Die elektronische Leitfähigkeit von Metallen wurde erstmals 1901 von dem deutschen Physiker E. Rikke experimentell nachgewiesen. Durch drei dicht aneinander gepresste polierte Zylinder – Kupfer, Aluminium und nochmals Kupfer – wurde über lange Zeit (während eines Jahres) ein elektrischer Strom geleitet. . Die Gesamtladung, die während dieser Zeit passierte, war gleich 3,5·10 6 C. Da sich die Massen von Kupfer- und Aluminiumatomen stark voneinander unterscheiden, müssten sich die Massen der Zylinder merklich ändern, wenn die Ladungsträger Ionen wären.

Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Masse jedes Zylinders unverändert blieb. Es wurden nur unbedeutende Spuren gegenseitiger Durchdringung von Metallen in den Kontaktflächen gefunden, die die Ergebnisse der üblichen Diffusion von Atomen in Festkörpern nicht übertrafen. Freie Ladungsträger in Metallen sind folglich keine Ionen, sondern Teilchen, die in Kupfer und Aluminium gleich sind. Nur Elektronen könnten solche Teilchen sein.

Ein direkter und überzeugender Beweis für die Gültigkeit dieser Annahme wurde in den Experimenten erhalten, die 1913 von L. I. Mandelstam und N. D. Papaleksi und 1916 von T. Stuart und R. Tolman durchgeführt wurden.

Auf die Spule wird ein Draht gewickelt, dessen Enden mit zwei voneinander isolierten Metallscheiben verlötet werden (Abb. 1). An den Enden der Scheiben ist ein Galvanometer mit Schleifkontakten befestigt.

Die Spule wird in schnelle Rotation gebracht und dann abrupt gestoppt. Nach einem scharfen Stopp der Spule bewegen sich freie geladene Teilchen durch Trägheit einige Zeit entlang des Leiters, und infolgedessen tritt in der Spule ein elektrischer Strom auf. Der Strom wird für kurze Zeit bestehen, weil durch den Widerstand des Leiters die geladenen Teilchen abgebremst werden und die geordnete Bewegung der Teilchen aufhört.

Die Richtung des Stroms zeigt an, dass er durch die Bewegung negativ geladener Teilchen erzeugt wird. Die dabei übertragene Ladung ist proportional zum Verhältnis der Ladung der stromerzeugenden Teilchen zu ihrer Masse, d.h. . Daher war es möglich, das Verhältnis zu bestimmen, indem die Ladung gemessen wurde, die während der gesamten Zeit des Vorhandenseins des Stroms im Stromkreis durch das Galvanometer floss. Es stellte sich heraus, dass sie gleich 1,8·10 11 C/kg war. Dieser Wert stimmt mit dem Verhältnis der Elektronenladung zu seiner Masse überein, das früher aus anderen Experimenten gefunden wurde.

So entsteht ein elektrischer Strom in Metallen durch die Bewegung negativ geladener Elektronenteilchen. Nach der klassischen elektronischen Theorie der Leitfähigkeit von Metallen (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904) kann ein metallischer Leiter als physikalisches System aus einer Kombination zweier Teilsysteme betrachtet werden:

1. freie Elektronen mit einer Konzentration von ~ 10 28 m -3 und
2. positiv geladene Ionen, die um die Gleichgewichtslage schwingen.

Das Auftreten freier Elektronen in einem Kristall kann wie folgt erklärt werden.

Wenn sich Atome zu einem Metallkristall verbinden, werden die am schwächsten an den Atomkern gebundenen Außenelektronen von den Atomen gelöst (Abb. 2). Daher befinden sich positive Ionen an den Knoten des Kristallgitters des Metalls, und Elektronen, die nicht mit den Kernen ihrer Atome verbunden sind, bewegen sich im Raum zwischen ihnen. Diese Elektronen werden genannt frei oder Leitungselektronen. Sie führen eine chaotische Bewegung aus, ähnlich der Bewegung von Gasmolekülen. Daher wird die Gesamtheit der freien Elektronen in Metallen genannt Elektronengas.

Wird an den Leiter ein äußeres elektrisches Feld angelegt, so wird der zufälligen chaotischen Bewegung freier Elektronen unter Einwirkung der Kräfte des elektrischen Feldes eine gerichtete Bewegung überlagert, die einen elektrischen Strom erzeugt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Elektronen selbst im Leiter beträgt einige Bruchteile eines Millimeters pro Sekunde, das im Leiter entstehende elektrische Feld breitet sich jedoch über die gesamte Länge des Leiters mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum aus ( 3 10 8 m/s).

Da der elektrische Strom in Metallen durch freie Elektronen gebildet wird, wird die Leitfähigkeit metallischer Leiter genannt elektronische Leitfähigkeit.

Elektronen unter dem Einfluss einer konstanten Kraft, die vom elektrischen Feld ausgeht, erlangen eine bestimmte Geschwindigkeit der geordneten Bewegung (dies wird als Drift bezeichnet). Diese Geschwindigkeit nimmt mit der Zeit nicht weiter zu, da Elektronen beim Zusammenstoß mit Ionen des Kristallgitters die im elektrischen Feld gewonnene kinetische Energie auf das Kristallgitter übertragen. In erster Näherung können wir davon ausgehen, dass sich das Elektron über die mittlere freie Weglänge (das ist die Strecke, die ein Elektron zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stößen mit Ionen zurücklegt) mit Beschleunigung bewegt und seine Driftgeschwindigkeit linear mit der Zeit zunimmt

Im Moment des Stoßes überträgt das Elektron kinetische Energie auf das Kristallgitter. Dann beschleunigt es wieder, und der Vorgang wiederholt sich. Infolgedessen ist die mittlere Geschwindigkeit der geordneten Bewegung von Elektronen proportional zur elektrischen Feldstärke im Leiter und folglich zur Potentialdifferenz an den Enden des Leiters, da , wobei l die Länge des Leiters ist.

Es ist bekannt, dass die Stromstärke im Leiter proportional zur Geschwindigkeit der geordneten Teilchenbewegung ist

und daher ist die Stromstärke gemäß dem vorherigen proportional zur Potentialdifferenz an den Enden des Leiters: I ~ U. Dies ist die qualitative Erklärung des Ohmschen Gesetzes, die auf der klassischen elektronischen Theorie der Leitfähigkeit von Metallen basiert.

Es gibt jedoch Schwierigkeiten mit dieser Theorie. Aus der Theorie folgte, dass der spezifische Widerstand proportional zur Quadratwurzel der Temperatur () sein sollte, währenddessen erfahrungsgemäß ~ T. Außerdem sollte die Wärmekapazität von Metallen nach dieser Theorie viel größer sein als die Wärmekapazität einatomiger Kristalle. In Wirklichkeit unterscheidet sich die Wärmekapazität von Metallen kaum von der Wärmekapazität nichtmetallischer Kristalle. Diese Schwierigkeiten wurden erst in der Quantentheorie überwunden.

1911 stellte der niederländische Physiker G. Kamerling-Onnes bei der Untersuchung der Änderung des elektrischen Widerstands von Quecksilber bei niedrigen Temperaturen fest, dass der spezifische Widerstand bei einer Temperatur von etwa 4 K (d. H. Bei -269 ° C) abrupt abnimmt (Abb. 3) fast auf null. Dieses Phänomen, den elektrischen Widerstand auf Null zu bringen, nannte G. Kamerling-Onnes Supraleitung.

Später wurde festgestellt, dass mehr als 25 chemische Elemente - Metalle bei sehr niedrigen Temperaturen zu Supraleitern werden. Jeder von ihnen hat seine eigene kritische Übergangstemperatur in einen Zustand ohne Widerstand. Der niedrigste Wert für Wolfram liegt bei 0,012 K, der höchste für Niob bei 9 K.

Supraleitung wird nicht nur in reinen Metallen, sondern auch in vielen chemischen Verbindungen und Legierungen beobachtet. Dabei dürfen die Elemente selbst, die Teil der supraleitenden Verbindung sind, keine Supraleiter sein. Zum Beispiel, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb und andere.

Substanzen im supraleitenden Zustand haben ungewöhnliche Eigenschaften:

1. elektrischer Strom in einem Supraleiter kann lange Zeit ohne Stromquelle existieren;
2. Innerhalb einer Substanz im supraleitenden Zustand ist es unmöglich, ein Magnetfeld zu erzeugen:
3. das Magnetfeld zerstört den Zustand der Supraleitung. Supraleitung ist ein Phänomen, das aus Sicht der Quantentheorie erklärt wird. Ihre ziemlich komplizierte Beschreibung würde den Rahmen eines Schulphysikkurses sprengen.

Bis vor kurzem wurde die weitverbreitete Nutzung der Supraleitung durch die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Notwendigkeit der Kühlung auf ultratiefe Temperaturen behindert, für die flüssiges Helium verwendet wurde. Trotz der Komplexität der Ausrüstung, der Knappheit und der hohen Kosten von Helium wurden seit den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts supraleitende Magnete ohne Wärmeverluste in ihren Wicklungen hergestellt, wodurch es praktisch möglich wurde, starke Magnetfelder in relativ großen zu erhalten Bände. Genau solche Magnete werden benötigt, um Anlagen zur kontrollierten thermonuklearen Fusion mit magnetischem Plasmaeinschluss für leistungsstarke Beschleuniger für geladene Teilchen zu schaffen. Supraleiter werden in verschiedenen Messgeräten eingesetzt, vor allem in Geräten zur Messung sehr schwacher Magnetfelder mit höchster Genauigkeit.

Gegenwärtig werden 10 - 15 % der Energie darauf verwendet, den Widerstand von Drähten in Stromleitungen zu überwinden. Supraleitende Leitungen oder zumindest Einspeisungen in Großstädte bringen enorme Einsparungen. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Supraleitung ist der Transport.

Auf der Grundlage von supraleitenden Filmen wurde eine Reihe von Hochgeschwindigkeits-Logik- und -Speicherelementen für Computergeräte geschaffen. In der Weltraumforschung ist es vielversprechend, supraleitende Solenoide für den Strahlenschutz von Kosmonauten, das Andocken von Schiffen, deren Verzögerung und Orientierung sowie für Plasmaraketentriebwerke einzusetzen.

Derzeit wurden keramische Materialien geschaffen, die bei einer höheren Temperatur Supraleitfähigkeit aufweisen - über 100 K, dh bei einer Temperatur über dem Siedepunkt von Stickstoff. Die Möglichkeit, Supraleiter mit flüssigem Stickstoff zu kühlen, der eine um eine Größenordnung höhere Verdampfungswärme aufweist, vereinfacht und senkt die Kosten aller kryogenen Ausrüstungen erheblich und verspricht einen enormen wirtschaftlichen Effekt.

Die Substanz (Metall), aus der der Leiter besteht, beeinflusst den Durchgang von elektrischem Strom und wird durch ein Konzept als elektrischer Widerstand charakterisiert.Der elektrische Widerstand hängt von der Größe des Leiters, seinem Material und seiner Temperatur ab:

• - je länger der Draht, desto häufiger kollidieren bewegliche freie Elektronen (Stromträger) auf ihrem Weg mit Atomen und Materiemolekülen - der Widerstand des Leiters nimmt zu;
• - Je größer der Querschnitt des Leiters ist, desto mehr freie Elektronen werden vorhanden, die Anzahl der Kollisionen nimmt ab - Der elektrische Widerstand des Leiters nimmt ab.

Fazit: Je länger der Leiter und je kleiner sein Querschnitt, desto größer ist sein Widerstand umgekehrt - Je kürzer und dicker der Draht, desto geringer ist sein Widerstand ,und die Leitfähigkeit (die Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten) ist besser.

Vereinfacht lässt sich die Abhängigkeit des Leiterwiderstandes von der Temperatur wie folgt darstellen: Elektronen, die sich entlang des Leiters bewegen, kollidieren mit den Atomen und Molekülen des Leiters selbst und übertragen ihre Energie auf diese. Dadurch erwärmt sich der Leiter, die thermische, zufällige Bewegung von Atomen und Molekülen nimmt zu. Dies verlangsamt den Hauptelektronenfluss entlang des Leiters weiter. Dies erklärt die Erhöhung des Widerstands des Leiters gegen den Durchgang von elektrischem Strom während des Erhitzens.

Beim Erhitzen oder Kühlen von Leitern - Metallen, erhöht oder verringert sich ihr Widerstand entsprechend mit einer Rate von 0,4% pro 1 Grad. Diese Eigenschaft von Metallen wird bei der Herstellung von Temperatursensoren genutzt.

Halbleiter und Elektrolyte haben die entgegengesetzte Eigenschaft als Leiter - mit zunehmender Heiztemperatur nimmt ihr Widerstand ab.

Die Maßeinheit des elektrischen Widerstands ist 1 Ohm (zu Ehren des Wissenschaftlers G. Ohm). Ein Widerstand von 1 Ohm entspricht einem Abschnitt eines Stromkreises, durch den ein Strom von 1 Ampere fließt, wenn an ihm eine Spannung von 1 Volt abfällt,

Manchmal wird der Kehrwert des elektrischen Widerstands verwendet. Dies ist die elektrische Leitfähigkeit, bezeichnet mit dem Buchstaben g oder G - Siemens (zu Ehren des Wissenschaftlers E. Siemens).

Die elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit einer Substanz, einen elektrischen Strom durch sich selbst zu leiten. Je größer der Widerstand R des Leiters ist, desto geringer ist seine Leitfähigkeit G und umgekehrt. 1 Ohm = 1 sim

Abgeleitete Einheiten:

1 Sim = 1000 m Sim,
1Sim = 1000000µSim.

Wenn es notwendig ist, den Gesamtwiderstand von in Reihe geschalteten Leitern zu berechnen, ist es bequemer, mit Ohm zu arbeiten. Wenn der Gesamtwiderstand parallel geschalteter Leiter berechnet wird, ist es bequemer, in Sims zu zählen und dann in Ohm umzurechnen.

Metalle haben die höchste Leitfähigkeit: Silber, Kupfer, Aluminium usw. sowie Lösungen von Salzen, Säuren usw.
Die niedrigste Leitfähigkeit (höchster Widerstand) für Isolatoren: Glimmer, Glas, Asbest, Keramik, etc...

Um die Berechnung des elektrischen Widerstands von Leitern aus verschiedenen Metallen zu vereinfachen, wurde das Konzept des spezifischen Widerstands eines Leiters eingeführt.
Der Widerstand eines 1 Meter langen Leiters mit 1 mm Querschnitt. sq. Bei einer Temperatur von + 20 Grad ist dies der spezifische Widerstand des Leiters p.

Die spezifischen Widerstände von Leitern einiger Metalle sind in der Tabelle angegeben.

Aus der Tabelle ist ersichtlich: Von Metallen hat Silber die beste Leitfähigkeit. Es ist aber sehr teuer und wird in Ausnahmefällen als Leiter verwendet.

Kupfer und Aluminium sind die gängigsten Materialien in der Elektrotechnik. Aus ihnen bestehen Drähte und Kabel, Stromschienen usw. Wolfram, Konstantan, Mangan werden in verschiedenen Heizgeräten bei der Herstellung von Drahtwiderständen verwendet.

Bei der Verwendung von Drähten und Kabeln in elektrischen Installationen muss deren Querschnitt berücksichtigt werden, um deren Erwärmung und in der Regel eine Beschädigung der Isolierung zu verhindern sowie den Spannungsabfall und den Leistungsverlust während der Übertragung zu reduzieren elektrischer Energie von der Quelle bis zum Verbraucher.

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle der zulässigen Stromwerte im Leiter in Abhängigkeit von seinem Durchmesser (Querschnitt in mm2) sowie dem Widerstand von 1 Meter Draht aus verschiedenen Materialien.


Beispiele für die Berechnung einiger Stromkreise finden Sie hier.

Wir nehmen an, dass J diff, J conv, J term gleich Null sind und J = J migr. Die Bewegung von Ionen in Leitern der zweiten Art und Elektronen in Leitern der ersten Art aufgrund der Differenz der elektrischen Potentiale bestimmt ihre Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, d.h. ihre elektrische Leitfähigkeit(elektrische Leitfähigkeit). Um die Fähigkeit von Leitern der ersten und zweiten Art zu quantifizieren, elektrischen Strom zu leiten, werden zwei Maße der elektrischen Leitfähigkeit verwendet. Einer von ihnen - elektrische Leitfähigkeitκ- ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands:

Der spezifische Widerstand wird aus der Formel bestimmt

wo R- Gesamtwiderstand des Leiters, Ohm; l ist der Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen, zwischen denen der Widerstand bestimmt wird, m; S - Querschnittsfläche des Leiters, m 2.

Somit

und die elektrische Leitfähigkeit ist definiert als der Kehrwert des Widerstands eines Kubikmeters eines Leiters mit einer Würfelkantenlänge von einem Meter. Einheit der elektrischen Leitfähigkeit: Sm/m. Andererseits nach dem Ohmschen Gesetz

wo E- Potentialdifferenz zwischen gegebenen parallelen Ebenen; Ich - Strom.

Setzen wir diesen Ausdruck in die Gleichung ein, die die elektrische Leitfähigkeit bestimmt, erhalten wir:

Für S = 1 und E/l = 1 haben wir κ = 1. Somit ist die elektrische Leitfähigkeit numerisch gleich dem Strom, der durch den Leiterabschnitt mit einer Oberfläche von einem Quadratmeter fließt, mit einem Potentialgefälle von einem Volt pro Meter.

Die spezifische elektrische Leitfähigkeit charakterisiert die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit. Folglich hängt die elektrische Leitfähigkeit von der Konzentration der Lösung und für einzelne Substanzen von ihrer Dichte ab.

Das zweite Maß für die elektrische Leitfähigkeit ist gleichwertigλ e (oder molarλm) elektrische Leitfähigkeit, gleich dem Produkt der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit durch die Anzahl der Kubikmeter, die ein Äquivalent oder ein Mol eines Stoffes enthalten:

λe = κφe; λm = κφm

Da φ in m 3 / Äquiv. oder m 3 / Mol ausgedrückt wird, ist die Einheit von λ Cm 2 / Äquiv. oder Cm 2 / Mol.

Für Lösungen φ = 1/С, wobei Mit- Konzentration, ausgedrückt in mol/m 3 . Dann

λ e = κ/zC und λ m = κ/С

Ob Mit ausgedrückt in kmol / m 3, dann φ e \u003d 1 / (zC ∙ 10 3); φ m \u003d 1 / (С ∙ 10 3) und

λ e \u003d κ / (zC ∙ 10 3) und λ m \u003d κ / (C ∙ 10 3)

Bei der Bestimmung der molaren Leitfähigkeit einer einzelnen Substanz (fest oder flüssig) φ m \u003d V M, aber V m \u003d M / d (wobei V m das Molvolumen ist; M das Molekulargewicht ist; d- Dichte), weiter-

unter Tel.Nr

λm = κVm = κM/d

Somit ist die äquivalente (oder molare) elektrische Leitfähigkeit die Leitfähigkeit eines Leiters, der sich zwischen zwei parallelen Ebenen befindet, die sich in einem Abstand von einem Meter voneinander befinden und eine solche Fläche aufweisen, dass ein Äquivalent (oder ein Mol) einer Substanz (in der Form einer Lösung oder eines einzelnen Salzes).

Dieses Maß für die Leitfähigkeit charakterisiert die Leitfähigkeit bei gleicher Stoffmenge (Mol oder Äquivalent), aber enthalten in unterschiedlichen Volumina und spiegelt somit den Einfluss von Wechselwirkungskräften zwischen Ionen als Funktion der interionischen Abstände wider.

ELEKTRONISCHE LEITFÄHIGKEIT

Metalle, die bereits bei normaler Temperatur durch eine niedrige Energie des Elektronenübergangs vom Valenzband zum Leitungsband gekennzeichnet sind, haben eine ausreichende Anzahl von Elektronen im Leitungsband, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit sicherzustellen. Die Leitfähigkeit von Metallen nimmt mit steigender Temperatur ab. Dies liegt daran, dass mit zunehmender Temperatur in Metallen der Effekt einer Erhöhung der Schwingungsenergie der Ionen des Kristallgitters, die der gerichteten Bewegung von Elektronen widerstehen, gegenüber dem Effekt einer Erhöhung der Ladungszahl überwiegt Träger im Leitungsband. Der Widerstand von chemisch reinen Metallen steigt mit steigender Temperatur um etwa 4 ∙ 10 -3 R 0 mit steigender Temperatur pro Grad (R 0 - Widerstand bei 0 °C). Bei den meisten chemisch reinen Metallen besteht beim Erhitzen eine lineare Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur.

R = R0 (1 + αt)

wobei α der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist.

Die Temperaturkoeffizienten von Legierungen können in weiten Bereichen schwanken, zB für Messing α = 1,5∙10 -3 und für Konstantan α = 4∙10 -6.

Die spezifische Leitfähigkeit von Metallen und Legierungen liegt zwischen 10 6 - 7∙10 7 S/m. Die elektrische Leitfähigkeit eines Metalls hängt von der Anzahl und Ladung der an der Stromübertragung beteiligten Elektronen und der durchschnittlichen Laufzeit zwischen Stößen ab. Die gleichen Parameter für eine gegebene elektrische Feldstärke bestimmen die Geschwindigkeit des Elektrons. Daher kann die Stromdichte im Metall durch die Gleichung ausgedrückt werden

wo ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der befohlenen Ladungsbewegung; P ist die Anzahl der Elektronen im Leitungsband pro Volumeneinheit.

Halbleiter nehmen in ihrer Leitfähigkeit eine Zwischenstellung zwischen Metallen und Isolatoren ein. Reine Halbleitermaterialien wie Germanium und Silizium sind intrinsisch leitfähig.

Reis. 5.1. Schema des Auftretens eines Paares Elektronenleitung (1) - Loch (2).

Die Eigenleitfähigkeit beruht darauf, dass Elektronen bei thermischer Anregung vom Valenzband in das Leitungsband übergehen. Diese Elektronen bewegen sich unter Einwirkung einer Potentialdifferenz in eine bestimmte Richtung und liefern elektronische Leitfähigkeit Halbleiter. Wenn ein Elektron in das Leitungsband übergeht, verbleibt im Valenzband ein freier Platz - ein „Loch“, das dem Vorhandensein einer einzelnen positiven Ladung entspricht. Ein Loch kann sich auch unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen, indem ein Elektron im Valenzband an seinen Platz springt, aber in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung von Elektronen im Leitungsband, wodurch es bereitgestellt wird Loch Leitfähigkeit Halbleiter. Der Vorgang der Lochbildung ist in Abb. 1 dargestellt. 5.1.

In einem Halbleiter mit eigener Leitfähigkeit gibt es also zwei Arten von Ladungsträgern - Elektronen und Löcher, die für die Elektronen- und Lochleitfähigkeit des Halbleiters sorgen.

In einem intrinsischen Halbleiter ist die Anzahl der Elektronen im Leitungsband gleich der Anzahl der Löcher im Valenzband. Bei einer gegebenen Temperatur besteht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Elektronen und Löchern in einem Halbleiter, d. h. die Rate ihrer Bildung ist gleich der Rekombinationsrate. Die Rekombination eines Elektrons im Leitungsband mit einem Loch im Valenzband führt zur „Bildung“ eines Elektrons im Valenzband.

Die spezifische Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt von der Konzentration der Ladungsträger ab, also von ihrer Anzahl pro Volumeneinheit. Wir bezeichnen die Konzentration von Elektronen mit n i und die Konzentration von Löchern mit p i . Bei einem Halbleiter mit Eigenleitfähigkeit ist n i = p i (solche Halbleiter werden kurz als i-Halbleiter bezeichnet). Die Konzentration von Ladungsträgern, beispielsweise in reinem Germanium, ist gleich n i \u003d p i ≈10 19 m -3, in Silizium - etwa 10 16 m -3 und beträgt 10 -7 - 10 -10% in Bezug auf die Anzahl der Atome N.

Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes in einem Halbleiter tritt eine gerichtete Bewegung von Elektronen und Löchern auf. Die Leitungsstromdichte ist die Summe der Elektronen ich e und Loch ich p Stromdichten: ich = ich e + ich p , die trotz gleicher Ladungsträgerkonzentrationen nicht gleich groß sind, da die Bewegungsgeschwindigkeiten (Mobilität) von Elektronen und Löchern unterschiedlich sind. Die Elektronenstromdichte ist:

Die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen ist proportional zur Intensität E" elektrisches Feld:

Verhältnismäßigkeitsfaktor w e 0 charakterisiert die Geschwindigkeit des Elektrons bei einer Einheit der elektrischen Feldstärke und wird als absolute Bewegungsgeschwindigkeit bezeichnet. Bei Raumtemperatur in reinem Germanium w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Aus den letzten beiden Gleichungen erhalten wir:

Wenn wir ähnliche Argumente für die Lochleitfähigkeit wiederholen, können wir schreiben:

Dann gilt für die Gesamtstromdichte:

Vergleichen Sie den Ausdruck für i mit dem Ohmschen Gesetz i = κ E", bei S = 1 m 2 erhalten wir:

Wie oben angegeben, ist daher für einen Halbleiter mit intrinsischer Leitfähigkeit n i \u003d p i

w p 0 ist immer kleiner w e 0 , zum Beispiel in Deutschland w p 0 \u003d 0, 18 m 2 / (V ∙ s) und w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt also von der Ladungsträgerkonzentration und deren absoluten Geschwindigkeiten ab und setzt sich additiv aus zwei Termen zusammen:

κ ich = κ e + κ p

Das Ohmsche Gesetz für Halbleiter ist nur dann erfüllt, wenn die Ladungsträgerkonzentration n i nicht von der Feldstärke abhängt. Bei hohen Feldstärken, die als kritisch bezeichnet werden (für Germanium E cr ' = 9∙10 4 V / m, für Silizium E cr ' = 2,5 ∙ 10 4 V / m), wird das Ohmsche Gesetz verletzt, was mit einer Änderung verbunden ist in der Elektronenenergie im Atom und einer Abnahme der Übertragungsenergie auf das Leitungsband sowie mit der Möglichkeit der Ionisierung von Gitteratomen. Beide Effekte bewirken eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration.

Die elektrische Leitfähigkeit bei hohen Feldstärken wird durch das empirische Gesetz von Poole ausgedrückt:

ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E cr ’)

wobei κ 0 - Leitfähigkeit bei E ' = E cr ' .

Mit steigender Temperatur in einem Halbleiter kommt es zu einer intensiven Ladungsträgererzeugung, deren Konzentration schneller zunimmt, als die Absolutgeschwindigkeit der Elektronen durch thermische Bewegung abnimmt. Daher anders

von Metallen nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern mit steigender Temperatur zu. In erster Näherung kann für einen kleinen Temperaturbereich die Abhängigkeit der Halbleiterleitfähigkeit von der Temperatur durch die Gleichung ausgedrückt werden

wo k- Boltzmann-Konstante; SONDERN- Aktivierungsenergie (die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron in das Leitungsband zu übertragen).

Nahe dem absoluten Nullpunkt sind alle Halbleiter gute Isolatoren. Bei einer Temperaturerhöhung pro Grad erhöht sich ihre Leitfähigkeit um durchschnittlich 3 - 7 %.

Wenn Verunreinigungen in einen reinen Halbleiter eingebracht werden, wird die intrinsische elektrische Leitfähigkeit hinzugefügt Verunreinigung elektrische Leitfähigkeit. Werden beispielsweise Elemente der V. Gruppe des Periodensystems (P, As, Sb) in Germanium eingeführt, so bildet dieses aufgrund der geringen Ionisation ein Gitter mit Germanium unter Beteiligung von vier Elektronen und dem fünften Elektron Energie der Fremdatome (ca. 1,6∙10 –21), vom Fremdatom auf das Leitungsband übergeht. In einem solchen Halbleiter überwiegt die elektronische Leitfähigkeit (ein Halbleiter wird als elektronischer Halbleiter vom n-Typ]. Wenn Fremdatome eine größere Elektronenaffinität als Germanium haben, beispielsweise Elemente der Gruppe III (In, Ga, B, Al), dann nehmen sie Elektronen von Germaniumatomen auf und es entstehen Löcher im Valenzband. In solchen Halbleitern überwiegt die Lochleitfähigkeit (semiconductor p-Typ]. Verunreinigungsatome, die elektronische Leitfähigkeit bereitstellen, sind Spender Elektronen und Löcher - Akzeptoren).

Verunreinigungshalbleiter haben eine höhere elektrische Leitfähigkeit als intrinsische Halbleiter, wenn die Konzentration von Atomen der Donator-N D - oder Akzeptor-N A -Verunreinigung die Konzentration von intrinsischen Ladungsträgern übersteigt. Für große Werte von N D und N A kann die Konzentration intrinsischer Ladungsträger vernachlässigt werden. Als Ladungsträger werden Ladungsträger bezeichnet, deren Konzentration in einem Halbleiter vorherrscht Basic. Beispielsweise ist in n-Typ-Germanium n n ≈ 10 22 m–3, während n i ≈ 10 19 m~ 3, d. h. die Konzentration der Hauptladungsträger ist 10 3 mal höher als die Konzentration der intrinsischen Ladungsträger.

Für Fremdhalbleiter gelten die Beziehungen:

n n p n = n ich p ich = n ich 2 = p ich 2

n p p p = n ich p ich = n ich 2 = p ich 2

Die erste dieser Gleichungen wird für einen Halbleiter vom n-Typ und die zweite für einen Halbleiter vom p-Typ geschrieben. Aus diesen Zusammenhängen folgt, dass eine sehr geringe Menge an Verunreinigungen (ca. 10–4 0 /о) die Ladungsträgerkonzentration deutlich erhöht, wodurch die elektrische Leitfähigkeit zunimmt.

Wenn wir die Konzentration intrinsischer Ladungsträger vernachlässigen und N D ≈n n für einen Halbleiter vom n-Typ und N A ≈ p p für einen Halbleiter vom p-Typ betrachten, dann kann die elektrische Leitfähigkeit des Störstellenhalbleiters durch die Gleichungen ausgedrückt werden:

Wenn ein elektrisches Feld in Halbleitern vom n-Typ angelegt wird, erfolgt die Ladungsübertragung durch Elektronen und in Halbleitern vom p-Typ durch Löcher.

Unter äußeren Einflüssen, beispielsweise bei Bestrahlung, ändert sich die Ladungsträgerkonzentration und kann an verschiedenen Stellen des Halbleiters unterschiedlich sein. Dabei finden wie in Lösungen Diffusionsprozesse im Halbleiter statt. Regelmäßigkeiten von Diffusionsprozessen gehorchen den Fickschen Gleichungen. Die Diffusionskoeffizienten von Ladungsträgern sind viel höher als die von Ionen in Lösung. Beispielsweise beträgt für Germanium der Diffusionskoeffizient von Elektronen 98 10 -4 m 2 / s, Löcher - 47 10 -4 m 2 / s. Typische Halbleiter sind neben Germanium und Silizium bei Raumtemperatur eine Reihe von Oxiden, Sulfiden, Seleniden, Teluriden etc. (zB CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).

IONENLEITFÄHIGKEIT

Ionenleitfähigkeit besitzen Gase, bestimmte feste Verbindungen (Ionenkristalle und Gläser), geschmolzene einzelne Salze und Lösungen von Verbindungen in Wasser, nichtwässrigen Lösungsmitteln und Schmelzen. Die Werte der spezifischen Leitfähigkeit von Leitern der zweiten Art verschiedener Klassen schwanken über einen sehr weiten Bereich:

Substanz	c∙10 3 , S/m	Substanz	c∙10 3 , S/m
H2O	0.0044	NaOH 10 % Lösung 30 % »
C 2 H 5 OH	0.0064	KOH, 29%ige Lösung
C3H7OH	0.0009	NaCl 10 % Lösung 25 % »
CH3OH	0.0223	FeSO 4 , 7%ige Lösung
Acetonitril	0.7	NiSO 4 , 19%ige Lösung
N,N-Dimethylacetamid	0.008-0.02	CuSO 4 , 15%ige Lösung
CH3COOH	0.0011	ZnС1 2 , 40%ige Lösung
H 2 SO 4 konzentriert 10 % Lösung 40 % "		NaCl (Schmelze, 850 °C)
HC1 40 % Lösung 10 % "		NaNO 3 (Schmelze 500 °C)
HNO 3 konzentrierte 12%ige Lösung		MgCl 2 (Schmelze, 1013 °C)
		А1С1 3 (Schmelze, 245 °С)	0.11
		AlI 3 (Schmelze, 270 °C)	0.74
		AgCl (Schmelze, 800 °C)
		AgI (fest)

Hinweis: Die Werte der spezifischen Leitfähigkeit von Lösungen sind bei 18 °C angegeben.

In allen Fällen sind die angegebenen Werte von κ jedoch um mehrere Größenordnungen niedriger als die Werte von κ von Metallen (z. B. beträgt die spezifische Leitfähigkeit von Silber, Kupfer und Blei 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 bzw. 0,056∙10 8 S/m).

In Leitern der zweiten Art können alle Arten von elektrisch geladenen Teilchen an der Übertragung von Elektrizität teilnehmen. Wenn der Strom sowohl von Kationen als auch von Anionen getragen wird, dann haben Elektrolyte bipolare Leitung. Wenn der Strom nur eine Art von Ionen transportiert – Kationen oder Anionen – dann gibt es sie unipolare kationische oder anionische Leitfähigkeit.

Im Fall der bipolaren Leitung tragen Ionen, die sich schneller bewegen, einen größeren Anteil des Stroms als Ionen, die sich langsamer bewegen. Der Bruchteil des Stroms, der von einer bestimmten Art von Teilchen getragen wird, wird genannt Nummer tragen dieser Art von Teilchen (t i) Bei unipolarer Leitfähigkeit ist die Transferzahl der Art von Ionen, die den Strom führen, gleich eins, da der gesamte Strom von dieser Art von Ionen übertragen wird. Aber bei bipolarer Leitfähigkeit ist die Übertragungszahl jeder Art von Ionen kleiner als eins, und

außerdem ist die Übertragungszahl als Absolutwert des Bruchteils des Stroms zu verstehen, der einer gegebenen Art von Ionen zuzurechnen ist, ohne die Tatsache zu berücksichtigen, dass Kationen und Anionen elektrischen Strom in unterschiedliche Richtungen führen.

Die Transferzahl einer beliebigen Art von Teilchen (Ionen) mit bipolarer Leitfähigkeit ist kein konstanter Wert, der nur die Natur einer bestimmten Ionenart charakterisiert, sondern hängt auch von der Natur der Partnerteilchen ab. Beispielsweise ist die Transportzahl von Chloridionen in einer Salzsäurelösung geringer als in einer KCl-Lösung gleicher Konzentration, da Wasserstoffionen beweglicher sind als Kaliumionen. Die Methoden zur Bestimmung der Transferzahlen sind vielfältig und werden in den entsprechenden Laborworkshops zur Theoretischen Elektrochemie in ihren Grundlagen erläutert.

Bevor wir zur Betrachtung der elektrischen Leitfähigkeit bestimmter Stoffklassen übergehen, lassen Sie uns auf eine allgemeine Frage eingehen. Jeder Körper bewegt sich in einem konstanten Kraftfeld, das mit Beschleunigung auf ihn einwirkt. Inzwischen bewegen sich Ionen in allen Klassen von Elektrolyten, mit Ausnahme von Gasen, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einer bestimmten Stärke mit konstanter Geschwindigkeit. Um dies zu erklären, stellen wir uns die Kräfte vor, die auf das Ion einwirken. Wenn die Masse des Ions m und die Geschwindigkeit seiner Bewegung w, dann die Newtonsche Kraft mdw/dt gleich der Differenz zwischen der Stärke des elektrischen Feldes (M), das das Ion bewegt, und der Reaktionskraft (L'), die seine Bewegung verlangsamt, weil sich das Ion in einem viskosen Medium bewegt. Die Reaktionskraft ist umso größer, je größer die Geschwindigkeit des Ions ist, d.h. L' = L w(hier L- Verhältnismäßigkeitskoeffizient). Auf diese Weise

Nach Trennung der Variablen erhalten wir:

Bezeichnet M - L w = v, wir bekommen d w= – D v/Land

oder

Die Integrationskonstante wird aus der Randbedingung bestimmt: at t = 0 w = 0, d.h. . Wir beginnen die Zeit ab dem Moment zu zählen, in dem sich das Ion zu bewegen beginnt (in dem Moment, in dem der Strom eingeschaltet wird). Dann:

Wenn wir die Konstante durch ihren Wert ersetzen, erhalten wir schließlich.

Längen- und Entfernungsumrechner Massenumrechner Schüttgut- und Lebensmittelvolumenumrechner Flächenumrechner Volumen- und Rezepteinheitenumrechner Temperaturumrechner Druck, Spannung, E-Modul Umrechner Energie und Arbeit Umrechner Kraftumrechner Kraftumrechner Zeitumrechner Lineargeschwindigkeitsumrechner Flachwinkelumrechner Thermischer Wirkungsgrad und Kraftstoffeffizienz Umrechner von Zahlen in verschiedenen Zahlensystemen Umrechner von Maßeinheiten von Informationsmengen Währungskurse Maße von Damenbekleidung und -schuhen Maße von Herrenbekleidung und -schuhen Winkelgeschwindigkeits- und Drehfrequenz-Umrechner Beschleunigungs-Umrechner Winkelbeschleunigungs-Umrechner Dichte-Umrechner Spezifisches Volumen-Umrechner Trägheitsmoment-Umrechner Moment des Kraftwandlers Drehmomentwandler spezifischer Heizwertwandler (nach Masse) Energiedichte und spezifischer Heizwertwandler (nach Volumen) Temperaturdifferenzwandler Koeffizientenwandler Wärmeausdehnungskoeffizient Wärmewiderstand Umrechner Wärmeleitfähigkeit Umrechner Spezifische Wärmekapazität Umrechner Energieeinwirkung und Strahlungsleistung Umrechner Wärmestromdichte Umrechner Wärmeübertragungskoeffizient Umrechner Volumendurchfluss Umrechner Massendurchfluss Umrechner Molarer Durchfluss Umrechner Massenflussdichte Umrechner Molare Konzentration Umrechner Massenkonzentration in Lösung Umrechner Dynamisch ( Umrechner für kinematische Viskosität Umrechner für Oberflächenspannung Umrechner für Dampfdurchlässigkeit Umrechner für Wasserdampfflussdichte Umrechner für Schallpegel Umrechner für Mikrofonempfindlichkeit Umrechner für Schalldruckpegel (SPL) Umrechner für Schalldruckpegel (SPL) Umrechner für Schalldruckpegel mit wählbarem Referenzdruck Umrechner für Helligkeit Umrechner für Lichtintensität Umrechner für Beleuchtungsstärke Umrechner für Computergrafikauflösung Umrechner für Frequenz und Wellenlänge Leistung in Dioptrien und Brennweite Entfernung Leistung in Dioptrien und Linsenvergrößerung (×) Umrechner für elektrische Ladung Umrechner für lineare Ladungsdichte Umrechner für Oberflächenladungsdichte Umrechner für volumetrische Ladungsdichte Umrechner für elektrischen Strom Umrechner für lineare Stromdichte Umrechner für Oberflächenstromdichte Umrechner für elektrische Feldstärke Umrechner für elektrostatisches Potential und Spannung Umrechner für elektrischen Widerstand Umrechner Elektrisch Widerstand Elektrische Leitfähigkeit Konverter Elektrische Leitfähigkeit Konverter Kapazität Induktivität Konverter US Drahtstärke Konverter Pegel in dBm (dBm oder dBm), dBV (dBV), Watt usw. Einheiten Magnetomotorischer Kraft-Konverter Magnetfeldstärke-Konverter Magnetischer Fluss-Konverter Magnetischer Induktions-Konverter Strahlung. Ionisierende Strahlung Energiedosisleistungskonverter Radioaktivität. Radioaktive Zerfallskonverterstrahlung. Expositionsdosiskonverter Strahlung. Energiedosis-Umrechner Dezimalpräfix-Umrechner Datenübertragung Typographie und Bildverarbeitung Einheitenumrechner Holzvolumen-Einheitenumrechner Berechnung der Molmasse Periodensystem der chemischen Elemente von D. I. Mendelejew

1 elektrische Leitfähigkeitseinheit = 0,0001 Siemens pro Meter [S/m]

Ursprünglicher Wert

Konvertierter Wert

Siemens pro Meter Picosiemens pro Meter mo pro Meter mo pro Zentimeter abmo pro Meter abmo pro Zentimeter staticmo pro Meter statmo pro Zentimeter Siemens pro Zentimeter Millisiemens pro Meter Millisiemens pro Zentimeter Mikrosiemens pro Meter Mikrosiemens pro Zentimeter konventionelle Einheit der elektrischen Leitfähigkeit konventioneller Koeffizient der elektrischen Leitfähigkeit ppm , Koeffizient. Neuberechnung von 700 ppm, Koeffizient. Neuberechnung von 500 ppm, Koeffizient. Umrechnung 640 TDS, ppm, Koeffizient Umrechnung 640 TDS, ppm, Koeffizient Umwandlung 550 TDS, ppm, Koeffizient Umwandlung 500 TDS, ppm, Koeffizient Neuberechnung 700

Massenladungsdichte

Mehr über Elektrische Leitfähigkeit

Einführung und Definitionen

Elektrische Leitfähigkeit (oder elektrische Leitfähigkeit) ist ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten oder elektrische Ladungen darin zu bewegen. Dies ist das Verhältnis von Stromdichte zu elektrischer Feldstärke. Betrachten wir einen Würfel aus leitfähigem Material mit einer Seitenlänge von 1 Meter, dann ist die spezifische Leitfähigkeit gleich der elektrischen Leitfähigkeit, die zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten dieses Würfels gemessen wird.

Die Leitfähigkeit hängt mit der Leitfähigkeit durch die folgende Formel zusammen:

G = σ(A/l)

wo G- elektrische Leitfähigkeit, σ - elektrische Leitfähigkeit, SONDERN- der Querschnitt des Leiters, senkrecht zur Richtung des elektrischen Stroms und l- Leiterlänge. Diese Formel kann mit jedem Leiter in Form eines Zylinders oder Prismas verwendet werden. Beachten Sie, dass diese Formel auch für einen Quader verwendet werden kann, da es sich um einen Spezialfall eines Prismas handelt, dessen Grundfläche ein Rechteck ist. Denken Sie daran, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstands ist.

Für Menschen, die fern von Physik und Technik sind, kann es schwierig sein, den Unterschied zwischen der Leitfähigkeit eines Leiters und der spezifischen Leitfähigkeit eines Stoffes zu verstehen. Mittlerweile sind das natürlich unterschiedliche physikalische Größen. Leitfähigkeit ist eine Eigenschaft eines bestimmten Leiters oder Geräts (z. B. eines Widerstands oder eines galvanischen Bades), während die Leitfähigkeit eine inhärente Eigenschaft des Materials ist, aus dem dieser Leiter oder dieses Gerät besteht. Beispielsweise ist die Leitfähigkeit von Kupfer immer gleich, egal wie sich Form und Größe des Kupferobjekts ändern. Gleichzeitig hängt die Leitfähigkeit eines Kupferdrahts von seiner Länge, seinem Durchmesser, seiner Masse, seiner Form und einigen anderen Faktoren ab. Natürlich haben ähnliche Gegenstände aus Materialien mit höherer Leitfähigkeit eine höhere Leitfähigkeit (wenn auch nicht immer).

Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist die Einheit der elektrischen Leitfähigkeit Siemens pro Meter (cm/m). Die darin enthaltene Einheit der Leitfähigkeit ist nach dem deutschen Wissenschaftler, Erfinder, Unternehmer Werner von Siemens (1816–1892) benannt. Die von ihm 1847 gegründete Siemens AG (Siemens) ist eines der größten Unternehmen in den Bereichen Elektro-, Elektronik-, Energie-, Transport- und Medizintechnik.

Die Bandbreite der elektrischen Leitfähigkeiten ist sehr breit, von Materialien mit hohem spezifischem Widerstand wie Glas (das bei Rotglühung übrigens Strom gut leitet) oder Polymethylmethacrylat (organisches Glas) bis hin zu sehr guten Leitern wie Silber, Kupfer bzw Gold. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Anzahl der Ladungen (Elektronen und Ionen), die Geschwindigkeit ihrer Bewegung und die Energiemenge, die sie transportieren können, bestimmt. Wässrige Lösungen verschiedener Substanzen, die zum Beispiel in Galvanikbädern verwendet werden, haben Durchschnittswerte der spezifischen Leitfähigkeit. Ein weiteres Beispiel für Elektrolyte mit Durchschnittswerten der spezifischen Leitfähigkeit ist die innere Umgebung des Körpers (Blut, Plasma, Lymphe und andere Flüssigkeiten).

Die Leitfähigkeit von Metallen, Halbleitern und Dielektrika wird in den folgenden Artikeln der Website „Umrechner physikalischer Größen“ und „Elektrische Leitfähigkeit“ ausführlich behandelt. In diesem Artikel werden wir ausführlicher auf die Leitfähigkeit von Elektrolyten sowie auf Methoden und einfache Geräte zu ihrer Messung eingehen.

Elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten und ihre Messung

Die spezifische Leitfähigkeit wässriger Lösungen, in denen durch die Bewegung geladener Ionen ein elektrischer Strom entsteht, wird durch die Anzahl der Ladungsträger (Konzentration der Substanz in der Lösung), ihre Bewegungsgeschwindigkeit (die Mobilität der Ionen) bestimmt abhängig von der Temperatur) und der Ladung, die sie tragen (bestimmt durch die Wertigkeit der Ionen). Daher führt in den meisten wässrigen Lösungen eine Konzentrationserhöhung zu einer Erhöhung der Ionenzahl und damit zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Nach Erreichen eines bestimmten Maximums kann jedoch die spezifische Leitfähigkeit der Lösung mit einer weiteren Erhöhung der Konzentration der Lösung beginnen abzunehmen. Daher können Lösungen mit zwei unterschiedlichen Konzentrationen desselben Salzes dieselbe Leitfähigkeit haben.

Die Temperatur beeinflusst auch die Leitfähigkeit, da sich Ionen mit steigender Temperatur schneller bewegen, was zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit führt. Reines Wasser ist ein schlechter elektrischer Leiter. Gewöhnliches destilliertes Wasser, das Kohlendioxid aus der Luft im Gleichgewichtszustand und eine Gesamtmineralisierung von weniger als 10 mg/l enthält, hat eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 20 mS/cm. Die spezifische Leitfähigkeit verschiedener Lösungen ist in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Zur Bestimmung der spezifischen Leitfähigkeit einer Lösung wird ein Widerstandsmessgerät (Ohmmeter) oder Leitfähigkeitsmessgerät verwendet. Das sind fast die gleichen Geräte, die sich nur im Maßstab unterscheiden. Beide messen den Spannungsabfall in dem Abschnitt des Stromkreises, durch den der elektrische Strom aus der Batterie des Geräts fließt. Der gemessene Leitfähigkeitswert wird manuell oder automatisch in Leitfähigkeit umgerechnet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Messgerätes bzw. Sensors. Leitfähigkeitssensoren sind einfach: Sie sind ein Paar (oder zwei Paare) Elektroden, die in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Leitfähigkeitssensoren sind gekennzeichnet durch Leitfähigkeitssensor konstant, der im einfachsten Fall als Verhältnis der Elektrodenabstände definiert ist D auf die Fläche (Elektrode) senkrecht zum Stromfluss SONDERN

Diese Formel funktioniert gut, wenn die Fläche der Elektroden viel größer ist als der Abstand zwischen ihnen, da in diesem Fall der größte Teil des elektrischen Stroms zwischen den Elektroden fließt. Beispiel: für 1 Kubikzentimeter Flüssigkeit K=D/A= 1cm/1cm² = 1cm⁻¹. Beachten Sie, dass Leitfähigkeitssensoren mit kleinen Elektroden, die durch einen relativ großen Abstand getrennt sind, durch Sensorkonstantenwerte von 1,0 cm⁻¹ und höher gekennzeichnet sind. Gleichzeitig haben Sensoren mit relativ großen Elektroden, die nahe beieinander angeordnet sind, eine Konstante von 0,1 cm&supmin;¹ oder weniger. Die Sensorkonstante zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Geräte reicht von 0,01 bis 100 cm⁻¹.

Theoretische Sensorkonstante: links - K= 0,01 cm⁻¹ , rechts - K= 1 cm&supmin;¹

Um die Leitfähigkeit aus der gemessenen Leitfähigkeit zu erhalten, wird die folgende Formel verwendet:

σ = K ∙ G

σ - spezifische Leitfähigkeit der Lösung in S/cm;

K- Sensorkonstante in cm⁻¹;

G- Leitfähigkeit des Sensors in Siemens.

Die Sensorkonstante wird üblicherweise nicht aus ihren geometrischen Abmessungen berechnet, sondern in einem bestimmten Messgerät oder in einer bestimmten Messanlage mit einer Lösung bekannter Leitfähigkeit gemessen. Dieser Messwert wird in das Leitfähigkeitsmessgerät eingegeben, das aus den gemessenen Leitfähigkeits- oder Lösungswiderstandswerten automatisch die Leitfähigkeit berechnet. Aufgrund der Tatsache, dass die Leitfähigkeit von der Temperatur der Lösung abhängt, enthalten Geräte zur Messung der Leitfähigkeit häufig einen Temperatursensor, der die Temperatur misst und für eine automatische Temperaturkompensation der Messungen sorgt, d. h. die Ergebnisse auf eine Standardtemperatur von 25 °C bringt.

Der einfachste Weg, die Leitfähigkeit zu messen, besteht darin, eine Spannung an zwei in eine Lösung getauchte flache Elektroden anzulegen und den fließenden Strom zu messen. Diese Methode wird als potentiometrisch bezeichnet. Nach dem Ohmschen Gesetz Leitfähigkeit G ist das Stromverhältnis ich auf Spannung U:

Allerdings ist nicht alles so einfach wie oben beschrieben – es gibt viele Probleme bei der Leitfähigkeitsmessung. Wird Gleichstrom verwendet, sammeln sich die Ionen an den Elektrodenoberflächen. An den Elektrodenoberflächen kann auch eine chemische Reaktion stattfinden. Dies führt zu einer Erhöhung des Polarisationswiderstandes an den Elektrodenoberflächen, was wiederum zu fehlerhaften Ergebnissen führt. Wenn Sie versuchen, den Widerstand mit einem herkömmlichen Tester, beispielsweise einer Kochsalzlösung, zu messen, werden Sie deutlich sehen, wie sich die Messwerte auf dem Display eines digitalen Geräts ziemlich schnell in Richtung steigenden Widerstands ändern. Um den Polarisationseffekt zu eliminieren, wird häufig ein Sensordesign mit vier Elektroden verwendet.

Eine Polarisation kann auch verhindert oder auf jeden Fall reduziert werden, indem bei der Messung Wechselstrom anstelle von Gleichstrom verwendet wird und sogar die Frequenz in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit angepasst wird. Niedrige Frequenzen werden verwendet, um eine niedrige Leitfähigkeit zu messen, wenn der Einfluss der Polarisation gering ist. Höhere Frequenzen werden verwendet, um hohe Leitfähigkeiten zu messen. Normalerweise wird die Frequenz während des Messvorgangs automatisch angepasst, wobei die erhaltenen Werte der Leitfähigkeit der Lösung berücksichtigt werden. Moderne digitale Zwei-Elektroden-Leitfähigkeitsmessgeräte verwenden typischerweise eine komplexe Wechselstrom- und Temperaturkompensation. Sie sind werkseitig kalibriert, im Betrieb ist jedoch häufig eine Nachkalibrierung erforderlich, da sich die Konstante der Messzelle (Sensor) mit der Zeit ändert. Sie kann sich zum Beispiel ändern, wenn die Sensoren verschmutzen oder wenn sich die Elektroden physikalisch und chemisch verändern.

Bei einem herkömmlichen Zwei-Elektroden-Leitfähigkeitsmessgerät (das wir in unserem Experiment verwenden werden) wird zwischen den beiden Elektroden eine Wechselspannung angelegt und der zwischen den Elektroden fließende Strom gemessen. Diese einfache Methode hat einen Nachteil: Es wird nicht nur der Widerstand der Lösung gemessen, sondern auch der durch die Polarisierung der Elektroden verursachte Widerstand. Um den Einfluss der Polarisation zu minimieren, wird ein Sensordesign mit vier Elektroden verwendet und die Elektroden mit Platinschwarz beschichtet.

Allgemeine Mineralisierung

Zur Bestimmung werden häufig Geräte zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt Gesamtmineralisierung oder Feststoffgehalt(engl. Total Dissolved Solids, TDS). Es ist ein Maß für die Gesamtmenge an organischen und anorganischen Substanzen, die in einer Flüssigkeit in verschiedenen Formen enthalten sind: ionisiert, molekular (gelöst), kolloidal und in Suspension (ungelöst). Zu gelösten Stoffen gehören alle anorganischen Salze. Dies sind hauptsächlich Chloride, Bicarbonate und Sulfate von Calcium, Kalium, Magnesium, Natrium sowie einige in Wasser gelöste organische Substanzen. Um als vollständige Mineralisierung zu gelten, müssen die Substanzen entweder gelöst oder in Form von sehr feinen Partikeln vorliegen, die Filter mit einem Porendurchmesser von weniger als 2 Mikrometern passieren. Stoffe, die in Lösung ständig in Suspension sind, aber einen solchen Filter nicht passieren können, nennt man Schwebstoffe(engl. total suspended solids, TSS). Die gesamten Schwebstoffe werden normalerweise gemessen, um die Wasserqualität zu bestimmen.

Es gibt zwei Methoden zur Messung des Feststoffgehalts: gravimetrische Analyse, die die genaueste Methode ist, und Leitfähigkeitsmessung. Die erste Methode ist die genaueste, erfordert jedoch viel Zeit und die Verfügbarkeit von Laborgeräten, da das Wasser verdampft werden muss, um einen trockenen Rückstand zu erhalten. Dies wird normalerweise bei 180°C in einer Laborumgebung durchgeführt. Nach vollständiger Verdampfung wird der Rückstand auf einer genauen Waage gewogen.

Die zweite Methode ist nicht so genau wie die gravimetrische Analyse. Es ist jedoch sehr bequem, weit verbreitet und die schnellste Methode, da es sich um eine einfache Messung von Leitfähigkeit und Temperatur handelt, die mit einem kostengünstigen Messgerät in wenigen Sekunden durchgeführt wird. Die Methode zur Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit kann verwendet werden, da die spezifische Leitfähigkeit von Wasser direkt von der Menge der darin gelösten ionisierten Substanzen abhängt. Diese Methode eignet sich besonders zur Überwachung der Trinkwasserqualität oder zur Bestimmung der Gesamtmenge an Ionen in einer Lösung.

Die gemessene Leitfähigkeit hängt von der Temperatur der Lösung ab. Das heißt, je höher die Temperatur, desto höher die Leitfähigkeit, da sich Ionen in Lösung mit steigender Temperatur schneller bewegen. Um temperaturunabhängige Messungen zu erhalten, wird das Konzept einer Standard-(Referenz-)Temperatur verwendet, auf die die Messergebnisse reduziert werden. Die Referenztemperatur ermöglicht den Vergleich von Ergebnissen, die bei unterschiedlichen Temperaturen erzielt wurden. Somit kann das Leitfähigkeitsmessgerät die tatsächliche Leitfähigkeit messen und dann eine Korrekturfunktion verwenden, die das Ergebnis automatisch auf eine Referenztemperatur von 20 oder 25 °C bringt. Wenn eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich ist, kann die Probe in einen Ofen gestellt und das Messgerät dann bei derselben Temperatur kalibriert werden, die für die Messung verwendet wird.

Die meisten modernen Leitfähigkeitsmessgeräte sind mit einem eingebauten Temperatursensor ausgestattet, der sowohl zur Temperaturkorrektur als auch zur Temperaturmessung verwendet wird. Die fortschrittlichsten Instrumente sind in der Lage, Messwerte in Bezug auf Leitfähigkeit, Widerstand, Salzgehalt, Gesamtsalzgehalt und Konzentration zu messen und anzuzeigen. Wir weisen jedoch noch einmal darauf hin, dass alle diese Geräte nur die Leitfähigkeit (Widerstand) und die Temperatur messen. Alle physikalischen Größen, die das Display anzeigt, werden vom Gerät unter Berücksichtigung der gemessenen Temperatur berechnet, die zur automatischen Temperaturkompensation verwendet wird und die Messwerte auf die Normtemperatur bringt.

Experiment: Messung des Gesamtsalzgehalts und der Leitfähigkeit

Schließlich werden wir einige Experimente zur Messung der Leitfähigkeit mit einem kostengünstigen Gesamtmineralisierungsmessgerät (auch Salinometer, Salinometer oder Konduktometer genannt) TDS-3 durchführen. Der Preis des „unbenannten“ TDS-3-Geräts bei eBay, einschließlich Versand, beträgt zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels weniger als 3,00 US-Dollar. Genau das gleiche Gerät, aber mit dem Namen des Herstellers schon 10 mal teurer. Dies ist jedoch für diejenigen gedacht, die gerne für die Marke bezahlen, obwohl die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, dass beide Geräte in derselben Fabrik erscheinen. Das TDS-3 führt eine Temperaturkompensation durch und ist dafür mit einem Temperatursensor ausgestattet, der sich neben den Elektroden befindet. Daher kann es auch als Thermometer verwendet werden. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass das Gerät eigentlich nicht die Mineralisierung selbst misst, sondern den Widerstand zwischen zwei Drahtelektroden und die Temperatur der Lösung. Alles andere berechnet es automatisch anhand von Kalibrierkoeffizienten.

Das Gesamtmineralisierungsmessgerät hilft Ihnen bei der Bestimmung des Feststoffgehalts, beispielsweise bei der Überwachung der Trinkwasserqualität oder der Bestimmung des Salzgehalts von Wasser in einem Aquarium oder Süßwasserteich. Es kann auch zur Überwachung der Wasserqualität in Wasserfiltrations- und -reinigungssystemen verwendet werden, um zu wissen, wann es Zeit ist, einen Filter oder eine Membran auszutauschen. Das Gerät ist werkseitig mit 342 ppm (parts per million oder mg/L) Natriumchloridlösung NaCl kalibriert. Der Messbereich des Gerätes beträgt 0–9990 ppm bzw. mg/l. PPM ist ein Teil pro Million, eine dimensionslose Maßeinheit relativer Werte, gleich 1 10⁻⁶ des Basiswerts. Zum Beispiel eine Massenkonzentration von 5 mg/kg = 5 mg in 1.000.000 mg = 5 ppm oder ppm. So wie ein Prozentsatz ein Hundertstel ist, ist ein Millionstel ein Millionstel. Prozente und Millionstel haben eine sehr ähnliche Bedeutung. Teile pro Million sind im Gegensatz zu Prozentangaben praktisch, um die Konzentration sehr schwacher Lösungen anzuzeigen.

Das Instrument misst die elektrische Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden (d. h. den Kehrwert des Widerstands) und wandelt das Ergebnis dann in die elektrische Leitfähigkeit um (EC wird häufig in der englischen Literatur verwendet), indem es die obige Leitfähigkeitsformel verwendet und dabei die Sensorkonstante K berücksichtigt. führt dann eine weitere Umrechnung durch, indem die resultierende Leitfähigkeit mit einem Umrechnungsfaktor von 500 multipliziert wird. Das Ergebnis ist ein Gesamtmineralisierungswert in Teilen pro Million (ppm). Mehr dazu weiter unten.

Dieses Gesamtmineralisierungsmessgerät kann nicht zur Prüfung der Wasserqualität mit hohem Salzgehalt verwendet werden. Beispiele für Stoffe mit hohem Salzgehalt sind bestimmte Lebensmittel (gewöhnliche Suppe mit einem normalen Salzgehalt von 10 g/l) und Meerwasser. Die maximale Natriumchloridkonzentration, die dieses Gerät messen kann, beträgt 9990 ppm oder etwa 10 g/l. Dies ist die übliche Salzkonzentration in Lebensmitteln. Der Salzgehalt von Meerwasser kann mit diesem Messgerät ebenfalls nicht gemessen werden, da er typischerweise 35 g/l oder 35.000 ppm beträgt, was viel höher ist, als das Messgerät messen kann. Wenn Sie versuchen, eine so hohe Konzentration zu messen, zeigt das Gerät eine Fehlermeldung Err an.

Das Salzmessgerät TDS-3 misst die Leitfähigkeit und verwendet die sogenannte „500-Skala“ (oder „NaCl-Skala“) zur Kalibrierung und Umrechnung in die Konzentration. Das heißt, um die Konzentration in Teilen pro Million zu erhalten, wird der Leitfähigkeitswert in mS/cm mit 500 multipliziert. Das heißt, zum Beispiel wird 1,0 mS/cm mit 500 multipliziert, um 500 ppm zu erhalten. Unterschiedliche Branchen verwenden unterschiedliche Skalen. Zum Beispiel werden in der Hydrokultur drei Skalen verwendet: 500, 640 und 700. Der Unterschied zwischen ihnen liegt nur in der Verwendung. Die 700-Skala basiert auf der Messung der Konzentration von Kaliumchlorid in einer Lösung, und die Umrechnung der Leitfähigkeit in die Konzentration erfolgt wie folgt:

1,0 mS/cm x 700 ergibt 700 ppm

Die 640-Skala verwendet einen Umrechnungsfaktor von 640, um mS in ppm umzurechnen:

1,0 mS/cm x 640 ergibt 640 ppm

In unserem Experiment messen wir zunächst die Gesamtmineralisierung von destilliertem Wasser. Das Salzmessgerät zeigt 0 ppm an. Das Multimeter zeigt einen Widerstand von 1,21 MΩ an.

Für das Experiment bereiten wir eine Lösung von Natriumchlorid NaCl mit einer Konzentration von 1000 ppm vor und messen die Konzentration mit TDS-3. Um 100 ml Lösung herzustellen, müssen wir 100 mg Natriumchlorid auflösen und 100 ml destilliertes Wasser hinzufügen. 100 mg Natriumchlorid abwiegen und in einen Messzylinder geben, etwas destilliertes Wasser zugeben und rühren, bis sich das Salz vollständig aufgelöst hat. Dann Wasser bis zur 100-ml-Markierung zugeben und erneut umrühren.

Widerstandsmessung zwischen zwei Elektroden aus dem gleichen Material und mit den gleichen Abmessungen wie die TDS-3-Elektroden; Multimeter zeigt 2,5 kOhm an

Für die experimentelle Bestimmung der Leitfähigkeit verwendeten wir zwei Elektroden aus dem gleichen Material und mit den gleichen Abmessungen wie die TDS-3-Elektroden. Der gemessene Widerstand betrug 2,5 kOhm.

Nachdem wir nun den Widerstand und die Konzentration von Natriumchlorid in Teilen pro Million kennen, können wir die Messzellenkonstante des TDS-3-Salzlösungsmessgeräts anhand der obigen Formel ungefähr berechnen:

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kΩ = 5 cm&supmin;¹

Dieser Wert von 5 cm⁻¹ liegt nahe am errechneten Wert der TDS-3-Messzellenkonstante bei folgenden Elektrodengrößen (siehe Abbildung).

• D = 0,5 cm - der Abstand zwischen den Elektroden;
• W = 0,14 cm – Elektrodenbreite
• L = 1,1 cm - Elektrodenlänge

Die TDS-3-Sensorkonstante ist K=D/A= 0,5/0,14 x 1,1 = 3,25 cm&supmin;¹. Dies unterscheidet sich nicht wesentlich von dem oben erhaltenen Wert. Denken Sie daran, dass die obige Formel nur eine ungefähre Schätzung der Sensorkonstante erlaubt.

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In diesem Artikel werden wir das Thema elektrische Leitfähigkeit aufdecken, uns daran erinnern, was ein elektrischer Strom ist, wie er mit dem Widerstand eines Leiters und dementsprechend mit seiner elektrischen Leitfähigkeit zusammenhängt. Wir notieren die Grundformeln zur Berechnung dieser Größen, greifen das Thema und seinen Zusammenhang mit der elektrischen Feldstärke auf. Wir werden auch auf die Beziehung zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur eingehen.

Erinnern wir uns zunächst daran, was ein elektrischer Strom ist. Wenn Sie eine Substanz in ein äußeres elektrisches Feld bringen, beginnt unter Einwirkung von Kräften aus diesem Feld die Bewegung elementarer Ladungsträger - Ionen oder Elektronen - in der Substanz. Dies wird der elektrische Strom sein. Die Stromstärke I wird in Ampere gemessen, wobei ein Ampere der Strom ist, bei dem pro Sekunde eine Ladung gleich einem Coulomb durch den Querschnitt des Leiters fließt.

Der Strom ist konstant, variabel, pulsierend. Gleichstrom ändert seine Größe und Richtung zu keinem Zeitpunkt, Wechselstrom ändert seine Größe und Richtung im Laufe der Zeit (Wechselstromgeneratoren und -transformatoren geben genau Wechselstrom), pulsierender Strom ändert seine Größe, aber nicht die Richtung (z. gleichgerichteter Wechselstrom pulsiert).

Substanzen haben die Eigenschaft, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes einen elektrischen Strom zu leiten, und diese Eigenschaft wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet, die für verschiedene Substanzen unterschiedlich ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Substanzen hängt von der Konzentration freier geladener Teilchen in ihnen ab, dh Ionen und Elektronen, die weder mit der Kristallstruktur noch mit den Molekülen oder den Atomen der jeweiligen Substanz verbunden sind. Abhängig von der Konzentration freier Ladungsträger in einem Stoff werden Stoffe unterteilt in: Leiter, Dielektrika und Halbleiter nach dem Grad der elektrischen Leitfähigkeit.

Sie haben die höchste elektrische Leitfähigkeit, und von Natur aus werden Leiter in der Natur durch zwei Gattungen repräsentiert: Metalle und Elektrolyte. In Metallen ist der Strom auf die Bewegung freier Elektronen zurückzuführen, dh ihre Leitfähigkeit ist elektronisch, und in Elektrolyten (in Lösungen von Säuren, Salzen, Laugen) auf die Bewegung von Ionen - Teilen von Molekülen, die a haben positive und negative Ladung, dh die Leitfähigkeit von Elektrolyten ist ionisch. Ionisierte Dämpfe und Gase zeichnen sich durch gemischte Leitfähigkeit aus, bei der der Strom auf die Bewegung von Elektronen und Ionen zurückzuführen ist.

Die elektronische Theorie erklärt perfekt die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen. Die Verbindung von Valenzelektronen mit ihren Kernen in Metallen ist schwach, da sich diese Elektronen im gesamten Volumen des Leiters frei von Atom zu Atom bewegen.

Es stellt sich heraus, dass freie Elektronen in Metallen den Raum zwischen Atomen wie ein Gas, ein Elektronengas, füllen und sich in chaotischer Bewegung befinden. Aber wenn ein Metallleiter in ein elektrisches Feld eingeführt wird, bewegen sich freie Elektronen in geordneter Weise, sie bewegen sich zum positiven Pol, wodurch ein Strom erzeugt wird. Daher wird die geordnete Bewegung freier Elektronen in einem metallischen Leiter als elektrischer Strom bezeichnet.

Es ist bekannt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Feldes im Weltraum ungefähr gleich 300.000.000 m/s ist, dh die Lichtgeschwindigkeit. Das ist die gleiche Geschwindigkeit, mit der Strom durch einen Leiter fließt.

Was bedeutet das? Dies bedeutet nicht, dass sich jedes Elektron im Metall mit einer so enormen Geschwindigkeit bewegt, die Elektronen im Leiter haben im Gegenteil eine Geschwindigkeit von mehreren Millimetern pro Sekunde bis zu mehreren Zentimetern pro Sekunde, je nachdem, aber die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektrischer Strom durch den Leiter ist gerade gleich der Lichtgeschwindigkeit.

Die Sache ist, dass sich jedes freie Elektron im allgemeinen Elektronenfluss dieses „Elektronengases“ befindet und während des Stromflusses das elektrische Feld auf diesen gesamten Fluss einwirkt, wodurch die Elektronen diesen kontinuierlich übertragen Feldaktion zueinander - von Nachbar zu Nachbar.

Aber Elektronen bewegen sich sehr langsam an ihren Plätzen, obwohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Energie durch den Leiter enorm ist. Wenn also in einem Kraftwerk ein Schalter eingeschaltet wird, erscheint der Strom sofort im gesamten Netz, während die Elektronen praktisch stillstehen.

Wenn sich jedoch freie Elektronen entlang eines Leiters bewegen, erleben sie auf ihrem Weg zahlreiche Kollisionen, sie kollidieren mit Atomen, Ionen, Molekülen und übertragen einen Teil ihrer Energie auf sie. Die Energie der sich bewegenden Elektronen, die einen solchen Widerstand überwinden, wird teilweise in Form von Wärme dissipiert und der Leiter erwärmt sich.

Diese Kollisionen dienen als Widerstand gegen die Bewegung von Elektronen, daher wird die Eigenschaft eines Leiters, die Bewegung geladener Teilchen zu verhindern, als elektrischer Widerstand bezeichnet. Bei einem geringen Widerstand des Leiters wird der Leiter durch den Strom schwach erwärmt, bei einem erheblichen - viel stärker und sogar zu weiß - wird dieser Effekt in Heizgeräten und Glühlampen verwendet.

Die Einheit der Widerstandsänderung ist Ohm. Widerstand R \u003d 1 Ohm ist der Widerstand eines solchen Leiters, wenn ein Gleichstrom von 1 Ampere durch ihn fließt, beträgt die Potentialdifferenz an den Enden des Leiters 1 Volt. Der Widerstandsstandard von 1 Ohm ist eine Quecksilbersäule mit einer Höhe von 1063 mm und einem Querschnitt von 1 mm² bei einer Temperatur von 0 ° C.

Da Leiter durch elektrischen Widerstand gekennzeichnet sind, kann man sagen, dass der Leiter bis zu einem gewissen Grad in der Lage ist, elektrischen Strom zu leiten. In diesem Zusammenhang wurde eine Größe namens Leitfähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit eingeführt. Die elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Leiters, elektrischen Strom zu leiten, also der Kehrwert des elektrischen Widerstands.

Die Maßeinheit für die elektrische Leitfähigkeit G (Leitfähigkeit) ist Siemens (Sm), und 1 Sm = 1/(1 Ohm). G = 1/R.

Da die Atome verschiedener Stoffe den elektrischen Stromfluss unterschiedlich stark stören, ist der elektrische Widerstand verschiedener Stoffe unterschiedlich. Aus diesem Grund wurde der Begriff eingeführt, dessen Wert „p“ die leitfähigen Eigenschaften eines Stoffes charakterisiert.

Der spezifische elektrische Widerstand wird in Ohm * m gemessen, dh der Widerstand eines Würfels einer Substanz mit einer Kante von 1 Meter. In gleicher Weise wird die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes durch die spezifische elektrische Leitfähigkeit?, gemessen in S / m, dh die Leitfähigkeit eines Stoffwürfels mit einer Kantenlänge von 1 Meter, gekennzeichnet.

Leitfähige Materialien in der Elektrotechnik werden heute hauptsächlich in Form von Bändern, Reifen, Drähten mit einer bestimmten Querschnittsfläche und einer bestimmten Länge verwendet, jedoch nicht in Form von Meterwürfeln. Und für bequemere Berechnungen des elektrischen Widerstands und der elektrischen Leitfähigkeit von Leitern bestimmter Größen wurden akzeptablere Maßeinheiten sowohl für den elektrischen Widerstand als auch für die elektrische Leitfähigkeit eingeführt. Ohm*mm2/m für den spezifischen Widerstand und Sm*m/mm2 für die elektrische Leitfähigkeit.

Jetzt können wir das sagen elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit charakterisieren die leitenden Eigenschaften eines Leiters mit einer Querschnittsfläche von 1 mm², einer Länge von 1 Meter bei einer Temperatur von 20 ° C, dies ist bequemer.

Metalle wie Gold, Kupfer, Silber, Chrom, Aluminium haben die beste elektrische Leitfähigkeit. Stahl und Eisen leiten den Strom schlechter. Reine Metalle haben immer eine bessere elektrische Leitfähigkeit als ihre Legierungen, daher ist reines Kupfer in der Elektrotechnik vorzuziehen. Benötigen Sie einen besonders hohen Widerstand, dann verwenden Sie Wolfram, Nichrom, Konstantan.

Wenn man den Wert des spezifischen elektrischen Widerstands oder der elektrischen Leitfähigkeit kennt, kann man leicht den Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit eines bestimmten Leiters aus einem bestimmten Material berechnen, indem man die Länge l und die Querschnittsfläche S dieses Leiters berücksichtigt.

Die elektrische Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand aller Materialien sind temperaturabhängig. Da mit zunehmender Temperatur auch die Frequenz und Amplitude der thermischen Schwingungen der Atome des Kristallgitters zunimmt, steigt der Widerstand gegen elektrischen Strom, gegen den Elektronenfluss, entsprechend an.

Mit abnehmender Temperatur werden dagegen die Schwingungen der Atome des Kristallgitters kleiner, der Widerstand nimmt ab (elektrische Leitfähigkeit nimmt zu). Bei manchen Stoffen ist die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes weniger ausgeprägt, bei anderen stärker. Beispielsweise ändern Legierungen wie Konstantan, Fechral und Manganin den spezifischen Widerstand in einem bestimmten Temperaturbereich geringfügig, sodass sie zur Herstellung von thermostabilen Widerständen verwendet werden.

Ermöglicht für ein bestimmtes Material die Berechnung des Widerstandsanstiegs bei einer bestimmten Temperatur und charakterisiert numerisch den relativen Widerstandsanstieg bei einer Temperaturerhöhung um 1 °C.

Wenn man den Temperaturkoeffizienten des Widerstands und das Temperaturinkrement kennt, kann man leicht den spezifischen Widerstand einer Substanz bei einer gegebenen Temperatur berechnen.

Wir hoffen, dass unser Artikel für Sie nützlich war, und jetzt können Sie den Widerstand und die Leitfähigkeit eines beliebigen Drahts bei jeder Temperatur einfach berechnen.