Conductivitat elèctrica de les substàncies

En aquest article, revelarem el tema de la conductivitat elèctrica, recordarem què és el corrent elèctric, com es relaciona amb la resistència d'un conductor i, en conseqüència, amb la seva conductivitat elèctrica. Observem les principals fórmules per calcular aquestes quantitats, tocant el tema velocitat actual i la seva relació amb la intensitat del camp elèctric. També tocarem la relació entre la resistència elèctrica i la temperatura.

Per començar, recordem què és el corrent elèctric. Si col·loqueu una substància en un camp elèctric extern, sota l'acció de les forces d'aquest camp, s'iniciarà el moviment dels portadors de càrrega elementals (ions o electrons) a la substància. Serà una descàrrega elèctrica. El corrent I es mesura en amperes, i un amper és el corrent al qual una càrrega igual a un coulomb travessa la secció transversal del cable per segon.

El corrent és continu, alterna, pulsant.El corrent continu no canvia la seva magnitud i direcció en un moment donat, el corrent altern canvia la seva magnitud i direcció al llarg del temps (els generadors de CA i els transformadors donen exactament corrent altern), el corrent pulsatori canvia la seva magnitud però no canvia de direcció (per exemple, corrent altern rectificat) . els polsos de corrent).

Les substàncies tendeixen a conduir un corrent elèctric sota l'acció d'un camp elèctric, i aquesta propietat s'anomena conductivitat elèctrica, que és diferent per a diferents substàncies.La conductivitat elèctrica de les substàncies depèn de la concentració de partícules carregades lliurement en elles, és a dir, ions. i electrons que no estan lligats ni amb l'estructura cristal·lina, ni amb les molècules, ni amb els àtoms de la substància donada. Així, depenent de la concentració de portadors de càrrega lliure en una substància determinada, les substàncies es divideixen per grau de conductivitat elèctrica en: conductors, dielèctrics i semiconductors.

Té la conductivitat elèctrica més alta fils de corrent elèctric, i per naturalesa física els conductors a la natura estan representats per dos tipus: metalls i electròlits. En els metalls, el corrent es deu al moviment dels electrons lliures, és a dir, tenen conductivitat electrònica, i en els electròlits (en solucions d'àcids, sals, bases) - a partir del moviment dels ions - parts de molècules que tenen un efecte positiu i càrrega negativa, és a dir, la conductivitat dels electròlits és iònica. Els vapors i gasos ionitzats es caracteritzen per una conductivitat mixta, on el corrent es deu al moviment tant dels electrons com dels ions.

La teoria electrònica explica perfectament l'alta conductivitat elèctrica dels metalls.L'enllaç dels electrons de valència amb els seus nuclis dels metalls és feble, de manera que aquests electrons es mouen lliurement d'àtom a àtom per tot el volum del conductor.

Resulta que els electrons lliures dels metalls omplen l'espai entre els àtoms com un gas, un gas d'electrons, i estan en moviment caòtic. Però quan s'introdueix un fil metàl·lic en un camp elèctric, els electrons lliures es mouran de manera ordenada, es mouran cap al pol positiu, creant un corrent. Així, el moviment ordenat dels electrons lliures en un conductor metàl·lic s'anomena corrent elèctric.

Se sap que la velocitat de propagació d'un camp elèctric a l'espai és aproximadament igual a 300.000.000 m/s, és a dir, la velocitat de la llum. Aquesta és la mateixa velocitat a la qual circula el corrent per un cable.

Què vol dir? Això no vol dir que cada electró del metall es mogui a una velocitat tan gran, sinó que els electrons d'un cable, al contrari, tenen una velocitat d'uns quants mil·límetres per segon a uns quants centímetres per segon, depenent de intensitat del camp elèctric, però la velocitat de propagació del corrent elèctric al llarg d'un cable és exactament igual a la velocitat de la llum.

El cas és que cada electró lliure resulta estar en el flux d'electrons general d'aquest mateix "gas d'electrons", i durant el pas del corrent, el camp elèctric actua sobre tot aquest flux, com a resultat del qual els electrons transmeten constantment. aquesta acció de camp entre si - de veí a veí.

Però els electrons es mouen als seus llocs molt lentament, malgrat que la velocitat de propagació de l'energia elèctrica al llarg del cable és enorme.Així, quan s'encén l'interruptor a la central elèctrica, el corrent sorgeix immediatament a tota la xarxa i els electrons pràcticament s'aturen.

Tanmateix, quan els electrons lliures es mouen al llarg d'un cable, experimenten moltes col·lisions en el seu camí, xoquen amb àtoms, ions, molècules, transferint-los part de la seva energia. L'energia dels electrons en moviment que superen aquesta resistència es dissipa parcialment com a calor i el conductor s'escalfa.

Aquestes col·lisions serveixen com a resistència al moviment dels electrons, per això la propietat d'un conductor d'impedir el moviment de partícules carregades s'anomena resistència elèctrica. Amb una baixa resistència del cable, el cable s'escalfa lleugerament pel corrent, amb un de significatiu, molt més fort i fins i tot fins al blanc, aquest efecte s'utilitza en dispositius de calefacció i làmpades incandescents.

La unitat de canvi de resistència és Ohm. La resistència R = 1 ohm és la resistència d'aquest cable, quan hi passa un corrent continu d'1 ampere, la diferència de potencial als extrems del cable és d'1 volt. L'estàndard de resistència en 1 ohm és una columna de mercuri de 1063 mm d'alçada, secció transversal d'1 mm quadrat a una temperatura de 0 °C.

Com que els cables es caracteritzen per la resistència elèctrica, podem dir que fins a cert punt el cable és capaç de conduir el corrent elèctric. En aquest sentit, s'introdueix un valor anomenat conductivitat o conductivitat elèctrica. La conductivitat elèctrica és la capacitat d'un conductor de conduir un corrent elèctric, és a dir, el recíproc de la resistència elèctrica.

La unitat de conductivitat elèctrica G (conductivitat) és Siemens (S) i 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Com que els àtoms de diferents substàncies interfereixen amb el pas del corrent elèctric en diferents graus, la resistència elèctrica de les diferents substàncies és diferent. Per aquest motiu, es va introduir el concepte resistència elèctrica, el valor «p» del qual caracteritza les propietats conductores d'aquesta o aquella substància.

La resistència elèctrica específica es mesura en Ohm * m, és a dir, la resistència d'un cub de substància amb una vora d'1 metre. De la mateixa manera, la conductivitat elèctrica d'una substància es caracteritza per la conductivitat elèctrica específica ?, mesurada en S/m, és a dir, la conductivitat d'un cub de substància amb una vora d'1 metre.

Avui en dia, els materials conductors en enginyeria elèctrica s'utilitzen principalment en forma de cintes, pneumàtics, cables, amb una certa àrea de secció transversal i una certa longitud, però no en forma de cubs de metres. I per a càlculs més convenients de resistència elèctrica i conductivitat elèctrica de cables de mides específiques, es van introduir unitats de mesura més acceptables tant per a la resistència elèctrica com per a la conductivitat elèctrica. Ohm * mm2 / m - per a la resistència, i Cm * m / mm2 - per a la conductivitat elèctrica.

Ara podem dir que la resistència elèctrica i la conductivitat elèctrica caracteritzen les propietats conductores d'un cable amb una àrea de secció transversal d'1 sq.mm, 1 metre de llarg a una temperatura de 20 ° C, és més convenient.

Metalls com l'or, el coure, la plata, el crom i l'alumini tenen la millor conductivitat elèctrica. L'acer i el ferro són menys conductors. Els metalls purs sempre tenen una millor conductivitat elèctrica que els seus aliatges, de manera que el coure pur es prefereix en enginyeria elèctrica.Si necessiteu una resistència especialment alta, s'utilitza tungstè, nicrom i constantan.

Coneixent el valor de la resistència elèctrica específica o de la conductivitat elèctrica, es pot calcular fàcilment la resistència o conductivitat elèctrica d'un determinat cable fet d'un material determinat, tenint en compte la longitud l i l'àrea de la secció transversal S d'aquest cable.

La conductivitat elèctrica i la resistència elèctrica de tots els materials depenen de la temperatura, perquè la freqüència i l'amplitud de les vibracions tèrmiques dels àtoms de la xarxa cristal·lina també augmenten amb l'augment de la temperatura, la resistència al corrent elèctric i el flux d'electrons també augmenten en conseqüència.

A mesura que disminueix la temperatura, per contra, les vibracions dels àtoms de la xarxa cristal·lina es fan més petites, la resistència disminueix (augmenta la conductivitat elèctrica). En algunes substàncies, la dependència de la resistència a la temperatura és menys pronunciada, en altres és més forta. Per exemple, aliatges com constantan, fechral i manganina canvien lleugerament la resistència en un determinat rang de temperatura, per la qual cosa es fabriquen resistències termoestables.

Coeficient de resistència a la temperatura? permet calcular per a un material específic l'augment de la seva resistència a una temperatura determinada i caracteritza numèricament l'augment relatiu de la resistència amb un augment de la temperatura d'1 ° C.

Coneixent el coeficient de temperatura de resistència i l'augment de temperatura, és fàcil calcular la resistència d'una substància a una temperatura determinada.

Esperem que el nostre article us hagi estat útil i ara podeu calcular fàcilment la resistència i la conductivitat de qualsevol cable a qualsevol temperatura.