Elektrisk ledningsevne av stoffer

I denne artikkelen vil vi avsløre emnet elektrisk ledningsevne, vi vil huske hva elektrisk strøm er, hvordan det er relatert til motstanden til en leder og følgelig til dens elektriske ledningsevne. La oss legge merke til hovedformlene for å beregne disse mengdene, og berøre emnet nåværende hastighet og dets forhold til elektrisk feltstyrke. Vi skal også komme inn på sammenhengen mellom elektrisk motstand og temperatur.

Til å begynne med, la oss huske hva elektrisk strøm er. Hvis du plasserer et stoff i et eksternt elektrisk felt, vil bevegelsen av elementære ladningsbærere - ioner eller elektroner - begynne i stoffet under påvirkning av krefter fra dette feltet. Det vil være et elektrisk støt. Strømmen I måles i ampere, og en ampere er strømmen som en ladning lik en coulomb strømmer gjennom ledningens tverrsnitt per sekund.

Strøm er direkte, vekslende, pulserende.Likestrøm endrer ikke størrelse og retning i et gitt øyeblikk, vekselstrøm endrer størrelse og retning over tid (AC-generatorer og transformatorer gir nøyaktig vekselstrøm), pulserende strøm endrer størrelse, men endrer ikke retning (f.eks. likerettet vekselstrøm) . gjeldende pulser).

Stoffer har en tendens til å lede en elektrisk strøm under påvirkning av et elektrisk felt, og denne egenskapen kalles elektrisk ledningsevne, som er forskjellig for forskjellige stoffer. Den elektriske ledningsevnen til stoffer avhenger av konsentrasjonen av friladede partikler i dem, det vil si ioner og elektroner som ikke er bundet verken med krystallstrukturen, eller med molekylene, eller med atomene til det gitte stoffet. Så, avhengig av konsentrasjonen av frie ladningsbærere i et gitt stoff, deles stoffer etter grad av elektrisk ledningsevne i: ledere, dielektrikum og halvledere.

Den har den høyeste elektriske ledningsevnen ledninger av elektrisk strøm, og av fysisk natur er ledere i naturen representert av to typer: metaller og elektrolytter. I metaller skyldes strømmen bevegelsen av frie elektroner, det vil si at de har elektronisk ledningsevne, og i elektrolytter (i løsninger av syrer, salter, baser) - fra bevegelsen av ioner - deler av molekyler som har en positiv og negativ ladning, det vil si at elektrolyttenes ledningsevne er ionisk. Ioniserte damper og gasser er preget av blandet ledningsevne, hvor strømmen skyldes bevegelse av både elektroner og ioner.

Elektronteorien forklarer perfekt den høye elektriske ledningsevnen til metaller.Bindingen av valenselektroner med deres kjerner i metaller er svak, så disse elektronene beveger seg fritt fra atom til atom gjennom hele volumet av lederen.

Det viser seg at de frie elektronene i metaller fyller rommet mellom atomer som en gass, en elektrongass, og er i kaotisk bevegelse. Men når en metalltråd introduseres i et elektrisk felt, vil de frie elektronene bevege seg på en ordnet måte, de vil bevege seg mot den positive polen, og skape en strøm. Derfor kalles den ordnede bevegelsen av frie elektroner i en metallleder en elektrisk strøm.

Det er kjent at forplantningshastigheten til et elektrisk felt i rommet er omtrent lik 300 000 000 m / s, det vil si lysets hastighet. Dette er samme hastighet som strømmen flyter gjennom en ledning.

Hva betyr det? Dette betyr ikke at hvert elektron i metallet beveger seg med en så enorm hastighet, men elektronene i en ledning har tvert imot en hastighet på noen millimeter per sekund til noen centimeter per sekund, avhengig av elektrisk feltstyrke, men forplantningshastigheten til elektrisk strøm langs en ledning er nøyaktig lik lysets hastighet.

Saken er at hvert fritt elektron viser seg å være i den generelle elektronstrømmen til denne samme "elektrongassen", og under passering av strømmen virker det elektriske feltet på hele denne strømmen, som et resultat av at elektronene konstant overfører denne feltaksjonen til hverandre - fra nabo til nabo.

Men elektronene beveger seg veldig sakte til sine steder, til tross for at hastigheten for forplantning av elektrisk energi langs ledningen er enorm.Så når bryteren slås på i kraftverket, oppstår det umiddelbart strøm i hele nettverket og elektronene står praktisk talt stille.

Men når frie elektroner beveger seg langs en ledning, opplever de mange kollisjoner på vei, de kolliderer med atomer, ioner, molekyler, og overfører noe av energien deres til dem. Energien til de bevegelige elektronene som overvinner denne motstanden, spres delvis som varme og lederen varmes opp.

Disse kollisjonene tjener som motstand mot bevegelse av elektroner, og det er grunnen til at egenskapen til en leder for å forhindre bevegelse av ladede partikler kalles elektrisk motstand. Med en lav motstand av ledningen oppvarmes ledningen litt av strømmen, med en betydelig - mye sterkere og jevn til hvit, denne effekten brukes i oppvarmingsenheter og glødelamper.

Enheten for motstandsendring er Ohm. Motstand R = 1 ohm er motstanden til en slik ledning, når en likestrøm på 1 ampere passerer gjennom den, er potensialforskjellen i endene av ledningen 1 volt. Standarden for motstand i 1 Ohm er en kolonne av kvikksølv 1063 mm høy, tverrsnitt 1 kvadrat mm ved en temperatur på 0 ° C.

Siden ledninger er preget av elektrisk motstand, kan vi si at ledningen til en viss grad er i stand til å lede elektrisk strøm. I den forbindelse introduseres en verdi som kalles ledningsevne eller elektrisk ledningsevne. Elektrisk ledningsevne er en leders evne til å lede en elektrisk strøm, det vil si den gjensidige av den elektriske motstanden.

Enheten for elektrisk ledningsevne G (ledningsevne) er Siemens (S) og 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Siden atomene til forskjellige stoffer forstyrrer passasjen av elektrisk strøm i ulik grad, er den elektriske motstanden til forskjellige stoffer forskjellig. Av denne grunn ble konseptet introdusert elektrisk motstand, hvis verdi «p» karakteriserer de ledende egenskapene til dette eller det stoffet.

Den spesifikke elektriske motstanden måles i Ohm * m, det vil si motstanden til en stoffkube med en kant på 1 meter. På samme måte er den elektriske ledningsevnen til et stoff preget av den spesifikke elektriske ledningsevnen ?, målt i S / m, det vil si ledningsevnen til en stoffkube med en kant på 1 meter.

I dag brukes ledende materialer innen elektroteknikk hovedsakelig i form av bånd, dekk, ledninger, med et visst tverrsnittsareal og en viss lengde, men ikke i form av meterkuber. Og for mer praktiske beregninger av elektrisk motstand og elektrisk ledningsevne av ledninger av spesifikke størrelser, ble mer akseptable måleenheter for både elektrisk motstand og elektrisk ledningsevne introdusert. Ohm * mm2 / m - for motstand, og Cm * m / mm2 - for elektrisk ledningsevne.

Nå kan vi si at elektrisk motstand og elektrisk ledningsevne karakteriserer de ledende egenskapene til en ledning med et tverrsnittsareal på 1 kvm, 1 meter lang ved en temperatur på 20 ° C, det er mer praktisk.

Metaller som gull, kobber, sølv, krom og aluminium har best elektrisk ledningsevne. Stål og jern er mindre ledende. Rene metaller har alltid bedre elektrisk ledningsevne enn deres legeringer, så rent kobber foretrekkes i elektroteknikk.Hvis du trenger spesielt høy motstand, brukes wolfram, nikrom, konstantan.

Når man kjenner verdien av den spesifikke elektriske motstanden eller elektrisk ledningsevne, kan man enkelt beregne motstanden eller elektrisk ledningsevne til en viss ledning laget av et gitt materiale, under hensyntagen til lengden l og tverrsnittsarealet S av denne ledningen.

Den elektriske ledningsevnen og den elektriske motstanden til alle materialer avhenger av temperatur, fordi frekvensen og amplituden til de termiske vibrasjonene til atomene i krystallgitteret øker også med økende temperatur, motstanden mot elektrisk strøm og strømmen av elektroner øker også tilsvarende.

Når temperaturen synker, tvert imot, blir vibrasjonene til atomene i krystallgitteret mindre, motstanden avtar (elektrisk ledningsevne øker). I noen stoffer er motstandsavhengigheten av temperatur mindre uttalt, i andre er den sterkere. For eksempel endrer slike legeringer som konstantan, fechral og manganin motstanden litt i et visst temperaturområde, og det er derfor termostabile motstander er laget av dem.

Temperaturkoeffisient for motstand? lar deg beregne for et spesifikt materiale økningen i motstanden ved en viss temperatur og karakteriserer numerisk den relative økningen i motstand med en temperaturøkning med 1 ° C.

Når man kjenner til temperaturkoeffisienten for motstand og temperaturstigningen, er det enkelt å beregne motstanden til et stoff ved en gitt temperatur.

Vi håper at artikkelen vår var nyttig for deg, og nå kan du enkelt beregne motstanden og ledningsevnen til enhver ledning ved hvilken som helst temperatur.