Ηλεκτρική αγωγιμότητα ουσιών

Σε αυτό το άρθρο, θα αποκαλύψουμε το θέμα της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, θα θυμηθούμε τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα, πώς σχετίζεται με την αντίσταση ενός αγωγού και, κατά συνέπεια, με την ηλεκτρική του αγωγιμότητα. Ας σημειώσουμε τους κύριους τύπους για τον υπολογισμό αυτών των ποσοτήτων, αγγίζοντας το θέμα τωρινή ταχύτητα και τη σχέση του με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Θα θίξουμε επίσης τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής αντίστασης και θερμοκρασίας.

Αρχικά, ας θυμηθούμε τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα. Εάν τοποθετήσετε μια ουσία σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, τότε υπό τη δράση των δυνάμεων από αυτό το πεδίο, η κίνηση των στοιχειωδών φορέων φορτίου - ιόντων ή ηλεκτρονίων - θα ξεκινήσει στην ουσία. Θα είναι ηλεκτροπληξία. Το ρεύμα I μετριέται σε αμπέρ, και ένα αμπέρ είναι το ρεύμα στο οποίο ένα φορτίο ίσο με ένα κουλόμπ ρέει μέσω της διατομής του σύρματος ανά δευτερόλεπτο.

Το ρεύμα είναι άμεσο, εναλλασσόμενο, παλλόμενο.Το συνεχές ρεύμα δεν αλλάζει το μέγεθος και την κατεύθυνσή του σε μια δεδομένη στιγμή, το εναλλασσόμενο ρεύμα αλλάζει το μέγεθος και την κατεύθυνσή του με την πάροδο του χρόνου (οι γεννήτριες και οι μετασχηματιστές AC δίνουν ακριβώς εναλλασσόμενο ρεύμα), το παλμικό ρεύμα αλλάζει το μέγεθός του αλλά δεν αλλάζει κατεύθυνση (π.χ. ανορθωμένο εναλλασσόμενο ρεύμα) . οι παλμοί ρεύματος).

Οι ουσίες τείνουν να διεξάγουν ηλεκτρικό ρεύμα υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου και αυτή η ιδιότητα ονομάζεται ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία είναι διαφορετική για διαφορετικές ουσίες.Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ουσιών εξαρτάται από τη συγκέντρωση των ελεύθερων φορτισμένων σωματιδίων σε αυτές, δηλαδή των ιόντων και ηλεκτρόνια που δεν είναι συνδεδεμένα ούτε με την κρυσταλλική δομή, ούτε με τα μόρια, ούτε με τα άτομα της δεδομένης ουσίας. Έτσι, ανάλογα με τη συγκέντρωση των ελεύθερων φορέων φορτίου σε μια δεδομένη ουσία, οι ουσίες χωρίζονται κατά βαθμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε: αγωγούς, διηλεκτρικούς και ημιαγωγούς.

Έχει την υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα καλώδια ηλεκτρικού ρεύματος, και από φυσική φύση οι αγωγοί στη φύση αντιπροσωπεύονται από δύο τύπους: μέταλλα και ηλεκτρολύτες. Στα μέταλλα, το ρεύμα οφείλεται στην κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων, δηλαδή έχουν ηλεκτρονική αγωγιμότητα, και στους ηλεκτρολύτες (σε διαλύματα οξέων, αλάτων, βάσεων) - από την κίνηση ιόντων - μέρη μορίων που έχουν θετική και αρνητικό φορτίο, δηλαδή η αγωγιμότητα των ηλεκτρολυτών είναι ιοντική. Οι ιονισμένοι ατμοί και τα αέρια χαρακτηρίζονται από μικτή αγωγιμότητα, όπου το ρεύμα οφείλεται στην κίνηση τόσο των ηλεκτρονίων όσο και των ιόντων.

Η θεωρία των ηλεκτρονίων εξηγεί τέλεια την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων.Ο δεσμός των ηλεκτρονίων σθένους με τους πυρήνες τους στα μέταλλα είναι αδύναμος, επομένως αυτά τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα από άτομο σε άτομο σε όλο τον όγκο του αγωγού.

Αποδεικνύεται ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα γεμίζουν το χώρο μεταξύ των ατόμων όπως ένα αέριο, ένα αέριο ηλεκτρονίων και βρίσκονται σε χαοτική κίνηση. Αλλά όταν ένα μεταλλικό σύρμα εισάγεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα κινηθούν με τάξη, θα κινηθούν προς τον θετικό πόλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα. Έτσι η διατεταγμένη κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων σε έναν μεταλλικό αγωγό ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Είναι γνωστό ότι η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρικού πεδίου στο διάστημα είναι περίπου ίση με 300.000.000 m / s, δηλαδή την ταχύτητα του φωτός. Αυτή είναι η ίδια ταχύτητα με την οποία το ρεύμα ρέει μέσα από ένα καλώδιο.

Τι σημαίνει? Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε ηλεκτρόνιο στο μέταλλο κινείται με τόσο τεράστια ταχύτητα, αλλά τα ηλεκτρόνια σε ένα σύρμα, αντίθετα, έχουν ταχύτητα από μερικά χιλιοστά το δευτερόλεπτο έως μερικά εκατοστά το δευτερόλεπτο, ανάλογα με ένταση ηλεκτρικού πεδίου, αλλά η ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτρικού ρεύματος κατά μήκος ενός σύρματος είναι ακριβώς ίση με την ταχύτητα του φωτός.

Το θέμα είναι ότι κάθε ελεύθερο ηλεκτρόνιο αποδεικνύεται ότι βρίσκεται στη γενική ροή ηλεκτρονίων αυτού του ίδιου "αερίου ηλεκτρονίων" και κατά τη διέλευση του ρεύματος, το ηλεκτρικό πεδίο δρα σε ολόκληρη αυτή τη ροή, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια να μεταδίδουν συνεχώς αυτή η δράση πεδίου μεταξύ τους - από γείτονα σε γείτονα.

Όμως τα ηλεκτρόνια κινούνται στις θέσεις τους πολύ αργά, παρά το γεγονός ότι η ταχύτητα διάδοσης της ηλεκτρικής ενέργειας κατά μήκος του σύρματος είναι τεράστια.Έτσι, όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος στο εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αμέσως δημιουργείται ρεύμα σε όλο το δίκτυο και τα ηλεκτρόνια ουσιαστικά παραμένουν ακίνητα.

Ωστόσο, όταν τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος ενός σύρματος, βιώνουν πολλές συγκρούσεις στο δρόμο τους, συγκρούονται με άτομα, ιόντα, μόρια, μεταφέροντας μέρος της ενέργειάς τους σε αυτά. Η ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων που υπερνικά αυτή την αντίσταση διαχέεται εν μέρει ως θερμότητα και ο αγωγός θερμαίνεται.

Αυτές οι συγκρούσεις χρησιμεύουν ως αντίσταση στην κίνηση των ηλεκτρονίων, γι' αυτό η ιδιότητα ενός αγωγού να εμποδίζει την κίνηση φορτισμένων σωματιδίων ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση. Με χαμηλή αντίσταση του σύρματος, το σύρμα θερμαίνεται από το ρεύμα ελαφρώς, με ένα σημαντικό - πολύ ισχυρότερο και ακόμη και σε λευκό, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε συσκευές θέρμανσης και λαμπτήρες πυρακτώσεως.

Η μονάδα αλλαγής αντίστασης είναι το Ohm. Αντίσταση R = 1 Ω είναι η αντίσταση ενός τέτοιου σύρματος, όταν ένα συνεχές ρεύμα 1 αμπέρ διέρχεται από αυτό, η διαφορά δυναμικού στα άκρα του σύρματος είναι 1 βολτ. Το πρότυπο αντίστασης σε 1 Ohm είναι μια στήλη υδραργύρου ύψους 1063 mm, διατομής 1 τ. Mm σε θερμοκρασία 0 ° C.

Δεδομένου ότι τα καλώδια χαρακτηρίζονται από ηλεκτρική αντίσταση, μπορούμε να πούμε ότι σε κάποιο βαθμό το καλώδιο είναι ικανό να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα. Σε αυτό το πλαίσιο, εισάγεται μια τιμή που ονομάζεται αγωγιμότητα ή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι η ικανότητα ενός αγωγού να διεξάγει ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή το αντίστροφο της ηλεκτρικής αντίστασης.

Η μονάδα ηλεκτρικής αγωγιμότητας G (αγωγιμότητα) είναι η Siemens (S) και 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Δεδομένου ότι τα άτομα διαφορετικών ουσιών παρεμβαίνουν στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος σε διαφορετικούς βαθμούς, η ηλεκτρική αντίσταση διαφορετικών ουσιών είναι διαφορετική. Για το λόγο αυτό, εισήχθη η έννοια ηλεκτρική αντίσταση, του οποίου η τιμή «p» χαρακτηρίζει τις αγώγιμες ιδιότητες αυτής ή εκείνης της ουσίας.

Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση μετριέται σε Ohm * m, δηλαδή η αντίσταση ενός κύβου ουσίας με ακμή 1 μέτρο. Ομοίως, η ηλεκτρική αγωγιμότητα μιας ουσίας χαρακτηρίζεται από την ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα ?, μετρούμενη σε S / m, δηλαδή την αγωγιμότητα ενός κύβου ουσίας με ακμή 1 μέτρο.

Σήμερα, τα αγώγιμα υλικά στην ηλεκτροτεχνία χρησιμοποιούνται κυρίως με τη μορφή κορδέλες, ελαστικά, σύρματα, με συγκεκριμένη επιφάνεια διατομής και συγκεκριμένο μήκος, αλλά όχι με τη μορφή κύβων μετρητών. Και για πιο βολικούς υπολογισμούς της ηλεκτρικής αντίστασης και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των καλωδίων συγκεκριμένων μεγεθών, εισήχθησαν πιο αποδεκτές μονάδες μέτρησης τόσο για την ηλεκτρική αντίσταση όσο και για την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ohm * mm2 / m — για αντίσταση, και Cm * m / mm2 — για ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Τώρα μπορούμε να πούμε ότι η ηλεκτρική αντίσταση και η ηλεκτρική αγωγιμότητα χαρακτηρίζουν τις αγώγιμες ιδιότητες ενός σύρματος με επιφάνεια διατομής 1 τ.μ., μήκους 1 μέτρου σε θερμοκρασία 20 ° C, είναι πιο βολικό.

Μέταλλα όπως ο χρυσός, ο χαλκός, το ασήμι, το χρώμιο και το αλουμίνιο έχουν την καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο χάλυβας και ο σίδηρος είναι λιγότερο αγώγιμοι. Τα καθαρά μέταλλα έχουν πάντα καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τα κράματά τους, επομένως ο καθαρός χαλκός προτιμάται στην ηλεκτρική μηχανική.Εάν χρειάζεστε ιδιαίτερα υψηλή αντίσταση, τότε χρησιμοποιούνται βολφράμιο, νιχρώμιο, κονταντάνη.

Γνωρίζοντας την τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης ή ηλεκτρικής αγωγιμότητας, μπορεί κανείς εύκολα να υπολογίσει την αντίσταση ή την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός συγκεκριμένου σύρματος από ένα δεδομένο υλικό, λαμβάνοντας υπόψη το μήκος l και την περιοχή διατομής S αυτού του σύρματος.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η ηλεκτρική αντίσταση όλων των υλικών εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, επειδή η συχνότητα και το πλάτος των θερμικών δονήσεων των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος αυξάνονται επίσης με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα και η ροή των ηλεκτρονίων επίσης αυξάνονται ανάλογα.

Όσο μειώνεται η θερμοκρασία, αντίθετα, οι δονήσεις των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος γίνονται μικρότεροι, η αντίσταση μειώνεται (αυξάνεται η ηλεκτρική αγωγιμότητα). Σε ορισμένες ουσίες, η εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία είναι λιγότερο έντονη, σε άλλες είναι ισχυρότερη. Για παράδειγμα, κράματα όπως η σταθερτάνη, η φεχράλη και η μαγγανίνη αλλάζουν ελαφρώς την αντίσταση σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας, γι 'αυτό κατασκευάζονται θερμοσταθερές αντιστάσεις.

Συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας; σας επιτρέπει να υπολογίσετε για ένα συγκεκριμένο υλικό την αύξηση της αντίστασής του σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και χαρακτηρίζει αριθμητικά τη σχετική αύξηση της αντίστασης με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 ° C.

Γνωρίζοντας τον συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης και την αύξηση της θερμοκρασίας, είναι εύκολο να υπολογιστεί η αντίσταση μιας ουσίας σε μια δεδομένη θερμοκρασία.

Ελπίζουμε ότι το άρθρο μας ήταν χρήσιμο για εσάς και τώρα μπορείτε εύκολα να υπολογίσετε την αντίσταση και την αγωγιμότητα οποιουδήποτε σύρματος σε οποιαδήποτε θερμοκρασία.