Elektrische geleidbaarheid van stoffen

In dit artikel zullen we het onderwerp elektrische geleidbaarheid onthullen, we zullen ons herinneren wat elektrische stroom is, hoe deze verband houdt met de weerstand van een geleider en dienovereenkomstig met de elektrische geleidbaarheid ervan. Laten we eens kijken naar de belangrijkste formules voor het berekenen van deze hoeveelheden, die het onderwerp raken huidige snelheid en de relatie met de elektrische veldsterkte. We zullen ook ingaan op de relatie tussen elektrische weerstand en temperatuur.

Laten we om te beginnen in herinnering brengen wat elektrische stroom is. Als je een substantie in een extern elektrisch veld plaatst, zal onder invloed van krachten uit dit veld de beweging van elementaire ladingsdragers - ionen of elektronen - in de substantie beginnen. Het zal een elektrische schok zijn. De stroom I wordt gemeten in ampère, en één ampère is de stroom waarbij per seconde een lading gelijk aan één coulomb door de doorsnede van de draad stroomt.

Stroom is direct, wisselend, pulserend.Gelijkstroom verandert op een gegeven moment niet van grootte en richting, wisselstroom verandert van grootte en richting in de loop van de tijd (wisselstroomgeneratoren en transformatoren geven exact wisselstroom), pulserende stroom verandert van grootte maar verandert niet van richting (bijv. gelijkgerichte wisselstroom) . de huidige pulsen).

Stoffen hebben de neiging om een ​​elektrische stroom te geleiden onder invloed van een elektrisch veld, en deze eigenschap wordt elektrische geleidbaarheid genoemd, die voor verschillende stoffen verschillend is.De elektrische geleidbaarheid van stoffen hangt af van de concentratie van vrij geladen deeltjes erin, dat wil zeggen ionen en elektronen die noch gebonden zijn aan de kristalstructuur, noch aan de moleculen, noch aan de atomen van de gegeven substantie. Dus, afhankelijk van de concentratie van vrije ladingsdragers in een bepaalde stof, worden stoffen op basis van de mate van elektrische geleidbaarheid onderverdeeld in: geleiders, diëlektrica en halfgeleiders.

Het heeft de hoogste elektrische geleidbaarheid draden van elektrische stroom, en door fysieke aard worden geleiders in de natuur vertegenwoordigd door twee soorten: metalen en elektrolyten. In metalen is de stroom het gevolg van de beweging van vrije elektronen, dat wil zeggen, ze hebben elektronische geleidbaarheid, en in elektrolyten (in oplossingen van zuren, zouten, basen) - van de beweging van ionen - delen van moleculen die een positieve en negatieve lading, dat wil zeggen, de geleidbaarheid van elektrolyten is ionisch. Geïoniseerde dampen en gassen worden gekenmerkt door gemengde geleidbaarheid, waarbij de stroom het gevolg is van de beweging van zowel elektronen als ionen.

De elektronentheorie verklaart perfect de hoge elektrische geleidbaarheid van metalen.De binding van valentie-elektronen met hun kernen in metalen is zwak, dus deze elektronen bewegen vrijelijk van atoom naar atoom door het volume van de geleider.

Het blijkt dat de vrije elektronen in metalen de ruimte tussen atomen vullen als een gas, een elektronengas, en in chaotische beweging zijn. Maar wanneer een metalen draad in een elektrisch veld wordt gebracht, zullen de vrije elektronen op een geordende manier bewegen, ze zullen naar de positieve pool bewegen en een stroom creëren. Dus de geordende beweging van vrije elektronen in een metalen geleider wordt een elektrische stroom genoemd.

Het is bekend dat de voortplantingssnelheid van een elektrisch veld in de ruimte ongeveer gelijk is aan 300.000.000 m / s, dat wil zeggen de lichtsnelheid. Dit is dezelfde snelheid waarmee stroom door een draad vloeit.

Wat betekent het? Dit betekent niet dat elk elektron in het metaal met zo'n enorme snelheid beweegt, maar de elektronen in een draad hebben juist een snelheid van enkele millimeters per seconde tot enkele centimeters per seconde, afhankelijk van elektrische veldsterkte, maar de voortplantingssnelheid van elektrische stroom langs een draad is precies gelijk aan de lichtsnelheid.

Het punt is dat elk vrij elektron in de algemene elektronenstroom van hetzelfde "elektronengas" blijkt te zitten, en tijdens het passeren van de stroom werkt het elektrische veld in op deze hele stroom, waardoor de elektronen constant uitzenden dit veld actie voor elkaar - van buurman tot buurman.

Maar de elektronen bewegen heel langzaam naar hun plaats, ondanks het feit dat de voortplantingssnelheid van elektrische energie langs de draad enorm is.Dus als de schakelaar in de energiecentrale wordt aangezet, ontstaat er direct stroom door het netwerk en staan ​​de elektronen praktisch stil.

Wanneer vrije elektronen echter langs een draad bewegen, ervaren ze onderweg veel botsingen, ze botsen met atomen, ionen, moleculen, en brengen een deel van hun energie naar hen over. De energie van de bewegende elektronen die deze weerstand overwinnen, wordt gedeeltelijk gedissipeerd als warmte en de geleider warmt op.

Deze botsingen dienen als weerstand tegen de beweging van elektronen, daarom wordt de eigenschap van een geleider om de beweging van geladen deeltjes te voorkomen elektrische weerstand genoemd. Met een lage weerstand van de draad wordt de draad enigszins verwarmd door de stroom, met een significante - veel sterker en zelfs tot wit, dit effect wordt gebruikt in verwarmingstoestellen en gloeilampen.

De eenheid van weerstandsverandering is Ohm. Weerstand R = 1 ohm is de weerstand van zo'n draad, als er een gelijkstroom van 1 ampère doorheen gaat is het potentiaalverschil aan de uiteinden van de draad 1 volt. De weerstandsstandaard in 1 Ohm is een kwikkolom van 1063 mm hoog, doorsnede 1 vierkante mm bij een temperatuur van 0 ° C.

Aangezien draden worden gekenmerkt door elektrische weerstand, kunnen we zeggen dat de draad tot op zekere hoogte in staat is elektrische stroom te geleiden. In dit verband wordt een waarde geïntroduceerd die geleidbaarheid of elektrische geleidbaarheid wordt genoemd. Elektrische geleidbaarheid is het vermogen van een geleider om een ​​elektrische stroom te geleiden, dat wil zeggen het omgekeerde van de elektrische weerstand.

De eenheid van elektrische geleidbaarheid G (geleidbaarheid) is Siemens (S) en 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Omdat de atomen van verschillende stoffen de doorgang van elektrische stroom in verschillende mate verstoren, is de elektrische weerstand van verschillende stoffen verschillend. Om deze reden is het concept geïntroduceerd elektrische weerstand, waarvan de waarde «p» de geleidende eigenschappen van deze of gene stof kenmerkt.

De specifieke elektrische weerstand wordt gemeten in Ohm * m, dat is de weerstand van een kubus van stof met een rand van 1 meter. Evenzo wordt de elektrische geleidbaarheid van een stof gekenmerkt door de specifieke elektrische geleidbaarheid ?, gemeten in S / m, dat wil zeggen de geleidbaarheid van een kubus van stof met een rand van 1 meter.

Tegenwoordig worden geleidende materialen in de elektrotechniek voornamelijk gebruikt in de vorm van linten, banden, draden, met een bepaalde dwarsdoorsnede en een bepaalde lengte, maar niet in de vorm van meterkubussen. En voor gemakkelijkere berekeningen van elektrische weerstand en elektrische geleidbaarheid van draden van specifieke afmetingen, werden meer acceptabele meeteenheden voor zowel elektrische weerstand als elektrische geleidbaarheid geïntroduceerd. Ohm * mm2 / m - voor weerstand, en Cm * m / mm2 - voor elektrische geleidbaarheid.

Nu kunnen we zeggen dat elektrische weerstand en elektrische geleidbaarheid kenmerkend zijn voor de geleidende eigenschappen van een draad met een dwarsdoorsnede van 1 vierkante mm, 1 meter lang bij een temperatuur van 20 ° C, het is handiger.

Metalen zoals goud, koper, zilver, chroom en aluminium hebben de beste elektrische geleidbaarheid. Staal en ijzer zijn minder geleidend. Zuivere metalen hebben altijd een betere elektrische geleidbaarheid dan hun legeringen, dus puur koper heeft de voorkeur in de elektrotechniek.Als u een bijzonder hoge weerstand nodig heeft, worden wolfraam, nichroom en constantaan gebruikt.

Als men de waarde van de specifieke elektrische weerstand of elektrische geleidbaarheid kent, kan men gemakkelijk de weerstand of elektrische geleidbaarheid berekenen van een bepaalde draad gemaakt van een bepaald materiaal, rekening houdend met de lengte l en de dwarsdoorsnede S van deze draad.

De elektrische geleidbaarheid en elektrische weerstand van alle materialen zijn afhankelijk van de temperatuur, omdat de frequentie en amplitude van de thermische trillingen van de atomen van het kristalrooster ook toenemen met toenemende temperatuur, neemt ook de weerstand tegen elektrische stroom en de stroom van elektronen dienovereenkomstig toe.

Naarmate de temperatuur daalt, worden daarentegen de trillingen van de atomen van het kristalrooster kleiner, neemt de weerstand af (elektrische geleidbaarheid neemt toe). Bij sommige stoffen is de weerstandsafhankelijkheid van temperatuur minder uitgesproken, bij andere sterker. Legeringen zoals constantaan, fechral en manganine veranderen bijvoorbeeld de weerstand enigszins in een bepaald temperatuurbereik, daarom worden er thermostabiele weerstanden van gemaakt.

Temperatuurcoëfficiënt van weerstand? stelt u in staat om voor een specifiek materiaal de toename van de weerstand bij een bepaalde temperatuur te berekenen en karakteriseert numeriek de relatieve toename van de weerstand bij een temperatuurstijging met 1 ° C.

Als we de temperatuurcoëfficiënt van weerstand en de temperatuurstijging kennen, is het eenvoudig om de weerstand van een stof bij een bepaalde temperatuur te berekenen.

We hopen dat ons artikel nuttig voor u was en dat u nu eenvoudig de weerstand en geleidbaarheid van elke draad bij elke temperatuur kunt berekenen.