Elektrická vodivosť látok

V tomto článku odhalíme tému elektrickej vodivosti, pripomenieme si, čo je elektrický prúd, ako súvisí s odporom vodiča a podľa toho aj s jeho elektrickou vodivosťou. Všimnime si hlavné vzorce na výpočet týchto množstiev, ktoré sa dotýkajú témy aktuálna rýchlosť a jeho vzťah k sile elektrického poľa. Dotkneme sa aj vzťahu medzi elektrickým odporom a teplotou.

Na začiatok si pripomeňme, čo je elektrický prúd. Ak umiestnite látku do vonkajšieho elektrického poľa, potom pôsobením síl z tohto poľa začne v látke pohyb elementárnych nosičov náboja - iónov alebo elektrónov. Bude to zásah elektrickým prúdom. Prúd I sa meria v ampéroch a jeden ampér je prúd, pri ktorom náboj rovný jednému coulombu preteká prierezom drôtu za sekundu.

Prúd je jednosmerný, striedavý, pulzujúci.Jednosmerný prúd v danom momente nemení svoju veľkosť a smer, striedavý prúd mení svoju veľkosť a smer v čase (AC generátory a transformátory dávajú presne striedavý prúd), pulzujúci prúd mení svoju veľkosť, ale nemení smer (napr. usmernený striedavý prúd) . prúdové impulzy).

Látky majú tendenciu viesť elektrický prúd pôsobením elektrického poľa a táto vlastnosť sa nazýva elektrická vodivosť, ktorá je pre rôzne látky rôzna.Elektrická vodivosť látok závisí od koncentrácie voľných nabitých častíc v nich, teda iónov. a elektróny, ktoré nie sú viazané ani s kryštálovou štruktúrou, ani s molekulami, ani s atómami danej látky. Takže v závislosti od koncentrácie voľných nosičov náboja v danej látke sa látky delia podľa stupňa elektrickej vodivosti na: vodiče, dielektrika a polovodiče.

Má najvyššiu elektrickú vodivosť drôty elektrického prúdu, a fyzikálnou povahou sú vodiče v prírode reprezentované dvoma typmi: kovmi a elektrolytmi. V kovoch je prúd spôsobený pohybom voľných elektrónov, to znamená, že majú elektrónovú vodivosť a v elektrolytoch (v roztokoch kyselín, solí, zásad) - z pohybu iónov - častí molekúl, ktoré majú kladný a záporný náboj, to znamená, že vodivosť elektrolytov je iónová. Ionizované pary a plyny sa vyznačujú zmiešanou vodivosťou, kde prúd vzniká v dôsledku pohybu elektrónov aj iónov.

Elektrónová teória dokonale vysvetľuje vysokú elektrickú vodivosť kovov.Väzba valenčných elektrónov s ich jadrami v kovoch je slabá, preto sa tieto elektróny voľne pohybujú od atómu k atómu v celom objeme vodiča.

Ukazuje sa, že voľné elektróny v kovoch vypĺňajú priestor medzi atómami ako plyn, elektrónový plyn, a sú v chaotickom pohybe. Ale keď sa kovový drôt zavedie do elektrického poľa, voľné elektróny sa budú pohybovať usporiadaným spôsobom, budú sa pohybovať smerom k kladnému pólu, čím sa vytvorí prúd. Usporiadaný pohyb voľných elektrónov v kovovom vodiči sa teda nazýva elektrický prúd.

Je známe, že rýchlosť šírenia elektrického poľa vo vesmíre je približne rovná 300 000 000 m/s, teda rýchlosti svetla. Je to rovnaká rýchlosť, akou prúd preteká drôtom.

Čo to znamená? To neznamená, že každý elektrón v kove sa pohybuje takou obrovskou rýchlosťou, ale elektróny v drôte majú naopak rýchlosť od niekoľkých milimetrov za sekundu až po niekoľko centimetrov za sekundu, v závislosti od intenzita elektrického poľa, ale rýchlosť šírenia elektrického prúdu po drôte sa presne rovná rýchlosti svetla.

Ide o to, že každý voľný elektrón je vo všeobecnom toku elektrónov toho istého „elektrónového plynu“ a počas prechodu prúdu elektrické pole pôsobí na celý tento tok, v dôsledku čoho elektróny neustále prenášajú toto pole akcie k sebe - od suseda k susedovi.

Ale elektróny sa pohybujú na svoje miesta veľmi pomaly, napriek tomu, že rýchlosť šírenia elektrickej energie pozdĺž drôtu je obrovská.Takže po zapnutí vypínača v elektrárni okamžite vznikne prúd v celej sieti a elektróny prakticky stoja.

Keď sa však voľné elektróny pohybujú po drôte, zažijú na svojej ceste veľa zrážok, zrážajú sa s atómami, iónmi, molekulami a odovzdávajú im časť svojej energie. Energia pohybujúcich sa elektrónov, ktoré prekonajú tento odpor, sa čiastočne rozptýli ako teplo a vodič sa zahreje.

Tieto zrážky slúžia ako odpor voči pohybu elektrónov, a preto sa vlastnosť vodiča brániť pohybu nabitých častíc nazýva elektrický odpor. Pri nízkom odpore drôtu sa drôt ohrieva prúdom mierne, pri výraznom - oveľa silnejšom a dokonca až bielom sa tento efekt využíva vo vykurovacích zariadeniach a žiarovkách.

Jednotkou zmeny odporu je Ohm. Odpor R = 1 ohm je odpor takéhoto drôtu, keď ním prechádza jednosmerný prúd 1 ampér, potenciálny rozdiel na koncoch drôtu je 1 volt. Etalón odporu v 1 Ohm je ortuťový stĺpec vysoký 1063 mm, prierez 1 mm2 pri teplote 0 °C.

Keďže drôty sa vyznačujú elektrickým odporom, môžeme povedať, že do určitej miery je drôt schopný viesť elektrický prúd. V tejto súvislosti sa zavádza hodnota nazývaná vodivosť alebo elektrická vodivosť. Elektrická vodivosť je schopnosť vodiča viesť elektrický prúd, teda prevrátená hodnota elektrického odporu.

Jednotkou elektrickej vodivosti G (vodivosť) je Siemens (S) a 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Keďže atómy rôznych látok interferujú s prechodom elektrického prúdu v rôznej miere, elektrický odpor rôznych látok je rôzny. Z tohto dôvodu bol zavedený koncept elektrický odpor, ktorého hodnota «p» charakterizuje vodivé vlastnosti tej či onej látky.

Špecifický elektrický odpor sa meria v Ohm * m, to znamená odpor kocky látky s hranou 1 meter. Podobne je elektrická vodivosť látky charakterizovaná špecifickou elektrickou vodivosťou ?, meranou v S/m, teda vodivosťou kocky látky s hranou 1 meter.

Dnes sa vodivé materiály v elektrotechnike používajú najmä vo forme pások, pneumatík, drôtov, s určitou plochou prierezu a určitou dĺžkou, nie však vo forme metrových kociek. A pre pohodlnejšie výpočty elektrického odporu a elektrickej vodivosti drôtov špecifických veľkostí boli zavedené prijateľnejšie jednotky merania elektrického odporu aj elektrickej vodivosti. Ohm * mm2 / m - pre odpor a Cm * m / mm2 - pre elektrickú vodivosť.

Teraz môžeme povedať, že elektrický odpor a elektrická vodivosť charakterizujú vodivé vlastnosti drôtu s plochou prierezu 1 mm2, 1 meter dlhý pri teplote 20 ° C, je to pohodlnejšie.

Kovy ako zlato, meď, striebro, chróm a hliník majú najlepšiu elektrickú vodivosť. Oceľ a železo sú menej vodivé. Čisté kovy majú vždy lepšiu elektrickú vodivosť ako ich zliatiny, preto sa v elektrotechnike uprednostňuje čistá meď.Ak potrebujete obzvlášť vysokú odolnosť, potom sa používa volfrám, nichróm, konštantán.

Pri znalosti hodnoty špecifického elektrického odporu alebo elektrickej vodivosti je možné ľahko vypočítať odpor alebo elektrickú vodivosť určitého drôtu vyrobeného z daného materiálu, pričom sa berie do úvahy dĺžka l a plocha prierezu S tohto drôtu.

Elektrická vodivosť a elektrický odpor všetkých materiálov závisí od teploty, pretože so zvyšujúcou sa teplotou rastie aj frekvencia a amplitúda tepelných vibrácií atómov kryštálovej mriežky, zodpovedajúcim spôsobom sa zvyšuje aj odpor voči elektrickému prúdu a toku elektrónov.

S poklesom teploty sa naopak vibrácie atómov kryštálovej mriežky zmenšujú, odpor klesá (zvyšuje sa elektrická vodivosť). U niektorých látok je závislosť odporu od teploty menej výrazná, u iných silnejšia. Napríklad zliatiny ako konštantan, fechral a manganín mierne menia odpor v určitom teplotnom rozsahu, a preto sa z nich vyrábajú termostabilné odpory.

Teplotný koeficient odporu? umožňuje vypočítať pre konkrétny materiál nárast jeho odporu pri určitej teplote a číselne charakterizuje relatívny nárast odporu so zvýšením teploty o 1 °C.

Keď poznáme teplotný koeficient odporu a nárast teploty, je ľahké vypočítať odpor látky pri danej teplote.

Dúfame, že náš článok bol pre vás užitočný a teraz môžete ľahko vypočítať odpor a vodivosť akéhokoľvek drôtu pri akejkoľvek teplote.