Elektromos vezetőképesség- egy anyag azon képessége, hogy külső elektromos tér hatására elektromos áramot vezet.

Az elektrolit oldatoknak a fémekkel ellentétben nem elektromos, hanem ionos vezetőképességük van.

Egy anyag elektromos áramvezetési képességének mértéke a elektromos vezetőképesség L az R elektromos ellenállás reciproka.

Mivel R = r . l/S,

ahol r a fajlagos ellenállás, Ohm. m;

S - keresztmetszet, m 2;

l a vezető hossza, m;

c az elektromos vezetőképesség.

Elektromos vezetőképesség elektrolit oldat c( kappa) a két párhuzamos elektróda közé zárt oldattérfogat elektromos vezetőképessége, amelyek területe 1 m 2 és egymástól 1 m távolságra van. A c mértékegység S/m, ahol Sm = Ohm –1, és ún Siemens .

Az elektrolitoldat fajlagos elektromos vezetőképességét az elektromosságot hordozó ionok száma és mozgásuk sebessége határozza meg.

Tegyük fel, hogy az egymástól l távolságra elhelyezkedő elektródák között, amelyekre U potenciálkülönbséget alkalmazunk, többféle iont tartalmazó elektrolit oldat van. i típusú ionok esetén: C i koncentráció (mol / m 3), zi töltés, vi (m / s) elektromos térben való mozgás sebessége az elektródák között elhelyezkedő oldat S (m 2) keresztmetszetén keresztül, C Az ivi S 1 másodperc alatt vándorol az i-típusú ionokon, amelyek a következő mennyiségű villamos energiát hordozzák:

q i = z i FC i v i S

Az oldatban lévő összes iontípus bizonyos mennyiségű elektromos energiát hordoz:

, (7.26)

ahol F a Faraday-szám (96485 C/mol);

A vezetőn 1 s alatt áthaladó elektromosság mennyisége megfelel az I áramerősségnek:

, (7.27)

Az ionok elektromos térben való mozgási sebességét az ionra ható erő határozza meg, amely egyenlő az iontöltés és a térpotenciál gradiensének, valamint a közeg ellenállását jellemző R tényezőnek a szorzatával:

ahol e az elemi elektromos töltés.

Így az ionok mozgási sebessége, és így az elektromos áram nagysága függ az alkalmazott U feszültségtől, az ionok töltésétől és méretétől, a szolvatáció természetétől, az ionok kölcsönhatásától a környező részecskékkel, összefüggésben a természettel. az oldószer koncentrációját, az oldat koncentrációját és hőmérsékletét.

Annak megállapításához, hogy az ionok közül melyiknek van nagyobb a mobilitása, mozgási sebességüket 1 V/m potenciálgradiensen hasonlítják össze, és egységnyi töltésre vonatkoztatják.

Ilyen körülmények között az ionmozgás sebességét ún abszolút és a mérete m 2 / (V. s). Ezeket a sebességeket gyakran nevezik elektromos mobilitás és jelöljük u +És u-

(7.29)

Az ionok mozgásának abszolút sebességére vonatkozó adatok azt mutatják, hogy a kristályrácsra jellemző ionsugár nem marad meg az oldatokban. Például az alkálifém-ionok sugarai sóik kristályrácsában a sorozatban nőnek:

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

Vizes oldatokban az ionok hidratációja miatt az ionméretek Cs +-ról Li +-ra, az ionsebesség pedig Li +-ról Cs +-ra nő. A Li+ iont vastag vízhéj veszi körül, míg a Cs+ ion gyengén hidratált.

A viszonylag kis méretű kationok jellemzően mozgékonyabbak, mint az anionok. Vizes oldatokban különösen nagy a H + és OH - ionok mobilitása.

Ezeknek az ionoknak a nagy mobilitásának oka a töltésátvitel közvetítő-verseny mechanizmusa. Ismeretes, hogy in vizesoldat a hidrogénion nem csak egy proton H +, hanem egy hidroxónium ion H 3 O +, amelyben mind a 3 H atom ugyanazokkal a kémiai kötésekkel kapcsolódik az O atomhoz.

A hidroniumion hidrogénatomja és a szomszédos H 2 O molekula oxigénatomja között hidrogénkötés jön létre. A töltés a lánc mentén mozog az egyik H 2 O molekulától a másikig:

Nem maga a H + mozog, hanem az elektronsűrűség hiánya.

Az átmenet ~ 10-10 cm távolságra „ugrásokkal” történik, ezzel a mechanizmussal a H 3 O + mobilitása sokkal nagyobb, mint amikor ez az ion csak a migráció miatt mozog.

Érdekes megjegyezni, hogy a jég H+ mobilitása két nagyságrenddel nagyobb, mint a víz esetében. Ezt a jég H+-ugrás szempontjából kedvező szerkezete magyarázza.

A hidroxil-ion megnövekedett mobilitása hasonlóképpen magyarázható. A proton a H 2 O molekuláról az OH - ionra megy át.

Mivel a proton vízmolekuláról való leválási energiája nagyobb, mint egy H 3 O + ionról, akkor a hidrogénkation H 2 O molekuláról hidroxil ionra való átalakulásának valószínűsége kisebb, mint H 3 O + ionról Ez magyarázza azt a tényt, hogy a H 3 O + -ionok korlátozó mobilitása (erősen híg oldatokban) nagyobb, mint az OH mobilitása - csaknem másfélszerese.

A (7.27), (7.28) és (7.29) egyenletek kombinációja a következőket adja:

(7.30)

Ohm törvénye és kifejezése szerint (7.25)

(7.31)

Az elektromos vezetőképesség (7.30) és (7.31) egyenletéből a következőt kapjuk:

(7.32)

Egy С (mol/l) koncentrációjú bináris elektrolit oldatra z + = z – = z és a disszociációs foka a következő:

(7.33)

A fajlagos elektromos vezetőképesség c függ az oldott anyag és az oldószer természetétől, az oldatban lévő elektrolit koncentrációjától és a hőmérséklettől.

Egyes elektrolitok oldatai fajlagos elektromos vezetőképességének koncentrációtól való függését a 2. ábra mutatja. 7.4.

Rizs. 7.4. A c. koncentrációfüggése

Erős és gyenge elektrolitok híg oldataiban a c koncentráció növekedése az elektromosságot hordozó ionok számának növekedéséből adódik. A koncentrált oldatok területén a koncentráció növekedése az oldatok viszkozitásának növekedésével jár együtt, ami csökkenti az ionok mobilitását és az elektromos vezetőképesség csökkenését. Ezenkívül a koncentrált oldatokban lévő gyenge elektrolitok esetében jelentősen csökken a disszociáció mértéke, és ennek következtében az elektromosságot hordozó ionok száma. Azok. az ionkoncentráció (C i = aC) egy maximumon fog áthaladni. Az erős elektrolitok szinte teljesen disszociálnak (a ® 1) nemcsak híg, hanem koncentrált oldatokban is. Az oldat koncentrációjának növekedésével az ionok közötti távolság csökken, ami az elektrosztatikus kölcsönhatás erőinek növekedéséhez vezet. Ennek eredményeként az ionok mozgása lelassul, az elektromos vezetőképesség csökken.

Így az erős és gyenge elektrolitok c oldatkoncentrációtól való függésének minőségileg azonos jellege különböző okokból adódik.

A hőmérséklet emelkedésével az ionok mozgásának sebessége és a disszociáció mértéke nő. Ez az elektromos vezetőképesség növekedéséhez vezet:

ahol a az elektromos vezetőképesség hőmérsékleti együtthatója (erős savaknál 0,016, erős bázisoknál 0,019 és sóknál 0,022).

Az elektromos ellenállás fizikai természete. Amikor a szabad elektronok egy vezetőben mozognak, útjuk során ütköznek a pozitív ionokkal 2 (lásd 10. ábra, a), az anyag atomjaival és molekuláival, amelyekből a vezető készül, és energiájuk egy részét átadják nekik. Ebben az esetben az atomokkal és molekulákkal való ütközés következtében mozgó elektronok energiája részben felszabadul és hő formájában disszipálódik, amely felmelegíti a vezetőt. Tekintettel arra, hogy az elektronok a vezető részecskéivel ütközve bizonyos mozgási ellenállást legyőznek, szokás azt mondani, hogy a vezetőknek elektromos ellenállása van. Ha a vezető ellenállása kicsi, akkor az áram viszonylag gyengén felmelegíti; ha az ellenállás nagy, a vezető felforrósodhat. Az elektromos tűzhelyet elektromos áramot adó vezetékek szinte nem melegszenek fel, mivel az ellenállásuk kicsi, és a csempe nagy ellenállású spirálja vörösen izzik. Az elektromos lámpa izzószála még jobban felmelegszik.
Az ellenállás mértékegysége az ohm. Egy vezető ellenállása 1 ohm, amelyen 1 A-es áram halad át 1 V-nak megfelelő potenciálkülönbséggel a végein (feszültség). Az 1 ohm ellenállási szabvány egy 106,3 cm hosszú higanyoszlop 1 mm2 keresztmetszet 0 °C hőmérsékleten. A gyakorlatban az ellenállást gyakran több ezer ohmban - kiloohmban (kOhm) vagy millió ohmban - megaohmban (MΩ) mérik. Az ellenállást R (r) betű jelöli.
Vezetőképesség. Bármely vezetőt nemcsak az ellenállása, hanem az úgynevezett vezetőképesség - az elektromos áram vezetésének képessége - is jellemezheti. A vezetőképesség az ellenállás reciprokja. A vezetőképesség mértékegységét Siemensnek (Sm) nevezik. 1 cm egyenlő 1/1 ohmmal. A vezetőképességet G (g) betű jelöli. Következésképpen,

G=1/R(4)

Fajlagos elektromos ellenállás és vezetőképesség. A különböző anyagok atomjai eltérő ellenállással rendelkeznek az elektromos áram áthaladásával szemben. Az egyes anyagok elektromos áramvezetési képessége az elektromos ellenállásuk alapján ítélhető meg p. Az ellenállást jellemző értéket általában egy 1 m élű kocka ellenállásának veszik, Az elektromos ellenállást Ohm * m-ben mérik. Az anyagok elektromos vezetőképességének megítélésére a fajlagos elektromos vezetőképesség fogalmát is használják? = 1 /?. Az elektromos vezetőképességet siemens per méterben (S/m) mérik (egy 1 m élű kocka vezetőképessége). Az elektromos ellenállást gyakran ohm-centiméterben (Ohm*cm), az elektromos vezetőképességet pedig siemens per centiméterben (S/cm) fejezik ki. Ahol 1 Ohm * cm \u003d 10 -2 Ohm * m és 1 S / cm = 10 2 S / m.

A vezető anyagokat főleg huzalok, gumiabroncsok vagy szalagok formájában használják, amelyek keresztmetszeti területét általában négyzetmilliméterben, hosszát méterben fejezik ki. Ezért a hasonló anyagok fajlagos elektromos ellenállásához és a fajlagos elektromos vezetőképességhez más mértékegységeket is bevezetnek: Ohm * mm 2 / m-ben mérve (egy 1 m hosszú és 1 mm 2 keresztmetszetű vezető ellenállása), mi? - Sm * m / mm 2 -ben (1 m hosszú és 1 mm 2 keresztmetszeti területű vezető vezetőképessége).

A fémek közül az ezüst és a réz rendelkezik a legnagyobb elektromos vezetőképességgel, mivel atomjainak szerkezete lehetővé teszi a szabad elektronok könnyű mozgását, ezt követi az arany, króm, alumínium, mangán, volfrám stb. A vas és az acél rosszabbul vezeti az áramot.

A tiszta fémek mindig jobban vezetik az elektromosságot, mint ötvözeteik. Ezért az elektrotechnikában főleg nagyon tiszta rezet használnak, amely mindössze 0,05% szennyeződést tartalmaz. És fordítva, olyan esetekben, amikor nagy ellenállású anyagra van szükség (különféle fűtőberendezésekhez, reosztátokhoz stb.), speciális ötvözetek használatosak: konstantán, manganin, nikróm, fekrál.

Meg kell jegyezni, hogy a technológiában a fémes vezetők mellett nem fémes vezetőket is használnak. Ilyen vezetők például a szén, amelyből az elektromos gépek keféit készítik, a keresőlámpák elektródái stb. Az elektromos áram vezetői a föld vastagsága, a növények, állatok és emberek élő szövetei. A nyersfa és sok más szigetelőanyag nedves állapotban vezeti az elektromosságot.
A vezető elektromos ellenállása nemcsak a vezető anyagától függ, hanem annak l hosszától és s keresztmetszeti területétől is. (Az elektromos ellenállás a cső keresztmetszeti területétől és hosszától függően hasonló a csőben lévő víz mozgásának ellenállásához.)
Egyenes vezető ellenállás

R= ? l/s (5)

Ha az ellenállás? Ohm * mm / m-ben kifejezve, akkor ahhoz, hogy a vezető ellenállását ohmban kapjuk meg, annak hosszát az (5) képletbe kell behelyettesíteni méterben, a keresztmetszeti területét pedig négyzetmilliméterben.

Az ellenállás hőmérséklettől való függése. Minden anyag elektromos vezetőképessége a hőmérsékletétől függ. A fémvezetőkben hevítéskor megnő a fém kristályrácsában lévő atomok rezgési tartománya és sebessége, aminek következtében az elektronok áramlásával szembeni ellenállásuk is megnő. Lehűléskor az ellenkezője történik: véletlenszerű oszcilláló mozgás A kristályrács csomópontjaiban lévő atomok mennyisége csökken, az elektronáramlásukkal szembeni ellenállás csökken és a vezető elektromos vezetőképessége nő.

A természetben azonban vannak olyan ötvözetek: fekrál, konstantán, manganin és mások, amelyekben egy bizonyos hőmérsékleti tartományban az elektromos ellenállás viszonylag keveset változik. Az ilyen ötvözeteket a mérnöki iparban különféle elektromos mérőműszerekben és egyes eszközökben használt ellenállások gyártására használják, hogy kompenzálják a hőmérséklet hatását a működésükre.

A vezetők ellenállásának változásának mértékét a hőmérséklet változásával az úgynevezett ellenállási hőmérsékleti együttható a. Ez az együttható a vezető ellenállásának relatív növekedését jelenti a hőmérséklet 1 ° C-os növekedésével. táblázatban. Az 1. ábra a leggyakrabban használt vezetőanyagok hőmérsékleti ellenállási együtthatójának értékeit mutatja.

Fémvezető ellenállása R t bármilyen hőmérsékleten t

Rt = R 0 [ 1 + ? (t - t 0) ] (6)

ahol R 0 a vezető ellenállása egy bizonyos kezdeti hőmérsékleten t 0 (általában + 20 ° C-on), amely az (5) képlettel számítható ki;

t- t 0 - hőmérséklet változás.

A modern technológia gyakran alkalmazza a hőmérséklet mérésére a fémes vezetők azon tulajdonságát, hogy növelik ellenállásukat melegítéskor. Például a vontatómotorok javítás utáni tesztelésekor a tekercselésük fűtési hőmérsékletét úgy határozzák meg, hogy megmérik az ellenállásukat hideg állapotban és meghatározott ideig (általában 1 órán belül) terhelés alatt.

A fémek tulajdonságait mély (nagyon erős) hűtés során vizsgálva a tudósok figyelemre méltó jelenséget fedeztek fel: az abszolút nulla közelében (-273,16 °C) egyes fémek szinte teljesen elveszítik elektromos ellenállásukat. Ideális vezetőkké válnak, amelyek hosszú ideig képesek áramot vezetni egy zárt áramkörön anélkül, hogy az elektromos energia forrása bármilyen hatással lenne rájuk. Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezzük. Jelenleg elektromos vezetékek és elektromos gépek prototípusai születtek, amelyek a szupravezetés jelenségét használják fel. Az ilyen gépek tömege és méretei lényegesen kisebbek az általános célú gépekhez képest, és nagyon magas hatásfokkal működnek. Az elektromos vezetékek ebben az esetben nagyon kis keresztmetszetű vezetékekből készülhetnek. A jövőben ezt a jelenséget egyre gyakrabban alkalmazzák az elektrotechnikában.

A fémek elektronikus vezetőképességét először E. Rikke német fizikus bizonyította kísérletileg 1901-ben. Három, egymáshoz szorosan összenyomott polírozott hengeren - réz, alumínium és ismét réz - elektromos áramot vezettek át hosszú ideig (egy év alatt). . Az ezalatt áthaladó teljes töltés 3,5·10 6 C volt. Mivel a réz és az alumínium atomok tömege jelentősen eltér egymástól, a hengerek tömegének érezhetően változnia kellene, ha a töltéshordozók ionok.

A kísérletek eredményei azt mutatták, hogy az egyes hengerek tömege változatlan maradt. Az érintkezési felületeken a fémek kölcsönös behatolásának csak jelentéktelen nyomait találtuk, amelyek nem haladták meg az atomok szokásos diffúziójának eredményeit szilárd anyagok. Következésképpen a fémekben a szabad töltéshordozók nem ionok, hanem olyan részecskék, amelyek a rézben és az alumíniumban is azonosak. Csak az elektronok lehetnek ilyen részecskék.

E feltevés érvényességének közvetlen és meggyőző bizonyítékát kapták L. I. Mandelstam és N. D. Papaleksi 1913-ban, valamint T. Stuart és R. Tolman 1916-ban végzett kísérletei.

A tekercsre egy huzal van feltekerve, melynek végeit két, egymástól elszigetelt fémkorongra forrasztják (1. ábra). A tárcsák végeihez galvanométer van rögzítve csúszóérintkezőkkel.

A tekercset gyors forgásba hozzuk, majd hirtelen leállítjuk. A tekercs éles leállása után a szabadon töltött részecskék egy ideig tehetetlenséggel mozognak a vezető mentén, és ennek következtében elektromos áram jelenik meg a tekercsben. Az áram rövid ideig fennáll, mert a vezető ellenállása miatt a töltött részecskék lelassulnak, a részecskék rendezett mozgása leáll.

Az áram iránya azt jelzi, hogy negatív töltésű részecskék mozgása hozza létre. Az átvitt töltés ebben az esetben arányos az áramot létrehozó részecskék töltésének tömegükhöz viszonyított arányával, azaz. . Ezért a galvanométeren áthaladó töltés mérésével az áramkörben fennálló áram teljes időtartama alatt meg lehetett határozni az arányt. 1,8·10 11 C/kg-nak bizonyult. Ez az érték egybeesik az elektron töltésének tömegéhez viszonyított arányával, amelyet korábban más kísérletekből találtunk.

Így a fémekben elektromos áram keletkezik a negatív töltésű elektronrészecskék mozgásával. A fémek vezetőképességének klasszikus elektronikai elmélete (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) szerint a fémvezető két alrendszer kombinációjából álló fizikai rendszernek tekinthető:

1. ~ 10 28 m -3 koncentrációjú szabad elektronok és
2. az egyensúlyi helyzet körül vibráló pozitív töltésű ionok.

A szabad elektronok kristályban való megjelenése a következőképpen magyarázható.

Amikor az atomok fémkristállyá egyesülnek, az atommaghoz leggyengébb módon kötődő külső elektronok leválanak az atomokról (2. ábra). Ezért a pozitív ionok a fém kristályrácsának csomópontjain helyezkednek el, és a köztük lévő térben olyan elektronok mozognak, amelyek nem kapcsolódnak az atommagjukhoz. Ezeket az elektronokat nevezzük ingyenes vagy vezetési elektronok. Kaotikus mozgást hajtanak végre, hasonlóan a gázmolekulák mozgásához. Ezért a fémekben lévő szabad elektronok összességét ún elektron gáz.

Ha külső elektromos mezőt alkalmaznak a vezetőre, akkor a szabad elektronok véletlenszerű kaotikus mozgására az elektromos tér erői hatására irányított mozgás kerül, amely elektromos áramot generál. Maguk az elektronok mozgási sebessége a vezetőben a milliméter néhány töredéke másodpercenként, azonban a vezetőben fellépő elektromos tér a vezető teljes hosszában a vákuumban lévő fénysebességhez közeli sebességgel terjed ( 3 10 8 m/s).

Mivel a fémekben az elektromos áramot szabad elektronok alkotják, a fémvezetők vezetőképességét ún elektronikus vezetőképesség.

Az elektronok az elektromos térből ható állandó erő hatására bizonyos rendezett mozgási sebességre tesznek szert (ezt sodródásnak nevezik). Ez a sebesség nem növekszik tovább az idő múlásával, mivel a kristályrács ionjaival való ütközéskor az elektronok átadódnak kinetikus energia, elektromos térben, kristályrácsban szerzett. Az első közelítésben feltételezhetjük, hogy az átlagos szabad úton (ez az a távolság, amelyet az elektron két egymást követő ionütközés között megtesz) az elektron gyorsulással mozog, és sodródási sebessége az idő előrehaladtával lineárisan növekszik.

Az ütközés pillanatában az elektron mozgási energiát ad át a kristályrácsnak. Ezután ismét felgyorsul, és a folyamat megismétlődik. Ennek eredményeként átlagsebesség Az elektronok rendezett mozgása arányos a vezetőben lévő elektromos térerősséggel, és ebből következően a vezető végének potenciálkülönbségével, mivel , ahol l a vezető hossza.

Ismeretes, hogy a vezetőben lévő áramerősség arányos a részecskék rendezett mozgásának sebességével

és ezért az előző szerint az áramerősség arányos a vezető végein kialakuló potenciálkülönbséggel: I ~ U. Ez az Ohm-törvény kvalitatív magyarázata a fémek vezetőképességének klasszikus elektronelméletén alapuló.

Ezzel az elmélettel azonban vannak nehézségek. Az elméletből az következett, hogy az ellenállásnak arányosnak kell lennie a hőmérséklet négyzetgyökével (), addig a tapasztalatok szerint ~ T. Ráadásul a fémek hőkapacitása ezen elmélet szerint sokkal nagyobb kell legyen, mint a monoatomos kristályok hőkapacitása. A valóságban a fémek hőkapacitása alig különbözik a nemfémes kristályok hőkapacitásától. Ezeket a nehézségeket csak sikerült legyőzni kvantum elmélet.

1911-ben G. Kamerling-Onnes holland fizikus, a higany elektromos ellenállásának változását vizsgálva alacsony hőmérsékleten, azt találta, hogy körülbelül 4 K hőmérsékleten (azaz -269 °C-on) az ellenállás hirtelen csökken. 3) majdnem nullára. Ezt a jelenséget, amikor az elektromos ellenállás nullára változik, G. Kamerling-Onnes szupravezetésnek nevezte.

Ezt követően kiderült, hogy több mint 25 kémiai elemek- a fémek nagyon alacsony hőmérsékleten szupravezetőkké válnak. Mindegyiknek megvan a maga kritikus átmeneti hőmérséklete a nulla ellenállású állapotba. A legalacsonyabb értéke volfrámnál 0,012K, a legmagasabb nióbiumnál 9K.

A szupravezetés nemcsak tiszta fémekben figyelhető meg, hanem számos kémiai vegyületben és ötvözetben is. Ebben az esetben maguk az elemek, amelyek a szupravezető vegyület részét képezik, nem lehetnek szupravezetők. Például, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSbés mások.

A szupravezető állapotban lévő anyagok szokatlan tulajdonságokkal rendelkeznek:

1. az elektromos áram a szupravezetőben hosszú ideig létezhet áramforrás nélkül;
2. szupravezető állapotban lévő anyag belsejében lehetetlen mágneses mezőt létrehozni:
3. a mágneses tér tönkreteszi a szupravezető állapotot. A szupravezetés a kvantumelmélet szemszögéből magyarázható jelenség. Meglehetősen bonyolult leírása túlmutat egy iskolai fizika tantárgy keretein.

Egészen a közelmúltig a szupravezetés széleskörű elterjedését hátráltatták az ultraalacsony hőmérsékletre való hűtéshez kapcsolódó nehézségek, amelyekhez folyékony héliumot használtak. Ennek ellenére a berendezések bonyolultsága, a hélium szűkössége és magas költsége ellenére a XX. század 60-as évei óta szupravezető mágneseket hoztak létre hőveszteség nélkül a tekercselésükben, ami gyakorlatilag lehetővé tette, hogy viszonylag nagy térben erős mágneses mezőt kapjanak. kötetek. Pontosan ilyen mágnesekre van szükség a szabályozott termonukleáris fúzióhoz, mágneses plazmazárással, nagy teljesítményű töltött részecskegyorsítókhoz. A szupravezetőket különféle mérőeszközökben alkalmazzák, elsősorban a nagyon gyenge mágneses terek legnagyobb pontosságú mérésére szolgáló készülékekben.

Jelenleg az energia 10-15%-át fordítják a vezetékek ellenállásának leküzdésére. Szupravezető vonalak, vagy legalábbis bemenetek nagy városok hatalmas megtakarítást hoz. A szupravezetés másik alkalmazási területe a transzport.

Szupravezető filmek alapján számos nagy sebességű logikai és memóriaelemet hoztak létre számítástechnikai eszközökhöz. Az űrkutatásban ígéretes a szupravezető mágnesszelepek alkalmazása sugárvédeleműrhajósok, űrrepülőgépek dokkolása, lassításuk és tájolásuk, plazmarakétahajtóművekhez.

Jelenleg olyan kerámia anyagokat hoztak létre, amelyek szupravezető képessége nagyobb magas hőmérsékletű- 100 K felett, azaz a nitrogén forráspontja feletti hőmérsékleten. A szupravezetők folyékony nitrogénnel való hűtésének lehetősége, amelynek párolgáshője nagyságrenddel magasabb, nagymértékben leegyszerűsíti és csökkenti az összes kriogén berendezés költségét, és óriási gazdasági hatást ígér.

A Siemens az elektromos vezetőképesség (vezetőképesség) mértékegysége az SI rendszerben. Egyenértékű a korábban használt mho egységgel

Siemens(szimbólum: Cm, S) az elektromos vezetőképesség mértékegysége az SI rendszerben, egy ohm reciproka.

Siemens(angolul siemens) - az elektromos vezetőképesség, a bebocsátás (teljes vezetőképesség) és a reaktív vezetőképesség mértékegysége az SI rendszerben és a méter-kilogramm-másodperc rendszerben. A vezető legfontosabb jellemzője az elektromos feszültség alkalmazásakor átfolyó áram nagysága. Egy vezető vezetőképessége egy siemens, ha egy volt potenciálkülönbség egy amperes áramot hoz létre a vezetőben. Egy vezető vezetőképessége siemensben az ellenállásának reciproka ohmban; A siemens régebben "mo"-nak (mho) vagy fordított ohmnak hívták.

A Siemens az elektromos vezetőképesség (vezetőképesség) mértékegysége az SI rendszerben. Egyenértékű a korábban használt mho egységgel. Általában a vezetőképességet G jellel jelöljük, de az ionos vezetőképességre az L szimbólumot szokás használni.

Más szavakkal, a siemens vezetőképessége egyszerűen egy egység osztva az ohmban megadott ellenállással. Az egyenletekben a vezetőképességet G betűvel jelöljük.

A "Siemens" egy formája az egyetlen és többes szám; Az „1 siemen” elírás.

A második világháború előtt (a Szovjetunióban az 1960-as évekig) a Siemens az elektromos ellenállás mértékegysége volt, amely egy 1 m hosszú és 1 mm átmérőjű higanyoszlop ellenállásának felelt meg 0 °C-on. Ez körülbelül 0,9534 ohmnak felel meg. Ezt az egységet a Siemens vezette be 1860-ban, és Ohmmal versenyzett, aki 1881-ben megnyerte a Villamosmérnökök Világkongresszusát. Ennek ellenére az egységet a 20. század közepéig széles körben használták a jelzőőrök világszerte.

Más SI-mértékegységekben a Siemens a következőképpen fejeződik ki:

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

Az egység nevét Werner von Siemens német tudósról és vállalkozóról kapta.

Korábban a mo nevet használták, amelyet fordított Ω betűvel jelöltek: \mho (unicode U+2127, ℧).

Többszörösek és többszörösek

A tizedes többszörösek és részszorosok szabványos SI előtagok használatával jönnek létre.

Többszörös				Dolnye
nagyságrendű	cím	kijelölés		nagyságrendű	cím	kijelölés
101 cm	decasimens	igenSm	daS	10-1 cm	decisiemens	dSm	dS
102 cm	hektosiemens	gsm	hS	10-2 cm	centi-siemens	ccm	cS
103 cm	kilosiemens	kSm	kS	10-3 cm	millisiemens	mSm	KISASSZONY
106 cm	megasiemens	MSm	KISASSZONY	10-6 cm	microsiemens	µS	µS
109 cm	gigasiemens	GSM	GS	10-9 cm	nanoszensz	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	mint
1021 cm	zettasiemens	ZSm	ZS	10-21 cm	zeptosiemens	zSm	zS
1024 cm	yottasiemens	ISM	YS	10-24 cm	joctosiemens	iSm	yS
alkalmazása nem javasolt

elektromos vezetőképesség A testeket speciális mértékegységekben, úgynevezett siemensekben (rövidítve Cm) határozzuk meg, és G jellel jelöljük. 1 Cm a vezető elektromos vezetőképessége, amelynek végei között 1 A áramerősség mellett 1 V feszültség jön létre. a test elektromos vezetőképessége arányos az S keresztmetszeti területével és fordítottan arányos az I hosszával

Azt az akadályt, amelyet az áram leküzd, amikor áthalad egy vezetőn, elektromos ellenállásnak nevezzük. Az elektromos ellenállás mértékegysége 1 ohm. Ohmnak nevezzük azt az ellenállást, amelyet a mindenütt azonos keresztmetszetű, 1 mm-es, 106,300 cm hosszú és 14,4521 g tömegű higanyoszlop az olvadó jég hőmérsékletén változatlan elektromos árammal szemben mutat. Az elektromos ellenállás reciproka ún. elektromos vezetőképesség vagy vezetőképesség. Az elektromos vezetőképesség mértékegysége a Siemens, amely egy reciprok ohm. Minél hosszabb a hossz, annál nagyobb lesz az elektromos ellenállás

Az elektromos vezetőképesség egy anyag vagy anyag azon képessége, hogy elektromos áramot engedjen át magán. Az elektromos vezetőképességet a Siemensben mérik, Ernst Siemens német fizikus tiszteletére. Egy anyagnak ez a tulajdonsága fordítottan arányos az elektromos ellenállásával. Vagyis minél nagyobb a vezetőképesség, annál kisebb az ellenállás és fordítva.

Általános szabály, hogy a vezetők és a félvezetők elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. A dielektrikumok nem vezetnek áramot, ezért nincs vezetőképességük.

Az elektromos vezetőképesség mellett az anyag fajlagos vezetőképességét is mérik. Megmutatja a kapcsolatot az anyagon áthaladó áram és elektromos mező ami azt okozta.

A Javascript le van tiltva a böngészőjében.
Az ActiveX vezérlőket engedélyezni kell a számítások elvégzéséhez!

A réz az egyik legelterjedtebb huzalanyag. Elektromos ellenállása a legalacsonyabb a megfizethető fémek közül. Csak a nemesfémekben (ezüstben és aranyban) kevesebb, és különböző tényezőktől függ.

Mi az elektromos áram

Az akkumulátor vagy más áramforrás különböző pólusain ellentétes nevű elektromos töltéshordozók találhatók. Ha egy vezetőhöz csatlakoznak, a töltéshordozók elkezdenek mozogni a feszültségforrás egyik pólusáról a másikra. Ezek a folyadékokban lévő hordozók ionok, a fémekben pedig szabad elektronok.

Meghatározás. Az elektromos áram a töltött részecskék irányított mozgása.

Ellenállás

Az elektromos ellenállás az a mennyiség, amely meghatározza a referenciaanyag-minta elektromos ellenállását. Ennek a mennyiségnek a jelölésére a görög "r" betűt használják. Számítási képlet:

p=(R*S)/ l.

Ezt az értéket Ohm*m-ben mérik. Megtalálható referenciakönyvekben, ellenállási táblázatokban vagy az interneten.

A szabad elektronok a kristályrácson belüli fémen keresztül mozognak. Három tényező befolyásolja ennek a mozgásnak az ellenállását és a vezető ellenállását:

• Anyag. A különböző fémek atomsűrűsége és a szabad elektronok száma eltérő;
• szennyeződéseket. A tiszta fémekben a kristályrács rendezettebb, így az ellenállás kisebb, mint az ötvözeteknél;
• Hőfok. Az atomok nem ülnek mozdulatlanul a helyükön, hanem oszcillálnak. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az oszcillációk amplitúdója, ami zavarja az elektronok mozgását, és annál nagyobb az ellenállás.

A következő ábrán a fémek ellenállásának táblázata látható.

Érdekes. Vannak olyan ötvözetek, amelyek elektromos ellenállása melegítés hatására csökken, vagy nem változik.

Vezetőképesség és elektromos ellenállás

Mivel a kábelek méreteit méterben (hosszúságban) és mm²-ben (metszetben) mérik, az elektromos ellenállás mérete Ohm mm² / m. A kábel méreteinek ismeretében ellenállását a következő képlettel számítják ki:

R=(p* l)/S.

Az elektromos ellenállás mellett egyes képletek a „vezetőképesség” fogalmát is használják. Ez az ellenállás kölcsönössége. Ezt "g"-vel jelölik, és a következő képlettel számítják ki:

Folyadékok vezetőképessége

A folyadékok vezetőképessége eltér a fémek vezetőképességétől. A bennük lévő töltéshordozók ionok. Számuk és elektromos vezetőképességük melegítéskor megnő, így az elektróda kazán teljesítménye többszörösére nő 20-ról 100 fokra melegítve.

Érdekes. A desztillált víz szigetelő. A vezetőképességet az oldott szennyeződések adják.

A vezetékek elektromos ellenállása

A legelterjedtebb huzalanyagok a réz és az alumínium. Az alumínium ellenállása nagyobb, de olcsóbb, mint a réz. A réz fajlagos ellenállása kisebb, így a vezeték mérete kisebbre is választható. Ezenkívül erősebb, és ebből a fémből készülnek rugalmas sodrott huzalok.

A következő táblázat a fémek elektromos ellenállását mutatja 20 fokon. Más hőmérsékleteken történő meghatározásához a táblázatban szereplő értéket meg kell szorozni egy fémenként eltérő korrekciós tényezővel. Ezt az együtthatót megtudhatja a megfelelő referenciakönyvekből vagy egy online számológép segítségével.

Kábelszakasz kiválasztása

Mivel a vezetéknek ellenállása van, amikor elektromos áram halad át rajta, hő keletkezik és feszültségesés következik be. Mindkét tényezőt figyelembe kell venni a kábelméret kiválasztásakor.

Kiválasztás a megengedett fűtés szerint

Amikor áram folyik át a vezetéken, energia szabadul fel. Mennyisége a villamos teljesítmény képlettel számítható ki:

2,5 mm² keresztmetszetű és 10 méter hosszú rézhuzalban R=10*0,0074=0,074 Ohm. 30 A áramerősségnél P = 30² * 0,074 = 66 W.

Ez a teljesítmény felmelegíti a vezetőt és magát a kábelt. A hőmérséklet, amelyre felmelegszik, a fektetési körülményektől, a kábel magjainak számától és egyéb tényezőktől, a megengedett hőmérséklet pedig a szigetelőanyagtól függ. A réz vezetőképessége nagyobb, így kisebb a teljesítmény és a szükséges keresztmetszet. Speciális táblázatok vagy online számológép segítségével határozzák meg.

Megengedett feszültségveszteségek

A fűtés mellett, amikor elektromos áram halad át a vezetékeken, a terhelés közelében a feszültség csökken. Ez az érték az Ohm-törvény segítségével számítható ki:

Referencia. A PUE normái szerint nem lehet több, mint 5%, vagy 220 V-os hálózatban - legfeljebb 11 V.

Ezért minél hosszabb a kábel, annál nagyobbnak kell lennie a keresztmetszete. Meghatározhatja táblázatokból vagy online számológép segítségével. Ellentétben a szakasz megengedhető fűtés szerinti kiválasztásával, a feszültségveszteség nem függ a tömítés és a szigetelőanyag állapotától.

A 220 V-os hálózatban a feszültséget két vezetéken keresztül táplálják: fázison és nullán, így a számítás a kábel dupla hosszára történik. Az előző példa kábelében ez U=I*R=30A*2*0,074Ω=4,44V lesz. Ez nem sok, de 25 méter hosszúság esetén 11,1 V - a maximális megengedett érték, növelnie kell a keresztmetszetet.

Más fémek elektromos ellenállása

Az elektrotechnikában a réz és alumínium mellett más fémeket és ötvözeteket is használnak:

• Vas. Az acél fajlagos ellenállása nagyobb, de erősebb, mint a réz és az alumínium. Az acél vezetékek a levegőben történő fektetésre szánt kábelekbe vannak szőve. A vas ellenállása túl nagy az elektromosság átviteléhez, ezért a keresztmetszet kiszámításakor a magokat nem veszik figyelembe. Ezenkívül tűzállóbb, és vezetékeket készítenek belőle nagy teljesítményű elektromos kemencék fűtőberendezéseinek csatlakoztatásához;
• Nikróm (nikkel és króm ötvözete) és Fechral (vas, króm és alumínium). Alacsony vezetőképességük és tűzállóságuk van. Ezekből az ötvözetekből huzalellenállások és melegítők készülnek;
• Volfrám. Elektromos ellenállása nagy, de tűzálló fém (3422 °C). Izzószálak készítésére használják elektromos lámpákban és elektródákban argon-ívhegesztéshez;
• Konstantán és manganin (réz, nikkel és mangán). Ezeknek a vezetőknek az ellenállása nem változik a hőmérséklet változásával. Ellenállások gyártására szolgáló állítási eszközökben használják őket;
• Nemesfémek - arany és ezüst. A legnagyobb vezetőképességük van, de a magas ár miatt felhasználásuk korlátozott.

Induktív reaktancia

A vezetékek vezetőképességének kiszámítására szolgáló képletek csak egyenáramú hálózatban vagy alacsony frekvenciájú egyenes vezetékekben érvényesek. A tekercsekben és a nagyfrekvenciás hálózatokban az induktív ellenállás sokszorosa a szokásosnak. Ezenkívül a nagyfrekvenciás áram csak a vezeték felületén terjed. Ezért néha vékony ezüstréteggel vonják be, vagy litz-drótot használnak.

Referencia. A Litz-huzal egy sodrott huzal, amelynek minden magja el van szigetelve a többitől. Ennek célja a felület és a vezetőképesség növelése a nagyfrekvenciás hálózatokban.

A réz fajlagos ellenállása, rugalmassága, viszonylag alacsony ára és mechanikai szilárdsága ezt a fémet az alumíniummal együtt a legelterjedtebb anyaggá teszik a huzalgyártáshoz.

Videó