Elektrisk ledningsevne af stoffer

I denne artikel vil vi afsløre emnet elektrisk ledningsevne, vi vil huske hvad elektrisk strøm er, hvordan det er relateret til modstanden af ​​en leder og følgelig til dens elektriske ledningsevne. Lad os bemærke hovedformlerne til beregning af disse mængder ved at berøre emnet nuværende hastighed og dets forhold til elektrisk feltstyrke. Vi vil også komme ind på forholdet mellem elektrisk modstand og temperatur.

Til at begynde med, lad os huske, hvad elektrisk strøm er. Hvis du placerer et stof i et eksternt elektrisk felt, vil bevægelsen af ​​elementære ladningsbærere - ioner eller elektroner - under påvirkning af kræfter fra dette felt begynde i stoffet. Det vil være et elektrisk stød. Strømmen I måles i ampere, og en ampere er den strøm, ved hvilken en ladning svarende til en coulomb strømmer gennem ledningens tværsnit pr. sekund.

Strøm er direkte, vekslende, pulserende.Jævnstrøm ændrer ikke sin størrelse og retning på et givent tidspunkt, vekselstrøm ændrer sin størrelse og retning over tid (AC-generatorer og transformere giver nøjagtigt vekselstrøm), pulserende strøm ændrer sin størrelse, men ændrer ikke retning (f.eks. ensrettet vekselstrøm) . de aktuelle pulser).

Stoffer har en tendens til at lede en elektrisk strøm under påvirkning af et elektrisk felt, og denne egenskab kaldes elektrisk ledningsevne, som er forskellig for forskellige stoffer. Stoffers elektriske ledningsevne afhænger af koncentrationen af ​​frit ladede partikler i dem, det vil sige ioner og elektroner, der ikke er bundet hverken til krystalstrukturen eller med molekylerne eller til atomerne i det givne stof. Så afhængigt af koncentrationen af ​​frie ladningsbærere i et givet stof opdeles stoffer efter graden af ​​elektrisk ledningsevne i: ledere, dielektriske stoffer og halvledere.

Det har den højeste elektriske ledningsevne ledninger af elektrisk strøm, og af fysisk natur er ledere i naturen repræsenteret af to typer: metaller og elektrolytter. I metaller skyldes strømmen bevægelsen af ​​frie elektroner, det vil sige, at de har elektronisk ledningsevne, og i elektrolytter (i opløsninger af syrer, salte, baser) - fra bevægelser af ioner - dele af molekyler, der har en positiv og negativ ladning, det vil sige elektrolytters ledningsevne er ionisk. Ioniserede dampe og gasser er karakteriseret ved blandet ledningsevne, hvor strømmen skyldes bevægelse af både elektroner og ioner.

Elektronteorien forklarer perfekt den høje elektriske ledningsevne af metaller.Valenselektronernes binding med deres kerner i metaller er svag, så disse elektroner bevæger sig frit fra atom til atom gennem hele lederens rumfang.

Det viser sig, at de frie elektroner i metaller fylder rummet mellem atomer som en gas, en elektrongas, og er i kaotisk bevægelse. Men når en metaltråd indføres i et elektrisk felt, vil de frie elektroner bevæge sig på en ordnet måde, de vil bevæge sig mod den positive pol og skabe en strøm. Således kaldes den ordnede bevægelse af frie elektroner i en metalleder en elektrisk strøm.

Det er kendt, at udbredelseshastigheden af ​​et elektrisk felt i rummet er omtrent lig med 300.000.000 m / s, det vil sige lysets hastighed. Dette er den samme hastighed, hvormed strømmen løber gennem en ledning.

Hvad betyder det? Det betyder ikke, at hver elektron i metallet bevæger sig med så stor en hastighed, men elektronerne i en ledning har tværtimod en hastighed på et par millimeter i sekundet til et par centimeter i sekundet, afhængigt af elektrisk feltstyrke, men hastigheden for udbredelse af elektrisk strøm langs en ledning er nøjagtigt lig med lysets hastighed.

Sagen er, at hver fri elektron viser sig at være i den generelle elektronstrøm af denne samme "elektrongas", og under strømmens passage virker det elektriske felt på hele denne strøm, som et resultat af hvilket elektronerne konstant transmitterer denne feltaktion til hinanden - fra nabo til nabo.

Men elektronerne bevæger sig meget langsomt til deres steder, på trods af at hastigheden af ​​udbredelse af elektrisk energi langs ledningen er enorm.Så når kontakten tændes i kraftværket, opstår der straks strøm i hele netværket, og elektronerne står praktisk talt stille.

Men når frie elektroner bevæger sig langs en ledning, oplever de mange kollisioner på deres vej, de kolliderer med atomer, ioner, molekyler og overfører noget af deres energi til dem. Energien fra de bevægelige elektroner, der overvinder denne modstand, spredes delvist som varme, og lederen opvarmes.

Disse kollisioner tjener som modstand mod elektronernes bevægelse, hvorfor en leders egenskab til at forhindre bevægelse af ladede partikler kaldes elektrisk modstand. Med en lav modstand af ledningen opvarmes ledningen lidt af strømmen, med en betydelig - meget stærkere og endda til hvid, denne effekt bruges i varmeanordninger og glødelamper.

Enheden for modstandsændring er Ohm. Modstand R = 1 ohm er modstanden af ​​en sådan ledning, når en jævnstrøm på 1 ampere passerer gennem den, er potentialforskellen i enderne af ledningen 1 volt. Standarden for modstand i 1 Ohm er en søjle af kviksølv 1063 mm høj, tværsnit 1 sq. Mm ved en temperatur på 0 ° C.

Da ledninger er karakteriseret ved elektrisk modstand, kan vi sige, at ledningen til en vis grad er i stand til at lede elektrisk strøm. I den forbindelse introduceres en værdi kaldet ledningsevne eller elektrisk ledningsevne. Elektrisk ledningsevne er en leders evne til at lede en elektrisk strøm, det vil sige den gensidige af den elektriske modstand.

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

Da atomer af forskellige stoffer forstyrrer passagen af ​​elektrisk strøm i forskellig grad, er den elektriske modstand af forskellige stoffer forskellig. Af denne grund blev konceptet introduceret elektrisk modstand, hvis værdi «p» karakteriserer dette eller det stofs ledende egenskaber.

Den specifikke elektriske modstand måles i Ohm * m, det vil sige modstanden af ​​en terning af stof med en kant på 1 meter. På samme måde er den elektriske ledningsevne af et stof karakteriseret ved den specifikke elektriske ledningsevne ?, målt i S/m, det vil sige ledningsevnen af ​​en terning af stof med en kant på 1 meter.

I dag bruges ledende materialer i elektroteknik hovedsageligt i form af bånd, dæk, ledninger, med et vist tværsnitsareal og en vis længde, men ikke i form af meterterninger. Og for mere bekvemme beregninger af elektrisk modstand og elektrisk ledningsevne af ledninger af specifikke størrelser blev mere acceptable måleenheder for både elektrisk modstand og elektrisk ledningsevne introduceret. Ohm * mm2 / m - for modstand og Cm * m / mm2 - for elektrisk ledningsevne.

Nu kan vi sige, at elektrisk modstand og elektrisk ledningsevne karakteriserer de ledende egenskaber af en ledning med et tværsnitsareal på 1 sq.mm, 1 meter lang ved en temperatur på 20 ° C, det er mere bekvemt.

Metaller som guld, kobber, sølv, krom og aluminium har den bedste elektriske ledningsevne. Stål og jern er mindre ledende. Rene metaller har altid bedre elektrisk ledningsevne end deres legeringer, så rent kobber foretrækkes i elektroteknik.Hvis du har brug for særlig høj modstand, bruges wolfram, nichrome, konstantan.

Ved at kende værdien af ​​den specifikke elektriske modstand eller elektrisk ledningsevne kan man nemt beregne modstanden eller den elektriske ledningsevne af en bestemt ledning lavet af et givet materiale under hensyntagen til længden l og tværsnitsarealet S af denne ledning.

Den elektriske ledningsevne og elektriske modstand af alle materialer afhænger af temperaturen, fordi frekvensen og amplituden af ​​de termiske vibrationer af atomerne i krystalgitteret også stiger med stigende temperatur, modstanden mod elektrisk strøm og strømmen af ​​elektroner stiger også tilsvarende.

Når temperaturen falder, bliver vibrationerne fra krystalgitterets atomer tværtimod mindre, modstanden falder (elektrisk ledningsevne øges). I nogle stoffer er modstandsafhængigheden af ​​temperatur mindre udtalt, i andre er den stærkere. For eksempel ændrer sådanne legeringer som konstantan, fechral og manganin lidt modstand i et bestemt temperaturområde, hvorfor termostabile modstande er lavet af dem.

Temperaturmodstandskoefficient? giver dig mulighed for at beregne stigningen i dets modstand ved en bestemt temperatur for et bestemt materiale og karakteriserer numerisk den relative stigning i modstand med en stigning i temperaturen med 1 ° C.

Ved at kende modstandens temperaturkoefficient og temperaturstigningen er det let at beregne et stofs modstand ved en given temperatur.

Vi håber, at vores artikel var nyttig for dig, og nu kan du nemt beregne modstanden og ledningsevnen af ​​enhver ledning ved enhver temperatur.