Sähkönjohtavuus on aineen kyky johtaa sähkövirtaa ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta.

Elektrolyyttiliuoksilla, toisin kuin metalleilla, on ennemminkin ioninen kuin sähkönjohtavuus.

Mitta aineen kyvystä johtaa sähkövirtaa on sähkönjohtavuus L – sähköisen vastuksen R käänteisluku.

Koska R = r. l/S,

missä r on resistanssi, ohm. m;

S – poikkileikkaus, m2;

l – johtimen pituus, m;

c – ominaissähkönjohtavuus.

Ominaisjohtavuus elektrolyyttiliuos c( kappa) on kahden rinnakkaisen elektrodin väliin suljetun liuostilavuuden sähkönjohtavuus, joiden pinta-ala on 1 m2 ja jotka sijaitsevat 1 m etäisyydellä toisistaan. Mittayksikkö c on S/m, jossa Sm = Ohm –1, ja sitä kutsutaan Siemens .

Elektrolyyttiliuoksen ominaissähkönjohtavuus määräytyy sähköä kuljettavien ionien lukumäärän ja niiden liikkumisnopeuden mukaan.

Oletetaan, että etäisyydellä l toisistaan ​​olevien elektrodien välissä, joihin kohdistetaan potentiaaliero U, on elektrolyyttiliuos, joka sisältää useita erityyppisiä ioneja. i-tyypin ioneille: pitoisuus C i (mol/m 3), varaus z i, liikenopeus sähkökentässä v i (m/s) elektrodien välissä sijaitsevan liuoksen poikkileikkauksen S (m 2) läpi, C i v i S kulkeutuu 1 sekunnissa i-tyypin ioneja, jotka kuljettavat sähkömäärän:

q i = z i FC i v i S

Kaikentyyppiset ionit liuoksessa kuljettavat sähköä:

, (7.26)

jossa F on Faraday-luku (96485 C/mol);

Johtimen läpi 1 sekunnissa kulkevan sähkön määrä vastaa virran voimakkuutta I:

, (7.27)

Ionien liikenopeuden sähkökentässä määrää ioniin vaikuttava voima, joka on yhtä suuri kuin ionin varauksen ja kenttäpotentiaaligradientin sekä väliaineen resistanssia kuvaavan tekijän R tulo:

missä e on perussähkövaraus.

Siten ionien liikkeen nopeus ja siten sähkövirran suuruus riippuu käytetystä jännitteestä U, ionien varauksesta ja koosta, solvataation luonteesta, ionien vuorovaikutuksesta ympäröivien hiukkasten kanssa, mikä liittyy ionien luonteeseen. liuotin, liuoksen pitoisuus ja lämpötila.

Sen selvittämiseksi, kummalla ioneista on suurempi liikkuvuus, niiden liikenopeutta verrataan 1 V/m potentiaaligradienttiin ja viitataan varausyksikköön.

Näissä olosuhteissa ionin liikkeen nopeutta kutsutaan ehdoton ja sen mitat ovat m 2 / (V.s). Näitä nopeuksia kutsutaan usein sähköiset liikkuvuudet ja merkitsee u+ Ja sinä –

(7.29)

Tiedot ionien liikkeen absoluuttisista nopeuksista osoittavat, että kidehilalle ominaiset ionisäteet eivät säily liuoksissa. Esimerkiksi alkalimetalli-ionien säteet niiden suolojen kidehilassa kasvavat sarjassa:

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

Vesiliuoksissa ionien koot kasvavat Cs+:sta Li+:ksi ionien hydratoitumisen vuoksi, ja ionien liikenopeus kasvaa Li+:sta Cs+:aan. Li+-ionia ympäröi paksu vesikuori, ja Cs+-ioni on heikosti hydratoitunut.

Tyypillisesti kationit, jotka ovat kooltaan suhteellisen pieniä, ovat liikkuvampia kuin anionit. Vesiliuoksissa H+- ja OH –-ionien liikkuvuus on erityisen korkea.

Syynä näiden ionien suureen liikkuvuuteen on varauksensiirron relemekanismi. Tiedetään, että vesiliuoksessa vetyioni ei ole vain protoni H +, vaan hydronium-ioni H 3 O +, jossa kaikki 3 H-atomia on kytketty O-atomiin identtisillä kemiallisilla sidoksilla.

Vetysidos syntyy hydroniumionin vetyatomin ja viereisen H2O-molekyylin happiatomin välillä. Varaus liikkuu ketjua pitkin H2O-molekyylistä toiseen:

Itse H+ ei liiku, vaan elektronitiheyden puute.

Siirtyminen tapahtuu "hyppyinä" ~ 10–10 cm:n etäisyydellä. Tällä mekanismilla H 3 O +:n liikkuvuus osoittautuu huomattavasti suuremmiksi kuin silloin, kun tämä ioni liikkuu vain migraation vuoksi.

On mielenkiintoista huomata, että H+:n liikkuvuus jäässä on kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin vedessä. Tämä selittyy H+-hyppyä suotuisalla jäärakenteella.

Hydroksyyli-ionin lisääntynyt liikkuvuus selitetään samalla tavalla. Protoni siirtyy H2O-molekyylistä OH-ioniin.

Koska protonin abstraation energia vesimolekyylistä on suurempi kuin H 3 O + -ionista, silloin vetykationin siirtymisen todennäköisyys H 2 O -molekyylistä hydroksyyli-ioniksi on pienempi kuin H 3 O +:sta H 2 O. Tämä selittää sen tosiasian, että H 3 O + -ionien suurin liikkuvuus (erittäin laimeissa liuoksissa) on suurempi kuin OH:n liikkuvuus - lähes puolitoista kertaa.

Yhdistämällä yhtälöt (7.27), (7.28) ja (7.29) saadaan:

(7.30)

Ohmin lain ja lausekkeen (7.25) mukaisesti

(7.31)

Sähkönjohtavuuden yhtälöistä (7.30) ja (7.31) saadaan:

(7.32)

Binääriselle elektrolyyttiliuokselle konsentraatiolla C (mol/l), z + = z – = z ja dissosiaatioasteella a meillä on:

(7.33)

Ominaissähkönjohtavuus c riippuu liuenneen aineen ja liuottimen laadusta, liuoksen elektrolyytin pitoisuudesta ja lämpötilasta.

Joidenkin elektrolyyttien liuosten ominaissähkönjohtavuuden riippuvuus pitoisuudesta on esitetty kuvassa. 7.4

Riisi. 7.4 c:n riippuvuus keskittymisestä

Vahvojen ja heikkojen elektrolyyttien laimeissa liuoksissa c:n kasvu pitoisuuden myötä johtuu sähköä kuljettavien ionien määrän kasvusta. Konsentroitujen liuosten alueella pitoisuuden kasvuun liittyy liuosten viskositeetin kasvu, mikä vähentää ionien liikkuvuutta ja sähkönjohtavuus pienenee. Lisäksi väkevöityjen liuosten heikkojen elektrolyyttien kohdalla dissosiaatioaste a ja sen seurauksena sähköä kuljettavien ionien määrä vähenee huomattavasti. Nuo. ionipitoisuus (C i = aC) kulkee maksimin läpi. Vahvat elektrolyytit hajoavat lähes täysin (a ® 1) ei vain laimeissa, vaan myös väkevöityissä liuoksissa. Liuoksen pitoisuuden kasvaessa ionien välinen etäisyys pienenee, mikä johtaa sähköstaattisen vuorovaikutuksen voimien lisääntymiseen. Tämän seurauksena ionien liike hidastuu ja sähkönjohtavuus heikkenee.

Siten c:n laadullisesti identtinen luonne liuoksen pitoisuudesta vahvojen ja heikkojen elektrolyyttien kohdalla johtuu eri syistä.

Lämpötilan noustessa ionien liikkumisnopeus ja dissosiaatioaste kasvavat. Tämä johtaa sähkönjohtavuuden kasvuun:

jossa a on sähkönjohtavuuden lämpötilakerroin (vahvilla hapoilla 0,016, vahvoilla emäksillä 0,019 ja suoloilla 0,022).

|
sähkönjohtavuus, sähkönjohtavuus
Sähkönjohtavuus(sähkönjohtavuus, johtavuus) - kehon kyky johtaa sähkövirtaa sekä fyysinen määrä, joka luonnehtii tätä kykyä ja on käänteinen sähkövastus. Kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) sähkönjohtavuuden mittayksikkö on Siemens (venäläinen nimitys: cm; kansainvälinen: S), määriteltynä 1 Sm = 1 Ohm-1, eli sähköpiirin osan sähkönjohtavuudella, jonka resistanssi on 1 ohm.

• 1 Ominaisjohtavuus
  • 1.1 Suhde lämmönjohtavuuskertoimeen
• 2 Metallien sähkönjohtavuus
  • 2.1 Tolmanin ja Stewartin kokeet
• 3 Joidenkin aineiden ominaisjohtavuus
• 4 Katso myös
• 5 Huomautuksia
• 6 Kirjallisuus

Johtavuus

Ominaisjohtavuus (sähkönjohtavuus) on mitta aineen kyvystä johtaa sähkövirtaa. Ohmin lain mukaan lineaarisessa isotrooppisessa aineessa ominaisjohtavuus on suhteellisuuskerroin tuloksena olevan virran tiheyden ja väliaineen sähkökentän suuruuden välillä:

• - ominaisjohtavuus,
• - virrantiheysvektori,
• - sähkökentän voimakkuuden vektori.

Epähomogeenisessa väliaineessa σ voi riippua (ja yleensä riippuu) koordinaateista, eli se ei tapahdu johtimen eri kohdissa.

Anisotrooppisen (toisin kuin isotrooppisen) väliaineen johtavuus ei ole yleisesti ottaen skalaari, vaan tensori (tason 2 symmetrinen tensori), ja kertominen sillä pelkistyy matriisikertoloksi:

tässä tapauksessa virrantiheys- ja kentänvoimakkuusvektorit eivät yleensä ole kollineaarisia.

Mille tahansa lineaariselle väliaineelle voit valita paikallisesti (ja jos väliaine on homogeeninen, niin globaalisti) ns. oma kanta - ortogonaalinen suorakulmaisten koordinaattien järjestelmä, jossa matriisista tulee diagonaali, eli se saa muodon, jossa yhdeksästä komponentista vain kolme on nollasta poikkeavia: , ja. Tässä tapauksessa merkitsemällä kuin, saamme edellisen kaavan sijasta yksinkertaisemman

Suureita kutsutaan johtavuustensorin pääarvoiksi. Yleisessä tapauksessa yllä oleva relaatio pätee vain yhdessä koordinaattijärjestelmässä.

Johtavuuden käänteislukua kutsutaan resistiiviseksi.

Yleisesti ottaen edellä kirjoitettu lineaarinen relaatio (sekä skalaari että tensori) on parhaimmillaan suunnilleen oikea, ja tämä approksimaatio on hyvä vain suhteellisen pienille E:n arvoille. Kuitenkin myös sellaisilla E:n arvoilla, kun lineaarisuudesta poikkeaa ovat havaittavissa, sähkönjohtavuus voi säilyttää roolinsa kertoimena laajentumisen lineaarisessa termissä, kun taas muut, korkeammat, laajenemistermit antavat korjauksia, jotka tarjoavat hyvän tarkkuuden. Jos J on epälineaarinen riippuvuus E:stä, otetaan käyttöön differentiaalinen sähkönjohtavuus (anisotrooppisille väliaineille:).

L-pituisen johtimen, jonka poikkipinta-ala on S, sähkönjohtavuus G voidaan ilmaista sen aineen ominaisjohtavuudella, josta johdin on valmistettu, seuraavalla kaavalla:

SI-järjestelmässä sähkönjohtavuus mitataan yksiköissä siemens per metri (S/m) tai ohm−1 m−1. Sähkönjohtavuuden SGSE-yksikkö on käänteissekunti (s−1).

Suhde lämmönjohtavuuskertoimeen

Pääartikkeli: Wiedemann-Franzin laki

Wiedemann-Franzin laki, joka pätee metalleihin korkeissa lämpötiloissa, määrittää yksiselitteisen suhteen sähkönjohtavuuden ja lämmönjohtavuuskertoimen K välille:

missä k on Boltzmannin vakio, e on alkuvaraus. Tämä yhteys perustuu siihen, että sekä sähkönjohtavuus että lämmönjohtavuus metalleissa johtuvat vapaiden johtuvien elektronien liikkeestä.

Metallien sähkönjohtavuus

Kauan ennen elektronien löytämistä kokeellisesti osoitettiin, että virran kulkeminen metalleissa ei liity, toisin kuin nestemäisten elektrolyyttien virta, metalliaineiden siirtymiseen. Kokeessa, jonka saksalainen fyysikko Carl Viktor Eduard Riecke suoritti vuonna 1901, käytettiin eri metallien koskettimia - kahta kupari- ja yksi alumiinisylinteri, joissa oli huolellisesti kiillotetut päät, jotka oli asetettu päällekkäin vuoden ajan. läpi kulki jatkuva sähkövirta. Tämän jälkeen tutkittiin koskettimien lähellä oleva materiaali. Osoitettiin, että aineen siirtymistä rajapinnan yli ei havaita ja aineella rajapinnan eri puolilla on sama koostumus kuin ennen virran kulkemista. Nämä kokeet osoittivat, että metalliatomit ja -molekyylit eivät osallistu sähkövirran siirtoon, mutta ne eivät vastanneet kysymykseen metallien varauksenkuljettajien luonteesta.

Tolmanin ja Stewartin kokeet

Suora todiste siitä, että metallien sähkövirta johtuu elektronien liikkeestä, olivat Richard C. Tolmanin ja Thomas D. Stewartin vuonna 1916 tekemät kokeet. Ajatuksen näistä kokeista esittivät Mandelstam ja Papaleksi vuonna 1913. .

Otetaan kela, joka voi pyöriä akselinsa ympäri. Kelan päät liitetään galvanometriin liukukoskettimilla. Jos nopeasti pyörivää kelaa jarrutetaan jyrkästi, langan vapaat elektronit jatkavat liikkumista hitaudella, minkä seurauksena galvanometrin pitäisi rekisteröidä virtapulssi.

Riittävän tiheällä käämityksellä ja ohuilla langoilla voidaan olettaa, että käämin lineaarinen kiihtyvyys jarrutuksen aikana on suunnattu johtoja pitkin. Kun kela jarruttaa, jokaiseen vapaaseen elektroniin kohdistuu inertiavoima - suunnattu vastakkain kiihtyvyyttä (- elektronin massaa) vastaan. Sen vaikutuksen alaisena elektroni käyttäytyy metallissa ikään kuin se olisi jonkin tehokkaan sähkökentän alainen:

Siksi tehollinen sähkömoottorivoima kelassa vapaiden elektronien inertiasta johtuen on yhtä suuri kuin

jossa L on kelassa olevan langan pituus.

Otetaan käyttöön merkintä: I on suljetun piirin läpi kulkeva virta, R on koko piirin vastus, mukaan lukien käämin johtojen ja ulkoisten piirien johtimien ja galvanometrin vastus. Kirjoitetaan Ohmin laki muodossa:

Johtimen poikkileikkauksen läpi virtaavan sähkön määrä ajan dt aikana virranvoimakkuudella I on yhtä suuri kuin

Sitten jarrutuksen aikana varaus kulkee galvanometrin läpi

Q:n arvo löytyy galvanometrin lukemista, ja L, R, v0 arvot ovat tiedossa, mikä mahdollistaa arvon löytämisen. Kokeet osoittavat, että tämä vastaa elektronin varauksen suhdetta massa. Tämä osoittaa, että galvanometrillä havaittu virta johtuu elektronien liikkeestä.

Joidenkin aineiden ominaisjohtavuus

Ominaisjohtavuus on annettu +20 °C:ssa:

aine	Sm/m
hopea	62 500 000
kupari	58 100 000
kulta	45 500 000
alumiini	37 000 000
magnesium	22 700 000
iridium	21 100 000
molybdeeni	18 500 000
volframi	18 200 000
sinkki	16 900 000
nikkeli	11 500 000
puhdasta rautaa	10 000 000
platina	9 350 000
tina	8 330 000
valuterästä	7 690 000
johtaa	4 810 000
nikkeli hopeaa	3 030 000
konstantan	2 000 000
manganiini	2 330 000
elohopeaa	1 040 000
nikromi	893 000
grafiitti	125 000
merivettä	3
maa on märkä	10−2
tislattu vesi	10−4
marmori	10−8
lasi	10−11
posliini	10−14
kvartsilasi	10−16
keltainen	10−18

Katso myös

• Pääsy
• Vyöhyketeoria
• Hall-ilmiö
• Suprajohtavuus
• Negatiivinen absoluuttinen johtavuus

Huomautuksia

1. Sähkönjohtavuus (fyysinen) - artikkeli Great Neuvostoliiton tietosanakirjasta
2. Dengub V. M., Smirnov V. G. Summien yksiköt. Sanakirja-viitekirja. - M.: Standards Publishing House, 1990. - S. 105. - 240 s. - ISBN 5-7050-0118-5.
3. Jos kaksi kolmesta ominaisarvosta ovat samat, tällaisen koordinaattijärjestelmän (tensorin oikeat akselit) valinnassa on mielivaltaisuutta, nimittäin on aivan selvää, että voit mielivaltaisesti kääntää sitä suhteessa akseliin, jolla on eri ominaisarvo , ja lauseke ei muutu. Tämä ei kuitenkaan paljon muuta kuvaa. Jos kaikki kolme ominaisarvoa ovat samat, kyseessä on isotrooppinen johtavuus, ja kuten on helppo nähdä, kertominen tällaisella tensorilla pelkistyy kertolaskuksi skalaarilla.
4. Monille medioille lineaarinen approksimaatio on melko hyvä tai jopa erittäin hyvä melko laajalle sähkökenttäarvojen alueelle, mutta on mediaa, joille tämä ei pidä lainkaan paikkaansa edes hyvin pienessä E:ssä.
5. Kaikki langan pisteet liikkuvat samalla kiihtyvyydellä, joten ne voidaan ottaa pois integraalimerkistä.
6. Kuhling H. Fysiikan käsikirja. Per. saksasta, M.: Mir, 1982, s. 475 (taulukko 39); Johtavuusarvot lasketaan resistanssista ja pyöristetään kolmeen merkitsevään numeroon.

Kirjallisuus

• A.N. Matveev. Sähkö ja magnetismi. (Ensimmäinen painos M.: Higher School, 1983. 463 s.)

sähkönjohtavuus, sähkönjohtavuus, sokerin sähkönjohtavuus

Tietoja sähkönjohtavuudesta

Pituus- ja etäisyysmuunnin Massamuunnin Bulkkituotteiden ja elintarvikkeiden tilavuusmittausten muunnin Pinta-alamuunnin Kulinaaristen reseptien tilavuuden ja mittayksiköiden muuntaja Lämpötilamuunnin Paineen, mekaanisen rasituksen, Youngin moduulin muunnin Energian ja työn muuntaja Tehon muunnin Voiman muunnin Ajanmuunnin Lineaarinen nopeusmuunnin Tasakulmamuunnin lämpöhyötysuhteen ja polttoainetehokkuuden muuntaja Eri numerojärjestelmien lukujen muuntaja Tiedon määrän mittayksiköiden muunnin Valuuttakurssit Naisten vaatteet ja kenkäkoot Miesten vaatteet ja kenkäkoot Kulmanopeus- ja pyörimistaajuusmuuttaja Kiihtyvyysmuunnin Kulmakiihtyvyysmuunnin Tiheysmuunnin Ominaistilavuuden muunnin Hitausmomenttimuunnin Voiman momenttimuunnin Momentinmuunnin Ominaislämpö muunnin (massan mukaan) Muuntimen energiatiheys ja ominaislämpö (tilavuuden mukaan) Lämpölaajenemismuuntimen kerroin Lämpövastusmuunnin Lämmönjohtavuusmuunnin Ominaislämpökapasiteetin muunnin Energiaaltistuksen ja lämpösäteilyn tehomuunnin Lämpövuon tiheysmuunnin Lämmönsiirtokertoimen muunnin Tilavuusvirtamuunnin Massavirtauksen muunnin Molaarivirtausmuunnin Massavirtauksen tiheyden muunnin Molaarikonsentraatiomuunnin Liuoksen massakonsentraatio Dynaaminen (absoluuttinen) viskositeettimuunnin Kinemaattinen viskositeettimuunnin Pintajännitysmuunnin Höyrynläpäisevyyden muuntaja Vesihöyryvirtauksen tiheyden muuntaja Äänitasomuunnin Mikrofonin herkkyysmuunnin Muunnin Äänenpainetaso (SPL) Äänenpainetason muunnin valittavalla referenssipaineella Luminanssin muuntaja Valonvoimakkuuden muuntaja Tietokoneen valovoimakkuuden muuntaja Valonvoimakkuus ja Grafiikka Aallonpituusmuunnin Diopteriteho ja polttopituus Diopteriteho ja linssin suurennus (×) Muunnin sähkövaraus Lineaarinen varaustiheyden muunnin Pintavaraustiheyden muunnin Tilavuusvaraustiheyden muunnin Sähkövirran muunnin Lineaarisen virrantiheyden muuntaja Pintavirrantiheyden muuntaja Sähkökentänvoimakkuuden muunnin Sähköstaattisen potentiaalin ja jännitteen muunnin Sähkövastusmuunnin Sähkövastusmuunnin Sähkönjohtavuuden muunnin Sähkönjohtavuuden muunnin Sähkökapasitanssin induktanssimuunnin American Wire Gauge -muunnin Tasot dBm (dBm tai dBm), dBV (dBV), watteina jne. yksiköt Magnetomotorinen voimamuunnin Magneettikentän voimakkuusmuunnin Magneettivuon muunnin Magneettiinduktiomuunnin Säteily. Ionisoivan säteilyn absorboitunut annosnopeusmuunnin Radioaktiivisuus. Radioaktiivinen hajoamismuunnin Säteily. Altistuksen annoksen muuntaja Säteily. Absorboitunut annosmuunnin Desimaalietuliitemuunnin Tiedonsiirto Typografia- ja kuvankäsittelyyksikkömuunnin Puun tilavuusyksikkömuunnin Moolimassan laskeminen D. I. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

1 tavanomainen sähkönjohtavuuden yksikkö = 0,0001 siemeniä metriä kohti [S/m]

Alkuarvo

Muunnettu arvo

siemens per metri picosiemens per meter mo per meter mo per senttimetri abmo per meter abmo per senttimetri statmo per meter statmo per senttimetri siemens per senttimetri millisiemens per meter millisiemens per senttimetri mikrosiemens per metriä , kerroin. uudelleenlaskenta 700 ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 500 ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 640 TDS, ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 640 TDS, ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 550 TDS, ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 500 TDS, ppm, kerroin. uudelleenlaskenta 700

Tilavuusvarauksen tiheys

Lisää sähkönjohtavuudesta

Johdanto ja määritelmät

Sähkönjohtavuus (tai sähkönjohtavuus) on mitta aineen kyvystä johtaa sähkövirtaa tai siirtää sähkövarauksia siinä. Tämä on virrantiheyden suhde sähkökentän voimakkuuteen. Jos tarkastellaan johtavaa materiaalia olevaa kuutiota, jonka sivu on 1 metri, johtavuus on yhtä suuri kuin tämän kuution kahden vastakkaisen sivun välistä mitattu sähkönjohtavuus.

Ominaisjohtavuus suhteutetaan johtavuuteen seuraavalla kaavalla:

G = σ(A/l)

Missä G- sähkönjohtavuus, σ - ominaissähkönjohtavuus, A- johtimen poikkileikkaus kohtisuorassa sähkövirran suuntaan nähden ja l- johtimen pituus. Tätä kaavaa voidaan käyttää minkä tahansa sylinterin tai prisman muotoisen johtimen kanssa. Huomaa, että tätä kaavaa voidaan käyttää myös suorakaiteen muotoiselle suuntaissärmiölle, koska se on erikoistapaus prismasta, jonka kanta on suorakulmio. Muistetaan, että sähkönjohtavuus on sähköisen resistiivisyyden käänteisluku.

Fysiikasta ja tekniikasta kaukana olevien ihmisten voi olla vaikea ymmärtää eroa johtimen johtavuuden ja aineen ominaisjohtavuuden välillä. Samaan aikaan nämä ovat tietysti erilaisia ​​fyysisiä määriä. Johtavuus on tietyn johtimen tai laitteen (kuten vastuksen tai pinnoituskylvyn) ominaisuus, kun taas johtavuus on sen materiaalin luontainen ominaisuus, josta tämä johdin tai laite on valmistettu. Esimerkiksi kuparin johtavuus on aina sama, riippumatta siitä, miten kuparikappaleen muoto ja koko muuttuvat. Samanaikaisesti kuparilangan johtavuus riippuu sen pituudesta, halkaisijasta, massasta, muodosta ja joistakin muista tekijöistä. Tietenkin samankaltaisilla esineillä, jotka on valmistettu korkeamman johtavuuden omaavista materiaaleista, on korkeampi johtavuus (tosin ei aina).

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) sähkönjohtavuuden yksikkö on Siemens per metri (S/m). Sen sisältämä johtavuusyksikkö on nimetty saksalaisen tiedemiehen, keksijän ja yrittäjän Werner von Siemensin (1816–1892) mukaan. Hänen vuonna 1847 perustamansa Siemens AG (Siemens) on yksi suurimmista sähkö-, elektroniikka-, energia-, kuljetus- ja lääketieteellisiä laitteita valmistavista yrityksistä.

Sähkönjohtavuusalue on hyvin laaja: korkearesistiivisistä materiaaleista, kuten lasista (joka muuten johtaa sähköä hyvin punaiseksi kuumennettaessa) tai polymetyylimetakrylaatista (pleksilasi) erittäin hyviin johtimiin, kuten hopeaan, kupariin tai kultaan. Sähkönjohtavuus määräytyy varausten (elektronien ja ionien) lukumäärän, niiden liikkumisnopeuden ja niiden kuljettaman energian perusteella. Erilaisten aineiden vesiliuoksilla, joita käytetään esimerkiksi pinnoituskylvyissä, on keskimääräiset johtavuusarvot. Toinen esimerkki elektrolyyteistä, joilla on keskimääräiset johtavuusarvot, on kehon sisäinen ympäristö (veri, plasma, imusolmukkeet ja muut nesteet).

Metallien, puolijohteiden ja eristeiden johtavuutta käsitellään yksityiskohtaisesti seuraavissa Physical Quantity Converter -sivuston artikkeleissa: ja Sähkönjohtavuus. Tässä artikkelissa käsitellään yksityiskohtaisemmin elektrolyyttien ominaisjohtavuutta sekä sen mittausmenetelmiä ja yksinkertaisia ​​laitteita.

Elektrolyyttien ominaissähkönjohtavuus ja sen mittaus

Niiden vesiliuosten ominaisjohtavuus, joissa sähkövirta syntyy varautuneiden ionien liikkeen seurauksena, määräytyy varauksenkuljettajien lukumäärän (aineen pitoisuus liuoksessa), niiden liikkumisnopeuden (ionien liikkuvuuden) mukaan. riippuu lämpötilasta) ja niiden kantamasta varauksesta (joka määräytyy ionien valenssin mukaan). Siksi useimmissa vesiliuoksissa pitoisuuden kasvu johtaa ionien määrän kasvuun ja siten johtavuuden kasvuun. Tietyn maksimin saavuttamisen jälkeen liuoksen ominaisjohtavuus voi kuitenkin alkaa laskea liuoksen pitoisuuden kasvaessa edelleen. Siksi liuoksilla, joissa on kaksi eri pitoisuutta samaa suolaa, voi olla sama johtavuus.

Lämpötila vaikuttaa myös johtavuuteen, koska lämpötilan noustessa ionit liikkuvat nopeammin, mikä lisää johtavuutta. Puhdas vesi on huono sähkönjohdin. Tavallisen tislatun veden, joka sisältää hiilidioksidia ilmasta tasapainossa ja jonka mineralisaatio on yhteensä alle 10 mg/l, ominaissähkönjohtavuus on noin 20 mS/cm. Eri liuosten ominaisjohtavuus on esitetty alla olevassa taulukossa.

Liuoksen ominaisjohtavuuden määrittämiseksi käytetään vastusmittaria (ohmimittaria) tai johtavuutta. Nämä ovat lähes identtisiä laitteita, jotka eroavat vain mittakaavaltaan. Molemmat mittaavat jännitehäviön piirin osassa, jonka läpi sähkövirta virtaa laitteen akusta. Mitattu johtavuusarvo muunnetaan manuaalisesti tai automaattisesti ominaisjohtavuudeksi. Tämä tehdään ottaen huomioon mittauslaitteen tai anturin fyysiset ominaisuudet. Johtavuusanturit ovat yksinkertaisia: ne ovat elektrodiparia (tai kahta paria), jotka on upotettu elektrolyyttiin. Johtavuuden mittaamiseen tarkoitetuille antureille on tunnusomaista johtavuusanturin vakio, joka yksinkertaisimmassa tapauksessa määritellään elektrodien välisen etäisyyden suhteena D alueelle (elektrodille), joka on kohtisuorassa virtaan nähden A

Tämä kaava toimii hyvin, jos elektrodien pinta-ala on huomattavasti suurempi kuin niiden välinen etäisyys, koska tässä tapauksessa suurin osa sähkövirrasta kulkee elektrodien välillä. Esimerkki: 1 kuutiosenttimetrille nestettä K = D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm-1. Huomaa, että johtavuusantureille, joissa on pienet elektrodit, jotka on sijoitettu toisistaan ​​suhteellisen suurelle etäisyydelle, on tunnusomaista anturin vakioarvot 1,0 cm⁻¹ tai korkeammat. Samaan aikaan antureilla, joissa on suhteellisen suuret elektrodit, jotka sijaitsevat lähellä toisiaan, on vakio 0,1 cm-1 tai vähemmän. Anturin vakio eri laitteiden sähkönjohtavuuden mittaamiseksi vaihtelee välillä 0,01 - 100 cm-1.

Teoreettinen anturin vakio: vasen - K= 0,01 cm⁻¹, oikea - K= 1 cm⁻¹

Johtavuuden saamiseksi mitatusta johtavuudesta käytetään seuraavaa kaavaa:

σ = K ∙ G

σ - liuoksen ominaisjohtavuus S/cm;

K- anturivakio cm-1;

G- anturin johtavuus siemensissä.

Anturivakiota ei yleensä lasketa sen geometrisista mitoista, vaan se mitataan tietyssä mittalaitteessa tai tietyssä mittauskokoonpanossa käyttämällä tunnetun johtavuuden omaavaa ratkaisua. Tämä mitattu arvo syötetään johtavuusmittariin, joka laskee automaattisesti johtavuuden liuoksen mitatuista johtavuus- tai resistanssiarvoista. Koska johtavuus riippuu liuoksen lämpötilasta, sen mittauslaitteet sisältävät usein lämpötila-anturin, joka mittaa lämpötilaa ja tarjoaa mittausten automaattisen lämpötilan kompensoinnin eli normalisoi tulokset 25 °C:n standardilämpötilaan. .

Yksinkertaisin tapa mitata johtavuutta on kytkeä jännite kahteen litteään elektrodiin, jotka on upotettu liuokseen ja mitata virtaava virta. Tätä menetelmää kutsutaan potentiometriseksi. Ohmin lain mukaan johtavuus G on virran suhde minä jännitteeseen U:

Kaikki ei kuitenkaan ole niin yksinkertaista kuin edellä on kuvattu - johtavuuden mittaamisessa on monia ongelmia. Tasavirtaa käytettäessä ionit kerääntyvät elektrodien pinnoille. Myös kemiallinen reaktio voi tapahtua elektrodien pinnoilla. Tämä johtaa polarisaatiovastuksen kasvuun elektrodipinnoilla, mikä puolestaan ​​johtaa virheellisiin tuloksiin. Jos yrität mitata esimerkiksi natriumkloridiliuoksen resistanssia tavanomaisella testerillä, näet selvästi, kuinka digitaalisen laitteen näytön lukemat muuttuvat melko nopeasti vastuksen kasvun suuntaan. Polarisaatiovaikutuksen eliminoimiseksi käytetään usein neljän elektrodin anturirakennetta.

Polarisaatiota voidaan myös estää tai joka tapauksessa vähentää, jos käytät mittauksessa tasavirran sijasta vaihtovirtaa ja jopa säädät taajuutta johtavuuden mukaan. Matalia taajuuksia käytetään matalan johtavuuden mittaamiseen, kun polarisaation vaikutus on pieni. Korkeampia taajuuksia käytetään korkean johtavuuden mittaamiseen. Tyypillisesti taajuutta säädetään automaattisesti mittausprosessin aikana ottaen huomioon liuoksen saadut johtavuusarvot. Nykyaikaiset digitaaliset kaksielektrodiset johtavuusmittarit käyttävät tyypillisesti monimutkaisia ​​vaihtovirta-aaltomuotoja ja lämpötilan kompensointia. Ne kalibroidaan tehtaalla, mutta uudelleenkalibrointi on usein tarpeen käytön aikana, koska mittauskennon (anturin) vakio muuttuu ajan myötä. Se voi esimerkiksi muuttua, kun anturit likaantuvat tai kun elektrodeissa tapahtuu fyysisiä ja kemiallisia muutoksia.

Perinteisessä kahden elektrodin johtavuusmittarissa (tätä käytämme kokeessamme) kahden elektrodin väliin syötetään vaihtojännite ja mitataan elektrodien välillä kulkeva virta. Tällä yksinkertaisella menetelmällä on yksi haittapuoli - ei mitata vain liuoksen resistanssia, vaan myös elektrodien polarisaation aiheuttamaa vastusta. Polarisaatiovaikutuksen minimoimiseksi käytetään neljän elektrodin anturirakennetta sekä elektrodien pinnoitusta platinamustalla.

Yleinen mineralisaatio

Määrittämiseen käytetään usein sähkönjohtavuuden mittalaitteita kokonaismineralisaatio tai kiintoainepitoisuus(eng. liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärä, TDS). Se on nesteen sisältämien orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden kokonaismäärän mitta eri muodoissa: ionisoituneena, molekyylisenä (liuenneena), kolloidisena ja suspensiona (liukenemattomana). Liuottimia ovat kaikki epäorgaaniset suolat. Pääasiassa nämä ovat kalsiumin, kaliumin, magnesiumin, natriumin klorideja, bikarbonaatteja ja sulfaatteja sekä joitakin veteen liuenneita orgaanisia aineita. Jotta aineet voidaan luokitella kokonaismineralisaatioksi, niiden on oltava joko liuenneita tai erittäin hienoina hiukkasina, jotka kulkevat suodattimien läpi, joiden huokoshalkaisija on alle 2 mikrometriä. Aineita, jotka ovat jatkuvasti suspendoituneita liuoksessa, mutta jotka eivät voi läpäistä tällaisen suodattimen läpi, kutsutaan kiintoaineen(eng. suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaismäärä, TSS). Suspendoituneiden kiintoaineiden kokonaismäärä mitataan yleisesti veden laadun määrittämiseksi.

Kiintoainepitoisuuden mittaamiseen on kaksi menetelmää: gravimetrinen analyysi, joka on tarkin menetelmä, ja johtavuuden mittaus. Ensimmäinen menetelmä on tarkin, mutta vaatii paljon aikaa ja laboratoriolaitteita, koska vesi on haihdutettava kuivan jäännöksen saamiseksi. Tämä tehdään yleensä 180 °C:ssa laboratorio-olosuhteissa. Täydellisen haihdutuksen jälkeen jäännös punnitaan tarkkuusvaa'alla.

Toinen menetelmä ei ole yhtä tarkka kuin gravimetrinen analyysi. Se on kuitenkin erittäin kätevä, laajalle levinnyt ja nopein menetelmä, koska se on yksinkertainen johtavuuden ja lämpötilan mittaus, joka suoritetaan muutamassa sekunnissa edullisella mittauslaitteella. Spesifisen sähkönjohtavuuden mittausmenetelmää voidaan käyttää johtuen siitä, että veden ominaisjohtavuus riippuu suoraan siihen liuenneiden ionisoitujen aineiden määrästä. Tämä menetelmä on erityisen kätevä juomaveden laadun seurantaan tai liuoksessa olevien ionien kokonaismäärän arvioimiseen.

Mitattu johtavuus riippuu liuoksen lämpötilasta. Eli mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi johtavuus, koska ionit liikkuvat liuoksessa nopeammin lämpötilan noustessa. Lämpötilasta riippumattomien mittausten saamiseksi käytetään käsitettä standardi (referenssi) lämpötila, johon mittaustulokset pienennetään. Vertailulämpötilan avulla voit verrata eri lämpötiloissa saatuja tuloksia. Näin ollen johtavuusmittari voi mitata todellisen johtavuuden ja käyttää sitten korjaustoimintoa, joka säätää tuloksen automaattisesti 20 tai 25 °C:n viitelämpötilaan. Jos vaaditaan erittäin suurta tarkkuutta, näyte voidaan sijoittaa inkubaattoriin, jonka jälkeen mittari voidaan kalibroida samaan lämpötilaan, jota käytetään mittauksissa.

Useimmissa nykyaikaisissa johtavuusmittareissa on sisäänrakennettu lämpötila-anturi, jota käytetään sekä lämpötilan korjaukseen että lämpötilan mittaukseen. Edistyksellisimmät laitteet pystyvät mittaamaan ja näyttämään mitatut arvot johtavuuden, ominaisvastuksen, suolaisuuden, kokonaissuolaisuuden ja pitoisuuden yksiköissä. Huomaa kuitenkin vielä kerran, että kaikki nämä laitteet mittaavat vain johtavuutta (resistanssia) ja lämpötilaa. Laite laskee kaikki näytöllä näkyvät fyysiset suureet ottaen huomioon mitatun lämpötilan, jota käytetään automaattiseen lämpötilan kompensointiin ja mittausarvojen saamiseen vakiolämpötilaan.

Koe: kokonaismineralisoitumisen ja johtavuuden mittaaminen

Lopuksi suoritamme useita kokeita johtavuuden mittaamiseksi käyttämällä halpaa TDS-3-kokonaismineralisaatiomittaria (kutsutaan myös salinometriksi, salinometriksi tai johtavuusmittariksi). Nimettömän TDS-3-laitteen hinta eBayssa toimitushetkellä on alle 3,00 US$. Täsmälleen sama laite, mutta valmistajan nimellä, maksaa 10 kertaa enemmän. Mutta tämä on niille, jotka haluavat maksaa tuotemerkistä, vaikka on erittäin suuri todennäköisyys, että molemmat laitteet valmistetaan samassa tehtaassa. TDS-3 suorittaa lämpötilan kompensoinnin ja tätä tarkoitusta varten on varustettu lämpötila-anturilla, joka sijaitsee elektrodien vieressä. Siksi sitä voidaan käyttää myös lämpömittarina. Todettakoon vielä kerran, että laite ei itse asiassa mittaa mineralisaatiota, vaan kahden lankaelektrodin välistä vastusta ja liuoksen lämpötilaa. Se laskee automaattisesti kaiken muun käyttämällä kalibrointikertoimia.

Kokonaismineralisaatiomittari voi auttaa määrittämään kiintoainepitoisuuden esimerkiksi seurattaessa juomaveden laatua tai määritettäessä veden suolaisuutta akvaariossa tai makean veden lammikossa. Sitä voidaan käyttää myös veden laadun seurantaan veden suodatus- ja puhdistusjärjestelmissä, jotta tiedetään, milloin on aika vaihtaa suodatin tai kalvo. Laite on tehtaalla kalibroitu 342 ppm (miljoonasosaa tai mg/l) natriumkloridiliuoksella, NaCl:lla. Laitteen mittausalue on 0–9990 ppm tai mg/l. PPM - miljoonasosa, suhteellisten arvojen dimensioton mittayksikkö, joka vastaa 1 10⁻⁶ perusindikaattorista. Esimerkiksi massapitoisuus 5 mg/kg = 5 mg 1 000 000 mg:ssa = 5 ppm tai ppm. Aivan kuten prosentti on yksi sadasosa, ppm on miljoonasosa. Prosentit ja ppm ovat merkitykseltään hyvin samanlaisia. Miljoonasosat, toisin kuin prosenttiosuudet, ovat hyödyllisiä erittäin heikkojen liuosten pitoisuuden osoittamiseen.

Laite mittaa kahden elektrodin välistä sähkönjohtavuutta (eli resistanssin käänteislukua) ja muuntaa sitten tuloksen ominaissähkönjohtavuudeksi (englanninkielisessä kirjallisuudessa käytetään usein lyhennettä EC) käyttämällä yllä olevaa johtavuuskaavaa ottaen huomioon anturin vakion. K, suorittaa sitten toisen muunnoksen kertomalla tuloksena saatu johtokyky muuntokertoimella 500. Tuloksena on kokonaissuolapitoisuus miljoonasosina (ppm). Lisätietoja tästä alla.

Tällä ei voi testata korkeasuolapitoisen veden laatua. Esimerkkejä korkean suolapitoisuuden aineista ovat jotkin elintarvikkeet (tavallinen keitto, jonka suolapitoisuus on normaalisti 10 g/l) ja merivesi. Suurin natriumkloridin pitoisuus, jonka tämä laite voi mitata, on 9990 ppm eli noin 10 g/l. Tämä on tyypillinen suolapitoisuus elintarvikkeissa. Tämä laite ei myöskään voi mitata meriveden suolapitoisuutta, koska se on yleensä 35 g/l tai 35 000 ppm, mikä on paljon korkeampi kuin laite pystyy mittaamaan. Jos yrität mitata näin suurta pitoisuutta, laite näyttää virheilmoituksen Err.

TDS-3-suolaisuusmittari mittaa ominaisjohtavuuden ja käyttää niin kutsuttua "500-asteikkoa" (tai "NaCl-asteikkoa") kalibroimiseen ja muuntamiseen pitoisuudeksi. Tämä tarkoittaa, että ppm-pitoisuuden saamiseksi johtavuusarvo mS/cm kerrotaan 500:lla. Eli esimerkiksi 1,0 mS/cm kerrotaan 500:lla, jolloin saadaan 500 ppm. Eri toimialat käyttävät erilaisia ​​mittakaavoja. Esimerkiksi vesiviljelyssä käytetään kolmea asteikkoa: 500, 640 ja 700. Ainoa ero niiden välillä on käytössä. 700-asteikko perustuu kaliumkloridin pitoisuuden mittaamiseen liuoksessa ja ominaisjohtavuuden muuntaminen pitoisuudeksi suoritetaan seuraavasti:

1,0 mS/cm x 700 antaa 700 ppm

640-asteikko käyttää muuntokerrointa 640 mS:n muuntamiseen ppm:ksi:

1,0 mS/cm x 640 antaa 640 ppm

Kokeessamme mittaamme ensin tislatun veden kokonaismineralisaatiota. Suolaisuusmittari näyttää 0 ppm. Yleismittari näyttää resistanssia 1,21 MOhm.

Koetta varten valmistamme natriumkloridi-NaCl-liuoksen, jonka pitoisuus on 1000 ppm, ja mittaamme pitoisuuden TDS-3:lla. 100 ml:n liuosta valmistamiseksi meidän on liuotettava 100 mg natriumkloridia ja lisättävä tislattua vettä 100 ml:aan. Punnitse 100 mg natriumkloridia ja laita se mittasylinteriin, lisää hieman tislattua vettä ja sekoita, kunnes suola on täysin liuennut. Lisää sitten vettä 100 ml:n merkkiin asti ja sekoita uudelleen huolellisesti.

Resistanssin mittaus kahden elektrodin välillä, jotka on valmistettu samasta materiaalista ja joilla on samat mitat kuin TDS-3-elektrodit; Yleismittari näyttää 2,5 kOhm

Johtavuuden kokeelliseen määrittämiseen käytimme kahta elektrodia, jotka oli valmistettu samasta materiaalista ja joilla oli samat mitat kuin TDS-3-elektrodit. Mitattu vastus oli 2,5 KOhm.

Nyt kun tiedämme natriumkloridin resistanssin ja ppm-pitoisuuden, voimme suunnilleen laskea TDS-3 suolaisuusmittarin soluvakion käyttämällä yllä olevaa kaavaa:

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kOhm = 5 cm-1

Tämä arvo 5 cm-1 on lähellä TDS-3-mittauskennon laskettua vakioarvoa, jonka elektrodin mitat ovat alla (katso kuva).

• D = 0,5 cm - elektrodien välinen etäisyys;
• W = 0,14 cm - elektrodien leveys
• L = 1,1 cm - elektrodien pituus

TDS-3-anturin vakio on K = D/A= 0,5/0,14 x 1,1 = 3,25 cm-1. Tämä ei juurikaan eroa yllä saadusta arvosta. Muistakaamme, että yllä oleva kaava sallii vain likimääräisen arvion anturivakiosta.

Onko mittayksiköiden kääntäminen kielestä toiseen vaikeaa? Kollegat ovat valmiita auttamaan sinua. Lähetä kysymys TCTermsissä ja saat vastauksen muutamassa minuutissa.

Ohmeina ilmaistu sähkövastus eroaa resistiivisyyden käsitteestä. Ymmärtääksemme mitä ominaisvastus on, meidän on suhteutettava se materiaalin fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Tietoja johtavuudesta ja resistiivisyydestä

Elektronien virtaus ei liiku esteettömästi materiaalin läpi. Vakiolämpötilassa alkuainehiukkaset heiluvat lepotilan ympärillä. Lisäksi johtavuuskaistalla olevat elektronit häiritsevät toisiaan samanlaisen varauksen aiheuttaman keskinäisen hylkimisen kautta. Näin syntyy vastustus.

Johtavuus on materiaalien luontainen ominaisuus, ja se kvantifioi, kuinka helposti varaukset voivat liikkua, kun aine altistuu sähkökentälle. Resistiivisyys on materiaalin käänteisarvo ja kuvaa vaikeusastetta, jonka elektronit kohtaavat liikkuessaan materiaalin läpi, mikä osoittaa, kuinka hyvä tai huono johdin on.

Tärkeä! Suuri sähkövastus osoittaa, että materiaali on huonoa johdinta, kun taas pieni resistiivisyys tarkoittaa hyvää johtetta.

Ominaisjohtavuus on merkitty kirjaimella σ ja se lasketaan kaavalla:

Ominaisvastus ρ käänteisenä indikaattorina voidaan löytää seuraavasti:

Tässä lausekkeessa E on syntyneen sähkökentän intensiteetti (V/m) ja J on sähkövirran tiheys (A/m²). Tällöin mittayksikkö ρ on:

V/m x m²/A = ohm m.

Johtavuuden σ osalta yksikkö, jolla se mitataan, on S/m tai Siemens per metri.

Materiaalityypit

Materiaalien resistanssin mukaan ne voidaan luokitella useisiin tyyppeihin:

1. Kapellimestarit. Näitä ovat kaikki metallit, seokset, ioneiksi dissosioituneet liuokset sekä termisesti viritetyt kaasut, mukaan lukien plasma. Epämetallien joukosta voidaan mainita esimerkkinä grafiitti;
2. Puolijohteet, jotka ovat itse asiassa johtamattomia materiaaleja, joiden kidehilat on tarkoituksellisesti seostettu vierailla atomeilla, joissa on suurempi tai pienempi määrä sitoutuneita elektroneja. Tämän seurauksena hilarakenteeseen muodostuu lähes vapaita ylimääräisiä elektroneja tai reikiä, jotka edistävät virran johtavuutta;
3. Dielektriset tai dissosioituneet eristeet ovat kaikkia materiaaleja, joissa normaaleissa olosuhteissa ei ole vapaita elektroneja.

Sähköenergian kuljetuksessa tai kotitalouksien ja teollisuuden sähköasennuksissa usein käytetty materiaali on kupari yksi- tai monisäikeisten kaapeleiden muodossa. Vaihtoehtoinen metalli on alumiini, vaikka kuparin ominaisvastus on 60 % alumiinin omasta. Mutta se on paljon kevyempi kuin kupari, mikä määräsi sen käytön suurjänniteverkkojen voimalinjoissa. Kultaa käytetään johtimena erikoissähköpiireissä.

Mielenkiintoista. Kansainvälinen sähkötekninen komissio hyväksyi puhtaan kuparin sähkönjohtavuuden vuonna 1913 tämän arvon standardiksi. Määritelmän mukaan kuparin johtavuus mitattuna 20°:ssa on 0,58108 S/m. Tätä arvoa kutsutaan 100 % LACS:ksi, ja muiden materiaalien johtavuus ilmaistaan ​​tiettynä prosenttiosuutena LACS:sta.

Useimpien metallien johtavuusarvo on alle 100 % LACS. On kuitenkin poikkeuksia, kuten hopea tai erikoiskupari, jolla on erittäin korkea johtavuus, C-103 ja C-110.

Dielektrikot eivät johda sähköä ja niitä käytetään eristeinä. Esimerkkejä eristeistä:

• lasi,
• keramiikka,
• muovi,
• kumi,
• kiille,
• vaha,
• paperi,
• kuivaa puuta,
• posliini,
• jotkut rasvat teollisuus- ja sähkökäyttöön sekä bakeliitti.

Kolmen ryhmän väliset siirtymät ovat sulavia. Se tiedetään varmasti: ei ole olemassa täysin johtamattomia väliaineita ja materiaaleja. Esimerkiksi ilma on huoneenlämmössä eriste, mutta kun se altistuu voimakkaalle matalataajuiselle signaalille, se voi muuttua johtimeksi.

Johtavuuden määrittäminen

Kun verrataan eri aineiden sähköistä ominaisvastusta, tarvitaan standardoituja mittausolosuhteita:

1. Nesteiden, huonojen johtimien ja eristeiden tapauksessa käytetään kuutionäytteitä, joiden reunan pituus on 10 mm;
2. Maaperän ja geologisten muodostumien ominaisvastusarvot määritetään kuutioille, joiden kunkin reunan pituus on 1 m;
3. Liuoksen johtavuus riippuu sen ionipitoisuudesta. Konsentroitu liuos on vähemmän dissosioitunut ja siinä on vähemmän varauksenkuljettajia, mikä vähentää johtavuutta. Kun laimennus kasvaa, ioniparien määrä kasvaa. Liuosten pitoisuus asetetaan 10 %:iin;
4. Metallijohtimien resistiivisyyden määrittämiseen käytetään metrin pituisia johtoja, joiden poikkileikkaus on 1 mm².

Jos materiaali, kuten metalli, voi tarjota vapaita elektroneja, silloin kun potentiaalieroa käytetään, sähkövirta kulkee langan läpi. Kun jännite kasvaa, enemmän elektroneja liikkuu aineen läpi aikayksikköön. Jos kaikki lisäparametrit (lämpötila, poikkileikkausala, pituus ja lankamateriaali) eivät muutu, silloin virran suhde syötettyyn jännitteeseen on myös vakio ja sitä kutsutaan johtavuudella:

Vastaavasti sähkövastus on:

Tulos on ohmissa.

Johdin voi puolestaan ​​olla eripituinen, poikkileikkauskokoinen ja valmistettu eri materiaaleista, mikä määrää R:n arvon. Matemaattisesti tämä suhde näyttää tältä:

Materiaalitekijä ottaa huomioon kertoimen ρ.

Tästä voimme johtaa resistanssin kaavan:

Jos S:n ja l:n arvot vastaavat annettuja resistiivisyyden vertailun ehtoja, eli 1 mm² ja 1 m, niin ρ = R. Kun johtimen mitat muuttuvat, myös ohmien määrä muuttuu.

Resistanssi ja lämpötila

Johtimen ominaisvastus on arvo, joka muuttuu lämpötilan mukaan, joten se lasketaan tarkasti 20°:ssa. Jos lämpötila on erilainen, ρ:n arvoa on säädettävä toisen kertoimen perusteella, jota kutsutaan lämpötilaksi ja merkitään α:lla (yksikkö - 1/°C). Tämä on myös ominaisarvo jokaiselle materiaalille.

Modifioitu kerroin lasketaan ρ:n, α:n ja lämpötilan poikkeaman arvoista 20° – Δt:

ρ1 = ρ x (1 + α x Δt).

Jos vastus oli tiedossa aiemmin, voit laskea sen suoraan:

R1 = R x (1 + a x AT).

Eri materiaalien käytännön käyttö sähkötekniikassa riippuu suoraan niiden resistiivisyydestä.

Video

Kun sähköpiiri suljetaan, jonka navoissa on potentiaaliero, syntyy jännite. Vapaat elektronit liikkuvat sähkökenttävoimien vaikutuksesta johdinta pitkin. Liikkeessään elektronit törmäävät johtimen atomien kanssa ja antavat niille kineettisen energiansa. Elektronien liikkeen nopeus muuttuu jatkuvasti: kun elektronit törmäävät atomien, molekyylien ja muiden elektronien kanssa, se pienenee, sitten sähkökentän vaikutuksesta kasvaa ja pienenee uudelleen uuden törmäyksen aikana. Tämän seurauksena johtimeen muodostuu tasainen elektronien virtaus useiden senttimetrin murto-osien nopeudella. Näin ollen johtimen läpi kulkevat elektronit kohtaavat aina vastuksen liikkuessaan sen sivulta. Kun sähkövirta kulkee johtimen läpi, tämä lämpenee.

Sähkövastus

Johtimen sähkövastus, joka on merkitty latinalaisella kirjaimella r, on kappaleen tai väliaineen ominaisuus muuntaa sähköenergiaa lämpöenergiaksi, kun sähkövirta kulkee sen läpi.

Kaavioissa sähkövastus on esitetty kuvan 1 mukaisesti, A.

Muuttuva sähkövastus, joka muuttaa virtaa piirissä, on nimeltään reostaatti. Kaavioissa reostaatit on merkitty kuvan 1 mukaisesti, b. Yleensä reostaatti on valmistettu yhden tai toisen vastuksen johdosta, joka on kierretty eristävälle alustalle. Liukusäädin tai reostaattivipu asetetaan tiettyyn asentoon, minkä seurauksena vaadittu vastus tuodaan piiriin.

Pitkä johdin, jolla on pieni poikkileikkaus, luo suuren vastuksen virralle. Lyhyet johtimet, joilla on suuri poikkipinta, tarjoavat vähän vastusta virralle.

Jos otat kaksi johdinta, jotka on valmistettu eri materiaaleista, mutta joilla on sama pituus ja poikkileikkaus, johtimet johtavat virtaa eri tavalla. Tämä osoittaa, että johtimen resistanssi riippuu itse johtimen materiaalista.

Myös johtimen lämpötila vaikuttaa sen vastukseen. Lämpötilan noustessa metallien vastus kasvaa ja nesteiden ja hiilen vastus pienenee. Vain jotkin erikoismetalliseokset (manganiini, konstantaani, nikkeli ja muut) eivät juurikaan muuta vastustuskykyään lämpötilan noustessa.

Näemme siis, että johtimen sähkövastus riippuu: 1) johtimen pituudesta, 2) johtimen poikkileikkauksesta, 3) johtimen materiaalista, 4) johtimen lämpötilasta.

Resistanssin yksikkö on yksi ohmi. Om esitetään usein kreikkalaisella isolla kirjaimella Ω (omega). Siksi sen sijaan, että kirjoitat "Johtimen vastus on 15 ohmia", voit kirjoittaa: r= 15 Ω.
1000 ohmia kutsutaan nimellä 1 kiloohmia(1kOhm tai 1kΩ),
1 000 000 ohmia kutsutaan nimellä 1 megaohm(1mOhm tai 1MΩ).

Kun verrataan eri materiaaleista valmistettujen johtimien resistanssia, jokaiselle näytteelle on otettava tietty pituus ja poikkileikkaus. Sitten voimme arvioida, mikä materiaali johtaa sähkövirtaa paremmin tai huonommin.

Video 1. Johtimen vastus

Sähkövastus

1 m pitkän johtimen, jonka poikkileikkaus on 1 mm², resistanssiksi kutsutaan ohmeja vastus ja sitä merkitään kreikkalaisella kirjaimella ρ (ro).

Taulukossa 1 on esitetty joidenkin johtimien resistanssit.

pöytä 1

Erilaisten johtimien ominaisvastus

Taulukosta näkyy, että rautalangan, jonka pituus on 1 m ja jonka poikkileikkaus on 1 mm², resistanssi on 0,13 ohmia. Jotta saat 1 ohmin vastuksen, sinun on otettava 7,7 m tällaista lankaa. Hopealla on alhaisin resistanssi. 1 ohmin vastus saadaan ottamalla 62,5 m hopealankaa, jonka poikkileikkaus on 1 mm². Hopea on paras johdin, mutta hopean hinta sulkee pois mahdollisuuden sen massakäyttöön. Taulukon hopean jälkeen tulee kupari: 1 m kuparilankaa, jonka poikkileikkaus on 1 mm², vastus on 0,0175 ohmia. Jotta saat 1 ohmin resistanssin, sinun on otettava 57 m tällaista lankaa.

Jalostamalla saatu kemiallisesti puhdas kupari on löytänyt laajan käytön sähkötekniikassa johtojen, kaapeleiden, sähkökoneiden ja -laitteiden käämien valmistukseen. Rautaa käytetään myös laajalti johtimina.

Johtimen resistanssi voidaan määrittää kaavalla:

Missä r– johtimen vastus ohmeina; ρ – johtimen ominaisvastus; l– johtimen pituus metreinä; S– johtimen poikkipinta-ala mm².

Esimerkki 1. Määritä 200 m:n rautalangan, jonka poikkileikkaus on 5 mm², resistanssi.

Esimerkki 2. Laske 2 km:n alumiinilangan, jonka poikkileikkaus on 2,5 mm², resistanssi.

Vastuskaavasta voit helposti määrittää johtimen pituuden, ominaisvastuksen ja poikkileikkauksen.

Esimerkki 3. Radiovastaanottimelle on tarpeen käämittää 30 ohmin vastus nikkelilangasta, jonka poikkileikkaus on 0,21 mm². Määritä tarvittava langan pituus.

Esimerkki 4. Määritä 20 m nikromilangan poikkileikkaus, jos sen vastus on 25 ohmia.

Esimerkki 5. Johdon, jonka poikkileikkaus on 0,5 mm² ja pituus 40 m, resistanssi on 16 ohmia. Määritä langan materiaali.

Johtimen materiaali luonnehtii sen ominaisvastusta.

Resistanssitaulukon mukaan havaitsemme, että sillä on tällainen vastus.

Edellä todettiin, että johtimien resistanssi riippuu lämpötilasta. Tehdään seuraava kokeilu. Kääritään useita metrejä ohutta metallilankaa spiraalin muotoon ja liitetään tämä kierre akkupiiriin. Virran mittaamiseksi kytkemme ampeerimittarin piiriin. Kun käämi kuumennetaan polttimen liekissä, huomaat, että ampeerimittarin lukemat pienenevät. Tämä osoittaa, että metallilangan vastus kasvaa kuumennettaessa.

Joidenkin metallien vastus kasvaa 40–50 % kuumennettaessa 100°. On seoksia, jotka muuttavat vastustaan ​​hieman kuumennettaessa. Joidenkin erikoisseosten vastus ei käytännössä muutu lämpötilan muuttuessa. Resistanssi kasvaa lämpötilan noustessa, elektrolyyttien (nestejohtimien), hiilen ja joidenkin kiinteiden aineiden vastus päinvastoin pienenee.

Metallien kykyä muuttaa vastustaan ​​lämpötilan muutoksilla käytetään vastuslämpömittareiden rakentamiseen. Tämä lämpömittari koostuu platinalangasta, joka on kierretty kiillekehykseen. Asettamalla lämpömittari esimerkiksi uuniin ja mittaamalla platinalangan resistanssi ennen ja jälkeen lämmittämisen, voidaan määrittää uunin lämpötila.

Johtimen resistanssin muutosta lämmitettäessä 1 ohmia alkuresistanssia ja 1° lämpötilaa kohden kutsutaan ns. lämpötilavastuskerroin ja sitä merkitään kirjaimella α.

Jos lämpötilassa t 0 johtimen vastus on r 0 ja lämpötilassa t on yhtä suuri r t, sitten vastuksen lämpötilakerroin

Huomautus. Tämän kaavan avulla laskeminen voidaan suorittaa vain tietyllä lämpötila-alueella (noin 200 °C asti).

Esitämme joidenkin metallien lämpötilavastuskertoimen α arvot (taulukko 2).

taulukko 2

Joidenkin metallien lämpötilakerroinarvot

Määritämme lämpötilavastuskertoimen kaavasta r t:

r t = r 0 .

Esimerkki 6. Määritä 200°C:een kuumennetun rautalangan resistanssi, jos sen vastus 0°C:ssa oli 100 ohmia.

r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohmia.

Esimerkki 7. Platinalangasta valmistetun vastuslämpömittarin resistanssi oli 20 ohmia huoneessa 15 °C:ssa. Lämpömittari laitettiin uuniin ja jonkin ajan kuluttua sen vastus mitattiin. Se osoittautui yhtä suureksi kuin 29,6 ohmia. Määritä uunin lämpötila.

Sähkönjohtavuus

Toistaiseksi olemme pitäneet johtimen vastusta esteenä, jonka johdin muodostaa sähkövirralle. Mutta silti virta kulkee johtimen läpi. Siksi johtimella on vastuksen (esteen) lisäksi myös kyky johtaa sähkövirtaa eli johtavuutta.

Mitä suurempi vastus johtimella on, sitä pienempi sen johtavuus, sitä huonommin se johtaa sähkövirtaa, ja päinvastoin, mitä pienempi johtimen vastus on, mitä enemmän sillä on johtavuutta, sitä helpompi virta kulkee johtimen läpi. Siksi johtimen resistanssi ja johtavuus ovat käänteissuureita.

Matematiikasta tiedetään, että luvun 5 käänteisarvo on 1/5 ja päinvastoin 1/7 käänteisarvo on 7. Jos siis johtimen resistanssi merkitään kirjaimella r, niin johtavuus määritellään 1/ r. Johtavuutta merkitään yleensä kirjaimella g.

Sähkönjohtavuus mitataan yksiköissä (1/Ohm) tai siemensissä.

Esimerkki 8. Johtimen resistanssi on 20 ohmia. Määritä sen johtavuus.

Jos r= 20 ohmia siis

Esimerkki 9. Johtimen johtavuus on 0,1 (1/Ohm). Määritä sen vastus

Jos g = 0,1 (1/ohm), niin r= 1 / 0,1 = 10 (ohm)