Przewodnictwo elektryczne substancji

W tym artykule ujawnimy temat przewodnictwa elektrycznego, przypomnimy, czym jest prąd elektryczny, jak jest on powiązany z rezystancją przewodnika i odpowiednio z jego przewodnością elektryczną. Zwróćmy uwagę na główne wzory do obliczania tych ilości, dotykając tematu obecna prędkość i jego związek z natężeniem pola elektrycznego. Dotkniemy również związku między oporem elektrycznym a temperaturą.

Na początek przypomnijmy sobie, czym jest prąd elektryczny. Jeśli umieścisz substancję w zewnętrznym polu elektrycznym, to pod działaniem sił z tego pola w substancji rozpocznie się ruch elementarnych nośników ładunku - jonów lub elektronów. To będzie porażenie prądem. Prąd I jest mierzony w amperach, a jeden amper to prąd, przy którym ładunek równy jednemu kulombowi przepływa przez przekrój drutu na sekundę.

Prąd jest stały, zmienny, pulsujący.Prąd stały nie zmienia swojej wielkości i kierunku w danym momencie, prąd przemienny zmienia swoją wielkość i kierunek w czasie (generatory prądu przemiennego i transformatory dają dokładnie prąd przemienny), prąd pulsujący zmienia swoją wielkość, ale nie zmienia kierunku (np. wyprostowany prąd przemienny) . aktualne impulsy).

Substancje mają tendencję do przewodzenia prądu elektrycznego pod działaniem pola elektrycznego, a ta właściwość nazywa się przewodnictwem elektrycznym, które jest różne dla różnych substancji.Przewodność elektryczna substancji zależy od stężenia w nich swobodnie naładowanych cząstek, to znaczy jonów i elektrony, które nie są związane ani ze strukturą kryształu, ani z cząsteczkami, ani z atomami danej substancji. Tak więc, w zależności od stężenia nośników ładunku swobodnego w danej substancji, substancje dzielą się ze względu na stopień przewodnictwa elektrycznego na: przewodniki, dielektryki i półprzewodniki.

Ma najwyższą przewodność elektryczną przewody prądu elektrycznego, a z natury fizyczne przewodniki w naturze są reprezentowane przez dwa typy: metale i elektrolity. W metalach prąd wynika z ruchu swobodnych elektronów, to znaczy mają przewodnictwo elektroniczne, aw elektrolitach (w roztworach kwasów, soli, zasad) - z ruchu jonów - części cząsteczek, które mają dodatni i ładunek ujemny, to znaczy przewodnictwo elektrolitów jest jonowe. Zjonizowane pary i gazy charakteryzują się mieszanym przewodnictwem, w którym prąd wynika z ruchu zarówno elektronów, jak i jonów.

Teoria elektronów doskonale wyjaśnia wysoką przewodność elektryczną metali.Wiązanie elektronów walencyjnych z ich jądrami w metalach jest słabe, więc elektrony te przemieszczają się swobodnie z atomu na atom w całej objętości przewodnika.

Okazuje się, że wolne elektrony w metalach wypełniają przestrzeń między atomami jak gaz, gaz elektronowy i są w chaotycznym ruchu. Ale kiedy metalowy drut zostanie wprowadzony w pole elektryczne, swobodne elektrony będą poruszać się w uporządkowany sposób, będą przesuwać się w kierunku bieguna dodatniego, tworząc prąd. Tak więc uporządkowany ruch swobodnych elektronów w przewodniku metalowym nazywany jest prądem elektrycznym.

Wiadomo, że prędkość propagacji pola elektrycznego w przestrzeni jest w przybliżeniu równa 300 000 000 m / s, czyli prędkości światła. Jest to ta sama prędkość, z jaką prąd przepływa przez drut.

Co to znaczy? Nie oznacza to, że każdy elektron w metalu porusza się z tak ogromną prędkością, ale wręcz przeciwnie, elektrony w drucie mają prędkość od kilku milimetrów na sekundę do kilku centymetrów na sekundę, w zależności od siła pola elektrycznego, ale prędkość propagacji prądu elektrycznego wzdłuż drutu jest dokładnie równa prędkości światła.

Chodzi o to, że każdy swobodny elektron znajduje się w ogólnym przepływie elektronów tego samego „gazu elektronowego”, a podczas przepływu prądu pole elektryczne działa na cały ten przepływ, w wyniku czego elektrony stale przenoszą tę akcję polową do siebie nawzajem - od sąsiada do sąsiada.

Ale elektrony poruszają się na swoje miejsca bardzo powoli, pomimo faktu, że prędkość propagacji energii elektrycznej wzdłuż drutu jest ogromna.Kiedy więc przełącznik jest włączony w elektrowni, prąd natychmiast pojawia się w całej sieci, a elektrony praktycznie stoją w miejscu.

Jednak gdy swobodne elektrony poruszają się po przewodzie, doświadczają na swojej drodze wielu zderzeń, zderzają się z atomami, jonami, cząsteczkami, przekazując im część swojej energii. Energia poruszających się elektronów, które pokonują ten opór, jest częściowo rozpraszana w postaci ciepła, a przewodnik się nagrzewa.

Te zderzenia służą jako opór dla ruchu elektronów, dlatego właściwość przewodnika polegająca na zapobieganiu ruchowi naładowanych cząstek nazywana jest oporem elektrycznym. Przy niskiej rezystancji drutu drut jest lekko nagrzewany przez prąd, przy znacznej - znacznie silniejszy, a nawet biały, efekt ten jest stosowany w urządzeniach grzewczych i żarówkach.

Jednostką zmiany rezystancji jest Ohm. Rezystancja R = 1 om to rezystancja takiego drutu, gdy przepływa przez niego prąd stały o natężeniu 1 ampera, różnica potencjałów na końcach drutu wynosi 1 wolt. Standardem rezystancji w 1 Ohm jest kolumna rtęci o wysokości 1063 mm, przekroju 1 m2 Mm w temperaturze 0 ° C.

Ponieważ druty charakteryzują się oporem elektrycznym, możemy powiedzieć, że w pewnym stopniu drut jest w stanie przewodzić prąd elektryczny. W związku z tym wprowadza się wartość zwaną przewodnictwem lub przewodnictwem elektrycznym. Przewodność elektryczna to zdolność przewodnika do przewodzenia prądu elektrycznego, czyli odwrotność oporu elektrycznego.

Jednostką przewodności elektrycznej G (przewodności) jest Siemens (S) i 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Ponieważ atomy różnych substancji zakłócają przepływ prądu elektrycznego w różnym stopniu, opór elektryczny różnych substancji jest różny. Z tego powodu koncepcja została wprowadzona opór elektryczny, którego wartość „p” charakteryzuje właściwości przewodzące tej lub innej substancji.

Specyficzny opór elektryczny jest mierzony w omach * m, to znaczy opór sześcianu substancji o krawędzi 1 metra. Podobnie przewodność elektryczna substancji charakteryzuje się właściwą przewodnością elektryczną ?, mierzoną w S / m, czyli przewodnością sześcianu substancji o krawędzi 1 metra.

Obecnie materiały przewodzące w elektrotechnice stosuje się głównie w postaci taśm, opon, drutów o określonym polu przekroju i określonej długości, ale nie w postaci metrów sześciennych. A dla wygodniejszych obliczeń rezystancji elektrycznej i przewodności elektrycznej drutów o określonych rozmiarach wprowadzono bardziej akceptowalne jednostki miary zarówno dla rezystancji elektrycznej, jak i przewodności elektrycznej. Ohm * mm2 / m — dla rezystancji i Cm * m / mm2 — dla przewodności elektrycznej.

Teraz możemy powiedzieć, że opór elektryczny i przewodność elektryczna charakteryzują właściwości przewodzące drutu o powierzchni przekroju 1 mm2, 1 metr długości w temperaturze 20 ° C, jest to wygodniejsze.

Metale takie jak złoto, miedź, srebro, chrom i aluminium mają najlepszą przewodność elektryczną. Stal i żelazo są mniej przewodzące. Czyste metale zawsze mają lepszą przewodność elektryczną niż ich stopy, dlatego w elektrotechnice preferowana jest czysta miedź.Jeśli potrzebujesz szczególnie wysokiej odporności, stosuje się wolfram, nichrom, konstantan.

Znając wartość oporu elektrycznego lub przewodności elektrycznej, można łatwo obliczyć rezystancję lub przewodność elektryczną pewnego drutu wykonanego z danego materiału, biorąc pod uwagę długość l i pole przekroju S tego drutu.

Przewodność elektryczna i opór elektryczny wszystkich materiałów zależą od temperatury, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również częstotliwość i amplituda drgań termicznych atomów sieci krystalicznej, odpowiednio wzrasta również oporność na prąd elektryczny i przepływ elektronów.

Przeciwnie, wraz ze spadkiem temperatury drgania atomów sieci krystalicznej zmniejszają się, rezystancja maleje (wzrasta przewodnictwo elektryczne). W niektórych substancjach zależność odporności na temperaturę jest mniej wyraźna, w innych jest silniejsza. Na przykład takie stopy jak konstantan, fechral i manganin nieznacznie zmieniają rezystancję w pewnym zakresie temperatur, dlatego wykonuje się z nich rezystory termostabilne.

Współczynnik temperaturowy oporu? pozwala obliczyć dla określonego materiału wzrost jego rezystancji w określonej temperaturze i charakteryzuje liczbowo względny wzrost rezystancji wraz ze wzrostem temperatury o 1°C.

Znając temperaturowy współczynnik oporu i wzrost temperatury, łatwo obliczyć opór substancji w danej temperaturze.

Mamy nadzieję, że nasz artykuł był dla Ciebie przydatny, a teraz możesz łatwo obliczyć rezystancję i przewodność dowolnego drutu w dowolnej temperaturze.