Электрический ток и электропроводность вещества


СОДЕРЖАНИЕ:

Электрический ток и электропроводность вещества

Способность вещества проводить электрический ток называется электропроводностью.

По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники обладают высокой электропроводностью. Различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. Они обладают электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты. В них имеет место ионная проводимость.

В проводниках отсутствует электростатическое поле (рис.1.10б).

Если проводник поместить в электростатическое поле, то под действием этого поля происходит перемещение зарядов в проводнике: положительных – в направлении внешнего поля, отрицательных – в противоположном направлении (рис.1.10а). Такое разделение зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией. Разделённые внутри проводника заряды создают своё электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным, т.е. против внешнего поля (рис.1. 10а).

Очевидно, разделение зарядов в проводнике прекратится тогда, когда напряжённость поля разделённых зарядов E внутр станет равной напряжённости внешнего поля в проводнике E внешн, т.е. E внутр = E внешн, а результирующее поле

Е = E внутр – E внешн = 0

Таким образом, результирующее поле внутри проводника станет равным нулю

(рис.1. 10б). На этом принципе работает электростатический экран, защищающий часть пространства от внешних электрических полей (рис.1. 11). Для того чтобы внешние электрические поля не влияли на точность электроизмерения, измерительный прибор помещают внутрь замкнутой проводящей оболочки (экран), в которой электростатическое поле отсутствует.

1.4. Электропроводность. Диэлектрики в электрическом поле

Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика.

Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т.е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 1.12а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 1.12б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются.

Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы.

Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля E внешн (рис. 1.12б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём.

Е = E внешн – E внутр

Если диэлектрик поместить в сильное электрическое поле, напряжённость которого можно увеличивать, то при каком-то значении напряжённости произойдёт пробой диэлектрика, при этом электроны отрываются от атома, т.е. происходит ионизация диэлектрика, и он становится проводником. Напряжённость внешнего поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряжённостью диэлектрика. А напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют напряжением пробоя, или электрической прочностью диэлектрика.

Электропроводность

I

электрическая проводимость, проводимость, способность тела пропускать Электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Тела, проводящие электрический ток, называются проводниками, в отличие от изоляторов (диэлектриков (См. Диэлектрики)). Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда — электроны, ионы, направленное (упорядоченное) движение которых и есть электрический ток. Э. большинства проводников (металлов (См. Металлы), полупроводников (См. Полупроводники), плазмы (См. Плазма)) обусловлена электронами (в плазме небольшой вклад в Э. вносят также ионы). Ионная Э. свойственна электролитам (См. Электролиты).

Сила электрического тока I зависит от приложенной к проводнику разности потенциалов V, которая определяет напряжённость электрического поля Е внутри проводника. Для изотропного проводника постоянного сечения Е = —V/L, где L — длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с ним по направлению. Эта зависимость выражается Ома законом: j = σЕ; постоянный (не зависящий от Е) коэффициент σ и называется Э., или удельной Э. Величина, обратная σ, называется удельным электрическим сопротивлением (См. Электрическое сопротивление): ρ = 1/σ. Для проводников разной природы значения σ (и ρ) существенно различны (см. рис.). В общем случае зависимость j от Е нелинейна, и σ зависит от Е; тогда вводят дифференциальную Э. σ = dj/dE. Э. измеряют в единицах (ом·см) -1 или (в СИ) в (ом·м) -1 .

В анизотропных средах, например в монокристаллах, σ Тензор второго ранга, и Э. для разных направлений в кристалле может быть различной, что приводит к неколлинеарности Е и j.

В зависимости от величины Э. все вещества делятся на проводники с σ > 10 6 (ом·м) —1 , диэлектрики с σ —8 (ом·м) —1 и полупроводники с промежуточными значениями σ. Это деление в значит. мере условно, т. к. Э. меняется в широких пределах при изменении состояния вещества. Э. σ зависит от температуры, структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внешних воздействий (магнитного поля, облучения, сильного электрического поля и т. п.).

Мерой «свободы» носителей заряда в проводнике служит отношение ср. времени свободного пробега (τ) к характерному времени столкновения t: τ/t >> 1; чем больше это отношение, тем с большей точностью можно считать частицы свободными. Методы молекулярно-кинетической теории газов позволяют выразить σ через концентрацию (n) свободных носителей заряда, их заряд (е) и массу (m) и время свободного пробега:

где μ — подвижность (См. Подвижность ионов и электронов) частицы, равная E/vcp = eτ/m, vcp — ср. скорость направленного движения. Если ток обусловлен заряженными частицами разного сорта «i», то . Подвижность электронов (вследствие их малой массы) настолько больше ионной, что ионная Э. существенна только в случае, когда свободные электроны практически отсутствуют. Перенос массы под воздействием тока, напротив, связан с движением ионов.

Характер зависимости Э. от температуры Т различен у разных веществ. У металлов зависимость σ(Т) определяется в основном уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом Т: увеличение температуры приводит к возрастанию тепловых колебаний кристаллической решётки, на которых рассеиваются электроны, и σ уменьшается (на квантовом языке говорят о столкновении электронов с Фононами). При достаточно высоких температурах, превышающих Дебая температуру (См. Дебая температура) θD, Э. металлов обратно пропорциональна температуре: σ

1/Т; при Т —5 , однако ограничена остаточным сопротивлением (см. Металлы). В полупроводниках σ резко возрастает при повышении температуры за счёт увеличения числа электронов проводимости и положительных носителей заряда — дырок (См. Дырка) (см. Полупроводники). Диэлектрики имеют заметную Э. лишь при очень высоких электрических напряжениях; при некотором (большом) значении Е происходит Пробой диэлектриков.

Некоторые металлы, сплавы и полупроводники при понижении Т до нескольких градусов К переходят в сверхпроводящее состояние с σ = ∞ (см. Сверхпроводимость). При плавлении металлов их Э. в жидком состоянии остаётся того же порядка, что и в твёрдом.

Прохождение тока через частично или полностью ионизованные газы (плазму) обладает своей спецификой (см. Электрический разряд в газах, Плазма). Например, в полностью ионизованной плазме Э. не зависит от плотности и возрастает с ростом температуры пропорционально Т 3/2 , достигая Э. хороших металлов.

Отклонение от закона Ома в постояном поле Е наступает, если с ростом Е энергия, приобретаемая частицей между столкновениями, eEl, где l — средняя длина свободного пробега, становится порядка или больше kT (k— Больцмана постоянная). В металлах условию eEl >> kT удовлетворить трудно, а в полупроводниках, электролитах и особенно в плазме явления в сильных электрических полях весьма существенны.

В переменном электромагнитном поле σ зависит от частоты (ω) и от длины волны (λ) поля (временна́я и пространственная дисперсия, проявляющиеся при ω ≥ τ -1 , λ ≤ l). Характерным свойством хороших проводников является Скин-эффект (даже при ω —1 ток сконцентрирован вблизи поверхности проводника).

Измерение Э.— один из важных методов исследования материалов, в частности для металлов и полупроводников — их чистоты. Кроме того, измерение Э. позволяет выяснить динамику носителей заряда в макроскопическом теле, характер их взаимодействия (столкновений) друг с другом и с другими объектами в теле.

Э. металлов и полупроводников существенно зависит от величины магнитного поля, особенно при низких температурах (см. Гальваномагнитные явления).

Зависимость электропроводности σ некоторых веществ от абсолютной температуры Т. Металлы: 1 — медь, 2 — свинец (ниже 7,3 К становится сверхпроводящим); полупроводники: 3 — графит, 4 — чистый германий, 5 — чистый кремний; ионные проводники: 6 — хлористый натрий, 7 — стекло.

II

биологических систем, обусловлена наличием в них ионов и подвижных полярных молекул. Биологическая ткань состоит из клеток и межклеточного пространства, заполненного веществом — электролитом с удельным сопротивлением около 100 ом·см. Внутреннее содержимое клетки отделено от межклеточного пространства мембраной, эквивалентная электрическая схема которой представляет собой параллельное соединение сопротивления и ёмкости. Поэтому Э. биологических тканей зависит от частоты проходящего тока и формы его колебаний. Удельное сопротивление и ёмкость мембраны клетки составляют величины порядка 1 ком·см 2 и 1 мкф/см 2 (соответственно). Некоторые биологические ткани способны отвечать Возбуждением на проходящий ток; в этом случае их Э. нелинейно зависит от амплитуды тока. Если возбуждения не возникает, то токи распространяются в ткани в соответствии с импедансом её компонентов. Клеточные мембраны представляют относительно большое сопротивление для токов низкой частоты (≤ 1 кгц), поэтому их основная часть проходит по межклеточным щелям. Амплитуда низкочастотных токов пропорциональна объёму межклеточного пространства (например, просвету кровеносных сосудов) и концентрации электролитов в нём. Измерение Э. биологических тканей на таких низких частотах используют в биологии и медицине для определения кровенаполнения различных органов, выявления отёка органов, в которых набухшие клетки уменьшают межклеточное пространство. Э. биологических тканей, измеренная на частотах, больших 100 кгц, пропорциональна общему количеству электролитов, содержащихся в ткани между электродами, т. к. в этом случае клеточные мембраны уже не препятствуют распространению электрического тока. Измерение Э. на таких высоких частотах используют в биологии и медицине для регистрации малых изменений объёма органов, связанных с притоком или оттоком крови от них. Знание Э. биологических систем необходимо не только для оценки их структуры, но и для адекватного конструирования приборов, во входные или выходные цепи которых включены биологические ткани.

Лит.: Коль К. С., Ионная электропроводность нервов, пер. с англ., в сборнике: Процессы регулирования в биологии, М., 1960; Шван Г., Спектроскопия биологических веществ в поле переменного тока, в сборнике: Электроника и кибернетика в биологии и медицине, пер. с англ., М., 1963; Аккерман Ю., Биофизика, пер. с англ., М., 1964, с. 222—27; Кол К. С., Нервный импульс (теория и эксперимент), в сборнике: Теоретическая и математическая биология, М., 1968.

Электрический ток и электропроводность вещества

Электрический ток представляет собой поток электрических зарядов. Этот поток зарядов протекает по проводнику. В разд. 8.1 мы определили проводники двух типов.

Электронные проводники (проводники первого рода). Поток зарядов в электронном проводнике представляет собой поток электронов. Вследствие этого в электронном проводнике не происходит переноса вещества. К электронным проводникам принадлежат металлы.

Электролитические проводники (проводники второго рода). Поток зарядов в электролитическом проводнике обусловлен перемещением ионов. Таким образом, в данном случае происходит перенос вещества. Электролитические проводники называют электролитами. Ими могут быть чистые вещества, например расплавы солей, либо водные растворы солей, кислот или оснований.

Единицы измерения электрических величин

Основной единицей силы электрического тока (I) в Международной системе единиц (СИ) является ампер (А).

Электрический заряд (количество электричества) измеряют в кулонах (Кл). Кулон — это количество электрического заряда, переносимое током силой в один ампер

за одну секунду, т. е.

Протекание электрического тока в цепи происходит под действием электрического напряжения, или разности потенциалов. Эта величина обозначается символом V. В системе СИ напряжение измеряется в вольтах (В). При перемещении заряда величиной в один кулон между точками с разностью потенциалов в один вольт выполняется работа в один джоуль. Следовательно,

Разность потенциалов (напряжение) связана с силой электрического тока законом Ома:

Коэффициент пропорциональности в этом соотношении называется сопротивлением. Единицей сопротивления является ом (Ом). Для пропускания электрического тока через проводник с сопротивлением в один ом требуется разность потенциалов (напряжение) в один вольт. Следовательно,

Величину, обратную электрическому сопротивлению, называют электропроводностью. Она обозначается символом G. Единицей электропроводности является сименс (См). Таким образом,

Удельное сопротивление и электропроводность

Длина и площадь поперечного сечения проводника связаны с его сопротивлением R соотношением

где удельное сопротивление, — площадь поперечного сечения проводника в квадратных метрах (м2, l — длина проводника в метрах (м). Удельное сопротивление измеряется в единицах Ом•м.

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется электропроводностью (удельной электропроводностью) или электрической проводимостью и обозначается символом и (каппа). Таким образом,

Удельная электропроводность измеряется в единицах либо . Вместо этого для нее могут использоваться единицы либо . Нетрудно видеть, что

Удельная электропроводность (проводимость) раствора электролита называется его электролитической проводимостью.

Измерение электролитической проводимости

Для определения электролитической проводимости может использоваться кондукто-метрическая ячейка — стеклянный сосуд без дна с двумя электродами известной площади, прочно укрепленными на фиксированном расстоянии друг от друга. Электроды выполнены из платиновой черни. Ячейку погружают в раствор электролита как показано на рис. 10.1. Для приготовления исследуемого раствора должна использоваться специально подготовленная копдуктометрическая вода. Ее получают, пропуская обычную воду через ионообменную колонку (см. разд. 8.2). Обычная дистиллированная вода не пригодна для этих целей, поскольку она содержит следы ионов от растворенного Эти ионы обусловливают удельную проводимость воды порядка .

Сопротивление кондуктометрической ячейки измеряют при помощи специального прибора-мостика Уитстона (рис. 10.2). Скользящий контакт перемещается по проволочному сопротивлению до тех пор, пока осциллограф не зарегистрирует минимальный сигнал. В этом положении контакта (точка X) сопротивление ячейки определяется соотношением

Здесь — сопротивление реостата. После того, как найдено сопротивление ячейки, можно вычислить электролитическую проводимость раствора с помощью уравнения (2). Для измерения электролитической проводимости необходимо использовать высокочастотный источник переменного тока. Использование источника постоянного тока невозможно из-за того, что это вызовет электролиз раствора.

Отношение ЦА, входящее в уравнение (2), представляет собой постоянную величину, характерную для данной ячейки. Она называется постоянной ячейки. Ее можно определить, измеряя с помощью данной ячейки сопротивление какого-либо раствора с известной электролитической проводимостью. Для этой цели часто используется водный раствор хлорида кйлия концентрации 0,1 моль/дм3.

Установлено, что раствор хлорида калия концентрации 0,1 моль/дм3 имеет сопротивления 35,2 Ом. В той же кондуктометрической ячейке раствор нитрата серебра

Рис. 10.1. Кондуктометрическая ячейка.

Рис. 10.2. Мостик Уитстона.

концентрации 0,1 моль/дм3 имеет сопротивление 42,4 Ом. Зная, что электролитическая проводимость раствора хлорида калия равна См/см, вычислим: а) постоянную ячейки и б) электролитическую проводимость раствора нитрата серебра.

а) Постоянная ячейки определяется соотношением

б) Электролитическая проводимость раствора концентрации определяется следующим образом:

Электропроводность растворов

Рис. 71. Установка для сравнения электропроводности растворов

Хорошими проводниками электрического тока, помимо металлов, являются расплавленные соли и основания. Способностью проводить ток обладают также водные растворы оснований и солей. Безводные кислоты — очень плохие проводники, но водные растворы кислот хорошо проводят ток. Растворы кислот, оснований и солей в других жидкостях в большинстве случаев тока не проводят, но и осмотическое давление таких растворов оказывается нормальным. Точно так же не проводят тока водные растворы сахара, спирта, глицерина и другие растворы с нормальным осмотическим давлением.

Различное отношение веществ к электрическому току легко иллюстрировать следующим опытом.

Соединим провода, идущие от осветительной сети, с двумя угольными или металлическими пластинками— электродами (рис. 71). В один из проводов включим электрическую лампу, позволяющую грубо судить о наличии тока в цепи. Погрузим теперь свободные концы электродов в сухую поваренную соль или безводную серную кислоту. Лампа не загорается, так как эти вещества не проводят тока и цепь остается незамкнутой.

Каждый электрик должен знать:  Текущий ремонт трансформатора как выполнить

Тоже самое происходит, если погрузить электроды в стакан с чистой дестиллированной водой. Но стоит только растворить в воде немного соли или прибавить к ней какой-нибудь кислоты или основания, как лампа тотчас же начинает ярко светиться. Свечение прекращается, если опустить электроды в раствор сахара, глицерина и т. п.

Сванте Аррениус (1859—1927)

Таким образом, среди растворов способностью проводить ток обладают преимущественно водные растворы кислот, оснований и солей. Сухие соли, безводные кислоты и основания (в твердом виде) тока не проводят почти не проводит тока и чистая вода. Очевидно, что при растворении в воде кислоты, основания и соли подвергаются каким-то глубоким изменениям, которые и обусловливают электропроводность получаемых растворов.

Электрический ток, проходя через растворы, вызывает в них, так же как и в расплавах, химические изменения, выражающиеся в том, что из раствора выделяются продукты разложения растворенного вещества или растворителя. Вещества, растворы которых проводят электрический ток, получили название электролитов. Электролитами являются кислоты, основания и соли.

Химический процесс, происходящий при пропускании тока через раствор электролита, называется электролизом. Исследуя продукты, выделяющиеся у электродов при электролизе кислот, оснований и солей, установили, что у катода всегда выделяются металлы или водород, а у анода — кислотные остатки или гидроксильные группы, которые затем подвергаются дальнейшим изменениям. Таким образом, первичными продуктами электролиза оказываются те же составные части кислот, оснований и солей, которые при реакциях обмена, не изменяясь, переходят из одного вещества в другое.

Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) — шведский ученый, физико-химик, родился 19 февраля 1859 г. Был профессором университета в Стокгольме и директором Нобелевского института. В результате изучения электропроводности растворов предложил в 1887 г. теорию, объясняющую проводимость электрического тока растворами кислот, щелочей и солей, получившую название теории электролитической диссоциации.

Аррениусу принадлежит также ряд исследовании по астрономии, космической физике и в области приложения физико-химических законов к биологическим процессам.

Вы читаете, статья на тему Электропроводность растворов

Свободные носители электрических зарядов и электропроводность веществ

Постоянный электрический ток возникает, если имеется электрическое поле (разность потенциалов) и свободные носители зарядов: положительные и отрицательные частицы или квазичастицы. Атом не может быть свободным носителем заряда, он электрически нейтрален; но если электрон или несколько электронов покинут свои орбиты, появляются отрицательные и положительные носители заряда. Чтобы оторвать электрон от атома, нужно приложить энергию; это может быть тепловая, электрическая, механическая энергия, химическая реакция.

Строение атома влияет на электропроводность вещества

Атом – это массивное положительное ядро и электронное облако. По законам микромира, электронное облако атома не может быть однородным и хаотичным. Оно разделено на так называемые оболочки, где строго соблюдается иерархия квантовых состояний.

Свойства атома зависят от того, сколько электронов имеется на внешней оболочке. Полностью заполнена внешняя электронная оболочка у инертных газов. В нормальных условиях они не проводят ток. Но если создать особые условия (пониженное давление, высокое электрическое напряжение), атомы теряют электроны, и возникает электрический ток.


Атомы металлов имеют на внешней оболочке от одного до трех электронов, и эти внешние электроны внутри кристаллической решетки металла легко «слетают» со своих орбит и образуют «электронный газ», обеспечивающий хорошую электропроводность металлов.

Для возникновения электрического тока в металле не надо никаких дополнительных условий: электронный газ реагирует на малейшее электрическое напряжение, измеряемое милливольтами, микровольтами. Притом металлы пригодны и для передачи больших токов и напряжений.

Элементы, имеющие более трех электронов на внешней оболочке, относятся к неметаллам, причем наличие четырех электронов придает элементам особый переходной статус. Они проводят ток, но значительно слабее, чем металлы, и механизм проводимости и них отличается от «металлического».

Неметаллы, имеющие пять и более электронов на внешней оболочке, образуют группу диэлектриков. Их проводимость в нормальных условиях, при небольших напряжениях очень мала. Среди них есть вещества, из которых делают надежные изоляторы. Однако для каждого изолятора указывают электрическую прочность: максимальное напряжение, которое он может выдержать. Превышение этого напряжения ведет к пробою изолятора: электроны срываются с орбит, атомы разрушаются, и в диэлектрике появляется канал с высокой электропроводностью.

Электроны, протоны, ионы

Частицы, несущие отрицательный заряд – это электроны. Положительный заряд имеют протоны. Заряды электронов и протонов противоположны по знаку, но в точности равны по величине. А вот по массе эти частицы сильно различаются: протоны тяжелее электронов в 1800 раз.

Подвижные, юркие электроны являются свободными носителями заряда во многих веществах: металлах, полупроводниках, в газообразных средах.

Протоны, как отдельные частицы, являются свободными носителями заряда только в высокотемпературной плазме. В привычных нам условиях положительно заряженные носители свободного заряда существуют в виде ионов. Ион – это атом или группа атомов, у которых меньше электронов в электронном облаке, чем протонов в ядрах.

Ионы могут быть свободными носителями заряда в жидких и газообразных средах. В твердом теле ионизированные атомы прочно удерживаются кристаллической решеткой.

Проводимость металлов: электронный газ

Кристаллическая решетка металла создает внутренние силы, способствующие тому, чтобы электроны с внешних оболочек покидали «свое» ядро. Для их перехода в свободное состояние, переход в зону проводимости, не требуется дополнительных усилий.

Если к металлическому предмету приложить электрическое поле – потечет ток. Электрический ток – это суммарный электрический заряд, проходящий через сечение проводящего тела за секунду.

Электроны приходят в движение по всей длине проводника, измеренные значения тока одинаковы в любом сечении.

Отметим, что ток мгновенно возникает во всем проводнике благодаря распространению электрического поля, но свободные носители заряда, электроны, продвигаются весьма медленно.

При малых напряжениях они еле бредут, наталкиваясь на ядра атомов, их тепловое движение гораздо интенсивнее, чем упорядоченное перемещение к положительному электроду.

Если металл нагревать, ток уменьшится. Это оттого что тепловое движение самих электронов и кристаллической решетки замедляет упорядоченное движение электронов, иными словами, при повышении температуры электрическое сопротивление металл увеличивается, а его проводимость уменьшается.

Электрический ток повышает температуру металла, с этим связан первоначальный скачок тока в проводнике и последующее его снижение. Холодный металл имеет небольшое сопротивление и пропускает значительный ток; но этот ток нагревает металл, сопротивление растет, ток уменьшается.

Электрический ток в полупроводниках

Вещества со слабой проводимостью, являющиеся плохими проводниками и плохими изоляторами, приобрели особое значение в эру электроники. Такие вещества назвали полупроводниками. У них большое электрическое сопротивление, при подаче напряжения возникает малый ток. При повышении температуры этот ток возрастает, поскольку при нагреве кристаллической решетки электроны легче покидают свои орбиты.

Ток в газоразрядных лампах

Атомы инертных газов прочны, не склонны вступать в химическую реакцию и отдавать электроны. Но под воздействием электрического поля электронное облако деформируется, вытягивается… и некоторые электроны слетают с орбит.

Если бы проводимость инертных газов определялась только этими электронами, слетевшими с орбит под действием электрического поля, то газоразрядные лампы не светились бы при сравнительно небольших электрических напряжениях. Но электронов проводимости в аргоновых, неоновых, гелиевых лампах значительно больше!

Электроны, получившие свободу, разгоняются под действием электрического поля и налетают на нейтральные атомы, при этом нередко происходит «выбивание» новых электронов с орбиты.

Эти новые электроны тоже разгоняются и способствуют ионизации новых атомов. Процесс приобретает характер лавины, ток практически мгновенно возрастает.

В газоразрядной лампе есть и отрицательные носители заряда (это электроны), и положительные (ионизированные атомы). Ионы движутся к отрицательному электроду и нейтрализуются, получая недостающие электроны; электроны летят к положительному электроду.

Лавинообразное возрастание числа свободных электронов происходит и в воздухе во время грозового разряда.

Электрический ток в жидкостях. Электролиз.

Жидкости бывают проводящие электрический ток и непроводящие. Машинное масло не имеет электропроводности, не проводят ток бензин и керосин. А вот вода – неплохой проводник электрического тока, и чем больше в ней растворено солей, тем меньше ее сопротивление.

Дистиллированная вода имеет небольшое количество свободных зарядов, поскольку малая доля молекул воды находятся в «разобранном состоянии»: положительно заряженный ион водорода (фактически, просто протон), и отрицательно заряженная группа из атомов водорода и кислорода, имеющая на орбите «лишний» электрон.

Если в сосуд с водой погрузить электроды, то начнется выделение пузырьков газа. Это происходит так: ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду, там протон получает электрон для своей оболочки, появляется полноценный атом, который воссоединяется с другим атомом водорода, образуя молекулу. Газообразный водород выделяется из воды.

Группы (ОН-) – ионизированная пара атомов кислорода и водорода – движутся к положительному электроду. Там они теряют лишний электрон, и либо захватывают у другой группы атом водорода и превращаются в молекулу воды, либо распадаются – водород дополняет другую молекулу воды, а атом кислорода воссоединяется с другим таким же и всплывает наверх. Так при электролизе воды получаются кислород и водород.

Чистая, дистиллированная вода слабо проводит ток. Но если в ней растворена обычная поваренная соль, проводимость возрастает в несколько раз. Молекулы соли в водном растворе распадаются на ионы: положительный натрий и отрицательный хлор. Прохождение тока сопровождается выделением чистого натрия на отрицательном электроде, и ядовитого газа хлора – на положительном электроде.

Электролиз играет большую роль в промышленности: его применяют для покрытия предметов металлической пленкой, для получения чистых металлов. Но это вредное производство, оно влияет на здоровье рабочих и на состояние окружающей природы. В последнее время его вытесняют другие технологии, более совершенные.

Значение слова &laquoэлектропроводность»

ЭЛЕКТРОПРОВО́ДНОСТЬ, -и, ж. Физ. Способность какого-л. вещества, материала проводить электрический ток под воздействием электрического поля. Электропроводность чистого мрамора минимальна. Этим объясняется его применение для распределительных досок и щитов в электротехнике. Ферсман, Очерки по истории камня.

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

  • Электропроводность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S), определяемый как 1 См = 1 Ом-1, то есть, как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

Также термин электропроводность (электропроводность среды, вещества) применяется для обозначения удельной электропроводности (см. ниже).

Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определенных пределов, в области низких частот).

Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

ЭЛЕКТРОПРОВО’ДНОСТЬ, и, мн. нет, ж. (физ.). Способность проводить, пропускать электричество.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

электропроводность

1. физ. способность какого-либо вещества, материала проводить электрический ток под воздействием электрического поля

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Когда-нибудь я тоже научусь различать смыслы слов.

В каком смысле употребляется прилагательное тяжёлый в отрывке:

Вряд ли по-настоящему умные и талантливые люди согласятся получать такие деньги за столь тяжёлую работу.

Электрическая проводимость металлов таблица

Электрическое сопротивление 1 метра провода (в Ом), сечением 1 мм², при температуре 20 С°. Формула: ρ = Ом · мм²/м.

Материал проводника Удельное сопротивление ρ в Ом
Серебро 0.015
Медь 0.0175
Золото 0.023
Латунь 0,025. 0,108
Хром 0,027
Алюминий 0.028
Натрий 0.047
Иридий 0.0474
Вольфрам 0.05
Цинк 0.054
Молибден 0.059
Никель 0.087
Бронза 0,095. 0,1
Железо 0.1
Сталь 0,103. 0,137
Олово 0.12
Свинец 0.22
Никелин (сплав меди, никеля и цинка) 0.42
Манганин (сплав меди, никеля и марганца) 0,43. 0,51
Константан (сплав меди, никеля и алюминия) 0,44-0,52
Копель ( медно-никелевый сплав с 43% никеля и 0,5% марганца) 0.5
Титан 0.6
Ртуть 0.94
Хромель (хром 8,7—10 %; никель 89—91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси) 1.01
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) 1,05. 1,4
Фехраль 1,15. 1,35
Висмут 1.2
Хромаль (Сплав 4.5 – 6% алюминия, 17%-30% хрома, остальное железо) 1,3. 1,5

Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм².

В связи с тем, что существует два типа электрических сопротивлений —

В связи с электромагнитными явлениями, возникающими в проводниках при прохождении через него переменного тока в них возникает два важных для их электротехнических свойств физических явления.

Два последних явления делают неэффективным применение проводников радиусом больше характерной глубины проникновения электрического тока в проводник. Эффективный диаметр проводников (2RБхар): 50Гц -7 Ом. Используя микроомметры, можно определить качество электрических контактов, сопротивление электрических шин, обмоток трансформаторов, электродвигателей и генераторов, наличие дефектов и инородного металла в слитках (например, сопротивление слитка чистого золота вдвое ниже позолоченного слитка вольфрама).

Для расчета длины провода, его диаметра и необходимого электрического сопротивления, необходимо знать удельное сопротивление проводников ρ.

В международной системе единиц удельное сопротивление ρ выражается формулой:

Оно означает: электрическое сопротивление 1 метра провода (в Омах), сечением 1 мм 2 , при температуре 20 градусов по Цельсию.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Материал проводника Удельное сопротивление ρ в
Серебро
Медь
Золото
Латунь
Алюминий
Натрий
Иридий
Вольфрам
Цинк
Молибден
Никель
Бронза
Железо
Сталь
Олово
Свинец
Никелин (сплав меди, никеля и цинка)
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)
Титан
Ртуть
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)
Фехраль
Висмут
Хромаль
0,015
0,0175
0,023
0,025. 0,108
0,028
0,047
0,0474
0,05
0,054
0,059
0,087
0,095. 0,1
0,1
0,103. 0,137
0,12
0,22
0,42
0,43. 0,51
0,5
0,6
0,94
1,05. 1,4
1,15. 1,35
1,2
1,3. 1,5

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм 2 . Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм 2 .

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм 2 .

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм 2 .

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм 2 . Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм 2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 — 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Если при температуре t сопротивление проводника равно r , а при температуре t равно rt, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).


Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Серебро
Медь
Железо
Вольфрам
Платина 0,0035
0,0040
0,0066
0,0045
0,0032 Ртуть
Никелин
Константан
Нихром
Манганин 0,0090
0,0003
0,000005
0,00016
0,00005

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим rt:

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Электрическая проводимость

До сих пор мы рассматривали сопротивление проводника как препятствие, которое оказывает проводник электрическому току. Но все же ток по проводнику проходит. Следовательно, кроме сопротивления (препятствия), проводник обладает также способностью проводить электрический ток, то есть проводимостью.

Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем большей проводимостью он обладает, тем легче току пройти по проводнику. Поэтому сопротивление и проводимость проводника есть величины обратные.

Из математики известно, что число, обратное 5, есть 1/5 и, наоборот, число, обратное 1/7, есть 7. Следовательно, если сопротивление проводника обозначается буквой r, то проводимость определяется как 1/r. Обычно проводимость обозначается буквой g.

Электрическая проводимость измеряется в (1/Ом) или в сименсах.

Пример 8. Сопротивление проводника равно 20 Ом. Определить его проводимость.

Если r = 20 Ом, то

Пример 9. Проводимость проводника равна 0,1 (1/Ом). Определить его сопротивление,

Если g = 0,1 (1/Ом), то r = 1 / 0,1 = 10 (Ом)

Материалы высокой проводимости

К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий (Сверхпроводящие материалы, имеющие типичное сопротивление в 10 -20 раз ниже обычных проводящих материалов (металлов) рассматриваются в разделе Сверхпроводимость).

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

  1. малое удельное сопротивление;
  2. достаточно высокая механическая прочность;
  3. удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
  4. хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
  5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.

В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Алюминий

Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного — 2.7 Мг/м 3 . Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.

Железо и сталь

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.

Натрий

Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.

В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.

Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.

Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.

Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.

Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.

Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.

Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.

Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.

Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.

Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.

Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.

Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.

Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.

Удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*м, то есть сопротивление куба вещества с ребром в 1 метр. Таким же образом электропроводность вещества характеризуется удельной электропроводностью ?, измеряемой в См/м, то есть проводимость куба вещества с ребром в 1 метр.

Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.

Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.

Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.

Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.

Электропроводность и электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры , поскольку частота и амплитуда тепловых колебаний атомов кристаллической решетки с ростом температуры так же возрастает, соответственно возрастает и сопротивление электрическому току, потоку электронов.

При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.

Температурный коэффициент сопротивления ? позволяет вычислить для конкретного материала приращение его сопротивления при определенной температуре, и численно характеризует относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на 1 °С.

Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.

Электрические свойства вещества

При формировании кристаллических решеток твердых тел из атомов различных веществ валентные электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, различным образом взаимодействуют друг с другом и, как следствие, ведут себя по-разному (см. Зонная теория проводимости твердых тел и Теория молекулярных орбиталей). Таким образом, свобода валентных электронов перемещаться внутри вещества обусловливается его молекулярно-кристаллической структурой. В целом же, по электропроводящим свойствам все вещества можно (с некоторой долей условности) подразделить на три категории, каждая из которых обладает ярко выраженными характеристиками поведения валентных электронов под воздействием внешнего электрического поля.

Проводники

В некоторых веществах валентные электроны свободно перемещаются между атомами. Прежде всего, к этой категории относятся металлы, в которых электроны внешних оболочек буквально находятся в «общей собственности» атомов кристаллической решетки (см. Химические связи и Электронная теория проводимости). Если подать на такое вещество электрическое напряжение (например, подключить к двум его концам полюса аккумуляторной батареи), электроны начнут беспрепятственное упорядоченное движение в направлении южного полюса разности потенциалов, создавая, тем самым, электрический ток. Токопроводящие вещества подобного рода принято называть проводниками. Самые распространенные в технике проводники — это, конечно же, металлы, прежде всего медь и алюминий, обладающие минимальным электрическим сопротивлением и достаточно широко распространенные в земной природе. Именно из них, в основном, изготавливаются и высоковольтные электрические кабели, и бытовая электропроводка. Имеются и другие виды материалов, обладающих хорошей электропроводностью, — это, в частности, солевые, щелочные и кислотные растворы, а также плазма и некоторые виды длинных органических молекул.

В этой связи важно помнить, что электропроводность может быть обусловлена наличием в веществе не только свободных электронов, но и свободных положительно и отрицательно заряженных ионов химических соединений. В частности, даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, разлагающихся при растворении на отрицательно заряженные катионы и положительно заряженные анионы, что вода (даже пресная) является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности — иначе можно получить весьма ощутимый удар током.

Изоляторы

Во многих других веществах (в частности, в стекле, фарфоре, пластмассах) электроны прочно привязаны к атомам или молекулам и не способны к свободному перемещению под воздействием приложенного извне электрического напряжения. Такие материалы называются изоляторами.

Чаще всего в современной технике в качестве электроизоляторов используются различные пластмассы. По сути, любой пластик состоит из полимерных молекул — то есть очень длинных цепочек органических (водородно-углеродных) соединений, — которые, к тому же, образуют сложные и весьма прочные взаимные переплетения. Проще всего структуры полимера представить себе в виде тарелки перепутавшейся и слипшейся длинной и тонкой лапши. В таких материалах электроны прочно привязаны к своим сверхдлинным молекулам и не способны покинуть их под воздействием внешнего напряжения. Хорошими изоляционными свойствами обладают и аморфные вещества, такие как стекло, фарфор или резина, не имеющие жесткой кристаллической структуры. Они также нередко используются в качестве электроизоляторов.

И проводники, и изоляторы играют важную роль в нашей техногенной цивилизации, использующей электричество в качестве основного средства передачи энергии на расстоянии. По проводникам электроэнергия поступает от электростанций в наши дома и на всевозможные производственные предприятия, а изоляторы обеспечивают нашу безопасность, ограждая от губительных последствий прямого контакта человеческого организма с высоким электрическим напряжением.

Полупроводники

Наконец, имеется малочисленная категория химических элементов, занимающих промежуточное положение между металлами и изоляторами (самые известные из них — кремний и германий). В кристаллических решетках этих веществ все валентные электроны, на первый взгляд, связаны химическими связями, и свободных электронов для обеспечения электрической проводимости, казалось бы, оставаться не должно. Однако на деле ситуация выглядит несколько иначе, поскольку часть электронов оказывается выбитой со своих внешних орбит в результате теплового движения по причине недостаточной энергии их связи с атомами. В результате при температуре выше абсолютного нуля они все-таки обладают определенной электропроводностью под воздействием внешнего напряжения. Коэффициент проводимости у них достаточно низкий (тот же кремний проводит электрический ток в миллионы раз хуже меди), но какой-то ток, пусть и незначительный, они все-таки проводят. Такие вещества называют полупроводниками.

Как выяснилось в результате исследований, электрическая проводимость в полупроводниках, однако, обусловлена не только движением свободных электронов (так называемой n-проводимостью за счет направленного движения отрицательно заряженных частиц). Имеется и второй механизм электропроводности — при этом весьма необычный. При высвобождении электрона из кристаллической решетки полупроводника за счет теплового движения на его месте образуется так называемая дырка — положительно заряженная ячейка кристаллической структуры, которая может в любой момент оказаться занятой отрицательно заряженным электроном, перескочившим в нее с внешней орбиты соседнего атома, где, в свою очередь, образуется новая положительно заряженная дырка. Такой процесс может продолжаться сколь угодно долго — и выглядеть со стороны (в макроскопическом масштабе) всё будет так, что электрический ток под внешним напряжением обусловлен не движением электронов (которые всего лишь перескакивают с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего атома), а направленной миграцией положительно заряженной дырки (дефицита электрона) в направлении отрицательного полюса приложенной разности потенциалов. В итоге в полупроводниках наблюдается и второй тип проводимости (так называемая дырочная или pпроводимость), обусловленная, конечно же, также движением отрицательно заряженных электронов, но, с точки зрения макроскопических свойств вещества, представляющаяся направленным током положительно заряженных дырок к отрицательному полюсу.

Явление дырочной проводимости проще всего проиллюстрировать на примере дорожной пробки. По мере продвижения вперед машины, застрявшей в ней, на ее месте образуется свободное пространство, которое тут же занимает следующая машина, место которой сразу же занимает третья машина и т. д. Этот процесс можно представить себе двояко: можно описывать редкое продвижение отдельных машин из числа стоящих в длинной пробке; проще, однако, характеризовать ситуацию с точки зрения эпизодического продвижения в противоположном направлении немногочисленных пустот между застрявшими в пробке машинами. Именно руководствуясь подобной аналогией, физики и говорят о дырочной проводимости, условно принимая за данность, что электрический ток проводится не благодаря движению многочисленных, но редко трогающихся с места отрицательно заряженных электронов, а благодаря движению в противоположном направлении положительно заряженных пустот на внешних орбитах атомов полупроводников, которые они условились называть «дырками». Таким образом, дуализм электронно-дырочной проводимости носит чисто условный характер, поскольку с физической точки зрения ток в полупроводниках, в любом случае, обусловлен исключительно направленным движением электронов.

Полупроводники нашли широкое практическое применение в современной радиоэлектронике и компьютерных технологиях именно благодаря тому, что их проводящие свойства легко и точно контролируются посредством изменения внешних условий.

Электропроводность

Электропроводность (электри́ческая проводи́мость, проводимость) — способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению [1] .

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S), определяемый как 1 См = 1 Ом −1 , то есть, как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом [2] .

Также термин электропроводность (электропроводность среды, вещества) применяется для обозначения удельной электропроводности (см. ниже).

Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определенных пределов, в области низких частот).

Электропроводность среды (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этой среде, достаточно свободно перемещаться в ней. Величина электропроводности и ее механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Содержание

Удельная электропроводность [ | ]

Удельной электропроводностью (удельной проводимостью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:


σ <\displaystyle \sigma >— удельная проводимость, J → <\displaystyle <\vec >> — вектор плотности тока, E → <\displaystyle <\vec >> — вектор напряжённости электрического поля.

  • Электрическая проводимость G однородного проводника длиной L с постоянным поперечным сечением площадью S может быть выражена через удельную проводимость вещества, из которого сделан проводник:

G = σ S L . <\displaystyle G=\sigma <\frac >.>

  • В системе СИ удельная электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) или в Ом −1 ·м −1 . В СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с −1 ).

В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, то есть не совпадает в различных точках проводника.

Удельная проводимость анизотропных (в отличие от изотропных) сред является, вообще говоря, не скаляром, а тензором (симметричным тензором ранга 2), и умножение на него сводится к матричному умножению:

при этом векторы плотности тока и напряжённости поля в общем случае не коллинеарны.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Вообще говоря, линейное соотношение, написанное выше (как скалярное, так и тензорное), верно в лучшем случае [4] приближённо, причём приближение это хорошо только для сравнительно малых величин E . Впрочем, и при таких величинах E , когда отклонения от линейности заметны, удельная электропроводность может сохранять свою роль в качестве коэффициента при линейном члене разложения, тогда как другие, старшие, члены разложения дадут поправки, обеспечивающие хорошую точность.

Также в случае нелинейной зависимости J от E (то есть в общем случае) может явно вводиться дифференциальная удельная электропроводность, зависящая от E :

Электропроводность и носители тока [ | ]

Электропроводность всех веществ связана с наличием в них носителей тока (носителей заряда) — подвижных заряженных частиц (электронов, ионов) или квазичастиц (например, дырок в полупроводнике), способных перемещаться в данном веществе на большое расстояние, упрощенно можно сказать, что имеется в виду что такая частица или квазичастица должна быть способна пройти в данном веществе сколь угодно большое, по крайней мере макроскопическое, расстояние, хотя в некоторых частных случаях носители могут меняться, рождаясь и уничтожаясь (вообще говоря, иногда, возможно, и через очень небольшое расстояние), и переносить ток, сменяя друг друга [5] .

Поскольку плотность тока определяется формулой

то, учитывая, что (установившаяся) средняя скорость каждого типа частиц при движении в конкретном веществе (среде) пропорциональна приложенному электрическому полю (в том случае, когда движение вызвано именно этим полем, что мы здесь и рассматриваем):

где μ — коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью и зависящий от вида носителя тока в данной конкретной среде [6] ,

видим, что для электропроводности справедливо:

Механизмы электропроводности и электропроводность различных классов веществ [ | ]

Электропроводность металлов [ | ]

Ещё до открытия электронов было обнаружено, что протекание тока в металлах, в отличие от тока в жидких электролитах, не обусловлено переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, — двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года пропускался постоянный электрический ток. Затем исследовался состав материала вблизи контактов. Оказалось, что переноса вещества металла через границу не происходит и вещество по разные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Таким образом было показано, что перенос электрического тока осуществляется не атомами и молекулами металлов. Однако эти опыты не дали ответа на вопрос о природе носителей заряда в металлах [7] .

Связь с коэффициентом теплопроводности [ | ]

Закон Видемана — Франца, выполняющийся для металлов при высоких температурах, устанавливает однозначную связь удельной электрической проводимости σ <\displaystyle \sigma >с коэффициентом теплопроводности K :

где k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд. Эта связь основана на том факте, что как электропроводность, так и теплопроводность в металлах обусловлены движением свободных электронов проводимости.

Электропроводность растворов [ | ]

Скорость движения ионов зависит от напряженности электрического поля, температуры, вязкости раствора, радиуса и заряда иона и межионного взаимодействия.

У растворов сильных электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости объясняется действием двух взаимнопротивоположных эффектов. С одной стороны, с ростом разбавления уменьшается число ионов в единице объёма раствора. С другой стороны, возрастает их скорость за счет ослабления торможения ионами противоположного знака.

Для растворов слабых электролитов наблюдается характер концентрационной зависимости электрической проводимости можно объяснить тем, что рост разбавления ведёт, с одной стороны, к уменьшению концентрации молекул электролита. В то же время возрастает число ионов за счёт роста степени ионизации.

В отличие от металлов (проводники 1-го рода) электрическая проводимость растворов как слабых, так и сильных электролитов (проводники 2-го рода) при повышении температуры возрастает. Этот факт можно объяснить увеличением подвижности в результате понижения вязкости раствора и ослаблением межионного взаимодействия

Электрофоретический эффект — возникновение торможения носителей вследствие того, что ионы противоположного знака под действием электрического поля двигаются в направлении, обратном направлению движения рассматриваемого иона

Релаксационый эффект — торможение носителей в связи с тем, что ионы при движении расположены асимметрично по отношению к их ионным атмосферам. Накопление зарядов противоположного знака в пространстве за ионом приводит к торможению его движения.

При больших напряжениях электрического поля скорость движения ионов настолько велика, что ионная атмосфера не успевает образоваться. В результате электрофоретическое и релаксационное торможение не проявляется.

Удельная электропроводность некоторых веществ (таблица) [ | ]

Удельная проводимость приведена при температуре +20 °C [8] :

Электрический ток и электропроводность вещества

При некоторых условиях для нейтрального атома (повышение температуры), этот атом теряет электрон, превращаясь в положительный ион. Оторвавшийся электрон может присоединиться к соседнему атому, образуя отрицательный ион.

Если такое вещество поместить в электрическое поле, то под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, получивший название электрического тока.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью.

Электропроводность вещества зависит от количества свободных, не связанных с атомами, электрически заряженных частиц. Чем выше их концентрация, тем электропроводность больше.

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники обладают высокой электропроводностью. Делятся на два класса:

К 1 классу относятся металлы и их сплавы.

В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, слабо связаны с ядрами атомов, часть электронов перемещается между атомами, заполняя пространство между ними и находятся в беспорядочном движении (см.рис.1,4). Однако если металлический проводник внести в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного заряда (см.рис.1,4), создавая электрический ток.

Рис. 1.4. Свободное и упорядоченное движение электронов

Диэлектрические вещества имеют на внешней орбите большое количество электронов, но они жестко связаны со своими ядрами.

Поэтому диэлектрики не являются проводниками тока.

К проводникам 2 класса относятся водные растворы кислот, солей и щелочей.

Электрическая цепь. Э.Д.С.

Рис. 1.5. Электрическая цепь

Если два разноименно заряженных тела соединить проводником, то свободные электроны проводника и этих тел придут в движение и возникнет электрический ток.

Ток по проводнику будет протекать до тех пор, пока напряжение между ними не станет равным нулю.

Для обеспечения непрерывного движения электронов по проводнику необходимо постоянно поддерживать заряды этих тел, то есть обеспечивать разность потенциалов на концах проводника. Для этого применяются источники электрической энергии.

Причину, вызывающую упорядоченное движение электрических зарядов по цепи, называют Э.Д.С. Э.Д.С. обозначается буквой «Е» и измеряется в вольтах.

К источникам Э.Д.С. относятся генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.

Источник электрической энергии, потребитель и провода образуют замкнутую электрическую цепь.

За направление тока принято направление от «+» к «-«.

Силой тока служит величина тока, измеряемая количеством электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника за 1 сек.

Ток измеряется в амперах (А). Направление тока указывается стрелкой.

Более мелкие единицы измерения тока

1 миллиампер — 10 -3 А

1 микроампер — 10 -6 А

Более крупная единица измерения тока

1 килоампер = 10 3 А

При движении свободных электронов в проводнике, под действием сил электрического поля, они сталкиваются на своем пути с атомами вещества и отдают им часть своей энергии.

Эта энергия, в результате столкновений, рассеивается в виде тепла и нагревает проводник.

Электроны , сталкиваясь с частицами вещества, преодолевают сопротивление движению, то есть проводники обладают электрическим сопротивлением.

Если сопротивление проводника велико, то проводник может раскалиться (утюг) и наоборот.

Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).

Более крупная единица измерения

1 килоом = 10 3 Ом

1 мегаом = 10 6 Ом

Всякий проводник обладает проводимостью, то есть способностью проводить электрический ток.

Проводимость есть величина обратная сопротивлению.

О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по его удельному сопротивлению ρ (ро)

Сопротивление проводника определяется по формуле

ℓ — длина проводника , м

S — сечение проводника, мм 2

Провода из металлов (меди, алюминия) с наименьшим сопротивлением широко применяются для соединения потребителей электрической энергии с генераторами.

Для изготовления обмоток нагревательных элементов и реостатов применяют сплавы с большим удельным сопротивлением (нихром, фехраль).

На подвижном составе применяются сопротивления с целью регулирования, уменьшения или ограничения тока цепи.

Электрические заряды в цепи могут не только перемещаться по её элементам, но также накапливаться в них, создавая запас энергии

где U — напряжение на элементе электрической цепи, В

Электрической ёмкостью (или просто ёмкостью) C называется коэффициент, определяющий запас накопленной энергии. Таким образом, ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.

Величина ёмкости участка электрической цепи зависит от электрических свойств окружающей среды, а также от формы и геометрических размеров проводников, в которых накапливаются заряды.

Исторически первые накопители представляли собой плоские проводники, разделённые тонкой прослойкой изоляционного материала.

Совокупность проводников, предназначенных для накопления энергии электрического поля, называется конденсатором. Чем больше площадь проводников и чем меньше толщина изолирующей прослойки, тем больше, при прочих равных условиях, величина их ёмкости.

Ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда на конденсаторе к величине напряжения на нем

Каждый электрик должен знать:  Упрощенный расчет маломощных силовых однофазных и трехфазных трансформаторов
Добавить комментарий