Šta je električna provodljivost. Otpornost

Električna provodljivost- je sposobnost tvari da provodi električnu struju pod utjecajem vanjskog električnog polja.

Otopine elektrolita, za razliku od metala, nemaju električnu, već ionsku provodljivost.

Mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju je električna provodljivost L je recipročna vrijednost električnog otpora R.

Pošto je R = r . l/S,

gdje je r specifični otpor, Ohm. m;

S - poprečni presjek, m 2;

l je dužina provodnika, m;

c je električna provodljivost.

Električna provodljivost rastvor elektrolita c( kappa) je električna provodljivost volumena otopine zatvorene između dvije paralelne elektrode površine 1 m 2 i smještene na udaljenosti od 1 m jedna od druge. Jedinica mjere c je S/m, gdje je Sm = Ohm –1, i naziva se Siemens .

Specifična električna provodljivost otopine elektrolita određena je brojem jona koji nose električnu energiju i brzinom njihovog kretanja.

Pretpostavimo da se između elektroda koje se nalaze na udaljenosti l jedna od druge, na koje se primjenjuje razlika potencijala U, nalazi otopina elektrolita koja sadrži nekoliko vrsta iona. Za jone i-tipa: koncentracija C i (mol / m 3), naboj zi, brzina kretanja u električnom polju vi (m / s) kroz poprečni presjek S (m 2) otopine koja se nalazi između elektroda, C ivi S migrira u 1 s ionima tipa i koji nose količinu električne energije:

q i = z i FC i v i S

Sve vrste jona u rastvoru nose određenu količinu električne energije:

, (7.26)

gdje je F Faradejev broj (96485 C/mol);

Količina električne energije koja prolazi kroz provodnik u 1 s odgovara jakosti struje I:

, (7.27)

Brzina kretanja jona u električnom polju određena je silom koja djeluje na ion, a koja je jednaka umnošku naboja jona i gradijenta potencijala polja i faktora R koji karakterizira otpor medija:

gdje je e elementarni električni naboj.

Dakle, brzina kretanja jona, a samim tim i veličina električne struje, zavise od primijenjenog napona U, naboja i veličine jona, prirode solvatacije, interakcije jona sa okolnim česticama, vezano za prirodu rastvarača, koncentracije otopine i temperature.

Da bi se utvrdilo koji od jona ima veću pokretljivost, njihove brzine kretanja se upoređuju pri potencijalnom gradijentu od 1 V/m i odnose se na jedinični naboj.

U ovim uslovima, brzina kretanja jona se naziva apsolutno i ima dimenziju m 2 / (V. s). Ove brzine se često nazivaju električna mobilnost i označiti u + I u-

(7.29)

Podaci o apsolutnim brzinama jona pokazuju da ionski radijusi karakterističan za kristalnu rešetku nisu očuvani u otopinama. Na primjer, radijusi iona alkalnih metala u kristalnoj rešetki njihovih soli povećavaju se u nizu:

Li + , Na + , K + , Rb + , Cs +

U vodenim otopinama, veličine iona rastu od Cs + do Li + zbog hidratacije jona, a brzina iona raste od Li + do Cs + . Li+ jon je okružen debelom vodenom ljuskom, dok je Cs+ jon slabo hidriran.

Tipično, kationi, koji su relativno male veličine, su pokretniji od aniona. U vodenim rastvorima pokretljivost H + i OH - jona je posebno velika.

Razlog velike pokretljivosti ovih jona je relejni mehanizam prenosa naelektrisanja. Poznato je da u vodeni rastvor jon vodonika nije samo proton H+, već hidroksonijev ion H 3 O +, u kojem su sva 3 H atoma povezana sa O atomom istim hemijskim vezama.

Vodikova veza se javlja između atoma vodika hidronijuma jona i atoma kiseonika susjedne molekule H2O. Naelektrisanje će se kretati duž lanca od jedne H 2 O molekule do druge:

Ne kreće se sam H +, već nedostatak elektronske gustine.

Prijelaz se vrši „skokovima“ na udaljenosti od ~ 10–10 cm.S ovim mehanizmom se pokazuje da je mobilnost H 3 O + mnogo veća u odnosu na to kada se ovaj ion kreće samo zbog migracije.

Zanimljivo je primijetiti da je mobilnost H+ za led dva reda veličine veća od one za vodu. Ovo se objašnjava povoljnom strukturom leda za H+ skakanje.

Povećana pokretljivost hidroksilnog jona objašnjava se slično. Proton prelazi sa molekula H 2 O na OH - jon.

Jer energija odvajanja protona od molekule vode veća je nego od jona H 3 O +, tada je vjerovatnoća prijelaza vodonikovog kationa s molekule H 2 O u hidroksilni ion manja nego iz H 3 O + do H 2 O. Ovo objašnjava činjenicu da je granična pokretljivost (u visoko razrijeđenim otopinama) iona H 3 O + veća od pokretljivosti OH - skoro jedan i po puta.

Kombinacija jednadžbi (7.27), (7.28) i (7.29) daje:

(7.30)

Prema Ohmovom zakonu i izrazu (7.25)

(7.31)

Iz jednadžbe (7.30) i (7.31) za električnu provodljivost dobijamo:

(7.32)

Za binarni rastvor elektrolita pri koncentraciji C (mol/l), z + = z – = z i stepenu disocijacije a imamo:

(7.33)

Specifična električna provodljivost c ovisi o prirodi otopljene tvari i otapala, koncentraciji elektrolita u otopini i temperaturi.

Ovisnost specifične električne provodljivosti otopina nekih elektrolita o koncentraciji prikazana je na sl. 7.4.

Rice. 7.4. Zavisnost od koncentracije c

U razrijeđenim otopinama jakih i slabih elektrolita povećanje c s koncentracijom nastaje zbog povećanja broja jona koji prenose električnu energiju. U području koncentriranih otopina, povećanje koncentracije je praćeno povećanjem viskoznosti otopina, što smanjuje pokretljivost iona i smanjuje električnu provodljivost. Osim toga, za slabe elektrolite u koncentriranim otopinama, stepen disocijacije a značajno opada i, posljedično, broj jona koji nose električnu energiju. One. koncentracija jona (C i = aC) će proći kroz maksimum. Jaki elektroliti su gotovo potpuno disocirani (a ® 1) ne samo u razrijeđenim, već iu koncentriranim otopinama. Kako koncentracija otopine raste, udaljenost između jona se smanjuje, što dovodi do povećanja sila elektrostatičke interakcije. Kao rezultat toga, kretanje jona se usporava, a električna provodljivost se smanjuje.

Stoga je kvalitativno identična priroda ovisnosti c o koncentraciji otopine za jake i slabe elektrolite posljedica različitih razloga.

Sa povećanjem temperature povećavaju se brzina kretanja jona i stepen disocijacije. To dovodi do povećanja električne provodljivosti:

gdje je a temperaturni koeficijent električne provodljivosti (za jake kiseline 0,016, za jake baze 0,019 i za soli 0,022).

Fizička priroda električnog otpora. Kada se slobodni elektroni kreću u provodniku, sudaraju se na svom putu s pozitivnim ionima 2 (vidi sliku 10, a), atomima i molekulima tvari od koje je provodnik napravljen, i prenose im dio svoje energije. U ovom slučaju, energija pokretnih elektrona kao rezultat njihovog sudara s atomima i molekulama djelomično se oslobađa i raspršuje u obliku topline koja zagrijava provodnik. S obzirom na to da elektroni, sudarajući se sa česticama provodnika, savladavaju određeni otpor kretanju, uobičajeno je reći da provodnici imaju električni otpor. Ako je otpor vodiča mali, on se relativno slabo zagrijava strujom; ako je otpor visok, provodnik može postati vruć. Žice koje dovode električnu struju u električni štednjak se gotovo ne zagrijavaju, jer im je otpor mali, a spirala pločice, koja ima veliki otpor, je usijana. Žarnica električne lampe se još više zagrijava.
Om se uzima kao jedinica otpora. Provodnik ima otpor od 1 oma, kroz koji prolazi struja od 1 A sa potencijalnom razlikom na krajevima (naponom) jednakom 1 V. Standard otpora od 1 oma je stub žive 106,3 cm dug i sa površina poprečnog presjeka 1 mm2 na temperaturi od 0°C. U praksi se otpori često mjere u hiljadama oma - kilooma (kOhm) ili milionima oma - megaoma (MΩ). Otpor je označen slovom R (r).
Provodljivost. Svaki vodič može se okarakterizirati ne samo svojim otporom, već i takozvanom provodljivošću - sposobnošću provođenja električne struje. Provodljivost je recipročna otpornost. Jedinica provodljivosti naziva se Siemens (Sm). 1 cm je jednak 1/1 oma. Provodljivost je označena slovom G (g). shodno tome,

G=1/R(4)

Specifični električni otpor i provodljivost. Atomi različitih supstanci imaju različit otpor prolasku električne struje. Sposobnost pojedinih supstanci da provode električnu struju može se suditi po njihovoj električnoj otpornosti str. Vrijednost koja karakterizira otpornost se obično uzima kao otpor kocke s rubom od 1 m. Električna otpornost se mjeri u Ohm * m. Za procjenu električne provodljivosti materijala koriste se i koncept specifične električne provodljivosti? = 1 /?. Električna provodljivost se mjeri u simensu po metru (S/m) (provodljivost kocke sa ivicom od 1m). Često se električna otpornost izražava u ohm-centimetrima (Ohm*cm), a električna provodljivost u simensu po centimetru (S/cm). Gde 1 Ohm * cm = 10 -2 Ohm * m i 1 S / cm \u003d 10 2 S / m.

Provodni materijali se uglavnom koriste u obliku žica, guma ili traka, čija se površina poprečnog presjeka obično izražava u kvadratnim milimetrima, a dužina u metrima. Stoga se za specifični električni otpor sličnih materijala i specifičnu električnu provodljivost uvode i druge mjerne jedinice: mjereno u Ohm * mm 2 / m (otpor vodiča dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm 2), a? - u Sm * m / mm 2 (vodljivost vodiča dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm 2).

Od metala najveću električnu provodljivost imaju srebro i bakar, jer struktura njihovih atoma omogućava da se slobodni elektroni lako kreću, zatim zlato, hrom, aluminijum, mangan, volfram itd. Gvožđe i čelik lošije provode struju.

Čisti metali uvijek provode električnu energiju bolje od njihovih legura. Stoga se u elektrotehnici uglavnom koristi vrlo čist bakar, koji sadrži samo 0,05% nečistoća. I obrnuto, u slučajevima kada je potreban materijal visoke otpornosti (za razne uređaje za grijanje, reostate itd.), koriste se posebne legure: konstantan, manganin, nihrom, fechral.

Treba napomenuti da se u tehnici, osim metalnih provodnika, koriste i nemetalni. U takve provodnike spadaju npr. ugalj od kojeg se prave četke električnih mašina, elektrode za reflektore itd. Provodnici električne struje su debljina zemlje, živa tkiva biljaka, životinja i ljudi. Sirovo drvo i mnogi drugi izolacijski materijali provode električnu energiju kada su mokri.
Električni otpor vodiča ne zavisi samo od materijala provodnika, već i od njegove dužine l i površine poprečnog presjeka s. (Električni otpor je sličan otporu kretanju vode u cijevi, što ovisi o površini poprečnog presjeka cijevi i njenoj dužini.)
Otpor pravog provodnika

R= ? l/s (5)

Ako otpornost? izraženo u Ohm * mm / m, tada da bi se dobio otpor vodiča u omima, njegova dužina se mora zamijeniti formulom (5) u metrima, a površina poprečnog presjeka u kvadratnim milimetrima.

Ovisnost otpora o temperaturi. Električna provodljivost svih materijala ovisi o njihovoj temperaturi. U metalnim provodnicima, kada se zagreju, raste opseg i brzina vibracija atoma u kristalnoj rešetki metala, usled čega se povećava i otpor koji oni pružaju protoku elektrona. Kada se ohladi, dešava se suprotno: nasumično oscilirajuće kretanje atoma u čvorovima kristalne rešetke smanjuje se, smanjuje se otpor njihovom protoku elektrona i povećava se električna vodljivost vodiča.

U prirodi, međutim, postoje neke legure: fechral, constantan, manganin i druge, kod kojih se u određenom temperaturnom rasponu električni otpor relativno malo mijenja. Takve legure se koriste u inženjerstvu za proizvodnju različitih otpornika koji se koriste u električnim mjernim instrumentima i nekim uređajima za kompenzaciju utjecaja temperature na njihov rad.

Stepen promjene otpora provodnika s promjenom temperature sudi se takozvanim temperaturnim koeficijentom otpora a. Ovaj koeficijent predstavlja relativno povećanje otpora provodnika s povećanjem njegove temperature za 1 °C. U tabeli. 1 prikazane su 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 provodnika da povećavaju otpornost prilikom zagrijavanja često se koristi u modernoj tehnologiji za mjerenje temperature. Na primjer, prilikom ispitivanja vučnih motora nakon popravka, temperatura zagrijavanja njihovih namotaja se određuje mjerenjem njihovog otpora u hladnom stanju i nakon rada pod opterećenjem u određenom periodu (obično unutar 1 sata).

Istražujući svojstva metala tokom dubokog (veoma jakog) hlađenja, naučnici su otkrili izuzetan fenomen: blizu apsolutne nule (-273,16 °C), neki metali gotovo potpuno gube svoj električni otpor. Oni postaju idealni provodnici koji mogu dugo vremena da propuštaju struju kroz zatvoreno kolo bez ikakvog utjecaja izvora električne energije. Ovaj fenomen se naziva supravodljivost. Trenutno su stvoreni prototipovi dalekovoda i električnih mašina koji koriste fenomen supravodljivosti. Takve mašine imaju znatno manju težinu i ukupne dimenzije u odnosu na mašine opšte namene i rade sa veoma visokom efikasnošću. Električni vodovi u ovom slučaju mogu biti izrađeni od žica s vrlo malim poprečnim presjekom. U budućnosti će se ovaj fenomen sve više koristiti u elektrotehnici.

Elektronsku provodljivost metala prvi je eksperimentalno dokazao njemački fizičar E. Rikke 1901. Kroz tri uglačana cilindra čvrsto pritisnuta jedan uz drugi - bakar, aluminij i opet bakar - dugo vremena (tokom godinu dana) prolazila je električna struja. . Ukupan naboj koji je prošao za to vrijeme bio je jednak 3,5·10 6 C. Budući da se mase atoma bakra i aluminija značajno razlikuju jedna od druge, mase cilindara bi se morale primjetno promijeniti da su nosioci naboja joni.

Rezultati eksperimenata su pokazali da je masa svakog od cilindara ostala nepromijenjena. U kontaktnim površinama pronađeni su samo neznatni tragovi međusobnog prodiranja metala, koji nisu prevazilazili rezultate obične difuzije atoma u čvrste materije. Shodno tome, slobodni nosioci naboja u metalima nisu joni, već čestice koje su iste i u bakru i u aluminijumu. Takve čestice mogu biti samo elektroni.

Direktan i uvjerljiv dokaz valjanosti ove pretpostavke dobijen je u eksperimentima koje su 1913. postavili L. I. Mandelstam i N. D. Papaleksi i 1916. T. Stuart i R. Tolman.

Na zavojnicu je namotana žica čiji su krajevi zalemljeni na dva metalna diska izolirana jedan od drugog (slika 1). Galvanometar je pričvršćen na krajeve diskova pomoću kliznih kontakata.

Zavojnica se dovodi u brzu rotaciju, a zatim se naglo zaustavlja. Nakon naglog zaustavljanja zavojnice, slobodne nabijene čestice će se neko vrijeme kretati duž vodiča po inerciji, a posljedično će se pojaviti električna struja u zavojnici. Struja će postojati kratko, jer se zbog otpora provodnika usporavaju nabijene čestice i zaustavlja se uređeno kretanje čestica.

Smjer struje pokazuje da je stvorena kretanjem negativno nabijenih čestica. Naboj koji se prenosi u ovom slučaju proporcionalan je odnosu naboja čestica koje stvaraju struju prema njihovoj masi, tj. . Stoga je mjerenjem naboja koji prolazi kroz galvanometar za cijelo vrijeme postojanja struje u kolu bilo moguće odrediti omjer. Pokazalo se da je jednako 1,8·10 11 C/kg. Ova vrijednost se poklapa s omjerom naboja elektrona i njegove mase utvrđenim ranije iz drugih eksperimenata.

Dakle, električna struja u metalima nastaje kretanjem negativno nabijenih elektronskih čestica. Prema klasičnoj elektronskoj teoriji provodljivosti metala (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), metalni provodnik se može posmatrati kao fizički sistem kombinacije dva podsistema:

slobodnih elektrona sa koncentracijom od ~ 10 28 m -3 i
pozitivno nabijeni joni koji vibriraju oko ravnotežnog položaja.

Pojava slobodnih elektrona u kristalu može se objasniti na sljedeći način.

Kada se atomi spoje u metalni kristal, vanjski elektroni koji su najslabije vezani za atomsko jezgro se odvajaju od atoma (slika 2). Stoga se pozitivni ioni nalaze na čvorovima kristalne rešetke metala, a elektroni koji nisu povezani s jezgrama njihovih atoma kreću se u prostoru između njih. Ovi elektroni se nazivaju besplatno ili elektrona provodljivosti. Izvode haotično kretanje, slično kretanju molekula plina. Stoga se ukupnost slobodnih elektrona u metalima naziva elektronski gas.

Ako se vanjsko električno polje primjenjuje na provodnik, tada se usmjereno kretanje superponira na nasumično haotično kretanje slobodnih elektrona pod djelovanjem sila električnog polja, koje stvara električnu struju. Brzina kretanja samih elektrona u vodiču je nekoliko djelića milimetra u sekundi, međutim, električno polje koje nastaje u vodiču širi se duž cijele dužine provodnika brzinom bliskom brzini svjetlosti u vakuumu ( 3 10 8 m/s).

Budući da električnu struju u metalima formiraju slobodni elektroni, provodljivost metalnih provodnika se naziva elektronska provodljivost.

Elektroni pod utjecajem konstantne sile koja djeluje iz električnog polja postižu određenu brzinu uređenog kretanja (to se naziva drift). Ova brzina ne raste dalje s vremenom, jer se pri sudaru sa jonima kristalne rešetke prenose elektroni kinetička energija, stečena u električnom polju, kristalna rešetka. U prvoj aproksimaciji, možemo pretpostaviti da se preko srednjeg slobodnog puta (to je udaljenost koju elektron prijeđe između dva uzastopna sudara s jonima) elektron kreće ubrzano i da se njegova brzina pomicanja linearno povećava s vremenom

U trenutku sudara, elektron prenosi kinetičku energiju na kristalnu rešetku. Zatim se ponovo ubrzava i proces se ponavlja. Kao rezultat prosječna brzina uredno kretanje elektrona proporcionalno je jakosti električnog polja u provodniku i, posljedično, razlici potencijala na krajevima provodnika, budući da je , gdje je l dužina provodnika.

Poznato je da je jačina struje u provodniku proporcionalna brzini uređenog kretanja čestica

i stoga je, prema prethodnom, jačina struje proporcionalna razlici potencijala na krajevima provodnika: I ~ U. Ovo je kvalitativno objašnjenje Ohmovog zakona zasnovanog na klasičnoj elektronskoj teoriji vodljivosti metala.

Međutim, postoje poteškoće s ovom teorijom. Iz teorije je proizašlo da otpornost treba da bude proporcionalna kvadratnom korenu temperature (), dok, prema iskustvu, ~T. Osim toga, toplotni kapacitet metala, prema ovoj teoriji, treba da bude mnogo veći od toplotni kapacitet monoatomskih kristala. U stvarnosti, toplotni kapacitet metala se malo razlikuje od toplotnog kapaciteta nemetalnih kristala. Ove poteškoće su prevaziđene tek u kvantna teorija.

Godine 1911., holandski fizičar G. Kamerling-Onnes, proučavajući promjenu električnog otpora žive na niskim temperaturama, otkrio je da na temperaturi od oko 4 K (tj. na -269 ° C), otpor naglo opada (sl. 3) skoro do nule. Ovaj fenomen pretvaranja električnog otpora na nulu G. Kamerling-Onnes je nazvao supravodljivost.

Nakon toga je ustanovljeno da ih je više od 25 hemijski elementi- metali na vrlo niskim temperaturama postaju supravodnici. Svaki od njih ima svoju kritičnu temperaturu prijelaza u stanje s nultim otporom. Njegova najniža vrijednost za volfram je 0,012K, a najviša za niobijum je 9K.

Superprovodljivost se opaža ne samo u čistim metalima, već iu mnogim hemijskim jedinjenjima i legurama. U ovom slučaju, sami elementi, koji su dio supravodljivog spoja, možda nisu supravodnici. Na primjer, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb i drugi.

Supstance u supravodljivom stanju imaju neobična svojstva:

električna struja u superprovodniku može postojati dugo vremena bez izvora struje;
unutar supstance u supravodljivom stanju, nemoguće je stvoriti magnetsko polje:
magnetsko polje uništava stanje supravodljivosti. Superprovodljivost je fenomen objašnjen sa stanovišta kvantne teorije. Njegov prilično komplikovan opis izvan je okvira školskog kursa fizike.

Sve donedavno, široku upotrebu supravodljivosti ometale su poteškoće povezane s potrebom hlađenja na ultraniske temperature, za šta se koristio tečni helijum. Ipak, i pored složenosti opreme, oskudice i visoke cijene helijuma, od 60-ih godina XX vijeka stvaraju se supravodljivi magneti bez toplinskih gubitaka u namotajima, što je praktično omogućilo dobijanje jakih magnetnih polja u relativno velikim tomovi. Upravo takvi magneti su potrebni za stvaranje objekata za kontrolisanu termonuklearnu fuziju sa zadržavanjem magnetne plazme, za moćne akceleratore naelektrisanih čestica. Superprovodnici se koriste u raznim mjernim uređajima, prvenstveno u uređajima za mjerenje vrlo slabih magnetnih polja sa najvećom preciznošću.

Trenutno se 10 - 15% energije troši na savladavanje otpora žica u dalekovodima. Superprovodne linije, ili barem ulazi u veliki gradovi donose ogromne uštede. Drugo polje primjene supravodljivosti je transport.

Na osnovu supravodljivih filmova stvoren je niz brzih logičkih i memorijskih elemenata za računarske uređaje. U svemirskim istraživanjima, obećavajuće je korištenje supravodljivih solenoida za zaštita od zračenja astronauti, pristajanje svemirskih letjelica, njihovo usporavanje i orijentacija, za plazma raketne motore.

Trenutno su stvoreni keramički materijali koji imaju veću supravodljivost visoke temperature- preko 100K, odnosno na temperaturi iznad tačke ključanja azota. Sposobnost hlađenja superprovodnika tekućim dušikom, koji ima za red veličine veću toplinu isparavanja, uvelike pojednostavljuje i smanjuje cijenu sve kriogene opreme, a obećava ogroman ekonomski učinak.

Siemens je jedinica mjere za električnu provodljivost (provodljivost) u SI sistemu. To je ekvivalentno prethodno korištenoj jedinici mho

Siemens(simbol: Cm, S) je jedinica električne provodljivosti u SI sistemu, recipročna vrijednost oma.

Siemens(eng. siemens) - jedinica za električnu provodljivost, admitansu (ukupnu provodljivost) i reaktivnu provodljivost u sistemu SI i sistemu metar-kilogram-sekunda. Najvažnija karakteristika vodiča je količina struje koja teče kroz njega kada se primjenjuje električni napon. Provodnik ima provodljivost od jednog simensa ako razlika potencijala od jednog volta stvara struju od jednog ampera u provodniku. Vodljivost provodnika u simensu recipročna je njegovom otporu u omima; siemens se nekada zvao "mo" (mho) ili obrnuti ohm.

Siemens je jedinica mjere za električnu provodljivost (provodljivost) u SI sistemu. To je ekvivalentno prethodno korištenoj jedinici mho. Obično se vodljivost označava simbolom G, ali za ionsku provodljivost uobičajeno je koristiti simbol L.

Drugim riječima, provodljivost u simensu je jednostavno jedinica podijeljena otporom u omima. U jednadžbama provodljivost se označava slovom G.

"Siemens" je oblik jedinog i plural; “1 siemen” je pogrešno napisana.

Prije Drugog svjetskog rata (u SSSR-u do 1960-ih), Siemens je bio jedinica električnog otpora, koja je odgovarala otporu živinog stupa dužine 1 m i prečnika 1 mm na 0 °C. To odgovara približno 0,9534 oma. Ovu jedinicu je predstavio Siemens 1860. godine i takmičio se s Ohmom, koji je pobijedio na Svjetskom kongresu elektroinženjera 1881. godine. Ipak, jedinicu su naširoko koristili signalisti širom svijeta sve do sredine 20. stoljeća.

U pogledu ostalih SI jedinica, Siemens se izražava na sljedeći način:

Cm \u003d 1 / Ohm \u003d A / B \u003d kg-1 m-2 s³A²

Jedinica je dobila ime po njemačkom naučniku i preduzetniku Verneru fon Simensu.

Ranije se koristio naziv mo, označen obrnutim slovom Ω: \mho (u Unicode U+2127, ℧).

Višestruki i podmnožni

Decimalni višekratnici i podmnošci se formiraju pomoću standardnih SI prefiksa.

Višestruke				Dolnye
magnitude	naslov	oznaka		magnitude	naslov	oznaka
101 cm	decasimens	yesSm	daS	10−1 cm	decisiemens	dSm	dS
102 cm	hectosiemens	gsm	hS	10-2 cm	centi-siemens	ccm	cS
103 cm	kilosiemens	kSm	kS	10-3 cm	millisiemens	mSm	GOSPOĐA
106 cm	megasiemens	MSm	GOSPOĐA	10-6 cm	microsiemens	µS	µS
109 cm	gigasiemens	GSM	GS	10-9 cm	nanosense	nS	nS
1012 cm	terasiemens	TSm	TS	10-12 cm	picosiemens	pSm	PS
1015 cm	petasiemens	PSm	PS	10-15 cm	femtosiemens	fsm	fS
1018 cm	exasiemens	esm	ES	10-18 cm	attosiemens	acm	aS
1021 cm	zettasiemens	ZSm	ZS	10-21 cm	zeptosiemens	zSm	zS
1024 cm	yottasiemens	ISM	YS	10-24 cm	joctosiemens	iSm	yS
primjena se ne preporučuje

električna provodljivost tijela se kvantificiraju u posebnim jedinicama zvanim siemens (skraćeno Cm), a označavaju se simbolom G. 1 Cm je električna provodljivost provodnika, između čijih krajeva se stvara napon od 1 V pri struji od 1 A. električna provodljivost tijela je proporcionalna njegovoj površini poprečnog presjeka S i obrnuto je proporcionalna njegovoj dužini I

Prepreka koju struja savladava prolazeći kroz provodnik naziva se električni otpor. Jedinica električnog otpora je 1 ohm. Om se definiše kao otpor koji pruža nepromjenjivoj električnoj struji na temperaturi topljenja leda stub žive koji ima svuda isti poprečni presjek, jednak 1 mm, dužine 106.300 cm i mase 14.4521 g. Recipročna vrijednost električnog otpora se naziva električna provodljivost ili provodljivost. Jedinica za električnu provodljivost je Siemens, koja je jednaka jednom recipročnom omu. Električni otpor će biti veći, što je dužina duža

Električna provodljivost je sposobnost tvari ili materijala da propušta električnu struju kroz sebe. Električna provodljivost se mjeri u Siemensu, u čast njemačkog fizičara Ernsta Simensa. Ova karakteristika materijala je obrnuto povezana s njegovim električnim otporom. Odnosno, što je veća provodljivost, to je manji otpor i obrnuto.

U pravilu, provodnici i poluvodiči imaju električnu provodljivost. Dielektrici ne provode struju, pa stoga nemaju provodljivost.

Osim električne provodljivosti, mjeri se i specifična provodljivost materijala. Pokazuje odnos između struje koja prolazi kroz materijal i električno polje koja ga je izazvala.

Javascript je onemogućen u vašem pretraživaču.
ActiveX kontrole moraju biti omogućene da bi se izvršili proračuni!

Bakar je jedan od najčešćih materijala za žice. Njegov električni otpor je najniži od pristupačnih metala. Manje ga ima samo u plemenitim metalima (srebro i zlato) i zavisi od raznih faktora.

Šta je električna struja

Na različitim polovima baterije ili drugog izvora struje nalaze se suprotno nazvani nosioci električnih naboja. Ako su spojeni na provodnik, nosioci naboja počinju da se kreću od jednog do drugog pola izvora napona. Ovi nosioci u tečnostima su joni, a u metalima su slobodni elektroni.

Definicija. Električna struja je usmjereno kretanje nabijenih čestica.

Otpornost

Električna otpornost je veličina koja određuje električni otpor uzorka referentnog materijala. Grčko slovo "r" koristi se za označavanje ove količine. Formula za obračun:

p=(R*S)/ l.

Ova vrijednost se mjeri u Ohm*m. Možete ga pronaći u referentnim knjigama, u tabelama otpornosti ili na internetu.

Slobodni elektroni se kreću kroz metal unutar kristalne rešetke. Na otpor ovom kretanju i otpornost provodnika utiču tri faktora:

Materijal. Različiti metali imaju različite atomske gustine i broj slobodnih elektrona;
nečistoće. U čistim metalima, kristalna rešetka je uređenija, pa je otpor manji nego u legurama;
Temperatura. Atomi ne sjede mirno na svojim mjestima, već osciliraju. Što je temperatura viša, to je veća amplituda oscilacija koje ometaju kretanje elektrona, a otpor je veći.

Na sljedećoj slici možete vidjeti tabelu otpornosti metala.

Zanimljivo. Postoje legure čiji električni otpor opada kada se zagrije ili se ne mijenja.

Vodljivost i električni otpor

Budući da se dimenzije kablova mjere u metrima (dužina) i mm² (presjek), električna otpornost ima dimenziju Ohm mm²/m. Poznavajući dimenzije kabla, njegov otpor se izračunava po formuli:

R=(p* l)/S.

Osim električnog otpora, neke formule koriste koncept "provodljivosti". Ovo je recipročan otpor. Označava se "g" i izračunava se po formuli:

Provodljivost tečnosti

Provodljivost tečnosti se razlikuje od provodljivosti metala. Nosioci naboja u njima su joni. Njihov broj i električna provodljivost se povećavaju prilikom zagrijavanja, pa se snaga elektrodnog kotla povećava nekoliko puta kada se zagrije od 20 do 100 stupnjeva.

Zanimljivo. Destilovana voda je izolator. Provodljivost mu se daje otopljenim nečistoćama.

Električni otpor žica

Najčešći materijali za žice su bakar i aluminij. Otpornost aluminijuma je veća, ali je jeftinija od bakra. Specifični otpor bakra je manji, tako da se veličina žice može odabrati manja. Osim toga, jači je, a od ovog metala se prave fleksibilne žice.

Sledeća tabela prikazuje električnu otpornost metala na 20 stepeni. Da bi se to odredilo na drugim temperaturama, vrijednost iz tabele se mora pomnožiti sa faktorom korekcije koji je različit za svaki metal. Ovaj koeficijent možete saznati iz relevantnih priručnika ili pomoću online kalkulatora.

Izbor preseka kabla

Budući da žica ima otpor, kada kroz nju prođe električna struja, stvara se toplina i dolazi do pada napona. Oba ova faktora moraju se uzeti u obzir pri odabiru dimenzija kablova.

Odabir prema dozvoljenom grijanju

Kada struja teče kroz žicu, energija se oslobađa. Njegova količina se može izračunati po formuli električne energije:

U bakrenoj žici poprečnog presjeka 2,5 mm² i dužine 10 metara R=10*0,0074=0,074Ohm. Pri struji od 30A, P = 30² * 0,074 = 66W.

Ova snaga zagrijava provodnik i sam kabel. Temperatura na koju se zagreva zavisi od uslova polaganja, broja žila u kablu i drugih faktora, a dozvoljena temperatura zavisi od izolacionog materijala. Bakar ima veću provodljivost, pa su izlazna snaga i potrebni poprečni presjek manji. Određuje se posebnim tabelama ili korištenjem online kalkulatora.

Dozvoljeni gubici napona

Osim grijanja, kada električna struja prolazi kroz žice, smanjuje se napon u blizini opterećenja. Ova vrijednost se može izračunati korištenjem Ohmovog zakona:

Referenca. Prema normama PUE-a, ne bi trebalo biti više od 5% ili u mreži od 220V - ne više od 11V.

Stoga, što je kabel duži, to bi njegov poprečni presjek trebao biti veći. Možete ga odrediti iz tabela ili pomoću online kalkulatora. Za razliku od odabira presjeka prema dozvoljenom grijanju, gubici napona ne zavise od stanja brtve i izolacijskog materijala.

U mreži od 220V napon se dovodi preko dvije žice: faze i nule, tako da se proračun vrši za dvostruku dužinu kabela. U kablu iz prethodnog primera biće U=I*R=30A*2*0,074Ω=4,44V. Ovo nije puno, ali s dužinom od 25 metara ispada 11,1V - maksimalna dozvoljena vrijednost, morat ćete povećati poprečni presjek.

Električni otpor drugih metala

Pored bakra i aluminijuma, u elektrotehnici se koriste i drugi metali i legure:

Iron. Specifična otpornost čelika je veća, ali je jači od bakra i aluminija. Čelični provodnici su utkani u kablove namenjene za polaganje kroz vazduh. Otpor željeza je previsok za prijenos električne energije, stoga se pri izračunavanju poprečnog presjeka jezgre ne uzimaju u obzir. Osim toga, on je vatrostalniji, a od njega se izrađuju vodovi za spajanje grijača u električnim pećima velike snage;
Nichrome (legura nikla i hroma) i fechral (gvožđe, hrom i aluminijum). Imaju nisku provodljivost i vatrostalnost. Od ovih legura izrađuju se žičani otpornici i grijači;
Tungsten. Njegov električni otpor je visok, ali je vatrostalni metal (3422 °C). Koristi se za izradu filamenata u električnim lampama i elektrodama za argon-lučno zavarivanje;
Konstantan i manganin (bakar, nikl i mangan). Otpornost ovih provodnika se ne mijenja s promjenama temperature. Koriste se u zaštitnim uređajima za proizvodnju otpornika;
Plemeniti metali - zlato i srebro. Imaju najveću provodljivost, ali je zbog visoke cijene njihova upotreba ograničena.

Induktivna reaktansa

Formule za izračunavanje provodljivosti žica vrijede samo u DC mreži ili u ravnim provodnicima na niskoj frekvenciji. U zavojnicama i visokofrekventnim mrežama, induktivni otpor je mnogo puta veći od uobičajenog. Osim toga, struja visoke frekvencije širi se samo preko površine žice. Stoga se ponekad oblaže tankim slojem srebra ili se koristi litz žica.

Referenca. Litz žica je upredena žica, u kojoj je svako jezgro izolirano od ostalih. Ovo se radi kako bi se povećala površina i provodljivost u visokofrekventnim mrežama.

Specifična otpornost bakra, fleksibilnost, relativno niska cijena i mehanička čvrstoća čine ovaj metal, zajedno sa aluminijem, najčešćim materijalom za izradu žica.