الموصلية: التعريف | المعادلات | القياسات | التطبيقات
الموصلية الكهربائيةإن الطاقة الشمسية هي أكثر من مجرد مفهوم مجرد؛ فهي العمود الفقري الأساسي لعالمنا المترابط، الذي يغذي كل شيء بصمت، بدءًا من أحدث الأجهزة الإلكترونية في يدك وحتى شبكات توزيع الطاقة الضخمة التي تضيء مدننا.
بالنسبة للمهندسين والفيزيائيين وعلماء المواد، أو أي شخص يسعى لفهم سلوك المادة فهمًا حقيقيًا، فإن إتقان الموصلية أمرٌ لا غنى عنه. لا يقدم هذا الدليل المتعمق تعريفًا دقيقًا للموصلية فحسب، بل يُبرز أيضًا أهميتها البالغة، ويستكشف العوامل المؤثرة عليها، ويُسلّط الضوء على تطبيقاتها المتطورة في مجالات متنوعة مثل أشباه الموصلات، وعلوم المواد، والطاقة المتجددة. انقر هنا لاستكشاف كيف يُمكن لفهم هذه الخاصية الأساسية أن يُحدث ثورةً في معرفتك بعالم الكهرباء.
جدول المحتويات:
2. العوامل المؤثرة على الموصلية
4. كيفية قياس الموصلية: المعادلات
5. الأدوات المستخدمة لقياس الموصلية
ما هي الموصلية؟
الموصلية الكهربائية (σ) هي خاصية فيزيائية أساسية تقيس قدرة المادة على دعم تدفق التيار الكهربائيفي جوهرها، تُحدد هذه الخاصية مدى سهولة انتقال حاملات الشحنة، وخاصةً الإلكترونات الحرة في المعادن، عبر مادة ما. تُشكل هذه الخاصية الأساسية أساسًا متينًا لتطبيقات لا حصر لها، بدءًا من المعالجات الدقيقة ووصولًا إلى البنية التحتية للطاقة البلدية.
كجزء متبادل من الموصلية، المقاومة الكهربائية (ρ) هو معارضة تدفق التيار. لذلك،المقاومة المنخفضة تتوافق مباشرة مع الموصلية العالية. الوحدة الدولية القياسية لهذا القياس هي سيمنز لكل متر (س/م)، على الرغم من ملي سيمنز لكل سنتيمتر (ملي سيمنز/سم) يستخدم عادة في التحليل الكيميائي والبيئي.
الموصلية مقابل المقاومة: الموصلات مقابل العوازل
تُصنف المواد كموصلات بفضل الموصلية الاستثنائية (σ)، بينما تجعلها المقاومة الكهربائية العالية (ρ) عازلة مثالية. وينبع التباين الكبير في موصلية المواد من التفاوت في توفر حاملات الشحنة المتحركة.
الموصلية العالية (الموصلات)
تتميز معادن مثل النحاس والألومنيوم بموصلية كهربائية عالية جدًا. ويعود ذلك إلى بنيتها الذرية، التي تتميز ببحر هائل من إلكترونات التكافؤ سهلة الحركة، والتي لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالذرات الفردية. هذه الخاصية تجعلها لا غنى عنها في الأسلاك الكهربائية، وخطوط نقل الطاقة، ومسارات الدوائر عالية التردد.
إذا كنت حريصًا على معرفة المزيد عن توصيل المواد للكهرباء، فلا تتردد في قراءة المنشور الذي يركز على الكشف عن توصيل الكهرباء لجميع المواد في حياتك.
الموصلية المنخفضة (العوازل)
تُعرف مواد مثل المطاط والزجاج والسيراميك بالعوازل. فهي تحتوي على عدد قليل جدًا من الإلكترونات الحرة، أو لا تحتوي عليها على الإطلاق، مما يجعلها مقاومة بشدة لمرور التيار الكهربائي. هذه الخاصية تجعلها ضرورية للسلامة والعزل ومنع حدوث قصر في الدوائر الكهربائية في جميع الأنظمة الكهربائية.
العوامل المؤثرة على الموصلية
الموصلية الكهربائية خاصية أساسية في المواد، ولكنها، خلافًا للاعتقاد الخاطئ الشائع، ليست ثابتة. تتأثر قدرة المادة على توصيل التيار الكهربائي بشكل كبير ومتوقع بمتغيرات البيئة الخارجية والهندسة التركيبية الدقيقة. ويشكل فهم هذه العوامل أساس تقنيات الإلكترونيات والاستشعار والطاقة الحديثة.
1. كيف تؤثر العوامل الخارجية على الموصلية
تُمارس البيئة المباشرة للمادة تحكمًا كبيرًا في حركة حاملات الشحنة (عادةً الإلكترونات أو الفجوات). لنستكشفها بالتفصيل:
1. التأثيرات الحرارية: تأثير درجة الحرارة
ربما تكون درجة الحرارة هي المعدل الأكثر عالمية للمقاومة والتوصيل الكهربائي.
بالنسبة للغالبية العظمى من المعادن النقية،تنخفض الموصلية مع ارتفاع درجة الحرارةتُسبب الطاقة الحرارية اهتزاز ذرات المعدن (الشبكة البلورية) بسعة أكبر، وبالتالي، تزيد هذه الاهتزازات الشبكية المكثفة (أو الفونونات) من وتيرة التشتت، مما يُعيق التدفق السلس لإلكترونات التكافؤ. تُفسر هذه الظاهرة سبب فقدان الطاقة بسبب ارتفاع درجة حرارة الأسلاك.
على العكس من ذلك، في أشباه الموصلات والعوازل، تزداد الموصلية بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة. تُثير الطاقة الحرارية المضافة الإلكترونات من نطاق التكافؤ عبر فجوة النطاق إلى نطاق التوصيل، مما يُنتج عددًا أكبر من حاملات الشحنة المتحركة ويُخفض المقاومة الكهربائية بشكل ملحوظ.
2. الإجهاد الميكانيكي: دور الضغط والانفعال
إن تطبيق الضغط الميكانيكي يمكن أن يؤدي إلى تغيير التباعد الذري والبنية البلورية للمادة، مما يؤثر بدوره على الموصلية، وهذه ظاهرة بالغة الأهمية في أجهزة الاستشعار المقاومة للضغط.
في بعض المواد، تجبر الضغوط الانضغاطية الذرات على التقارب مع بعضها البعض، مما يعزز تداخل المدارات الإلكترونية ويجعل حركة حاملات الشحنة أسهل، وبالتالي زيادة الموصلية.
في مواد مثل السيليكون، يُمكن للتمدد (الشد) أو الضغط (الانضغاط) إعادة ترتيب نطاقات طاقة الإلكترونات، مما يُغيّر الكتلة الفعالة وحركة حاملات الشحنة. يُستَخدَم هذا التأثير الدقيق في مقاييس الانفعال ومُحوِّلات الضغط.
2. كيف تؤثر الشوائب على الموصلية
في مجال فيزياء الحالة الصلبة والإلكترونيات الدقيقة، يتم تحقيق السيطرة النهائية على الخصائص الكهربائية من خلال الهندسة التركيبية، وفي المقام الأول عن طريق المنشطات.
التنشيط هو إدخال كميات ضئيلة من ذرات شوائب محددة (تقاس عادة بأجزاء في المليون) تحت سيطرة شديدة إلى مادة أساسية نقية للغاية، مثل السيليكون أو الجرمانيوم.
لا تقوم هذه العملية بتغيير الموصلية فحسب؛ بل إنها تقوم بشكل أساسي بتعديل نوع الناقل للمادة وتركيزها لإنشاء سلوك كهربائي غير متماثل يمكن التنبؤ به، وهو أمر ضروري للحوسبة:
المنشطات من النوع N (سلبية)
إدخال عنصر يحتوي على إلكترونات تكافؤ أكثر (مثل الفوسفور أو الزرنيخ، اللذان يحتويان على 5 إلكترونات) من المادة المضيفة (مثل السيليكون، الذي يحتوي على 4 إلكترونات). يُمنح الإلكترون الإضافي بسهولة إلى نطاق التوصيل، مما يجعله حامل الشحنة الأساسي.
المنشطات من النوع P (إيجابية)
إدخال عنصر ذي إلكترونات تكافؤ أقل (مثل البورون أو الغاليوم، اللذان يحتويان على 3 إلكترونات تكافؤ). يُحدث هذا فراغًا إلكترونيًا، أو "فجوة"، يعمل كحامل شحنة موجبة.
إن القدرة على التحكم الدقيق في الموصلية من خلال المنشطات هي محرك العصر الرقمي:
بالنسبة لأجهزة أشباه الموصلات، يتم استخدامه لتشكيلp-nالوصلات، وهي المناطق النشطة في الثنائيات والترانزستورات، والتي تسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد فقط وتعمل كعناصر تبديل أساسية في الدوائر المتكاملة (ICs).
بالنسبة للأجهزة الحرارية الكهربائية، يعد التحكم في الموصلية أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق التوازن بين الحاجة إلى التوصيل الكهربائي الجيد (لتحريك الشحنة) والتوصيل الحراري الضعيف (للحفاظ على تدرج درجة الحرارة) في المواد المستخدمة لتوليد الطاقة والتبريد.
من منظور الاستشعار المتقدم، يمكن تطعيم المواد أو تعديلها كيميائيًا لإنشاء مقاومات كيميائية، والتي تتغير موصليتها بشكل كبير عند الارتباط بغازات أو جزيئات محددة، مما يشكل الأساس لأجهزة استشعار كيميائية شديدة الحساسية.
يظل فهم الموصلية والتحكم فيها بدقة أمرًا بالغ الأهمية لتطوير تقنيات الجيل التالي، وضمان الأداء الأمثل، وتعظيم الكفاءة في كل قطاع تقريبًا من قطاعات العلوم والهندسة.
وحدات التوصيل
وحدة القياس القياسية في النظام الدولي للوحدات (SI) للتوصيل هي سيمنز لكل متر (S/m). ومع ذلك، في معظم البيئات الصناعية والمختبرية، تُعدّ سيمنز لكل سنتيمتر (S/cm) الوحدة الأساسية الأكثر شيوعًا. ولأن قيم التوصيل قد تمتد إلى عدة درجات، يُعبّر عن القياسات عادةً باستخدام البادئات:
1. يتم استخدام ميكرو سيمنز لكل سنتيمتر (mS/cm) للسوائل ذات الموصلية المنخفضة مثل الماء منزوع الأيونات أو التناضح العكسي (RO).
2. ملي سيمنز لكل سنتيمتر (mS/cm) هو أمر شائع في مياه الصنبور أو مياه العمليات أو المحاليل قليلة الملوحة(1 مللي سيمنز/سم = 1000 ميكرو سيمنز/سم).
3. ديسي سيمنز لكل متر (dS/m) يستخدم عادة في الزراعة ويعادل mS/cm (1 dS/m = 1 mS/cm).
كيفية قياس الموصلية: المعادلات
Aمقياس الموصليةلا يقيس الموصلية مباشرةً. بل يقيس الموصلية (بوحدة سيمنز) ثم يحسب الموصلية باستخدام ثابت الخلية (K) الخاص بالمستشعر. هذا الثابت (بوحدات السنتيمتر)-1) هي خاصية فيزيائية لهندسة المستشعر. حساب قلب الجهاز هو:
الموصلية (S/cm) = الموصلية المقاسة (S) × ثابت الخلية (K، بالسنتيمتر⁻¹)
تعتمد الطريقة المُستخدمة للحصول على هذا القياس على التطبيق المُستخدم. الطريقة الأكثر شيوعًا هي استخدام مُستشعرات التلامس (قياس الجهد)، والتي تستخدم أقطابًا كهربائية (غالبًا من الجرافيت أو الفولاذ المقاوم للصدأ) مُلامسة للسائل مباشرةً. يُعد التصميم البسيط ذو القطبين فعالًا في التطبيقات منخفضة التوصيل، مثل الماء النقي. أما الأكثر تقدمًا، فهو مُستشعرات 4-القطب الكهربائيأجهزة الاستشعاريمددقة عالية عبر نطاق أوسع بكثير وأقل عرضة للأخطاء الناجمة عن تلوث الأقطاب الكهربائية بشكل معتدل.
في المحاليل القاسية أو المسببة للتآكل أو شديدة التوصيل، حيث قد تتآكل الأقطاب الكهربائية أو تتسخ، تُستخدم المستشعرات الحثية (الحلقية). تتميز هذه المستشعرات غير التلامسية بملفين ملفوفين بسلك مغلفين ببوليمر متين. يُحفّز أحد الملفين حلقة تيار كهربائي في المحلول، بينما يقيس الملف الثاني شدة هذا التيار، والذي يتناسب طرديًا مع موصلية السائل. يتميز هذا التصميم بمتانته الفائقة، حيث لا يتعرض أي جزء معدني لهذه العملية.
قياسات الموصلية ودرجة الحرارة
تعتمد قياسات الموصلية بشكل كبير على درجة الحرارة. فمع ارتفاع درجة حرارة السائل، تصبح أيوناته أكثر حركة، مما يؤدي إلى ارتفاع الموصلية المقاسة (غالبًا بنسبة 2% تقريبًا لكل درجة مئوية). ولضمان دقة القياسات وقابليتها للمقارنة، يجب معايرة هذه القياسات وفقًا لدرجة حرارة مرجعية قياسية، وهي درجة حرارة عالمية.25 درجة مئوية.
تؤدي أجهزة قياس الموصلية الحديثة هذا التصحيح تلقائيًا باستخداممدمجدرجة حرارةجهاز استشعار. تطبق هذه العملية، المعروفة باسم التعويض التلقائي لدرجة الحرارة (ATC)، خوارزمية تصحيح (مثل الصيغة الخطيةG 25 = G_t/[1+α(T-25)]) للإبلاغ عن الموصلية كما لو تم قياسها عند 25 درجة مئوية.
أين:
G₂₅= الموصلية المصححة عند 25 درجة مئوية؛
ج_ت= الموصلية الخام المقاسة عند درجة حرارة العمليةT;
T= درجة حرارة العملية المقاسة (بالدرجة المئوية)؛
ألفا (α)= معامل درجة حرارة المحلول (على سبيل المثال، 0.0191 أو 1.91%/°C لمحاليل كلوريد الصوديوم).
قياس الموصلية باستخدام قانون أوم
قانون أوم، وهو حجر الأساس في علم الكهرباء، يوفر إطارًا عمليًا لقياس الموصلية الكهربائية للمادة (σ). هذا المبدأينشئ الارتباط المباشر بين الجهد (V) والتيار (I) والمقاومة (R)من خلال توسيع هذا القانون ليشمل الهندسة الفيزيائية للمادة، يمكن استنتاج موصليتها الجوهرية.
الخطوة الأولى هي تطبيق قانون أوم (R = V/I) على عينة مادة محددة. يتطلب ذلك إجراء قياسين دقيقين: الجهد المطبق على العينة والتيار المار فيها نتيجة لذلك. تُحسب المقاومة الكهربائية الكلية للعينة بنسب هاتين القيمتين. مع ذلك، ترتبط هذه المقاومة المحسوبة بحجم العينة وشكلها. لتطبيع هذه القيمة وتحديد الموصلية الكامنة للمادة، يجب مراعاة أبعادها الفيزيائية.
العاملان الهندسيان الحاسمان هما طول العينة (L) ومساحة مقطعها العرضي (A). يُدمج هذان العنصران في صيغة واحدة: σ = L / (R^A).
تُحوّل هذه المعادلة بفعالية الخاصية الخارجية القابلة للقياس للمقاومة إلى الخاصية الجوهرية الجوهرية للتوصيل. من الضروري إدراك أن دقة الحساب النهائي تعتمد بشكل مباشر على جودة البيانات الأولية. أي أخطاء تجريبية في قياس V أو I أو L أو A ستؤثر سلبًا على صحة التوصيل المحسوب.
الأدوات المستخدمة لقياس الموصلية
في التحكم بالعمليات الصناعية، ومعالجة المياه، والتصنيع الكيميائي، لا تُعدّ الموصلية الكهربائية مجرد قياس سلبي؛ بل هي معيار تحكم أساسي. ولا يتأتى الحصول على بيانات دقيقة وقابلة للتكرار من أداة واحدة متعددة الاستخدامات، بل يتطلب بناء نظام متكامل ومتوافق، حيث يُختار كل مكون لأداء مهمة محددة.
يتكون نظام التوصيل القوي من جزأين رئيسيين: وحدة التحكم (الدماغ) والمستشعر (الحواس)، وكلاهما يجب أن يكون مدعومًا بالمعايرة والتعويض المناسبين.
1. النواة: وحدة التحكم في الموصلية
المحور المركزي للنظام هوالمتصلوحدة تحكم الموصلية، الذي يتجاوز مجرد عرض قيمة. يعمل هذا المتحكم بمثابة "العقل"، فيشغّل المستشعر، ويعالج الإشارة الخام، ويجعل البيانات مفيدة. تشمل وظائفه الرئيسية ما يلي:
① التعويض التلقائي لدرجة الحرارة (ATC)
الموصلية حساسة للغاية لدرجة الحرارة. وحدة تحكم صناعية، مثلسوب-تي دي إس 210-بيأو العالية الدقةSUP-EC8.0يستخدم جهازًا مدمجًا لقياس درجة الحرارة لتصحيح كل قراءة تلقائيًا إلى معيار 25 درجة مئوية. هذا ضروري للدقة.
② المخرجات والإنذارات
تقوم هذه الوحدات بترجمة القياس إلى إشارة 4-20 مللي أمبير لجهاز PLC، أو تشغيل مرحلات للإنذارات والتحكم في مضخة الجرعات.
③ واجهة المعايرة
تم تكوين وحدة التحكم بواجهة برمجية لإجراء معايرات منتظمة وبسيطة.
2. اختيار المستشعر المناسب
الجزء الأكثر أهمية هو اختيار المستشعر (أو المسبار)، إذ يجب أن تتوافق تقنيته مع خصائص السائل. يُعدّ استخدام المستشعر الخاطئ السبب الرئيسي لفشل القياس.
للمياه النقية وأنظمة التناضح العكسي (موصلية منخفضة)
في تطبيقات مثل التناضح العكسي، أو الماء منزوع الأيونات، أو مياه تغذية الغلايات، يحتوي السائل على عدد قليل جدًا من الأيونات. هنا، مستشعر توصيل ثنائي القطب (مثلالسوب-TDS7001) هو الاختيار الأمثلtoيقيسموصلية الماءيوفر تصميمه حساسية ودقة عالية عند مستويات التوصيل المنخفضة هذه.
للأغراض العامة ومياه الصرف الصحي (الموصلية المتوسطة إلى العالية)
في المحاليل الملوثة، التي تحتوي على مواد صلبة عالقة أو ذات نطاق قياس واسع (مثل مياه الصرف الصحي، أو مياه الصنبور، أو أجهزة الرصد البيئي)، تكون المستشعرات عرضة للتلوث. في هذه الحالة، يُستخدم مستشعر توصيل رباعي الأقطاب مثلالسوب-TDS7002 هو الحل الأمثل. هذا التصميم أقل تأثرًا بالتراكم على أسطح الأقطاب الكهربائية، مما يوفر قراءة أوسع وأكثر استقرارًا وموثوقية في ظروف متغيرة.
للمواد الكيميائية القاسية والصلبة (العدوانية وذات الموصلية العالية)
عند قياس مواد كيميائية عدوانية، مثل الأحماض والقواعد أو المواد الكاشطة، تتآكل الأقطاب الكهربائية المعدنية التقليدية وتتلف بسرعة. الحل هو مستشعر توصيل حثي (حلقي) غير تلامسي، مثلالسوب-TDS6012يستخدم هذا المستشعر ملفين مغلفين لتوليد وقياس تيار في السائل دون ملامسة أي جزء منه. هذا يجعله محصنًا ضد التآكل والاتساخ والتلف.
3. العملية: ضمان الدقة على المدى الطويل
يتم الحفاظ على موثوقية النظام من خلال عملية أساسية واحدة: المعايرة. يجب فحص وحدة التحكم والمستشعر، مهما كانا متقدمين، وفقًا لمعايير محددة.معروفمرجعحل(معيار توصيل) لضمان الدقة. تُعوّض هذه العملية أي انحراف طفيف أو تآكل في المستشعر بمرور الوقت. وحدة تحكم جيدة، مثلالSUP-TDS210-C، مما يجعل هذا الإجراء بسيطًا ويعتمد على القائمة.
يتطلب تحقيق قياس دقيق للموصلية تصميم نظام ذكي. ويتطلب ذلك مطابقة وحدة تحكم ذكية مع تقنية استشعار مصممة خصيصًا لتطبيقك.
ما هي أفضل مادة لتوصيل الكهرباء؟
أفضل مادة لتوصيل الكهرباء هي الفضة النقية (Ag)، التي تتميز بأعلى موصلية كهربائية بين جميع العناصر. إلا أن تكلفتها العالية وميلها للتأكسد يحدّان من انتشار استخدامها. أما النحاس (Cu) فهو المعيار لمعظم الاستخدامات العملية، إذ يوفر ثاني أفضل موصلية بتكلفة أقل بكثير، بالإضافة إلى كونه شديد اللدونة، مما يجعله مثاليًا للأسلاك والمحركات والمحولات.
وعلى العكس من ذلك، فإن الذهب (Au)، على الرغم من كونه أقل توصيلًا من الفضة والنحاس، يعد حيويًا في الإلكترونيات للاتصالات الحساسة ذات الجهد المنخفض لأنه يمتلك مقاومة فائقة للتآكل (الخمول الكيميائي)، مما يمنع تدهور الإشارة بمرور الوقت.
وأخيرا، يتم استخدام الألومنيوم (Al) في خطوط النقل الطويلة المدى ذات الجهد العالي لأن وزنه الأخف وتكلفته المنخفضة توفر مزايا كبيرة، على الرغم من موصليته المنخفضة من حيث الحجم مقارنة بالنحاس.
تطبيقات الموصلية
نظراً لقدرة المادة الجوهرية على نقل التيار الكهربائي، تُعدّ الموصلية الكهربائية خاصيةً أساسيةً تُحرّك التكنولوجيا. وتمتد تطبيقاتها لتشمل كل شيء، من البنية التحتية للطاقة واسعة النطاق إلى الإلكترونيات الدقيقة ومراقبة البيئة. فيما يلي أهم تطبيقاتها التي تُعدّ هذه الخاصية أساسية فيها:
الطاقة والإلكترونيات والتصنيع
تشكل الموصلية العالية الأساس لعالمنا الكهربائي، في حين أن الموصلية المتحكم بها تشكل أهمية بالغة للعمليات الصناعية.
نقل الطاقة والأسلاك
المواد عالية التوصيل، مثل النحاس والألومنيوم، هي المعيار في الأسلاك الكهربائية وخطوط الطاقة طويلة المدى. وتُقلل مقاومتها المنخفضة من...2خسائر التدفئة R (جول)، مما يضمن نقل الطاقة بكفاءة.
الإلكترونيات وأشباه الموصلات
على المستوى المجهري، تُشكّل المسارات الموصلة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) والموصلات مسارات الإشارات. في أشباه الموصلات، يتم التلاعب بموصلية السيليكون بدقة (تطعيمها) لإنشاء الترانزستورات، التي تُشكّل أساس جميع الدوائر المتكاملة الحديثة.
الكيمياء الكهربائية
يعتمد هذا المجال على التوصيل الأيوني للإلكتروليتات. ويُعدّ هذا المبدأ أساس البطاريات وخلايا الوقود والعمليات الصناعية مثل الطلاء الكهربائي وتكرير المعادن وإنتاج الكلور.
المواد المركبة
تُضاف مواد مالئة موصلة (مثل ألياف الكربون أو المعدن) إلى البوليمرات لتكوين مركبات ذات خصائص كهربائية محددة. تُستخدم هذه المواد في الحماية الكهرومغناطيسية (EMI) لحماية الأجهزة الحساسة، وللحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) في التصنيع.
المراقبة والقياس والتشخيص
يعد قياس الموصلية أمرًا بالغ الأهمية مثل الخاصية نفسها، حيث يعمل كأداة تحليلية قوية.
مراقبة جودة المياه والبيئة
يُعد قياس الموصلية طريقةً أساسيةً لتقييم نقاء الماء وملوحته. بما أن المواد الصلبة الأيونية المذابة (TDS) زيادة التوصيل بشكل مباشر، ويتم استخدام أجهزة الاستشعار لمراقبة مياه الشرب،يديرمياه الصرف الصحيعلاج، وتقييم صحة التربة في الزراعة.
التشخيص الطبي
يعتمد جسم الإنسان على الإشارات الكهربائية الحيوية. وتعمل التقنيات الطبية، مثل تخطيط كهربية القلب (ECG) وتخطيط كهربية الدماغ (EEG)، على قياس التيارات الكهربائية الدقيقة التي تنقلها الأيونات في الجسم، مما يسمح بتشخيص أمراض القلب والجهاز العصبي.
أجهزة استشعار التحكم في العمليات
في الكيمياءوطعامتصنيعتُستخدم مستشعرات التوصيل لمراقبة العمليات آنيًا. يمكنها اكتشاف تغيرات التركيز، وتحديد الواجهات بين السوائل المختلفة (مثلًا في أنظمة التنظيف في الموقع)، أو التحذير من الشوائب والتلوث.
الأسئلة الشائعة
س1: ما هو الفرق بين الموصلية والمقاومة؟
ج: الموصلية (σ) هي قدرة المادة على تمرير التيار الكهربائي، وتُقاس بوحدة سيمنز لكل متر (S/m). المقاومة (ρ) هي قدرتها على مقاومة التيار، وتُقاس بوحدة أوم-متر (Ω⋅m). وهما مقلوبان رياضيان مباشران (σ=1/ρ).
س2: لماذا تتمتع المعادن بموصلية عالية؟
ج: تستخدم المعادن رابطة معدنية، حيث لا ترتبط إلكترونات التكافؤ بأي ذرة. هذا يُشكّل "بحرًا من الإلكترونات" غير متمركز يتحرك بحرية عبر المادة، مُولّدًا تيارًا بسهولة عند تطبيق جهد كهربائي.
س3: هل يمكن تغيير الموصلية؟
ج: نعم، الموصلية حساسة للغاية للظروف الخارجية. العوامل الأكثر شيوعًا هي درجة الحرارة (ارتفاع درجات الحرارة يقلل الموصلية في المعادن ولكنه يزيدها في الماء) ووجود الشوائب (التي تُعطل تدفق الإلكترونات في المعادن أو تُضيف أيونات إلى الماء).
س4: ما الذي يجعل المواد مثل المطاط والزجاج عوازل جيدة؟
ج: تتميز هذه المواد بروابط تساهمية أو أيونية قوية، حيث تكون جميع إلكترونات التكافؤ مترابطة بإحكام. ومع عدم وجود إلكترونات حرة، لا يمكنها دعم التيار الكهربائي. ويُعرف هذا بـ"فجوة نطاق الطاقة" الكبيرة جدًا.
س5: كيف يتم قياس الموصلية في الماء؟
ج: يقيس جهاز قياس التوصيل الأيوني للأملاح المذابة. يُطبّق مسباره جهدًا تيارًا مترددًا على الماء، مما يُؤدي إلى تحرك الأيونات المذابة (مثل Na+ أو Cl−) وتوليد تيار. يقيس الجهاز هذا التيار، ويُصحّح درجة الحرارة تلقائيًا، ويستخدم "ثابت الخلية" في المستشعر للإبلاغ عن القيمة النهائية (عادةً بوحدة ميكرو سيمز/سم).
وقت النشر: ٢٤ أكتوبر ٢٠٢٥