전도체

물리학과 전기공학에서 전도체(電體, )는 전하의 흐름을 하나 이상의 방향으로 허용하는 물체 또는 물질의 한 종류입니다.금속으로 만들어진 물질은 일반적인 전기 도체입니다.음전하를 띤 전자의 흐름은 전류, 양전하를 띤 구멍, 양이온 또는 음이온을 발생시킵니다.

폐쇄된 전기 회로 내에서 전류가 흐르기 위해 하나의 하전 입자가 전류를 생성하는 구성 요소(전류 소스)에서 전류를 소비하는 구성 요소(부하)로 이동할 필요가 없습니다.대신에, 대전된 입자는 단지 이웃의 유한한 양을 밀기만 하면 되고, 이웃은 어떤 입자가 소비자 안으로 빨려 들어갈 때까지 계속해서 그 입자에 동력을 공급합니다.근본적으로 이동 통신사 간의 긴 모멘텀 전이가 발생하고 있습니다. 드루드(Drude) 모델은 이 프로세스를 더욱 엄격하게 설명합니다.이 운동량 전달 모델은 금속을 도체에 이상적인 선택으로 만듭니다. 특징적으로 금속은 전자가 충돌할 수 있을 만큼 충분한 이동성을 제공하여 운동량 전달에 영향을 주는 비국재화된 전자 바다를 가지고 있습니다.

위에서 논의한 바와 같이, 전자는 금속의 주요 이동체이지만, 배터리의 양이온 전해질 또는 연료 전지의 양성자 도체의 이동성 양성자와 같은 다른 장치는 양전하 캐리어에 의존합니다.절연체는 이동 전하가 거의 없는 비전도성 물질로 미미한 전류만 지원합니다.

저항 및 전도도

특정 도체의 저항은 재질과 치수에 따라 달라집니다.주어진 재료에 대해 저항은 단면적에 반비례합니다.^[1]예를 들어, 두꺼운 구리 와이어는 그렇지 않은 경우 동일한 얇은 구리 와이어보다 저항이 낮습니다.또한 주어진 재료의 경우 저항은 길이에 비례합니다. 예를 들어 긴 구리 와이어는 그렇지 않은 경우 동일한 짧은 구리 와이어보다 저항이 높습니다.따라서 균일한 단면의 도체의 저항 $R$ 과 도체 $G$ 는 다음과^[1] 같이 계산될 수 있습니다.

{\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell}{A}},\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell}}.\end{aligned}

여기서 ℓ $\ell$ 는 미터[m]로 측정된 도체의 길이, A는 제곱미터[m]로 측정된 도체의 단면적, σ(시그마)는 미터(S·m)당 지멘스 단위로 측정된 전기 전도도, ρ(rho)는 재료의 전기 저항률(특정 전기 저항이라고도 함)입니다.옴-미터( ω·m) 단위로 측정됩니다.저항률과 전도율은 비례 상수이므로 와이어의 기하학적 구조가 아닌 와이어로 구성된 재료에만 의존합니다.저항률과 전도율은 역수입니다: ρ = $\rho =1/\sigma$ / $\rho =1/\sigma$ σ ${\displaystyle \rho$ = $1/\$ sigma $}.$ 저항률은 전류에 저항하는 재료의 능력을 측정하는 것입니다.

이 공식은 정확하지 않습니다.이는 도체 내에서 전류 밀도가 완전히 균일하다고 가정하며, 실제 상황에서는 항상 그렇지 않습니다.그러나 이 공식은 와이어와 같은 긴 얇은 전도체에 대해 여전히 좋은 근사치를 제공합니다.

이 공식이 정확하지 않은 또 다른 상황은 교류(AC)의 경우입니다. 왜냐하면 피부 효과로 인해 도체의 중심 부근에서 전류 흐름이 억제되기 때문입니다.그러면 실제로 전류가 흐르는 유효 단면과 기하학적 단면이 달라 저항이 예상보다 높습니다.마찬가지로 두 도체가 교류 전류를 전달하는 서로 가까이 있으면 근접 효과로 인해 저항이 증가합니다.상용 전원 주파수에서 이러한 효과는 큰 전류를 전달하는 대형 도체(^[2]예: 변전소의 버스바) 또는 수백 암페어 이상을 전달하는 대형 전원 케이블에 매우 중요합니다.

전선의 기하학적 구조 외에도, 온도는 도체의 효율에도 상당한 영향을 미칩니다.온도는 도체에 크게 두 가지 방식으로 영향을 미치는데, 첫 번째는 열이 가해지면 재료가 팽창할 수 있다는 것입니다.재료가 팽창하는 양은 재료 고유의 열팽창 계수에 의해 결정됩니다.이러한 팽창(또는 수축)은 도체의 형상을 변화시키고 따라서 도체의 특성 저항을 변화시킵니다.그러나 이 효과는 일반적으로 10 정도로⁻⁶ 작습니다.온도가 상승하면 재료 내에서 발생하는 포논의 수도 증가합니다.포논은 본질적으로 물질의 원자들의 격자 진동, 또는 오히려 작고 조화로운 운동 운동입니다.핀볼 기계의 흔들림과 마찬가지로, 포논은 전자의 경로를 방해하여 전자가 흩어지게 하는 역할을 합니다.이러한 전자 산란은 전자 충돌의 수를 감소시킬 것이고 따라서 전달되는 전류의 총 양을 감소시킬 것입니다.

도체재료

재료.	ρ 20°C에서 [ω·m]	σ [20°C에서 S/m]
실버, Ag	1.59 x 10⁻⁸	6.30 x 10⁷
구리, Cu	1.68 x 10⁻⁸	5.96 x 10⁷
알루미늄, Al	2.82 x 10⁻⁸	3.50 x 10⁷

전도 물질에는 금속, 전해질, 초전도체, 반도체, 플라즈마 및 흑연 및 전도성 고분자와 같은 일부 비금속 도체가 포함됩니다.

구리는 높은 전도율을 가지고 있습니다.어닐드 구리는 다른 모든 전기 도체와 비교되는 국제 표준입니다. 국제 어닐드 구리 표준 전도도는 58MS/m이지만, 초순수 구리는 IACS의 101%를 약간 초과할 수 있습니다.건물용 와이어, 모터 권선, 케이블 및 버스 바와 같은 전기적 용도에 사용되는 구리의 주요 등급은 ETP(Electrolyte-Tough Pitch) 구리(CW004A 또는 ASTM 지정 C100140)입니다.고전도성 구리를 용접 또는 브레이징하거나 환원 분위기에서 사용해야 하는 경우에는 무산소 고전도성 구리(CW008A 또는 ASTM 명칭 C10100)를 사용할 수 있습니다.^[3]구리는 납땜이나 클램핑으로 연결하기 쉽기 때문에 대부분의 광 게이지 와이어에서 여전히 가장 일반적인 선택입니다.

은은 구리보다 전도성이 6% 더 높지만, 비용 때문에 실용적이지 못한 경우가 대부분입니다.그러나 인공위성과 같은 전문 장비와 고주파에서 피부 효과 손실을 완화하기 위한 얇은 도금으로 사용됩니다.유명하게도, 미국 재무부로부터 빌린 은 14,700톤(13,300톤)은 전시 구리 부족으로 인해 제2차 세계 대전 동안 칼루트론 자석을 만드는 데 사용되었습니다.

알루미늄 와이어는 전력 송배전에서 가장 일반적인 금속입니다.단면적 기준 구리 전도도의 61%에 불과하지만 밀도가 낮아 질량 기준으로 두 배의 전도도를 보입니다.알루미늄은 구리 중량의 약 1/3이기 때문에 대형 도체가 필요할 때 경제적인 이점이 상당합니다.

알루미늄 배선의 단점은 기계적, 화학적 특성에 있습니다.절연 산화물을 쉽게 형성하여 연결부가 뜨거워집니다.커넥터에 사용되는 황동 소재보다 열팽창 계수가 크기 때문에 연결부가 느슨해집니다.알루미늄은 하중을 받으면 천천히 변형되어 연결이 느슨해질 수도 있습니다.이러한 영향은 적합하게 설계된 커넥터와 설치에 대한 추가적인 주의로 완화될 수 있지만 서비스 저하 이후 알루미늄 빌딩 배선이 인기를 끌지 못하게 되었습니다.

탄소수 8, 수소수 18의 옥탄과 같은 유기 화합물은 전기를 전도할 수 없습니다.기름은 탄화수소인데, 탄소는 사중성의 성질을 가지고 있고 수소와 같은 다른 원소와 공유 결합을 형성하기 때문에 전자를 잃거나 얻지 않으므로 이온을 형성하지 않습니다.공유 결합은 단순히 전자를 공유하는 것입니다.따라서 전기를 통과시킬 때 이온의 분리가 발생하지 않습니다.공유 결합만을 가진 화합물로 만들어진 액체는 전기를 전도할 수 없습니다.대조적으로 어떤 유기 이온 액체는 전류를 전도할 수 있습니다.

순수한 물은 전기 전도체가 아니지만, 소금과 같은 이온성 불순물의 작은 부분도 빠르게 전도체로 변화시킬 수 있습니다.

전선크기

와이어는 단면적으로 측정됩니다.많은 나라에서, 그 크기는 제곱 밀리미터로 표현됩니다.북미에서, 도체들은 더 작은 것들은 미국의 와이어 게이지로 측정되고, 더 큰 것들은 원형 밀로 측정됩니다.

도체암페어용량

도체의 전류 용량, 즉 도체가 전달할 수 있는 전류의 양은 도체의 전기 저항과 관련이 있습니다. 저항이 낮은 도체는 더 많은 값의 전류를 전달할 수 있습니다.또한 저항은 도체가 구성된 재료(위에서 설명한 바와 같이)와 도체의 크기에 따라 결정됩니다.주어진 재료의 경우, 단면적이 큰 도체는 단면적이 작은 도체보다 저항이 적습니다.

베어 컨덕터의 경우 저항에 의해 손실된 전력이 컨덕터를 녹이는 지점이 최대 한계입니다.그러나 퓨즈를 제외한 실제 대부분의 도체는 이 한계보다 훨씬 낮은 수준으로 작동합니다.예를 들어 가정용 배선은 보통 약 60°C까지만 작동하도록 정격이 지정된 PVC 절연체로 절연되므로, 이러한 배선의 전류는 구리 도체를 60°C 이상으로 가열하지 않도록 제한되어 화재의 위험이 있습니다.테프론이나 섬유 유리와 같은 더 비싼 단열재는 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다.

등방성

만약 어떤 물질에 전기장이 인가되고 그로 인한 유도 전류가 같은 방향이라면, 그 물질은 등방성 전기 도체라고 합니다.결과적인 전류가 인가된 전기장과 다른 방향인 경우, 이 물질은 이방성 전기 도체라고 합니다.

참고 항목

유전율에 따른 재료 분류
$ε r ″ / ε'$	현재의 전도	들판 포교
0		완전 유전체 무손실 매체
≪ 1	전도도가 낮은 물질 서투른 지휘자	저손실 매체 좋은 유전체
≈ 1	전도성이 떨어지는 물질	손실 전파 매체
≫ 1	전도성이 높은 물질 훌륭한 지휘자	고손도매질 불량 유전체
∞	완벽한 지휘자

참고문헌

^ ^a ^b "Wire Sizes and Resistance" (PDF). Retrieved 2018-01-14.
^ Pink and Beaty, 전기 기술자 표준 핸드북 11판 17-19페이지
^ "High conductivity coppers (electrical)". Copper Development Association (U.K.). Archived from the original on 2013-07-20. Retrieved 2013-06-01.
^ "From Treasury Vault to the Manhattan Project" (PDF). American Scientist. Retrieved 2022-10-27.

추가열람

선구적이고 역사적인 책들

윌리엄 헨리 프리스.1883년 전기 도체에 관하여.
올리버 헤비사이드.전기 서류.맥밀런, 1894년

참고서

ASTM 표준 연차집: 전도체.미국 시험 재료 협회.(매년)
IET 배선 규정.엔지니어링 및 기술 연구소.wiringregulations.net

외부 링크

[:0-1] "Wire Sizes and Resistance" (PDF). Retrieved 2018-01-14.

[2] Pink and Beaty, 전기 기술자 표준 핸드북 11판 17-19페이지

[3] "High conductivity coppers (electrical)". Copper Development Association (U.K.). Archived from the original on 2013-07-20. Retrieved 2013-06-01.

[4] "From Treasury Vault to the Manhattan Project" (PDF). American Scientist. Retrieved 2022-10-27.

[1]

[2]

[3]

Search

전도체

네임스페이스

더

목차