Merný odpor niektorých vodičov pri 20 °C

materiál	zloženie	merný odpor ρ [µΩcm]	teplotný koeficient odporu α [K⁻¹]	použitie
Cín	Sn	11,5	0,0042	spájka
Hliník	Al	2,828	0,0049	vedenia a inštalácie
Kantal A-1	72 % Fe, 20 % Cr, 5 % Al, 3 % Co	145	0,00006	vinutia pecí do 1 300 °C
Konštantán	54 % Cu, 45 % Ni, 1 % Mn	49	−0,00003	presné rezistory, reostaty
Manganín	86 % Cu, 2 % Ni, 12 % Mn	48	0,00001	presné rezistory, bočníky
Meď	Cu	1,75	0,00392	vodiče
Mosadz	50 – 99 % Cu, Zn	7,5	0,002 – 0,007	konštrukčný materiál
Nichrom	78 % Ni, 20 % Cr, 2 % Mn	108	0,0002	vyhrievacie telesá do 1 200 °C
Nikelín	67 % Cu, 30 % Ni, 3 % Mn	40	0,000 11	reostaty, regulačné odpory
Platina	Pt	10,9	0,0039	elektódy, odporové teplomery
Striebro	Ag	1,629	0,00381	poistky, kontakty, polovodiče
Tantal	Ta	15,5	0,00382	vysokoteplotné vákuové pece
Uhlík (grafit)	C	33 – 185	−0,006 až 0,0012	rezistory, špeciálne vyhrievacie telesá, elektródy
Zlato	Au	2,35	–	kontakty, elektronika
Železo	Fe	9,8	0,006	konštrukčný materiál, uzemnenia, bleskozvody

Zdroje

Čicmanec P., Všeobecná fyzika, Elektrina a magnetizmus.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Tables/rstiv.html
http://www.converter.cz/tabulky/merny-odpor.htm

↑ NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.

[1] NOVÁK, Josef. Fyzikální chemie Bakalářský kurz. 1. vyd. Praha : VŠCHT, 2015. ISBN 978-80-7080-559-6.

[1]