Elektrická vodivost látek

V tomto článku odhalíme téma elektrické vodivosti, připomeneme si, co je elektrický proud, jak souvisí s odporem vodiče a podle toho s jeho elektrickou vodivostí. Všimněme si hlavních vzorců pro výpočet těchto množství, dotýkajících se tématu aktuální rychlost a jeho vztah k intenzitě elektrického pole. Dotkneme se také vztahu mezi elektrickým odporem a teplotou.

Pro začátek si připomeňme, co je elektrický proud. Pokud umístíte látku do vnějšího elektrického pole, pak při působení sil z tohoto pole začne v látce pohyb elementárních nosičů náboje — iontů nebo elektronů. Bude to zásah elektrickým proudem. Proud I se měří v ampérech a jeden ampér je proud, při kterém protéká průřezem drátu náboj rovný jednomu coulombu za sekundu.

Proud je stejnosměrný, střídavý, pulzující.Stejnosměrný proud v daném okamžiku nemění svou velikost a směr, střídavý mění svou velikost a směr v čase (střídavé generátory a transformátory dávají přesně střídavý proud), pulzující proud mění svou velikost, ale nemění směr (např. usměrněný střídavý proud) . proudové impulsy).

Látky mají tendenci vést elektrický proud působením elektrického pole a tato vlastnost se nazývá elektrická vodivost, která je pro různé látky různá.Elektrická vodivost látek závisí na koncentraci volných nabitých částic v nich, tedy iontů a elektrony, které nejsou vázány ani s krystalovou strukturou, ani s molekulami, ani s atomy dané látky. Takže v závislosti na koncentraci volných nosičů náboje v dané látce se látky dělí podle stupně elektrické vodivosti na: vodiče, dielektrika a polovodiče.

Má nejvyšší elektrickou vodivost dráty elektrického proudua podle fyzikální podstaty jsou vodiče v přírodě reprezentovány dvěma typy: kovy a elektrolyty. V kovech je proud způsoben pohybem volných elektronů, to znamená, že mají elektronovou vodivost, a v elektrolytech (v roztocích kyselin, solí, zásad) - z pohybu iontů - částí molekul, které mají kladný a záporný náboj, to znamená, že vodivost elektrolytů je iontová. Ionizované páry a plyny se vyznačují smíšenou vodivostí, kde proud vzniká pohybem elektronů i iontů.

Elektronová teorie dokonale vysvětluje vysokou elektrickou vodivost kovů.Vazba valenčních elektronů s jejich jádry v kovech je slabá, proto se tyto elektrony volně pohybují od atomu k atomu v celém objemu vodiče.

Ukazuje se, že volné elektrony v kovech vyplňují prostor mezi atomy jako plyn, elektronový plyn a jsou v chaotickém pohybu. Ale když je kovový drát zaveden do elektrického pole, volné elektrony se budou pohybovat uspořádaným způsobem, budou se pohybovat směrem ke kladnému pólu a vytvoří proud. Uspořádaný pohyb volných elektronů v kovovém vodiči se tedy nazývá elektrický proud.

Je známo, že rychlost šíření elektrického pole v prostoru je přibližně rovna 300 000 000 m/s, tedy rychlosti světla. To je stejná rychlost, jakou proud protéká drátem.

Co to znamená? To neznamená, že se každý elektron v kovu pohybuje tak obrovskou rychlostí, ale elektrony v drátu mají naopak rychlost od několika milimetrů za sekundu do několika centimetrů za sekundu, v závislosti na síla elektrického pole, ale rychlost šíření elektrického proudu po drátu je přesně rovna rychlosti světla.

Jde o to, že každý volný elektron je v obecném toku elektronů stejného „elektronového plynu“ a během průchodu proudu působí elektrické pole na celý tento tok, v důsledku čehož elektrony neustále přenášejí toto pole akce k sobě navzájem - od souseda k sousedovi.

Ale elektrony se pohybují na svá místa velmi pomalu, přestože rychlost šíření elektrické energie po drátu je obrovská.Takže po zapnutí vypínače v elektrárně okamžitě vzniká proud v celé síti a elektrony prakticky stojí.

Když se však volné elektrony pohybují po drátu, zažívají na své cestě mnoho srážek, srážejí se s atomy, ionty, molekulami a přenášejí na ně část své energie. Energie pohybujících se elektronů, které tento odpor překonávají, se částečně rozptýlí jako teplo a vodič se zahřeje.

Tyto srážky slouží jako odpor vůči pohybu elektronů, proto se vlastnost vodiče bránit pohybu nabitých částic nazývá elektrický odpor. Při nízkém odporu drátu se drát ohřívá proudem mírně, při výrazném — mnohem silnějším a až do běla se tento efekt využívá u topných zařízení a žárovek.

Jednotkou změny odporu je Ohm. Odpor R = 1 ohm je odpor takového drátu, když jím prochází stejnosměrný proud 1 ampér, rozdíl potenciálů na koncích drátu je 1 volt. Etalon odporu v 1 Ohm je sloupec rtuti vysoký 1063 mm, průřez 1 mm2 při teplotě 0 °C.

Protože se dráty vyznačují elektrickým odporem, můžeme říci, že do určité míry je drát schopen vést elektrický proud. V této souvislosti se zavádí hodnota zvaná vodivost nebo elektrická vodivost. Elektrická vodivost je schopnost vodiče vést elektrický proud, tedy převrácená hodnota elektrického odporu.

Jednotkou elektrické vodivosti G (vodivost) je Siemens (S) a 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Protože atomy různých látek různou měrou interferují s průchodem elektrického proudu, je elektrický odpor různých látek různý. Z tohoto důvodu byl koncept představen elektrický odpor, jehož hodnota «p» charakterizuje vodivé vlastnosti té či oné látky.

Měrný elektrický odpor se měří v Ohm * m, to znamená odpor krychle látky o hraně 1 metr. Podobně je elektrická vodivost látky charakterizována měrnou elektrickou vodivostí ?, měřenou v S/m, tj. vodivostí krychle látky o hraně 1 metr.

Dnes se vodivé materiály v elektrotechnice používají především ve formě stuh, pneumatik, drátů, s určitou plochou průřezu a určitou délkou, nikoli však ve formě metrových kostek. A pro pohodlnější výpočty elektrického odporu a elektrické vodivosti drátů specifických velikostí byly zavedeny přijatelnější jednotky měření elektrického odporu i elektrické vodivosti. Ohm * mm2 / m — pro odpor a Cm * m / mm2 — pro elektrickou vodivost.

Nyní můžeme říci, že elektrický odpor a elektrická vodivost charakterizují vodivé vlastnosti drátu s plochou průřezu 1 mm2, 1 metr dlouhého při teplotě 20 ° C, je to pohodlnější.

Nejlepší elektrickou vodivost mají kovy jako zlato, měď, stříbro, chrom a hliník. Ocel a železo jsou méně vodivé. Čisté kovy mají vždy lepší elektrickou vodivost než jejich slitiny, proto je v elektrotechnice preferována čistá měď.Pokud potřebujete obzvláště vysokou odolnost, pak se používá wolfram, nichrom, konstantan.

Při znalosti hodnoty měrného elektrického odporu nebo elektrické vodivosti lze snadno vypočítat odpor nebo elektrickou vodivost určitého drátu vyrobeného z daného materiálu, přičemž se vezme v úvahu délka l a plocha průřezu S tohoto drátu.

Elektrická vodivost a elektrický odpor všech materiálů závisí na teplotě, protože s rostoucí teplotou roste i frekvence a amplituda tepelných vibrací atomů krystalové mřížky, odpovídajícím způsobem se zvyšuje i odpor proti elektrickému proudu a toku elektronů.

S poklesem teploty se naopak zmenšují vibrace atomů krystalové mřížky, klesá odpor (zvyšuje se elektrická vodivost). U některých látek je závislost odporu na teplotě méně výrazná, u jiných silnější. Například slitiny jako konstantan, fechral a manganin v určitém teplotním rozsahu mírně mění odpor, proto se z nich vyrábí termostabilní odpory.

Teplotní koeficient odporu? umožňuje vypočítat pro konkrétní materiál nárůst jeho odporu při určité teplotě a číselně charakterizuje relativní nárůst odporu při zvýšení teploty o 1°C.

Když známe teplotní koeficient odporu a nárůst teploty, je snadné vypočítat odpor látky při dané teplotě.

Doufáme, že náš článek byl pro vás užitečný a nyní můžete snadno vypočítat odpor a vodivost jakéhokoli drátu při jakékoli teplotě.