Elektrisk ledningsförmåga hos ämnen

I den här artikeln kommer vi att avslöja ämnet elektrisk ledningsförmåga, vi kommer att komma ihåg vad elektrisk ström är, hur det är relaterat till en ledares motstånd och följaktligen till dess elektriska ledningsförmåga. Låt oss notera huvudformlerna för att beräkna dessa kvantiteter, berör ämnet nuvarande hastighet och dess förhållande till elektrisk fältstyrka. Vi kommer också att beröra sambandet mellan elektriskt motstånd och temperatur.

Till att börja med, låt oss komma ihåg vad elektrisk ström är. Om du placerar ett ämne i ett yttre elektriskt fält, börjar rörelsen av elementära laddningsbärare - joner eller elektroner - under inverkan av krafter från detta fält i ämnet. Det blir en elektrisk stöt. Strömmen I mäts i ampere, och en ampere är den ström vid vilken en laddning lika med en coulomb strömmar genom trådens tvärsnitt per sekund.

Strömmen är direkt, alternerande, pulserande.Likström ändrar inte sin storlek och riktning vid ett givet ögonblick, växelström ändrar sin storlek och riktning över tiden (AC-generatorer och transformatorer ger exakt växelström), pulserande ström ändrar sin storlek men ändrar inte riktning (t.ex. likriktad växelström) . strömpulserna).

Ämnen tenderar att leda en elektrisk ström under inverkan av ett elektriskt fält, och denna egenskap kallas elektrisk ledningsförmåga, som är olika för olika ämnen. Ämnes elektriska ledningsförmåga beror på koncentrationen av fritt laddade partiklar i dem, det vill säga joner och elektroner som inte är bundna varken till kristallstrukturen, eller med molekylerna eller med atomerna i det givna ämnet. Så, beroende på koncentrationen av fria laddningsbärare i ett givet ämne, delas ämnen upp efter graden av elektrisk ledningsförmåga i: ledare, dielektrikum och halvledare.

Den har den högsta elektriska ledningsförmågan ledningar av elektrisk ström, och av fysisk natur representeras ledare i naturen av två typer: metaller och elektrolyter. I metaller beror strömmen på rörelsen av fria elektroner, det vill säga de har elektronisk ledningsförmåga, och i elektrolyter (i lösningar av syror, salter, baser) - från rörelsen av joner - delar av molekyler som har en positiv och negativ laddning, det vill säga elektrolyternas ledningsförmåga är jonisk. Joniserade ångor och gaser kännetecknas av blandad konduktivitet, där strömmen beror på rörelsen av både elektroner och joner.

Elektronteorin förklarar perfekt den höga elektriska ledningsförmågan hos metaller.Valenselektronernas bindning med deras kärnor i metaller är svag, så dessa elektroner rör sig fritt från atom till atom genom hela ledarens volym.

Det visar sig att de fria elektronerna i metaller fyller utrymmet mellan atomer som en gas, en elektrongas, och är i kaotisk rörelse. Men när en metalltråd förs in i ett elektriskt fält kommer de fria elektronerna att röra sig på ett ordnat sätt, de kommer att röra sig mot den positiva polen och skapa en ström. Således kallas den ordnade rörelsen av fria elektroner i en metallledare en elektrisk ström.

Det är känt att utbredningshastigheten för ett elektriskt fält i rymden är ungefär lika med 300 000 000 m / s, det vill säga ljusets hastighet. Detta är samma hastighet som ström flyter genom en tråd.

Vad betyder det? Det betyder inte att varje elektron i metallen rör sig med en sådan enorm hastighet, utan elektronerna i en tråd har tvärtom en hastighet på några millimeter per sekund till några centimeter per sekund, beroende på elektrisk fältstyrka, men hastigheten för utbredning av elektrisk ström längs en tråd är exakt lika med ljusets hastighet.

Saken är att varje fri elektron visar sig vara i det allmänna elektronflödet av samma "elektrongas", och under strömmens passage verkar det elektriska fältet på hela detta flöde, vilket resulterar i att elektronerna ständigt sänder denna fältåtgärd till varandra - från granne till granne.

Men elektronerna flyttar till sina platser mycket långsamt, trots att hastigheten för utbredning av elektrisk energi längs tråden är enorm.Så när strömbrytaren slås på i kraftverket uppstår omedelbart ström i hela nätverket och elektronerna står praktiskt taget stilla.

Men när fria elektroner rör sig längs en tråd upplever de många kollisioner på vägen, de kolliderar med atomer, joner, molekyler och överför en del av sin energi till dem. Energin från de rörliga elektronerna som övervinner detta motstånd försvinner delvis som värme och ledaren värms upp.

Dessa kollisioner tjänar som motstånd mot elektroners rörelse, varför egenskapen hos en ledare att förhindra rörelse av laddade partiklar kallas elektriskt motstånd. Med ett lågt motstånd hos tråden värms tråden upp av strömmen något, med en betydande - mycket starkare och till och med vit, denna effekt används i värmeanordningar och glödlampor.

Enheten för resistansförändring är Ohm. Resistans R = 1 ohm är motståndet hos en sådan tråd, när en likström på 1 ampere passerar genom den, är potentialskillnaden i ändarna av tråden 1 volt. Resistansstandarden i 1 Ohm är en kolonn av kvicksilver 1063 mm hög, tvärsnitt 1 kvadrat mm vid en temperatur av 0 ° C.

Eftersom trådar kännetecknas av elektriskt motstånd kan vi säga att tråden i viss mån kan leda elektrisk ström. I detta sammanhang introduceras ett värde som kallas konduktivitet eller elektrisk konduktivitet. Elektrisk ledningsförmåga är en ledares förmåga att leda en elektrisk ström, det vill säga det ömsesidiga av det elektriska motståndet.

Enheten för elektrisk konduktivitet G (konduktivitet) är Siemens (S) och 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Eftersom olika ämnens atomer stör passagen av elektrisk ström i olika grad, är det elektriska motståndet för olika ämnen olika. Av denna anledning introducerades konceptet elektrisk resistans, vars värde «p» kännetecknar de ledande egenskaperna hos detta eller det ämnet.

Det specifika elektriska motståndet mäts i Ohm * m, det vill säga motståndet hos en kub av ämne med en kant på 1 meter. På liknande sätt kännetecknas den elektriska ledningsförmågan hos ett ämne av den specifika elektriska ledningsförmågan ?, mätt i S/m, det vill säga ledningsförmågan hos en kub av ämne med en kant på 1 meter.

Idag används främst ledande material inom elektroteknik i form av band, däck, trådar, med en viss tvärsnittsarea och en viss längd, men inte i form av meterkuber. Och för mer bekväma beräkningar av elektriskt motstånd och elektrisk ledningsförmåga hos ledningar av specifika storlekar introducerades mer acceptabla måttenheter för både elektriskt motstånd och elektrisk ledningsförmåga. Ohm * mm2 / m - för motstånd och Cm * m / mm2 - för elektrisk ledningsförmåga.

Nu kan vi säga att elektriskt motstånd och elektrisk ledningsförmåga karakteriserar de ledande egenskaperna hos en tråd med en tvärsnittsarea på 1 kvm, 1 meter lång vid en temperatur på 20 ° C, det är bekvämare.

Metaller som guld, koppar, silver, krom och aluminium har den bästa elektriska ledningsförmågan. Stål och järn är mindre ledande. Rena metaller har alltid bättre elektrisk ledningsförmåga än deras legeringar, så ren koppar är att föredra inom elektroteknik.Om du behöver särskilt högt motstånd, används volfram, nikrom, konstantan.

Genom att känna till värdet på det specifika elektriska motståndet eller elektrisk ledningsförmåga kan man enkelt beräkna motståndet eller elektrisk ledningsförmåga för en viss tråd gjord av ett givet material, med hänsyn till längden l och tvärsnittsarean S för denna tråd.

Den elektriska ledningsförmågan och det elektriska motståndet för alla material beror på temperaturen, eftersom frekvensen och amplituden för de termiska vibrationerna hos kristallgittrets atomer ökar också med ökande temperatur, motståndet mot elektrisk ström och flödet av elektroner ökar också i enlighet med detta.

När temperaturen minskar, tvärtom, blir vibrationerna hos kristallgittrets atomer mindre, motståndet minskar (elektrisk ledningsförmåga ökar). I vissa ämnen är motståndets beroende av temperatur mindre uttalat, i andra är det starkare. Till exempel ändrar sådana legeringar som konstantan, fechral och manganin motståndet något i ett visst temperaturområde, varför termostabila motstånd är gjorda av dem.

Temperaturkoefficient för motstånd? låter dig beräkna för ett specifikt material ökningen av dess motstånd vid en viss temperatur och karakteriserar numeriskt den relativa ökningen av motstånd med en ökning av temperaturen med 1 ° C.

Genom att känna till resistansens temperaturkoefficient och temperaturökningen är det lätt att beräkna ett ämnes resistans vid en given temperatur.

Vi hoppas att vår artikel var användbar för dig och nu kan du enkelt beräkna motståndet och ledningsförmågan hos vilken tråd som helst vid vilken temperatur som helst.