Električna vodljivost karakterizira sposobnost tijela da provodi struja. Vodljivost - vrijednost otpora. U formuli je obrnuto proporcionalan električnom otporu, a zapravo se koriste za označavanje istih svojstava materijala. Vodljivost se mjeri u Siemensu: [Sm]=.
Vrste električne vodljivosti:
— Elektronska vodljivost, gdje su nosioci naboja elektroni. Ova vodljivost prvenstveno je karakteristična za metale, ali je prisutna u jednom ili drugom stupnju u gotovo svakom materijalu. Kako temperatura raste, elektronska vodljivost se smanjuje.
— Ionska vodljivost. Postoji u plinovitim i tekućim medijima gdje postoje slobodni ioni koji također prenose naboje, krećući se po volumenu medija pod utjecajem elektromagnetsko polje ili drugi vanjski utjecaj. Koristi se u elektrolitima. Kako temperatura raste ionska vodljivost povećava kako se proizvodi više visokoenergetskih iona i smanjuje se viskoznost medija.
— Vodljivost rupa. Ta je vodljivost uzrokovana nedostatkom elektrona u kristalnoj rešetki materijala. Zapravo, elektroni ovdje opet prenose naboj, ali izgleda da se kreću duž rešetke, zauzimajući sekvencijalno slobodne prostore u njoj, za razliku od fizičkog kretanja elektrona u metalima. Ovaj princip se koristi u poluvodičima, zajedno s elektronskom vodljivošću.
Prvi materijali koji su se počeli koristiti u elektrotehnici povijesno su bili metali i dielektrici (izolatori niske električne vodljivosti). Sada primljeno široka primjena u elektroničkim poluvodičima. Zauzimaju srednji položaj između vodiča i dielektrika i karakterizira ih činjenica da se količina električne vodljivosti u poluvodičima može regulirati različitim utjecajima. Većina suvremenih vodiča izrađena je od silicija, germanija i ugljika. Osim toga, za izradu PP-a mogu se koristiti i druge tvari, ali se one koriste mnogo rjeđe.
U važno ima prijenos struje uz minimalne gubitke. U tom pogledu važnu ulogu igraju metali s visokom električnom vodljivošću i, sukladno tome, niskim električnim otporom. Najbolje po tom pitanju je srebro (62.500.000 S/m), zatim bakar (58.100.000 S/m), zlato (45.500.000 S/m), aluminij (37.000.000 S/m). U skladu s ekonomskom opravdanošću, najčešće se koriste aluminij i bakar, dok je bakar nešto slabiji u vodljivosti od srebra. Svi ostali metali nemaju industrijskog značaja za proizvodnju vodiča.
Da bismo govorili o električnoj vodljivosti, moramo se sjetiti prirode električne struje kao takve. Dakle, prilikom stavljanja bilo koje tvari unutra električno polje dolazi do kretanja naboja. Ovo kretanje izaziva djelovanje električnog polja. Tok elektrona je električna struja. Trenutna snaga, kako znamo iz školske lekcije u fizici, mjereno u amperima i označeno latinično pismo I. 1 A predstavlja električnu struju u kojoj naboj od 1 Coulomba prođe u vremenu jednakom jednoj sekundi.
Električna struja postoji u nekoliko vrsta, i to:
- istosmjerna struja, koja se u bilo kojem trenutku ne mijenja u odnosu na indikator i putanju kretanja;
- izmjenična struja, koja mijenja svoj indikator i putanju tijekom vremena (proizvedena od generatora i transformatora);
- pulsirajuća struja prolazi kroz promjene u veličini, ali ne mijenja svoj smjer.
Pokazatelj električne vodljivosti izravno je povezan sa sadržajem slobodno pokretnih naboja u materijalu koji nemaju veze s kristalnom mrežom, molekulama ili atomima.
Dakle, prema stupnju vodljivosti struje, materijali se dijele na sljedeće vrste:
- dirigenti;
- dielektrici;
- poluvodiči.
Visoka električna vodljivost tumači se elektronskom teorijom. Dakle, elektroni putuju među atomima kroz vodič zbog svoje slabosti valentna veza s jezgrama. To jest, slobodno pokretne nabijene čestice unutar metala prekrivaju praznine među atomima i karakterizirane su kaotičnim kretanjem. Ako se metalni vodič stavi u električno polje, elektroni će zauzeti red u svom kretanju, krećući se prema polu s pozitivnim nabojem. Zbog toga se stvara električna struja. Brzina širenja električnog polja u prostoru slična je brzini svjetlosti. Ovom brzinom se električna struja kreće unutar vodiča. Vrijedno je napomenuti da se ne radi o brzini kretanja samih elektrona (brzina im je vrlo mala i jednaka je najviše nekoliko mm/sek), već o brzini distribucije elektriciteta kroz tvar.
Kada se naboji slobodno kreću unutar vodiča, na svom putu nailaze na različite mikročestice s kojima se sudaraju i na njih se prenosi dio energije. Poznato je da vodiči doživljavaju toplinu. To se događa upravo zato što se, svladavajući otpor, energija elektrona širi kao oslobađanje topline.
Takve "slučajnosti" naboja stvaraju prepreku kretanju elektrona, što se u fizici naziva otporom. Mali otpor ne zagrijava vodič mnogo, ali veliki otpor dovodi do viših temperatura. Potonji se fenomen koristi u uređajima za grijanje kao iu tradicionalnim žaruljama sa žarnom niti. Otpor se mjeri u Ohmima. Označava se latiničnim slovom R.
Električna provodljivost- pojava koja odražava sposobnost metala ili elektrolita da provode električnu struju. Ova vrijednost je recipročna vrijednost električni otpor.
Električnu vodljivost mjeri Siemens (Cm) i označava slovom G.
Budući da atomi stvaraju prepreku prolazu struje, indeks otpora tvari je različit. Za označavanje je uveden koncept otpora (Ohm-m), koji daje informacije o vodljivosti tvari.
Suvremeni vodljivi materijali imaju oblik tankih vrpci ili žica s određenom površinom presjeka i određenom duljinom. Električna vodljivost i otpor se mjere u sljedećim jedinicama: Sm-m/mm.sq., odnosno Ohm-mm.sq.m.
Dakle, električni otpor i električna vodljivost karakteristike su vodljivosti materijala, čija je površina poprečnog presjeka 1 mm2, a duljina 1 m. Temperatura za karakteristiku je 20 stupnjeva Celzijusa.
Dobri vodiči električne struje među metalima su plemeniti metali, i to zlato i srebro, te bakar, krom i aluminij. Čeličnih i željeznih vodiča ima više slabe karakteristike. Vrijedno je napomenuti da čisti metali imaju bolja svojstva električne vodljivosti u usporedbi s metalnim legurama. Za visoku otpornost, ako je potrebno, koriste se volfram, nikrom i stalni vodiči.
Uz poznavanje otpora ili vodljivosti, vrlo je lako izračunati otpor i vodljivost određenog vodiča. U ovom slučaju, u izračunima treba koristiti duljinu i površinu poprečnog presjeka određenog vodiča.
Važno je znati da indikator električne vodljivosti, kao i otpornost bilo kojeg materijala, izravno ovisi o temperaturnom režimu. To se objašnjava činjenicom da s promjenama temperature dolazi do promjena u frekvenciji i amplitudi atomskih vibracija. Dakle, kako se temperatura povećava, otpor protoku pokretnih naboja će također rasti. I kako se temperatura smanjuje, otpor se u skladu s tim smanjuje, a električna vodljivost raste.
Kod nekih je materijala ovisnost temperature o otporu vrlo izražena, kod drugih je manje izražena.
Električna provodljivost(električna vodljivost, vodljivost) - sposobnost tijela da provodi električnu struju, kao i fizikalna veličina koja karakterizira tu sposobnost i inverzna je električnom otporu. U Međunarodnom sustavu jedinica (SI), mjerna jedinica za električnu vodljivost je Siemens (ruska oznaka: Cm; međunarodni: S), definiran kao 1 Sm = 1 Ohm -1, odnosno kao električna vodljivost područja strujni krug otpor 1 ohm.
Enciklopedijski YouTube
-
1 / 5
Specifična vodljivost (električna vodljivost) je mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju. Prema Ohmovom zakonu, u linearnoj izotropnoj tvari, specifična vodljivost je koeficijent proporcionalnosti između gustoće izlazne struje i veličine električnog polja u mediju:
J → = σ E → , (\displaystyle (\vec (J))=\sigma \,(\vec (E)),)U nehomogenom mediju σ može ovisiti (i u opći slučaj ovisi) o koordinatama, odnosno ne podudara se u različitim točkama vodiča.
Vodljivost anizotropnih (za razliku od izotropnih) medija, općenito govoreći, nije skalar, već tenzor (simetrični tenzor ranga 2), a množenje njime svodi se na matrično množenje:
J i = ∑ k = 1 3 σ i k E k , (\displaystyle J_(i)=\sum \limits _(k=1)^(3)\sigma _(ik)\,E_(k,)u ovom slučaju vektori gustoće struje i jakosti polja općenito nisu kolinearni.
Za bilo koji linearni medij možete odabrati lokalno (a ako je medij homogen, onda globalno) tzv. vlastita baza – ortogonalni sustav Kartezijeve koordinate, pri čemu matrica postaje dijagonalna, odnosno poprima oblik u kojem od devet komponenti σ i k (\displaystyle \sigma _(ik)) Samo su tri različite od nule: σ 11 (\displaystyle \sigma _(11)), σ 22 (\displaystyle \sigma _(22)) I σ 33 (\displaystyle \sigma _(33)). U ovom slučaju, označavanje σ i i (\displaystyle \sigma _(ii)) kako umjesto prethodne formule dobivamo jednostavniju
J i = σ i E i . (\displaystyle J_(i)=\sigma _(i)E_(i).)Količine σ i (\displaystyle \sigma _(i)) nazvao glavne vrijednosti tenzor vodljivosti. U općem slučaju gornji odnos vrijedi samo u jednom koordinatnom sustavu.
Recipročna vrijednost vodljivosti naziva se otpornost.
Općenito govoreći, gore napisana linearna relacija (i skalarna i tenzorska) je u najboljem slučaju približno točna, a ova aproksimacija je dobra samo za relativno male veličine E. Međutim, čak i uz takve vrijednosti E, kada su primjetna odstupanja od linearnosti, električna vodljivost može zadržati svoju ulogu koeficijenta u linearnom članu ekspanzije, dok će drugi, viši, članovi ekspanzije dati korekcije koje osiguravaju dobru točnost. U slučaju nelinearne ovisnosti J iz E uveo diferencijal provodljivost σ = d J / d E (\displaystyle \sigma =dJ/dE)(za anizotropne medije: σ i k = d J i / d E k (\displaystyle \sigma _(ik)=dJ_(i)/dE_(k))).
Električna provodljivost G duljina vodiča L s površinom presjeka S može se izraziti u smislu specifične vodljivosti tvari od koje je vodič izrađen, sljedeću formulu:
G = σ S L . (\displaystyle G=\sigma (\frac (S)(L)).)Specifična vodljivost nekih tvari
Specifična vodljivost dana je na +20 °C:
tvar cm/m srebro 62 500 000 bakar 59 500 000 zlato 45 500 000 aluminij 38 000 000 magnezij 22 700 000 iridij 21 100 000 molibden 18 500 000 volfram 18 200 000 cinkov 16 900 000 nikal 11 500 000 čisto željezo 10 000 000 platina 9 350 000 kositar 8 330 000 lijevanog čelika 7 690 000 voditi 4 810 000 nikal srebro 3 030 000 konstantan 2 000 000 manganin 2 330 000 1 040 000 nikrom 893 000 grafit 125 000 morska voda 3 tlo je mokro 10 −2 destilirana voda 10 −4 mramor 10 −8 stakla 10 −11 porculan 10 −14 kvarcno staklo 10 −16 jantar 10 −18 Električna vodljivost otopina
Brzina kretanja iona ovisi o jakosti električnog polja, temperaturi, viskoznosti otopine, polumjeru i naboju iona te međuionskoj interakciji.
U otopinama jakih elektrolita uočava se koncentracijska ovisnost električne vodljivosti i objašnjava se djelovanjem dvaju međusobno suprotnih učinaka. S jedne strane, s povećanjem razrjeđenja smanjuje se broj iona po jedinici volumena otopine. S druge strane, njihova se brzina povećava zbog slabljenja inhibicije ionima suprotnog predznaka.
Fizička priroda električnog otpora. Kada se slobodni elektroni kreću u vodiču, oni se na svom putu sudaraju s pozitivnim ionima 2 (vidi sliku 10, a), atomima i molekulama tvari iz koje je vodič napravljen, i prenose dio svoje energije na njih. U ovom slučaju, energija pokretnih elektrona kao rezultat njihovog sudara s atomima i molekulama djelomično se oslobađa i rasipa u obliku topline, zagrijavajući vodič. Zbog činjenice da elektroni, sudarajući se s česticama vodiča, svladavaju neke otpore kretanju, uobičajeno je reći da vodiči imaju električni otpor. Ako je otpor vodiča mali, on se relativno slabo zagrijava strujom; ako je otpor visok, vodič se može zagrijati. Žice koje dovode električnu struju do električnog štednjaka gotovo se ne zagrijavaju, jer im je otpor mali, a spirala štednjaka, koja ima veliki otpor, postaje užarena. Žarna nit električne žarulje se još više zagrijava.
Jedinica otpora je ohm. Vodič ima otpor od 1 Ohm kroz koji prolazi struja od 1 A s razlikom potencijala na njegovim krajevima (naponom) od 1 V. Etalon otpora od 1 Ohm je stupac žive dug 106,3 cm i križni površine presjeka od 1 mm2 na temperaturi od 0°C. U praksi se otpor često mjeri u tisućama ohma - kiloohma (kOhm) ili milijunima ohma - megaohma (MOhm). Otpor je označen slovom R (r).
Provodljivost. Svaki vodič može se karakterizirati ne samo svojim otporom, već i takozvanom vodljivošću - sposobnošću provođenja električne struje. Vodljivost je recipročna vrijednost otpora. Jedinica za vodljivost naziva se siemens (Sm). 1 cm je jednak 1/1 ohma. Vodljivost je označena slovom G (g). Stoga,G=1/R(4)
Električni otpor i vodljivost. Atomi različite tvari pružaju nejednak otpor prolazu električne struje. O sposobnosti pojedinih tvari da provode električnu struju može se suditi po njihovom električnom otporu p. Vrijednost koja karakterizira otpor obično se uzima kao otpor kocke s rubom od 1 m. Električni otpor se mjeri u Ohm*m. Za procjenu električne vodljivosti materijala koristi se i koncept specifične električne vodljivosti ?=1/?. Specifična električna vodljivost mjeri se u siemenima po metru (S/m) (vodljivost kocke s rubom od 1 m). Električni otpor često se izražava u ohm-centimetrima (Ohm*cm), a električna vodljivost u siemensima po centimetru (S/cm). pri čemu 1 Ohm*cm = 10 -2 Ohm*m i 1 S/cm = 10 2 S/m.
Materijali vodiča koriste se uglavnom u obliku žica, šipki ili traka, čija se površina poprečnog presjeka obično izražava u kvadratnim milimetrima, a duljina u metrima. Stoga su za električni otpor takvih materijala i električnu vodljivost uvedene druge mjerne jedinice: ? mjereno u Ohm * mm 2 / m (otpor vodiča duljine 1 m i površine poprečnog presjeka 1 mm 2), ha? - u Sm*m/mm2 (vodljivost vodiča duljine 1 m i površine poprečnog presjeka 1 mm2).
Od metala najveću električnu vodljivost imaju srebro i bakar, jer struktura njihovih atoma omogućuje slobodno kretanje slobodnih elektrona, zatim zlato, krom, aluminij, mangan, volfram itd. Željezo i čelik lošije provode struju.
Čisti metali uvijek bolje provode struju od svojih legura. Stoga se u elektrotehnici uglavnom koristi vrlo čisti bakar koji sadrži samo 0,05% nečistoća. I obrnuto, u slučajevima kada je potreban materijal visoke otpornosti (za razne uređaje za grijanje, reostate i sl.), koriste se posebne legure: konstantan, manganin, nichrome, fechral.
Treba napomenuti da se u tehnici, osim metalnih vodiča, koriste i nemetalni. Takvi vodiči uključuju, na primjer, ugljik, od kojeg se izrađuju četke električni strojevi, elektrode za reflektore i sl. Vodiči električne struje su debljina zemlje, živa tkiva biljaka, životinja i ljudi. Vlažno drvo i mnogi drugi izolacijski materijali provode struju kada su mokri.
Električni otpor vodiča ne ovisi samo o materijalu vodiča, već i o njegovoj duljini l i površini presjeka s. (Električni otpor je sličan otporu koji se nudi kretanju vode u cijevi, a koji ovisi o površini poprečnog presjeka cijevi i njezinoj duljini.)
Otpor ravnog vodičaR= ? l/s (5)
Ako otpornost? izraženo u Ohm*mm/m, tada da bi se dobio otpor vodiča u omima, njegovu duljinu treba zamijeniti u formuli (5) u metrima, a površinu poprečnog presjeka u kvadratnim milimetrima.
Ovisnost otpora o temperaturi. Električna vodljivost svih materijala ovisi o njihovoj temperaturi. U metalnim vodičima se pri zagrijavanju povećava opseg i brzina titranja atoma u kristalnoj rešetki metala, zbog čega se povećava i otpor koji oni pružaju protoku elektrona. Kod hlađenja se javlja suprotna pojava: poremećen oscilatorno gibanje atomi u čvorovima kristalna rešetka smanjuje, smanjuje se njihov otpor protoku elektrona i povećava se električna vodljivost vodiča.
U prirodi, međutim, postoje neke legure: fehral, konstantan, manganin itd., u kojima se električni otpor relativno malo mijenja u određenom temperaturnom području. Takve se legure koriste u tehnologiji za izradu različitih otpornika koji se koriste u električnim mjernim instrumentima i nekim uređajima za kompenzaciju utjecaja temperature na njihov rad.
Stupanj promjene otpora vodiča s promjenama temperature ocjenjuje se takozvanim temperaturnim koeficijentom otpora a. Ovaj koeficijent predstavlja relativno povećanje otpora vodiča s povećanjem njegove temperature za 1 °C. U tablici Tablica 1 prikazuje vrijednosti temperaturnog koeficijenta otpora za najčešće korištene materijale vodiča.
Otpor metalnog vodiča R t na bilo kojoj temperaturi t
R t = R 0 [ 1 + ? (t - t 0)] (6)
gdje je R 0 otpor vodiča na određenoj početnoj temperaturi t 0 (obično na + 20 ° C), koji se može izračunati pomoću formule (5);
t- t 0 - promjena temperature.
Svojstvo metalnih vodiča da povećavaju svoj otpor pri zagrijavanju često se koristi u modernoj tehnologiji za mjerenje temperature. Na primjer, pri ispitivanju vučnih motora nakon popravka, temperatura zagrijavanja njihovih namota se određuje mjerenjem njihovog otpora u hladnom stanju i nakon rada pod opterećenjem određeno vrijeme (obično 1 sat).
Dok su proučavali svojstva metala tijekom dubokog (vrlo jakog) hlađenja, znanstvenici su otkrili nevjerojatan fenomen: blizu apsolutne nule (-273,16 °C), neki metali gotovo potpuno gube električni otpor. Oni postaju idealni vodiči, sposobni dugo vremena propuštati struju kroz zatvoreni krug bez ikakvog utjecaja izvora električne energije. Taj se fenomen naziva supravodljivost. Trenutno su stvoreni prototipovi dalekovoda i električnih strojeva koji koriste fenomen supravodljivosti. Takvi strojevi imaju znatno manju težinu i ukupne dimenzije u usporedbi sa strojevima opće namjene i rade s vrlo visokom učinkovitošću. U tom slučaju dalekovodi mogu biti izrađeni od žica s vrlo malom površinom poprečnog presjeka. U budućnosti će se ova pojava sve više koristiti u elektrotehnici.
električna provodljivost Sustav SI Tip izvedenica Siemens(Ruska oznaka: Cm; međunarodna oznaka: S) je jedinica za električnu vodljivost u Međunarodnom sustavu jedinica (SI), recipročna vrijednost oma. Prema definiciji, siemens je jednak električnoj vodljivosti vodiča (odsječka električnog kruga) čiji je otpor 1 ohm.
Preko drugih Siemensovih SI jedinica izražava se na sljedeći način:
1 cm = 1 / Ohm = / = kg −1 · −2 · ³ ².
U skladu s pravilima SI o izvedenim jedinicama nazvanim po znanstvenicima, naziv Siemensove jedinice piše se malim slovom, a njezina oznaka velikim slovom.
Prethodno je korišten naziv mj(engleski mho), što je riječ "ohm" pročitana natrag (ohm); označeno obrnutim slovom Ω: ℧ (\displaystyle \mho )(Unicode U+2127 , ℧).
Prije Drugog svjetskog rata (u SSSR-u do 1960-ih), siemens je bio jedinica za električni otpor koja odgovara otporu stupca žive dugog 1 m i promjera 1 mm na 0 °C. Odgovara otprilike 0,9534 Ohma. Ovu jedinicu uveo je Siemens 1860. godine i natjecala se s omom, koji je konačno izabran kao jedinica otpora na Svjetskom kongresu inženjera elektrotehnike 1881. godine. Unatoč tome, Siemens kao jedinicu otpora naširoko su koristili signalisti diljem svijeta sve do sredine 20. stoljeća.
Višekratnici i podvišestruki
Decimalni višekratnici i podumnošci formiraju se pomoću standardnih SI prefiksa.
Višestruki Dolnye veličina Ime oznaka veličina Ime oznaka 10 1 cm dekazimens DaSm daS 10 −1 cm decisiemens dSm dS 10 2 cm hektosiemens gsm hS 10 −2 cm centisiemens scm cS 10 3 cm kilosiemensa kSm kS 10 −3 cm milisiemens mSm mS 10 6 cm megasiemens MSM MS 10 −6 cm mikrosiemens µS µS 10 9 cm gigasimens goriva i maziva G.S. 10 −9 cm nanosimens nSm nS 10 12 cm Terasimens TSM T.S. 10 −12 cm pikozimensa psm p.s 10 15 cm petasimens PSM P.S 10 −15 cm femtosiemens fSm fS 10 18 cm excasimens ESM ES 10 −18 cm attosiemens aSm kao 10 21 cm zettasiemens ZSm Z S 10 −21 cm zeptosiemens zSm Z s 10 24 cm iottasiemens ISM YS 10 −24 cm ioctosiemens iSm yS primijeniti
