Известно что все металлы обладают электрической проводимостью: Тест Тема: «Общая характеристика металлов»

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(TT0)} ,                    (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.

Электрическая проводимость металлов кратко. Электрическая проводимость. Определение, единицы измерения

Классическая теория электропроводности металлов зародилась в начале ХХ века. ЕЕ основоположником стал немецкий физик Карл Рикке. Он опытным путем установил, что прохождение заряда через металл не сопряжено с переносом атомов проводника, в отличие от жидких электролитов. Однако это открытие не объяснило, что именно является носителем электрических импульсов в структуре металла.

Ответить на это вопрос позволили опыты ученых Стюарта и Толмена, проведенные в 1916 году. Им удалось установить, что за перенос электричества в металлах отвечают мельчайшие заряженные частицы — электроны. Это открытие легло в основу классической электронной теории электропроводности металлов. С этого момента началась новая эпоха исследований металлических проводников. Благодаря полученным результатам мы сегодня имеем возможность пользоваться бытовыми приборами, производственным оборудованием, станками и многими другими устройствами.

Как отличается электропроводность разных металлов?

Электронная теория электропроводности металлов получила развитие в исследованиях Паулю Друде. Он сумел открыть такое свойство как сопротивление, которое наблюдается при прохождении электрического тока через проводник. В дальнейшем это позволит классифицировать разные вещества по уровню проводимости. Из полученных результатов легко понять, какой металл подойдет для изготовления того или иного кабеля. Это очень важный момент, так как неправильно подобранный материал может стать причиной возгорания в результате перегрева от прохождения тока избыточного напряжения.

Наибольшей электропроводностью обладает металл серебро. При температуре +20 градусов по Цельсию она составляет 63,3*104 сантиметров-1. Но изготавливать проводку из серебра очень дорого, так как это довольно редкий металл, который используется в основном для производства ювелирных и декоративных украшений или инвестиционных монет.

Металл, обладающий самой высокой электропроводностью среди всех элементов неблагородной группы — медь. Ее показатель составляет 57*104 сантиметров-1 при температуре +20 градусов по Цельсию. Медь является одним из наиболее распространенных проводников, которые используются в бытовых и производственных целях. Она хорошо выдерживает постоянные электрические нагрузки, отличается долговечностью и надежностью. Высокая температура плавления позволяет без проблем работать долгое время в нагретом состоянии.

По распространенности с медью может конкурировать только алюминий, который занимает четвертое место по электропроводности после золота. Он используется в сетях с невысоким напряжением, так как имеет почти вдвое меньшую температуру плавления, чем медь, и не способен выдерживать предельные нагрузки. С дальнейшим распределением мест можно ознакомиться, взглянув на таблицу электропроводности металлов.

Стоит отметить, что любой сплав обладает гораздо меньшей проводимостью, чем чистое вещество. Это связано со слиянием структурной сетки и как следствие нарушением нормального функционирования электронов. Например, при производстве медного провода используется материал с содержанием примесей не более 0,1%, а для некоторых видов кабеля этот показатель еще строже — не более 0,05%. Все приведенные показатели являются удельной электропроводностью металлов, которая рассчитывается как отношение между плотностью тока и величиной электрического поля в проводнике.

Классическая теория электропроводности металлов

Основные положения теории электропроводности металлов содержат шесть пунктов. Первый: высокий уровень электропроводности связан с наличием большого числа свободных электронов. Второй: электрический ток возникает путем внешнего воздействия на металл, при котором электроны из беспорядочного движения переходят в упорядоченное.

Третий: сила тока, проходящего через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертый: различное число элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к неодинаковому сопротивлению металлов. Пятый: электрический ток в цепи возникает мгновенно после начала воздействия на электроны. Шестой: с увеличением внутренней температуры металла растет и уровень его сопротивления.

Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом положений. В спокойном состоянии все свободные электроны хаотическим образом вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но стоит лишь подключить внешний источник воздействия, как электроны мгновенно выстраиваются в структурированной последовательности и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.

Это связано с тем, что слабеют молекулярные связи в кристаллической решетке, элементарные частицы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепь усложняется. Поэтому необходимо принимать меры по недопущению перегрева проводников, так как это негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Механизм электропроводности металлов невозможно изменить ввиду действующих законов физики. Но можно нивелировать негативные внешние и внутренние воздействия, которые мешают нормальному протеканию процесса.

Металлы с высокой электопроводностью

Электропроводность щелочных металлов находится на высоком уровне, так как их электроны слабо привязаны к ядру и легко выстраиваются в нужной последовательности. Но эта группа отличается невысокими температурами плавления и огромной химической активностью, что в большинстве случаев не позволяет использовать их для изготовления проводов.

Металлы с высокой электропроводностью в открытом виде очень опасны для человека. Прикосновение к оголенному проводу приведет к получению электрического ожога и воздействию мощного разряда на все внутренние органы. Зачастую это влечет мгновенную смерть. Поэтому для безопасности людей используются специальные изоляционные материалы.

В зависимости от сферы применения они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Но все типы предназначены для одной функции — изоляции электрического тока внутри цепи, чтобы он не мог оказывать воздействие на внешний мир. Электропроводность металлов используется практически во всех сферах современной жизни человека, поэтому обеспечение безопасности является первоочередной задачей.

Прохождение тока через металлы (проводники первого рода) не сопровождается химическим изменением их (§ 40). Это обстоятельство заставляет предполагать, что атомы металла при прохождении тока не перемещаются от одного участка проводника к другому. Это предположение было подтверждено опытами немецкого физика Карла Виктора Эдуарда Рикке (1845-1915). Рикке составил цепь, в которую входили три тесно прижатых друг к другу торцами цилиндра, из которых два крайних были медные, а средний алюминиевый. Через эти цилиндры пропускался электрический ток в течение весьма длительного времени (больше года), так что общее количество протекшего электричества достигло огромной величины (свыше 3000000 Кл). Производя затем тщательный анализ места соприкосновения меди и алюминия, Рикке не мог обнаружить следов проникновения одного металла в другой. Таким образом, при прохождении тока через металлы атомы металла не перемещаются вместе с током.

Каким же образом происходит перенос зарядов при прохождении тока через металл?

Согласно представлениям электронной теории, которыми мы неоднократно пользовались, отрицательные и положительные заряды, входящие в состав каждого атома, существенно отличаются друг от друга. Положительный заряд связан с самим атомом и в обычных условиях неотделим от основной части атома (его ядра). Отрицательные же заряды – электроны, обладающие определенным зарядом и массой, почти в 2000 раз меньшей массы самого легкого атома – водорода, сравнительно легко могут быть отделены от атома; атом, потерявший электрон, образует положительно заряженный ион. В металлах всегда есть значительное число «свободных», отделившихся от атомов электронов, которые блуждают по металлу, переходя от одного иона к другому. Эти электроны под действием электрического поля легко перемещаются по металлу. Ионы же составляют остов металла, образуя его кристаллическую решетку (см. том I).

Одним из наиболее убедительных явлений, обнаруживающих различие между положительным и отрицательным электрическими зарядами в металле, является упомянутый в § 9 фотоэлектрический эффект, показывающий, что электроны сравнительно легко могут быть вырваны из металла, тогда как положительные заряды крепко связаны с веществом металла. Так как при прохождении тока атомы, а следовательно, и связанные с ними положительные заряды не перемещаются по проводнику, то переносчиками электричества в металле следует считать свободные электроны. Непосредственным подтверждением этих представлений явились важные опыты, выполненные впервые в 1912 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, но не опубликованные ими. Четыре года спустя (1916 г.) Р. Ч. Толмен и Т. Д. Стюарт опубликовали результаты своих опытов, оказавшихся аналогичными опытам Мандельштама и Папалекси.

При постановке этих опытов исходили из следующей мысли. Если в металле есть свободные заряды, обладающие массой, то они должны подчиняться закону инерции (см. том I). Быстро движущийся, например, слева направо проводник представляет собой совокупность движущихся в этом направлении атомов металла, которые увлекают вместе с собой и свободные заряды. Когда такой проводник внезапно останавливается, то останавливаются входящие в его состав атомы; свободные же заряды по инерции должны продолжать движение слева направо, пока различные помехи (соударения с остановившимися атомами) не остановят их. Происходящее явление подобно тому, что наблюдается при внезапной остановке трамвая, когда «свободные», не прикрепленные к вагону предметы и люди по инерции некоторое время продолжают двигаться вперед.

Таким образом, краткое время после остановки проводника свободные заряды в нем должны двигаться в одну сторону. Но движение зарядов в определенную сторону есть электрический ток. Следовательно, если наши рассуждения справедливы, то после внезапной остановки проводника надо ожидать появления в нем кратковременного тока. Направление этого тока позволит судить о знаке тех зарядов, которые двигались по инерции; если слева направо будут двигаться положительные заряды, то обнаружится ток, направленный слева направо; если же в этом направлении будут двигаться отрицательные заряды, то должен наблюдаться ток, имеющий направление справа налево. Возникающий ток зависит от зарядов и способности их носителей более или менее долго сохранять по инерции свое движение, несмотря на помехи, т. е. от их массы. Таким образом, этот опыт не только позволяет проверить предположение о существовании в металле свободных зарядов, но и определить сами заряды, их знак и массу их носителей (точнее, отношение заряда к массе ).

В практическом осуществлении опыта оказалось более удобным использовать не поступательное, а вращательное движение проводника. Схема такого опыта приведена на рис. 141. На катушке, в которую вделаны две изолированные друг от друга полуоси , укреплена проволочная спираль 1. Концы спирали припаяны к обеим половинам оси и при помощи скользящих контактов 2 («щеток») присоединены к чувствительному гальванометру 3. Катушка приводилась в быстрое вращение и затем внезапно тормозилась. Опыт действительно обнаружил, что при этом в гальванометре возникал электрический ток. Направление этого тока показало, что по инерции движутся отрицательные заряды. Измерив заряд, переносимый этим кратковременным током, можно было найти отношение свободного заряда к массе его носителя. Отношение это оказалось равным Кл/кг, что хорошо совпадает со значением такого отношения для электронов, определенным другими способами.

Рис. 141. Исследование природы электрического тока в металлах

Итак, опыты показывают, что в металлах имеются свободные электроны. Эти опыты являются одним из наиболее важных подтверждений электронной теории металлов. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов (в отличие от их беспорядочного теплового движения, всегда имеющегося в проводнике).

86.1. Металлический незаряженный диск приводится в быстрое вращение и, таким образом, становится «центрифугой для электронов». Между центром и периферией диска возникает разность потенциалов (рис. 142; 1 – диск, 2 – контакты, 3 – электрометр). Каков будет знак этой разности?

Рис. 142. К упражнению 86.1

86.2. По серебряной проволоке с сечением 1 мм2 проходит ток силы 1 А. Вычислите среднюю скорость упорядоченного движения электронов в этой проволоке, полагая, что каждый атом серебра дает один свободный электрон. Плотность серебра равна кг/м3, его относительная атомная масса равна 108. Постоянная Авогадро моль-1.

86.3. Сколько электронов должно проходить через поперечное сечение провода ежесекундно, чтобы в проводе шел ток 2 А? Заряд электрона равен Кл.

Рассмотрим поведение электронов проводимости в металле в неравновесном состоянии, когда они движутся под действием приложенных внешних полей. Такие процессы называются явлениями переноса.

Как известно, электропроводность (удельная электрическая проводимость) о — это величина, связывающая плотность электрического тока и напряженность в локальном законе Ома: j — оЕ (см. формулу (14.15) ч. 1). Все вещества по характеру электропроводности делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики.

Характерной особенностью металлов является их металлическая проводимость — уменьшение электропроводности при повышении температуры (при постоянной концентрации носителей тока). Физической причиной электрического сопротивления в металлах является рассеяние электронных волн на примесях и дефектах решетки, а также на фононах.

Наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий: температуры, электрического и магнитного полей, освещения и т.д. Например, собственная проводимость чистых полупроводников при их нагревании экспоненциально возрастает.

При Т > 300 К удельная проводимость о материалов, относящихся к полупроводникам, изменяется в широком интервале от 10~ 5 до 10 6 (Ом м) -1 , тогда как у металлов о составляет более 10 6 (Ом м) -1 .

Вещества, обладающие малой удельной проводимостью, порядка 10~ 5 (Ом м) -1 и менее, относятся к диэлектрикам. Проводимость у них возникает при очень высоких температурах.

Квантовая теория приводит к следующему выражению для электропроводности металлов:

где п — концентрация свободных электронов; т — время релаксации; т* — эффективная масса электрона.

Время релаксации характеризует процесс установления равновесия между электронами и решеткой, нарушенного, например, внезапным включением внешнего поля Е.

Термин «свободный электрон» означает, что на электрон не действуют никакие силовые поля. Движение электрона проводимости в кристалле под действием внешней силы F и сил со стороны кристаллической решетки в ряде случаев может быть описано как движение свободного электрона, на который действует только сила F (второй закон Ньютона, см. формулу (3.5) ч. 1), но с эффективной массой т*, отличной от массы т е свободного электрона.

Расчеты с использованием выражения (30.18) показывают, что электропроводность металлов о~1/Т. Эксперимент подтверждает данный вывод квантовой теории, в то время как согласно классической теории

о ~ l/fr.

В полупроводниках концентрация подвижных носителей значительно ниже, чем концентрация атомов, и может изменяться при изменении температуры, освещения, при облучении потоком частиц, воздействии электрического поля или введении относительно малого количества примесей. Носителями заряда в полупроводниках в зоне проводимости являются электроны (электроны проводимости), а в валентной зоне — положительно заряженные квазичастицы дырки. Когда в валентной зоне по какой-либо причине отсутствует электрон, то говорят, что в ней образовалась дырка (вакантное состояние). Представления о дырках и электронах проводимости используются для описания электронной системы полупроводников, полуметаллов и металлов.

В состоянии термодинамического равновесия концентрации электронов и дырок в полупроводниках зависят как от температуры и концентрации электрически активных примесей, так и от ширины запрещенной зоны АЕ.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (например, германий Ge, селен Se). Число электронов в них равно числу дырок. Проводимость таких полупроводников называется собственной.

В собственных полупроводниках при Т = О К валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости — свободна. Поэтому при Т= О К и отсутствии внешнего возбуждения собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении температуры вследствие термического возбуждения электроны с верхних уровней валентной зоны будут переходить в зону проводимости. Одновременно становится возможным переход электронов валентной зоны на ее освободившиеся верхние уровни. Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне будут давать вклад в электропроводность.

Необходимая для переброски электрона из валентной зоны в зону проводимости энергия называется энергией активации собственной проводимости.

При наложении на кристалл внешнего электрического поля электроны перемещаются против поля и создают электрический ток. Во внешнем поле, когда на вакантное место перемешается соседний валентный электрон, дырка «перемешается» на его место. В результате дырка, так же как и перешедший в зону проводимости электрон, будет двигаться по кристаллу, но в направлении, противоположном движению электрона. Формально по кристаллу в направлении поля движется частица с положительным зарядом, равным абсолютной величине заряда электрона. Для учета действия на элементарные заряды внутреннего поля кристалла для дырок вводят понятие эффективной массы ш*. Поэтому при решении задач можно считать, что дырка с эффективной массой движется только под действием одного внешнего поля.

Во внешнем поле направление скоростей движения электронов и дырок противоположны, но создаваемый ими электрический ток имеет одинаковое направление — направление электрического поля. Таким образом, плотность тока при собственной проводимости полупроводника складывается из плотности тока электронов у э и дырок у д:

Электропроводность о пропорциональна числу носителей, значит, можно доказать, что для собственных полупроводников

и зависит от температуры по экспоненциальному закону. Вклад в о электронов и дырок различен, что объясняется различием их эффективных масс.

При сравнительно высоких температурах во всех полупроводниках преобладает собственная проводимость. Иначе электрические свойства полупроводника определяются примесями (атомами других элементов), и тогда говорят о примесной проводимости. Электропроводность будет слагаться из собственной и примесной проводимостей.

Примесными полупроводниками называются полупроводники, отдельные атомы которых замещаются примесями. Концентрация электронов и дырок в них значительно отличается. Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорами. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами.

В результате введения примеси в запрещенной зоне возникают дополнительные разрешенные электронные уровни энергии, расположенные в запрещенной зоне близко или ко дну зоны проводимости (донорные уровни ), или к потолку валентной зоны (акцепторные уровни). Это существенно увеличивает электропроводность полупроводников.

В полупроводниках я-типа (от англ, negative — отрицательный) с донорной примесью реализуется электронный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается избыточными электронами примеси, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов.

В полупроводниках р-типа (от англ, positive — положительный) с акцепторной примесью реализуется дырочный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается дырками вследствие введения примеси, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов.

Убедительное доказательство реальности положительных дырок дает эффект Холла (1879). Данный эффект заключается в возникновении в металле (или полупроводнике) с током плотностью у, помещенном в магнитное поле В , дополнительного электрического поля в направлении, перпендикулярном В и у. Использование эффекта Холла (измерение коэффициента Холла, зависящего от вещества) позволяет определять концентрацию и подвижность носителей заряда в проводнике, а также устанавливать природу проводимости полупроводника (электронная или дырочная).

В настоящее время при разработке материалов для микроэлектроники создаются различные полупроводниковые материалы, в том числе с широкой запрещенной зоной. Полупроводниковые микросхемы считаются одним из перспективных направлений микроэлектроники, позволяя создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении интегральные схемы.

Никого сегодня не удивляет, что, прикоснувшись к клавише выключателя, мы видим загоревшуюся лампочку. Зачастую мы даже не задумываемся, что все подобные действия основаны на целой серии Одно их таких крайне любопытных явлений — электропроводность металлов, которая обеспечивает протекание электрического тока.

Для начала, наверное, следует определиться, о чем вообще идет речь. Итак, электропроводностью называют способность вещества пропускать Причем разные вещества обладают этой способностью в разной степени. По степени электропроводности вещества разделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Если посмотреть экспериментальные данные, полученные исследователями за время изучения электрического тока, то станет ясно, что проводимость металлов самая высокая. Это же подтверждает повседневная практика, когда для передачи электрического тока используют металлические провода. Именно металлы в первую очередь выступают проводниками электрического тока. И объяснение этому можно найти в электронной теории металлов.

Согласно последней, проводник представляет собой кристаллическую решетку, узлы которой занимают атомы. Они расположены очень плотно и связаны с соседними подобными атомами, поэтому остаются практически в узлах кристаллической решетки. Чего нельзя сказать об электронах, расположенных на внешних оболочках атомов. Эти электроны могут свободно беспорядочно двигаться, образуя так называемый “электронный газ”. Вот электронная проводимость металлов и основывается на таких электронах.

В качестве доказательства того, что природа электрического тока обусловлена электронами, можно вспомнить опыт немецкого физика Рикке, поставленный в 1901 году. Он взял два медных и один алюминиевый цилиндры с тщательно отполированными торцами, поставил один на другой и пропускал через них электрический ток. По замыслу экспериментатора, если электропроводность металлов обусловлена атомами, то происходил бы перенос вещества. Однако после пропускания электрического тока в течение года масса цилиндров не изменилась.

Из этого результата следовал вывод, что электропроводность металлов вызвана какими-то частицами, присущими всем проводникам. На эту роль как раз и подходил электрон, который к этому моменту уже был открыт. В дальнейшем провели еще несколько остроумных опытов, и все они подтвердили, что электрический ток обусловлен движением электронов.

В соответствии с современными представлениями о металлов, в ее узлах располагаются ионы, а электроны относительно свободно перемещаются между ними. Именно большое количество таких электронов и обеспечивает высокую электропроводность металлов. При наличии небольшой на концах проводника эти свободные электроны начинают перемещаться, что и вызывает протекание электрического тока.

Здесь надо отметить, что проводимость сильно зависит от температуры. Так, при росте температуры проводимость металлов уменьшается, и наоборот, увеличивается при понижении температуры, вплоть до В тоже время следует помнить, что хотя проводимостью обладают все металлы, ее величина для каждого из них своя. Лучшей проводимостью из наиболее широко распространенных и применяемых в электротехнике металлов обладает медь.

Итак, приведенный материал дает понятие, что собой представляет электропроводность металлов, объясняет природу электрического тока и поясняет, чем она вызвана. Дано описание кристаллической решетки металлов и влияние некоторых внешних факторов на проводимость.

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э.Рикке в 1901 г. Через три плотно прижатых друг к другу отполированных цилиндра — медный, алюминиевый и снова медный — длительное время (в течение года) пропускали электрический ток. Общий заряд, прошедший за это время, был равен 3.5·10 6 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то массы цилиндров должны были бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.

Результаты опытов показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. В соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а такие частицы, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Такими частицами могли быть только электроны.

Прямое и убедительное доказательство справедливости этого предположения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. Т. Стюартом и Р. Толменом.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 1). К концам дисков с помощью скользящих контактов присоединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться вдоль проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение . Оно оказалось равным 1,8·10 11 Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

Таким образом, электрический ток в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической электронной теории проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему совокупности двух подсистем:

  1. свободных электронов с концентрацией ~ 10 28 м -3 и
  2. положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия.

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

При объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с ядром атома внешние электроны отрываются от атомов (рис. 2). Поэтому в узлах кристаллической решетки металла располагаются положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны, не связанные с ядрами своих атомов. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости . Они совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом .

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное хаотическое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток. Скорость движения самих электронов в проводнике — несколько долей миллиметра в секунду, однако возникающее в проводнике электрическое поле распространяется по всей длине проводника со скоростью, близкой к скорости света в вакууме (3·10 8 м/с).

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью .

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения (ее называют дрейфовой). Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решетки электроны передают кинетическую энергию, приобретенную в электрическом поле, кристаллической решетке. В первом приближении можно считать, что на длине свободного пробега (это расстояние, которое электрон проходит между двумя последовательными столкновениями с ионами) электрон движется с ускорением и его дрейфовая скорость линейно возрастает со временем

В момент столкновения электрон передает кинетическую энергию кристаллической решетке. Потом он опять ускоряется, и процесс повторяется. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как , где l — длина проводника.

Известно, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц

а значит, согласно предыдущему, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Однако в рамках этой теории возникли трудности. Из теории следовало, что удельное сопротивление должно быть пропорционально корню квадратному из температуры (), между тем, согласно опыту, ~ Т. Кроме того, теплоемкость металлов, согласно этой теории, должна быть значительно больше теплоемкости одноатомных кристаллов. В действительности теплоемкость металлов мало отличается от теплоемкости неметаллических кристаллов. Эти трудности были преодолены только в квантовой теории.

В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес, изучая изменение электрического сопротивления ртути при низких температурах, обнаружил, что при температуре около 4 К (т.е. при -269°С) удельное сопротивление скачком уменьшается (рис. 3) практически до нуля. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Г. Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов — металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. У каждого из них своя критическая температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое значение ее у вольфрама — 0,012К, самое высокое у ниобия — 9К.

Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb и другие.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами:

  1. электрический ток в сверхпроводнике может существовать длительное время без источника тока;
  2. внутри вещества в сверхпроводящем состоянии нельзя создать магнитное поле:
  3. магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Сверхпроводимость — явление, объясняемое с точки зрения квантовой теории. Достаточно сложное его описание выходит за рамки школьного курса физики.

Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее, несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с 60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах. Именно такие магниты требуются для создания установок управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, для мощных ускорителей заряженных частиц. Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах, прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с высочайшей точностью.

В настоящее время в линиях электропередачи на преодоление сопротивления проводов уходит 10 — 15% энергии. Сверхпроводящие линии или хотя бы вводы в крупные города принесут громадную экономию. Другая область применения сверхпроводимости — транспорт.

На основе сверхпроводящих пленок создан ряд быстродействующих логических и запоминающих элементов для счетно-решающих устройств. При космических исследованиях перспективно использование сверхпроводящих соленоидов для радиационной защиты космонавтов, стыковки кораблей, их торможения и ориентации, для плазменных ракетных двигателей.

В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высокой температуре — свыше 100К, то есть при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.

Проводящие металлы. Удельная электрическая проводимость

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение, модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Электрические поля регистрируются с использованием системы электрически чувствительных органов в коже. Каждый флакон содержит трубку, заполненную желатиновым веществом, которое контактирует с внешней средой через поры в коже животных. Внутренний конец трубки заканчивается в подвале, где размещаются клетки, которые несут электрические сигналы в нервную систему рыбы. До сих пор ученые не могли объяснить, как слабый электрический сигнал проходит через трубу снаружи в подвал.

Однако теперь физики и биофизика из Калифорнийского университета в Санта-Крус пришли вместе с другими коллегами, что желе является исключительно хорошим протонным проводником, что также объясняется передачей электрических сигналов. Команда попыталась проверить образцы акулы и редиса. Ученые из Розола помещают между двумя палладиевыми электродами, способными поглощать и излучать большое количество протонов. Напряжение, прикладываемое к электродам, заставляет протоны от положительного электрода поступать в желе и двигаться к отрицательному электроду.

Исходная величина

Преобразованная величина

сименс на метр пикосименс на метр мо на метр мо на сантиметр абмо на метр абмо на сантиметр статмо на метр статмо на сантиметр сименс на сантиметр миллисименс на метр миллисименс на сантиметр микросименс на метр микросименс на сантиметр условная единица электропроводности условный коэффициент электропроводности миллионных долей, коэф. пересчета 700 миллионных долей, коэф. пересчета 500 миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 550 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 500 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 700

Протонный ток легко измеряется, потому что он такой же, как электрический ток, протекающий через приложенное напряжение. Хотя измерения показали, что желе является хорошим протонным проводником, он не обеспечивает точное значение проводимости. Протоны должны преодолевать контактное сопротивление, когда они входят и выходят из палладиевых электродов, а измерение проводимости влияет на них. Это было обойдено тем фактом, что измерение проводилось также на двух золотых электродах, помещенных в желе между палладиевыми электродами.

Измерение напряжения между золотыми электродами и током между палладиевыми электродами позволило вычислить точное значение проводимости. Ученые убеждены, что высокая протонная проводимость этого биологического материала связана с наличием цепной молекулы, называемой кератансульфатом. Это кислота, которая означает, что каждая молекула кератинового сульфата может обеспечить протон для повышения проводимости. Эти протоны затем могут перемещаться вдоль цепочек молекул воды, которые образуются вокруг кератансульфата.

Введение и определения

Удельная электрическая проводимость (или удельная электропроводность) является мерой способности вещества проводить электрический ток или перемещать электрические заряды в нем. Это отношение плотности тока к напряженности электрического поля. Если рассмотреть куб из проводящего материала со стороной 1 метр, то удельная проводимость будет равна электрической проводимости, измеренной между двумя противоположными сторонами этого куба.

Эксперты считают это открытие очень захватывающим и стимулирующим. Полученные данные должны вдохновлять на дальнейшие исследования функций электрической чувствительности не только ампулы Лоренцини, но и в целом различных органов. Такие данные обычно недоступны. Не только это открытие должно привести к разработке новых типов датчиков разных типов.

Вещества с одинаковой температурой кажутся по-разному теплыми. Если мы коснемся дерева и металла при той же температуре, металл будет выглядеть холодным, потому что это делает наше тепло более теплым и теплым, потому что наша поверхность нагревается нашей рукой.

Удельная проводимость связана с проводимостью следующей формулой:

G = σ(A/l)

где G — электрическая проводимость, σ — удельная электрическая проводимость, А — поперечное сечение проводника, перпендикулярное направлению электрического тока и l — длина проводника. Эту формулу можно использовать с любым проводником в форме цилиндра или призмы. Отметим, что эту формулу можно использовать и для прямоугольного параллелепипеда, потому что он является частным случаем призмы, основанием которой является прямоугольник. Напомним, что удельная электрическая проводимость — величина, обратная удельному электрическому сопротивлению.

Теплопроводность — это способность материала нагреваться. Фактически это скорость, с которой тепло распространяется от одной нагретой части ткани к другой, холоднее. Теплопроводность каждого вещества определяется коэффициентом теплопроводности. В зависимости от значения коэффициента теплопроводности мы различаем хорошие и плохие теплопроводности.

Все металлы обладают лучшей теплопроводностью. Лучшее тепловыделение приводит к чистым металлам, чем загрязненные металлом или сплавы. Металл, который является лучшим электрическим проводником, также является лучшим проводником тепла. Соотношение между коэффициентом теплопроводности и коэффициентом проводимости выражается в законе Лоренца-Лоренца. Тепловая и электропроводность металлов опосредованы свободными электронами. Хорошая теплопроводность металлов используется в технике, металлических радиаторах, стенках парового котла, охлаждающих телах и т.д. другими твердыми веществами являются плохие теплопроводники, за исключением твердых веществ.

Людям, далеким от физики и техники, бывает сложно понять разницу между проводимостью проводника и удельной проводимостью вещества. Между тем, конечно, это разные физические величины. Проводимость — это свойство данного проводника или устройства (например, резистора или гальванической ванны), в то время как удельная проводимость — это неотъемлемое свойство материала, из которого изготовлены этот проводник или устройство. Например, удельная проводимость меди всегда одинаковая, независимо от того как изменяется форма и размеры предмета из меди. В то же время, проводимость медного провода зависит от его длины, диаметра, массы, формы и некоторых других факторов. Конечно, похожие объекты из материалов с более высокой удельной проводимостью имеют более высокую проводимость (хотя и не всегда).

Опыт практики: очень плохие теплопроводники — это газы и жидкости, особенно вода. При нагревании воды в верхней части трубки мы можем довести ее до кипения, а на дне осталось холодно. Наименьшие коэффициенты теплопроводности имеют газы. Следовательно, также рыхлые пористые вещества, внутри которых находится воздух, являются плохими тепловыми проводниками. Проводимость таких веществ зависит от влажности, так что теплопроводность влажных веществ значительно больше. Вещества, которые являются плохими проводниками тепла, используются для теплоизоляции.


В Международной системе единиц (СИ) единицей удельной электрической проводимости является сименс на метр (См/м) . Входящая в нее единица проводимости названа в честь немецкого ученого, изобретателя, предпринимателя Вернера фон Сименса (1816–1892 гг.). Основанная им в 1847 г. компания Siemens AG (Сименс) является одной из самых больших компаний, выпускающих электротехническое, электронное, энергетическое, транспортное и медицинское оборудование.

Лучшим тепловым изолятором является вакуум. Теплокровные животные нагревают свое тело, чтобы изолировать свое тело, чтобы поддерживать его температуру с минимальной энергией. Хладнокровные животные, с другой стороны, исцеляют свои тела внешними источниками. Тепловая изоляция может помешать им. Утка или китообразные используют свой подкожный жир для теплоизоляции.

Интеллектуальные материалы для нового века. Общим знаменателем этой Нобелевской премии является работа трех ученых, ведущих к открытию и разработке нового класса веществ — проводящих полимеров. Проводящие полимеры сочетают электрическое поведение, типичное для полупроводников с свойствами материала, которые облегчают его обработку. Они могут изменять свою структуру, а потому — в зависимости от реакции на окружающую среду — их физические свойства. Вот почему они называются интеллектуальными материалами. «Умный» атрибут преувеличен, но поведение электропроводящих материалов делает его полезным.


Диапазон удельных электрических проводимостей очень широк: от материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением, таких как стекло (которое, между прочим, хорошо проводит электрический ток, если его нагреть докрасна) или полиметилметакрилат (органическое стекло) до очень хороших проводников, таких как серебро, медь или золото. Удельная электрическая проводимость определяется количеством зарядов (электронов и ионов), скоростью их движения и количеством энергии, которое они могут переносить. Средними значениями удельной проводимости обладают водные растворы различных веществ, которые используются, например, в гальванических ваннах. Другим примером электролитов со средними значениями удельной проводимости является внутренняя среда организма (кровь, плазма, лимфа и другие жидкости).

Полимеры обычно известны как изоляторы. Они обладают хорошими механическими свойствами и легко обрабатываются. Они используются в качестве изолирующих электрических проводников, тепловых изоляторов или звукопоглощающих слоев. Их преимуществом является также их низкая плотность, и поэтому они все чаще используются в отраслях, где желателен малый вес материала, например, в авиационной технике или в производстве упаковочных материалов. Для многих применений функциональные свойства полимеров могут быть улучшены путем получения композитов, то есть полимеров, содержащих различные наполнители.

Проводимость металлов, полупроводников и диэлектриков подробно обсуждается в следующих статьях Конвертера физических величин сайт: , и Электрическая проводимость . В этой статье мы обсудим подробнее удельную проводимость электролитов, а также методы и простое оборудование для ее измерения.

Удельная электрическая проводимость электролитов и ее измерение


Так, например, сделаны фоточувствительные слои для ксерографий и лазерных принтеров, пьезоэлектрических и пироэлектрических детекторов или фотокопировальных аппаратов. В композитах, содержащих углеродную сажу или порошковый графит, электропроводность была значительно увеличена. Такие материалы подходят, например, для производства легких нефтяных канистр — проводящий композит обеспечивает электростатический заряд, поэтому нет риска воспламенения летучих паров.

В дополнение к проводящим композитам существуют также конъюгированные полимеры, которые могут проявлять свою высокую электропроводность. Это позволяет регулярно вращать одинарные и двойные связи в молекулярной структуре. В дополнение к системе этих связей предпосылкой является наличие подвижных носителей заряда, которые опосредуют конъюгированный транспорт цепи.

Удельная проводимость водных растворов, в которых электрический ток возникает в результате движения заряженных ионов, определяется количеством носителей заряда (концентрацией вещества в растворе), скоростью их движения (подвижность ионов зависит от температуры) и зарядом, которые они несут (определяемой валентностью ионов). Поэтому в большинстве водных растворов повышение концентрации приводит к увеличению числа ионов и, следовательно, к увеличению удельной проводимости. Однако после достижения определенного максимума удельная проводимость раствора может начать уменьшаться при дальнейшем увеличении концентрации раствора. Поэтому растворы с двумя различными концентрациями одной и той же соли могут иметь одинаковую удельную проводимость.

Структурно самым простым конъюгированным полимером является полиацетилен. Основополагающим открытием этих знатоков было выяснить, что когда тонкая полиацетиленовая пленка легирована парами иода, электропроводность пленки увеличивается примерно в миллион раз. Электрон удаляется из полимерной цепи. После переноса электрона из полиацетиленовой цепи в молекулу иода, которая заряжена отрицательно, молекула полиацетилена несет положительный заряд заряда. Существенное различие между легированием неорганических и органических полупроводников заключается в том, что мы можем существенно влиять на электрические свойства материала при следовых концентрациях легирующей примеси, для неорганических веществ нам нужна более высокая концентрация для полимеров.

Температура также влияет на проводимость, так как при повышении температуры ионы движутся быстрее, что приводит к увеличению удельной проводимости. Чистая вода — плохой проводник электричества. Обычная дистиллированная вода, в которой содержится в равновесном состоянии углекислый газ из воздуха и общая минерализация менее 10 мг/л, имеет удельную электрическую проводимость около 20 мСм/см. Удельная проводимость различных растворов приведена ниже в таблице.

Для переноса электрического заряда переполнение носителей между цепями является определяющим фактором. Этот транспорт менее эффективен, чем перенос заряда в металлах, поскольку он сильно зависит от порядка макромолекул. Доказательство состоит в том, что механически ориентированные пленки показывают более высокую электропроводность в направлении удлинения, чем исходные образцы.

Работа трех лауреатов по-прежнему остается вершиной исследований, начавшихся в 1950-х годах. Уже некоторые исследователи начали заниматься переносом электронов в низкомолекулярных веществах и образованием проводящих солей. В 1960-х годах Хидео Акамату и Хиро Инокучи писали монографию «Органический полупроводник», в которой реальные системы показали, что малые молекулы могут создавать проводники и даже сверхпроводники. В поисках подходящих веществ были синтезированы сотни органических материалов с повышенной электропроводностью, но до сих пор было невозможно приготовить подходящий полимер.



Для определения удельной проводимости раствора используется измеритель сопротивления (омметр) или проводимости. Это практически одинаковые устройства, отличающиеся только шкалой. Оба измеряют падение напряжения на участке цепи, по которому протекает электрический ток от батареи прибора. Измеренное значение проводимости вручную или автоматически пересчитывается в удельную проводимость. Это осуществляется с учетом физических характеристик измерительного устройства или датчика. Датчики удельной проводимости устроены просто: это пара (или две пары) электродов, погруженных в электролит. Датчики для измерения удельной проводимости характеризуются постоянной датчика удельной проводимости , которая в простейшем случае определяется как отношение расстояния между электродами D к площади (электрода), перпендикулярной течению тока А

Анилин черный известен с века. Из-за трудностей в синтезе внимание стало обращать на простейший модельный полимер — полиацетилен. Он имеет две конформации, транс и цис-форму. Синтез дает их смесь. С точки зрения электропроводности интересна только трансформация, полученная Хидеки Ширакавой в чистом виде полимерной пленки серебра. Это помогло ему по совпадению — он использовал катализатор различного типа для полимеризации, чем обычно, плюс тысячная концентрация.

На другом конце света МакДиармид и его коллега Хегер в то время рассматривали свойства неорганического полимера, состоящего из атомов серы и азота, которые они делали в виде пленки, подобной металлической пленке. О свойствах этого полимера было сообщено Макдиармидом на научной встрече в Токио, где он встретил Ширакаву. Они согласились начать совместную работу в Университете Пенсильвании. Транс-полиацетилен засевался иодом и изучал его электропроводность.

Эта формула хорошо работает, если площадь электродов значительно больше расстояния между ними, так как в этом случае большая часть электрического тока протекает между электродами. Пример: для 1 кубического сантиметра жидкости K = D/A = 1 см/1 см² = 1 см⁻¹. Отметим, что датчики удельной проводимости с маленькими электродами, раздвинутыми на относительно большое расстояние, характеризуются значениями постоянной датчика 1.0 cm⁻¹ и выше. В то же время, датчики с относительно большими электродами, расположенными близко друг к другу, имеют постоянную 0,1 cm⁻¹ или менее. Постоянная датчика для измерения удельной электрической проводимости различных устройств находится в пределах от 0,01 до 100 cm⁻¹.

Результатом стал ряд рабочих мест и компаний, которые затем улучшили химические процессы и повысили электропроводность. Хотя полиацетилен обладает высокой проводимостью, приближаясь к проводимости металлов, он не подходит для более широкого использования, он обладает низкой устойчивостью к атмосферным воздействиям. Поэтому интерес исследователей с середины 80-х годов был сфокусирован на других конъюгированных полимерах — полипирроле, политиофене, полианилина, полифенилена, поли.

Полянилин, вероятно, самый старый органический полимер, созданный человеком. Фриче, который вскоре после получения анилина стремился создать новые синтетические красители. Лэтби описал электрохимическое окисление анилина, которое после проталкивания щелочи изменило цвет на синий.

Теоретическая постоянная датчика: слева — K = 0,01 см⁻¹ , справа — K = 1 см⁻¹

Для получения удельной проводимости из измеренной проводимости используется следующая формула:

σ = K ∙ G

σ — удельная проводимость раствора в См/см;

K — постоянная датчика в см⁻¹;

G — проводимость датчика в сименсах.

Постоянную датчика обычно не рассчитывают по его геометрическим размерам, а измеряют в конкретном измерительном устройстве или в конкретной измерительной установке с использованием раствора с известной проводимостью. Эта измеренная величина и вводится в прибор для измерения удельной проводимости, который автоматически рассчитывает удельную проводимость по измеренным значениям проводимости или сопротивления раствора. В связи с тем, что удельная проводимость зависит от температуры раствора, устройства для ее измерения часто содержат датчик температуры, который измеряет температуру и обеспечивает автоматическую температурную компенсацию измерений, то есть, приведение результатов к стандартной температуре 25°C.

Самый простой способ измерения проводимости — приложить напряжение к двум плоским электродам, погруженным в раствор, и измерить протекающий ток. Этот метод называется потенциометрическим. По закону Ома, проводимость G является отношением тока I к напряжению U :

Однако не все так просто, как описано выше — при измерении проводимости имеется много проблем. Если используется постоянный ток, ионы собираются у поверхностей электродов. Также у поверхностей электродов может возникнуть химическая реакция. Это приводит к увеличению поляризационного сопротивления на поверхностях электродов, что, в свою очередь, приводит к получению ошибочных результатов. Если попробовать измерить обычным тестером сопротивление, например, раствора хлористого натрия, будет хорошо видно, как показания на дисплее цифрового прибора довольно быстро изменяются в сторону увеличения сопротивления. Чтобы исключить влияние поляризации, часто используют конструкцию датчика из четырех электродов.

Поляризацию также можно предотвратить или, во всяком случае, уменьшить, если использовать при измерении переменный ток вместо постоянного, да еще и подстраивать частоту в зависимости от проводимости. Низкие частоты используются для измерения низкой удельной проводимости, при которой влияние поляризации невелико. Более высокие частоты используются для измерения высоких проводимостей. Обычно частота подстраивается в процессе измерения автоматически, с учетом полученных значений проводимости раствора. Современные цифровые двухэлектродные измерители проводимости обычно используют переменный ток сложной формы и температурную компенсацию. Они откалиброваны на заводе-изготовителе, однако в процессе эксплуатации часто требуется повторная калибровка, так как постоянная измерительной ячейки (датчика) изменяется со временем. Например, она может измениться при загрязнении датчики или при физико-химических изменениях электродов.

В традиционном двухэлектродном измерителе удельной проводимости (именно такой мы будем использовать в нашем эксперименте) между двумя электродами приложено переменное напряжение и измеряется протекающий между электродами ток. Этот простой метод имеет один недостаток — измеряется не только сопротивление раствора, но и сопротивление, вызванное поляризацией электродов. Для сведения влияния поляризации к минимуму используют четырехэлектродную конструкцию датчика, а также покрытие электродов платиновой чернью.

Общая минерализация

Устройства для измерения удельной электрической проводимости часто используют для определения общей минерализации или содержания твёрдых веществ (англ. total dissolved solids, TDS). Это мера общего количества органических и неорганических веществ, содержащихся в жидкости в различных формах: ионизированной, молекулярной (растворенной), коллоидной и в виде суспензии (нерастворенной). К растворенным веществам относятся любые неорганические соли. Главным образом, это хлориды, бикарбонаты и сульфаты кальция, калия, магния, натрия, а также некоторые органические вещества, растворенные в воде. Чтобы относиться к общей минерализации, вещества должны быть или растворенными, или в форме очень мелких частиц, которые проходят сквозь фильтры с диаметром пор менее 2 микрометров. Вещества, которые постоянно находятся в растворе во взвешенном состоянии, но не могут пройти сквозь такой фильтр, называется взвешенными твердыми веществами (англ. total suspended solids, TSS). Общее количество взвешенных веществ обычно измеряется для определения качества воды.


Существует два метода измерения содержания твердых веществ: гравиметрический анализ , являющийся наиболее точным методом, и измерение удельной проводимости . Первый метод — самый точный, но требует больших затрат времени и наличия лабораторного оборудования, так как воду нужно выпарить до получения сухого остатка. Обычно это производится при температуре 180°C в лабораторных условиях. После полного испарения остаток взвешивается на точных весах.

Второй метод не такой точный, как гравиметрический анализ. Однако он очень удобен, широко распространен и является наиболее быстрым методом, так как представляет собой простое измерение проводимости и температуры, выполняемое за несколько секунд недорогим измерительным прибором. Метод измерения удельной электропроводности можно использовать в связи с тем, что удельная проводимость воды прямо зависит от количества растворенных в ней ионизированных веществ. Данный метод особенно удобен для контроля качества питьевой воды или оценки общего количества ионов в растворе.

Измеренная проводимость зависит от температуры раствора. То есть, чем выше температура, тем выше проводимость, так как ионы в растворе при повышении температуры движутся быстрее. Для получения измерений, независимых от температуры, используется концепция стандартной (опорной) температуры, к которой приводятся результаты измерения. Опорная температура позволяет сравнить результаты, полученные при разных температурах. Таким образом, измеритель удельной проводимости может измерять реальную проводимость, а затем использовать корректирующую функцию, которая автоматически приведет результат к опорной температуре 20 или 25°C. Если необходима очень высокая точность, образец можно поместить в термостат, затем откалибровать измерительный прибор при той же температуре, которая будет использоваться при измерениях.

Большинство современных измерителей удельной проводимости снабжены встроенным датчиком температуры, который используется как для температурной коррекции, так и для измерения температуры. Самые совершенные приборы способны измерять и отображать измеренные значения в единицах удельной проводимости, удельного сопротивления, солености, общей минерализации и концентрации. Однако еще раз отметим, что все эти приборы измеряют только проводимость (сопротивление) и температуру. Все физические величины, которые показывает дисплей, рассчитываются прибором с учетом измеренной температуры, которая используется для автоматической температурной компенсации и приведения измеренных значений к стандартной температуре.

Эксперимент: измерение общей минерализации и проводимости

В заключение мы выполним несколько экспериментов по измерению удельной проводимости с помощью недорогого измерителя общей минерализации (называемого также солемером, салинометром или кондуктомером) TDS-3. Цена «безымянного» прибора TDS-3 на eBay с учетом доставки на момент написания статьи менее US$3.00. Точно такой же прибор, но с названием изготовителя стоит уже в 10 раз дороже. Но это для любителей платить за брэнд, хотя очень высока вероятность того, что оба прибора будут выпущены на одном и том же заводе. TDS-3 осуществляет температурную компенсацию и для этого снабжен датчиком температуры, расположенным рядом с электродами. Поэтому его можно использовать и в качестве термометра. Следует еще раз отметить, что прибор реально измеряет не саму минерализацию, а сопротивление между двумя проволочными электродами и температуру раствора. Все остальное он автоматически рассчитывает с использованием калибровочных коэффициентов.


Измеритель общей минерализации поможет определить содержание твердых веществ, например, при контроле качества питьевой воды или определения солености воды в аквариуме или в пресноводном пруде. Его можно также использовать для контроля качества воды в системах фильтрации и очистки воды, чтобы узнать когда пришло время заменить фильтр или мембрану. Прибор откалиброван на заводе-изготовителе с помощью раствора хлорида натрия NaCl с концентрацией 342 ppm (частей на миллион или мг/л). Диапазон измерения прибора — 0–9990 ppm или мг/л. PPM — миллионная доля, безразмерная единица измерения относительных величин, равная 1 10⁻⁶ от базового показателя. Например, массовая концентрация 5 мг/кг = 5 мг в 1 000 000 мг = 5 частей на миллион или миллионных долей. Точно так же, как процент является одной сотой долей, миллионная доля является одной миллионной долей. Проценты и миллионные доли по смыслу очень похожи. Миллионные доли, в отличие от процентов, удобны для указания концентрации очень слабых растворов.

Прибор измеряет электрическую проводимость между двумя электродами (то есть величину, обратную сопротивлению), затем пересчитывает результат в удельную электрическую проводимость (в англоязычной литературе часто используют сокращение EC) по приведенной выше формуле проводимости с учетом постоянной датчика K, затем выполняет еще один пересчет, умножая полученную удельную проводимость на коэффициент пересчета 500. В результате получается значение общей минерализации в миллионных долях (ppm). Подробнее об этом — ниже.


Данный прибор для измерения общей минерализации нельзя использовать для проверки качества воды с высоким содержанием солей. Примерами веществ с высоким содержанием солей являются некоторые пищевые продукты (обычный суп с нормальным содержанием соли 10 г/л) и морская вода. Максимальная концентрация хлорида натрия, которую может измерить этот прибор — 9990 ppm или около 10 г/л. Это обычная концентрация соли в пищевых продуктах. Данным прибором также нельзя измерить соленость морской воды, так как она обычно равна 35 г/л или 35000 ppm, что намного выше, чем прибор способен измерить. При попытке измерить такую высокую концентрацию прибор выведет сообщение об ошибке Err.

Солемер TDS-3 измеряет удельную проводимость и для калибровки и пересчета в концентрацию использует так называемую «шкалу 500» (или «шкалу NaCl»). Это означает, что для получения концентрации в миллионных долях значение удельной проводимости в мСм/см умножается на 500. То есть, например, 1,0 мСм/см умножается на 500 и получается 500 ppm. В разных отраслях промышленности используют разные шкалы. Например, в гидропонике используют три шкалы: 500, 640 и 700. Разница между ними только в использовании. Шкала 700 основана на измерении концентрации хлорида калия в растворе и пересчет удельной проводимости в концентрацию выполняется так:

1,0 мСм/см x 700 дает 700 ppm

Шкала 640 использует коэффициент преобразования 640 для преобразования мСм в ppm:

1,0 мСм/см x 640 дает 640 ppm

В нашем эксперименте мы вначале измерим общую минерализацию дистиллированной воды. Солемер показывает 0 ppm. Мультиметр показывает сопротивление 1,21 МОм.


Для эксперимента приготовим раствор хлорида натрия NaCl с концентрацией 1000 ppm и измерим концентрацию с помощью TDS-3. Для приготовления 100 мл раствора нам нужно растворить 100 мг хлорида натрия и долить дистиллированной воды до 100 мл. Взвесим 100 мг хлорида натрия и поместим его в мерный цилиндр, добавим немного дистиллированной воды и размешаем до полного растворения соли. Затем дольем воду до метки 100 мл и еще раз как следует размешаем.

Для экспериментального определения проводимости мы использовали два электрода, изготовленные из того же материала и с теми же размерами, что и электроды TDS-3. Измеренное сопротивление составило 2,5 КОм.

Теперь, когда нам известно сопротивление и концентрация хлорида натрия в миллионных долях, мы можем приблизительно рассчитать постоянную измерительной ячейки солемера TDS-3 по приведенной выше формуле:

K = σ/G = 2 мСм/см x 2,5 кОм = 5 см⁻¹

Это значение 5 см⁻¹ близко к расчетной величине постоянной измерительной ячейки TDS-3 с указанными ниже размерами электродов (см. рисунок).

  • D = 0,5 см — расстояние между электродами;
  • W = 0,14 см — ширина электродов
  • L = 1,1 см — длина электродов

Постоянная датчика TDS-3 равна K = D/A = 0,5/0,14×1,1 = 3,25 cm⁻¹. Это не сильно отличается от полученного выше значения. Напомним, что приведенная выше формула позволяет лишь приблизительно оценить постоянную датчика.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Из курса физики Вы помните, что электрическое сопротивление любого проводника может быть рассчитано по формуле:

где R — сопротивление в Ом;

l — длина проводника, см;

S — площадь поперечного сечения, см 2 ;

r — удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см 2 .

В электрохимии принято пользоваться величинами, обратными указанным:

Величина L называется электрической проводимостью и измеряется в Сименсах (См) См = Ом -1 .

Величина À называется удельной электрической проводимостью. Нетрудно вывести, что величина À измеряется в См×см -1 . На рис.3.1. представлена кондуктометрическая ячейка, применяемая для измерения электрической проводимости. Она представляет собой сосуд 1, без дна, в который вставлены два платиновых электрода 2, помещаемые в исследуемый раствор 3.

Величину К определяют экспериментально. Для этого необходимо измерить электрическую проводимость L раствора, для которого À известна. Обычно для этого используют растворы хлорида калия известной концентрации (0,1; 0,05; 0,01 моль/дм 3), величины À которых имеются в таблицах.

Из уравнения (3.5.) следует, что

удельная проводимость — это электрическая проводимость раствора, помещенного между двумя электродами площадью 1 см 2 , находящимися на расстоянии 1 см.

À HCl KOH HF CH 3 COOH С Рис.3.2.Зависимость удельной прово-димости от концентрации Удельная электрическая проводимость раствора зависит от природы растворителя и растворенного вещества, кон-центрации раствора и темпера-туры. На рис.3.2. приведены графики зависимости À от концентрации водных раство-ров некоторых электролитов при постоянной температу-ре.Из рисунка, прежде всего следует, что при равных концентрациях растворов про-водимость растворов сильных электролитов значительно выше, т.к. в них содержится

больше ионов-носителей электричества. В разбавленных растворах как сильных так и слабых электролитов увеличение концентрации приводит к повышению проводимости, что связано с увеличением количества ионов. В области высоких концентраций наблюдается уменьшение À. Для сильных электролитов это связано с увеличением вязкости растворов и усилением электростатического взаимодействия между ионами. Для слабых электролитов указанный эффект связан с уменьшением степени диссоциации и, следовательно, уменьшением количества ионов.

При повышении температуры удельная проводимость электролитов увеличивается:

À 2 = À 1 [ 1 + a(T 2 — T 1)] (3.7.)

В этом уравнении À 1 и À 2 – удельная проводимость при температурах Т 1 и Т 2 , а a – температурный коэффициент проводимости. Например, для солей a » 0,02. Это означает, что повышение температуры на один градус приводит к увеличению проводимости приблизительно на 2%. Связано это с тем, что при повышении температуры уменьшается степень гидратации и вязкость растворов.

Следует отметить, что в отличие от электролитов, электричес-кая проводимость металлов при повышении температуры уменьшается.

Молярная электрическая проводимость

Молярная проводимость l связана с удельной проводимостью формулой:

l = À×1000/с (3.8.)

В этом выражении с — молярная концентрация раствора, моль×дм -3 . Молярная проводимость выражена в См×см 2 ×моль -1 . Итак,

молярная проводимость — это проводимость раствора, содержащего 1 моль вещества при расстоянии между электродами, равном 1 см.

Молярная электрическая проводимость как сильных так и слабых электролитов с увеличением концентрации понижается. Характер зависимости l от с для сильных и слабых электролитов различен, т.к. влияние концентрации обусловлено различными причинами.

Сильные электролиты . При небольших концентрациях зависимость молярной проводимости от концентрации выражается эмпирическим уравнением Кольрауша:

l = l 0 –bÖс (3.9.)

где b – определяемая опытным путем постоянная,

а l 0 – молярная электрическая проводимость при бесконечном разбавлении или предельная молярная проводимость .

Таким образом,

liml C ® 0 = l 0 (3.10.)

Приготовить раствор, концентрация которого равна нулю, невозможно. Величину l 0 для сильных электролитов можно определить графически. Из уравнения (3.9.) следует, что график зависимости l = f(Öc) для сильных электролитов представляет собой прямую линию (рис.3.3.,линия 1).

Если приготовить ряд растворов различной концентрации, измерить их проводимость L,рассчитать и построить график l = f(Öс), то экстраполируя полученную прямую на ось ординат (с = 0), можно определить l 0 . Если учесть, что сильные электролиты, независимо от концентрации раствора полностью диссоциированы, то приходим к выводу, что количество ионов, образуемых из 1 моль вещества, всегда одно и то же. Значит, от концентрации раствора зависит скорость движения ионов, с увеличением концентрации усиливается торможение ионов . Это явление, связано с образованием вокруг каждого иона в растворе ионной атмосферы , состоящей преимущественно из ионов противоположного знака. С увеличением концентрации также увеличивается вязкость раствора. Существуют и другие причины замедления движения ионов в электрическом поле, на которых мы останавливаться не будем.

Если экспериментально определить величину l для раствора данной концентрации и графически найти l 0 можно рассчитать величину коэффициента электропроводности f :

f = l / l 0 (3.11.)

Коэффициент f характеризует степень торможения ионов и при разбавлении раствора стремится к единице.

Слабые электролиты . Молярная проводимость слабых электролитов значительно меньше, чем для растворов сильных электролитов (рис.3.3, линия 2). Это связано с тем, что даже при низких концентрациях степень диссоциации слабых электролитов мала. Повышение молярной проводимости слабых электролитов при разбавлении растворов связано с увеличением степени диссоциации в соответствии с законом разбавления Оствальда. С.Аррениус высказал предположение, что молярная проводимость слабого электролита связана с его степенью диссоциации выражением:

a = l / l 0 (3.12.)

Таким образом, степень диссоциации слабого электролита можно рассчитать, если известна его предельная молярная проводимость l 0 . Однако определить l 0 графически путем экстраполяции графика l= f(Öс) нельзя, т.к. кривая (рис.3.3., линия 2) при уменьшении концентрации асимптотически приближается к оси ординат.

Величину l 0 можно определить с помощью закона независимости движения ионов Кольрауша :

Молярная электрическая проводимость электролита при бесконечном разбавлении раствора равна сумме предельных подвижностей катионов и анионов.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Подвижности катиона и аниона пропорциональны абсолютным скоростям движения ионов (см.табл. 3.1.).

l 0,+ = F×U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

В этих формулах F — единица количества электричества, называемая Фарадеем, равная 96494 Кулонов (Кл). В табл.3.2. приведены предельные подвижности некоторых ионов.

Следует отметить, что закон независимости движения ионов справедлив как для слабых, так и для сильных электролитов.

Таблица 3.2.

Предельные подвижности ионов (см 2 ×См×моль -1) при 25 0 С

Катион l 0,+ Анион l 0,–
Н + К + Na + Li + Ag + Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+ 349,8 73,5 50,1 38,7 61,9 127,2 119,0 106,1 ОН — I — Br — Cl — NO 3 — CH 3 COO — SO 4 2- 76,8 78,4 76,3 71,4 40,9 160,0

Применение измерений проводимости

Метод исследования основанный на измерении электрической проводимости, называется кондуктометрией . Этот метод широко используется в лабораторной практике. Прибор для измерения электрической проводимости называется кондуктометром . В частности, кондуктометрический метод позволяет определять константы диссоциации слабых электролитов.

Пример. Определение константы диссоциации уксусной кислоты.

а)Для нахождения постоянной кондуктометрической ячейки приготовили растворы хлорида калия с молярными концентрациями 0,1 и 0,02 моль×дм -3 и измерили их проводимость.Она оказалась равной соответственно L 1 = 0,307 См и L 2 = 0,0645 См. По таблице находим значения удельной проводимости растворов хлорида калия указанных концентраций:

À 1 = 1,29×10 -1 См×см -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 См×см -1

По уравнению 3.6. рассчитываем постоянную ячейки:

К 1 = À 1 /L 1 = 0,42 см -1

К 2 = À 2 /L 2 = 0,40 см -1

Среднее значение К = 0,41 см -1

б)Приготовили два раствора уксусной кислоты с концентрациями c 1 =0,02моль×дм -3 и c 2 = 1×10 -3 моль×дм -3 . С помощью кондуктометра измерили их электрическую проводимость:

L 1 = 5,8×10 -4 См; L 2 = 1,3×10 -4 См.

в) Рассчитываем удельную проводимость:

À 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cм×см -1

À 2 = L 2 ×К = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 См×см -1

г) По формуле (3.8.) находим молярную электрическую проводимость l 1 =11,89См×см 2 ×моль -1 ; l 2 = 49,2 См×см 2 ×моль -1

д) Находим, пользуясь табл.3.2. величину предельной молярной прово-димости уксусной кислоты: l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 См×см 2 ×моль -1 .

е) Наконец, рассчитываем для каждого раствора степень диссоциации (уравнение 3.12.) и константу диссоциации

a 1 = 3,04×10 -2 ; a 2 = 1,26×10 -1

К 1 = 1,91×10 -5 ; К 2 = 1,82×10 -5

Среднее значение К = 1,86×10 -5

Электропроводность металлов

Электропроводность в металлах является результатом движения электрически заряженных частиц. Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов, то есть электронов на внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Поскольку валентные электроны могут свободно перемещаться, они могут проходить через решетку, формирующую физическую структуру металла.Под действием электрического поля свободные электроны движутся в металле так же, как бильярдные шары, ударяясь друг о друга, пропуская при движении электрический заряд.

Передача энергии

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

Точно так же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, имеющие единственный валентный электрон, который может свободно двигаться и вызывает сильную реакцию отталкивания других электронов. Так обстоит дело с наиболее проводящими металлами, такими как серебро, золото и медь. Каждый из них имеет один валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную реакцию отталкивания.

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

Проводимость металла

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

Удельное сопротивление противоположно электропроводности, оценивая, насколько сильно металл сопротивляется прохождению электрического тока. Это обычно измеряется на противоположных сторонах куба материала в один метр и описывается как омметр (Ом⋅м). Удельное сопротивление часто обозначается греческой буквой ро (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется в сименсах на метр (См⋅м -1 ) и обозначается греческой буквой сигма (σ).Один сименс равен обратной величине одного ома.

Электропроводность, удельное сопротивление металлов

Материал

Удельное сопротивление


п(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 5.98×10 7
Отожженная медь 1,72×10 -8 5,80×10 7
Золото 2,44×10 -8 4,52×10 7
Алюминий 2,82×10 -8 3,5×10 7
Кальций 3,36×10 -8 2,82×10 7
Бериллий 4.00×10 -8 2.500×10 7
Родий 4,49×10 -8 2,23×10 7
Магний 4,66×10 -8 2,15×10 7
Молибден 5,225×10 -8 1,914×10 7
Иридий 5.289×10 -8 1,891×10 7
Вольфрам 5.49×10 -8 1,82×10 7
Цинк 5,945×10 -8 1,682×10 7
Кобальт 6,25×10 -8 1,60×10 7
Кадмий 6,84×10 -8 1,46 7
Никель (электролитический) 6,84×10 -8 1,46×10 7
Рутений 7.595×10 -8 1,31×10 7
Литий 8,54×10 -8 1,17×10 7
Железо 9,58×10 -8 1,04×10 7
Платина 1,06×10 -7 9,44×10 6
Палладий 1,08×10 -7 9,28×10 6
Олово 1.15×10 -7 8,7×10 6
Селен 1.197×10 -7 8,35×10 6
Тантал 1,24×10 -7 8,06×10 6
Ниобий 1,31×10 -7 7,66×10 6
Сталь (литая) 1,61×10 -7 6,21×10 6
Хром 1.96×10 -7 5,10×10 6
Свинец 2,05×10 -7 4,87×10 6
Ванадий 2,61×10 -7 3,83×10 6
Уран 2,87×10 -7 3,48×10 6
Сурьма* 3,92×10 -7 2,55×10 6
Цирконий 4.105×10 -7 2,44×10 6
Титан 5,56×10 -7 1,798×10 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.

Какие металлы проводят электричество? (Видеообновление)

Что такое электропроводность?

Электропроводность — это измеренная величина тока, создаваемого на поверхности металлической мишени. Проще говоря, это то, насколько легко электрический ток может течь через металл.

Какие металлы проводят электричество?

Хотя все металлы могут проводить электричество, некоторые металлы используются чаще из-за их высокой проводимости. Самый распространенный пример — медь.Он обладает высокой проводимостью, поэтому используется в электропроводке со времен телеграфа. Однако латунь, содержащая медь, обладает гораздо меньшей проводимостью, поскольку состоит из дополнительных материалов, снижающих ее проводимость, что делает ее непригодной для электрических целей.

Вы можете быть удивлены, узнав, что медь даже не является самым проводящим металлом, несмотря на то, что она используется во многих распространенных приложениях (и тот факт, что она используется в качестве измерительной линейки для оценки проводимости металлов).Другое распространенное заблуждение состоит в том, что чистое золото является лучшим проводником электричества. Хотя золото имеет относительно высокую проводимость, на самом деле оно менее проводимо, чем медь.

Какой металл лучше всего проводит электричество?

Ответ: Чистое серебро. Проблема с серебром в том, что оно может потускнеть. Эта проблема может вызвать проблемы в приложениях, где важен скин-эффект, например, при токах высокой частоты. Кроме того, он дороже меди, и небольшое увеличение проводимости не стоит дополнительных затрат.

Итак, если все металлы проводят электричество, то какой у них ранг? Взгляните на этот график:

Материал IACS (Международный стандарт отожженной меди)
Рейтинг Металл % Электропроводность*
1 Серебро (чистое) 105%
2 Медь 100%
3 Золото (чистое) 70%
4 Алюминий 61%
5 Латунь 28%
6 Цинк 27%
7 Никель 22%
8 Железо (чистое) 17%
9 Олово 15%
10 Фосфорная бронза 15%
11 Сталь (включая нержавеющую сталь) 3-15%
12 Свинец (чистый) 7%
13 Никель Алюминий Бронза 7%

* Показатели электропроводности выражены относительно меди.Рейтинг 100% не означает отсутствие сопротивления.

Как видите, различия в электропроводности значительно различаются в зависимости от металла. Как уже упоминалось, латунь имеет очень низкий рейтинг электропроводности, несмотря на то, что содержит медь, поэтому очень важно не делать предположений об электропроводности материала. Всегда проводите как можно больше исследований!

Для чего используется медь?

Поскольку медь является отличным электрическим проводником, в большинстве случаев она используется в электрических целях.Многие распространенные применения также зависят от одного или нескольких полезных свойств, таких как тот факт, что он является хорошим проводником тепла или имеет низкую реакционную способность (реакция с водой и кислотами).

Некоторые из распространенных применений меди включают:

Штыри в вилке на 13 А — используется, поскольку это электрический проводник с низкой реактивностью и прочностью.

Водопроводные трубы – используется, потому что он пластичный (мягкий), но прочный и прочный. Он также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что он антибактериальный и имеет низкую реактивность.

Основание кастрюли – используется, потому что оно является хорошим теплопроводником с низкой реактивностью и прочностью.

Электрические кабели – Используется, потому что это хороший электрический проводник, пластичный и прочный. Это включает в себя проводку для электроники, такой как телевизионное оборудование и аксессуары.

Микропроцессоры – аналогичные электрическим кабелям; используется, потому что это хороший электрический проводник и пластичный.

Обновление видео

Нет времени читать блог?

Посмотрите приведенный ниже видеоблог, чтобы узнать, какие металлы лучше всего проводят электричество.

Металлические супермаркеты

Metal Supermarkets — крупнейший в мире поставщик мелких партий металла с более чем 100 обычными магазинами в США, Канаде и Великобритании. Мы являемся экспертами в области металлов и предоставляем качественное обслуживание клиентов и продукцию с 1985 года.

В супермаркетах металлов мы поставляем широкий ассортимент металлов для различных применений. Наш склад включает в себя: мягкую сталь, нержавеющую сталь, алюминий, инструментальную сталь, легированную сталь, латунь, бронзу и медь.

У нас есть широкий ассортимент форм, включая стержни, трубы, листы, пластины и многое другое. И мы можем порезать металл по вашим точным спецификациям.

Посетите сегодня один из наших более чем 100 офисов в Северной Америке.

Почему металлы проводят электричество? – Материаловедение и инженерия

Вы когда-нибудь задумывались, почему металлы проводят электричество? Возможно, вы задавались вопросом, почему металлы (и вода) являются одними из немногих электрических проводников, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни?

В этом посте я объясню, почему металлы являются такими хорошими проводниками электричества, а также объясню, как неметаллы, такие как вода и стекло, также могут стать проводниками.

Металлы проводят электричество, потому что у них есть «свободные электроны». В отличие от большинства других форм материи, металлическая связь уникальна, поскольку электроны не связаны с конкретным атомом. Это позволяет делокализованным электронам течь в ответ на разность потенциалов.

Металлическое соединение

Честно говоря, я никогда полностью не понимал металлическую связь до аспирантуры (понимаю ли я это сейчас??)

В старших классах и старшекурсниках каждый раз, когда мне задавали вопрос о металлической связи, я всегда отвечал: «Потому что в металлической связи есть море электронов.Итак, краткий ответ: «металлы проводят электричество, потому что у них есть море делокализованных электронов, которые могут свободно уйти, как только почувствуют напряжение».

Что это значит? И почему у металлов есть это «море электронов», а у других материалов его нет?

Из-за квантовых взаимодействий все атомы металлов имеют общий внешний электрон. Вместо электронов, вращающихся вокруг определенного атома, электроны бродят по всей группе атомов металла. Это похоже на суперковалентную связь — электроны распределяются не между двумя атомами, а между всеми атомами.

«Модель электронного моря» — лучший способ описать это явление. Как вы, наверное, уже знаете, атомы металла выстроены в повторяющемся порядке (кристаллическая структура), а пространство между этими атомами и вокруг них заполнено электронами, которые могут свободно двигаться.

Так же, как ионы металла отдают электроны другому атому при ионной связи, ионы металла отдают те же самые электроны электронному морю при металлической связи. Na + означает, что кусок натрия будет иметь 1 электрон в электронном море на атом Na.Al 3+ означает, что металлический алюминий будет иметь 3 свободных электрона на атом алюминия. Если вам интересно, это видео иллюстрирует модель электронного моря и многое другое.

Металлическая связь удерживается вместе благодаря электростатическим силам: каждый атом заряжен положительно, а отрицательно заряженное «море» действует как клей, связывающий атомы вместе.

Благодаря этой связи металлы имеют так много общих свойств, например

  • пластичность
  • пластичность
  • высокая температура плавления (особенно для переходных металлов)
  • прочность
  • блеск
  • теплопроводность
  • и электропроводность
  • -механические воздействия, заставляющие металлы вести себя как металлы.

    Чтобы доказать, почему в металлах делокализованы электроны, можно использовать много сложной математики, но в определенный момент я просто должен сказать: 

    Возможно, более интуитивный способ понять металлическую связь — это посмотреть на диаграммы зон .

    Ширина запрещенной зоны
    Диаграммы зон

    могут помочь нам понять проводники, полупроводники и изоляторы. Есть много особенностей зонной диаграммы, которые важны для полупроводников, но для этой статьи вам нужно знать только ширину запрещенной зоны .

    Зонная диаграмма показывает возможные энергетические состояния электрона. Для отдельного элемента и электрона существуют очень специфические энергетические уровни, на которых может существовать электрон. Если энергия находится под напряжением, он может прыгать между этими состояниями, а если энергии достаточно, электрон даже может полностью покинуть атом. .

    Поскольку у вас есть кусок металла с ужасающе большим количеством атомов и электронов, эти разрешенные энергетические состояния для каждого атома в основном сливаются в «полосу» постоянно разрешенных состояний.Это называется валентной зоной .

    За валентной зоной находится зона проводимости . Зона проводимости — это совокупность энергетических состояний, в которых у электронов достаточно энергии, чтобы покинуть атом, с которым они связаны.

    Ширина запрещенной зоны — это расстояние между этими валентными зонами и зонами проводимости. Разница между металлами, изоляторами и полупроводниками заключается в размере запрещенной зоны.

    Металлы не имеют запрещенной зоны .Другими словами, зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому атом не связан с каким-либо конкретным атомом. Если у него достаточно энергии, чтобы уйти, он просто уходит.

    Полупроводники имеют небольшую ширину запрещенной зоны .
    Это означает, что если у электронов недостаточно энергии, чтобы полностью перепрыгнуть через запрещенную зону, полупроводник вообще не проводит. Если энергии достаточно для преодоления этого барьера, материал проводит. Полупроводники очень полезны, потому что они могут действовать как переключатели, пропуская либо 0%, либо 100% тока.

    Изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны .
    Различие между изолятором и полупроводником немного расплывчато — у ученых нет простого значения, и если ширина запрещенной зоны больше этого значения, это изолятор. Эти термины практичны: все, что считается изолятором, имеет ширину запрещенной зоны, которая слишком велика, чтобы пересечь ее в реалистичном сценарии. Попытка пропустить слишком большой ток через множество изоляторов разрушит материал до того, как у электронов будет достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону.

    Изолятор
    Тип материала Материал ширина запрещенной зоны (эВ)
    Semiconductor Si
    Ge
    GaN
    ОаР
    GaAs
    1,12
    0,67
    3,44
    2,26
    1,43

    алмазов ПЭ (полиэтилена)
    SiO 2

    5,47 8,8
    8,9

    Электрические свойства металлов

    Основным электрическим свойством является электропроводность .

    Проводимость измеряет количество электрического тока, которое материал может нести. Его также можно назвать «удельной проводимостью», и он является обратной величиной удельного сопротивления.

    Электропроводность определяется следующим уравнением.

    n — плотность носителей, другими словами, сколько электронов приходится на площадь поперечного сечения.

    q — электрический заряд каждого носителя, для электронов это —1.

    — это подвижность, то есть скорость, с которой электрон может перемещаться в материале.

    Это уравнение было обобщено для любой ситуации, связанной с электропроводностью (включая ионную проводимость), но в большинстве случаев носителями заряда являются как раз электроны.

     По сути, проводимость — это количество электронов, которые могут пройти через провод за заданный промежуток времени.

    Обычно, если инженеры могут изменить проводимость чего-либо, они изменяют подвижность электронов. Например, границы зерен могут рассеивать электроны, уменьшая скорость их движения по проводу.Осадки и легирующие элементы снижают проводимость по той же причине.

    Некоторые примеры металлов с высокой и низкой проводимостью приведены в таблице ниже.

    Top 5 металлов с самым высоким
    электропроводности
    проводимости σ х 10 6
    при 20 ° C (S / м)
    Серебро (Ag ) 63,0
    Медь (Co) 59.6
    золота (Au) 41,1
    Алюминий (Al) 37,7
    кальция (Са) 29,8
    Top 5 металлов с самым низким
    Электрическая проводимость
    Проводимость σ x 10 6
    при 20 ° C (S/M)
    .69
    Ртуть (Hg) 1,02
    титан (Ti) 2,38
    Свинец (Pb) 4,55
    Ниобий (Nb) 7,00

    Электропроводность металлов в зависимости от температуры

    Противоположностью проводимости является удельное сопротивление (или сопротивление). Удельное сопротивление — это внутренняя версия сопротивления.

       

    При повышении температуры у металлов увеличивается удельное сопротивление (или уменьшается проводимость).

    Повышение температуры вызывает линейное уменьшение проводимости металлов из-за фонон-электронных взаимодействий. Поскольку температура является мерой того, насколько быстро вибрируют атомы (мы можем назвать эту вибрацию «фононом»), повышенная вибрация может взаимодействовать с проходящими электронами.

    Это препятствует движению электронов и снижает подвижность электронов.

    Совсем другая логика применима к полупроводникам!

    Как и в металлах, при повышении температуры уменьшается .Но в полупроводниках более высокая тепловая энергия означает, что больше электронов может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в то время как mu немного уменьшается, n сильно увеличивается!

    На самом деле подвижность настолько важна для сопротивления, что при абсолютном нуле, когда колебания решетки прекращаются и электроны могут беспрепятственно проходить через металл, металлы могут становиться сверхпроводниками.

    Способы изменения электропроводности металла

    Инженеры могут изменять электропроводность металлов разными способами: от изменения среды, в которой находится металл, до модификации границ зерен.

    Форма

    Форма — это, вероятно, то, чему вы научились в старшей школе в отношении проводимости. На самом деле это не изменяет собственное удельное сопротивление материала, но влияет на внешнее сопротивление.

    Поскольку сопротивление — это количество электронов, проходящих через площадь поперечного сечения, вы можете вычислить сопротивление, умножив сопротивление на длину провода и разделив его на площадь поперечного сечения провода.

    Инженеры-материаловеды имеют дело не столько с сопротивлением, сколько с удельным сопротивлением, но это важная взаимосвязь, которую необходимо знать.Тем более, что повышенное сопротивление может изменить температуру, которая может повлиять на удельное сопротивление

    Температура

    Чуть раньше мы говорили о температуре, но вот еще один график, показывающий, как температура влияет на удельное сопротивление металлов.

    В таблице ниже приведены значения коэффициента удельного сопротивления для различных металлов.

    90 031 Элемент α × 10 -3 (1/ О С)
    Алюминий (Al) 3.8
    Медь (Со) 4,29
    Железо (Fe) 6,41
    Ртуть (Hg) 8,9
    Никель (Ni) 6,41
    Платиновый (Pt) 3,93
    Серебро (Ag) 1,59
    олова (Sn) 4,2
    вольфрама (W) 4,5

    Из-за увеличения атомов металла вибрация заставляет электроны больше взаимодействовать с атомами, проводимость уменьшается с понижением температуры.А в идеальном кристалле при абсолютном нуле колебания атомов прекращаются, и металлы становятся сверхпроводящими.

    Примесные атомы

    По той же причине, что и температура, увеличение примесных атомов снижает проводимость, потому что это уменьшает подвижность электронов. При сплавлении элементов в твердом растворе элемент основного металла образует решетчатую структуру. Большинство атомов в решетке однотипны, но в сплавах есть дополнительные элементы, которые могут заменить основной элемент (это называется твердым раствором замещения).

    Поскольку эти другие элементы имеют размер, отличный от основного элемента, они напрягают решетку, уменьшая проводимость.

    Даже небольшие легирующие добавки могут оказать большое влияние на проводимость. Например, добавление 0,2% алюминия к меди может снизить проводимость меди на 20%.

    Вот краткий график, показывающий, как изменяется удельное сопротивление при добавлении меди в качестве примесных элементов.

    Даже если дополнительные элементы не образуют твердый раствор, альтернатива (осадки) также уменьшит проводимость, хотя соотношение зависит от конкретного осадка.Во многих случаях выделения уменьшают проводимость 9·1016 в меньшей степени, чем атомы твердого раствора, поэтому одним из быстрых методов определения выделения в металлах является проверка его проводимости.

    Границы зерна

    Четвертый способ, с помощью которого инженеры могут контролировать проводимость, заключается в изменении границ зерен. Границы зерен представляют собой участки металла, где сходятся два кристаллических устройства с разной ориентацией.

    Как и следовало ожидать из других точек, границы зерен имеют деформацию решетки, которая взаимодействует с электронами, уменьшая их подвижность.Меньшее количество границ зерен означает увеличение сопротивления.

    Почему вода проводит электричество? (ионная проводимость)

    В отличие от металлов, которые проводят электричество за счет «свободных электронов», вода проводит электричество за счет движения заряженных ионов.

    Ион — это атом с положительным или отрицательным зарядом.

    Например, если взять поваренную соль (NaCl) и растворить ее в воде, соль диссоциирует на Na + и Cl . Na в основном крадет электрон у Cl.

    В обычном состоянии эти ионы просто случайным образом распределяются по воде.

    Однако, когда вода претерпевает потенциальное изменение, свободно плавающие ионы могут двигаться. Поскольку положительные ионы притягиваются к отрицательному заряду, а отрицательные отталкиваются отрицательным зарядом, если вы опустите один конец провода под напряжением в соленую ванну, электроны в проводе будут отталкивать ионы Cl и притягивать Ионы Na + .

    Чистый поток заряженных атомов — это то, что заставляет электричество течь через атомы.Сами электроны на самом деле не движутся. (Технически на самом деле происходят полуреакции: 2e  + H 2 O -> 2OH  + H 2 и 2Cl  –> Cl 2 + 21 – 900 , что означает 22 – 900 в конце концов, вода израсходует все ионы и перестанет проводить ток).

    И да, это означает, что чистая вода не является хорошим проводником. Проводимость морской воды примерно в миллион раз выше, чем у чистой воды, и в сто раз выше, чем у питьевой воды.

    Однако, поскольку обычная питьевая вода обычно содержит растворенные в ней ионы (из металлов или минералов), электропроводность питьевой воды примерно в 10 000 раз выше, чем у чистой воды.

    Заключительные мысли

    Вы узнали о том, что металлы представляют собой массив положительно заряженных атомов, скрепленных «электронным клеем», общим для всех атомов. Это море электронов возникает из-за квантово-механических эффектов, которые не дают металлам запрещенной зоны. На самом деле, «отсутствие запрещенной зоны», вероятно, лучший способ определить металлы.

    Использование уравнения электропроводности

       

    вы видели, что это море электронов придает металлам очень большое значение n, потому что в нем много свободных электронов. Вы также узнали, как инженеры могут влиять на проводимость металла, изменяя подвижность электронов.

    Наконец-то вы узнали, почему вода «проводит» электричество, хотя она и не металл!

    Я надеюсь, что этот пост ответил на все ваши вопросы об электропроводности металлов!

    Ссылки и дополнительная литература

    Если вас интересуют металлы, вам также может понравиться мой полный пост, объясняющий сплавы.

    Эта страница была нашим источником графика удельного сопротивления в зависимости от температуры.

    Если вы заинтересованы в применении материалов с высокой проводимостью, бескислородная медь очень чистая и обладает хорошей проводимостью. Вы можете прочитать о некоторых применениях меди OFE здесь.

    Эта страница была нашим источником зависимости удельного сопротивления от среднего размера зерна.

    Лучший проводник электричества: выбор правильных металлов

    В Quest-Tech мы используем различные сорта углеродистой, нержавеющей стали, алюминия, латуни и меди, и у нас есть производственные мощности для удовлетворения ваших производственных потребностей под одной крышей.Хотя все металлы (и некоторые металлические сплавы) в определенной степени проводят электричество, некоторые из них обладают большей проводимостью, чем другие. Лучший проводник электричества может вас удивить!

    Какой металл является лучшим проводником электричества?

    Серебро

    Лучшим проводником электричества является чистое серебро, но неудивительно, что это не один из наиболее часто используемых металлов для проведения электричества.

    Широкое использование чистого серебра имеет несколько недостатков. Во-первых, он тускнеет при использовании, что вызывает проблемы, связанные с «скин-эффектом», т.е.е., неравномерное распределение тока, которое может иметь место в высокочастотных токах. Второй недостаток является наиболее очевидным — просто слишком дорого прокладывать серебряный провод через здание — гораздо дороже, чем алюминиевый или медный.

    Медь

    Одним из наиболее часто используемых металлов для проведения электричества является медь. Как материал, медь податлива, ее легко наматывать или паять, что делает ее лучшим выбором, когда требуется большое количество проводки. Основная электрическая функция меди связана с передачей электроэнергии и выработкой электроэнергии.Он используется в двигателях, генераторах, трансформаторах и втулках. При правильной установке это самый безопасный и эффективный металл для производства электроэнергии.

    Медь

    обычно используется в качестве эффективного проводника в бытовых приборах и электрооборудовании в целом. Из-за низкой стоимости большинство проводов имеют медное покрытие. Часто можно встретить сердечники электромагнитов, обычно обмотанные медной проволокой. Медь также используется в микроэлектронных проводниках, электрических схемах и микропроцессорах из-за ее высокой проводимости и низкого сопротивления джоулеву нагреву.Он также используется в мобильных телефонах, телевизорах и компьютерах.

    Алюминий

    Алюминий — еще один металл, известный своей высокой электропроводностью. Хотя по объему его проводимость составляет всего 60% от меди, по весу один фунт алюминия имеет электрическую токонесущую способность двух фунтов меди. Это делает его очень экономичным материалом, и из-за этого он все чаще заменяет медь в некоторых приложениях, связанных с электричеством.

    Алюминий используется в линиях электропередач на большие расстояния, при передаче и распределении электроэнергии высокого напряжения в коммунальной сети; и, в служебном узле, служебный вход и устройство подачи проволоки.Его плотность и исключительно низкая стоимость делают его очень разумным выбором для многих крупномасштабных электрических применений, таких как электрические силовые кабели, электрические разъемы и даже электрические контакты автоматических выключателей. Алюминий часто используется в спутниковых антеннах.

    Золото

    Золото

    также известно своей высокой проводимостью, но из-за его стоимости его используют в умеренных количествах. Микрочипы могут иметь золотые провода для соединений, а там, где требуется высокая устойчивость к окислению и коррозии наряду с высокой проводимостью, используется очень тонкое золотое покрытие.

    Когда речь идет о металлических сплавах, их физические свойства могут улучшить основной металл в таких областях, как прочность, долговечность, устойчивость к условиям окружающей среды и применение в электротехнике.

    Например, латунь — сплав меди — также используется для проведения электричества. Это делается путем добавления примерно 30% цинка в чистую медь. Хотя электрическая и теплопроводность латунного сплава составляет всего 28% от проводимости меди, его немагнитные свойства делают его идеальным для электрических и электронных клемм и разъемов.

    Какой металл является самым плохим проводником электричества?

    Нержавеющая сталь

    Несмотря на то, что электропроводность неизвестна, различные марки нержавеющей стали по-прежнему имеют важные электрические применения. Тип 304 и тип 316 являются наиболее распространенными марками, используемыми в электротехнической промышленности из-за их превосходной коррозионной стойкости. Электрические шкафы для настенного и напольного монтажа и отдельно стоящие распределительные коробки изготовлены из нержавеющей стали.

    Обратитесь к экспертам по металлам в Quest-Tech

    Quest-Tech знает, что правильный выбор металла для работы может иметь решающее значение, будь то электрические или другие требования.Наш опыт заключается в производстве металлических компонентов и сборочных конструкций, и мы здесь, чтобы ответить на любые ваши вопросы и помочь вам принять правильное решение. Хотите использовать Quest-Tech для своего следующего проекта? Свяжитесь с нами сегодня!

    Почему металлы проводят электричество?

    Автор: gatewaycable, 18 апреля 2020 г., Электричество, материалы

    Использование подходящего материала в качестве электрического проводника обеспечит постоянный ток в ваших цепях.Возможно, вы слышали, что некоторые металлы являются отличными проводниками. Почему металлы проводят электричество? И есть ли определенные металлы, которые проводят электричество лучше, чем другие? Узнайте, какие металлы подходят для вашего следующего проекта по электроснабжению дома, а затем вооружитесь нужными материалами, чтобы правильно выполнить работу с помощью профессионалов Gateway Cable Company уже сегодня!

    Связаться с нами Запросить цену

    Как металлы проводят электричество?

    Поскольку металлы широко используются во многих материалах, как металлы проводят электричество? Металлы имеют атомарную структуру, позволяющую электронам двигаться более свободно и создавать более высокий электрический ток при зарядке.Металлы также обладают определенными свойствами, которые делают их лучшими проводниками, чем другие элементы:

    • Ковкость : Металлы можно превращать в тонкие листы без разрушения, а их долговечность эффективна для защитного покрытия машин, электронных компонентов, структурных платформ и многого другого.
    • Пластичность : Металлы можно превратить в тонкую проволоку без разрыва.
    • Прочность на растяжение : Металлы отлично сопротивляются растяжению и обычно используются в качестве армирующего компонента для бетона.
    • Проводимость : Металлы с меньшим количеством движущихся валентных электронов будут иметь меньшее сопротивление и проводить более высокий электрический ток.
    • Реакционная способность : Металлы могут работать с другими металлами и элементами, образуя сплавы, однако золото и серебро являются чистыми элементами и не вступают в реакцию с некоторыми материалами.

    Все ли металлы проводят электричество?

    Теперь, когда вы знаете, как металлы проводят электричество, вам может быть интересно, все ли металлы проводят электричество? Каждый тип металла может проводить электричество, но есть определенные типы, проводящие электричество намного лучше, чем другие.Итак, теперь вопрос: какие металлы лучше всего проводят электричество? Существует множество вариантов, таких как цинк, никель, латунь, бронза, железо, платина, сталь, свинец и даже нержавеющая сталь. Однако есть четыре металла, которые лучше всего проводят электрический ток. Вот разбивка каждого из них:

    • Серебро : Серебро имеет самые высокие показатели проводимости по сравнению с другими металлами, но оно может быть дорогим и имеет низкую термостойкость.
    • Медь : Медь обладает высокой электропроводностью; он податлив и пластичен, что также делает его более реактивным с другими металлами.
    • Золото : Золото является отличным проводником электричества, однако оно вступает в реакцию только с некоторыми металлами и почти не используется во многих популярных электрических материалах из-за его гораздо более высокой стоимости.
    • Алюминий : Алюминий является эффективным мягким немагнитным электрическим проводником, который широко используется во многих материалах, но он может создавать электрически устойчивую поверхность в электрическом соединении, что может привести к перегреву.

    Найдите необходимые материалы в компании Gateway Cable Company 

    Узнав, как и почему металлы проводят электричество, вы сможете найти дополнительные полезные функции, которые помогут вам легко и со знанием дела заняться следующим проектом по кабелю или электричеству.Вы также обнаружите, что наш онлайн-инвентарь содержит качественные детали, такие как разъемы, адаптеры, кабели и многое другое, которые идеально подходят для вашего следующего проекта. Мы даже закажем специальные товары, которые вам нужны, когда вы запрашиваете расценки онлайн. Если у вас есть какие-либо вопросы, наши специалисты по электротехнике всегда готовы помочь вам. Свяжитесь с нами сегодня!

    Проводники, изоляторы и поток электронов | Основные понятия электричества

    Электроны различных типов атомов имеют разные степени свободы для перемещения.В некоторых типах материалов, таких как металлы, самые внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под влиянием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои соответствующие атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами .

    Проводники и изоляторы

    В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень мало свободы для перемещения.Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои соответствующие атомы и перейти к атомам другого материала, они не очень легко перемещаются между атомами внутри этого материала.

    Эта относительная подвижность электронов внутри материала известна как электрическая проводимость . Проводимость определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую принадлежность) и тем, как атомы связаны друг с другом.Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками , а материалы с низкой подвижностью электронов (мало свободных электронов или их отсутствие) называются изоляторами . Вот несколько распространенных примеров проводников и изоляторов:

    • Проводники
    • серебро
    • медь
    • золото
    • алюминий
    • железо
    • сталь
    • латунь
    • бронза
    • ртуть
    • графит
    • грязная вода
    • бетон
    • Изоляторы
    • стекло
    • резина
    • масло
    • асфальт
    • стекловолокно
    • фарфор
    • керамика
    • кварц
    • (сухой) хлопок
    • (сухая) бумага
    • (сухая) древесина
    • пластик
    • воздух
    • алмаз
    • чистая вода

    Необходимо понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все изоляторы одинаково устойчивы к движению электронов.Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, называются «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше большинства пластиков и уж точно лучше «прозрачного» стекловолокна. Так и с электрическими проводниками, одни лучше других.

    Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», обеспечивая более легкое прохождение электронов, чем любой другой упомянутый материал.Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но проводимость этих материалов существенно ниже, чем у любого металла.

    Следует также понимать, что некоторые материалы изменяют свои электрические свойства в различных условиях. Стекло, например, является очень хорошим изолятором при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур.Большинство металлов становятся хуже проводниками при нагревании и лучше при охлаждении. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью ) при экстремально низких температурах.

    Электронный поток/электрический ток

    В то время как нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, можно заставить электроны двигаться скоординированным образом через проводящий материал. Это равномерное движение электронов и есть то, что мы называем электричеством или электрическим током .Точнее, его можно было бы назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества , которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Точно так же, как вода течет через пустоту трубы, электроны могут двигаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может казаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, в основном представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов в проводнике часто называют «потоком».

    Здесь можно сделать важное наблюдение. Поскольку каждый электрон равномерно движется через проводник, он давит на электрон впереди него, так что все электроны движутся вместе как группа. Начало и прекращение потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника к другому, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия — трубка, заполненная шариками встык:

     

    Трубка полна шариков, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия.Если один шарик внезапно вставить в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел небольшое расстояние, передача движения по трубе практически мгновенна от левого конца к правому концу, независимо от длины трубы. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: стремительные 186 000 миль в секунду!!! Каждый отдельный электрон, тем не менее, проходит через проводник со скоростью гораздо медленнее.

    Электронный поток через проволоку

    Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны предоставить им надлежащий путь для движения, точно так же, как сантехник должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он или она хочет. Чтобы облегчить это, провода изготовлены из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий, самых разных размеров.

    Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала.Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с мрамором шарики могут течь в левую часть трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики просто «накопятся» внутри трубки, и шарики не «потекут».То же самое относится и к электрическому току: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, чтобы обеспечить этот поток. Давайте посмотрим на схему, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

    Тонкая сплошная линия (как показано выше) является общепринятым символом непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, входящие в его состав атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда прийти и куда уйти.Добавим гипотетический электрон «Источник» и «Назначение:»

    .

     

    Теперь, когда Источник электронов выталкивает новые электроны в провод с левой стороны, может происходить поток электронов по проводу (как показано стрелками, указывающими слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, прервется:

    Электрическая непрерывность

    Поскольку воздух является изоляционным материалом, а воздушный зазор разделяет два куска провода, некогда непрерывный путь теперь прерван, и электроны не могут течь от Источника к Получателю.Это все равно, что разрезать водопроводную трубу пополам и заглушить сломанные концы трубы: вода не может течь, если из трубы нет выхода. С точки зрения электротехники, у нас было условие электрической непрерывности , когда провод был цельным, и теперь эта непрерывность нарушается, когда провод разрезается и отделяется.

    Если бы мы взяли другой кусок провода, ведущий к Пункту назначения, и просто установили физический контакт с проводом, ведущим к Источнику, у нас снова был бы непрерывный путь для движения электронов.Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между отрезками провода:

    Теперь у нас есть непрерывность от Источника к новообразованной связи, вниз, вправо и вверх к Цели. Это аналогично установке «тройника» в одну из заглушенных труб и направлению воды через новый сегмент трубы к месту назначения. Пожалуйста, обратите внимание, что в оборванном сегменте провода с правой стороны электроны не протекают, потому что он больше не является частью полного пути от источника к месту назначения.

    Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиванию при длительных потоках. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать тепло в проводнике. Это тема, которую мы рассмотрим более подробно позже.

    ОБЗОР:

    • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить и уходить и называются свободными электронами .
    • В изолирующих материалах внешние электроны не так свободно перемещаются.
    • Все металлы электропроводны.
    • Динамическое электричество или электрический ток — это равномерное движение электронов в проводнике.
    • Статическое электричество неподвижно (если на изоляторе), накопленный заряд, образованный либо избытком, либо недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения зарядов при контакте и разделении разнородных материалов.
    • Для того чтобы электроны могли непрерывно (неопределенно) течь через проводник, должен быть полный, непрерывный путь для их движения как в этот проводник, так и из него.

    СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

    Какие металлы хорошо проводят электричество?

    Электрические проводники обладают подвижными электрически заряженными частицами, называемыми в металлах «электронами». Когда электрический заряд прикладывается к металлу в определенных точках, электроны будут двигаться и пропускать электричество.Материалы с высокой подвижностью электронов являются хорошими проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов не являются хорошими проводниками, поэтому их называют «изоляторами».

    TL;DR (слишком длинно, не читал)

    Медь, серебро, алюминий, золото, сталь и латунь являются обычными проводниками электричества. Хотя серебро и золото эффективны, они слишком дороги для обычного использования. Индивидуальные свойства делают каждую из них идеальной для конкретных целей.

    Наиболее распространены медь и серебро

    Серебро является лучшим проводником электричества, поскольку оно содержит большее количество подвижных атомов (свободных электронов).Чтобы материал был хорошим проводником, электричество, проходящее через него, должно перемещать электроны; чем больше в металле свободных электронов, тем больше его проводимость. Однако серебро дороже других материалов и обычно не используется, если только оно не требуется для специализированного оборудования, такого как спутники или печатные платы. Медь менее проводящая, чем серебро, но она дешевле и обычно используется в качестве эффективного проводника в бытовых приборах. Большинство проводов покрыты медью, а сердечники электромагнитов обычно обмотаны медной проволокой.Медь также легко паять и наматывать на провода, поэтому ее часто используют, когда требуется большое количество проводящего материала.

    Алюминий хорошо работает, но сопряжен с риском

    Алюминий, по сравнению с удельным весом, на самом деле обладает большей проводимостью, чем медь, и стоит дешевле. Алюминиевый материал используется в бытовых изделиях или в электропроводке, но это не самый распространенный выбор, поскольку он имеет несколько структурных недостатков. Например, алюминий имеет тенденцию образовывать электростойкую оксидную поверхность в электрических соединениях, что может привести к перегреву соединения.Вместо этого алюминий используется для высоковольтных линий электропередачи (таких как воздушные телефонные кабели), которые могут быть заключены в стальной корпус для дополнительной защиты.

    Золото эффективно, но дорого

    Золото является хорошим проводником электричества и не тускнеет, как другие металлы, на воздухе — например, сталь или медь могут окисляться (корродировать) при длительном контакте с кислородом. Золото особенно дорого и используется только для определенных материалов, таких как компоненты печатной платы или небольшие электрические разъемы.Некоторые материалы могут быть покрыты золотом в качестве электрического проводника или использовать небольшое количество золота, которое затем покрывается другим материалом для снижения производственных затрат.

    Сплавы стали и латуни имеют специальное применение

    Сталь представляет собой сплав железа, который также является проводником и представляет собой негибкий металл, вызывающий сильную коррозию на воздухе. Трудно отливается и не используется в мелких изделиях или машинах; вместо этого сталь используется для покрытия других проводников или для больших конструкций.Латунь, которая также является сплавом, представляет собой растяжимый металл, который позволяет легко сгибать и формовать различные детали для небольших машин. Он менее коррозионный, чем сталь, немного более проводящий, дешевле при покупке и сохраняет ценность после использования, в то время как стальной сплав ценен только при первой покупке.

0 comments on “Известно что все металлы обладают электрической проводимостью: Тест Тема: «Общая характеристика металлов»

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.