Aineiden sähkönjohtavuus

Tässä artikkelissa paljastamme sähkönjohtavuuden aiheen, muistamme, mikä sähkövirta on, miten se liittyy johtimen resistanssiin ja vastaavasti sen sähkönjohtavuuteen. Huomioikaa tärkeimmät kaavat näiden määrien laskemiseksi, koskettamalla aihetta nykyinen nopeus ja sen suhde sähkökentän voimakkuuteen. Käsittelemme myös sähkövastuksen ja lämpötilan välistä suhdetta.

Aluksi muistetaan, mikä sähkövirta on. Jos asetat aineen ulkoiseen sähkökenttään, tältä kentältä tulevien voimien vaikutuksesta aineessa alkaa alkuainevarauksen kantajien - ionien tai elektronien - liike. Siitä tulee sähköisku. Virta I mitataan ampeereina, ja yksi ampeeri on virta, jolla yhden kulon suuruinen varaus virtaa langan poikkileikkauksen läpi sekunnissa.

Virta on suora, vaihtuva, sykkivä.Tasavirta ei muuta suuruuttaan ja suuntaaan tietyllä hetkellä, vaihtovirta muuttaa suuruuttaan ja suuntaaan ajan myötä (AC generaattorit ja muuntajat antavat täsmälleen vaihtovirtaa), sykkivä virta muuttaa suuruuttaan, mutta ei muuta suuntaa (esim. tasasuuntainen vaihtovirta) . virtapulssit).

Aineilla on taipumus johtaa sähkövirtaa sähkökentän vaikutuksesta, ja tätä ominaisuutta kutsutaan sähkönjohtavuudeksi, joka on erilainen eri aineilla. Aineiden sähkönjohtavuus riippuu niissä olevien vapaiden varautuneiden hiukkasten eli ionien pitoisuudesta. ja elektronit, jotka eivät ole sidottu tietyn aineen kiderakenteeseen, molekyyleihin tai atomeihin. Joten riippuen vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuudesta tietyssä aineessa, aineet jaetaan sähkönjohtavuusasteen mukaan: johtimiin, eristeisiin ja puolijohteisiin.

Sillä on korkein sähkönjohtavuus sähkövirran johdot, ja fysikaalisen luonteen vuoksi luonnossa johtimia edustavat kaksi tyyppiä: metallit ja elektrolyytit. Metalleissa virta johtuu vapaiden elektronien liikkeestä, eli niillä on elektroninen johtavuus, ja elektrolyyteissä (happojen, suolojen, emästen liuoksissa) - ionien liikkeestä - molekyylien osista, joilla on positiivinen ja negatiivinen varaus, eli elektrolyyttien johtavuus on ioninen. Ionisoiduille höyryille ja kaasuille on ominaista sekoitettu johtavuus, jossa virta johtuu sekä elektronien että ionien liikkeestä.

Elektroniteoria selittää täydellisesti metallien korkean sähkönjohtavuuden.Valenssielektronien sidos ytimiinsä metalleissa on heikko, joten nämä elektronit liikkuvat vapaasti atomista atomiin koko johtimen tilavuudessa.

Osoittautuu, että metallien vapaat elektronit täyttävät atomien välisen tilan kuten kaasu, elektronikaasu ja ovat kaoottisessa liikkeessä. Mutta kun metallilanka viedään sähkökenttään, vapaat elektronit liikkuvat säännöllisesti, ne siirtyvät kohti positiivista napaa luoden virran. Siten vapaiden elektronien järjestettyä liikettä metallijohtimessa kutsutaan sähkövirraksi.

Tiedetään, että sähkökentän etenemisnopeus avaruudessa on noin 300 000 000 m / s, eli valon nopeus. Tämä on sama nopeus, jolla virta kulkee johtimen läpi.

Mitä se tarkoittaa? Tämä ei tarkoita, että metallin jokainen elektroni liikkuisi niin suurella nopeudella, vaan langan elektronien nopeus on päinvastoin muutamasta millimetristä muutamaan senttimetriin sekunnissa riippuen sähkökentän voimakkuus, mutta sähkövirran etenemisnopeus johtoa pitkin on täsmälleen yhtä suuri kuin valon nopeus.

Asia on siinä, että jokainen vapaa elektroni osoittautuu tämän saman "elektronikaasun" yleisessä elektronivirtauksessa ja virran kulun aikana sähkökenttä vaikuttaa koko tähän virtaukseen, minkä seurauksena elektronit välittävät jatkuvasti tämä kenttätoiminta toisilleen - naapurilta naapurille.

Mutta elektronit liikkuvat paikoilleen hyvin hitaasti huolimatta siitä, että sähköenergian etenemisnopeus lankaa pitkin on valtava.Joten kun kytkin kytketään päälle voimalaitoksessa, virtaa syntyy välittömästi koko verkkoon ja elektronit pysyvät käytännössä paikallaan.

Kuitenkin, kun vapaat elektronit liikkuvat johtoa pitkin, ne kokevat matkallaan monia törmäyksiä, ne törmäävät atomien, ionien, molekyylien kanssa siirtäen osan energiastaan ​​niille. Tämän vastuksen voittavien liikkuvien elektronien energia hajoaa osittain lämmönä ja johdin lämpenee.

Nämä törmäykset toimivat vastuksena elektronien liikkeelle, minkä vuoksi johtimen ominaisuutta estää varautuneiden hiukkasten liikkumista kutsutaan sähkövastukseksi. Johdon alhaisella resistanssilla lanka kuumenee virralla hieman, merkittävällä - paljon vahvemmalla ja jopa valkoiseksi, tätä vaikutusta käytetään lämmityslaitteissa ja hehkulampuissa.

Resistanssin muutoksen yksikkö on ohmi. Resistanssi R = 1 ohm on tällaisen johtimen resistanssi, kun sen läpi kulkee 1 ampeerin tasavirta, potentiaaliero johtimen päissä on 1 voltti. Resistanssistandardi 1 ohmissa on 1063 mm korkea elohopeapylväs, jonka poikkileikkaus on 1 neliömetriä 0 °C:n lämpötilassa.

Koska johtimille on ominaista sähkövastus, voimme sanoa, että johto pystyy jossain määrin johtamaan sähkövirtaa. Tässä yhteydessä otetaan käyttöön arvo, jota kutsutaan johtavuudelle tai sähkönjohtavuudelle. Sähkönjohtavuus on johtimen kyky johtaa sähkövirtaa, eli sähkövastuksen käänteisluku.

Sähkönjohtavuuden yksikkö G (johtavuus) on Siemens (S) ja 1 S = 1 / (1 ohm). G = 1/R.

Koska eri aineiden atomit häiritsevät eriasteisesti sähkövirran kulkua, eri aineiden sähkövastus on erilainen. Tästä syystä käsite otettiin käyttöön sähköinen vastus, jonka arvo «p» kuvaa tämän tai toisen aineen johtavia ominaisuuksia.

Ominainen sähkövastus mitataan ohmeina * m, eli ainekuution, jonka reuna on 1 metri, resistanssi. Samoin aineen sähkönjohtavuudelle on tunnusomaista ominaissähkönjohtavuus 8, joka mitataan yksiköissä S/m, eli ainekuution johtavuus, jonka reuna on 1 metri.

Nykyään sähkötekniikan johtavia materiaaleja käytetään pääasiassa nauhoina, renkaina, lankoina, joilla on tietty poikkileikkauspinta-ala ja tietty pituus, mutta ei metrikuutioiden muodossa. Ja tietynkokoisten johtojen sähkövastuksen ja sähkönjohtavuuden helpottamiseksi laskelmia varten otettiin käyttöön hyväksyttävämpiä mittayksiköitä sekä sähkövastuksen että sähkönjohtavuuden osalta. Ohm * mm2 / m - resistanssille ja Cm * m / mm2 - sähkönjohtavuudelle.

Nyt voimme sanoa, että sähkövastus ja sähkönjohtavuus luonnehtivat johdon johtavia ominaisuuksia, joiden poikkileikkauspinta-ala on 1 neliömm, 1 metri pitkä lämpötilassa 20 ° C, se on kätevämpää.

Metalleilla, kuten kullalla, kuparilla, hopealla, kromilla ja alumiinilla, on paras sähkönjohtavuus. Teräs ja rauta johtavat vähemmän. Puhtailla metalleilla on aina parempi sähkönjohtavuus kuin niiden metalliseoksilla, joten puhdas kupari suositaan sähkötekniikassa.Jos tarvitset erityisen suurta vastusta, käytetään volframia, nikromia, konstantaania.

Tietäen ominaissähkövastuksen tai sähkönjohtavuuden arvon, voidaan helposti laskea tietyn annetusta materiaalista tehdyn langan resistanssi tai sähkönjohtavuus ottaen huomioon tämän johdon pituus l ja poikkileikkauspinta-ala S.

Kaikkien materiaalien sähkönjohtavuus ja sähkövastus riippuvat lämpötilasta, koska myös kidehilan atomien lämpövärähtelyjen taajuus ja amplitudi kasvavat lämpötilan noustessa, myös sähkövirran vastus ja elektronien virtaus kasvavat vastaavasti.

Kun lämpötila laskee, päinvastoin, kidehilan atomien värähtelyt pienenevät, vastus pienenee (sähkönjohtavuus kasvaa). Joissakin aineissa vastuksen riippuvuus lämpötilasta on vähemmän selvä, toisissa se on vahvempi. Esimerkiksi sellaiset seokset, kuten konstantaani, fekraali ja manganiini, muuttavat hieman vastusta tietyllä lämpötila-alueella, minkä vuoksi niistä valmistetaan lämpöstabiileja vastuksia.

Lämpötilavastuskerroin? antaa sinun laskea tietylle materiaalille sen vastuksen lisäyksen tietyssä lämpötilassa ja luonnehtia numeerisesti vastuksen suhteellista kasvua lämpötilan noustessa 1 ° C.

Kun tiedetään resistanssin lämpötilakerroin ja lämpötilan nousu, on helppo laskea aineen vastus tietyssä lämpötilassa.

Toivomme, että artikkelimme oli hyödyllinen sinulle ja nyt voit helposti laskea minkä tahansa johdon resistanssin ja johtavuuden missä tahansa lämpötilassa.