در ابتدا باید از تفاوت بین رسانایی خوب و بد برق آگاهی پیدا کنیم. یک رسانایی خوب برق، هر ماده‌ای است که امکان عبور آسان جریان برق را از خود بدون مقاومت بالا فراهم می‌سازد. از طرف دیگر، یک رسانایی بد جربان برق مانع از عبور جریان آزاد برق از خود می‌گردد. به عبارت دیگر، یک رسانای خوب دارای هدایت بالا و مقاومت پایین می‌باشد، در حالی‌که یک رسانای بد دارای هدایت پایین و مقاومت بالا است.

خواص فلزات

همه‌ی ما می‌دانیم که کوچک‌ترین واحد همه‌ی عناصر اتم می‌باشد. یک اتم ذره‌ای خنثی با بار مثبت هسته در مرکز و الکترون‌های با بار منفی در حال حرکت در مدارهایی اطراف هسته می‌باشد. هدایت الکتریکی یک عنصر توسط ساختار اتمی آن عنصر تعیین می‌گردد. چندین میلیون اتم در یک قطعه از فلز وجود دارد. هراتم از یک عنصر فلزی دارای دو یا سه الکترون در بیرونی‌ترین مدار خود بوده که به عنوان الکترون‌های لایه ظرفیت شناخته می‌شود. اتم‌ها به منظور ارائه‌ی ساختار پایدار و بسته در فلز، پیوندهایی فلزی را با همدیگر تشکیل می‌دهند. در طول تشکیل این پیوندها، الکترون‌های ظرفیت موجود در بیرونی‌ترین مدار به طور کامل از اتم والد خود جدا شده و می‌تواند به طور آزادانه در فضایی که در ساختار شبکه‌ای اتم قرار دارد، حرکت کند. هنگامی‌که هیچ میدان الکتریکی وجود ندارد، الکترون‌ها به صورت پراکنده در جهات مختلف به اطراف حرکت می‌کنند. هنگام اعمال میدان الکتریکی، الکترون‌ها شروع به حرکت از یک انتهای فلز به انتهای دیگر می‌کنند. بنابراین، تعداد الکترون‌های دارای جریان آزاد مسئول هدایت الکتریکی از میان فلز می‌باشند. آن‌ها به عنوان حاملان بار عمل کرده و بار الکتریکی را از طریق ساختار فلز حمل می‌کنند.

اکنون اجازه دهید درباره‌ی این موضوع که چرا فلزات رسانای جریان برق هستند توضیحاتی را ارائه دهیم. جواب این سؤال در این واقعیت نهفته است که تعداد زیادی الکترون‌های با حرکت آزاد در اتم وجود دارد. گرما به آسانی از طرق فلزات توسط این الکترون‌های آزاد انتقال می‌یابد. هنگامی‌که گرما به فلز اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد نزدیک منبع گرما انرژی خود را از دست داده و شروع به حرکت سریع می‌کنند. از آن‌جا که فلزات ساختاری بسته و نزدیک به هم دارند، الکترون‌های آزاد دارای انرژی با الکترون‌های نزدیک خود برخورد می‌کنند. این موضوع به ارتعاش آن‌ها جهت عبور به منطقه‌ی مجاور کمک می‌کند. بنابراین، گرما از طریق مواد فلزی به سرعت انتقال می‌یابد.

کدام فلزات رسانای خوب جریان برق هستند؟

تقریباً همه‌ی عناصر فلزی رسانای برق هستند، هر چند که هدایت پذیری آن‌ها بر اساس نوع عنصر متفاوت می‌باشد. عناصر شیمیایی که به عنوان رساناهای بسیار خوب در نظر گرفته می‌شوند، به شرح زیر می‌باشد:
مس، نقره، آلومینیوم، طلا، نیکل، کروم، آهن، منیزیم، جیوه، تیتانیوم، مولیبدن

اگرچه هدایت یا انتقال جریان برق از همه‌ی فلزات به یک شیوه‌ی مشابه رخ می‌دهد، اما سطح رسانای الکتریکی در همه‌ی فلزات مشابه نیست. به عبارت دیگر، توانایی انتقال جریان برق برای هر فلز متفاوت می‌باشد. نقره به عنوان بهترین هدایت کننده‌ی جریان برق شناخته شده و به دنبال آن مس و سپس طلا قرار دارند. معمولاً مس بیشتر از نقره در برنامه‌های الکتریکی کاربرد دارد. اگرچه هدایت یا انتقال جریان برق از همه‌ی فلزات به یک شیوه‌ی مشابه رخ می‌دهد، اما سطح رسانای الکتریکی در همه‌ی فلزات مشابه نیست. این امر به این دلیل است که نقره گران‌تر از مس است. بنابراین، هزینه‌ی پایین مس باعث شده است که به عنوان یک گزینه‌ی مناسب‌تر برای مصارف عملی در تجهیزات مختلف الکتریکی به کار گرفته شود.

بررسی رسانایی فلزات از نگاهی دیگر

فلزات معمولاً همان گونه که هادی یا رسانای خوبی برای جریان الکتریکی هستند هادی‌های خوبی برای گرما نیز هستند. می‌دانیم که گرما همان جنبش مولکول‌ها و اتم‌ها و حتی الکترون‌هاست. بنابراین می‌توانیم یک فلز را مجموعه‌ای از مولکول‌ها تصور کنیم که الکترون‌های ظرفیتی مولکول‌های آن تنها با نیروی جاذبه‌ای ضعیف به هسته جذب شده است و تقریباً حالتی آزاد در مجموعه دارد و به راحتی می‌تواند موقعیت خود را در این مجموعه تغییر دهد.

هنگامی که الکترونی از بیرون این مجموعه به این مجموعه اعمال شود (و به عبارتی بخواهد وارد آن شود) جای یک الکترون موجود را خواهد گرفت و در عوض یک الکترون مابه‌ازای خود را از سوی دیگر از مجموعه خارج خواهد کرد.

این گونه تصور کنید که هر گاه بر ردیفی از تیله‌های مماس با هم یک تیله خارجی ضربه وارد کند و در محل ورود ضربه در کنار بقیه تیله‌ها مستقر شود، ضربه به صورت آنی به انتهای دیگر ردیف تیله‌ها منتقل شده تیله‌ی انتهایی ردیف به بیرون پرت می‌شود. به این ترتیب گویا ضربه از طریق تیله‌ها هدایت شده است.

هدایت برق نیز در فلز به همین صورت انجام می‌شود. ضربه الکترون ورودی باعث اخراج الکترونی از انتهای دیگر فلز در سیم رابط می‌شود و به این ترتیب جریان الکتریکی به وجود می‌آید.

گرما نیز به همین طریق عمل می‌کند. یک ضربه گرمایی به الکترون یا اتم تحت ضربه وارد می‌شود و به همین طریقِ موج گونه ضربه به انتهای دیگر منتقل می‌شود و جنبش ذره‌ای به بیرون از سیستم هدایت می‌شود.

به همین خاطر معمولاً هدایت الکتریکی فلز و هدایت گرمایی آن با هم افزایش و کاهش می‌یابد. در واقع قانونی هم به نام قانون ویدمان – فرانتس در این زمینه وجود دارد. اما به نظر نمی‌رسد که این قانونی فراگیر باشد، زیرا اخیراً محققان موفق به کشف فلزی شدند که با وجود این‌که رسانای جریان الکتریسیته است، جریان حرارتی را از خود عبور نمی‌دهد. این خاصیت عجیب در درک رفتار رساناها بسیار مفید است.

در واقع، عملکرد این فلز با قانون ویدمان-فرانتس تناقض دارد. بنا بر این قانون، یک رسانای خوب جریان الکتریسیته، گرما را هم به‌خوبی از خود عبور می‌دهد. به همین دلیل وسایل برقی و لوازم خانگی در حین استفاده‌ی مکرر داغ می‌شوند.

با این حال، تیم پژوهشی‌ای در ایالات متحده به این نتیجه رسیده‌ است که فلز کشف ‌شده که همان دی‌اکسید وانادیوم (VO₂) است، از چنین روندی پیروی نمی‌کند. VO₂ ماده‌ای است که تا قبل از دمای ۶۷ درجه‌ی سانتی‌گراد عایق است؛ اما پس از آن خاصیت رسانایی پیدا می‌کند.

این نتیجه‌ی غافلگیرکننده، نه‌ تنها شناخت ما نسبت به رسانا‌ها را تغییر می‌دهد، بلکه می‌تواند کاربردهای فوق ‌العاده‌ای داشته باشد. چنین فلزی این قابلیت را دارد که گرمای اتلافی موتورها و لوازم برقی را به الکتریسیته تبدیل کند یا در صنعت ساختمان باعث خنک کردن محیط داخل شود.

منبع: Bidisha Mukherjee - ScienceStruck