Электрическое сопротивление проводника. Электрическая проводимость

  

Всякое тело оказывает прохождению электрического тока определенное противодействие. Например, при движении электронов по проводнику они будут сталкиваться с атомами и молекулами вещества, отдавая, им часть своей энергии. Чем больше таких столкновений, тем больше величина противодействия, оказываемого телом движению электрона, и, следовательно, тем меньше ток в проводнике.

Определение: Свойство проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением, или сопротивлением..

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.

За единицу сопротивления принят ом (сокращенно обозначается Ом или Ω).

Сопротивление проводника равно одному ому, если при напряжении на его концах в один вольт в нем устанавливается ток в один ампер.

В практике сопротивления часто измеряются в килоомах (сокращенно обозначается кОм или кΩ) и мегомах (сокращенно— МОм или МΩ).

1 кОм = 1000 Ом;

1 МОм = 1000 кОм = 1 000 000 Ом.

Для характеристики электрических свойств проводников часто используется величина, обратная сопротивлению, называемая проводимостью.

Определение: Электрической проводимостью (или проводимостью) называется способность вещества пропускать через себя электрический ток.

Чем больше сопротивление проводника, тем меньше его проводимость, и наоборот. Проводимость обозначается латинской буквой

G. За единицу проводимости принята проводимость проводника с сопротивлением в 1 ом. Эта единица называется сименс (сим).

Понятия сопротивления и проводимости имеют очень большое значение в электротехнике. Если вещество обладает небольшим сопротивлением (большой проводимостью), то оно называется проводником электрического тока, или проводником. К проводникам относятся большинство металлов (серебро, медь, алюминий, железо, никель, свинец, ртуть), а также сплавы металлов, морская вода, растворы солей и кислот и т. д. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро и медь (обладают наилучшей проводимостью). Проводники используются для соединения отдельных элементов электрических схем.

Но есть вещества, которые очень плохо проводят электрический ток, т. е. имеют очень большое сопротивление. Такие вещества называются непроводниками электрического тока, или изоляторами. К изоляторам относятся фарфор, стекло, шерсть, смола, резина, эбонит, слюда, воск, парафин и т. д. Изоляторы широко применяются в электротехнике. Без них нельзя осуществить ни одной электрической цепи.

Следует помнить, что обычно сопротивление изолятора больше сопротивления проводника в несколько миллионов раз.

Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют так называемые полупроводники электрического тока. Их проводимость больше, чем изоляторов, но меньше, чем проводников. К полупроводникам относятся: германий, кремний, селен, теллур, многие окислы, карбиды, сульфиды, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) и т. д.

Характерная особенность полупроводников состоит в том, что их сопротивление в широких пределах изменяется под действием света, электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения и от посторонних примесей.

Из некоторых полупроводников изготовляются термисторы (резисторы, величина которых резко изменяется с изменением температуры) и фоторезисторы (величина их сопротивления зависит от освещенности) .

Полупроводники применяются для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных схем. 

Возможность использования полупроводников для усиления и генерации колебаний была открыта в 1922 г. сотрудником Нижегородской радиолаборатории имени В. И. Ленина радиолюбителем О. В. Лосевым, который назвал изобретенный им прибор кристадином.

 

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Электрическое сопротивление и проводимость

Дата публикации: 26 марта 2013.
Категория: Статьи.

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическое сопротивление

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а.

Рисунок 1. Условное обозначение электрического сопротивления

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом. На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б. В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Видео 1. Сопротивление проводников

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Таблица 1

Удельные сопротивления различных проводников

Материал проводника	Удельное сопротивление ρ в
Серебро Медь Алюминий Вольфрам Железо Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка) Манганин (сплав меди, никеля и марганца) Константан (сплав меди, никеля и алюминия) Ртуть Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)	0,016 0,0175 0,03 0,05 0,13 0,2 0,42 0,43 0,5 0,94 1,1

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм².

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α.

Если при температуре t₀ сопротивление проводника равно r₀, а при температуре t равно r_t, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Металл	α		Металл	α
Серебро Медь Железо Вольфрам Платина	0,0035 0,0040 0,0066 0,0045 0,0032		Ртуть Никелин Константан Нихром Манганин	0,0090 0,0003 0,000005 0,00016 0,00005

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r_t:

r_t = r₀ [1 ± α (t – t₀)].

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r_t = r₀ [1 ± α (t – t₀)] = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Электрическая проводимость

До сих пор мы рассматривали сопротивление проводника как препятствие, которое оказывает проводник электрическому току. Но все же ток по проводнику проходит. Следовательно, кроме сопротивления (препятствия), проводник обладает также способностью проводить электрический ток, то есть проводимостью.

Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем большей проводимостью он обладает, тем легче току пройти по проводнику. Поэтому сопротивление и проводимость проводника есть величины обратные.

Из математики известно, что число, обратное 5, есть 1/5 и, наоборот, число, обратное 1/7, есть 7. Следовательно, если сопротивление проводника обозначается буквой r, то проводимость определяется как 1/r. Обычно проводимость обозначается буквой g.

Электрическая проводимость измеряется в (1/Ом) или в сименсах.

Пример 8. Сопротивление проводника равно 20 Ом. Определить его проводимость.

Если r = 20 Ом, то

Пример 9. Проводимость проводника равна 0,1 (1/Ом). Определить его сопротивление,

Если g = 0,1 (1/Ом), то r = 1 / 0,1 = 10 (Ом)

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560с.

К.Ю.Богданов. §43 учебника ФИЗИКА-10

§ 43. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Электрическая проводимость вещества зависит концентрации в нём свободных зарядов, их вида, а также от условий внешней среды, в которой вещество находится.

Электрический ток может протекать через все тела – твёрдые, жидкие газообразные и даже через вакуум. Электрической проводимостью вещества называют его способность проводить электрический ток под действием электрического поля. Чем больше концентрация свободных зарядов в веществе, тем меньше величина его удельного сопротивления и тем больше его электрическая проводимость. Вещества, обладающие большой проводимостью называют проводниками, а вещества с малой электрической проводимостью – диэлектриками.

Однако такое деление веществ на проводники и диэлектрики весьма условно, т.к. изменение напряжённости электрического поля, температуры, давления и других факторов может значительно изменять проводимость веществ. Например, воздух, являющийся диэлектриком в обычных условиях, становится проводником, когда между грозовым облаком и землёй напряжённость электрического поля увеличивается до 3000 кВ/м, в результате чего и происходит разряд молнии.

Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны, и поэтому такую проводимость называют электронной. Металлы имеют наибольшую проводимость среди проводников. Так как работа тока пропорциональна сопротивлению проводника, то для минимизации потерь при передаче электрической энергии всегда используют металлические провода. По той же причине из металлической проволоки изготовляют обмотки различных электромоторов, генераторов, трансформаторов и  электроизмерительных приборов.

Сопротивление металлических проводников увеличивается с ростом температуры. Это явление можно объяснить тем, что при нагреве возрастает амплитуда хаотических (тепловых) колебаний атомов, а значит, увеличивается число столкновений этих атомов со свободными электронами, которые упорядоченно движутся под действием электрического поля. Зависимость сопротивления R проводника от температуры имеет следующий вид (см. рис. 43а):

R = R₀^.{1+a(T—T₀)} ,                    (43.1)

где R и R₀ – сопротивление проводника при температурах T и T₀, соответственно, а a — постоянная, называемая температурным коэффициентом сопротивления данного вещества. Если в качестве R₀ взять сопротивление проводника при T₀ =273 К, то у всех чистых металлов a » 1/273 K^-1. Например, у вольфрама a = 4,8^.10^-3K^-1. Это значит, что сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания, раскалённой до 2700 К, более чем в 10 раз превышает её сопротивление при комнатной температуре.

При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное

сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4 К, сопротивление скачком падало до нуля (рис. 43б). Температура, при которой сопротивление резко падает до нуля, называют критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами – от долей градуса К до примерно 100 К.

Объяснение физических процессов, лежащих в основе сверхпроводимости, было дано советским учёным Н.Н. Боголюбовым и американскими учёными Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером на основе квантовой теории. Большой вклад в развитие теории сверхпроводников внесли также российские учёные А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург.

Очевидно, что в будущем применение сверхпроводников позволит передавать электроэнергию на большие расстояния с гораздо меньшими потерями или вообще без них. Кроме того, использование сверхпроводящих материалов даст возможность создавать огромные магнитные поля в генераторах и электромоторах, благодаря чему эти устройства станут значительно более мощными, чем сейчас.

Колоссальные магнитные поля, созданные с помощью сверхпроводников, позволят конструировать поезда на магнитной подвеске, двигающиеся плавно, без трения и с огромными скоростями.   

Вопросы для повторения:

·        Что такое электрическая проводимость?

·        Какой проводимостью обладают металлы?

·        Как изменяется сопротивление сверхпроводника вблизи критической температуры?

·        Где планируется использовать сверхпроводники?

 

Рис. 43. (а) – зависимость сопротивления металлического проводника от температуры; (б) – зависимость сопротивления ртути вблизи критической температуры.

От чего зависит удельное сопротивление проводника: металлического проводника

Работая с электрооборудованием, люди задаются вопросом — от чего зависит сопротивление проводника? Физическая величина отображает проводимость электрического тока. При рассмотрении вопроса учитывается длина проводника и его тип.

Что это такое

Препятствование прохождению тока по проводнику называют сопротивлением. Показатель высчитывается, исходя из разности электрических потенциалов. Дополнительно учитывается сила тока на проводнике. Основоположником теории принято считать Георга Ома. Ещё в 1826 году, проведены исследования электрического тока.

Сопротивление проводника

Важно! Василий Петров подтвердил закон электрической цепи и провел собственные исследования в жидкости.

Условия, определяющие сопротивление проводников

При определении сопротивления учитывается ряд характеристик:

• сечение элемента;
• длина проводника;
• удельное сопротивление;
• тип материала.

Предметы с высоким сопротивлением практически не проводят ток. Также есть обратная зависимость, которая прописана в законе Ома. Для расчета показателя учитывается электрическая проводимость. Она показывает возможность проводника принимать электрический ток.

Проводимость электрического тока

Изменения проводника при увеличении длины

Во время испытаний замечено, что при увеличении длины проводника его электрическое сопротивление увеличивается. Для проведения эксперимента, необходимо выбрать заготовки из одинакового материала. К примеру, это может быть проволока из никелина. Для считывания параметров используется амперметр, который подключен к зажимам.

Устанавливая заготовки меньшей длины, отмечено, что ток в цепи увеличивается. Даже на одном изделии можно поиграться с амперметром. Поставив щуп на середину заготовки, к примеру, может отображаться значение 50 ампер.

Показатель амперметра

Интересно! Если отводить его в сторону, к краю, чтобы увеличить дальность держателя, показатель тока будет снижаться. Тоже самое, касается проводников из других материалов.

Виды

Проводником называют среду или предмет, который способен проводить электрический ток. Внутри него, при подключении к источнику энергии, начинает активно двигаться заряженная частица. Амперметр показывает возрастание электрического напряжения в цепи. Рассматривая проводники разных типов, учитывается удельная электропроводность и тип материала:

• медь;
• алюминий;
• метал;
• золото;
• сплав никеля и хрома.

В научной среде есть понятие сверхпроводника, который считается идеальным. Он обладает значительным углом диэлектрической потери. Когда ток идёт от цепи, учитывается процент смещения. У сверхпроводника данный параметр минимален.

Из меди

Медь относится к компонентам 11 группы из таблицы химических элементов. По классификации он является пластинчатым, встречается в разных видах. Зачастую вещество имеет розовый оттенок. В электротехнике медь отличается низким удельным сопротивлением и лежит на одной нише с серебром, золотом.

Серебро и золото

Материал применим при изготовлении проводки, а также печатных плат. Ещё вещество востребовано при изготовлении электроприводов. Рассматривая сложные управляемые, электромеханические системы, заметно, что у них используются обмотки с низким удельным сопротивлением.

Если оценивать силовые трансформаторы, у них также применяется данный металл, однако он зачастую используется с примесями. Это необходимо, чтобы снизить показатель электропроводимости. В печатных платах медь используется на пару с алюминием. Рассматривая радиодетали, востребованными остаются сплавы на основе меди, которые также отличаются низким сопротивлением.

Разбирая персональные компьютеры, вещество встречается с бронзой либо латунью. Также используются добавки из цинка либо никеля. Чтобы повысить упругость проводника, применяются другие материалы, такие как олово, цинк. По таблице удельного сопротивления, веществу присвоен показатель 0,0157 Ом.

Свойства меди

Из алюминия

Среди элементов 13 группы в таблице выделяется алюминий. Он является отличным проводником в цепи, изготовлен из парамагнитного металла. По цвету наблюдается серебристый оттенок. Проводник хорошо поддается механической обработке. Помимо значительной электропроводимости, отмечается коррозийная стойкость.

При термической обработке образуется оксидная пленка, которая защищает поверхность. В природе предусмотрены различные соединения алюминия. Если рассматривать стандартную проволоку небольшого сечения, она востребована в электрических катушках. Вещество обладает низкой плотностью, а также массой, поэтому аналоги сложно подобрать. Используя алюминий в движущихся элементах, можно повысить их производительность.

Зачастую проводник встречается в жестких дисках, а также аудиосистемах. Востребованными остаются проволоки, покрытые слоем лака. Встречаются эмалированные аналоги, отличающиеся повышенной защищенностью. В качестве изоляции используется резина, берилл. Производители выпускают проводники с сечением от 0.003 мм.

Свойства алюминия

Помимо катушек индуктивности проволока может устанавливаться в индукторах, громкоговорителях, наушниках. Касательно соединений, встречаются варианты с алунитами. Дополнительная информация о физических свойствах:

• низкая температура плавления;
• высокая теплоемкость;
• значительная твёрдость;
• слабый парамагнетик;
• широкий температурный диапазон.

Алюминий встречается в печатных платах, поскольку поддается в штамповке. Коррозионная стойкость — дополнительное преимущество. Алюминиевые проводники являются популярными и востребованными в промышленности. Удельное сопротивление — 0,028 Ом. Также необходимо рассмотреть недостаток — значительное содержание примесей.

Из металла

Среди металлов, распространенными типами проводников считаются следующие:

• свинец;
• олово;
• платина;
• никель;
• вольфрам.

Свинец — это элемент из 14 группы, который может использоваться в качестве проводника. У него предельная плотность 11.35 грамм на кубический метр. Область применения ограничена, поскольку материал токсичен и относится к тяжелым металлам. История происхождения формулы неясна, есть лишь догадки.

Группы металлов

Если говорить о проводниковых элементах, то зачастую применяется нитрат свинца. В источниках тока, резервных блоках встречается версия с хлоридом. Рассматривая неорганические соединения, выделяется материал теллурид. Он подходит в качестве термоэлектрического проводника, поэтому используется в электростанциях разной мощности. Ещё металлический элемент востребован в холодильниках.

Если детально рассматривать теллурид, к числу особенности стоит приписать значительную диэлектрическую проницаемость. В составе помимо свинца имеется олово и теллур. По отдельности вещества встречаются в фоторезисторах и диодах. Если разбирать полупроводниковые приборы, элементы содержатся в стабилизаторах и указывают направление тока.

Важно! Олово — это проводник из 14 группы химических элементов. Материал безопасен, не содержит токсичных веществ.

Наравне с золотом, олово обладает отличными антикоррозионными свойствами. Зачастую в технике применяется дисульфид. Наиболее высокий показатель сопротивления показывает двуокись олова. В аккумуляторах он используется в чистом виде. Рассматривая гальванические элементы, стоит упомянуть про марганцево-оловянный диоксид.

Платина — это проводника с десятой группы химических элементов. Представленный металл имеет электросопротивление 0,098 Ом, и отличается повышенной плотностью. Если рассматривать сферу применения, то зачастую вещество встречается в лазерной технике. Речь идет о принтерах, а также измерительных приборах.

Свойства платины

Дополнительно платина используется в электромагнитных реле. В представленных автоматических устройствах он выступает проводником. Речь идет о механических, тепловых либо оптических реле. В электронных датчиках платина содержится в меньшем количестве, однако используется за счёт широкого диапазона температур. В частности, можно рассмотреть электронный термометр сопротивления. Резистивный элемент по большей части состоит из платины.

Из золота

Удельное сопротивление золота 0,023 Ом. Материал относится к первой группе металлов и по физическим свойствам является мягким. Золото встречается с примесями и в чистом виде. Плотность составляет 19,32 г/см³, сфера применения широка. В промышленности проводник востребован в качестве припоя.

Припой золото

Его разрешается наносить на различные поверхности, он служит отличным материалом для соединения заготовок, поскольку наблюдается низкая температура плавления. Также золото востребовано для защиты от коррозии.

Недостатки:

• мягкость материала;
• подвержен точечной коррозии.

Если использовать материал с добавками, то снижается температура плавления. Также это оказывает воздействие на механические свойства вещества.

Золото с добавками

Из сплавов никеля и хрома

Никель обладает удельным сопротивлением 0,087 Ом. Это элемент из 8 группы, который является пластинчатым. При термической обработке элемент покрывается пленкой оксида.

Особенности:

• высокое электрическое сопротивление;
• значительное линейное расширение;
• упругость.

Никель активно используется в качестве проводника в аккумуляторах.

Различные добавки:

• нихром;
• пермаллои;
• золото.

По сопротивлению элемент схож с константином, никелином. Хром является элементом шестой группы, проводник внешне имеет голубоватый оттенок. В качестве проводника он встречается в бытовой технике. Наиболее часто хром используется на пару с легированными сталями.

Свойства хрома

При соединении с нержавейкой образуется отличный проводник. Он демонстрирует антикоррозионные свойства, плюс повышенную твердость. На печатной плате элемент не боится износа. Устройства из хрома востребованы в авиакосмической промышленности.

Выше рассмотрены факторы, от чего зависит сопротивление проводника. Элементы изготавливаются из различных материалов, необходимо учитывать их свойства.

Раздел 1. Проводимость — Основы цифровой схемотехники

Проводник         Проводник – тело, проводящее электрический ток. Различают проводники первого и второго рода.    К первому роду относят: все металлы и их сплавы.    Ко второму роду относят: водные растворы кислот, солей и щелочей. Чем выше температура тела, тем меньше оно проводит электрический ток, и, наоборот, со снижением температуры проводимость увеличивается.         Металлы с высокой проводимостью используют для кабелей, проводов, обмоток трансформаторов. Металлы и сплавы с низкой проводимостью применяются в лампах накаливания, электронагревательных приборах, реостатах.         Основной параметр, характеризующий проводник – это электрическое сопротивление. Оно выражается отношением падения напряжения в проводнике к току, протекающему по нему, и зависит от температуры окружающей среды.     Применение проводников:        Проводники используют для заземления электроустановок. В качестве заземляющих проводников и заземлителей используют металлические конструкции сооружений и зданий, соблюдая при этом непрерывность и проводимость цепи. Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.         Проводники также могут использоваться для выравнивания потенциалов.         Проводники используют в громоотводе, отводя молнию в землю, чтобы она не нанесла никаких повреждений.         Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, которые стойкие к окислению. Такие материалы применяют в электронагревательных приборах, они обладают высокой пластичностью и могут вытягиваться в тонкую проволоку и выкатываться в фольгу. Одним из таких проводником является алюминий.     Механизм проводимости:     Кристаллы имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких t°C у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик (вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток). Свойства диэлектриков: Физико – механические и химические свойства диэлектриков Влажностные свойства диэлектриков Тепловые свойства диэлектриков Поляризация К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.         Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.         При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.         Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.         Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.         Электрический ток протекает в различных средах: Металлах Жидкостях Газах Полупроводниках Вакууме         Полупроводники — твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения). Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением t°C увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками Полупроводники чистые (без примесей)             Если полупроводник чистый (без примесей), то он обладает собственной проводимостью.     Собственная проводимость бывает двух видов:    1) электронная (проводимость «n » — типа) Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами.              При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении t°C кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.     2) дырочная (проводимость » p» — типа) Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении t°C. свободный электрон Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.         При увеличении t°C разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами образуются места с недостающим электроном — «дырка». Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.     Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных виртуальных частиц — дырок.         При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается. Полупроводники при наличии примесей             Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают:     1) донорные примеси (отдающие) При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких пределах изменять проводимость кремния.              Дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.     2) акцепторные примеси (принимающие) Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка. Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с заданными электрическими свойствами. создают «дырки» , забирая в себя электроны.  это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.                     Итак, существует 2 типа полупроводников, имеющих большое практическое применение:                 Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда, количество которых растет при увеличении t°C. Физические свойства и применение             Основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).             Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.             Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.        Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус. Транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором полупроводниковые пластинки соприкасаются таким образом, что возникает два p-n перехода.             Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.  Историческая справка             О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 — х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

Электрический ток и электропроводность вещества

 

Чтобы разобраться в таком явлении как электропроводность вещества, сначала нужно понять, что такое электрический ток, так как эти два явления неразрывно связаны друг с другом. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, которое может происходить под воздействием электрического поля.

Главная особенность электрического тока – его широкое применение в энергетике. Это – единственный вид энергии, который можно свободно передавать на большие расстояние без какой-либо дополнительной переработки.

Рассматривая передачу энергии, нужно затронуть тему проводников, по которым передаётся ток. Заряженными частицами могут быть электроны, ионы в электролитах и газах, в полупроводниках такими частицами становятся электроны и дырки. Данная особенность напрямую зависит от структуры вещества или тела. При этом каждое тело обладает собственной электрической проводимостью.

Что такое электрическая проводимость?

Простыми словами электрическая проводимость или электропроводность – это способность или свойство вещества или тела проводить электрический ток, который создаётся под действием электрического поля.

Это физическая величина, которую можно измерить, на основе которой даётся характеристика того или иного проводника. Чем выше эта характеристика, тем лучше тело проводит ток.

Как уже было сказано, проводниками электрического тока выступают свободные заряженные частицы, а значит, электропроводность зависит от количества таких свободных частиц. Чем большей будет концентрация свободных заряженных частиц, тем лучше вещество или тело будет проводить электрический ток.

Основные группы проводников

Так как разные тела располагают разным количеством свободных частиц, электропроводимость у всех отличается. По этому показателю тела можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся проводники, у них самая высокая проводимость. Такие тела лучше всего способны проводить электрический ток. Однако проводники также могут быть двух видов, отличие заключается в особенностях протекания тока.

1. Первый вид проводников – металлы. У них электронная проводимость, так как ток протекает за счёт большого количества свободных электронов;

2. Второй вид проводников с высокой электропроводимостью – различные кислоты, щелочные растворы и соли. Другое их название – электролиты. В них свободными заряженными частицами являются ионы. Отсюда и название – ионная проводимость.

Стоит отметить, что существуют вещества смешанного типа, то есть, заряженными частицами в них могут быть как электроны, так и ионы. Это могут быть некоторые газы.

Высокая электропроводность металлов легко объяснима при рассмотрении их структуры. В атомах металлов валентные электроны могут легко перемещаться от одного атома к другому, так как они слабо связаны с ядром. Таким образом, образуется электрический ток.

Электрическое сопротивление и скорость протекания тока

Электропроводимость тела напрямую зависит от сопротивления вещества, а её величина будет обратнопропорциональна показателю сопротивления.

Электрическое сопротивление – это свойство любого проводника; величина сопротивления равна отношению напряжения к силе протекающего тока. Можно сказать, что чем выше напряжение подаваемого тока, тем выше скорость протекания тока, однако сопротивление проводника снижает этот показатель.

Следует добавить, что электрического поле, порождающее упорядоченное движение частиц, а, следовательно, и электрический ток, распространяется в пространстве со скоростью света. То есть, электрический ток протекает всегда со скоростью 300 тысяч километров в секунду.

В чём же тогда особенность скорости движения? Дело в том, что скорость протекания тока равна скорости света, однако отдельные электроны могут двигаться с разной скоростью – от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в секунду. Это, разумеется, не очень большая скорость.

Почему же, существует подобная разница и как объяснить скорость распространения тока? Напряжение тока как раз определяет скорость движения отдельных электронов – несколько миллиметров или сантиметров в секунду.

Дело в том, что каждый отдельный электрон движется в одном огромном потоке электронов, которые полностью заполняют проводник. И каждый электрон постоянно взаимодействует с другими электронами. Так происходит во время прохождения электрического тока.

Поэтому отдельный электрон движется крайне медленно, однако, скорость распространения энергии в электрическом проводнике будет очень высока. Соответственно, чем больше будет количество свободных частиц, тем лучше будет их взаимодействие, а значит, выше будет скорость распространения тока и скорость передачи электрической энергии.

Что такое сопротивление проводников и от чего оно зависит: что важнее

Протекающий в проводящем материале ток пропорционален напряжению на нём. Т.е. при увеличении потенциала объём протекающих электронов также растёт. Правда, при применении различных элементов равнозначное напряжение даёт различное значение у тока. Таким образом, получается правило: при увеличении напряжения проходящий через проводник электрический ток тоже будет расти, но неодинаково, а в зависимости от характеристик элемента.

Пример провода

Определение резистивной составляющей

Электросопротивление материала – это соотношение величины протекающего тока и приложенного к нему напряжения. Для каждого конкретного элемента это соотношение своё. Для обозначения данной физической величины используют букву R. При определении её используют формулу закона Ома для участка цепи:

R=U/I.

Из представленного выражения видно, что резистивная составляющая – это отношение потенциала на проводнике к силе тока на нём же. Таким образом, чем выше величина тока, тем слабее резистивная составляющая у проводника, при большем напряжении – большая.

Дополнительная информация. Часто в обиходе говорят, что резистивная величина «мешает» напряжению бесконечно наращивать силу тока.

У любого резистора, выпускаемого в промышленных условиях, существует порядка десяти параметров, на которые необходимо обращать внимание при его выборе. Главный его параметр –  сопротивление. Это статическая характеристика для любого проводника, заданная при его производстве. Т.е. при подаче большего потенциала на проводящий элемент изменится только ток, проходящий сквозь него, но не его резистивная составляющая. Т.е. соотношение U/I остаётся неизменным.

От чего зависит сопротивление

Необходимо рассмотреть, от каких факторов зависит электрическое сопротивление проводника. Основных параметров четыре:

• Длина кабеля – l;
• Площадь поперечного сечения проводящего элемента – S;
• Металл, использованный в производстве кабеля;
• Температура окружающей среды – t.

Важно! Удельное сопротивление детали – это используемое в физике понятие, показывающее способность элемента задерживать проведение электричества.

Для состыковки детали и ее резистивной составляющей в физической науке введено понятие удельного сопротивления. Этот показатель характеризует величину резистивной составляющей кабеля при единичной длине в 1 метр и единичной площадью 1 м². Детали указанной протяжённости и толщины, произведённые из различного сырья, будут показывать различные значения резистивной величины. Это связано с физическими свойствами металлов. Именно из них в основном изготавливают провода и кабели. У каждого металлического материала своя величина элементов в кристаллической решётке.

Кристаллическая решётка

Самыми безупречно проводящими электричество деталями являются те, у которых значение резистивной составляющей наименьшее. Примером металлов с небольшой указанной величиной являются алюминий и медь. Подавляющее большинство проводов и кабелей для передачи электрической энергии изготавливаются из них. Также из них изготавливают шины в трансформаторных подстанциях и главных распределительных щитах любых зданий. Примером металлов, обладающих большой величиной удельного сопротивления, можно указать железо и всевозможные сплавы. Зачастую резистивную составляющую элемента указывают резистором.

При увеличении длины проводящего материала увеличивается и сопротивление металлического проводника. Это связано с физическими процессами, происходящими в нём при прохождении электрического тока. Суть их такова: электроны движутся по проводящему слою, в котором присутствуют ионы, из которых состоит кристаллическая решётка любого металла. Чем больше длина проводника, тем большее количество мешающих движению электронов присутствует ионов кристаллической решётки. Тем больше они создают препятствия для проведения электричества.

Для возможности наращивания протяжённости проводника производители увеличивают площадь материалов. Это даёт возможность расширить «автостраду» для электрического тока. Т.е. электроны меньше пересекаются с деталями решетки металла. Отсюда следует, что более толстый кабель имеет меньшее сопротивление.

Из всего вышесказанного вытекает формула для определения сопротивления проводника, выраженная через его длину (l), площадь поперечного сечения (S) и удельного сопротивления металла (ρ):

R = ρl/S.

В представленном выражении определения данного параметра отсутствует температура окружающей среды. Однако резистивная величина элемента меняется при достижении определенной температуры. Обычно эта температура составляет 20-25 °С. Поэтому не учитывать температуру окружающей среды при выборе детали нельзя. Это может привести к перегреву проводника и его воспламенению. Для выбора используют специализированные таблицы, значения которых используют в вычислениях.

Обычно увеличение температуры ведёт к увеличению резистивной составляющей металлического элемента. С физической точки зрения это связано с тем, что при увеличении температуры кристаллической решётки ионы в ней выходят из состояния покоя и начинают производить колебательные движения. Данный процесс замедляет электроны, т.к. столкновения между ними происходят чаще.

Шинная сборка

Выбор проводника – это достаточно сложный процесс, который лучше доверить профессионалам. При неправильной оценке всех факторов работы детали можно получить множество негативных последствий, вплоть до пожара. Поэтому понимание, от чего может зависеть сопротивление проводника, должно присутствовать.

Видео

Оцените статью:

Электропроводность — Energy Education

Рис. 1. Линии электропередач высокого напряжения изготовлены из алюминия из-за его высокой электропроводности. ^[1]

Электропроводность — это свойство материалов, которое определяет, насколько хорошо данный материал будет проводить электричество. Электропроводность тесно связана с удельным сопротивлением (которое используется чаще):

[математика] \ sigma = \ frac {1} {\ rho} [/ математика]

где [math] {\ sigma} [/ math] — это проводимость (в м / Ом), а [math] \ rho [/ math] — это удельное сопротивление (в Ом / м).Чтобы определить сопротивление провода (который может быть сделан практически из чего угодно: меди, алюминия; это уравнение работает даже для дерева!), Используйте:

[математика] R = \ rho \ frac {A} {l} = \ frac {A} {\ sigma l} [/ math]

где [math] A [/ math] — это площадь поперечного сечения провода (в м ² ), а [math] l [/ math] — его длина (в м).

Электропроводность тесно связана с электропроводностью. Электропроводность — это свойство самого материала (например, серебра), а электрическая проводимость — это свойство определенного электрического компонента (например, конкретного провода).

Электропроводность можно определить как напряжение, необходимое для протекания определенного количества электрического тока. Это во многом определяется количеством электронов во внешней оболочке; эти электроны определяют легкость, с которой генерируются подвижные электроны. Другой фактор — но менее важный — это количество атомов в единице объема, которое определяет количество электронов, которые будут легко перемещаться в ответ на электрическое поле. Материалы с высокой проводимостью, такие как медь и алюминий, называются проводниками.Материалы с низкой проводимостью, такие как резина и стекло, называются электрическими изоляторами (или просто изоляторами, когда нет возможности путаницы с теплоизоляцией). Другой особый класс материалов, таких как кремний и германий, находится между ними и называется полупроводниками.

Как правило, большинство металлов обладают высокой проводимостью (это еще один способ сказать, что металлы имеют тенденцию быть проводниками), потому что электроны в их внешней оболочке могут легко перемещаться. Неметаллы, как правило, обладают низкой проводимостью. ^[2]

Чтобы узнать о физике проводимости, см. Гиперфизику.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Электропроводность металлов

Электропроводность в металлах — это результат движения электрически заряженных частиц. Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов, которые представляют собой электроны во внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться.Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Поскольку валентные электроны могут свободно перемещаться, они могут перемещаться через решетку, которая формирует физическую структуру металла. Под действием электрического поля свободные электроны движутся сквозь металл так же, как бильярдные шары, ударяясь друг о друга, передавая электрический заряд во время движения.

Передача энергии

Передача энергии наиболее сильна при небольшом сопротивлении.На бильярдном столе это происходит, когда шар ударяется о другой шар, передавая большую часть своей энергии следующему шару. Если один шар ударяет несколько других шаров, каждый из них будет нести лишь часть энергии.

Точно так же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, которые имеют единственный валентный электрон, который может свободно перемещаться и вызывает сильную реакцию отталкивания в других электронах. Так обстоит дело с наиболее проводящими металлами, такими как серебро, золото и медь.У каждого есть один валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную реакцию отталкивания.

Полупроводниковые металлы (или металлоиды) имеют большее количество валентных электронов (обычно четыре или более). Таким образом, хотя они могут проводить электричество, они неэффективны в этой задаче. Однако при нагревании или добавлении других элементов полупроводники, такие как кремний и германий, могут стать чрезвычайно эффективными проводниками электричества.

Электропроводность металла

Электропроводность в металлах должна соответствовать закону Ома, который гласит, что ток прямо пропорционален электрическому полю, приложенному к металлу.Закон, названный в честь немецкого физика Георга Ома, появился в 1827 году в опубликованной статье, в которой излагалось, как ток и напряжение измеряются в электрических цепях. Ключевой переменной при применении закона Ома является удельное сопротивление металла.

Удельное сопротивление противоположно электрической проводимости, оценивая, насколько сильно металл противодействует прохождению электрического тока. Обычно это значение измеряется на противоположных гранях куба материала длиной один метр и описывается как омметр (Ом · м). Удельное сопротивление часто обозначают греческой буквой ро (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется в сименсах на метр (S 9m ^-1 ) и обозначается греческой буквой сигма (σ). Один сименс равен одному ому, обратному величине.

Электропроводность, удельное сопротивление металлов

Материал	Удельное сопротивление p (Ом • м) при 20 ° C	Электропроводность σ (См / м) при 20 ° C
Серебро	1.59×10 -8	6,30 x 10 7
Медь	1.68×10 -8	5.98×10 7
Отожженная медь	1.72×10 -8	5.80×10 7
Золото	2.44×10 -8	4.52×10 7
Алюминий	2,82 x 10 -8	3,5 x 10 7
Кальций	3.36×10 -8	2,82 x 10 7
Бериллий	4,00×10 -8	2.500×10 7
Родий	4,49 x 10 -8	2,23 x 10 7
Магний	4.66×10 -8	2,15×10 7
Молибден	5,225 x 10 -8	1,914×10 7
Иридий	5.289×10 -8	1.891×10 7
Вольфрам	5,49 x 10 -8	1.82×10 7
цинк	5.945×10 -8	1.682×10 7
Кобальт	6.25×10 -8	1.60×10 7
Кадмий	6,84 x 10 -8	1,46 7
Никель (электролитический)	6.84×10 -8	1,46 x 10 7
Рутений	7,595 x 10 -8	1,31×10 7
Литий	8,54 x 10 -8	1,17×10 7
Утюг	9,58×10 -8	1.04×10 7
Платина	1.06×10 -7	9,44 x 10 6
Палладий	1.08×10 -7	9,28 x 10 6
Олово	1,15×10 -7	8,7 x 10 6
Селен	1,197×10 -7	8,35 x 10 6
Тантал	1,24×10 -7	8,06 x 10 6
Ниобий	1,31×10 -7	7,66 x 10 6
Сталь (литая)	1.61×10 -7	6,21 x 10 6
Хром	1,96 x 10 -7	5,10 x 10 6
Свинец	2.05×10 -7	4,87 x 10 6
Ванадий	2,61 x 10 -7	3,83 x 10 6
Уран	2,87 x 10 -7	3,48 x 10 6
Сурьма *	3.92×10 -7	2,55 x 10 6
цирконий	4,105×10 -7	2.44×10 6
Титан	5.56×10 -7	1,798 x 10 6
Меркурий	9,58×10 -7	1.044×10 6
Германий *	4.6×10 –1	2,17
Кремний *	6.40×10 2	1,56×10 -3

* Примечание. Удельное сопротивление полупроводников (металлоидов) сильно зависит от наличия примесей в материале.

Зонная теория электропроводности

Проводников

Проводник — это материал, который может проводить электричество с минимальным сопротивлением электрическому потоку. Обычно это металл.

Цели обучения

Примените концепцию зонной теории для объяснения поведения проводников.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Проводник — это материал, содержащий подвижные электрические заряды.
• В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны, хотя в других случаях они могут быть ионами или другими положительно заряженными частицами.
• Зонная теория, в которой молекулярные орбитали твердого тела превращаются в серию непрерывных энергетических уровней, может быть использована для объяснения поведения проводников, полупроводников и изоляторов.
• Большинство знакомых проводников металлические.

Ключевые термины

• напряжение : величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
• молекулярная орбиталь : квантово-механическое поведение электрона в молекуле, описывающее вероятность конкретного положения и энергии электрона; аппроксимируется линейной комбинацией атомных орбиталей.
• металл : любой из ряда химических элементов в периодической таблице, которые образуют металлическую связь с атомами других металлов; обычно блестящие, несколько податливые и твердые, часто проводящие тепло и электричество.

Проводники и изоляторы

Проводник — это материал, содержащий подвижные электрические заряды. В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны. Положительные заряды также могут быть подвижными, такими как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента. Изоляторы — это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов; они несут лишь незначительные электрические токи.

При описании проводников с использованием концепции зонной теории лучше всего сосредоточиться на проводниках, которые проводят электричество с помощью мобильных электронов.Согласно теории зон, проводник — это просто материал, валентная зона которого перекрывается с зоной проводимости, что позволяет электронам проходить через материал с минимальным приложенным напряжением.

Теория полос

В физике твердого тела зонная структура твердого тела описывает те диапазоны энергии, называемые энергетическими зонами, которые может иметь электрон в твердом теле («разрешенные зоны»), и диапазоны энергии, называемые запрещенными зонами («запрещенные зоны»). , которого может и не быть. Теория зон моделирует поведение электронов в твердых телах, постулируя существование энергетических зон.В нем успешно используется ленточная структура материала для объяснения многих физических свойств твердых тел. Полосы также можно рассматривать как крупномасштабный предел теории молекулярных орбиталей.

Электроны отдельного изолированного атома занимают атомные орбитали, которые образуют дискретный набор уровней энергии. Если несколько атомов объединяются в молекулу, их атомные орбитали разделяются на отдельные молекулярные орбитали, каждая с разной энергией. Это создает количество молекулярных орбиталей, пропорциональное количеству валентных электронов.Когда большое количество атомов (10 ²⁰ или больше) объединяются в твердое тело, количество орбиталей становится чрезвычайно большим. Следовательно, разница в энергии между ними становится очень маленькой. Таким образом, в твердых телах уровни образуют непрерывные энергетические полосы, а не дискретные энергетические уровни отдельных атомов. Однако некоторые энергетические интервалы не содержат орбиталей, образуя запрещенные зоны. Эта концепция становится более важной в контексте полупроводников и изоляторов.

Проводники, полупроводники и изоляторы : Слева проводник (описываемый здесь как металл) имеет перекрывающиеся пустые и заполненные зоны, позволяя возбужденным электронам проходить через пустую зону с небольшим толчком (напряжением). Полупроводники и изоляторы имеют все большую и большую разницу в энергии между валентной зоной и зоной проводимости, что требует большего приложенного напряжения для движения электронов.

В пределах энергетического диапазона уровни энергии можно рассматривать как почти континуум по двум причинам:

1. Разделение уровней энергии в твердом теле сравнимо с энергией, которой электроны постоянно обмениваются с фононами (колебаниями атомов).
2. Это разделение сравнимо с неопределенностью энергии из-за принципа неопределенности Гейзенберга для достаточно длинных интервалов времени. В результате разделение между уровнями энергии не имеет значения.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые будут двигаться, когда разность электрических потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на материале. Этот поток заряда (измеряется в амперах) и называется электрическим током.В большинстве материалов постоянный ток пропорционален напряжению (как определено законом Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии.

Самые известные проводники металлические. Медь — самый распространенный материал, используемый для электропроводки. Серебро — лучший дирижер, но он стоит дорого. Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для высококачественных контактов поверхность-поверхность. Однако есть также много неметаллических проводников, в том числе графит, растворы солей и всякая плазма.Есть даже проводящие полимеры.

Теплопроводность и электропроводность часто идут рука об руку. Например, море электронов заставляет большинство металлов действовать как проводники электричества и тепла. Однако некоторые неметаллические материалы являются практическими электрическими проводниками, но не являются хорошими проводниками тепла.

Полупроводники

Полупроводники — это материалы, которые по своим свойствам находятся между нормальными проводниками и изоляторами; они часто производятся с помощью допинга.

Цели обучения

Сравните полупроводники N-типа и P-типа, отличив их от полупроводников и изоляторов, используя зонную теорию.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Собственные полупроводники состоят только из одного материала.
• Внешние полупроводники состоят из внутренних полупроводников, в которые были добавлены другие вещества для изменения их свойств (они были легированы другим элементом).
• Есть два типа внешних полупроводников: p-тип (p для положительного: дырка была добавлена ​​в результате легирования элементом III группы) и n-типа (n для отрицательного: дополнительный электрон был добавлен в результате легирования элементом III группы). элемент группы-V).

Ключевые термины

• полупроводник : вещество с электрическими свойствами между хорошими проводниками и хорошими изоляторами
• проводник : то, что может передавать электричество, тепло, свет или звук
• легированный : описание полупроводника, в который было добавлено небольшое количество элементов для создания носителей заряда

Полупроводники — это материалы, которые обладают свойствами как обычных проводников, так и изоляторов.Полупроводники делятся на две большие категории:

• Собственные полупроводники состоят только из одного вида материала; кремний и германий — два примера. Их также называют «нелегированные полупроводники» или «полупроводники i-типа. «
• Внешние полупроводники, с другой стороны, являются внутренними полупроводниками с добавлением других веществ для изменения их свойств, то есть они были легированы другим элементом.

Внутренние полупроводники

В классических кристаллических полупроводниках электроны могут иметь энергию только в определенных диапазонах (диапазонах уровней энергии).Энергия этих зон находится между энергией основного состояния и энергией свободного электрона (энергия, необходимая для полного выхода электрона из материала). Энергетические зоны соответствуют большому количеству дискретных квантовых состояний электронов. Большинство состояний с низкой энергией (ближе к ядру) занято, вплоть до определенной зоны, называемой валентной зоной.

Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов населенностью электронов в каждой зоне.Валентная зона в любом металле почти заполнена электронами при обычных условиях. В полупроводниках только несколько электронов существуют в зоне проводимости чуть выше валентной зоны, а изолятор почти не имеет свободных электронов.

Иллюстрация электронной зонной структуры полупроводника : Это исчерпывающая иллюстрация молекулярных орбиталей в массивном материале. По мере увеличения энергии в системе электроны покидают валентную зону и переходят в зону проводимости.

Полупроводники и изоляторы также отличаются относительной шириной запрещенной зоны. В полупроводниках ширина запрещенной зоны мала, что позволяет электронам заселять зону проводимости. В изоляторах он большой, что затрудняет прохождение электронов через зону проводимости.

Внешние полупроводники

Название «внешний полупроводник» может ввести в заблуждение. В то время как изоляционные материалы могут быть легированы, чтобы стать полупроводниками, собственные полупроводники также могут быть легированы, что приводит к примесному полупроводнику.Есть два типа примесных полупроводников, которые возникают в результате легирования: атомы с дополнительным электроном (n-тип для отрицательного элемента из группы V, например, фосфор) и атомы с одним электроном меньше (p-тип для положительного элемента из группы III. , например бор).

При производстве полупроводников легирование намеренно вводит примеси в чрезвычайно чистый или собственный полупроводник с целью изменения его электрических свойств. Примеси зависят от типа полупроводника.Слабо- и умеренно легированные полупроводники относятся к примерам примесей. Когда полупроводник легирован до такого высокого уровня, что он больше похож на проводник, чем на полупроводник, его называют вырожденным.

Полупроводники N-типа

Полупроводники

N-типа представляют собой тип примесных полупроводников, в которых атомы примеси способны обеспечивать дополнительные электроны проводимости для материала-хозяина (например, фосфор в кремнии). Это создает избыток отрицательных (n-типа) электронных носителей заряда.

Полупроводник N-типа : после легирования материала фосфором появляется дополнительный электрон.

Легирующий атом обычно имеет на один валентный электрон больше, чем один тип основных атомов. Наиболее распространенным примером является замещение атомов в твердых телах группы IV элементами группы V. Ситуация становится более неопределенной, когда хозяин содержит более одного типа атомов. Например, в полупроводниках III-V, таких как арсенид галлия, кремний может быть донором, когда он замещает галлий, или акцептором, когда он замещает мышьяк.У некоторых доноров меньше валентных электронов, чем у хозяина, например щелочные металлы, которые являются донорами в большинстве твердых тел.

Полупроводники P-типа

Полупроводник p-типа (p означает «положительный») создается путем добавления к полупроводнику атома определенного типа с целью увеличения количества свободных носителей заряда. Когда легирующий материал добавляется, он забирает (принимает) слабосвязанные внешние электроны у атомов полупроводника. Этот тип легирующего агента также известен как акцепторный материал, а вакансия, оставленная электроном, известна как дырка.Целью легирования p-типа является создание большого количества дырок.

Полупроводник P-типа : после того, как материал был легирован бором, в структуре пропадает электрон, оставляя дырку. Это позволяет упростить поток электронов.

В случае кремния трехвалентный атом замещен в кристаллической решетке. В результате один электрон отсутствует в одной из четырех ковалентных связей, обычно являющихся частью решетки кремния. Следовательно, атом примеси может принять электрон от ковалентной связи соседнего атома, чтобы завершить четвертую связь.Вот почему эти легирующие примеси называют акцепторами.

Когда атом примеси принимает электрон, это вызывает потерю половины одной связи с соседним атомом, что приводит к образованию дырки. Каждая дырка связана с ближайшим отрицательно заряженным ионом примеси, и полупроводник в целом остается электрически нейтральным. Однако, как только каждая дырка переместится в решетку, один протон в атоме в месте расположения дыры будет «обнажен» и больше не будет нейтрализован электроном.У этого атома будет три электрона и одна дырка, окружающие конкретное ядро ​​с четырьмя протонами.

По этой причине отверстие ведет себя как положительный заряд. Когда добавляется достаточно большое количество акцепторных атомов, дырок намного превышает количество термически возбужденных электронов. Таким образом, дырки являются основными носителями, в то время как электроны становятся неосновными носителями в материалах p-типа.

Проводимость, TDS, соленость, удельное сопротивление

Вода обладает способностью проводить электричество из-за присутствия в растворе заряженных ионов.Ионы — это атомы молекул, которые имеют общий электрический заряд, и они включают катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы). Наиболее распространенные заряженные ионы в природной воде обычно включают катионы натрия (Na +), калия (K +), кальция (Ca + 2) и магния (Mg + 2) и анионы хлорида (Cl-), сульфата (SO4-2). , нитрат (NO3-) и бикарбонат (HCO3-). Многие другие ионы также можно найти в воде, включая органические ионы и другие неорганические ионы.

Эти ионы несут электрический заряд и могут перемещаться через воду, что позволяет воде проводить электрический ток.Мера способности воды проводить электрический ток называется ее электропроводностью. Более высокая концентрация ионов в воде увеличивает ее способность проводить электричество и, следовательно, ее проводимость. С другой стороны, дистиллированная вода имеет очень низкую концентрацию ионов и низкую проводимость.

Техническое примечание: Иногда удельную проводимость называют удельной проводимостью.

Сопротивление противоположно проводимости.Удельное сопротивление — это способность материала (например, воды) противостоять току электричества. Удельное сопротивление обратно пропорционально проводимости, так что

Сопротивление = 1 / Проводимость

Из этого соотношения мы можем видеть, что вода с высокой проводимостью имеет низкое удельное сопротивление, и наоборот. Например, дистиллированная вода будет иметь высокое сопротивление и низкую проводимость.

Типичная единица измерения проводимости — микросименс на см (мкСм / см). Эту единицу также иногда записывают как микромос на см (мкмхо / см), где 1 мкСм / см равняется 1 мкмо / см.Питьевая вода обычно имеет значения электропроводности от 50 до 1500 мкм / см [1]. При более высокой проводимости вода становится слишком соленой для питья.

Техническое примечание: обратите внимание, что «mho» — это обратное написание «ом», общей единицы электрического сопротивления.

Поскольку проводимость незначительно изменяется в зависимости от температуры, значения проводимости обычно указываются как значения с температурной компенсацией, которые представляют, какой была бы проводимость при 25 ° C.Это упрощает сравнение значений электропроводности для образцов с разными температурами.

Как проводимость связана с общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS)?

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) относится к общему количеству растворенных веществ, присутствующих в воде. TDS обычно указывается в миллиграммах на литр (мг / л) или ppm (частях на миллион). Это означает, что если полностью выпарить один литр воды с TDS 500 мг / л, останется 500 мг твердого остатка.Обычно растворенные твердые вещества включают в основном растворенные минеральные ионы, такие как натрий, хлорид и другие ионы, упомянутые выше. TDS также может включать другие неорганические ионы, растворенные органические вещества и неионные вещества, такие как растворенный диоксид кремния. Хотя относительно небольшое количество TDS включает неионные вещества, не несущие электрического заряда, воды с более высокими значениями TDS обычно имеют более высокие значения проводимости.

По этой причине измерение электропроводности (быстрое и легкое) может использоваться для оценки TDS (что является более дорогостоящим и трудоемким для непосредственного измерения).Однако взаимосвязь между проводимостью и TDS зависит от химического состава воды, поскольку ионы различаются по способности передавать электрический заряд через воду. Некоторые ионы переносят электрические заряды быстрее других из-за таких факторов, как размер и масса ионов, а также то, как они взаимодействуют с молекулами воды.

Общее уравнение для оценки TDS по проводимости выглядит следующим образом:

TDS (мг / л) = k · EC (мкСм / см)

где EC — электрическая проводимость, а k — коэффициент преобразования, что связано с химическим составом воды.

Для типичных природных вод, таких как вода ручьев и озер, значение коэффициента преобразования обычно составляет от 0,6 до 0,7, а значение 0,64 считается типичным. Для раствора, содержащего в основном ионы натрия и хлорида, типичные значения от 0,49 до 0,56 в зависимости от концентрации соли.

Для точной оценки TDS по проводимости, при выборе коэффициента преобразования следует учитывать химический состав раствора. Если состав раствора известен, то истинное TDS репрезентативной пробы воды можно рассчитать, взяв сумму измеренных концентраций.В качестве альтернативы можно напрямую измерить истинное значение TDS репрезентативной пробы. Затем можно рассчитать правильное значение коэффициента преобразования на основе истинного TDS и измеренной проводимости.

Если правильное значение коэффициента преобразования не может быть вычислено, то типичное значение коэффициента преобразования или значение по умолчанию (например, 0,64) приведет к оценке TDS, которая находится, по крайней мере, в правильном приближении.

Как проводимость связана с соленостью?

Под соленостью понимается содержание соли в воде.Поскольку большинство растворенных твердых веществ обычно состоят из неорганических ионов, которые являются компонентами солей, понятия солености и TDS очень похожи. Фактически, эти два понятия иногда считаются синонимами. Однако соленость часто выражается в единицах массы соли на массу воды. Например, океанская вода обычно содержит около 35 граммов соли на один килограмм воды, поэтому ее соленость может быть выражена как 35/1000 или 0,035. Это также может быть выражено как 3,5% или 35 частей на тысячу (ppt).

Соленость часто используется для описания морской воды и солоноватой воды, но ее также можно использовать для описания пресной воды и рассолов. Поскольку пропорции наиболее важных ионов в морской воде почти постоянны, океанографы могут использовать очень точные формулы для оценки солености по электропроводности и температуре [1].

В случаях, когда соленость измеряется в мг / л (например, для воды в озере, плавательных бассейнах или ирригационной воде), соленость можно оценить по электропроводности с использованием той же формулы, представленной для TDS в предыдущем разделе.

Источники

[1] Американская ассоциация общественного здравоохранения (APHA) (2005) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 21-е изд. APHA, AWWA, WPCF, Вашингтон.

Факторы, влияющие на электропроводность | Экологическая геофизика

Электропроводность грунтовых материалов зависит от металла. содержание (сульфидов) в породе, пористость, глинистость, проницаемость, и степень насыщения пор.

Содержание металла

Все металлические предметы, представляющие интерес, на зараженном участке оценки имеют очень большой контраст проводимости с их окружение и обычно легко обнаруживается электрическими и электромагнитные методы. Количественные оценки металла контент получить нелегко. Нельсон и Ван Вурхис (1982) показывают удельные сопротивления большого количества сульфидсодержащих пород (от 0.От 5 до 15 массовых процентов). Вариант их фигуры воспроизведено из работы Херста и Нельсона (1985) на рисунке 1. Как Херст и Нельсон отмечают, что ниже 2% корреляция невелика, тогда как между 2% и 10% наблюдается постоянное снижение электрического удельное сопротивление Крутизна зависимости удельного сопротивления от процента сульфидов. уменьшается (т. е. увеличивается проводимость), заметно превышая десять процентов сульфиды. Это снижение ускоряется более чем на 10%, что позволяет предположить, что мелкие вены образуют исключительно проводящие пути.Примечание что эффекты ВП гораздо более выражены, чем аномалии удельного сопротивления при низкое содержание металлов.

Пористость

В отсутствие металлов, проводящих электронно проводимость пласта связана с объемом и проводимость воды в грунтовых материалах. подземные воды проводит через свои ионы, и поэтому его проводимость зависит от сильно влияет на общее количество растворенных твердых веществ.Внутри пористой, безглинистая среда с непроводящей матрицей, известное соотношение как закон Арчи (Archie, 1942) широко используется и обоснованно:

(1)

где

Как отмечают Херст и Нельсон, удивительно, что проводимость так много геологических образований хорошо представлено этим простым функция пористости.Это справедливо даже для очень низких пористость, обнаруженная в кристаллических породах.

Для простой трехкомпонентной системы воздуха, воды и матрицы отношение

(2)

где

Следовательно, если фактор образования и удельная проводимость грунтовых вод насыщенный пласт можно измерить (скажем, с помощью геофизики и отбора проб, соответственно) пористость можно приблизительно оценить.Если F известно, то S можно оценить в частично насыщенной среде.

Содержание глины

Глины и сланцы представляют собой гидратированные минералы с высокой пористостью и низкой проницаемости. Сами минералы могут быть не очень проводящие, но их поверхность ge вызывает избыток катионов в поровая жидкость, непосредственно прилегающая к глиняным поверхностям. Результат высокая проводимость возле глиняных поверхностей, которая может доминировать общая проводимость при низкой проводимости поровой воды.А обычно цитируемые отношения (Waxman and Smits, 1968):

(3)

где s _c можно оценить по его катионообменная емкость. Однако есть несколько проблем в применяя это, казалось бы, простое уравнение.

Фигура 1.Удельное электрическое сопротивление горных пород с разной масс.% сульфид. Каждый образец имеет среднее значение по нескольким кубическим метрам.

Проницаемость

Несмотря на отношения Арчи, рок с непроводящим матрица должна быть как проницаемой, так и пористой, чтобы проводить электричество. Между законами Дарси существует явная симметрия. и Ohm, которые предсказывают электрический ток и поток жидкости, соответственно.

Закон Дарси:

(4)

Закон Ома:

(5)

где

Тем не менее, взаимосвязь между электропроводностью и проницаемость сложна и зависит от места.

Эти отношения ищутся как на материальном (выборочном) уровне, так и на по масштабам водоносного горизонта. Прекрасное резюме дано Мазаком и др. (1985). На уровне водоносного горизонта сопротивление, поперечное сопротивление и горизонтальная проводимость, измеренные по поверхности удельное сопротивление и ЭМ зондирования или каротажные диаграммы сравниваются со средним гидравлическая проводимость, коэффициент пропускания и утечка. Эти параметры проиллюстрированы на рисунке 2 и в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение электрических и гидравлических свойств.

Электрооборудование	Гидравлический
Поперечное сопротивление: T = S h i r i = л	Коэффициент пропускания: T h = Sh i k i = K л H
Продольная проводимость: S = Sh i / r i = H / r l	Утечка: L h = Sk i / h i = K т / H
Средние значения удельного сопротивления водоносного горизонта: r l , г т	Средняя гидравлическая проводимость: K л , K т

В зависимости от структуры удельного сопротивления зондирование поверхностного сопротивления часто можно оценить либо T, либо S для последовательности водоносных горизонтов, но не H или r _t или r _l независимо.Если H = Ш _и может быть оценивается по другим данным, то средние удельные сопротивления могут быть полученный.

Рисунок 2. Слоистая модель водоносного горизонта.

Кроме того, полезно иметь возможность корректировать известные изменения в воде. качество между сайтами, так как это повлияет на r, но не на K. На материальном уровне, как прямая, так и обратная взаимосвязь между удельным сопротивлением и гидравлическим проводимость вполне возможны.

Рисунок 3. Схематическая взаимосвязь между гидравлической проводимостью, пористость и удельное сопротивление (Mazac et al., 1985).

Для чистого водоносного горизонта, где закон Арчи предсказывает обратное соотношение между удельным сопротивлением и (эффективной) пористостью, эффективное пористость определяет гидравлическую проводимость, и обратная зависимость с гидравлической проводимостью можно ожидать.

Однако для разных материалов гидравлическая проводимость увеличивается и пористость уменьшается с размером зерна, что приводит к прямой зависимости между r и k.В ситуации, когда содержание глины преобладает над удельным сопротивлением материала, снова можно ожидать прямой зависимости между r и k (как в примере выше). Mazac и др. (1985) показывают общую тенденцию между различные материалы (от глины до гравия) с обратной зависимостью k от f и прямой зависимостью r от k. Наложенный, для в любом конкретном материале они демонстрируют противоположные тенденции. Это показано схематично на рисунке 4.

Глубина кожи

В электромагнитных методах электропроводность земли играет ключевую роль в возможном проникновении. Проводимость удаляет (ослабляет) энергию из электромагнитной волны через работа сделана при перемещении ge. ЭМ волны более высокой частоты теряют энергию быстрее, чем низкочастотные волны, потому что, по крайней мере, концептуально, они перемещают больше ge в заданное время. Глубина, на которой самолет электромагнитная волна будет ослаблена до (0,37) своей поверхности амплитуда называется глубиной скин-слоя. Полезность кожи концепция глубины заключается в том, что она представляет максимальное проникновение ЭМ метод, работающий на частоте f в среде с проводимостью с .Фактическая глубина разведки может может быть намного меньше глубины кожи из-за других факторов, в частности геометрия поисковой системы. Глубина кожи зависит от проводимость как:

(6)

где

Рисунок 4.Глубина скин-слоя как функция удельного сопротивления и частоты.

Вторая формулировка предполагает свободное пространство проницаемость 4π.10 ^-7 . A t глубины скин-слоя по сравнению с частота показана на рисунке 4.

Страницы, найденные в разделе «Свойства» в основном основаны на отчете Министерства транспорта США:

Wightman, W.Э., Джалинус Ф., Сирлес П. и Ханна К. (2003). «Применение геофизических методов к проблемам, связанным с автомобильными дорогами». Федеральное управление шоссейных дорог, Управление автомобильных дорог Центральных федеральных земель, Лейквуд, Колорадо, публикация № FHWA-IF-04-021, сентябрь 2003 г. http://www.cflhd.gov/resources/agm/

Что такое проводимость металлов?

Электропроводность металла — это мера способности материала передавать тепло или электричество (или звук). Обратной величиной проводимости является сопротивление или способность уменьшать их поток.

Понимание тенденции материала к поведению может быть решающим фактором при выборе этого материала для конкретного применения. Очевидно, что некоторые материалы выбраны потому, что они легко проводят электричество (например, проволока) или тепло (например, ребра или трубы в радиаторе или теплообменнике). Для других применений (например, для изоляции) выбираются материалы, потому что они не обладают хорошей проводимостью.

Чистые металлы обычно обеспечивают лучшую проводимость.В большинстве металлов наличие примесей ограничивает поток электронов. Таким образом, по сравнению с чистыми металлами элементы, которые добавляются в качестве легирующих агентов, могут считаться «примесями». Таким образом, сплавы обладают меньшей электропроводностью, чем чистый металл. Если требуются другие свойства, обеспечиваемые легированием (например, для дополнительной твердости или прочности), важно выбрать добавки в сплав, которые не оказывают значительного влияния на проводимость, если это также важно.

Металлы проводят электричество, позволяя свободным электронам перемещаться между атомами.Эти электроны не связаны ни с одним атомом, ни с ковалентной связью. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, движение одного свободного электрона внутри решетки вытесняет электроны в следующем атоме, и процесс повторяется — движется в направлении тока к положительно заряженному концу.

Теплопроводность аналогична электрической в ​​том, что возбуждение атомов в одной секции приводит к возбуждению и вибрации соседних атомов. Это движение или кинетическая энергия — как если бы вы потирали руки друг о друга, чтобы согреться — позволяет теплу проходить через металл.Сплавы, которые представляют собой комбинацию различных металлических элементов, имеют более низкий уровень теплопроводности, чем чистые металлы. Атомы разного размера или атомного веса будут колебаться с разной скоростью, что изменит характер теплопроводности. Чем меньше передача энергии между атомами, тем меньше проводимость.

Чистое серебро и медь обеспечивают самую высокую теплопроводность, в меньшей степени алюминий. Нержавеющие стали обладают низкой теплопроводностью. Некоторые материалы, в том числе медь, легко проводят как тепло, так и электричество.В то время как другие, например стекло, проводят тепло, но не проводят электричество.

Как мы уже отмечали ранее, выбор металла для любого применения, вероятно, требует компромиссов. Например, подумайте о выборе металла в посуде. В то время как алюминий является достойным проводником тепла, медь проводит лучше и обеспечивает более быстрое и равномерное приготовление пищи — если вы ищете эту быструю еду. Но медь намного дороже. Вот почему вся посуда, кроме самой высококачественной, сделана из алюминия или алюминия с покрытием или оболочкой (алюминий реагирует на соленые и кислые продукты), а не из более дорогой меди.Еще один вариант — медь с покрытием из нержавеющей стали.

Как и в большинстве подобных случаев, ближайший к вам металлург может помочь принять экономически эффективное решение по выбору сплава — по проводимости или почти по любым другим желаемым характеристикам.

Что такое электропроводность? — Matmatch

Электропроводность — это показатель того, насколько легко материал позволяет электрическому току проходить через него. И наоборот, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько сильно материал сопротивляется прохождению электрического тока.Эти два свойства полностью противоположны друг другу. Электропроводность обозначается греческой буквой σ , а удельное электрическое сопротивление обозначается греческой буквой ρ .

Материалы часто выбираются или выбрасываются для применения из-за их электропроводности, когда прохождение электрического тока имеет решающее значение для функциональности их применения. Металлы обычно являются лучшими проводниками электричества, а полимеры — наименее проводниками электричества.Серебро — лучший проводник электричества, но оно редко используется для этой функции из-за его редкости и, как следствие, непомерно высокой стоимости.

Из этой статьи вы узнаете о:

• Какая электрическая проводимость равна
• Измерение электропроводности
• Применения электропроводности
• Материалы и применение будущего

Сечение подземного электрического кабеля.

Что такое электропроводность?

Хорошие проводники электричества также часто являются хорошими проводниками тепла, что проявляется в большинстве металлов. Температура материала может не так просто повлиять на его проводимость. Для материалов, известных как проводники, повышение температуры обычно снижает их проводимость и наоборот. Но для изоляторов все обстоит наоборот, поскольку повышение температуры на фактически увеличивает их проводимость.Это соотношение между температурой и электропроводностью полезно при создании сверхпроводников. Сверхпроводник — это материал, который почти идеально проводит электричество, практически не имея никакого сопротивления. Пока что всем известным сверхпроводникам требуются чрезвычайно низкие температуры (до -234 ^o C), чтобы проявлять это свойство.

Электропроводность материала определяется по формуле

`\ sigma = \ frac {1} {\ rho}`

Где ρ — удельное сопротивление материала.

Удельное сопротивление измеряется в Ом · метрах (Ом · м), а проводимость измеряется в Сименсах на метр (См / м) , что является обратной величиной единицы удельного сопротивления. Электропроводность или удельное сопротивление материала — это неизменное свойство, которое не меняется в зависимости от размера или формы материала.

Электропроводность материала зависит от температуры, но она также может меняться в зависимости от приложенного магнитного поля. До сих пор мы предполагали, что все материалы однородны и изотропны; гомогенный означает, что свойства материала одинаковы независимо от того, откуда взят образец, а изотропный означает, что эти свойства имеют одинаковое значение независимо от того, в каком направлении они измеряются.Однако это не всегда так, особенно для полупроводников, которые представляют собой особые материалы, которые демонстрируют разную проводимость в разных направлениях. Кроме того, проводимость , и сопротивление , не следует принимать за проводимость или удельное сопротивление соответственно. Хотя они связаны, они не одно и то же и не взаимозаменяемы. Электропроводность и сопротивление изменяются в зависимости от размера рассматриваемого материала, а проводимость и удельное сопротивление — нет. .

Таблица 1. Удельное сопротивление и проводимость обычных материалов при 20 ° C [1]

Материал	Удельное сопротивление ρ (Ом.м) при 20 ° C	Электропроводность σ (См / м) при 20 ° C
Серебро	1,59 × 10 −8	6,30 × 10 7
Медь	1.68 × 10 −8	5,96 × 10 7
Золото	2,44 × 10 −8	4,10 × 10 7
Алюминий	2,82 × 10 −8	3,5 × 10 7
Кальций	3,36 × 10 −8	2.98 × 10 7
Вольфрам	5,60 × 10 −8	1,79 × 10 7
Цинк	5,90 × 10 −8	1,69 × 10 7
Никель	6,99 × 10 −8	1,43 × 10 7
Литий	9.28 × 10 −8	1,08 × 10 7
Утюг	1,0 × 10 −7	1,00 × 10 7
Платина	1,06 × 10 −7	9,43 × 10 6
Олово	1,09 × 10 −7	9.17 × 10 6
Углеродистая сталь	-1010	1,43 × 10 −7
Свинец	2,2 × 10 −7	4,55 × 10 6
Титан	4,20 × 10 −7	2,38 × 10 6
Константан	4.9 × 10 −7	2,04 × 10 6
Нержавеющая сталь	6,9 × 10 −7	1,45 × 10 6
Меркурий	9,8 × 10 −7	1,02 × 10 6
Углерод (аморфный)	5 × 10 −4 — 8 × 10 −4	1.25 — 2 × 10 3
Карбон (алмаз)	1 × 10 12	~ 10 −13
Кремний	6,40 × 10 2	1,56 × 10 −3
Стекло	10 × 10 10 — 10 × 10 14	10 −11 — 10 −15
Твердая резина	1 × 10 13	10 −14
тефлон	10 × 10 22 — 10 × 10 24	10 −25 — 10 −23

Измерение электропроводности

Двухточечный и четырехточечный методы — два наиболее распространенных метода измерения электропроводности [2].

Двухточечная техника

Этот метод включает пропускание тока (через источник напряжения) через образец (прямоугольный стержень) материала. Этот ток подается через два медных узла, которые прикреплены к обоим концам шины (отсюда и название двухточечной техники). Измеряется сила тока, протекающего через стержень, и, поскольку напряжение уже известно, сопротивление рассчитывается по формуле ниже

.

`R = \ frac {V} {I}`

Где R = сопротивление в Ом, В = напряжение в вольтах и ​​ I = ток в амперах.

Электропроводность стержня можно рассчитать как

`\ sigma = \ frac {l} {Rwh}`

Где σ, — проводимость в См / м, R — измеренное сопротивление в Ом, а w , h и l — ширина, высота и длина стержня образца соответственно.

Четырехточечная техника

Двухточечный метод изначально подвержен ошибкам, поскольку измерительное оборудование эффективно обладает свойствами, которые также измеряются одновременно с тестовым образцом.Это означает, что измеренная проводимость материала обычно ниже, чем она есть на самом деле. {1}} {Vwh}`

Где σ — проводимость, измеренная в См / м, I — ток, измеренный амперметром в амперах, В, — напряжение, измеренное вольтметром в вольтах, l ¹ — длина между две точки, в которых измеряется напряжение, w и h — ширина и высота полосы образца, соответственно.

Приложения и материалы

Электропроводность находит применение в различных отраслях промышленности, от передачи энергии до электроники. Вот несколько примеров общих приложений принципа проводимости [3].

• Воздушные линии электропередачи, которые используются для передачи электроэнергии, обычно изготавливаются из алюминия, потому что это очень хороший проводник электричества. Точно так же большинство изоляторов сделано из полимера с очень низкой проводимостью, чтобы защитить людей от поражения электрическим током.
• Чтобы избежать электростатического разряда (ESD), электропроводящие пластмассы и композиты спроектированы так, чтобы рассеивать статическое электричество. Это важно в электронике, где пластмассы используются для изготовления корпусов и других применений, где электростатический разряд может вызвать воспламенение горючего газа или жидкости.
• Электропроводность может использоваться датчиком для определения границы раздела двух жидкостей, если они имеют значительную разницу в проводимости. Это может быть полезно при химической переработке и производстве продуктов питания и напитков.
• При опреснении морской воды используется электрическая проводимость, чтобы контролировать, насколько хорошо растворенные ионные твердые частицы были удалены из воды, и, таким образом, дает представление о полноте процесса очистки.

Материалы и приложения будущего

Редкость определенных материалов, стоимость их производства и другие факторы означают, что не всегда всегда выбирается лучший материал для определенного применения с точки зрения электропроводности.Серебро, известное как лучший металлический проводник, идеально подошло бы для применения в интегральных схемах, поскольку оно инертно. Золото, хотя и менее проводящее, будет лучше, чем серебро, когда важна защита от излучения. Алмаз, наименее проводящий материал, о котором мы говорили до сих пор, может быть единственным вариантом при высоком давлении. Наконец, сверхпроводники — почти идеальные материалы, но для их функционирования требуется температура, близкая к абсолютному нулю. Квантовые суперкомпьютеры проектируются таким образом, чтобы потребовались сверхпроводники, поскольку их расчеты основаны на точном количестве электронных разрядов, чтобы работать с их скоростью и точностью [4].

Линии электропередачи требуют комбинации материалов, обладающих свойствами как электропроводности, так и удельного электрического сопротивления.

[1] A. Helmenstine, «Таблица удельного электрического сопротивления и проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://sciencenotes.org/table-of-electrical-resistivity-and-conductivity/, 2019.

[2] Хини, Майкл Б. «Электропроводность и удельное сопротивление».

No related posts.