جدول رسانایی الکتریکی و حرارتی فلزات مهم و پرکاربرد

فلزات از دیرباز به دلیل خواص فیزیکی و مکانیکی منحصربه‌فرد خود در صنایع مختلف مورداستفاده قرارگرفته‌اند. نمونه‌ای از ویژگی‌های کلیدی آن‌ها، توانایی بالای انتقال جریان الکتریسیته و گرما است. این دو خاصیت، که به ترتیب با عنوان رسانایی الکتریکی و رسانایی حرارتی شناخته می‌شوند، نقش مهمی در انتخاب فلزات برای کاربردهای صنعتی، الکترونیکی و مهندسی دارند. در این مقاله، به بررسی مهم‌ترین فلزات رسانا در قالب جدول رسانایی الکتریکی و حرارتی می‌پردازیم تا درک بهتری از این خواص بنیادی داشته باشیم.

رسانایی الکتریکی چیست؟

رسانایی الکتریکی یا Electrical Conductivity به قابلیت هدایت جریان الکتریکی مواد با اتلاف بسیار کم گفته می‌شود. رسانایی الکتریکی به تعداد الکترون‌های آزاد مواد و سهولت حرکت آن‌ها در حضور یک میدان الکتریکی بستگی دارد. به عبارتی، هرچه تعداد الکترون‌های آزاد بیشتر باشد و راحت‌تر بتوانند در ساختار ماده حرکت کنند، رسانایی الکتریکی بیشتر خواهد بود. الکترون‌های آزاد نیز به الکترون‌های موجود در بیرونی‌ترین لایه الکترونی یا لایه والانس مواد گفته می‌شود که به‌راحتی می‌توانند از اتم جدا شده و داخل ماده حرکت کنند.

واحد اندازه گیری رسانایی الکتریکی

رسانایی الکتریکی معکوس مقاومت الکتریکی است. واحد اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی در سیستم SI اهم (Ω) است و معکوس آن را زیمنس (S) می‌گویند که واحد اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی است.

البته در صنعت از واحد دیگری نیز برای اندازه‌گیری و مقایسه رسانایی الکتریکی مواد مختلف استفاده می‌شود که به‌اختصار IACS نام دارد. این واژه مخفف عبارت International Annealed Copper Standard است و برای مقایسه رسانایی مواد مختلف با مس خالص آنیل شده استفاده می‌شود. در این استاندارد، رسانایی الکتریکی مس خالص در حالت آنیل شده و دمای 20 درجه سانتی‌گراد 100 % IACS تعریف شده است که معادل 58 مگا زیمنس بر متر (MS/m) است.

به‌طور مثال، وقتی گفته می‌شود رسانایی یک ماده 50 % AICS است یعنی نصف رسانایی مس خالص را دارد.

رسانایی الکتریکی فلزات به ترتیب

رسانایی الکتریکی فلزات مهم و پرکاربرد به ترتیب از بیشترین به کمترین مقدار به شرح زیر است:

• رسانایی الکتریکی نقره معادل 62.1 مگا زیمنس بر متر یا 105 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی مس معادل 58 مگا زیمنس بر متر یا 100 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی طلا معادل 44.2 مگا زیمنس بر متر یا 76 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی آلومینیوم معادل 37.7 مگا زیمنس بر متر یا 65 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی کلسیم معادل 28.2 مگا زیمنس بر متر یا 54 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی بریلیم معادل 25 مگا زیمنس بر متر یا 48 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی رودیوم معادل 22.3 مگا زیمنس بر متر یا 43 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی منیزیم معادل 21.5 مگا زیمنس بر متر یا 41 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی مولیبدن معادل 19.1 مگا زیمنس بر متر یا 37 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی تنگستن معادل 18.2 مگا زیمنس بر متر یا 35 درصد IACS
• رسانایی الکتریکی روی معادل 16.8 مگا زیمنس بر متر یا 32 درصد IACS

با اینکه نقره بیشترین رسانایی الکتریکی را در بین فلزات دارد اما به دلیل قیمت بالا، از مس در صنایع برق و الکترونیک استفاده می‌شود. مس و آلیاژهای آن هدایت الکتریکی بسیار خوبی داشته و قابلیت شکل‌پذیری مطلوبی نیز دارند. مجموعه این خواص به همراه قیمت مناسب آن‌ها را به انتخاب اول برای مصارف هدایت الکتریکی بدل کرده است. با خواص مس و آلیاژهای آن به‌طور دقیق‌تر در مقاله تفاوت مس و برنج و برنز آشنا شوید.

جدول رسانایی الکتریکی فلزات

جدول رسانایی الکتریکی فلزات مرجع مناسبی برای مقایسه هدایت الکتریکی فلزات و آلیاژهای مختلف است. در ادامه جدول رسانایی الکتریکی مهم‌ترین فلزات و آلیاژها که کاربرد گسترده‌ای در صنعت دارند آورده شده است. به‌منظور آشنایی با انواع فلزات رایج در صنعت و مشخصات آن‌ها به مقاله جدول انواع فلزات مراجعه نمایید.

رسانایی حرارتی یا هدایت حرارتی چیست؟

رسانایی حرارتی یا Thermal Conductivity به قابلیت مواد در انتقال گرما گفته می‌شود. به‌صورت مهندسی نیز می‌توان رسانایی حرارتی را به‌صورت میزان انتقال حرارت از یک قسمت داغ به یک قسمت سرد در یک ماده به ازای یک گرادیان دمایی مشخص تعریف کرد. واحد اندازه‌گیری رسانایی حرارتی وات بر متر کلوین (W/m·K) است.

انواع روش‌ های هدایت حرارتی

هدایت حرارتی به سه روش قابل انجام است که عبارت‌اند از:

• رسانش یا Conduction: انرژی حرارتی از طریق برخورد ذرات (مانند اتم‌ها، مولکول‌ها یا الکترون‌ها) در یک ماده منتقل می‌شود، بدون اینکه ماده به‌طور قابل‌توجهی جابه‌جا شود.
• همرفت یا Convection: زمانی رخ می‌دهد که حرارت از طریق حرکت فیزیکی سیال (مایع یا گاز) انتقال یابد. این فرآیند ترکیبی از رسانش و جابه‌جایی سیال است.
• تابش یا Radiation: انتقال انرژی از طریق امواج الکترومغناطیسی (عمدتاً مادون‌قرمز) است و نیازی به محیط مادی ندارد (برخلاف رسانش و همرفت)

رسانایی حرارتی برخی فلزات به ترتیب

رسانایی حرارتی مهم‌ترین فلزات به ترتیب از بیشترین به کمترین مقدار به شرح زیر است:

• هدایت حرارتی نقره 429 W/m.K
• هدایت حرارتی مس 398 W/m.K
• هدایت حرارتی طلا 315 W/m.K
• هدایت حرارتی آلومینیوم 237 W/m.K
• هدایت حرارتی برنج 120–160 W/m.K
• هدایت حرارتی روی 116 W/m.K
• هدایت حرارتی نیکل 90.9 W/m.K
• هدایت حرارتی آهن 80.4 W/m.K
• هدایت حرارتی فولاد کم‌کربن 50–60 W/m.K

جدول رسانایی حرارتی فلزات

در جدول زیر، رسانایی حرارتی اغلب فلزات و آلیاژهای رایج مهندسی که کاربرد بیشتری در صنعت دارند آورده شده است.

آیا بین رسانایی الکتریکی و حرارتی ارتباطی وجود دارد؟

ارتباط بین رسانایی الکتریکی و رسانایی حرارتی مواد توسط قانون ویدمان- فرانتس تعیین می‌شود. این قانون بیان می‌کند که نسبت رسانایی حرارتی به رسانایی الکتریکی در بیشتر فلزات تقریباً ثابت است و به دمای مطلق بستگی دارد.

در فلزات، الکترون‌های آزاد مسئول هر دو نوع رسانایی الکتریکی و حرارتی هستند. الکترون‌هایی که بار الکتریکی را حمل می‌کنند، هم‌زمان می‌توانند انرژی حرارتی را نیز انتقال دهند. به همین دلیل، فلزاتی مانند نقره، مس و طلا که رسانایی الکتریکی بالایی دارند، رسانایی حرارتی بالایی نیز دارند.

در مواد غیرفلزی مانند عایق‌ها و نیمه‌هادی‌ها، رسانایی حرارتی بیشتر وابسته به ارتعاشات شبکه (فونون‌ها) است و چون الکترون‌های آزاد نقش چندانی در این مواد ندارند، قانون ویدمان- فرانتس دیگر به‌خوبی برای آن‌ها برقرار نیست.

سؤالات متداول

1- رسانایی الکتریکی مواد مختلف به چه عواملی بستگی دارد؟

نوع ماده (فلز، نیمه‌هادی و عایق)، دما (افزایش دما موجب کاهش رسانایی می‌شود)، ناخالصی‌ها، ساختار کریستالی و میدان الکتریکی خارجی عوامل مؤثر بر رسانایی الکتریکی هستند.

2- عوامل مؤثر بر رسانایی حرارتی کدام‌اند؟

نوع ماده (فلزات رسانای حرارتی بهتری هستند)، دما (افزایش دما باعث کاهش رسانایی حرارتی می‌شود)، ساختار کریستالی، ناخالصی‌ها، چگالی (چگالی بالاتر موجب رسانایی بهتر می‌شود) و ترکیب شیمیایی عوامل مؤثر بر رسانایی حرارتی هستند.

3- فلزات با بیشترین رسانایی الکتریکی و حرارتی کدام‌اند؟

نقره، مس و طلا سه فلز با بیشترین هدایت الکتریکی و حرارتی هستند.

4- رابطه رسانایی الکتریکی و حرارتی چیست؟

ارتباط بین رسانایی الکتریکی و رسانایی حرارتی مواد توسط قانون ویدمان- فرانتس تعیین می‌شود و به دمای مطلق بستگی دارد.