Medžiagų elektrinis laidumas

Šiame straipsnyje atskleisime elektros laidumo temą, priminsime, kas yra elektros srovė, kaip ji susijusi su laidininko varža ir atitinkamai su jo laidumu. Atkreipkite dėmesį į pagrindines šių dydžių skaičiavimo formules, paliesdami temą Dabartinis greitis ir jo santykis su elektrinio lauko stipriu. Taip pat paliesime ryšį tarp elektros varžos ir temperatūros.

Pirmiausia prisiminkime, kas yra elektros srovė. Jei įdėsite medžiagą į išorinį elektrinį lauką, tada, veikiant šio lauko jėgoms, medžiagoje prasidės elementarių krūvininkų - jonų arba elektronų - judėjimas. Tai bus elektros šokas. Srovė I matuojama amperais, o vienas amperas yra srovė, kuria per sekundę laido skerspjūviu teka vienam kulonui lygus krūvis.

Srovė yra tiesioginė, kintamoji, pulsuojanti.Nuolatinė srovė nekeičia savo dydžio ir krypties tam tikru momentu, kintamoji srovė keičia savo dydį ir kryptį laikui bėgant (kintamosios srovės generatoriai ir transformatoriai duoda tiksliai kintamąją srovę), pulsuojanti srovė keičia savo dydį, bet nekeičia krypties (pvz., ištaisyta kintamoji srovė). . srovės impulsai).

Medžiagos, veikdamos elektrinį lauką, linkusios pravesti elektros srovę, ir ši savybė vadinama elektriniu laidumu, kuris skirtingoms medžiagoms yra skirtingas.Medžiagų elektrinis laidumas priklauso nuo jose esančių laisvų įkrautų dalelių, tai yra jonų, koncentracijos. ir elektronai, kurie nėra susieti nei su kristalų struktūra, nei su molekulėmis, nei su tam tikros medžiagos atomais. Taigi, priklausomai nuo laisvųjų krūvininkų koncentracijos tam tikroje medžiagoje, medžiagos pagal elektros laidumo laipsnį skirstomos į: laidininkus, dielektrikus ir puslaidininkius.

Jis turi didžiausią elektros laidumą elektros srovės laidai, o pagal fizinę prigimtį laidininkus gamtoje atstovauja du tipai: metalai ir elektrolitai. Metaluose srovė atsiranda dėl laisvųjų elektronų judėjimo, tai yra, jie turi elektroninį laidumą, o elektrolituose (rūgščių, druskų, bazių tirpaluose) - nuo jonų judėjimo - molekulių dalys, turinčios teigiamą ir neigiamas krūvis, tai yra, elektrolitų laidumas yra joninis. Jonizuotiems garams ir dujoms būdingas mišrus laidumas, kai srovė atsiranda dėl elektronų ir jonų judėjimo.

Elektronų teorija puikiai paaiškina didelį metalų elektrinį laidumą.Valentinių elektronų ryšys su jų branduoliais metaluose yra silpnas, todėl šie elektronai laisvai juda iš atomo į atomą visame laidininko tūryje.

Pasirodo, kad laisvieji elektronai metaluose užpildo erdvę tarp atomų kaip dujos, elektronų dujos ir juda chaotiškai. Bet kai metalinė viela įvedama į elektrinį lauką, laisvieji elektronai judės tvarkingai, jie judės teigiamo poliaus link, sukurdami srovę. Taigi tvarkingas laisvųjų elektronų judėjimas metaliniame laidininke vadinamas elektros srove.

Yra žinoma, kad elektrinio lauko sklidimo greitis erdvėje yra maždaug lygus 300 000 000 m / s, tai yra, šviesos greičiui. Tai yra tas pats greitis, kuriuo srovė teka per laidą.

Ką tai reiškia? Tai nereiškia, kad kiekvienas elektronas metale juda tokiu didžiuliu greičiu, bet elektronai vieloje, priešingai, turi greitį nuo kelių milimetrų per sekundę iki kelių centimetrų per sekundę, priklausomai nuo elektrinio lauko stiprumas, bet elektros srovės sklidimo išilgai laido greitis yra tiksliai lygus šviesos greičiui.

Reikalas tas, kad kiekvienas laisvas elektronas pasirodo esąs bendrame tų pačių „elektronų dujų“ elektronų sraute, o praeinant srovei elektrinis laukas veikia visą šį srautą, dėl ko elektronai nuolat perduoda šis lauko veiksmas vienas kitam – nuo ​​kaimyno prie kaimyno.

Tačiau elektronai į savo vietas juda labai lėtai, nepaisant to, kad elektros energijos sklidimo greitis viela yra milžiniškas.Taigi elektrinėje įjungus jungiklį, visame tinkle iš karto atsiranda srovė ir elektronai praktiškai stovi vietoje.

Tačiau kai laisvieji elektronai juda viela, jie savo kelyje patiria daugybę susidūrimų, jie susiduria su atomais, jonais, molekulėmis, perduodami jiems dalį savo energijos. Šią varžą įveikiančių judančių elektronų energija iš dalies išsisklaido kaip šiluma ir laidininkas įkaista.

Šie susidūrimai tarnauja kaip atsparumas elektronų judėjimui, todėl laidininko savybė neleisti judėti įkrautoms dalelėms vadinama elektrine varža. Esant mažam laido pasipriešinimui, laidas šiek tiek kaitinamas srove, o reikšminga - daug stipresnė ir net iki baltos spalvos, šis efektas naudojamas šildymo prietaisuose ir kaitrinėse lempose.

Atsparumo kitimo vienetas yra Ohm. Varža R = 1 omas – tai tokio laido varža, kai per jį teka 1 ampero nuolatinė srovė, potencialų skirtumas laido galuose yra 1 voltas. Atsparumo standartas 1 omu yra gyvsidabrio stulpelis, kurio aukštis 1063 mm, skerspjūvis 1 kv.Mm esant 0 ° C temperatūrai.

Kadangi laidams būdinga elektrinė varža, galime teigti, kad tam tikru mastu laidas gali pravesti elektros srovę. Šiuo atžvilgiu įvedama vertė, vadinama laidumu arba elektriniu laidumu. Elektros laidumas yra laidininko gebėjimas praleisti elektros srovę, tai yra, elektros varžos grįžtamoji vertė.

Elektros laidumo vienetas G (laidumas) yra Siemens (S) ir 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Kadangi skirtingų medžiagų atomai skirtingais laipsniais trukdo elektros srovei praeiti, skirtingų medžiagų elektrinė varža yra skirtinga. Dėl šios priežasties koncepcija buvo pristatyta elektrinė varža, kurio reikšmė «p» apibūdina tos ar kitos medžiagos laidžiąsias savybes.

Savitoji elektrinė varža matuojama omų * m, tai yra medžiagos kubo, kurio kraštinė yra 1 metras, varža. Panašiai medžiagos elektrinis laidumas apibūdinamas savituoju elektros laidumu ?, išmatuotu S / m, tai yra medžiagos kubo, kurio kraštinė yra 1 metras, laidumu.

Šiandien elektros inžinerijoje laidžios medžiagos daugiausia naudojamos juostelių, padangų, laidų pavidalu, turinčių tam tikrą skerspjūvio plotą ir tam tikrą ilgį, bet ne metro kubelių pavidalu. O tam, kad būtų patogesni konkrečių dydžių laidų elektrinės varžos ir laidumo skaičiavimai, buvo įvesti priimtinesni matavimo vienetai tiek elektrinei varžai, tiek laidumui. Ohm * mm2 / m - atsparumui, o Cm * m / mm2 - elektros laidumui.

Dabar galime teigti, kad elektros varža ir laidumas apibūdina laido, kurio skerspjūvio plotas yra 1 kv.mm, 1 metro ilgio 20 ° C temperatūroje, laidžiąsias savybes, tai yra patogiau.

Metalai, tokie kaip auksas, varis, sidabras, chromas ir aliuminis, pasižymi geriausiu elektros laidumu. Plienas ir geležis yra mažiau laidūs. Gryni metalai visada turi geresnį elektros laidumą nei jų lydiniai, todėl elektrotechnikoje pirmenybė teikiama grynam variui.Jei reikia ypač didelio atsparumo, tada naudojamas volframas, nichromas, konstantanas.

Žinant savitosios elektrinės varžos arba elektrinio laidumo reikšmę, galima nesunkiai apskaičiuoti tam tikro laido, pagaminto iš tam tikros medžiagos, varžą arba elektrinį laidumą, atsižvelgiant į šio laido ilgį l ir skerspjūvio plotą S.

Visų medžiagų elektrinis laidumas ir elektrinė varža priklauso nuo temperatūros, nes didėjant temperatūrai didėja ir kristalinės gardelės atomų šiluminių virpesių dažnis bei amplitudė, atitinkamai didėja ir atsparumas elektros srovei bei elektronų srautas.

Mažėjant temperatūrai, atvirkščiai, kristalinės gardelės atomų virpesiai mažėja, varža mažėja (padidėja elektros laidumas). Vienose medžiagose atsparumo priklausomybė nuo temperatūros yra ne tokia ryški, kitose – stipresnė. Pavyzdžiui, tokie lydiniai kaip konstantanas, fechralas ir manganinas tam tikrame temperatūrų diapazone šiek tiek keičia atsparumą, todėl iš jų gaminami termostabilūs rezistoriai.

Temperatūros pasipriešinimo koeficientas? leidžia apskaičiuoti konkrečios medžiagos atsparumo padidėjimą tam tikroje temperatūroje ir skaičiais apibūdina santykinį atsparumo padidėjimą, kai temperatūra padidėja 1 ° C.

Žinant atsparumo temperatūros koeficientą ir temperatūros kilimą, nesunku apskaičiuoti medžiagos atsparumą tam tikroje temperatūroje.

Tikimės, kad mūsų straipsnis buvo jums naudingas ir dabar galite lengvai apskaičiuoti bet kurio laido varžą ir laidumą bet kurioje temperatūroje.