Conducibilità elettrica delle sostanze

In questo articolo sveleremo l'argomento della conduttività elettrica, ricorderemo cos'è la corrente elettrica, come è correlata alla resistenza di un conduttore e, di conseguenza, alla sua conduttività elettrica. Notiamo le formule principali per il calcolo di queste quantità, toccando l'argomento velocità attuale e la sua relazione con l'intensità del campo elettrico. Toccheremo anche la relazione tra resistenza elettrica e temperatura.

Per cominciare, ricordiamo cos'è la corrente elettrica. Se metti una sostanza in un campo elettrico esterno, allora sotto l'azione delle forze di questo campo, il movimento dei portatori di carica elementari - ioni o elettroni - inizierà nella sostanza. Sarà una scossa elettrica. La corrente I è misurata in ampere e un ampere è la corrente alla quale una carica pari a un coulomb scorre attraverso la sezione trasversale del filo al secondo.

La corrente è continua, alternata, pulsante.La corrente continua non cambia la sua grandezza e direzione in un dato momento, la corrente alternata cambia la sua grandezza e direzione nel tempo (i generatori CA e i trasformatori danno esattamente corrente alternata), la corrente pulsante cambia la sua grandezza ma non cambia direzione (es. corrente alternata rettificata) . gli impulsi di corrente).

Le sostanze tendono a condurre una corrente elettrica sotto l'azione di un campo elettrico e questa proprietà è chiamata conduttività elettrica, che è diversa per sostanze diverse.La conduttività elettrica delle sostanze dipende dalla concentrazione di particelle cariche libere in esse, cioè ioni ed elettroni che non sono legati né con la struttura cristallina, né con le molecole, né con gli atomi della sostanza data. Quindi, a seconda della concentrazione di portatori di carica liberi in una data sostanza, le sostanze sono divise per grado di conducibilità elettrica in: conduttori, dielettrici e semiconduttori.

Ha la più alta conducibilità elettrica fili di corrente elettrica, e per natura fisica i conduttori in natura sono rappresentati da due tipi: metalli ed elettroliti. Nei metalli, la corrente è dovuta al movimento di elettroni liberi, cioè hanno conduttività elettronica, e negli elettroliti (in soluzioni di acidi, sali, basi) - dal movimento di ioni - parti di molecole che hanno un positivo e carica negativa, cioè la conduttività degli elettroliti è ionica. I vapori e i gas ionizzati sono caratterizzati da conducibilità mista, in cui la corrente è dovuta al movimento sia di elettroni che di ioni.

La teoria dell'elettrone spiega perfettamente l'elevata conduttività elettrica dei metalli.Il legame degli elettroni di valenza con i loro nuclei nei metalli è debole, quindi questi elettroni si muovono liberamente da un atomo all'altro attraverso il volume del conduttore.

Si scopre che gli elettroni liberi nei metalli riempiono lo spazio tra gli atomi come un gas, un gas di elettroni, e sono in movimento caotico. Ma quando un filo metallico viene introdotto in un campo elettrico, gli elettroni liberi si sposteranno in modo ordinato, si sposteranno verso il polo positivo, creando una corrente. Quindi il movimento ordinato di elettroni liberi in un conduttore metallico è chiamato corrente elettrica.

È noto che la velocità di propagazione di un campo elettrico nello spazio è approssimativamente pari a 300.000.000 m / s, cioè la velocità della luce. Questa è la stessa velocità con cui la corrente scorre attraverso un filo.

Cosa significa? Ciò non significa che ogni elettrone nel metallo si muova a una velocità così elevata, ma gli elettroni in un filo, al contrario, hanno una velocità da pochi millimetri al secondo a pochi centimetri al secondo, a seconda intensità del campo elettrico, ma la velocità di propagazione della corrente elettrica lungo un filo è esattamente uguale alla velocità della luce.

Il fatto è che ogni elettrone libero risulta essere nel flusso di elettroni generale di questo stesso "gas di elettroni", e durante il passaggio della corrente, il campo elettrico agisce su questo intero flusso, per cui gli elettroni trasmettono costantemente questa azione sul campo l'un l'altro - da vicino a vicino.

Ma gli elettroni si spostano molto lentamente al loro posto, nonostante il fatto che la velocità di propagazione dell'energia elettrica lungo il filo sia enorme.Quindi, quando l'interruttore viene acceso nella centrale elettrica, la corrente si alza immediatamente in tutta la rete e gli elettroni praticamente si fermano.

Tuttavia, quando gli elettroni liberi si muovono lungo un filo, subiscono molte collisioni lungo il loro cammino, si scontrano con atomi, ioni, molecole, trasferendo loro parte della loro energia. L'energia degli elettroni in movimento che superano questa resistenza viene parzialmente dissipata sotto forma di calore e il conduttore si riscalda.

Queste collisioni fungono da resistenza al movimento degli elettroni, motivo per cui la proprietà di un conduttore di impedire il movimento delle particelle cariche è chiamata resistenza elettrica. Con una bassa resistenza del filo, il filo viene leggermente riscaldato dalla corrente, con una significativa - molto più forte e persino bianca, questo effetto viene utilizzato nei dispositivi di riscaldamento e nelle lampade a incandescenza.

L'unità di variazione della resistenza è Ohm. Resistenza R = 1 ohm è la resistenza di un tale filo, quando una corrente continua di 1 ampere lo attraversa, la differenza di potenziale alle estremità del filo è di 1 volt. Lo standard di resistenza in 1 Ohm è una colonna di mercurio alta 1063 mm, sezione 1 mmq alla temperatura di 0°C.

Poiché i fili sono caratterizzati da resistenza elettrica, possiamo dire che in una certa misura il filo è in grado di condurre corrente elettrica. A questo proposito viene introdotto un valore chiamato conducibilità o conducibilità elettrica. La conduttività elettrica è la capacità di un conduttore di condurre una corrente elettrica, cioè il reciproco della resistenza elettrica.

L'unità di conducibilità elettrica G (conduttività) è Siemens (S) e 1 S = 1 / (1 Ohm). SOL = 1 / R.

Poiché gli atomi di sostanze diverse interferiscono con il passaggio della corrente elettrica in gradi diversi, la resistenza elettrica di sostanze diverse è diversa. Per questo motivo è stato introdotto il concetto resistenza elettrica, il cui valore «p» caratterizza le proprietà conduttive di questa o quella sostanza.

La resistenza elettrica specifica si misura in Ohm*m, cioè la resistenza di un cubo di sostanza con spigolo di 1 metro. Analogamente, la conducibilità elettrica di una sostanza è caratterizzata dalla conducibilità elettrica specifica ?, misurata in S/m, cioè la conducibilità di un cubo di sostanza con uno spigolo di 1 metro.

Oggi i materiali conduttivi nell'ingegneria elettrica vengono utilizzati principalmente sotto forma di nastri, pneumatici, fili, con una certa area della sezione trasversale e una certa lunghezza, ma non sotto forma di metri cubi. E per calcoli più convenienti della resistenza elettrica e della conduttività elettrica di fili di dimensioni specifiche, sono state introdotte unità di misura più accettabili sia per la resistenza elettrica che per la conduttività elettrica. Ohm * mm2 / m - per resistenza e Cm * m / mm2 - per conducibilità elettrica.

Ora possiamo dire che la resistenza elettrica e la conduttività elettrica caratterizzano le proprietà conduttive di un filo con una sezione trasversale di 1 mmq, lunga 1 metro ad una temperatura di 20 ° C, è più conveniente.

Metalli come oro, rame, argento, cromo e alluminio hanno la migliore conduttività elettrica. Acciaio e ferro sono meno conduttivi. I metalli puri hanno sempre una conduttività elettrica migliore rispetto alle loro leghe, quindi il rame puro è preferito nell'ingegneria elettrica.Se hai bisogno di una resistenza particolarmente elevata, vengono utilizzati tungsteno, nicromo, costantana.

Conoscendo il valore della resistenza elettrica specifica o conducibilità elettrica, si può facilmente calcolare la resistenza o conducibilità elettrica di un certo filo di un dato materiale, tenendo conto della lunghezza l e dell'area della sezione trasversale S di questo filo.

La conduttività elettrica e la resistenza elettrica di tutti i materiali dipendono dalla temperatura, poiché con l'aumentare della temperatura aumentano anche la frequenza e l'ampiezza delle vibrazioni termiche degli atomi del reticolo cristallino, di conseguenza aumentano anche la resistenza alla corrente elettrica e il flusso di elettroni.

Al diminuire della temperatura, al contrario, le vibrazioni degli atomi del reticolo cristallino diminuiscono, la resistenza diminuisce (aumenta la conducibilità elettrica). In alcune sostanze la dipendenza della resistenza dalla temperatura è meno pronunciata, in altre è più forte. Ad esempio, leghe come costantana, fechral e manganina cambiano leggermente la resistenza in un certo intervallo di temperatura, motivo per cui ne sono fatte resistenze termostabili.

Coefficiente di temperatura della resistenza? consente di calcolare per un materiale specifico l'aumento della sua resistenza ad una certa temperatura e caratterizza numericamente il relativo aumento della resistenza con un aumento della temperatura di 1 ° C.

Conoscendo il coefficiente di temperatura della resistenza e l'aumento di temperatura, è facile calcolare la resistenza di una sostanza a una data temperatura.

Speriamo che il nostro articolo ti sia stato utile e ora puoi facilmente calcolare la resistenza e la conduttività di qualsiasi filo a qualsiasi temperatura.