Електрична провідність характеризує здатність тіла проводити електричний струм. Провідність - величина обтала опору. У формулі вона обернено пропорційна електричному опору, і використовуються вони фактично для позначення одних і тих же властивостей матеріалу. Вимірюється провідність у Сіменсах: [Див]=.
Види електропровідності:
— Електронна провідністьде переносниками зарядів є електрони. Така провідність характерна в першу чергу для металів, але присутня тією чи іншою мірою практично в будь-яких матеріалах. Зі збільшенням температури електронна провідність знижується.
— Іонна провідність. Існує в газоподібних та рідких середовищах, де є вільні іони, які також переносять заряди, переміщаючись за обсягом середовища під дією електромагнітного поля або іншого зовнішнього впливу. Використовується у електролітах. Зі зростанням температури іонна провідність збільшується, оскільки утворюється більша кількість іонів з високою енергією, а також знижується в'язкість середовища.
— Діркова провідність. Ця провідність обумовлюється недоліком електронів у кристалічній решітці матеріалу. Фактично, переносять заряд тут знову ж таки електрони, але вони ніби рухаються по ґратах, займаючи послідовно вільні місця в ній, на відміну від фізичного переміщення електронів у металах. Такий принцип використовується у напівпровідниках, поряд з електронною провідністю.
Найпершими матеріалами, які стали використовуватися в електротехніці, історично були метали та діелектрики (ізолятори, яким притаманна маленька електрична провідність). Наразі отримали широке застосування в електроніці напівпровідники. Вони займають проміжне положення між провідниками та діелектриками і характеризуються тим, що величину електричної провідності у напівпровідниках можна регулювати різним впливом. Для більшості сучасних провідників використовуються кремній, германій і вуглець. Крім того, для виготовлення ПП можуть використовуватись інші речовини, але вони застосовуються набагато рідше.
Важливе значення має передача струму з мінімальними втратами. У цьому відношенні важливу роль відіграють метали з великою електропровідністю і, відповідно, невеликим електроопір. Найкращим у цьому відношенні є срібло (62500000 см/м), далі йдуть мідь (58100000 см/м), золото (45500000 см/м), алюміній (37000000 см/м). Відповідно до економічної доцільності найчастіше використовуються алюміній та мідь, при цьому мідь за провідністю зовсім небагато поступається сріблу. Всі інші метали немає промислового значення для провідників.
Для того щоб говорити про електропровідність, потрібно згадати про природу електричного струму як такого. Так, при приміщенні будь-якої речовини всередину електричного поля відбувається пересування зарядів. Цей рух стимулює дію електричного поля. Саме потік електронів і є електрострумом. Сила струму, як відомо нам зі шкільних уроків з фізики, вимірюється в Амперах і позначається латинською літерою I. 1 А є електрострумом, при якому за час дорівнює одній секунді проходить заряд в 1 Кулон.
Електричний струм буває декількох видів, а саме:
- постійний струм, який не змінюється щодо показника та траєкторії руху у будь-який момент часу;
- змінний струм, який змінює свій показник та траєкторію в часі (виготовляється генераторами та трансформаторами);
- пульсуючий струм зазнає змін у величині, але при цьому не змінює свого напрямку.
Показник електропровідності безпосередньо пов'язаний із вмістом у матеріалі зарядів, що вільно рухаються, які не мають зв'язку з кристалічною сіткою, молекулами або атомами.
Таким чином, за ступенем провідності струму матеріали поділяються на такі типи:
- провідники;
- діелектрики;
- напівпровідники.
Висока здатність до електропровідності трактується у електронній теорії. Так, електрони курсують серед атомів по всьому провіднику через їх слабкий валентний зв'язок з ядрами. Тобто, заряджені частинки всередині металу, що вільно рухаються, закривають собою порожнечі серед атомів і характеризуються хаотичності пересування. Якщо в електричне поле буде поміщений провідник з металу, електрони приймуть порядок у своєму пересуванні, перейшовши до полюса з позитивним зарядом. Саме за рахунок цього створюється електричний струм. Швидкість поширення електричного поля у просторі аналогічна швидкості світла. Саме з цією швидкістю електрострум рухається всередині провідника. Це не швидкість руху безпосередньо електронів (їх швидкість дуже мала і дорівнює максимум кільком мм/сек), а швидкість поширення електроенергії по всій речовині.
При вільному пересуванні зарядів усередині провідника вони зустрічають своєму шляху різні мікрочастинки, із якими відбувається зіткнення і деяка енергія віддається їм. Провідники, як відомо, зазнають нагрівання. Це відбувається саме через те, що долаючи опір, енергія електронів поширюється як теплове виділення.
Такі «аварії» зарядів утворюють перешкоду пересуванню електронів, що називається у фізиці опором. Невеликий опір не сильно нагріває провідник, а при високому досягаються великі температури. Останнє явище використовується в нагрівальних пристроях, а також традиційних лампах розжарювання. Вимір опору відбувається в Омах. Позначається латинською літерою R.
Електропровідність– явище, яке відображає здатність металу або електроліту проводити електрострум. Дана величина обернена до величини електричного опору.
Вимірюється електропровідність Сіменсамі (См), а позначається літерою G.
Оскільки атоми створюють перешкоду проходженню струму, показник опору речовин різний. Для позначення було введено поняття питомого опору (Ом-м), яке дає інформацію про можливості провідності речовин.
Сучасні провідні матеріали мають форму тонких стрічок, дротів із конкретною величиною площі поперечного перерізу та певною довжиною. Питома електропровідність та питомий опір вимірюється у наступних одиницях: См-м/мм.кв та Ом-мм.кв/м відповідно.
Таким чином, питомий електричний опір та питома електропровідність є характеристиками провідної здатності того чи іншого матеріалу, площа перерізу якого дорівнює 1 мм.кв., а довжина 1 м. Температура для характеристики – 20 градусів за Цельсієм.
Хорошими провідниками електричного струму серед металів є дорогоцінні метали, а саме золото та срібло, а також мідь, хром та алюміній. Сталеві та металеві провідники мають більш слабкі властивості. Варто зазначити, що метали у чистому вигляді відрізняються кращими електропровідними властивостями порівняно зі сплавами металів. Для високого опору, якщо це необхідно, застосовують вольфрамові, ніхромові та константні провідники.
Маючи знання про показники питомого опору або питомої провідності, дуже просто обчислити опір і електропровідність певного провідника. При цьому в розрахунках має використовуватися довжина та площа поперечного перерізу конкретного провідника.
Важливо знати, що показник електропровідності, а також опір будь-якого матеріалу залежить від температурного режиму. Це пояснюється тим, що при зміні в температурі відбуваються зміни в частоті та амплітуді коливань атомів. Таким чином, при зростанні температури паралельно зросте і опір потоку зарядів, що рухаються. А при зниженні температури відповідно знижується опір, а електропровідність зростає.
У деяких матеріалах залежність температури від опору виражена дуже яскраво, у деяких слабкіше.
Електрична провідність(Електропровідність, провідність) - здатність тіла проводити електричний струм, а також фізична величина, що характеризує цю здатність і зворотна електричному опору. У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею вимірювання електричної провідності є сименс (російське позначення: Див; міжнародне: S), який визначається як 1 См = 1 Ом -1 , тобто як електрична провідність ділянки електричного ланцюга опором 1 Ом .
Енциклопедичний YouTube
-
1 / 5
Питомою провідністю (питомою електропровідністю) називають міру здатності речовини проводити електричний струм. Відповідно до закону Ому в лінійній ізотропній речовині питома провідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю?виникаючого?струму і величиною?електричного поля в середовищі:
J → = E → , (\displaystyle (\vec (J))=\sigma \,(\vec (E)),)У неоднорідному середовищі може залежати (і в загальному випадку залежить) від координат, тобто не збігається в різних точках провідника.
Питома провідність анізотропних (на відміну ізотропних) середовищ є, власне кажучи, не скаляром, а тензором (симетричним тензором рангу 2), і множення нею зводиться до матричного множення:
J i = ∑ k = 1 3 σ i k E k , (\displaystyle J_(i)=\sum \limits _(k=1)^(3)\sigma _(ik)\,E_(k),)при цьому вектори щільності струму та напруженості поля в загальному випадку не колінеарні.
Для будь-якого лінійного середовища можна вибрати локально (а якщо середовище однорідне, то й глобальне) т.з. власний базис - ортогональну систему декартових координат, в яких матриця стає діагональною, тобто набуває вигляду, при якому з дев'яти компонент σ i k (\displaystyle \sigma _(ik))відмінними від нуля є лише три: σ 11 (\displaystyle \sigma _(11)), σ 22 (\displaystyle \sigma _(22))і σ 33 (\displaystyle \sigma _(33)). В цьому випадку, позначивши σ i i (\displaystyle \sigma _(ii))як , замість попередньої формули отримуємо більш просту
J i = σ i E i. (\displaystyle J_(i)=\sigma _(i)E_(i).)Величини σ i (\displaystyle \sigma _(i))називають головними значеннямитензора питомої провідності. У випадку наведене співвідношення виконується лише у системі координат .
Величина, зворотна питомої провідності, називається питомим опором.
Взагалі кажучи, лінійне співвідношення, написане вище (як скалярне, і тензорне), вірно у разі наближено, причому наближення це добре лише порівняно малих величин E. Втім, і за таких величин E, Коли відхилення від лінійності помітні, питома електропровідність може зберігати роль як коефіцієнта при лінійному члені розкладання, тоді як інші, старші, члени розкладання дадуть поправки, що забезпечують хорошу точність. У разі нелінійної залежності Jвід Eвводиться диференціальнапитома електропровідність σ = d J / d E (\displaystyle \sigma =dJ/dE)(Для анізотропних середовищ: σ i k = d J i / d E k (\displaystyle \sigma _(ik)=dJ_(i)/dE_(k))).
Електрична провідність Gпровідника завдовжки Lз площею поперечного перерізу Sможе бути виражена через питому провідність речовини, з якої зроблений провідник, такою формулою:
G = S L . (\displaystyle G=\sigma (\frac (S)(L)).)Питома провідність деяких речовин
Питома провідність наведена за температури +20 °C:
речовина Див/м срібло 62 500 000 мідь 59 500 000 золото 45 500 000 алюміній 38 000 000 магній 22 700 000 іридій 21 100 000 молібден 18 500 000 вольфрам 18 200 000 цинк 16 900 000 нікель 11 500 000 залізо чисте 10 000 000 платина 9 350 000 олово 8 330 000 сталь лита 7 690 000 свинець 4 810 000 нейзильбер 3 030 000 константан 2 000 000 манганін 2 330 000 1 040 000 ніхром 893 000 графіт 125 000 вода морська 3 земля волога 10 −2 вода-дистил. 10 −4 мармур 10 −8 Скло 10 −11 фарфор 10 −14 кварцове скло 10 −16 Бурштин 10 −18 Електропровідність розчинів
Швидкість руху іонів залежить від напруженості електричного поля, температури, в'язкості розчину, радіусу та заряду іона та міжіонної взаємодії.
У розчинів сильних електролітів спостерігається характер концентраційної залежності електричної провідності, що пояснюється дією двох взаємно протилежних ефектів. З одного боку, зі зростанням розведення зменшується кількість іонів в одиниці обсягу розчину. З іншого боку, зростає їхня швидкість за рахунок ослаблення гальмування іонами протилежного знака.
Фізична природа електричного опору.При русі вільних електронів у провіднику вони зіштовхуються своєму шляху з позитивними іонами 2 (див. рис. 10, а), атомами і молекулами речовини, з якого виконаний провідник, і передають їм частину своєї енергії. При цьому енергія електронів, що рухаються, в результаті зіткнення їх з атомами і молекулами частково виділяється і розсіюється у вигляді тепла, що нагріває провідник. Зважаючи на те, що електрони, стикаючись з частинками провідника, долають деякий опір руху, прийнято говорити, що провідники мають електричний опір. Якщо опір провідника замало, він порівняно слабо нагрівається струмом; якщо опір великий, провідник може розпалюватися. Проводи, що підводять електричний струм до електричної плитки, майже не нагріваються, тому що їх опір мало, а спіраль плитки, що має великий опір, розпалюється до червоного. Ще сильніше нагрівається нитка електричної лампи.
За одиницю опору прийнято. Опіром 1 Ом володіє провідник, яким проходить струм 1 А при різниці потенціалів на його кінцях (напрузі), що дорівнює 1 В. Еталоном опору 1 Ом служить стовпчик ртуті довжиною 106,3 см і площею поперечного перерізу 1 мм2 при температурі 0°С. Насправді часто опору вимірюють тисячами ом - килоомами(кОм) чи мільйонами ом - мегаомами (МОм). Опір позначають буквою R(r).
Провідність.Будь-який провідник можна характеризувати як його опором, а й так званої провідністю - здатністю проводити електричний струм. Провідність є величина, обернена до опору. Одиниця провідності називається сименсом. 1 Див дорівнює 1/1 Ом. Провідність позначають літерою G(g). Отже,G = 1/R(4)
Питомий електричний опір та провідність. Атоми різних речовин надають проходженню електричного струму неоднаковий опір. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм можна судити з їхнього питомого електричного опору. За величину, що характеризує питомий опір, зазвичай приймають опір куба з ребром 1 м. Питомий електричний опір вимірюють в Ом * м. Для судження про електропровідність матеріалів користуються також поняттям питома електрична провідність = 1/?. Питома електрична провідність вимірюється в сименсах на метр (см/м) (провідність куба з ребром 1м). Часто питомий електричний опір виражають в ом-сантиметрах (Ом*см), а питому електричну провідність – у сименс на сантиметр (См/см). При цьому 1 Ом*см = 10 -2 Ом*м, а 1 см/см = 10 2 см/м.
Провідникові матеріали застосовують, головним чином, у вигляді дротів, шин чи стрічок, площа поперечного перерізу яких прийнято виражати у квадратних міліметрах, а довжину – у метрах. Тому для питомого електричного опору подібних матеріалів та питомої електричної провідності запроваджено й інші одиниці виміру: ? вимірюють в Ом * мм 2 / м (опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2), а? - См*м/мм 2 (провідність провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2).
З металів найбільш високою електропровідністю мають срібло і мідь, так як структура їх атомів дозволяє легко пересуватися вільним електронам, потім слідує золото, хром, алюміній, марганець, вольфрам і т. д. Гірше проводять струм залізо і сталь.
Чисті метали завжди проводять електричний струм краще, ніж їх сплави. Тому в електротехніці використовують переважно дуже чисту мідь, що містить лише 0,05% домішок. І навпаки, у тих випадках, коли необхідний матеріал з високим опором (для різних нагрівальних приладів, реостатів тощо) застосовують спеціальні сплави: константан, манганін, ніхром, фехраль.
Слід зазначити, що у техніці, крім металевих провідників, використовують і неметалеві. До таких провідників належить, наприклад, вугілля, з якого виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів та ін. Провідниками електричного струму є товща землі, живі тканини рослин, тварин та людини. Проводять електричний струм сире дерево та багато інших ізоляційних матеріалів у вологому стані.
Електричний опір провідника залежить як від матеріалу провідника, а й його довжини l і площі поперечного перерізу s. (Електричний опір подібний до опору, що надається руху води в трубі, який залежить від площі перерізу труби та її довжини.)
Опір прямолінійного провідникаR = ? l/s (5)
Якщо питомий опір? виражено в Ом * мм / м, то для того щоб отримати опір провідника в омах, довжину його треба підставляти у формулу (5) в метрах, а площа поперечного перерізу - у квадратних міліметрах.
Залежність опору від температури.Електропровідність всіх матеріалів залежить від їхньої температури. У металевих провідниках при нагріванні розмах і швидкість коливань атомів у кристалічній решітці металу збільшуються, внаслідок чого зростає і опір, який вони надають потоку електронів. При охолодженні відбувається зворотне явище: безладний коливальний рух атомів у вузлах кристалічної решітки зменшується, опір їх потоку електронів знижується і електропровідність провідника зростає.
У природі, однак, є деякі сплави: фехраль, константан, манганін та ін, у яких у певному інтервалі температур електричний опір змінюється порівняно мало. Подібні сплави застосовують у техніці виготовлення різних резисторів, що використовуються в електровимірювальних приладах і деяких апаратах для компенсації впливу температури на їх роботу.
Про рівень зміни опору провідників при зміні температури судять за так званим температурним коефіцієнтом опору а. Цей коефіцієнт є відносним збільшенням опору провідника зі збільшенням його температури на 1 °С. У табл. 1 наведено значення температурного коефіцієнта опору для найбільш застосовуваних провідникових матеріалів.
Опір металевого провідника R t за будь-якої температури t
R t = R 0 [1 +? (t - t 0)] (6)
де R 0 - опір провідника за деякої початкової температури t 0 (зазвичай при + 20 °С), яке може бути підраховане за формулою (5);
t-t 0 – зміна температури.
Властивість металевих провідників збільшувати опір при нагріванні часто використовують у сучасній техніці для вимірювання температури. Наприклад, при випробуваннях тягових двигунів після ремонту температуру нагрівання їх обмоток визначають вимірюванням опору в холодному стані і після роботи під навантаженням протягом встановленого періоду (звичайно протягом 1 год).
Досліджуючи властивості металів при глибокому (дуже сильному) охолодженні, вчені виявили чудове явище: поблизу абсолютного нуля (-273,16 ° С) деякі метали майже повністю втрачають електричний опір. Вони стають ідеальними провідниками, здатними тривалий час пропускати струм із замкненого ланцюга без жодного впливу джерела електричної енергії. Це названо надпровідністю. В даний час створені дослідні зразки ліній електропередачі та електричних машин, у яких використовується явище надпровідності. Такі машини мають значно менші масу та габаритні розміри порівняно з машинами загального призначення та працюють з дуже високим коефіцієнтом корисної дії. Лінії електропередачі в цьому випадку можна виконати з дротів з дуже малою площею поперечного перерізу. У перспективі в електротехніці все більше і більше використовуватиметься це явище.
електрична провідність Система СІ Тип похідна Сіменс(російське позначення: Див; міжнародне позначення: S) - одиниця виміру електричної провідності в Міжнародній системі одиниць (СІ), величина, зворотна ому. За визначенням сименс дорівнює електричної провідності провідника (ділянки електричного ланцюга), опір якого становить 1 Ом.
Через інші одиниці виміру СІ сименс виражається так:
1 См = 1 / Ом = / = кг −1 · −2 · ³ ².
Відповідно до правил СІ, що стосуються похідних одиниць , названих на ім'я вчених, найменування одиниці сименс пишеться з малої літери , та її позначення - з великою .
Раніше застосовувалася назва мо(англ. mho), що являє собою прочитане тому слово "ом" (ohm); позначалося перевернутою буквою Ω: ℧ (\displaystyle \mho )(В Юнікоді U+2127, ℧).
До Другої світової війни (у СРСР до 1960-х років) сименсом називалася одиниця електричного опору, що відповідає опору стовпа ртуті завдовжки 1 м та діаметром 1 мм при 0 °C. Вона відповідає приблизно 0,9534 Ом. Ця одиниця була введена Сіменсом у 1860 році і конкурувала з ОМом, який був остаточно обраний як одиниця опору на Всесвітньому конгресі електротехніків у 1881 році. Проте сименс як одиниця опору широко використовувався зв'язківцями у світі до середини ХХ століття.
Кратні та подовжні одиниці
Десяткові кратні та подільні одиниці утворюють за допомогою стандартних приставок СІ.
Кратні Дольні величина назва позначення величина назва позначення 10 1 Див декасіменс даСм daS 10 −1 Див децисіменс дСм dS 10 2 Див гектосіменс гСм hS 10 −2 Див сантисіменс см cS 10 3 Див кілосіменс кСм kS 10 −3 Див мілісіменс мСм mS 10 6 Див мегасіменс МСМ MS 10 −6 Див мікросименс мкСм µS 10 9 Див гігасіменс ПММ GS 10 −9 Див наносіменс нСм nS 10 12 Див терасіменс ТСм TS 10 −12 Див пикосіменс пСм pS 10 15 Див петасіменс ПСМ PS 10 −15 Див фемтосіменс фСМ fS 10 18 Див ексасіменс ЕСм ES 10 −18 Див аттосіменс аСм aS 10 21 Див зеттасіменс ЗСМ ZS 10 −21 Див зептосіменс зСм zS 10 24 Див іоттасіменс ІСМ YS 10 −24 Див іоктосіменс іСм yS застосовувати
