מוליכות חשמלית של חומרים

במאמר זה נחשוף את נושא המוליכות החשמלית, ניזכר מהו זרם חשמלי, כיצד הוא קשור להתנגדות של מוליך ובהתאם, למוליכות החשמלית שלו. נציין את הנוסחאות העיקריות לחישוב כמויות אלה, תוך נגיעה בנושא מהירות נוכחית והקשר שלו לחוזק השדה החשמלי. ניגע גם ביחס בין התנגדות חשמלית לטמפרטורה.

ראשית, נזכיר מהו זרם חשמלי. אם אתה מציב חומר בשדה חשמלי חיצוני, אז תחת פעולת כוחות משדה זה, תתחיל תנועה של נושאי מטען יסודיים - יונים או אלקטרונים - בחומר. זה יהיה הלם חשמלי. הזרם I נמדד באמפר, ואמפר אחד הוא הזרם שבו זורם מטען השווה לקולומב אחד בחתך הרוחב של החוט בשנייה.

הזרם הוא ישיר, מתחלף, פועם.זרם ישר אינו משנה את גודלו וכיוונו ברגע נתון, זרם חילופין משנה את גודלו וכיוונו לאורך זמן (מחוללי AC ושנאים נותנים זרם חילופין בדיוק), זרם פועם משנה את גודלו אך אינו משנה כיוון (למשל זרם חילופין מתוקשר) . הפולסים הנוכחיים).

חומרים נוטים להוליך זרם חשמלי בפעולת שדה חשמלי, ותכונה זו נקראת מוליכות חשמלית, שהיא שונה עבור חומרים שונים. המוליכות החשמלית של חומרים תלויה בריכוז החלקיקים הטעונים החופשיים בהם, כלומר יונים ואלקטרונים שאינם קשורים לא עם מבנה הגביש, לא עם המולקולות, ולא עם האטומים של החומר הנתון. אז, בהתאם לריכוז נושאי המטען החופשיים בחומר נתון, חומרים מחולקים לפי דרגת מוליכות חשמלית ל: מוליכים, דיאלקטריים ומוליכים למחצה.

יש לו את המוליכות החשמלית הגבוהה ביותר חוטי זרם חשמלי, ולפי הטבע הפיזי מוליכים בטבע מיוצגים על ידי שני סוגים: מתכות ואלקטרוליטים. במתכות הזרם נובע מתנועת אלקטרונים חופשיים, כלומר יש להם מוליכות אלקטרונית, ובאלקטרוליטים (בתמיסות של חומצות, מלחים, בסיסים) - מתנועת יונים - חלקי מולקולות שיש להם חיובי מטען שלילי, כלומר, המוליכות של אלקטרוליטים היא יונית. אדים וגזים מיוננים מאופיינים במוליכות מעורבת, כאשר הזרם נובע מתנועת אלקטרונים ויונים כאחד.

תורת האלקטרונים מסבירה בצורה מושלמת את המוליכות החשמלית הגבוהה של מתכות.הקשר של אלקטרוני הערכיות עם הגרעינים שלהם במתכות חלש, ולכן אלקטרונים אלה נעים בחופשיות מאטום לאטום לאורך נפח המוליך.

מסתבר שהאלקטרונים החופשיים במתכות ממלאים את החלל בין האטומים כמו גז, גז אלקטרונים, ונמצאים בתנועה כאוטית. אבל כאשר חוט מתכת מוכנס לשדה חשמלי, האלקטרונים החופשיים ינועו בצורה מסודרת, הם ינועו לכיוון הקוטב החיובי, ויצרו זרם. לכן התנועה המסודרת של אלקטרונים חופשיים במוליך מתכת נקראת זרם חשמלי.

ידוע שמהירות ההתפשטות של שדה חשמלי בחלל שווה בקירוב ל-300,000,000 m/s, כלומר מהירות האור. זוהי אותה מהירות שבה זרם זורם דרך חוט.

מה זה אומר? זה לא אומר שכל אלקטרון במתכת זז במהירות כה עצומה, אלא לאלקטרונים בחוט, להיפך, יש מהירות של כמה מילימטרים לשנייה עד כמה סנטימטרים לשנייה, תלוי חוזק שדה חשמלי, אבל מהירות ההתפשטות של זרם חשמלי לאורך חוט שווה בדיוק למהירות האור.

העניין הוא שכל אלקטרון חופשי מסתבר שהוא בזרימת האלקטרונים הכללית של אותו "גז אלקטרונים", ובמהלך מעבר הזרם, השדה החשמלי פועל על כל הזרימה הזו, וכתוצאה מכך האלקטרונים מעבירים כל הזמן פעולת השטח הזו זה לזה - משכן לשכן.

אבל האלקטרונים נעים למקומם לאט מאוד, למרות העובדה שמהירות ההתפשטות של האנרגיה החשמלית לאורך החוט היא עצומה.אז כשהמתג מופעל בתחנת הכוח, זרם מתעורר מיד ברחבי הרשת והאלקטרונים כמעט עומדים במקום.

עם זאת, כאשר אלקטרונים חופשיים נעים לאורך חוט, הם חווים התנגשויות רבות בדרכם, הם מתנגשים באטומים, יונים, מולקולות, ומעבירים אליהם חלק מהאנרגיה שלהם. האנרגיה של האלקטרונים הנעים שמתגברים על התנגדות זו מתפזרת חלקית כחום והמוליך מתחמם.

התנגשויות אלו משמשות התנגדות לתנועת אלקטרונים, וזו הסיבה שהתכונה של מוליך למנוע תנועה של חלקיקים טעונים נקראת התנגדות חשמלית. עם התנגדות נמוכה של החוט, החוט מחומם על ידי הזרם מעט, עם אחד משמעותי - הרבה יותר חזק ואפילו לבן, אפקט זה משמש במכשירי חימום ומנורות ליבון.

יחידת שינוי ההתנגדות היא אוהם. התנגדות R = 1 אוהם היא ההתנגדות של חוט כזה, כאשר זרם ישר של 1 אמפר עובר דרכו, הפרש הפוטנציאלים בקצות החוט הוא 1 וולט. תקן ההתנגדות ב-1 אוהם הוא עמוד כספית בגובה 1063 מ"מ, חתך 1 מ"ר מ"ר בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס.

מכיוון שחוטים מאופיינים בהתנגדות חשמלית, אנו יכולים לומר שבמידה מסוימת החוט מסוגל להוביל זרם חשמלי. בהקשר זה מוצג ערך הנקרא מוליכות או מוליכות חשמלית. מוליכות חשמלית היא היכולת של מוליך להוליך זרם חשמלי, כלומר ההדדיות של ההתנגדות החשמלית.

יחידת המוליכות החשמלית G (מוליכות) היא סימנס (S) ו-1 S = 1 / (1 אוהם). G = 1 / R.

מכיוון שהאטומים של חומרים שונים מפריעים למעבר זרם חשמלי בדרגות שונות, ההתנגדות החשמלית של חומרים שונים שונה. מסיבה זו הוצג המושג התנגדות חשמלית, שערכו «p» מאפיין את התכונות המוליכות של חומר זה או אחר.

ההתנגדות החשמלית הספציפית נמדדת באוהם * מ', כלומר, ההתנגדות של קוביית חומר עם קצה של מטר אחד. באופן דומה, המוליכות החשמלית של חומר מאופיינת במוליכות החשמלית הספציפית ?, הנמדדת ב-S/m, כלומר, המוליכות של קוביית חומר עם קצה של 1 מטר.

כיום משתמשים בחומרים מוליכים בהנדסת חשמל בעיקר בצורת סרטים, צמיגים, חוטים, בעלי שטח חתך מסוים ואורך מסוים, אך לא בצורת קוביות מטר. ועבור חישובים נוחים יותר של התנגדות חשמלית ומוליכות חשמלית של חוטים בגדלים ספציפיים, הוכנסו יחידות מדידה מקובלות יותר הן להתנגדות החשמלית והן למוליכות החשמלית. אוהם * מ"מ / מ"ר - עבור התנגדות, וס"מ * מ"ר / מ"מ - עבור מוליכות חשמלית.

כעת אנו יכולים לומר שהתנגדות חשמלית ומוליכות חשמלית מאפיינים את תכונות המוליכות של חוט עם שטח חתך של 1 מ"ר, באורך 1 מטר בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, זה נוח יותר.

למתכות כגון זהב, נחושת, כסף, כרום ואלומיניום יש את המוליכות החשמלית הטובה ביותר. פלדה וברזל פחות מוליכים. למתכות טהורות תמיד יש מוליכות חשמלית טובה יותר מסגסוגות שלהן, לכן העדפת נחושת טהורה בהנדסת חשמל.אם אתה צריך התנגדות גבוהה במיוחד, אז טונגסטן, nichrome, constantan משמשים.

לדעת את הערך של ההתנגדות החשמלית הספציפית או המוליכות החשמלית, אפשר לחשב בקלות את ההתנגדות או המוליכות החשמלית של חוט מסוים העשוי מחומר נתון, תוך התחשבות באורך l ושטח החתך S של חוט זה.

המוליכות החשמלית וההתנגדות החשמלית של כל החומרים תלויות בטמפרטורה, מכיוון שתדירות ומשרעת הרעידות התרמיות של האטומים של סריג הגביש גדלות אף הן עם עליית הטמפרטורה, ההתנגדות לזרם החשמלי וזרימת האלקטרונים גדלות אף הן בהתאם.

ככל שהטמפרטורה יורדת, להיפך, תנודות האטומים של סריג הגביש הופכות קטנות יותר, ההתנגדות יורדת (המוליכות החשמלית עולה). בחומרים מסוימים, התלות של ההתנגדות בטמפרטורה פחות בולטת, באחרים היא חזקה יותר. לדוגמה, סגסוגות כגון קבוען, פקרל ומנגנין משנות מעט את ההתנגדות בטווח טמפרטורות מסוים, וזו הסיבה שבניינים עמידים בחום עשויים מהם.

מקדם התנגדות טמפרטורה? מאפשר לך לחשב עבור חומר ספציפי את העלייה בהתנגדות שלו בטמפרטורה מסוימת ומאפיין מספרית את העלייה היחסית בהתנגדות עם עלייה בטמפרטורה ב-1 מעלות צלזיוס.

לדעת את מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות ועליית הטמפרטורה, קל לחשב את ההתנגדות של חומר בטמפרטורה נתונה.

אנו מקווים כי המאמר שלנו היה שימושי עבורך ועכשיו אתה יכול בקלות לחשב את ההתנגדות והמוליכות של כל חוט בכל טמפרטורה.