Ce este conductivitatea electrică. Rezistivitate

Conductivitate electrică- este capacitatea unei substanțe de a conduce un curent electric sub influența unui câmp electric extern.

Soluțiile electrolitice, spre deosebire de metale, nu au conductivitate electrică, ci ionică.

O măsură a capacității unei substanțe de a conduce un curent electric este conductivitate electrică L este inversul rezistenței electrice R.

Deoarece R = r . l/S,

unde r este rezistența specifică, Ohm. m;

S - secţiune transversală, m 2;

l este lungimea conductorului, m;

c este conductivitatea electrică.

Conductivitate electrică soluție electrolitică c( kappa) este conductivitatea electrică a volumului de soluție închis între doi electrozi paraleli, având o suprafață de 1 m 2 și situati la o distanță de 1 m unul de celălalt. Unitatea de măsură c este S/m, unde Sm = Ohm –1 și se numește Siemens .

Conductivitatea electrică specifică a unei soluții de electrolit este determinată de numărul de ioni care transportă electricitatea și viteza de mișcare a acestora.

Sa presupunem ca intre electrozii situati la o distanta l unul de altul, carora li se aplica o diferenta de potential U, se afla o solutie de electrolit care contine mai multe tipuri de ioni. Pentru ionii de tip i: concentrația C i (mol / m 3), sarcina zi, viteza de mișcare în câmp electric vi (m / s) prin secțiunea transversală S (m 2) a soluției situate între electrozi, C ivi S migrează în 1 s ioni de tip i care transportă cantitatea de electricitate:

q i = z i FC i v i S

Toate tipurile de ioni în soluție transportă o cantitate de electricitate:

, (7.26)

unde F este numărul Faraday (96485 C/mol);

Cantitatea de electricitate care trece prin conductor în 1 s corespunde intensității curentului I:

, (7.27)

Viteza de mișcare a ionilor într-un câmp electric este determinată de forța care acționează asupra ionului, care este egală cu produsul dintre sarcina ionică și gradientul potențialului de câmp și factorul R care caracterizează rezistența mediului:

unde e este sarcina electrică elementară.

Astfel, viteza de mișcare a ionilor și, prin urmare, magnitudinea curentului electric, depind de tensiunea aplicată U, de sarcina și dimensiunea ionilor, de natura solvației, de interacțiunea ionilor cu particulele din jur, în raport cu natura. a solventului, concentrația soluției și temperatura.

Pentru a stabili care dintre ioni are o mobilitate mai mare, vitezele lor de mișcare sunt comparate la un gradient potențial de 1 V/m și raportate la o unitate de sarcină.

În aceste condiții, se numește viteza de mișcare a ionilor absolut şi are dimensiunea m 2 / (V. s). Aceste viteze sunt adesea denumite mobilitatea electrică si denota u +Și tu-

(7.29)

Datele privind vitezele absolute ale mișcării ionilor arată că razele ionice caracteristice rețelei cristaline nu sunt păstrate în soluții. De exemplu, razele ionilor de metale alcaline din rețeaua cristalină a sărurilor lor cresc în seria:

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

În soluțiile apoase, mărimea ionilor crește de la Cs + la Li + datorită hidratării ionilor, iar viteza ionului crește de la Li + la Cs + . Ionul Li+ este înconjurat de o înveliș groasă de apă, în timp ce ionul Cs+ este slab hidratat.

De obicei, cationii, care au dimensiuni relativ mici, sunt mai mobili decât anionii. În soluțiile apoase, mobilitatea ionilor H + și OH - este deosebit de mare.

Motivul pentru mobilitatea ridicată a acestor ioni este mecanismul de transfer de sarcină în cursă de releu. Se știe că în soluție apoasă un ion de hidrogen nu este doar un proton H +, ci un ion hidroxoniu H 3 O +, în care toți cei 3 atomi de H sunt legați de atomul de O prin aceleași legături chimice.

O legătură de hidrogen are loc între atomul de hidrogen al ionului de hidroniu și atomul de oxigen al moleculei de H 2 O învecinate. Sarcina se va deplasa de-a lungul lanțului de la o moleculă de H2O la alta:

Nu H + în sine se mișcă, ci lipsa densității electronilor.

Tranziția se realizează prin „sărituri” la o distanță de ~ 10–10 cm. Cu acest mecanism, mobilitatea H 3 O + se dovedește a fi mult mai mare în comparație cu atunci când acest ion se mișcă numai datorită migrării.

Este interesant de observat că mobilitatea H+ pentru gheață este cu două ordine de mărime mai mare decât cea pentru apă. Acest lucru se explică prin structura favorabilă a gheții pentru saltul de H+.

Mobilitatea crescută a ionului hidroxil este explicată în mod similar. Protonul trece de la molecula de H 2 O la ionul OH -.

pentru că energia de detașare a unui proton dintr-o moleculă de apă este mai mare decât dintr-un ion H 3 O +, atunci probabilitatea tranziției unui cation de hidrogen de la o moleculă de H 2 O la un ion hidroxil este mai mică decât de la H 3 O + la H 2 O. Astfel se explică faptul că mobilitatea limitativă (în soluții foarte diluate) a ionilor H 3 O + este mai mare decât mobilitatea OH – de aproape o dată și jumătate.

Combinația ecuațiilor (7.27), (7.28) și (7.29) dă:

(7.30)

Conform legii și expresiei lui Ohm (7.25)

(7.31)

Din ecuația (7.30) și (7.31) pentru conductivitatea electrică obținem:

(7.32)

Pentru o soluție de electrolit binar la concentrația С (mol/l), z + = z – = z și gradul de disociere a avem:

(7.33)

Conductivitatea electrică specifică c depinde de natura solutului și solventului, de concentrația electrolitului în soluție și de temperatură.

Dependența conductivității electrice specifice a soluțiilor unor electroliți de concentrație este prezentată în fig. 7.4.

Orez. 7.4. Dependența de concentrare a c

În soluțiile diluate de electroliți puternici și slabi, creșterea c cu concentrația se datorează creșterii numărului de ioni care transportă electricitate. În zona soluțiilor concentrate, o creștere a concentrației este însoțită de o creștere a vâscozității soluțiilor, ceea ce reduce mobilitatea ionilor și scade conductivitatea electrică. În plus, pentru electroliții slabi din soluții concentrate, gradul de disociere a scade semnificativ și, în consecință, numărul de ioni care transportă electricitatea. Acestea. concentratia ionilor (C i = aC) va trece printr-un maxim. Electroliții puternici sunt aproape complet disociați (a ® 1) nu numai în soluții diluate, ci și în soluții concentrate. Pe măsură ce concentrația soluției crește, distanța dintre ioni scade, ceea ce duce la o creștere a forțelor de interacțiune electrostatică. Ca urmare, mișcarea ionilor încetinește, iar conductivitatea electrică scade.

Astfel, natura calitativ identică a dependenței lui c de concentrația soluției pentru electroliții puternici și slabi se datorează unor motive diferite.

Odată cu creșterea temperaturii, viteza de mișcare a ionilor și gradul de disociere cresc. Acest lucru duce la o creștere a conductibilității electrice:

unde a este coeficientul de temperatură al conductivității electrice (pentru acizi tari 0,016, pentru baze tari 0,019 și pentru săruri 0,022).

Natura fizică a rezistenței electrice. Când electronii liberi se mișcă într-un conductor, ei se ciocnesc în drum cu ionii pozitivi 2 (vezi Fig. 10, a), atomii și moleculele substanței din care este făcut conductorul și le transferă o parte din energia lor. În acest caz, energia electronilor în mișcare ca urmare a ciocnirii lor cu atomii și moleculele este parțial eliberată și disipată sub formă de căldură care încălzește conductorul. Având în vedere faptul că electronii, ciocnind cu particulele unui conductor, înving o anumită rezistență la mișcare, se obișnuiește să se spună că conductorii au rezistență electrică. Dacă rezistența conductorului este mică, acesta este relativ slab încălzit de curent; dacă rezistența este mare, conductorul poate deveni fierbinte. Firele care furnizează curent electric aragazului electric aproape că nu se încălzesc, deoarece rezistența lor este mică, iar spirala plăcii, care are rezistență mare, este încinsă. Filamentul lămpii electrice se încălzește și mai mult.
Ohmul este luat ca unitate de rezistență. Un conductor are o rezistență de 1 ohm, prin care trece un curent de 1 A cu o diferență de potențial la capete (tensiune) egală cu 1 V. Standardul de rezistență de 1 ohm este o coloană de mercur de 106,3 cm lungime și cu o aria secțiunii transversale de 1 mm2 la o temperatură de 0 ° C. În practică, rezistența este adesea măsurată în mii de ohmi - kiloohmi (kOhm) sau milioane de ohmi - megaohmi (MΩ). Rezistența este notată cu litera R (r).
Conductivitate. Orice conductor poate fi caracterizat nu numai prin rezistența sa, ci și prin așa-numita conductivitate - capacitatea de a conduce curentul electric. Conductibilitatea este reciproca rezistenței. Unitatea de unitate de conductivitate se numește Siemens (Sm). 1 cm este egal cu 1/1 ohm. Conductibilitatea este notată cu litera G (g). Prin urmare,

G=1/R(4)

Rezistenta electrica si conductivitate specifica. Atomii diferitelor substanțe au rezistență diferită la trecerea curentului electric. Capacitatea substanțelor individuale de a conduce curentul electric poate fi apreciată după rezistivitatea lor electrică p. Valoarea care caracterizează rezistivitatea este de obicei luată ca rezistență a unui cub cu muchia de 1 m. Rezistivitatea electrică se măsoară în Ohm * m. Pentru a judeca conductivitatea electrică a materialelor, ele folosesc și conceptul de conductivitate electrică specifică? = 1 /?. Conductivitatea electrică se măsoară în siemens pe metru (S/m) (conductibilitatea unui cub cu muchia de 1 m). Adesea, rezistivitatea electrică este exprimată în ohm-centimetri (Ohm*cm) și conductivitatea electrică în siemens pe centimetru (S/cm). în care 1 Ohm * cm \u003d 10 -2 Ohm * m și 1 S / cm \u003d 10 2 S / m.

Materialele conductoare sunt utilizate în principal sub formă de fire, anvelope sau benzi, aria secțiunii transversale, care este de obicei exprimată în milimetri pătrați, iar lungimea în metri. Prin urmare, pentru rezistența electrică specifică a materialelor similare și conductivitatea electrică specifică, sunt introduse și alte unități de măsură: măsurată în Ohm * mm 2 / m (rezistența unui conductor de 1 m lungime și aria de secțiune transversală de 1 mm 2), nu? - în Sm * m / mm 2 (conductivitate a unui conductor de 1 m lungime și cu o suprafață a secțiunii transversale de 1 mm 2).

Dintre metale, argintul și cuprul au cea mai mare conductivitate electrică, deoarece structura atomilor lor permite electronilor liberi să se miște cu ușurință, urmați de aur, crom, aluminiu, mangan, wolfram, etc. Fierul și oțelul conduc curentul mai rău.

Metalele pure conduc întotdeauna electricitatea mai bine decât aliajele lor. Prin urmare, în inginerie electrică se folosește în principal cuprul foarte pur, care conține doar 0,05% impurități. Și invers, în cazurile în care este nevoie de un material cu rezistență mare (pentru diverse dispozitive de încălzire, reostate etc.), se folosesc aliaje speciale: constantan, manganin, nicrom, fechral.

De remarcat că în tehnologie, pe lângă conductorii metalici, se mai folosesc și cei nemetalici. Astfel de conductori includ, de exemplu, cărbunele, din care sunt fabricate periile mașinilor electrice, electrozii pentru reflectoare etc. Conductorii de curent electric sunt grosimea pământului, țesuturile vii ale plantelor, animalelor și oamenilor. Lemnul brut și multe alte materiale izolatoare conduc electricitatea atunci când sunt ude.
Rezistența electrică a unui conductor depinde nu numai de materialul conductorului, ci și de lungimea lui l și aria secțiunii transversale s. (Rezistența electrică este similară cu rezistența la mișcarea apei într-o țeavă, în funcție de aria secțiunii transversale a țevii și lungimea acesteia.)
Rezistența conductorului drept

R= ? l/s (5)

Dacă rezistivitate? exprimată în Ohm * mm / m, apoi pentru a obține rezistența conductorului în ohmi, lungimea acestuia trebuie înlocuită cu formula (5) în metri, iar aria secțiunii transversale în milimetri pătrați.

Dependența rezistenței de temperatură. Conductivitatea electrică a tuturor materialelor depinde de temperatura lor. În conductoarele metalice, atunci când sunt încălzite, intervalul și viteza vibrațiilor atomilor din rețeaua cristalină a metalului crește, drept urmare, crește și rezistența pe care o oferă la fluxul de electroni. Când se răcește, se întâmplă invers: aleatoriu mișcare oscilantă atomii de la nodurile rețelei cristaline scade, rezistența la fluxul lor de electroni scade și conductivitatea electrică a conductorului crește.

În natură, totuși, există unele aliaje: fechral, constantan, manganin și altele, în care, într-un anumit interval de temperatură, rezistența electrică se modifică relativ puțin. Astfel de aliaje sunt utilizate în inginerie pentru fabricarea diferitelor rezistențe utilizate în instrumentele electrice de măsură și în unele dispozitive pentru a compensa efectul temperaturii asupra funcționării lor.

Gradul de modificare a rezistenței conductoarelor cu o modificare a temperaturii este apreciat de așa-numitul coeficient de temperatură al rezistenței a. Acest coeficient reprezintă creșterea relativă a rezistenței conductorului cu o creștere a temperaturii acestuia cu 1 ° C. În tabel. 1 prezintă valorile coeficientului de temperatură de rezistență pentru cele mai utilizate materiale conductoare.

Rezistența unui conductor metalic R t la orice temperatură t

Rt = R0 [ 1 + ? (t - t 0)] (6)

unde R 0 este rezistența conductorului la o anumită temperatură inițială t 0 (de obicei la + 20 ° C), care poate fi calculată folosind formula (5);

t- t 0 - modificarea temperaturii.

Proprietatea conductoarelor metalice de a-și crește rezistența atunci când sunt încălzite este adesea folosită în tehnologia modernă pentru măsurarea temperaturii. De exemplu, la testarea motoarelor de tracțiune după reparație, temperatura de încălzire a înfășurărilor acestora este determinată prin măsurarea rezistenței lor în stare rece și după funcționarea sub sarcină pentru o perioadă specificată (de obicei în decurs de 1 oră).

Explorând proprietățile metalelor în timpul răcirii profunde (foarte puternice), oamenii de știință au descoperit un fenomen remarcabil: aproape de zero absolut (-273,16 ° C), unele metale își pierd aproape complet rezistența electrică. Ei devin conductori ideali capabili să treacă curent printr-un circuit închis pentru o lungă perioadă de timp, fără nicio influență a unei surse de energie electrică. Acest fenomen se numește supraconductivitate. În prezent, au fost create prototipuri de linii electrice și mașini electrice care utilizează fenomenul de supraconductivitate. Astfel de mașini au greutate și dimensiuni de gabarit semnificativ mai mici în comparație cu mașinile de uz general și funcționează cu o eficiență foarte ridicată. Liniile de alimentare în acest caz pot fi făcute din fire cu o zonă de secțiune transversală foarte mică. În viitor, acest fenomen va fi folosit din ce în ce mai mult în inginerie electrică.

Conductivitatea electronică a metalelor a fost dovedită experimental pentru prima dată de fizicianul german E. Rikke în 1901. Prin trei cilindri lustruiți strâns apăsați unul împotriva celuilalt - cupru, aluminiu și din nou cupru - un curent electric a fost trecut mult timp (pe parcursul unui an) . Încărcarea totală care a trecut în acest timp a fost egală cu 3,5·10 6 C. Deoarece masele atomilor de cupru și aluminiu diferă semnificativ una de cealaltă, masele cilindrilor ar trebui să se schimbe semnificativ dacă purtătorii de sarcină ar fi ioni.

Rezultatele experimentelor au arătat că masa fiecăruia dintre cilindri a rămas neschimbată. În suprafețele de contact s-au găsit doar urme nesemnificative de penetrare reciprocă a metalelor, care nu au depășit rezultatele difuziei obișnuite a atomilor în solide. În consecință, purtătorii de încărcare liberi din metale nu sunt ioni, ci particule care sunt aceleași atât în cupru, cât și în aluminiu. Doar electronii ar putea fi astfel de particule.

Dovada directă și convingătoare a validității acestei presupuneri a fost obținută în experimentele puse la cale în 1913 de L. I. Mandelstam și N. D. Papaleksi și în 1916 de T. Stuart și R. Tolman.

Pe bobină este înfășurat un fir, ale cărui capete sunt lipite pe două discuri metalice izolate unul de celălalt (Fig. 1). Un galvanometru este atașat la capetele discurilor folosind contacte glisante.

Bobina este adusă în rotație rapidă și apoi oprită brusc. După o oprire bruscă a bobinei, particulele încărcate libere se vor deplasa de-a lungul conductorului prin inerție pentru o perioadă de timp și, în consecință, în bobină va apărea un curent electric. Curentul va exista pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece datorită rezistenței conductorului, particulele încărcate sunt încetinite și mișcarea ordonată a particulelor se oprește.

Direcția curentului indică faptul că acesta este creat de mișcarea particulelor încărcate negativ. Sarcina transferată în acest caz este proporțională cu raportul dintre sarcina particulelor care creează curent și masa lor, adică. . Prin urmare, prin măsurarea sarcinii care trece prin galvanometru pe tot timpul existenței curentului în circuit, a fost posibil să se determine raportul. Sa dovedit a fi egal cu 1,8·10 11 C/kg. Această valoare coincide cu raportul dintre sarcina electronului și masa sa găsit mai devreme din alte experimente.

Astfel, un curent electric în metale este creat prin mișcarea particulelor de electroni încărcate negativ. Conform teoriei electronice clasice a conductivității metalelor (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), un conductor de metal poate fi considerat ca un sistem fizic al unei combinații a două subsisteme:

electroni liberi cu o concentraţie de ~ 10 28 m -3 şi
ionii încărcați pozitiv care vibrează în jurul poziției de echilibru.

Apariția electronilor liberi într-un cristal poate fi explicată după cum urmează.

Când atomii se combină într-un cristal metalic, electronii exteriori legați cel mai slab de nucleul atomic sunt desprinși de atomi (Fig. 2). Prin urmare, ionii pozitivi sunt localizați la nodurile rețelei cristaline ale metalului, iar electronii care nu sunt conectați cu nucleele atomilor lor se mișcă în spațiul dintre ei. Acești electroni se numesc gratuit sau electroni de conducere. Ei efectuează o mișcare haotică, similară mișcării moleculelor de gaz. Prin urmare, totalitatea electronilor liberi din metale se numește gaz de electroni.

Dacă conductorului i se aplică un câmp electric extern, atunci mișcării haotice aleatoare a electronilor liberi se suprapune o mișcare dirijată sub acțiunea forțelor câmpului electric, care generează un curent electric. Viteza de mișcare a electronilor înșiși în conductor este de câteva fracțiuni de milimetru pe secundă, cu toate acestea, câmpul electric care apare în conductor se propagă pe toată lungimea conductorului cu o viteză apropiată de viteza luminii în vid ( 3 10 8 m/s).

Deoarece curentul electric din metale este format din electroni liberi, conductivitatea conductorilor metalici se numește conductivitate electronică.

Electronii sub influența unei forțe constante care acționează din câmpul electric dobândesc o anumită viteză de mișcare ordonată (se numește deriva). Această viteză nu crește în continuare cu timpul, deoarece la ciocnirea cu ionii rețelei cristaline, electronii transferă energie kinetică, dobândit într-un câmp electric, o rețea cristalină. În prima aproximare, putem presupune că pe calea liberă medie (aceasta este distanța pe care o parcurge un electron între două ciocniri succesive cu ionii), electronul se mișcă cu accelerație, iar viteza sa de deriva crește liniar cu timpul.

În momentul ciocnirii, electronul transferă energie cinetică rețelei cristaline. Apoi accelerează din nou și procesul se repetă. Ca rezultat viteza medie mișcarea ordonată a electronilor este proporțională cu intensitatea câmpului electric din conductor și, în consecință, cu diferența de potențial la capetele conductorului, deoarece , unde l este lungimea conductorului.

Se știe că puterea curentului în conductor este proporțională cu viteza mișcării ordonate a particulelor

şi deci, conform celui precedent, puterea curentului este proporţională cu diferenţa de potenţial la capetele conductorului: I ~ U. Aceasta este explicaţia calitativă a legii lui Ohm bazată pe teoria electronică clasică a conductivităţii metalelor.

Cu toate acestea, există dificultăți cu această teorie. Din teorie a rezultat că rezistivitatea ar trebui să fie proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii (), între timp, conform experienței, ~ T. În plus, capacitatea de căldură a metalelor, conform acestei teorii, ar trebui să fie mult mai mare decât capacitatea termică a cristalelor monoatomice. În realitate, capacitatea de căldură a metalelor diferă puțin de capacitatea de căldură a cristalelor nemetalice. Aceste dificultăți au fost depășite doar în teoria cuantica.

În 1911, fizicianul olandez G. Kamerling-Onnes, studiind modificarea rezistenței electrice a mercurului la temperaturi scăzute, a descoperit că la o temperatură de aproximativ 4 K (adică la -269 ° C), rezistivitatea scade brusc (Fig. 3) aproape până la zero. Acest fenomen de transformare a rezistenței electrice la zero G. Kamerling-Onnes numit supraconductivitate.

Ulterior, s-a constatat că mai mult de 25 elemente chimice- metalele la temperaturi foarte scăzute devin supraconductoare. Fiecare dintre ele are propria sa temperatură critică de tranziție la o stare cu rezistență zero. Cea mai mică valoare pentru wolfram este de 0,012K, cea mai mare pentru niobiu este de 9K.

Supraconductivitatea este observată nu numai în metale pure, ci și în mulți compuși chimici și aliaje. În acest caz, elementele în sine, care fac parte din compusul supraconductor, pot să nu fie supraconductori. De exemplu, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb si altii.

Substanțele în stare supraconductoare au proprietăți neobișnuite:

curentul electric dintr-un supraconductor poate exista o perioadă lungă de timp fără o sursă de curent;
în interiorul unei substanțe în stare supraconductoare, este imposibil să se creeze un câmp magnetic:
câmpul magnetic distruge starea de supraconductivitate. Supraconductivitatea este un fenomen explicat din punctul de vedere al teoriei cuantice. Descrierea sa destul de complicată depășește scopul unui curs de fizică școlară.

Până de curând, utilizarea pe scară largă a supraconductivității a fost împiedicată de dificultățile asociate cu nevoia de răcire la temperaturi ultra-scăzute, pentru care a fost folosit heliu lichid. Cu toate acestea, în ciuda complexității echipamentelor, a deficitului și a costului ridicat al heliului, încă din anii 60 ai secolului XX, magneții supraconductori au fost creați fără pierderi termice în înfășurările lor, ceea ce a făcut practic posibilă obținerea de câmpuri magnetice puternice în relativ mari. volumele. Tocmai astfel de magneți sunt necesari pentru a crea facilități pentru fuziunea termonucleară controlată cu plasmă magnetică, pentru acceleratori puternici de particule încărcate. Supraconductorii sunt utilizați în diverse dispozitive de măsurare, în primul rând în dispozitive pentru măsurarea câmpurilor magnetice foarte slabe cu cea mai mare precizie.

În prezent, 10 - 15% din energie este cheltuită pentru depășirea rezistenței firelor din liniile electrice. Linii supraconductoare, sau cel puțin intrări la orase mari aduce economii uriașe. Un alt domeniu de aplicare al supraconductivității este transportul.

Pe baza filmelor supraconductoare, au fost create o serie de elemente logice și de memorie de mare viteză pentru dispozitivele de calcul. În cercetarea spațială, este promițător să folosiți solenoizi supraconductori pentru protecţie împotriva radiaţiilor astronauții, andocarea navelor spațiale, decelerația și orientarea acestora, pentru motoarele cu rachete cu plasmă.

În prezent, au fost create materiale ceramice care au supraconductivitate la mai mult temperatura ridicata- peste 100K, adică la o temperatură peste punctul de fierbere al azotului. Capacitatea de a răci supraconductorii cu azot lichid, care are o căldură de vaporizare cu un ordin de mărime mai mare, simplifică și reduce foarte mult costul tuturor echipamentelor criogenice și promite un efect economic uriaș.

Siemens este o unitate de măsură pentru conductivitatea electrică (conductivitate) în sistemul SI. Este echivalent cu unitatea folosită anterior mho

Siemens(simbol: Cm, S) este o unitate a conductivității electrice în sistemul SI, reciproca unui ohm.

Siemens(Siemens engleză) - o unitate de conductivitate electrică, admitanță (conductivitate totală) și conductivitate reactivă în sistemul SI și în sistemul metru-kilogram-secundă. Cea mai importantă caracteristică a unui conductor este cantitatea de curent care circulă prin el atunci când este aplicată o tensiune electrică. Un conductor are o conductivitate de un siemens dacă o diferență de potențial de un volt creează un curent de un amper în conductor. Conductivitatea unui conductor la Siemens este inversul rezistenței sale în ohmi; Siemens se numea „mo” (mho) sau ohm invers.

Siemens este o unitate de măsură pentru conductivitatea electrică (conductivitate) în sistemul SI. Este echivalent cu unitatea mho folosită anterior. De obicei, conductivitatea este notată cu simbolul G, dar pentru conductivitatea ionică se obișnuiește să se folosească simbolul L.

Cu alte cuvinte, conductivitatea în Siemens este pur și simplu o unitate împărțită la rezistența în ohmi.În ecuații, conductivitatea este notă cu litera G.

„Siemens” este o formă a singurului și plural; „1 siemen” este o scriere greșită.

Înainte de al Doilea Război Mondial (în URSS până în anii 1960), Siemens era o unitate de rezistență electrică, corespunzătoare rezistenței unei coloane de mercur de 1 m lungime și 1 mm diametru la 0 °C. Ea corespunde la aproximativ 0,9534 ohmi. Această unitate a fost introdusă de Siemens în 1860 și a concurat cu Ohm, care a câștigat Congresul Mondial al Inginerilor Electrici în 1881. Cu toate acestea, unitatea a fost utilizată pe scară largă de către oamenii de semnalizare din întreaga lume până la mijlocul secolului al XX-lea.

În ceea ce privește alte unități SI, Siemens este exprimat după cum urmează:

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

Unitatea poartă numele omului de știință și antreprenor german Werner von Siemens.

Anterior, era folosit numele mo, notat cu litera inversată Ω: \mho (în Unicode U+2127, ℧).

Multiplii și submultiplii

Multiplii și submultiplii zecimali sunt formați folosind prefixe SI standard.

Multiplii				Dolnye
magnitudinea	titlu	desemnare		magnitudinea	titlu	desemnare
101 cm	decasimini	daSm	daS	10−1 cm	deciziile	dSm	dS
102 cm	hectosiemens	gsm	hS	10-2 cm	centi-siemens	ccm	cS
103 cm	kilosiemens	kSm	kS	10-3 cm	milisiemens	mSm	DOMNIȘOARĂ
106 cm	megasiemens	MSm	DOMNIȘOARĂ	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	la fel de
1021 cm	zettasiemens	ZSm	ZS	10-21 cm	zeptosiemens	zSm	zS
1024 cm	yottasiemens	ISM	YS	10-24 cm	joctosiemens	iSm	yS
aplicarea nu este recomandată

conductivitate electrică corpurile sunt cuantificate în unități speciale numite siemens (prescurtat Cm), și notate cu simbolul G. 1 Cm este conductivitatea electrică a conductorului, între capete ale căruia se creează o tensiune de 1 V la un curent de 1 A. Conductivitatea electrică a corpului este proporțională cu aria sa transversală S și este invers proporțională cu lungimea sa I

Obstacolul pe care curentul îl depășește la trecerea printr-un conductor se numește rezistență electrică. Unitatea de rezistență electrică este de 1 ohm. Un ohm este definit ca rezistența oferită unui curent electric neschimbat la temperatura topirii gheții de către o coloană de mercur având peste tot aceeași secțiune transversală, egală cu 1 mm, lungime 106,300 cm și masă 14,4521 g. Reciproca rezistenței electrice se numește conductivitate electrică sau conductivitate. Unitatea de măsură a conductivității electrice este Siemens, care este egală cu un ohm reciproc. Rezistența electrică va fi mai mare, cu cât lungimea este mai mare

Conductivitatea electrică este capacitatea unei substanțe sau a unui material de a trece un curent electric prin ea însăși. Conductivitatea electrică este măsurată la Siemens, în onoarea fizicianului german Ernst Siemens. Această caracteristică a unui material este invers legată de rezistența sa electrică. Adică, cu cât conductivitatea este mai mare, cu atât rezistența este mai mică și invers.

De regulă, conductorii și semiconductorii au conductivitate electrică. Dielectricii nu conduc curentul și, prin urmare, nu au conductivitate.

Pe lângă conductivitatea electrică, se măsoară și conductibilitatea specifică a materialului. Arată relația dintre curentul care trece prin material și câmp electric care a provocat-o.

Javascript este dezactivat în browserul dvs.
Controalele ActiveX trebuie să fie activate pentru a face calcule!

Cuprul este unul dintre cele mai comune materiale de sârmă. Rezistența sa electrică este cea mai scăzută dintre metalele accesibile. Este mai puțin doar în metale prețioase (argint și aur) și depinde de diverși factori.

Ce este curentul electric

Pe diferiți poli ai unei baterii sau ai altei surse de curent, există purtători de încărcare electrică cu nume opus. Dacă sunt conectați la un conductor, purtătorii de sarcină încep să se deplaseze de la un pol al sursei de tensiune la celălalt. Acești purtători în lichide sunt ioni, iar în metale sunt electroni liberi.

Definiție. Curentul electric este mișcarea direcționată a particulelor încărcate.

Rezistivitate

Rezistivitatea electrică este o mărime care determină rezistența electrică a unei probe de material de referință. Litera greacă „r” este folosită pentru a desemna această valoare. Formula de calcul:

p=(R*S)/ l.

Această valoare este măsurată în Ohm*m. Îl găsești în cărți de referință, în tabele de rezistivitate sau pe Internet.

Electronii liberi se deplasează prin metalul din interiorul rețelei cristaline. Trei factori influențează rezistența la această mișcare și rezistivitatea conductorului:

Material. Metalele diferite au densități atomice și număr de electroni liberi diferite;
impurităţi. La metalele pure, rețeaua cristalină este mai ordonată, deci rezistența este mai mică decât la aliaje;
Temperatura. Atomii nu stau nemișcați la locul lor, ci oscilează. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare amplitudinea oscilațiilor, care interferează cu mișcarea electronilor și rezistența este mai mare.

În figura următoare, puteți vedea un tabel cu rezistivitatea metalelor.

Interesant. Există aliaje a căror rezistență electrică scade la încălzire sau nu se modifică.

Conductivitate și rezistență electrică

Deoarece dimensiunile cablurilor sunt măsurate în metri (lungime) și mm² (secțiune), rezistivitatea electrică are dimensiunea de Ohm mm²/m. Cunoscând dimensiunile cablului, rezistența acestuia se calculează prin formula:

R=(p* l)/S.

Pe lângă rezistența electrică, unele formule folosesc conceptul de „conductivitate”. Aceasta este reciproca rezistenței. Se numește „g” și se calculează prin formula:

Conductibilitatea lichidelor

Conductivitatea lichidelor este diferită de conductivitatea metalelor. Purtătorii de sarcină din ele sunt ioni. Numărul lor și conductivitatea electrică cresc atunci când sunt încălzite, astfel încât puterea cazanului cu electrozi crește de mai multe ori când este încălzit de la 20 la 100 de grade.

Interesant. Apa distilată este un izolator. Conductivitatea îi este conferită de impuritățile dizolvate.

Rezistența electrică a firelor

Cele mai comune materiale de sârmă sunt cuprul și aluminiul. Rezistența aluminiului este mai mare, dar este mai ieftin decât cuprul. Rezistența specifică a cuprului este mai mică, astfel încât dimensiunea firului poate fi aleasă mai mică. În plus, este mai puternic, iar firele flexibile sunt fabricate din acest metal.

Următorul tabel arată rezistivitatea electrică a metalelor la 20 de grade. Pentru a-l determina la alte temperaturi, valoarea din tabel trebuie înmulțită cu un factor de corecție diferit pentru fiecare metal. Puteți afla acest coeficient din cărțile de referință relevante sau folosind un calculator online.

Selectarea secțiunii cablului

Deoarece firul are rezistență, atunci când un curent electric trece prin el, se generează căldură și are loc o cădere de tensiune. Ambii factori trebuie să fie luați în considerare atunci când alegeți dimensiunile cablurilor.

Selecția în funcție de încălzirea permisă

Când curentul trece printr-un fir, energie este eliberată. Cantitatea sa poate fi calculată prin formula puterii electrice:

Într-un fir de cupru cu o secțiune transversală de 2,5 mm² și o lungime de 10 metri R=10*0,0074=0,074Ohm. La un curent de 30A, P \u003d 30² * 0,074 \u003d 66W.

Această putere încălzește conductorul și cablul în sine. Temperatura la care se încălzește depinde de condițiile de pozare, de numărul de miezuri din cablu și de alți factori, iar temperatura admisă depinde de materialul izolator. Cuprul are o conductivitate mai mare, astfel încât puterea de ieșire și secțiunea transversală necesară sunt mai mici. Acesta este determinat de tabele speciale sau folosind un calculator online.

Pierderi de tensiune admisibile

Pe lângă încălzire, atunci când un curent electric trece prin fire, tensiunea din apropierea sarcinii scade. Această valoare poate fi calculată folosind legea lui Ohm:

Referinţă. Conform normelor PUE, nu ar trebui să fie mai mult de 5% sau într-o rețea de 220V - nu mai mult de 11V.

Prin urmare, cu cât cablul este mai lung, cu atât secțiunea transversală ar trebui să fie mai mare. O puteți determina din tabele sau folosind un calculator online. Spre deosebire de alegerea secțiunii în funcție de încălzirea admisă, pierderile de tensiune nu depind de condițiile garniturii și ale materialului izolator.

Într-o rețea de 220V, tensiunea este furnizată prin două fire: fază și zero, deci calculul se face pentru lungimea dublă a cablului. În cablul din exemplul anterior, acesta va fi U=I*R=30A*2*0,074Ω=4,44V. Acest lucru nu este mult, dar cu o lungime de 25 de metri se dovedește 11,1 V - valoarea maximă admisă, va trebui să creșteți secțiunea transversală.

Rezistența electrică a altor metale

În plus față de cupru și aluminiu, în inginerie electrică sunt utilizate alte metale și aliaje:

Fier. Rezistența specifică a oțelului este mai mare, dar este mai puternic decât cuprul și aluminiul. Conductoarele de oțel sunt țesute în cabluri destinate așezării prin aer. Rezistența fierului este prea mare pentru transmiterea energiei electrice, prin urmare, la calcularea secțiunii transversale, nucleele nu sunt luate în considerare. În plus, este mai refractar, iar din el sunt realizate cabluri pentru conectarea încălzitoarelor în cuptoare electrice de mare putere;
Nichrome (un aliaj de nichel și crom) și Fechral (fier, crom și aluminiu). Au conductivitate și refractare scăzute. Rezistoarele și încălzitoarele bobinate sunt fabricate din aceste aliaje;
Tungsten. Rezistența sa electrică este mare, dar este un metal refractar (3422 °C). Se folosește la realizarea de filamente în lămpi electrice și electrozi pentru sudarea cu argon-arc;
Constantan și manganina (cupru, nichel și mangan). Rezistivitatea acestor conductori nu se modifică odată cu schimbările de temperatură. Sunt utilizate în dispozitivele revendicate pentru fabricarea rezistențelor;
Metale prețioase - aur și argint. Au cea mai mare conductivitate, dar din cauza prețului ridicat, utilizarea lor este limitată.

Reactanța inductivă

Formulele de calcul a conductivității firelor sunt valabile numai într-o rețea DC sau în conductoare drepte la frecvență joasă. În bobine și în rețelele de înaltă frecvență, o rezistență inductivă apare de multe ori mai mare decât de obicei. În plus, curentul de înaltă frecvență se propagă doar pe suprafața firului. Prin urmare, uneori este acoperit cu un strat subțire de argint sau se folosește sârmă de litz.

Referinţă. Sârma Litz este un fir cu toroane, fiecare miez în care este izolat de restul. Acest lucru se face pentru a crește suprafața și conductanța în rețelele de înaltă frecvență.

Rezistența specifică a cuprului, flexibilitatea, prețul relativ scăzut și rezistența mecanică fac din acest metal, alături de aluminiu, cel mai comun material pentru realizarea firelor.