Conductibilitatea electrică a substanțelor

În acest articol, vom dezvălui subiectul conductivității electrice, ne vom aminti ce este curentul electric, cum este legat de rezistența unui conductor și, în consecință, de conductivitatea sa electrică. Să notăm principalele formule pentru calcularea acestor cantități, atingând subiectul viteza curenta și relația sa cu intensitatea câmpului electric. Vom atinge, de asemenea, relația dintre rezistența electrică și temperatură.

Pentru început, să ne amintim ce este curentul electric. Dacă plasați o substanță într-un câmp electric extern, atunci sub acțiunea forțelor din acest câmp, mișcarea purtătorilor de sarcină elementare - ioni sau electroni - va începe în substanță. Va fi un șoc electric. Curentul I se măsoară în amperi, iar un amper este curentul la care o sarcină egală cu un coulomb trece prin secțiunea transversală a firului pe secundă.

Curentul este continuu, alternativ, pulsatoriu.Curentul continuu nu își schimbă amploarea și direcția la un moment dat, curentul alternativ își schimbă amploarea și direcția în timp (generatoarele și transformatoarele de curent alternativ dau exact curent alternativ), curentul pulsatoriu își schimbă amploarea, dar nu își schimbă direcția (de exemplu, curent alternativ redresat) . impulsurile de curent).

Substanțele tind să conducă un curent electric sub acțiunea unui câmp electric, iar această proprietate se numește conductivitate electrică, care este diferită pentru diferite substanțe.Conductivitatea electrică a substanțelor depinde de concentrația de particule libere încărcate din ele, adică de ioni. și electroni care nu sunt legați nici cu structura cristalină, nici cu moleculele, nici cu atomii substanței date. Deci, în funcție de concentrația purtătorilor de sarcină liberi dintr-o substanță dată, substanțele sunt împărțite după gradul de conductivitate electrică în: conductori, dielectrici și semiconductori.

Are cea mai mare conductivitate electrică fire de curent electric, iar prin natura fizică conductorii în natură sunt reprezentați de două tipuri: metale și electroliți. În metale, curentul se datorează mișcării electronilor liberi, adică au conductivitate electronică, iar în electroliți (în soluții de acizi, săruri, baze) - din mișcarea ionilor - părți de molecule care au un efect pozitiv și sarcină negativă, adică conductivitatea electroliților este ionică. Vaporii și gazele ionizate se caracterizează prin conductivitate mixtă, unde curentul se datorează mișcării atât a electronilor, cât și a ionilor.

Teoria electronilor explică perfect conductivitatea electrică ridicată a metalelor.Legătura electronilor de valență cu nucleele lor din metale este slabă, astfel încât acești electroni se mișcă liber de la atom la atom pe tot volumul conductorului.

Se pare că electronii liberi din metale umplu spațiul dintre atomi ca un gaz, un gaz de electroni și sunt în mișcare haotică. Dar atunci când un fir metalic este introdus într-un câmp electric, electronii liberi se vor mișca ordonat, se vor deplasa spre polul pozitiv, creând un curent. Astfel, mișcarea ordonată a electronilor liberi într-un conductor metalic se numește curent electric.

Se știe că viteza de propagare a unui câmp electric în spațiu este aproximativ egală cu 300.000.000 m/s, adică viteza luminii. Aceasta este aceeași viteză cu care curge curentul printr-un fir.

Ce înseamnă? Asta nu înseamnă că fiecare electron din metal se mișcă cu o viteză atât de mare, dar electronii dintr-un fir, dimpotrivă, au o viteză de la câțiva milimetri pe secundă până la câțiva centimetri pe secundă, în funcție de intensitatea câmpului electric, dar viteza de propagare a curentului electric de-a lungul unui fir este exact egală cu viteza luminii.

Chestia este că fiecare electron liber se dovedește a fi în fluxul general de electroni al aceluiași „gaz de electroni”, iar în timpul trecerii curentului, câmpul electric acționează asupra întregului flux, în urma căruia electronii transmit constant această acțiune de câmp unul față de celălalt - de la vecin la vecin.

Dar electronii se deplasează la locurile lor foarte lent, în ciuda faptului că viteza de propagare a energiei electrice de-a lungul firului este enormă.Deci, atunci când comutatorul este pornit în centrală, curentul apare imediat în întreaga rețea și electronii practic stau nemișcați.

Cu toate acestea, atunci când electronii liberi se mișcă de-a lungul unui fir, ei experimentează multe ciocniri pe drum, se ciocnesc cu atomi, ioni, molecule, transferându-le o parte din energia lor. Energia electronilor în mișcare care înving această rezistență este parțial disipată ca căldură și conductorul se încălzește.

Aceste ciocniri servesc ca rezistență la mișcarea electronilor, motiv pentru care proprietatea unui conductor de a împiedica mișcarea particulelor încărcate se numește rezistență electrică. Cu o rezistență scăzută a firului, firul este ușor încălzit de curent, cu unul semnificativ - mult mai puternic și chiar până la alb, acest efect este utilizat în dispozitivele de încălzire și lămpile incandescente.

Unitatea de schimbare a rezistenței este Ohm. Rezistența R = 1 ohm este rezistența unui astfel de fir, când trece un curent continuu de 1 amper prin el, diferența de potențial la capetele firului este de 1 volt. Standardul de rezistență în 1 ohm este o coloană de mercur de 1063 mm înălțime, secțiune transversală de 1 mp Mm la o temperatură de 0 ° C.

Deoarece firele sunt caracterizate de rezistență electrică, putem spune că într-o oarecare măsură firul este capabil să conducă curentul electric. În acest sens, se introduce o valoare numită conductivitate sau conductivitate electrică. Conductivitatea electrică este capacitatea unui conductor de a conduce un curent electric, adică inversul rezistenței electrice.

Unitatea de unitate de conductivitate electrică G (conductivitate) este Siemens (S) și 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Deoarece atomii diferitelor substanțe interferează cu trecerea curentului electric în grade diferite, rezistența electrică a diferitelor substanțe este diferită. Din acest motiv, conceptul a fost introdus rezistență electrică, a cărui valoare «p» caracterizează proprietățile conductoare ale uneia sau aceleia substanțe.

Rezistența electrică specifică se măsoară în Ohm * m, adică rezistența unui cub de substanță cu marginea de 1 metru. În mod similar, conductivitatea electrică a unei substanțe este caracterizată de conductibilitatea electrică specifică ?, măsurată în S/m, adică conductivitatea unui cub de substanță cu marginea de 1 metru.

Astăzi, materialele conductoare în inginerie electrică sunt utilizate în principal sub formă de panglici, anvelope, fire, cu o anumită zonă de secțiune transversală și o anumită lungime, dar nu sub formă de cuburi de metri. Și pentru calcule mai convenabile ale rezistenței electrice și conductivității electrice a firelor de dimensiuni specifice, au fost introduse unități de măsură mai acceptabile atât pentru rezistența electrică, cât și pentru conductibilitatea electrică. Ohm * mm2 / m - pentru rezistență și Cm * m / mm2 - pentru conductivitate electrică.

Acum putem spune că rezistența electrică și conductivitatea electrică caracterizează proprietățile conductoare ale unui fir cu o suprafață în secțiune transversală de 1 mm², lungime de 1 metru la o temperatură de 20 ° C, este mai convenabil.

Metalele precum aurul, cuprul, argintul, cromul și aluminiul au cea mai bună conductivitate electrică. Oțelul și fierul sunt mai puțin conductoare. Metalele pure au întotdeauna o conductivitate electrică mai bună decât aliajele lor, așa că cuprul pur este preferat în inginerie electrică.Dacă aveți nevoie de rezistență deosebit de mare, atunci se folosesc wolfram, nicrom, constantan.

Cunoscând valoarea rezistenței electrice specifice sau conductivității electrice, se poate calcula cu ușurință rezistența sau conductivitatea electrică a unui anumit fir dintr-un material dat, ținând cont de lungimea l și de aria secțiunii transversale S a acestui fir.

Conductivitatea electrică și rezistența electrică a tuturor materialelor depind de temperatură, deoarece frecvența și amplitudinea vibrațiilor termice ale atomilor rețelei cristaline cresc și ele odată cu creșterea temperaturii, rezistența la curent electric și fluxul de electroni cresc în mod corespunzător.

Pe măsură ce temperatura scade, dimpotrivă, vibrațiile atomilor rețelei cristaline devin mai mici, rezistența scade (conductivitatea electrică crește). În unele substanțe, dependența rezistenței de temperatură este mai puțin pronunțată, în altele este mai puternică. De exemplu, aliaje precum constantan, fechral și manganin modifică ușor rezistența într-un anumit interval de temperatură, motiv pentru care rezistențele termostabile sunt fabricate din ele.

Coeficient de rezistență la temperatură? vă permite să calculați pentru un anumit material creșterea rezistenței sale la o anumită temperatură și caracterizează numeric creșterea relativă a rezistenței cu o creștere a temperaturii cu 1 ° C.

Cunoscând coeficientul de temperatură al rezistenței și creșterea temperaturii, este ușor de calculat rezistența unei substanțe la o anumită temperatură.

Sperăm că articolul nostru v-a fost util și acum puteți calcula cu ușurință rezistența și conductivitatea oricărui fir la orice temperatură.