Električna provodljivost

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije

Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Klasična elektrodinamika
VFPt solenoid ispravan2.svg
Magnetizam električne energije
Vidi također: Portal: Fizika

Električna vodljivost ( električna vodljivost, vodljivost ) - sposobnost tijela (okoline) da provodi električnu struju , svojstvo tijela ili okoline koje određuje pojavu električne struje u njima pod utjecajem električnog polja . Također fizikalna veličina koja karakterizira ovu sposobnost i recipročni električni otpor [1] .

U Međunarodnom sustavu jedinica (SI) jedinica za mjerenje električne vodljivosti je Siemens (ruska oznaka: Cm ; međunarodna: S ), definirana kao 1 Cm = 1 Ohm −1 , odnosno kao električna vodljivost dijela električni krug otpora 1 Ohm [2] .

Također, izraz električna vodljivost (električna vodljivost medija, tvari) koristi se za označavanje specifične električne vodljivosti (vidi dolje) .

Električna vodljivost znači sposobnost provođenja, prije svega, istosmjerne struje (pod utjecajem konstantnog polja), za razliku od sposobnosti dielektrika da reagira na izmjenično električno polje oscilacijama vezanih naboja (izmjenična polarizacija ), stvarajući naizmjenična struja. Struja vodljivosti praktički je neovisna o frekvenciji primijenjenog polja (do određenih granica, u niskofrekventnom području).

Električna vodljivost medija (tvari) povezana je sa sposobnošću nabijenih čestica (elektroni, ioni) sadržanih u tom mediju da se u njemu dovoljno slobodno kreću. Vrijednost električne vodljivosti i njezin mehanizam ovise o prirodi (strukturi) određene tvari, njezinom kemijskom sastavu, agregatnom stanju, kao i o fizičkim uvjetima, prvenstveno poput temperature .

Specifična električna vodljivost

Specifična vodljivost (vodljivost) je mjera sposobnosti tvari da provodi električnu struju . Prema Ohmovom zakonu, u linearnoj izotropnoj tvari, vodljivost je koeficijent proporcionalnosti između gustoće rezultirajuće struje i veličine električnog polja u mediju:

gdje - specifična vodljivost,
Je li vektor gustoće struje ,
Je li vektor jakosti električnog polja .
  • Električna vodljivost G jednolikog vodiča duljine L s konstantnom površinom presjeka S može se izraziti u smislu specifične vodljivosti tvari od koje je vodič izrađen:
  • U SI sustavu , vodljivost se mjeri u siemensu po metru (S / m) ili u Ohm −1 m −1 . U CGSE -u, jedinica električne vodljivosti je inverzna sekunda (s −1 ).

U nehomogenom mediju σ može ovisiti (au općenitom slučaju ovisi) o koordinatama, odnosno ne podudara se u različitim točkama vodiča.

Specifična vodljivost anizotropnih (za razliku od izotropnih) medija, općenito govoreći, nije skalarna, već tenzor (simetrični tenzor ranga 2), pa se množenjem njime svodi na množenje matrice :

u ovom slučaju vektori gustoće struje i jakosti polja općenito nisu kolinearni .

Za bilo koji linearni medij možete odabrati lokalno (a ako je medij homogen, onda globalno), tzv. vlastita osnova - ortogonalni sustav kartezijanskih koordinata, u kojem matrica postaje dijagonala, odnosno poprima oblik u kojem od devet komponenti samo tri nisu nula: , i ... U ovom slučaju, označavajući kako , umjesto prethodne formule, dobivamo jednostavniju formulu:

Količine nazivaju se glavne vrijednosti tenzora vodljivosti. U općem slučaju gornja je relacija ispunjena samo u jednom koordinatnom sustavu [3] .

Recipročna vodljivost naziva se otpornost .

Općenito govoreći, gore napisana linearna relacija (skalarna i tenzorska) je u najboljem slučaju približno točna [4] , a ta je aproksimacija dobra samo za relativno male vrijednosti E. Međutim, čak i za takve vrijednosti E , kad su zamjetna odstupanja od linearnosti, vodljivost može zadržati svoju ulogu koeficijenta u terminu linearne ekspanzije, dok će drugi, veći uvjeti proširenja dati ispravke koji osiguravaju dobru točnost.

Također, u slučaju nelinearne ovisnosti J o E (to jest u općem slučaju), diferencijalna vodljivost ovisno o E može se eksplicitno uvesti:

(za anizotropna okruženja: ).

Električna vodljivost i nositelji struje

Električna vodljivost svih tvari povezana je s prisutnošću nositelja struje (nosači naboja) u njima - pokretnih nabijenih čestica (elektroni, ioni) ili kvazičestica (na primjer, rupe u poluvodiču), sposobne za kretanje u datoj tvari preko velike udaljenosti, može se pojednostaviti reći što se misli da bi takva čestica ili kvazičestica trebala moći prijeći u određenoj tvari beskonačno veliku, barem makroskopsku udaljenost, iako se u nekim posebnim slučajevima nositelji mogu promijeniti, roditi i uništiti (općenito govoreći, ponekad, možda, na vrlo maloj udaljenosti), i nose struju, zamjenjujući jedna drugu [5] .

Budući da je gustoća struje određena za jednu vrstu nosača formulom:

gdje - naknada jednog prijevoznika,
- koncentracija nosača,
- prosječna brzina njihovog kretanja,

ili za više vrsta medija, numeriranih indeksom uzimajući vrijednost od 1 do broja vrsta nosača, od kojih svaki može imati svoj naboj (po mogućnosti različit po veličini i znaku), svoju koncentraciju, svoju prosječnu brzinu kretanja (zbrajanje u ovoj formuli podrazumijeva se u odnosu na sve dostupne vrste nosača), dakle, s obzirom na to da je (ustaljena) prosječna brzina svake vrste čestica pri kretanju u određenoj tvari (mediju) proporcionalna primijenjenom električnom polju (u slučaju kada je kretanje uzrokovano upravo ovim polje koje ovdje razmatramo):

gdje - koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva mobilnost i ovisno o vrsti nosioca struje u određenom okruženju [6] .

Stoga slijedi da za električnu vodljivost vrijedi sljedeći izraz:

ili:

- za više vrsta medija.

Grčki glasi "sigma"

Mehanizmi električne vodljivosti i električne vodljivosti različitih klasa tvari

Električna vodljivost metala

Čak i prije otkrića elektrona, otkriveno je da protok struje u metalima, za razliku od struje u tekućim elektrolitima, nije posljedica prijenosa metalne tvari. Pokus, koji je 1901. proveo njemački fizičar Carl Victor Eduard Riecke (Riecke Carl Viktor Eduard), sastojao se u činjenici da su kroz kontakte različitih metala - dva bakrena i jedan aluminijski cilindar s pažljivo poliranim krajevima, postavljeni jedan na drugi , u roku od jedne godine prošla je konstantna električna struja. Zatim je istražen sastav materijala u blizini kontakata. Pokazalo se da se prijenos metalne tvari preko sučelja ne događa i da tvar s različitih strana sučelja ima isti sastav kao i prije prolaska struje. Dakle, pokazalo se da prijenos električne struje ne vrše atomi i molekule metala, već druge čestice. Međutim, ti pokusi nisu odgovorili na pitanje o prirodi nosača naboja u metalima [7] .

Odnos s koeficijentom toplinske vodljivosti

Wiedemann - Franzov zakon , koji je ispunjen za metale na visokim temperaturama, uspostavlja nedvosmislenu vezu između specifične električne vodljivosti s koeficijentom toplinske vodljivosti K :

gdje je k Boltzmannova konstanta ,
e - elementarni naboj .

Taj se odnos temelji na činjenici da su i električna i toplinska vodljivost u metalima posljedica kretanja elektrona slobodne vodljivosti.

Električna vodljivost otopina

Brzina kretanja iona ovisi o jakosti električnog polja, temperaturi, viskoznosti otopine, radijusu i naboju iona te interionskoj interakciji.

U otopinama jakih elektrolita opaža se priroda koncentracijske ovisnosti električne vodljivosti, što se objašnjava djelovanjem dva međusobno suprotna učinka. S jedne strane, povećanjem razrjeđivanja smanjuje se broj iona po jedinici volumena otopine. S druge strane, njihova se brzina povećava zbog slabljenja usporavanja ionima suprotnog predznaka.

Za otopine slabih elektrolita priroda koncentracijske ovisnosti električne vodljivosti može se objasniti činjenicom da povećanje razrjeđenja dovodi, s jedne strane, do smanjenja koncentracije molekula elektrolita. Istodobno se povećava broj iona zbog povećanja stupnja ionizacije.

Za razliku od metala (vodiči prve vrste), električna vodljivost otopina i slabih i jakih elektrolita (vodiči druge vrste) raste s porastom temperature. Ova se činjenica može objasniti povećanjem pokretljivosti kao posljedicom smanjenja viskoznosti otopine i slabljenja interionske interakcije

Elektroforetski učinak - pojava usporavanja nosača zbog činjenice da se ioni suprotnog predznaka pod djelovanjem električnog polja kreću u smjeru suprotnom od smjera kretanja iona koji se razmatra

Učinak opuštanja je usporavanje nosača zbog činjenice da se ioni u pokretu nalaze asimetrično u odnosu na njihovu ionsku atmosferu. Akumulacija naboja suprotnog znaka u prostoru iza iona dovodi do inhibicije njegova kretanja.

Pri visokim naponima električnog polja brzina kretanja iona toliko je velika da ionska atmosfera nema vremena za stvaranje. Zbog toga se ne pojavljuje elektroforetska i opuštajuća inhibicija.

Specifična vodljivost nekih tvari (tablica)

Specifična vodljivost daje se pri temperaturi od +20 ° C [8] :

Tvar Cm / m Tvar Cm / m Tvar Cm / m Tvar Cm / m Tvar Cm / m
srebro 62.500.000 molibden 18.500.000 kositar 8.330.000 Merkur 1.040.000 mramor 10 −8
bakar 59.500.000 [9] volfram 18.200.000 lijevani čelik 7.690.000 nikrom 893.000 stakla 10 −11
zlato 45.500.000 cinkov 16.900.000 voditi 4.810.000 grafit 125.000 porculan 10 −14
aluminij 38.000.000 [9] nikla 11.500.000nikal srebro 3.030.000 morska voda 3 kvarcno staklo 10 −16
magnezij 22.700.000 čisto željezo 10.000.000 constantan 2.000.000 tlo je mokro 10 −2 jantar 10 −18
iridij 21.100.000 platina 9 350 000 manganin 2.330.000 destilirana voda. 10 −4

vidi također

Bilješke (uredi)

  1. Električna vodljivost (fizikalna) - članak iz Velike sovjetske enciklopedije
  2. Dengub V.M. , Smirnov V.G. Jedinice veličina. Referentni rječnik. - M .: Izdavačka kuća standarda, 1990. - S. 105. - 240 str. -ISBN 5-7050-0118-5 .
  3. U slučaju podudarnosti dvije od tri vlastite vrijednosti , postoji arbitrarnost u izboru takvog koordinatnog sustava (vlastite osi tenzora ), naime, sasvim je očito da ga možete proizvoljno rotirati oko osi s drugom vlastitom vrijednošću, a izraz se neće promijeniti. Međutim, to ne mijenja previše sliku. U slučaju podudarnosti sve tri vlastite vrijednosti, imamo posla s izotropnom vodljivošću, a, kako je lako vidjeti, množenje takvim tenzorom svodi se na množenje skalarom.
  4. Za mnoge medije linearna je aproksimacija dovoljno dobra ili čak vrlo dobra za prilično širok raspon vrijednosti električnog polja, ali postoje mediji za koje to uopće nije slučaj čak i pri vrlo niskim E.
  5. Međutim, ako govorimo o homogenoj tvari, u pravilu se dogodi nešto takvo, lakše je kolektivnu smetnju opisati kao kvazičesticu.
  6. Ovdje radi jednostavnosti ne smatramo anizotropne kristale s tenzorskom pokretljivošću, pretpostavljajući da je μ skalar; međutim, ako želite, možete ga smatrati tenzorom, razumijevajući proizvod u matričnom smislu.
  7. Osnovni udžbenik fizike / Ur. G. S. Landsberg . - M .: Nauka , 1985.- T. II. Električna energija i magnetizam. - S. 194.- 479 str.
  8. Kuhling H. Physics Handbook. Po. s njemačkog., M.: Mir, 1982., str. 475 (tab. 39); vrijednosti vodljivosti izračunavaju se iz otpora i zaokružuju na 3 značajne brojke.
  9. 1 2 Герасимов В. Г., Грудинский П. Г., Жуков Л. А. Электротехнический справочник. В 3-х томах. Т.1 Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общей редакцией профессоров МЭИ. — 6-е изд.. — Москва: Энергия, 1980. — С. 353. — 520 с. — ISBN ББК 31.2.

Литература

  • Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. (Первое изд. М.: Высшая школа, 1983. 463 с.)
  • Ершов Ю. А., Попков В. А., Берлянд А. С. и др. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. — Изд. 8-е, стереотипное. — М. : Высшая школа, 2010. — 559 с. — ISBN 978-5-06-006180-2 .
  • Блатт Ф. Физика электронной проводимости в твердых телах. — М. : Мир, 1971. — 470 с.