Maddelerin elektriksel iletkenliği

Bu yazıda elektrik iletkenliği konusunu açıklayacağız, elektrik akımının ne olduğunu, bir iletkenin direnciyle ve buna bağlı olarak elektriksel iletkenliğiyle nasıl ilişkili olduğunu hatırlayacağız. Konuya değinerek bu miktarları hesaplamak için ana formülleri not edelim. Geçerli hız ve elektrik alan kuvveti ile ilişkisi. Elektriksel direnç ve sıcaklık arasındaki ilişkiye de değineceğiz.

Başlamak için, elektrik akımının ne olduğunu hatırlayalım. Bir maddeyi harici bir elektrik alanına yerleştirirseniz, bu alandan gelen kuvvetlerin etkisi altında, maddede temel yük taşıyıcıların - iyonlar veya elektronlar - hareketi başlayacaktır. Elektrik çarpması olacak. I akımı amper cinsinden ölçülür ve bir amper, bir kulomb'a eşit bir yükün telin kesitinden saniyede aktığı akımdır.

Akım doğru, alternatif, titreşimli.Doğru akım belirli bir anda büyüklüğünü ve yönünü değiştirmez, alternatif akım zaman içinde büyüklüğünü ve yönünü değiştirir (AC jeneratörler ve transformatörler tam olarak alternatif akım verir), atımlı akım büyüklüğünü değiştirir ancak yönü değişmez (örn. doğrultulmuş alternatif akım) . mevcut darbeler).

Maddeler, bir elektrik alanının etkisi altında bir elektrik akımı iletme eğilimindedir ve bu özellik, farklı maddeler için farklı olan elektriksel iletkenlik olarak adlandırılır Maddelerin elektriksel iletkenliği, içlerindeki serbest yüklü parçacıkların, yani iyonların konsantrasyonuna bağlıdır. ve ne kristal yapıya, ne moleküllere ne de belirli bir maddenin atomlarına bağlı olmayan elektronlar. Bu nedenle, belirli bir maddedeki serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonuna bağlı olarak, maddeler elektriksel iletkenlik derecesine göre ayrılır: iletkenler, dielektrikler ve yarı iletkenler.

En yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. elektrik akımı tellerive fiziksel yapıları gereği doğadaki iletkenler iki türle temsil edilir: metaller ve elektrolitler. Metallerde akım, serbest elektronların hareketinden kaynaklanır, yani elektronik iletkenliğe sahiptirler ve elektrolitlerde (asitlerin, tuzların, bazların çözeltilerinde) - iyonların hareketinden - moleküllerin pozitif ve negatif yük, yani elektrolitlerin iletkenliği iyoniktir. İyonize buharlar ve gazlar, akımın hem elektronların hem de iyonların hareketinden kaynaklandığı karışık iletkenlik ile karakterize edilir.

Elektron teorisi, metallerin yüksek elektriksel iletkenliğini mükemmel bir şekilde açıklar.Değerlik elektronlarının metallerdeki çekirdekleriyle bağı zayıftır, bu nedenle bu elektronlar iletkenin hacmi boyunca atomdan atoma serbestçe hareket eder.

Metallerdeki serbest elektronların bir gaz, bir elektron gazı gibi atomlar arasındaki boşluğu doldurduğu ve kaotik hareket halinde olduğu ortaya çıktı. Ancak bir elektrik alanına metal bir tel sokulduğunda, serbest elektronlar düzenli bir şekilde hareket edecek, pozitif kutba doğru hareket ederek bir akım oluşturacaktır. Bu nedenle, bir metal iletkendeki serbest elektronların düzenli hareketine elektrik akımı denir.

Bir elektrik alanın uzayda yayılma hızının yaklaşık olarak 300.000.000 m/s yani ışık hızına eşit olduğu bilinmektedir. Bu, akımın bir telden aktığı hızdır.

Bu ne anlama geliyor? Bu, metaldeki her elektronun bu kadar büyük bir hızla hareket ettiği anlamına gelmez, ancak bir teldeki elektronlar, aksine, bağlı olarak saniyede birkaç milimetre ila saniyede birkaç santimetre hıza sahiptir. elektrik alan kuvveti, ancak elektrik akımının bir tel boyunca yayılma hızı tam olarak ışık hızına eşittir.

Mesele şu ki, her bir serbest elektron, bu aynı "elektron gazının" genel elektron akışında ortaya çıkıyor ve akımın geçişi sırasında, elektrik alanı, elektronların sürekli olarak iletilmesinin bir sonucu olarak tüm bu akışa etki ediyor. bu alan eylemi birbirine - komşudan komşuya.

Ancak, elektrik enerjisinin tel boyunca yayılma hızı çok büyük olmasına rağmen, elektronlar yerlerine çok yavaş hareket ederler.Bu nedenle, elektrik santralinde anahtar açıldığında, ağ boyunca hemen akım yükselir ve elektronlar neredeyse hareketsiz durur.

Bununla birlikte, serbest elektronlar bir tel boyunca hareket ederken, yolda birçok çarpışma yaşarlar, atomlarla, iyonlarla, moleküllerle çarpışarak enerjilerinin bir kısmını onlara aktarırlar. Bu direnci aşan hareketli elektronların enerjisi ısı olarak kısmen dağılır ve iletken ısınır.

Bu çarpışmalar elektronların hareketine karşı direnç görevi görür, bu nedenle bir iletkenin yüklü parçacıkların hareketini engelleme özelliğine elektrik direnci denir. Telin düşük direnci ile tel, akım tarafından hafifçe ısıtılır, önemli bir değerle - çok daha güçlü ve hatta beyaza kadar, bu etki ısıtma cihazlarında ve akkor lambalarda kullanılır.

Direnç değişiminin birimi Ohm'dur. Direnç R = 1 ohm böyle bir telin direncidir, içinden 1 amperlik doğru akım geçtiğinde telin uçlarındaki potansiyel farkı 1 volttur. 1 Ohm'daki direnç standardı, 0 ° C sıcaklıkta 1063 mm yüksekliğinde, 1 metrekare Mm kesitli bir cıva kolonudur.

Teller elektrik direnci ile karakterize edildiğinden, telin bir dereceye kadar elektrik akımını iletebildiğini söyleyebiliriz. Bu bağlamda, iletkenlik veya elektriksel iletkenlik adı verilen bir değer girilir. Elektriksel iletkenlik, bir iletkenin elektrik akımını iletme yeteneğidir, yani elektrik direncinin tersidir.

Elektrik iletkenliği G (iletkenlik) birimi Siemens (S) ve 1 S = 1 / (1 Ohm) şeklindedir. G = 1 / R.

Farklı maddelerin atomları elektrik akımının geçişine farklı derecelerde müdahale ettiğinden, farklı maddelerin elektrik direnci farklıdır. Bu nedenle konsept ortaya atılmıştır. elektrik direnci, değeri «p» şu veya bu maddenin iletken özelliklerini karakterize eder.

Spesifik elektrik direnci Ohm * m cinsinden ölçülür, yani 1 metre kenarlı bir madde küpünün direnci. Benzer şekilde, bir maddenin elektrik iletkenliği, S / m cinsinden ölçülen, yani 1 metre kenarlı bir madde küpünün iletkenliği olan özgül elektrik iletkenliği (?) ile karakterize edilir.

Günümüzde elektrik mühendisliğinde iletken malzemeler ağırlıklı olarak şerit, lastik, teller, belirli bir kesit alanı ve belirli bir uzunlukta kullanılmaktadır, ancak metreküp şeklinde kullanılmamaktadır. Ve belirli boyutlardaki tellerin elektrik direnci ve elektrik iletkenliği ile ilgili daha uygun hesaplamalar için, hem elektrik direnci hem de elektrik iletkenliği için daha kabul edilebilir ölçüm birimleri getirildi. Ohm * mm2 / m — direnç için ve Cm * m / mm2 — elektriksel iletkenlik için.

Şimdi, elektriksel direncin ve elektriksel iletkenliğin, 20 ° C sıcaklıkta 1 metre uzunluğunda, 1 metre kare kesit alanına sahip bir telin iletken özelliklerini karakterize ettiğini söyleyebiliriz, daha uygundur.

Altın, bakır, gümüş, krom ve alüminyum gibi metaller en iyi elektriksel iletkenliğe sahiptir. Çelik ve demir daha az iletkendir. Saf metaller her zaman alaşımlarından daha iyi elektrik iletkenliğine sahiptir, bu nedenle elektrik mühendisliğinde saf bakır tercih edilir.Özellikle yüksek dirence ihtiyacınız varsa, tungsten, nikrom, konstantan kullanılır.

Spesifik elektrik direncinin veya elektriksel iletkenliğin değeri bilindiğinde, belirli bir malzemeden yapılmış belirli bir telin direnci veya elektriksel iletkenliği, bu telin uzunluğu l ve enine kesit alanı S dikkate alınarak kolayca hesaplanabilir.

Tüm malzemelerin elektrik iletkenliği ve elektrik direnci sıcaklığa bağlıdır, çünkü kristal kafesin atomlarının termal titreşimlerinin frekansı ve genliği de artan sıcaklıkla artar, elektrik akımına karşı direnç ve buna bağlı olarak elektron akışı da artar.

Sıcaklık düştükçe ise tam tersine kristal kafesin atomlarının titreşimleri küçülür, direnç azalır (elektriksel iletkenlik artar). Bazı maddelerde, direncin sıcaklığa bağımlılığı daha az belirgindir, diğerlerinde ise daha güçlüdür. Örneğin, konstantan, fekal ve manganin gibi alaşımlar, belirli bir sıcaklık aralığında direnci biraz değiştirir, bu nedenle termostabil dirençler bunlardan yapılır.

Sıcaklık direnci katsayısı? belirli bir malzeme için belirli bir sıcaklıkta direncindeki artışı hesaplamanıza izin verir ve sıcaklıktaki 1 ° C'lik artışla dirençteki nispi artışı sayısal olarak karakterize eder.

Sıcaklık direnci katsayısını ve sıcaklık artışını bilmek, bir maddenin belirli bir sıcaklıktaki direncini hesaplamak kolaydır.

Makalemizin sizin için yararlı olduğunu umarız ve artık herhangi bir telin direncini ve iletkenliğini herhangi bir sıcaklıkta kolayca hesaplayabilirsiniz.