Електронна провідність матеріалів. Електрична провідність різних речовин

Конвертер довжини та відстані Конвертер маси Конвертер мір об'єму сипких продуктів і продуктів харчування Конвертер площі Конвертер об'єму та одиниць вимірювання в кулінарних рецептах Конвертер температури Конвертер тиску, механічної напруги, модуля Юнга Конвертер енергії та роботи Конвертер сили Конвертер сили Конвертер часу теплової ефективності та паливної економічності Конвертер чисел у різних системах числення Конвертер одиниць вимірювання кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічого одягу та взуття Конвертер кутової швидкості та частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискорення Конвертер густини Конвертер питомого об'єму Конвертер Конвертер обертального моменту Конвертер питомої теплоти згоряння (за масою) Конвертер щільності енергії та питомої теплоти згоряння палива (за об'ємом) Конвертер різниці температур Конвертер коефіцієнта теплового розширення Конвертер термічного опору Конвертер питомої теплопровідності Конвертер питомої теплоємності Конвертер коефіцієнта тепловіддачі Конвертер об'ємної витрати Конвертер масової витрати Конвертер молярної витрати Конвертер щільності потоку маси Конвертер молярної концентрації Конвертер масової концентрації в розчині Конвертер динамічної (абсолютної) в'язкості Конвертер потоку тер чутливості мікрофонів Конвертер рівня звукового тиску (SPL) Конвертер рівня звукового тиску з можливістю вибору опорного тиску Конвертер яскравості Конвертер сили світла Конвертер освітленості Конвертер роздільної здатності в комп'ютерній графіці Конвертер частоти та довжини хвилі Оптична сила в діоптріях та фокусна відстань Оптична сила в діоптріях та збільшення лін електричного заряду Конвертер лінійної щільності заряду Конвертер поверхневої щільності заряду Конвертер об'ємної щільності заряду Конвертер електричного струму Конвертер електричної опору Конвертер електричної опору електричної провідності Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін. одиницях Конвертер магніторушійної сили Конвертер напруженості магнітного поля Конвертер магнітного потоку Конвертер магнітної індукції Радіація. Конвертер потужності поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Конвертер радіоактивного розпаду Радіація. Конвертер експозиційної дози. Конвертер поглиненої дози Конвертер десяткових приставок Передача даних Конвертер одиниць типографіки та обробки зображень Конвертер одиниць вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної маси Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва

1 умовна одиниця електропровідності = 0,0001 сименс на метр [Див/м]

Вихідна величина

Перетворена величина

сименс на метр пикосименс на метр мо на метр мо на сантиметр абмо на метр абмо на сантиметр статмо на метр статмо на сантиметр сименс на сантиметр мілісіменс на метр мілісіменс на сантиметр мікросіменс на метр мікросименс на сантиметр умовна одиниця електро. перерахунку 700 мільйонних часток, коеф. перерахунку 500 мільйонних часток, коеф. перерахунку 640 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 640 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 550 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 500 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 700

Об'ємна щільність заряду

Докладніше про питому електричну провідність

Введення та визначення

Питома електрична провідність (або питома електропровідність)є мірою здатності речовини проводити електричний струм чи переміщати електричні заряди у ньому. Це відношення густини струму до напруженості електричного поля. Якщо розглянути куб із провідного матеріалу зі стороною 1 метр, то питома провідність дорівнюватиме електричної провідності, виміряної між двома протилежними сторонами цього куба.

Питома провідність пов'язана з провідністю наступною формулою:

G = σ(A/l)

де G- електрична провідність, σ - Питома електрична провідність, А- поперечний переріз провідника, перпендикулярний напряму електричного струму та l- Довжина провідника. Цю формулу можна використовувати з будь-яким провідником у формі циліндра чи призми. Зазначимо, що цю формулу можна використовувати і для прямокутного паралелепіпеда, тому що він є окремим випадком призми, основою якої є прямокутник. Нагадаємо, що питома електрична провідність - величина, зворотна питомого електричного опору.

Людям, далеким від фізики та техніки, буває складно зрозуміти різницю між провідністю провідника та питомою провідністю речовини. Тим часом, звісно, це різні фізичні величини. Провідність - це властивість даного провідника або пристрою (наприклад, резистора або гальванічної ванни), тоді як питома провідність - це невід'ємна властивість матеріалу, з якого виготовлено цей провідник або пристрій. Наприклад, питома провідність міді завжди однакова, незалежно від того, як змінюється форма та розміри предмета з міді. У той же час, провідність мідного дроту залежить від його довжини, діаметра, маси, форми та деяких інших факторів. Звичайно, схожі об'єкти з матеріалів з вищою питомою провідністю мають вищу провідність (хоч і не завжди).

У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею питомої електричної провідності є сименс на метр (Див/м). Одиниця провідності, що входить до неї, названа на честь німецького вченого, винахідника, підприємця Вернера фон Сіменса (1816–1892 рр.). Заснована ним 1847 р. компанія Siemens AG (Сіменс) є однією з найбільших компаній, що випускають електротехнічне, електронне, енергетичне, транспортне та медичне обладнання.

Діапазон питомих електричних провідностей дуже широкий: від матеріалів, що мають високий питомий опір, таких як скло (яке, між іншим, добре проводить електричний струм, якщо його нагріти до червоного) або поліметилметакрилат (органічне скло) до дуже хороших провідників, таких як срібло, мідь чи золото. Питома електрична провідність визначається кількістю зарядів (електронів та іонів), швидкістю їх руху та кількістю енергії, яку вони можуть переносити. Середні значення питомої провідності мають водні розчини різних речовин, які використовуються, наприклад, у гальванічних ваннах. Іншим прикладом електролітів із середніми значеннями питомої провідності є внутрішнє середовище організму (кров, плазма, лімфа та інші рідини).

Провідність металів, напівпровідників та діелектриків детально обговорюється в наступних статтях Конвертера фізичних величин сайт: , та Електрична провідність. У цій статті ми обговоримо докладніше питому провідність електролітів, а також методи та просте обладнання для її вимірювання.

Питома електрична провідність електролітів та її вимір

Питома провідність водних розчинів, у яких електричний струм виникає внаслідок руху заряджених іонів, визначається кількістю носіїв заряду (концентрацією речовини у розчині), швидкістю їх руху (рухливість іонів залежить від температури) та зарядом, які вони несуть (визначуваною валентністю іонів). Тому в більшості водних розчинів підвищення концентрації призводить до збільшення числа іонів і, отже, збільшення питомої провідності. Однак після досягнення певного максимуму питома провідність розчину може зменшуватися при подальшому збільшенні концентрації розчину. Тому розчини з двома різними концентраціями однієї і тієї ж солі можуть мати однакову питому провідність.

Температура також впливає на провідність, тому що при підвищенні температури іони рухаються швидше, що призводить до збільшення питомої провідності. Чиста вода – поганий провідник електрики. Звичайна дистильована вода, в якій міститься в рівноважному стані вуглекислий газ з повітря та загальна мінералізація менше 10 мг/л, має питому електричну провідність близько 20 мСм/см. Питома провідність різних розчинів наведена нижче у таблиці.

Для визначення питомої провідності розчину використовується вимірювач опору (омметр) чи провідності. Це практично однакові пристрої, що відрізняються лише шкалою. Обидва вимірюють падіння напруги на ділянці ланцюга, яким протікає електричний струм від батареї приладу. Виміряне значення провідності вручну або автоматично перераховується до питомої провідності. Це здійснюється з урахуванням фізичних характеристик вимірювального пристрою чи датчика. Датчики питомої провідності влаштовані просто: це пара (або дві пари) електродів, занурених у електроліт. Датчики для вимірювання питомої провідності характеризуються постійної датчика питомої провідності, яка у найпростішому випадку визначається як відношення відстані між електродами Dдо площі (електроду), перпендикулярної до течії струму А

Ця формула добре працює, якщо площа електродів значно більша за відстань між ними, так як у цьому випадку більша частина електричного струму протікає між електродами. Приклад: для 1 кубічного сантиметра рідини K = D/A= 1 см/1 см² = 1 см⁻¹. Зазначимо, що датчики питомої провідності з маленькими електродами, розсунутими на відносну відстань, характеризуються значеннями постійної датчика 1.0 cm⁻¹ і вище. У той же час датчики з відносно великими електродами, розташованими близько один до одного, мають постійну 0,1 cm⁻¹ або менше. Постійна датчика для вимірювання питомої електричної провідності різних пристроїв знаходиться від 0,01 до 100 cm⁻¹.

Теоретична постійна датчика: ліворуч - K= 0,01 см⁻¹ , справа - K= 1 см⁻¹

Для отримання питомої провідності виміряної провідності використовується наступна формула:

σ = K ∙ G

σ - Питома провідність розчину См/см;

K- постійна датчика в см⁻¹;

G- Провідність датчика в сименсах.

Постійну датчика зазвичай не розраховують за його геометричними розмірами, а вимірюють у конкретному вимірювальному пристрої або конкретної вимірювальної установки з використанням розчину з відомою провідністю. Ця виміряна величина і вводиться в прилад для вимірювання питомої провідності, який автоматично розраховує питому провідність за вимірюваними значеннями провідності або опору розчину. У зв'язку з тим, що питома провідність залежить від температури розчину, пристрої її вимірювання часто містять датчик температури, який вимірює температуру і забезпечує автоматичну температурну компенсацію вимірювань, тобто, приведення результатів до стандартної температури 25°C.

Найпростіший спосіб вимірювання провідності - прикласти напругу до двох плоских електродів, занурених у розчин, і виміряти струм, що протікає. Цей метод називається потенціометричним. За законом Ома, провідність Gє ставленням струму Iдо напруги U:

Однак не все так просто, як описано вище – при вимірі провідності є багато проблем. Якщо використовується постійний струм, іони збираються біля поверхонь електродів. Також біля поверхонь електродів може виникнути хімічна реакція. Це призводить до збільшення поляризаційного опору на поверхнях електродів, що, своєю чергою, призводить до отримання помилкових результатів. Якщо спробувати виміряти звичайним тестером опір, наприклад, розчину хлористого натрію, добре видно, як показання на дисплеї цифрового приладу досить швидко змінюються у бік збільшення опору. Щоб унеможливити вплив поляризації, часто використовують конструкцію датчика з чотирьох електродів.

Поляризацію також можна запобігти або, принаймні, зменшити, якщо використовувати при вимірі змінний струм замість постійного та ще й підлаштовувати частоту в залежності від провідності. Низькі частоти використовуються для вимірювання низької питомої провідності, коли вплив поляризації невеликий. Вищі частоти використовуються для вимірювання високих провідностей. Зазвичай частота підлаштовується в процесі вимірювання автоматично з урахуванням отриманих значень провідності розчину. Сучасні цифрові двоелектродні вимірювачі провідності зазвичай використовують змінний струм складної форми та температурну компенсацію. Вони відкалібровані на заводі-виробнику, проте в процесі експлуатації часто потрібне повторне калібрування, оскільки постійне вимірювальне комірки (датчика) змінюється з часом. Наприклад, вона може змінитися при забрудненні датчика або фізико-хімічних змін електродів.

У традиційному двоелектродному вимірнику питомої провідності (саме такий ми будемо використовувати в нашому експерименті) між двома електродами прикладена змінна напруга і вимірюється струм, що протікає між електродами. Цей простий метод має один недолік - вимірюється як опір розчину, а й опір, викликане поляризацією електродів. Для зведення впливу поляризації до мінімуму використовують чотириелектродну конструкцію датчика, а також покриття електродів платиновим чернем.

Загальна мінералізація

Пристрої для вимірювання питомої електричної провідності часто використовують для визначення загальної мінералізації або вмісту твердих речовин(англ. total dissolved solids, TDS). Це міра загальної кількості органічних та неорганічних речовин, що містяться в рідині у різних формах: іонізованої, молекулярної (розчиненої), колоїдної та у вигляді суспензії (нерозчиненої). До розчинених речовин належать будь-які неорганічні солі. Головним чином це хлориди, бікарбонати і сульфати кальцію, калію, магнію, натрію, а також деякі органічні речовини, розчинені у воді. Щоб ставитись до загальної мінералізації, речовини повинні бути або розчиненими, або у формі дуже дрібних частинок, які проходять крізь фільтри з діаметром пір менше 2 мікрометрів. Речовини, які постійно перебувають у розчині у зваженому стані, але не можуть пройти крізь такий фільтр, називається зваженими твердими речовинами(Англ. total suspended solids, TSS). Загальна кількість завислих речовин зазвичай вимірюється визначення якості води.

Існує два методи вимірювання вмісту твердих речовин: гравіметричний аналіз, що є найбільш точним методом, вимірювання питомої провідності. Перший метод – найточніший, але потребує великих витрат часу та наявності лабораторного обладнання, оскільки воду потрібно випарувати до отримання сухого залишку. Зазвичай це робиться за температури 180°C у лабораторних умовах. Після повного випаровування залишок зважується на точних терезах.

Другий метод не такий точний, як гравіметричний аналіз. Однак він дуже зручний, широко поширений і є найбільш швидким методом, оскільки є простим виміром провідності і температури, що виконується за кілька секунд недорогим вимірювальним приладом. Метод вимірювання питомої електропровідності можна використовувати у зв'язку з тим, що питома провідність води залежить від кількості розчинених у ній іонізованих речовин. Цей метод особливо зручний для контролю якості питної води або оцінки загальної кількості іонів у розчині.

Виміряна провідність залежить від температури розчину. Тобто чим вище температура, тим вище провідність, тому що іони в розчині при підвищенні температури рухаються швидше. Для одержання вимірювань, незалежних від температури, використовується концепція стандартної (опорної) температури, до якої наводяться результати виміру. Опорна температура дозволяє порівняти результати, отримані за різних температур. Таким чином, вимірювач питомої провідності може вимірювати реальну провідність, а потім використовувати функцію коригування, яка автоматично приведе результат до опорної температури 20 або 25°C. Якщо необхідна дуже висока точність, зразок можна помістити в термостат, відкалібрувати вимірювальний прилад при тій же температурі, яка буде використовуватися при вимірюваннях.

Більшість сучасних вимірювачів питомої провідності мають вбудований датчик температури, який використовується як для температурної корекції, так і для вимірювання температури. Найдосконаліші прилади здатні вимірювати та відображати виміряні значення в одиницях питомої провідності, питомого опору, солоності, загальної мінералізації та концентрації. Однак ще раз відзначимо, що всі ці прилади вимірюють лише провідність (опір) та температуру. Усі фізичні величини, які показує дисплей, розраховуються приладом з урахуванням виміряної температури, яка використовується для автоматичної компенсації температур і приведення виміряних значень до стандартної температури.

Експеримент: вимірювання загальної мінералізації та провідності

На закінчення ми виконаємо кілька експериментів з вимірювання питомої провідності за допомогою недорогого вимірювача загальної мінералізації (так званого солемером, салінометром або кондуктомером) TDS-3. Ціна «безіменного» приладу TDS-3 на eBay з урахуванням доставки на момент написання статті менш ніж US$3.00. Такий самий прилад, але з назвою виробника коштує вже в 10 разів дорожче. Але це для любителів платити за бренд, хоча дуже висока ймовірність того, що обидва прилади будуть випущені на тому самому заводі. TDS-3 здійснює температурну компенсацію і для цього має датчик температури, розташований поруч з електродами. Тому його можна використовувати і як термометр. Слід ще раз відзначити, що прилад реально вимірює не саму мінералізацію, а опір між двома дротяними електродами та температуру розчину. Все інше він автоматично розраховує з використанням калібрувальних коефіцієнтів.

Вимірювач загальної мінералізації допоможе визначити вміст твердих речовин, наприклад, при контролі якості питної води або визначення солоності води в акваріумі або прісноводному ставку. Його можна також використовувати для контролю якості води в системах фільтрації та очищення води, щоб дізнатися коли настав час замінити фільтр або мембрану. Прилад відкалібрований на заводі-виробнику за допомогою розчину хлориду натрію NaCl з концентрацією 342 ppm (частиною на мільйон або мг/л). Діапазон вимірювання приладу – 0–9990 ppm або мг/л. PPM - мільйонна частка, безрозмірна одиниця виміру відносних величин, що дорівнює 110⁻⁶ від базового показника. Наприклад, масова концентрація 5 мг/кг = 5 мг на 1 000 000 мг = 5 частин на мільйон або мільйонних часток. Так само, як відсоток є однією сотою часткою, мільйонна частка є однією мільйонною часткою. Відсотки та мільйонні частки за змістом дуже схожі. Мільйонні частки, на відміну відсотків, зручні для вказівки концентрації дуже слабких розчинів.

Прилад вимірює електричну провідність між двома електродами (тобто величину, зворотну опору), потім перераховує результат у питому електричну провідність (в англомовній літературі часто використовують скорочення EC) за наведеною вище формулою провідності з урахуванням постійної датчика K, потім виконує ще один перерахунок, помножуючи отриману питому провідність коефіцієнт перерахунку 500. У результаті виходить значення загальної мінералізації в мільйонних частках (ppm). Докладніше про це – нижче.

Даний прилад для вимірювання загальної мінералізації не можна використовувати для перевірки якості води з високим вмістом солей. Прикладами речовин із високим вмістом солей є деякі харчові продукти (звичайний суп із нормальним вмістом солі 10 г/л) та морська вода. Максимальна концентрація натрію хлориду, яку може виміряти цей прилад - 9990 ppm або близько 10 г/л. Це нормальна концентрація солі в харчових продуктах. Даним приладом також не можна виміряти солоність морської води, оскільки вона зазвичай дорівнює 35 г/л або 35000 ppm, що набагато вище, ніж прилад здатний виміряти. При спробі виміряти таку високу концентрацію пристрій виведе повідомлення про помилку Err.

Солемір TDS-3 вимірює питому провідність і для калібрування та перерахунку концентрацію використовує так звану «шкалу 500» (або «шкалу NaCl»). Це означає, що для отримання концентрації у мільйонних частках значення питомої провідності в мСм/см множиться на 500. Тобто, наприклад, 1,0 мСм/см множиться на 500 і виходить 500 ppm. У різних галузях промисловості використовують різні шкали. Наприклад, у гідропоніці використовують три шкали: 500, 640 та 700. Різниця між ними тільки у використанні. Шкала 700 заснована на вимірюванні концентрації хлориду калію в розчині і перерахунок питомої провідності концентрацію виконується так:

1,0 мСм/см x 700 дає 700 ppm

Шкала 640 використовує коефіцієнт перетворення 640 для перетворення мСм ppm:

1,0 мСм/см x 640 дає 640 ppm

У нашому експерименті ми спочатку виміряємо загальну мінералізацію дистильованої води. Солемір показує 0 ppm. Мультиметр показує опір 1,21 МОм.

Для експерименту приготуємо розчин натрію хлориду NaCl з концентрацією 1000 ppm і виміряємо концентрацію за допомогою TDS-3. Для приготування 100 мл розчину нам потрібно розчинити 100 мг натрію хлориду і долити дистильованої води до 100 мл. Зважимо 100 мг натрію хлориду і помістимо його в мірний циліндр, додамо трохи дистильованої води і розмішаємо до повного розчинення солі. Потім доллємо воду до мітки 100 мл і ще раз добре розмішаємо.

Вимір опору між двома електродами, виготовленими з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що електроди TDS-3; мультиметр показує 2,5 КОМ

Для експериментального визначення провідності використовували два електроди, виготовлені з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що і електроди TDS-3. Виміряний опір становив 2,5 КОм.

Тепер, коли нам відомий опір і концентрація хлориду натрію в мільйонних частках, ми можемо приблизно розрахувати постійну вимірювальну комірку солемеру TDS-3 за наведеною вище формулою:

K = σ/G= 2 мСм/см x 2,5 кОм = 5 см⁻¹

Це значення 5 см⁻¹ близько до розрахункової величини постійного вимірювального осередку TDS-3 із зазначеними нижче розмірами електродів (див. малюнок).

D = 0,5 см – відстань між електродами;
W = 0,14 см – ширина електродів
L = 1,1 см – довжина електродів

Постійна датчика TDS-3 дорівнює K = D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Це не дуже відрізняється від отриманого вище значення. Нагадаємо, що наведена вище формула дозволяє лише приблизно оцінити постійну датчика.

Ви вагаєтесь у перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові допомогти вам. Опублікуйте питання у TCTermsі протягом кількох хвилин ви отримаєте відповідь.

Для того щоб говорити про електропровідність, потрібно згадати про природу електричного струму як такого. Так, при приміщенні будь-якої речовини всередину електричного поля відбувається пересування зарядів. Цей рух стимулює дію електричного поля. Саме потік електронів і є електрострумом. Сила струму, як відомо нам зі шкільних уроків з фізики, вимірюється в Амперах і позначається латинською літерою I. 1 А являє собою електрострум, при якому за час, що дорівнює одній секунді, проходить заряд в 1 Кулон.

Електричний струм буває декількох видів, а саме:

постійний струм, який не змінюється щодо показника та траєкторії руху у будь-який момент часу;
змінний струм, який змінює свій показник та траєкторію у часі (виготовляється генераторами та трансформаторами);
пульсуючий струм зазнає змін у величині, але при цьому не змінює свого напрямку.

Під впливом електричного поля різного роду матеріали здатні проводити електрострум. Саме ця властивість називається електропровідністьяка у кожної речовини індивідуальна.

Показник електропровідності безпосередньо пов'язаний із вмістом у матеріалі зарядів, що вільно рухаються, які не мають зв'язку з кристалічною сіткою, молекулами або атомами.

Таким чином, за ступенем провідності струму матеріали поділяються на такі типи:

провідники;
діелектрики;
напівпровідники.

Найбільший показник електричної провідності властивий провідникам. Вони представлені у вигляді металів чи електролітів. Усередині металевих провідників струм обумовлюється рухом вільних заряджених частинок, таким чином електропровідність металів електронна. Електролітам властива електропровідність іонна, обумовлена рухом саме іонів.

Висока здатність до електропровідності трактується в електронній теорії. Так, електрони курсують серед атомів по всьому провіднику через їх слабкий валентний зв'язок з ядрами. Тобто, заряджені частинки, що вільно рухаються, усередині металу закривають собою порожнечі серед атомів і характеризуються хаотичності пересування. Якщо ж в електричне поле буде поміщений провідник з металу, електрони приймуть лад у своєму пересуванні, перейшовши до полюса з позитивним зарядом. Саме за рахунок цього створюється електричний струм. Швидкість поширення електричного поля у просторі аналогічна швидкості світла. Саме з цією швидкістю електрострум рухається всередині провідника. Це не швидкість руху безпосередньо електронів (їх швидкість дуже мала і дорівнює максимум кільком мм/сек), а швидкість поширення електроенергії по всій речовині.

При вільному пересуванні зарядів усередині провідника вони зустрічають своєму шляху різні мікрочастинки, з якими відбувається зіткнення і деяка енергія віддається їм. Провідники, як відомо, зазнають нагрівання. Це відбувається саме через те, що долаючи опір, енергія електронів поширюється як теплове виділення.

Такі «аварії» зарядів створюють перешкоду пересуванню електронів, що називається у фізиці опором. Невеликий опір не сильно нагріває провідник, а при високому досягаються великі температури. Останнє явище використовується в нагрівальних пристроях, а також традиційних лампах розжарювання. Вимір опору відбувається в Омах. Позначається латинською літерою R.

Електропровідність– явище, яке відображає здатність металу чи електроліту проводити електрострум. Ця величина зворотна величині електричного опору.
Вимірюється електропровідність Сіменсамі, а позначається буквою G.

Оскільки атоми створюють перешкоду проходженню струму, показник опору речовин різний. Для позначення було введено поняття питомого опору (Ом-м), яке дає інформацію про можливості провідності речовин.

Сучасні провідні матеріали мають форму тонких стрічок, дротів із конкретною величиною площі поперечного перерізу та певною довжиною. Питома електропровідність та питомий опір вимірюється у наступних одиницях: См-м/мм.кв та Ом-мм.кв/м відповідно.

Таким чином, питомий електричний опір та питома електропровідність є характеристиками провідної здатності того чи іншого матеріалу, площа перерізу якого дорівнює 1 мм.кв., а довжина 1 м. Температура для характеристики – 20 градусів за Цельсієм.

Хорошими провідниками електричного струму серед металів є дорогоцінні метали, а саме золото та срібло, а також мідь, хром та алюміній. Сталеві та залізні провідники мають слабші характеристики. Варто зазначити, що метали у чистому вигляді відрізняються кращими електропровідними властивостями порівняно зі сплавами металів. Для високого опору, якщо це необхідно, застосовують вольфрамові, ніхромові та константні провідники.

Маючи знання про показники питомого опору або питомої провідності, дуже просто обчислити опір і електропровідність певного провідника. При цьому в розрахунках має використовуватися довжина та площа поперечного перерізу конкретного провідника.

Важливо знати, що показник електропровідності, а також опір будь-якого матеріалу залежить від температурного режиму. Це пояснюється тим, що при зміні температури відбуваються і зміни в частоті і амплітуді коливань атомів. Таким чином, при зростанні температури паралельно зросте і опір потоку зарядів, що рухаються. А при зниженні температури відповідно знижується опір, а електропровідність зростає.

У деяких матеріалах залежність температури від опору виражена дуже яскраво, у деяких слабкіше.

Фізична природа електричного опору.При русі вільних електронів у провіднику вони зіштовхуються своєму шляху з позитивними іонами 2 (див. рис. 10, а), атомами і молекулами речовини, з якого виконаний провідник, і передають їм частину своєї енергії. При цьому енергія електронів, що рухаються в результаті зіткнення їх з атомами і молекулами частково виділяється і розсіюється у вигляді тепла, що нагріває провідник. Зважаючи на те, що електрони, стикаючись з частинками провідника, долають деякий опір руху, прийнято говорити, що провідники мають електричний опір. Якщо опір провідника замало, він порівняно слабо нагрівається струмом; якщо опір великий, провідник може розжаритися. Проводи, що підводять електричний струм до електричної плитки, майже не нагріваються, тому що їх опір мало, а спіраль плитки, що має великий опір, розпалюється до червоного. Ще сильніше нагрівається нитка електричної лампи.
За одиницю опору прийнято. Опіром 1 Ом володіє провідник, яким проходить струм 1 А при різниці потенціалів на його кінцях (напрузі), що дорівнює 1 В. Еталоном опору 1 Ом служить стовпчик ртуті довжиною 106,3 см і площею поперечного перерізу 1 мм2 при температурі 0°С. Насправді часто опору вимірюють тисячами ом - килоомами(кОм) чи мільйонами ом - мегаомами (МОм). Опір позначають буквою R(r).
Провідність.Будь-який провідник можна характеризувати як його опором, а й так званої провідністю - здатністю проводити електричний струм. Провідність є величина, обернена до опору. Одиниця провідності називається сименсом. 1 Див дорівнює 1/1 Ом. Провідність позначають буквою G(g). Отже,

G = 1/R(4)

Питомий електричний опір та провідність. Атоми різних речовин спричиняють проходження електричного струму неоднаковий опір. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм можна судити з їхнього питомого електричного опору. За величину, що характеризує питомий опір, зазвичай приймають опір куба з ребром 1 м. Питомий електричний опір вимірюють Ом * м. Для судження про електропровідність матеріалів користуються також поняттям питома електрична провідність = 1/?. Питома електрична провідність вимірюється в сименсах на метр (см/м) (провідність куба з ребром 1м). Часто питомий електричний опір виражають в ом-сантиметрах (Ом*см), а питому електричну провідність - у сименс на сантиметр (См/см). При цьому 1 Ом*см = 10 -2 Ом*м, а 1 см/см = 10 2 см/м.

Провідникові матеріали застосовують, головним чином, у вигляді дротів, шин чи стрічок, площу поперечного перерізу яких прийнято виражати у квадратних міліметрах, а довжину – у метрах. Тому для питомого електричного опору подібних матеріалів та питомої електричної провідності запроваджено й інші одиниці виміру: ? вимірюють Ом*мм 2 /м (опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2), а? - См*м/мм 2 (провідність провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2).

З металів найбільш високою електропровідністю мають срібло і мідь, так як структура їх атомів дозволяє легко пересуватися вільним електронам, потім слідує золото, хром, алюміній, марганець, вольфрам і т. д. Гірше проводять струм залізо і сталь.

Чисті метали завжди проводять електричний струм краще, ніж їх сплави. Тому в електротехніці використовують переважно дуже чисту мідь, що містить лише 0,05% домішок. І навпаки, у тих випадках, коли необхідний матеріал з високим опором (для різних нагрівальних приладів, реостатів тощо) застосовують спеціальні сплави: константан, манганін, ніхром, фехраль.

Слід зазначити, що у техніці, крім металевих провідників, використовують і неметалеві. До таких провідників належить, наприклад, вугілля, з якого виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів та ін. Провідниками електричного струму є товща землі, живі тканини рослин, тварин та людини. Проводять електричний струм сире дерево та багато інших ізоляційних матеріалів у вологому стані.
Електричний опір провідника залежить як від матеріалу провідника, а й його довжини l і площі поперечного перерізу s. (Електричний опір подібний до опору, що надається руху води в трубі, який залежить від площі перерізу труби та її довжини.)
Опір прямолінійного провідника

R = ? l/s (5)

Якщо питомий опір? виражено в Ом * мм / м, то для того щоб отримати опір провідника в омах, довжину його треба підставляти у формулу (5) в метрах, а площа поперечного перерізу - у квадратних міліметрах.

Залежність опору температури.Електропровідність всіх матеріалів залежить від їхньої температури. У металевих провідниках при нагріванні розмах і швидкість коливань атомів у кристалічній решітці металу збільшуються, внаслідок чого зростає і опір, який вони надають потоку електронів. При охолодженні відбувається зворотне явище: безладний коливальний рух атомів у вузлах кристалічних грат зменшується, опір їх потоку електронів знижується і електропровідність провідника зростає.

У природі, однак, є деякі сплави: фехраль, константан, манганін та ін, у яких у певному інтервалі температур електричний опір змінюється порівняно мало. Подібні сплави застосовують у техніці виготовлення різних резисторів, що використовуються в електровимірювальних приладах і деяких апаратах для компенсації впливу температури на їх роботу.

Про рівень зміни опору провідників при зміні температури судять за так званим температурним коефіцієнтом опору а. Цей коефіцієнт є відносним збільшенням опору провідника зі збільшенням його температури на 1 °С. У табл. 1 наведено значення температурного коефіцієнта опору для найбільш застосовуваних провідникових матеріалів.

Опір металевого провідника R t за будь-якої температури t

R t = R 0 [1 +? (t - t 0)] (6)

де R 0 - опір провідника за деякої початкової температури t 0 (зазвичай при + 20 °С), яке може бути підраховано за формулою (5);

t-t 0 – зміна температури.

Властивість металевих провідників збільшувати свій опір під час нагрівання часто використовують у сучасній техніці для вимірювання температури. Наприклад, при випробуваннях тягових двигунів після ремонту температуру нагрівання їх обмоток визначають вимірюванням опору в холодному стані і після роботи під навантаженням протягом встановленого періоду (зазвичай протягом 1 год).

Досліджуючи властивості металів при глибокому (дуже сильному) охолодженні, вчені виявили чудове явище: поблизу абсолютного нуля (-273,16 ° С) деякі метали майже повністю втрачають електричний опір. Вони стають ідеальними провідниками, здатними тривалий час пропускати струм по замкнутому ланцюзі без жодного впливу джерела електричної енергії. Це названо надпровідністю. В даний час створені дослідні зразки ліній електропередачі та електричних машин, у яких використовується явище надпровідності. Такі машини мають значно менші масу та габаритні розміри в порівнянні з машинами загального призначення та працюють з дуже високим коефіцієнтом корисної дії. Лінії електропередачі в цьому випадку можна виконати з проводів з малою площею поперечного перерізу. У перспективі в електротехніці все більше і більше використовуватиметься це явище.

|
електрична провідність, питома електрична провідність
Електрична провідність(Електропровідність, провідність) - здатність тіла проводити електричний струм, а також фізична величина, що характеризує цю здатність і обернена електричного опору. Міжнародною системою одиниць (СІ) одиницею вимірювання електричної провідності є сименс (російське позначення: Див; міжнародне: S), який визначається як 1 См = 1 Ом-1, тобто, як електрична провідність ділянки електричного ланцюга опором 1 Ом.

1 Питома провідність
- 1.1 Зв'язок із коефіцієнтом теплопровідності
2 Електропровідність металів
- 2.1 Досліди Толмена та Стюарта
3 Питома провідність деяких речовин
4 Див.
5 Примітки
6 Література

Питома провідність

Питомою провідністю (питомою електропровідністю) називають міру здатності речовини проводити електричний струм. Відповідно до закону Ома в лінійній ізотропній речовині питома провідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю струму, що виникає, і величиною електричного поля в середовищі:

- Питома провідність,
- Вектор щільності струму,
- Вектор напруженості електричного поля.

У неоднорідному середовищі може залежати (і в загальному випадку залежить) від координат, тобто не збігається в різних точках провідника.

Питома провідність анізотропних (на відміну ізотропних) середовищ є, власне кажучи, не скаляром, а тензором (симетричним тензором рангу 2), і множення нею зводиться до матричного множення:

при цьому вектори щільності струму та напруженості поля в загальному випадку не є колінеарними.

Для будь-якого лінійного середовища можна вибрати локально (а якщо середовище однорідне, то і глобально) т.з. власний базис - ортогональну систему декартових координат, в яких матриця стає діагональною, тобто набуває вигляду, при якому з дев'яти компонентів відмінними від нуля є лише три: , і. цьому випадку, позначивши як, замість попередньої формули отримуємо простішу

Величини називають головними значеннями тензора питомої провідності. загальному випадку наведене співвідношення виконується лише одній системі координат.

Величина, зворотна питомої провідності, називається питомим опором.

Взагалі кажучи, лінійне співвідношення, написане вище (як скалярне, і тензорне), вірно у разі наближено, причому наближення це добре лише порівняно малих величин E. Втім, і за таких величинах E, коли відхилення від лінійності помітні, питома електропровідність може зберігати свою роль як коефіцієнт при лінійному члені розкладання, тоді як інші, старші, члени розкладання дадуть поправки, що забезпечують хорошу точність. у разі нелінійної залежності J від E вводиться диференціальна питома електропровідність (для анізотропних середовищ:).

Електрична провідність G провідника довжиною L з площею поперечного перерізу S може бути виражена через питому провідність речовини, з якої зроблений провідник, такою формулою:

У системі СІ питома електропровідність вимірюється в сименсах на метр (См/м) або Ом-1·м-1. СГСЕ одиницею питомої електропровідності є обернена секунда (с−1).

Зв'язок із коефіцієнтом теплопровідності

Основна стаття: Закон Відемана – Франца

Закон Відемана - Франца, що виконується для металів за високих температур, встановлює однозначний зв'язок питомої електричної провідності з коефіцієнтом теплопровідності K:

де k – постійна Больцмана, e – елементарний заряд. Цей зв'язок заснований на тому факті, що як електропровідність, так і теплопровідність у металах обумовлені рухом вільних електронів провідності.

Електропровідність металів

Ще задовго до відкриття електронів було експериментально показано, що проходження струму в металах не пов'язане, на відміну від струму рідких електролітів, з перенесенням речовини металу. Експеримент, який виконав німецький фізик Карл Віктор Едуард Рікке (Riecke Carl Viktor Eduard) у 1901 році, полягав у тому, що через контакти різних металів, - двох мідних та одного алюмінієвого циліндра з ретельно відшліфованими торцями, поставленими один на інший, протягом року , Пропускався постійний електричний струм. Після цього досліджувався матеріал поблизу контактів. Було показано, що ніякого перенесення речовини через кордон не спостерігається і речовина з різних боків межі розділу має той самий склад, що й до пропускання струму. Ці досліди показали, що атоми та молекули металів не беруть участі у перенесенні електричного струму, але вони не відповіли на питання про природу носіїв заряду в металах.

Досвіди Толмена та Стюарта

Прямим доказом, що електричний струм у металах обумовлюється рухом електронів, були досліди Річарда Ч. Толмена та Томаса Д. Стюарта, проведені в 1916 р. Ідея цих дослідів була висловлена Мандельштамом та Папалексі у 1913 р.

Візьмемо котушку, яка може обертатися довкола своєї осі. Кінці котушки за допомогою ковзних контактів замкнуті на гальванометр. Якщо котушку, що знаходиться в швидкому обертанні, різко загальмувати, то вільні електрони в дроті продовжать рухатися по інерції, в результаті чого гальванометр повинен зареєструвати імпульс струму.

При досить щільному намотуванні та тонких проводах можна вважати, що лінійне прискорення котушки при гальмуванні спрямоване вздовж проводів. При гальмуванні котушки до кожного вільного електрона прикладена сила інерції - спрямована протилежно до прискорення (- маса електрона). Під її дією електрон поводиться в металі так, як на нього діяло деяке ефективне електричне поле:

Тому ефективна електрорушійна сила в котушці, обумовлена інерцією вільних електронів, дорівнює

де L – довжина дроту на котушці.

Введемо позначення: I - сила струму, що протікає по замкнутому ланцюгу, R - опір всього ланцюга, включаючи опір проводів котушки та проводів зовнішнього ланцюга та гальванометра. Запишемо закон Ома у вигляді:

Кількість електрики, що протікає через поперечний переріз провідника за час dt при силі струму I, дорівнює

Тоді за час гальмування через гальванометр пройде заряд

Значення Q знаходиться за показаннями гальванометра, а значення L, R, v0 відомі, що дозволяє знайти значення. Експерименти показують, що відповідає відношенню заряду електрона до його маси. Тим самим доведено, що струм, що спостерігається за допомогою гальванометра, обумовлений рухом електронів.

Питома провідність деяких речовин

Питома провідність наведена за температури +20 °C:

речовина	Див/м
срібло	62 500 000
мідь	58 100 000
золото	45 500 000
алюміній	37 000 000
магній	22 700 000
іридій	21 100 000
молібден	18 500 000
вольфрам	18 200 000
цинк	16 900 000
нікель	11 500 000
залізо чисте	10 000 000
платина	9 350 000
олово	8 330 000
сталь лита	7 690 000
свинець	4 810 000
нейзильбер	3 030 000
константан	2 000 000
манганін	2 330 000
ртуть	1 040 000
ніхром	893 000
графіт	125 000
вода морська	3
земля волога	10−2
вода дистиль.	10−4
мармур	10−8
скло	10−11
фарфор	10−14
кварцове скло	10−16
бурштин	10−18

також

Адміттанс
Зонна теорія
Ефект Холла
Надпровідність
Негативна абсолютна провідність

Примітки

Електропровідність (фізич.) – стаття з Великої радянської енциклопедії
Деньгуб Ст М., Смирнов Ст Р. Одиниці величин. Словник-довідник. – М.: Видавництво стандартів, 1990. – С. 105. – 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5.
у разі збігу двох із трьох власних чисел, є свавілля у виборі такої системи координат (власних осей тензора), саме досить очевидно, що можна довільно повернути її щодо осі з різним власним числом, і вираз не зміниться. Однак це не надто змінює картину. У випадку ж збігу всіх трьох власних чисел ми маємо справу з ізотропною провідністю, і, як легко бачити, множення на такий тензор зводиться до множення на скаляр.
Для багатьох середовищ лінійне наближення є досить хорошим або навіть дуже хорошим для досить широкого діапазону величин електричного поля, проте існують середовища, для яких це зовсім не так вже й за дуже малих E.
Усі точки дроту рухаються з однаковим прискоренням, тож можна виносити за знак інтеграла.
Кухлінг Х. Довідник з фізики. Пров. з ньому., М: Світ, 1982, стор 475 (табл. 39); значення питомої провідності обчислені з питомого опору та заокруглені до 3 значущих цифр.

Література

А. Н. Матвєєв. Електрика та магнетизм. (Перше вид. М.: Вища школа, 1983. 463с.)

питома електрична провідність, електрична провідність, електрична провідність цукру

Електрична провідність

Нехай дві гілки електричного кола включені паралельно, як показано на рис. 1.21. Струм у кожній з них можна знайти за законом Ома, якщо відомі їхні опори та напруга, до якого вони підключені. Що ж до загального струму, т. е. струму неразветвленном ділянці ланцюга, він дорівнює сумі струмів.

Отже, загальний струм можна визначити так:

Звертаємо увагу, що напруга U для обох гілок (при паралельному з'єднанні) однаково.

Подібним способом можна обчислити загальний струм і в тому випадку, коли є не дві, а три або більше паралельних гілок.

Мал. 1.21. Два паралельно включені резистори. У нерозгалуженій ділянці ланцюга струм дорівнює сумі струмів у паралельних гілках

Приклад 1. Дві паралельні гілки з опорами Ом та Ом приєднані до напруги 300 В. Знайти загальний струм (струм у нерозгалуженій частині ланцюга).

Решеві е. Загальний струм

У випадках, коли є кілька паралельних гілок і коли потрібно знайти загальний струм, зручно користуватися поняттям провідності.

Провідністю називають величину, зворотну опору:

Провідність зазвичай позначається латинською літерою G:

Одиницею провідності служить одиниця, обернена до нього; її позначають і спеціальна одиниця провідності сименс (См).

Якщо опір якогось ділянки ланцюга дорівнює 100 Ом, його провідність дорівнює якщо опір дорівнює 1/2 Ом, то провідність дорівнює

Зі сказаного видно, що замість розподілу напруги на опір можна помножити його на провідність. Тому

У випадку двох паралельних гілок ми можемо так висловити загальний струм:

Але той же результат ми отримаємо, якщо помножимо напругу (однакове для обох гілок) на суму провідностей:

Все сказане про дві галузі відноситься і до нагоди більшої кількості паралельних гілок: загальний струм дорівнює прикладеному напрузі, помноженому на суму провідностей всіх паралельних гілок.

Звідси ми укладаємо, що загальна провідність низки паралельних гілок дорівнює сумі провідностей цих гілок.

Заміна паралельних гілок однієї з еквівалентним опором. Якщо ми захочемо всі паралельні гілки замінити однією гілкою з таким опором, щоб струм у нерозгалуженій частині ланцюга не змінився, нам потрібно опір зробити рівним одиниці, поділеній на суму провідностей усіх паралельних гілок.

Цей опір називається опором, еквівалентним опору паралельних гілок.

У разі паралельного з'єднання

Приклад 2. Вирішимо, користуючись поняттям провідності, завдання, поставлене у попередньому прикладі. Дві паралельні гілки з опорами Ом приєднані до напруги 300 В.

Знайти загальний струм.

Рішення. Обчислюємо провідності:

провідність першої гілки

провідність другий

загальна провідність

Загальний струм дорівнює напрузі, помноженій на суму провідностей:

Приклад 3. До напруги 240 паралельно включені дві гілки з опором Ом і Ом. Знайти еквівалентний опір та обчислити загальний струм.

Еквівалентний опір

Загальний струм дорівнює напрузі, поділеній на еквівалентний опір:

Відповідь нами знайдено. Перевіримо його так:

струм у першій гілки

струм у другій гілки

Їхня сума дійсно дорівнює знайденому вище загальному струму:

Загальний еквівалентний опір ряду паралельних гілок завжди повинен бути меншим за опір кожної з цих гілок. Дійсно, адже підключаючи нову гілку, ми створюємо новий шлях струму, збільшуємо провідність, а опір і провідність - це взаємно зворотні величини.

Зазначимо два важливі окремі випадки. Якщо паралельно з'єднані кілька гілок з однаковими опорами, еквівалентний опір такого ланцюга можна знайти, розділивши опір однієї гілки на число гілок.

Так, наприклад, при паралельному з'єднанні восьми ламп по 100 Ом опір, еквівалентний опору восьми ламп, дорівнює

Загальний опір двох паралельних гілок. Якщо паралельно з'єднані дві (але не більше) гілки з різними опорами, то еквівалентний їм опір (загальний опір) дорівнює добутку цих двох опорів, поділеному на їхню суму:

Можливо, буде корисно почитати: