Az anyagok elektromos vezetőképessége

Ebben a cikkben feltárjuk az elektromos vezetőképesség témáját, felidézzük, mi az elektromos áram, hogyan kapcsolódik a vezető ellenállásához és ennek megfelelően az elektromos vezetőképességéhez. Jegyezzük meg e mennyiségek kiszámításának fő képleteit, érintve a témát pillanatnyi sebesség és kapcsolata az elektromos térerősséggel. Kitérünk az elektromos ellenállás és a hőmérséklet kapcsolatára is.

Először is emlékezzünk vissza, mi az elektromos áram. Ha egy anyagot külső elektromos mezőbe helyez, akkor ebből a mezőből származó erők hatására az elemi töltéshordozók - ionok vagy elektronok - mozgása megindul az anyagban. Áramütés lesz. Az I áramot amperben mérik, egy amper pedig az az áramerősség, amelynél másodpercenként egy coulomb-nak megfelelő töltés folyik át a vezeték keresztmetszetén.

Az áram direkt, váltakozó, pulzáló.Az egyenáram egy adott pillanatban nem változtatja a nagyságát és irányát, a váltóáram az idő múlásával változtatja a nagyságát és irányát (a váltakozó áramú generátorok és transzformátorok pontosan adják a váltakozó áramot), a pulzáló áram nagyságát és irányát nem változtatja (pl. egyenirányított váltóáram) . az áramimpulzusok).

Az anyagok elektromos tér hatására hajlamosak elektromos áramot vezetni, és ezt a tulajdonságot elektromos vezetőképességnek nevezzük, ami a különböző anyagoknál eltérő, az anyagok elektromos vezetőképessége a bennük lévő szabad töltésű részecskék, azaz az ionok koncentrációjától függ. és olyan elektronok, amelyek nem kötődnek sem a kristályszerkezethez, sem a molekulákhoz, sem az adott anyag atomjaihoz. Tehát az adott anyagban lévő szabad töltéshordozók koncentrációjától függően az anyagokat az elektromos vezetőképesség mértéke szerint felosztják vezetőkre, dielektrikumokra és félvezetőkre.

A legmagasabb elektromos vezetőképességgel rendelkezik elektromos áram vezetékei, és fizikai természeténél fogva a természetben a vezetőket két típus képviseli: fémek és elektrolitok. A fémekben az áramot a szabad elektronok mozgása okozza, azaz elektronikus vezetőképességgel rendelkeznek, az elektrolitokban (savak, sók, bázisok oldataiban) pedig - az ionok mozgásából - olyan molekularészek, amelyek pozitív ill. negatív töltés, vagyis az elektrolitok vezetőképessége ionos. Az ionizált gőzöket és gázokat vegyes vezetőképesség jellemzi, ahol az áramot mind az elektronok, mind az ionok mozgása okozza.

Az elektronelmélet tökéletesen megmagyarázza a fémek nagy elektromos vezetőképességét.A vegyértékelektronok kötése a fémekben lévő atommagjaikkal gyenge, ezért ezek az elektronok szabadon mozognak atomról atomra a vezető teljes térfogatában.

Kiderült, hogy a fémekben lévő szabad elektronok kitöltik az atomok közötti teret, mint egy gáz, egy elektrongáz, és kaotikus mozgásban vannak. De amikor egy fémhuzalt elektromos térbe vezetnek, a szabad elektronok rendezett módon mozognak, a pozitív pólus felé mozognak, és áramot hoznak létre. Így a szabad elektronok rendezett mozgását egy fémvezetőben elektromos áramnak nevezzük.

Ismeretes, hogy az elektromos tér terjedési sebessége a térben körülbelül 300 000 000 m / s, vagyis a fény sebessége. Ez ugyanaz a sebesség, amellyel az áram áthalad a vezetéken.

Mit jelent? Ez nem azt jelenti, hogy a fémben minden elektron ilyen hatalmas sebességgel mozog, hanem éppen ellenkezőleg, a vezetékben lévő elektronok sebessége másodpercenként néhány millimétertől néhány centiméterig terjed, attól függően, hogy elektromos térerősség, de az elektromos áram terjedési sebessége egy vezeték mentén pontosan megegyezik a fény sebességével.

A helyzet az, hogy minden szabad elektron ugyanannak az "elektrongáznak" az általános elektronáramában van, és az áram áthaladása során az elektromos mező hat erre a teljes áramlásra, aminek következtében az elektronok folyamatosan továbbítják. ez a mező cselekvés egymásnak - szomszédtól szomszédig.

De az elektronok nagyon lassan mozognak a helyükre, annak ellenére, hogy az elektromos energia terjedési sebessége a vezeték mentén óriási.Tehát amikor a kapcsolót bekapcsolják az erőműben, azonnal áram keletkezik az egész hálózatban, és az elektronok gyakorlatilag megállnak.

Amikor azonban a szabad elektronok egy vezeték mentén mozognak, sok ütközést tapasztalnak útjuk során, atomokkal, ionokkal, molekulákkal ütköznek, energiájuk egy részét átadva nekik. Az ellenállást leküzdő mozgó elektronok energiája hő hatására részben disszipálódik, és a vezető felmelegszik.

Ezek az ütközések az elektronok mozgásának ellenállását szolgálják, ezért a vezetőnek azt a tulajdonságát, hogy megakadályozza a töltött részecskék mozgását, elektromos ellenállásnak nevezzük. Alacsony vezetékellenállás esetén a vezetéket enyhén melegíti az áramerősség, jelentős mértékben - sokkal erősebb és még fehérre is - ezt a hatást fűtőberendezésekben és izzólámpákban használják.

Az ellenállás változásának mértékegysége Ohm. Ellenállás R = 1 ohm egy ilyen vezeték ellenállása, amikor 1 amperes egyenáram halad át rajta, a potenciálkülönbség a vezeték végén 1 volt. Az 1 Ohm-ban mért ellenállás mértéke egy 1063 mm magas, 1 m² keresztmetszetű higanyoszlop 0 °C hőmérsékleten.

Mivel a vezetékeket elektromos ellenállás jellemzi, elmondhatjuk, hogy bizonyos mértékig a vezeték képes elektromos áramot vezetni. Ezzel kapcsolatban egy vezetőképességnek vagy elektromos vezetőképességnek nevezett értéket vezetnek be. Az elektromos vezetőképesség a vezető azon képessége, hogy elektromos áramot tudjon vezetni, vagyis az elektromos ellenállás reciproka.

A G elektromos vezetőképesség mértékegysége (vezetőképesség) Siemens (S) és 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1/R.

Mivel a különböző anyagok atomjai különböző mértékben zavarják az elektromos áram áthaladását, a különböző anyagok elektromos ellenállása eltérő. Emiatt vezették be a koncepciót elektromos ellenállás, amelynek «p» értéke ennek vagy annak az anyagnak a vezető tulajdonságait jellemzi.

A fajlagos elektromos ellenállást Ohm * m-ben mérik, vagyis egy 1 méter élű anyagkocka ellenállását. Hasonlóképpen egy anyag elektromos vezetőképességét az S/m-ben mért fajlagos elektromos vezetőképesség ?, azaz egy 1 méter élű anyagkocka vezetőképessége jellemzi.

Ma az elektrotechnikában vezető anyagokat főleg szalagok, gumiabroncsok, vezetékek formájában, meghatározott keresztmetszeti területtel és meghatározott hosszúsággal használják, de nem méteres kocka formájában. A meghatározott méretű vezetékek elektromos ellenállásának és elektromos vezetőképességének kényelmesebb kiszámításához pedig elfogadhatóbb mértékegységeket vezettek be mind az elektromos ellenállás, mind az elektromos vezetőképesség tekintetében. Ohm * mm2 / m - az ellenállás, és Cm * m / mm2 - az elektromos vezetőképesség.

Most már azt mondhatjuk, hogy az elektromos ellenállás és az elektromos vezetőképesség jellemzi az 1 m2 keresztmetszeti területű, 1 méter hosszú vezetékek vezető tulajdonságait 20 ° C hőmérsékleten, ez kényelmesebb.

Az olyan fémek, mint az arany, a réz, az ezüst, a króm és az alumínium rendelkeznek a legjobb elektromos vezetőképességgel. Az acél és a vas kevésbé vezetőképes. A tiszta fémek mindig jobb elektromos vezetőképességgel rendelkeznek, mint ötvözeteik, ezért a tiszta rezet előnyben részesítik az elektrotechnikában.Ha különösen nagy ellenállásra van szüksége, akkor volfrámot, nikrómot, konstanst használnak.

A fajlagos elektromos ellenállás vagy elektromos vezetőképesség értékének ismeretében könnyen kiszámítható egy adott anyagból készült vezeték ellenállása vagy elektromos vezetőképessége, figyelembe véve ennek a vezetéknek az l hosszát és az S keresztmetszeti területét.

Minden anyag elektromos vezetőképessége és elektromos ellenállása függ a hőmérséklettől, mert a hőmérséklet emelkedésével a kristályrács atomjainak hőrezgésének frekvenciája és amplitúdója is nő, ennek megfelelően nő az elektromos árammal szembeni ellenállás és az elektronok áramlása is.

A hőmérséklet csökkenésével éppen ellenkezőleg, a kristályrács atomjainak rezgései kisebbek, az ellenállás csökken (növekszik az elektromos vezetőképesség). Egyes anyagokban az ellenállás hőmérséklettől való függése kevésbé kifejezett, másoknál erősebb. Például az olyan ötvözetek, mint a konstantán, fekrál és manganin, egy bizonyos hőmérsékleti tartományban kissé megváltoztatják az ellenállást, ezért hőstabil ellenállásokat készítenek belőlük.

Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója? lehetővé teszi egy adott anyag esetében az ellenállás növekedésének kiszámítását egy bizonyos hőmérsékleten, és számszerűen jellemzi az ellenállás relatív növekedését a hőmérséklet 1 ° C-os növekedésével.

A hőmérsékleti ellenállási együttható és a hőmérséklet-emelkedés ismeretében könnyen kiszámítható egy anyag ellenállása adott hőmérsékleten.

Reméljük, hogy cikkünk hasznos volt az Ön számára, és most könnyen kiszámíthatja bármely vezeték ellenállását és vezetőképességét bármilyen hőmérsékleten.