Konduktivitas elektronik logam pertama kali dibuktikan secara eksperimental oleh fisikawan Jerman E. Rikke pada tahun 1901. Melalui tiga silinder yang dipoles saling menempel erat - tembaga, aluminium dan lagi tembaga - arus listrik dilewatkan untuk waktu yang lama (selama setahun) . Muatan total yang lewat selama waktu ini sama dengan 3,5·10 6 C. Karena massa atom tembaga dan aluminium berbeda secara signifikan satu sama lain, massa silinder harus berubah secara nyata jika pembawa muatannya adalah ion.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa massa masing-masing silinder tetap tidak berubah. Hanya sedikit jejak penetrasi timbal balik logam yang ditemukan di permukaan yang bersentuhan, yang tidak melebihi hasil difusi biasa atom dalam padatan. Akibatnya, pembawa muatan bebas dalam logam bukanlah ion, tetapi partikel yang sama dalam tembaga dan aluminium. Hanya elektron yang bisa menjadi partikel seperti itu.
Bukti langsung dan meyakinkan tentang validitas asumsi ini diperoleh dalam eksperimen yang dilakukan pada tahun 1913 oleh L. I. Mandelstam dan N. D. Papaleksi dan pada tahun 1916 oleh T. Stuart dan R. Tolman.
Sebuah kawat dililitkan pada koil, ujung-ujungnya disolder ke dua cakram logam yang diisolasi satu sama lain (Gbr. 1). Sebuah galvanometer dipasang pada ujung piringan menggunakan kontak geser.
Kumparan dibawa ke rotasi cepat, dan kemudian tiba-tiba berhenti. Setelah kumparan berhenti tajam, partikel bermuatan bebas akan bergerak sepanjang konduktor dengan inersia untuk beberapa waktu, dan akibatnya, arus listrik akan muncul di kumparan. Arus akan ada untuk waktu yang singkat, karena karena hambatan konduktor, partikel bermuatan melambat dan gerakan partikel yang teratur berhenti.
Arah arus menunjukkan bahwa itu diciptakan oleh pergerakan partikel bermuatan negatif. Muatan yang ditransfer dalam hal ini sebanding dengan rasio muatan partikel yang menciptakan arus terhadap massanya, mis. . Oleh karena itu, dengan mengukur muatan yang melewati galvanometer sepanjang waktu keberadaan arus dalam rangkaian, adalah mungkin untuk menentukan rasionya. Ternyata sama dengan 1,8·10 11 C/kg. Nilai ini bertepatan dengan rasio muatan elektron terhadap massanya yang ditemukan sebelumnya dari percobaan lain.
Dengan demikian, arus listrik dalam logam diciptakan oleh pergerakan partikel elektron bermuatan negatif. Menurut teori elektronik klasik konduktivitas logam (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), konduktor logam dapat dianggap sebagai sistem fisik dari kombinasi dua subsistem:
- elektron bebas dengan konsentrasi ~ 10 28 m -3 dan
- ion bermuatan positif bergetar di sekitar posisi kesetimbangan.
Penampakan elektron bebas dalam kristal dapat dijelaskan sebagai berikut.
Ketika atom bergabung menjadi kristal logam, elektron terluar yang terikat paling lemah pada inti atom terlepas dari atom (Gbr. 2). Oleh karena itu, ion positif terletak di simpul kisi kristal logam, dan elektron yang tidak terhubung dengan inti atomnya bergerak di ruang di antara mereka. Elektron ini disebut Gratis atau elektron konduksi. Mereka melakukan gerakan kacau, mirip dengan gerakan molekul gas. Oleh karena itu, totalitas elektron bebas dalam logam disebut gas elektron.
Jika medan listrik eksternal diterapkan pada konduktor, maka gerakan terarah ditumpangkan pada gerakan acak acak elektron bebas di bawah aksi gaya medan listrik, yang menghasilkan arus listrik. Kecepatan pergerakan elektron itu sendiri dalam konduktor adalah beberapa fraksi milimeter per detik, namun, medan listrik yang timbul di konduktor merambat di sepanjang konduktor dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya dalam ruang hampa ( 3 10 8 m / s).
Karena arus listrik dalam logam dibentuk oleh elektron bebas, konduktivitas konduktor logam disebut konduktivitas elektronik.
Elektron di bawah pengaruh gaya konstan yang bekerja dari medan listrik memperoleh kecepatan gerakan teratur tertentu (disebut drift). Kecepatan ini tidak semakin meningkat seiring waktu, karena ketika bertabrakan dengan ion kisi kristal, elektron mentransfer energi kinetik yang diperoleh dalam medan listrik ke kisi kristal. Dalam pendekatan pertama, kita dapat mengasumsikan bahwa melalui jalur bebas rata-rata (ini adalah jarak yang ditempuh elektron antara dua tumbukan berturut-turut dengan ion), elektron bergerak dengan percepatan dan kecepatan driftnya meningkat secara linier dengan waktu.
Pada saat tumbukan, elektron mentransfer energi kinetik ke kisi kristal. Kemudian ia berakselerasi lagi, dan prosesnya berulang. Akibatnya, kecepatan rata-rata pergerakan elektron yang teratur sebanding dengan kuat medan listrik dalam konduktor dan, akibatnya, perbedaan potensial di ujung konduktor, karena , di mana l adalah panjang konduktor.
Diketahui bahwa kekuatan arus dalam konduktor sebanding dengan kecepatan gerakan partikel yang teratur
dan oleh karena itu, menurut yang sebelumnya, kekuatan arus sebanding dengan perbedaan potensial di ujung konduktor: I ~ U. Ini adalah penjelasan kualitatif dari hukum Ohm berdasarkan teori elektronik klasik dari konduktivitas logam.
Namun, ada kesulitan dengan teori ini. Ini mengikuti dari teori bahwa resistivitas harus sebanding dengan akar kuadrat dari suhu (), sedangkan menurut pengalaman, ~ T. Selain itu, kapasitas panas logam, menurut teori ini, harus jauh lebih besar daripada kapasitas panas kristal monoatomik. Pada kenyataannya, kapasitas panas logam sedikit berbeda dari kapasitas panas kristal non-logam. Kesulitan-kesulitan ini hanya diatasi dalam teori kuantum.
Pada tahun 1911, fisikawan Belanda G. Kamerling-Onnes, mempelajari perubahan hambatan listrik merkuri pada suhu rendah, menemukan bahwa pada suhu sekitar 4 K (yaitu pada -269 ° C), resistivitas tiba-tiba menurun (Gbr. 3) hampir turun ke nol. Fenomena berubahnya hambatan listrik menjadi nol G. Kamerling-Onnes disebut superkonduktivitas.
Belakangan ditemukan bahwa lebih dari 25 unsur kimia – logam pada suhu yang sangat rendah menjadi superkonduktor. Masing-masing dari mereka memiliki suhu transisi kritisnya sendiri ke keadaan dengan resistansi nol. Nilai terendah untuk tungsten adalah 0,012K, tertinggi untuk niobium adalah 9K.
Superkonduktivitas diamati tidak hanya pada logam murni, tetapi juga pada banyak senyawa dan paduan kimia. Dalam hal ini, unsur-unsur itu sendiri, yang merupakan bagian dari senyawa superkonduktor, mungkin bukan superkonduktor. Sebagai contoh, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb lainnya.
Zat dalam keadaan superkonduktor memiliki sifat yang tidak biasa:
- arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan lama tanpa sumber arus;
- di dalam suatu zat dalam keadaan superkonduktor, tidak mungkin menciptakan medan magnet:
- medan magnet menghancurkan keadaan superkonduktivitas. Superkonduktivitas adalah fenomena yang dijelaskan dari sudut pandang teori kuantum. Deskripsinya yang agak rumit berada di luar cakupan kursus fisika sekolah.
Sampai baru-baru ini, meluasnya penggunaan superkonduktivitas terhambat oleh kesulitan yang terkait dengan kebutuhan pendinginan hingga suhu sangat rendah, yang digunakan helium cair. Namun demikian, terlepas dari kerumitan peralatan, kelangkaan, dan biaya helium yang tinggi, sejak tahun 60-an abad XX, magnet superkonduktor telah dibuat tanpa kehilangan panas pada belitannya, yang secara praktis memungkinkan untuk memperoleh medan magnet yang kuat dalam jumlah yang relatif besar. volume. Magnet seperti itulah yang diperlukan untuk menciptakan fasilitas untuk fusi termonuklir terkontrol dengan kurungan plasma magnetik, untuk akselerator partikel bermuatan yang kuat. Superkonduktor digunakan di berbagai alat pengukur, terutama di alat untuk mengukur medan magnet yang sangat lemah dengan akurasi tertinggi.
Saat ini, 10 - 15% energi dihabiskan untuk mengatasi hambatan kabel di saluran listrik. Jalur superkonduktor, atau setidaknya input ke kota-kota besar, akan menghasilkan penghematan yang sangat besar. Bidang lain dari penerapan superkonduktivitas adalah transportasi.
Atas dasar film superkonduktor, sejumlah elemen logika dan memori berkecepatan tinggi untuk perangkat komputasi telah dibuat. Dalam penelitian luar angkasa, menjanjikan untuk menggunakan solenoida superkonduktor untuk perlindungan radiasi astronot, docking kapal, perlambatan dan orientasi mereka, dan untuk mesin roket plasma.
Saat ini, bahan keramik telah dibuat yang memiliki superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi - lebih dari 100K, yaitu, pada suhu di atas titik didih nitrogen. Kemampuan untuk mendinginkan superkonduktor dengan nitrogen cair, yang memiliki urutan besarnya panas penguapan yang lebih tinggi, sangat menyederhanakan dan mengurangi biaya semua peralatan kriogenik, dan menjanjikan efek ekonomi yang besar.
Zat (logam) dari mana konduktor dibuat mempengaruhi aliran arus listrik yang melaluinya dan dicirikan menggunakan konsep seperti hambatan listrik.Resistensi listrik tergantung pada ukuran konduktor, bahannya, suhu:
- - semakin panjang kawat, semakin sering elektron bebas yang bergerak (pembawa arus) akan bertabrakan dalam perjalanannya dengan atom dan molekul materi - resistansi konduktor meningkat;
- - semakin besar penampang konduktor, semakin banyak elektron bebas, jumlah tumbukan berkurang - hambatan listrik konduktor berkurang.
Kesimpulan: semakin panjang penghantar dan semakin kecil penampangnya, semakin besar hambatannya dan sebaliknya - semakin pendek dan tebal kawat, semakin rendah hambatannya ,dan konduktivitas (kemampuan melewatkan arus listrik) lebih baik.
Secara sederhana, ketergantungan resistansi konduktor pada suhu dapat direpresentasikan sebagai berikut: elektron yang bergerak di sepanjang konduktor bertabrakan dengan atom dan molekul konduktor itu sendiri dan mentransfer energinya kepada mereka. Akibatnya, konduktor memanas, gerakan termal dan acak atom dan molekul meningkat. Ini semakin memperlambat aliran utama elektron di sepanjang konduktor. Ini menjelaskan peningkatan resistansi konduktor terhadap aliran arus listrik selama pemanasan.
Saat memanaskan atau mendinginkan konduktor - logam, resistansinya meningkat atau menurun, dengan laju 0,4% untuk setiap 1 derajat. Sifat logam ini digunakan dalam pembuatan sensor suhu.
Semikonduktor dan elektrolit memiliki sifat yang berlawanan dari konduktor - dengan meningkatnya suhu pemanasan, resistansinya menurun.
Satuan pengukuran hambatan listrik adalah 1 ohm (untuk menghormati ilmuwan G. Ohm). Sebuah hambatan 1 ohm sama dengan bagian dari suatu rangkaian listrik yang melaluinya arus 1 ampere ketika tegangan 1 volt turun di atasnya,
Terkadang kebalikan dari hambatan listrik digunakan. Ini adalah konduktivitas listrik, dilambangkan dengan huruf g atau G - Siemens (untuk menghormati ilmuwan E. Siemens).
Konduktivitas listrik adalah kemampuan suatu zat untuk melewatkan arus listrik melalui dirinya sendiri. Semakin besar resistansi R konduktor, semakin rendah konduktivitasnya G dan sebaliknya. 1 ohm = 1 sim
Satuan turunan:
1Sim = 1000mSim,
1Sim = 1000000µSim.
Ketika perlu untuk menghitung resistansi total dari konduktor yang terhubung seri, akan lebih mudah untuk beroperasi dengan Ohm. jika resistansi total konduktor yang terhubung paralel dihitung, akan lebih mudah untuk menghitung dalam Sims, dan kemudian mengubahnya menjadi Ohm.
Logam memiliki konduktivitas tertinggi: perak, tembaga, aluminium, dll., Serta larutan garam, asam, dll.
Konduktivitas terendah (resistensi tertinggi) untuk isolator: mika, kaca, asbes, keramik, dll ...
Agar lebih mudah untuk melakukan perhitungan hambatan listrik konduktor yang terbuat dari berbagai logam, konsep resistansi spesifik konduktor diperkenalkan.
Hambatan suatu penghantar yang panjangnya 1 meter, penampangnya 1 mm. persegi pada suhu + 20 derajat, ini akan menjadi resistivitas konduktor p.
Resistansi spesifik konduktor dari beberapa logam diberikan dalam tabel.
Dari tabel dapat dilihat: dari logam, perak memiliki konduktivitas terbaik. Tapi itu sangat mahal dan digunakan sebagai konduktor dalam kasus luar biasa.
Tembaga dan aluminium adalah bahan yang paling umum dalam teknik listrik. Mereka digunakan untuk membuat kabel dan kabel, busbar, dll. Tungsten, constantan, manganin digunakan di berbagai perangkat pemanas, dalam pembuatan resistor kawat.
Menggunakan kabel dan kabel dalam instalasi listrik, perlu untuk memperhitungkan penampang melintangnya untuk mencegah pemanasannya dan, sebagai suatu peraturan, kerusakan pada insulasi, serta untuk mengurangi jatuh tegangan dan kehilangan daya selama transmisi energi listrik dari sumber ke konsumen.
Di bawah ini adalah tabel nilai arus yang diizinkan dalam konduktor, tergantung pada diameternya (bagian dalam mm2), serta resistansi 1 meter kawat yang terbuat dari bahan yang berbeda.
Contoh perhitungan beberapa rangkaian listrik dapat ditemukan di sini.
Kita asumsikan bahwa J diff, J conv, J term sama dengan nol dan J = J migr. Pergerakan ion dalam penghantar jenis kedua dan elektron dalam penghantar jenis pertama karena perbedaan potensial listrik menentukan kemampuannya untuk melewatkan arus listrik, yaitu, mereka konduktivitas listrik(konduktivitas listrik). Untuk mengukur kemampuan konduktor jenis pertama dan kedua untuk melewatkan arus listrik, digunakan dua ukuran konduktivitas listrik. Salah satu diantara mereka - konduktivitas listrik- adalah kebalikan dari resistivitas:
Resistivitas ditentukan dari rumus
di mana R- hambatan total konduktor, Ohm; l adalah jarak antara dua bidang paralel di mana resistansi ditentukan, m; S - luas penampang konduktor, m 2.
Karena itu
dan konduktivitas listrik didefinisikan sebagai kebalikan dari hambatan satu meter kubik konduktor dengan panjang rusuk kubus satu meter. Satuan konduktivitas listrik: Sm/m. Di sisi lain, menurut hukum Ohm
di mana E- beda potensial antara bidang paralel yang diberikan; saya - saat ini.
Mengganti ekspresi ini ke dalam persamaan yang menentukan konduktivitas listrik, kita mendapatkan:
Untuk S = 1 dan E/l = 1 kita memiliki = 1. Jadi, konduktivitas listrik secara numerik sama dengan arus yang melewati bagian konduktor dengan permukaan satu meter persegi, dengan gradien potensial sama dengan satu volt per meter.
Konduktivitas listrik spesifik mencirikan jumlah pembawa muatan per satuan volume. Akibatnya, konduktivitas listrik akan tergantung pada konsentrasi larutan, dan untuk masing-masing zat, pada kerapatannya.
Ukuran kedua dari konduktivitas listrik adalah setaraλ e (atau molar m) konduktivitas listrik, sama dengan produk konduktivitas listrik spesifik dengan jumlah meter kubik, yang mengandung satu ekivalen atau satu mol zat:
e = e; m = m
Karena dinyatakan dalam m 3 / equiv atau m 3 / mol, maka satuan adalah Cm 2 / equiv atau Cm 2 / mol.
Untuk solusi = 1/С, di mana Dengan- konsentrasi, dinyatakan dalam mol/m 3 . Kemudian
e = /zC dan m = /С
Jika Dengan dinyatakan dalam kmol / m 3, lalu e \u003d 1 / (zC 10 3); m \u003d 1 / (С 10 3) dan
e \u003d / (zC 10 3) dan m \u003d / (C 10 3)
Saat menentukan konduktivitas molar suatu zat individu (padat atau cair) m \u003d V M, tetapi V m \u003d M / d (di mana V m adalah volume molar; M adalah berat molekul; d- kepadatan), selanjutnya-
ke t e l n o
m = V m = M/d
Jadi, konduktivitas listrik ekivalen (atau molar) adalah konduktivitas konduktor yang terletak di antara dua bidang paralel yang terletak pada jarak satu meter dari satu sama lain dan area sedemikian rupa sehingga satu ekivalen (atau satu mol) suatu zat (dalam bentuk larutan atau garam individu).
Ukuran konduktivitas ini mencirikan konduktivitas dengan jumlah zat yang sama (mol atau setara), tetapi terkandung dalam volume yang berbeda dan, dengan demikian, mencerminkan pengaruh gaya interaksi antara ion sebagai fungsi jarak interionik.
KONDUKTIVITAS ELEKTRONIK
Logam yang dicirikan oleh energi transisi elektron yang rendah dari pita valensi ke pita konduksi yang sudah pada suhu normal memiliki jumlah elektron yang cukup dalam pita konduksi untuk memastikan konduktivitas listrik yang tinggi. Konduktivitas logam menurun dengan meningkatnya suhu. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dengan meningkatnya suhu dalam logam, efek peningkatan energi vibrasi ion kisi kristal, yang menahan gerakan elektron yang diarahkan, lebih besar daripada efek peningkatan jumlah muatan. pembawa di pita konduksi. Resistansi logam murni kimia meningkat dengan meningkatnya suhu, meningkat sekitar 4 10 -3 R 0 dengan peningkatan suhu per derajat (R 0 - resistansi pada 0 ° C). Untuk sebagian besar logam murni secara kimia, ketika dipanaskan, ada hubungan linier antara resistansi dan suhu.
R = R0 (1 + t)
dimana adalah koefisien temperatur resistansi.
Koefisien suhu paduan dapat bervariasi pada rentang yang luas, misalnya, untuk kuningan = 1,5∙10 -3, dan untuk konstantan = 4∙10 -6.
Konduktivitas spesifik logam dan paduan terletak dalam 10 6 - 7∙10 7 S/m. Konduktivitas listrik suatu logam tergantung pada jumlah dan muatan elektron yang terlibat dalam transfer arus dan waktu tempuh rata-rata antara tumbukan. Parameter yang sama untuk kuat medan listrik tertentu menentukan kecepatan elektron. Oleh karena itu, rapat arus dalam logam dapat dinyatakan dengan persamaan
di mana kecepatan rata-rata pergerakan muatan yang dipesan; P adalah jumlah elektron pada pita konduksi per satuan volume.
Semikonduktor dalam konduktivitasnya menempati posisi perantara antara logam dan isolator. Bahan semikonduktor murni seperti germanium dan silikon secara intrinsik bersifat konduktif.
Beras. 5.1. Skema penampilan pasangan elektron konduksi (1) - lubang (2).
Konduktivitas intrinsik disebabkan oleh fakta bahwa selama eksitasi termal elektron, elektron berpindah dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron-elektron ini, di bawah aksi beda potensial, bergerak ke arah tertentu dan memberikan konduktivitas elektronik semikonduktor. Ketika sebuah elektron masuk ke pita konduksi, tempat kosong tetap ada di pita valensi - "lubang", setara dengan keberadaan satu muatan positif. Sebuah lubang juga dapat bergerak di bawah aksi medan listrik sebagai akibat dari elektron pada pita valensi melompat ke tempatnya, tetapi dalam arah yang berlawanan dengan pergerakan elektron pada pita konduksi, memberikan konduktivitas lubang semikonduktor. Proses pembentukan lubang ditunjukkan pada gambar. 5.1.
Jadi, dalam semikonduktor dengan konduktivitasnya sendiri, ada dua jenis pembawa muatan - elektron dan lubang, yang menyediakan konduktivitas elektronik dan lubang semikonduktor.
Dalam semikonduktor intrinsik, jumlah elektron pada pita konduksi sama dengan jumlah lubang pada pita valensi. Pada suhu tertentu, ada keseimbangan dinamis antara elektron dan lubang dalam semikonduktor, yaitu, laju pembentukannya sama dengan laju rekombinasi. Rekombinasi elektron di pita konduksi dengan lubang di pita valensi mengarah ke "pembentukan" elektron di pita valensi.
Konduktivitas spesifik semikonduktor tergantung pada konsentrasi pembawa muatan, yaitu, pada jumlah mereka per satuan volume. Kami menyatakan konsentrasi elektron n i , dan konsentrasi lubang p i . Dalam semikonduktor dengan konduktivitas intrinsik, n i = p i (semikonduktor semacam itu secara singkat disebut semikonduktor tipe-i). Konsentrasi pembawa muatan, misalnya, dalam germanium murni, sama dengan n i \u003d p i 10 19 m -3, dalam silikon - sekitar 10 16 m -3 dan 10 -7 - 10 -10% sehubungan dengan jumlah atom N.
Di bawah aksi medan listrik dalam semikonduktor, gerakan elektron dan lubang yang diarahkan terjadi. Rapat arus konduksi adalah jumlah elektron saya e dan lubang aku p kepadatan saat ini: i = i e + i p , yang, meskipun konsentrasi pembawanya sama, besarnya tidak sama, karena kecepatan gerak (mobilitas) elektron dan hole berbeda. Rapat arus elektron adalah:
Kecepatan rata-rata elektron sebanding dengan intensitas E" Medan listrik:
Faktor proporsionalitas w e 0 mencirikan kecepatan elektron pada satuan kuat medan listrik dan disebut kecepatan gerak absolut. Pada suhu kamar di germanium murni w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).
Dari dua persamaan terakhir kita peroleh:
Mengulangi alasan serupa untuk konduktivitas lubang, kita dapat menulis:
Maka untuk rapat arus total:
Membandingkan ekspresi untuk i dengan hukum Ohm i = E", pada S = 1 m 2 kita peroleh:
Seperti yang ditunjukkan di atas, untuk semikonduktor dengan konduktivitas intrinsik n i \u003d p i, oleh karena itu
w p 0 selalu lebih rendah w e 0 , misalnya di jerman w p 0 \u003d 0, 18 m 2 / (V s), dan w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).
Dengan demikian, konduktivitas listrik semikonduktor tergantung pada konsentrasi pembawa dan kecepatan absolutnya dan secara aditif terdiri dari dua istilah:
i = e + p
Hukum Ohm untuk semikonduktor terpenuhi hanya jika konsentrasi pembawa n i tidak bergantung pada kuat medan. Pada kekuatan medan tinggi, yang disebut kritis (untuk germanium E cr ' = 9∙10 4 V / m, untuk silikon E cr ' = 2,5 10 4 V / m), hukum Ohm dilanggar, yang dikaitkan dengan perubahan dalam energi elektron dalam atom dan penurunan energi transfer ke pita konduksi, serta dengan kemungkinan ionisasi atom kisi. Kedua efek tersebut menyebabkan peningkatan konsentrasi pembawa muatan.
Konduktivitas listrik pada kekuatan medan tinggi dinyatakan oleh hukum empiris Poole:
ln = ln 0 + (E’ – E cr’)
di mana 0 - konduktivitas pada E ' = E cr ' .
Dengan peningkatan suhu dalam semikonduktor, generasi pembawa muatan yang intens terjadi, dan konsentrasinya meningkat lebih cepat daripada kecepatan absolut elektron yang berkurang karena gerakan termal. Oleh karena itu, tidak seperti
dari logam, konduktivitas listrik semikonduktor meningkat dengan meningkatnya suhu. Dalam pendekatan pertama, untuk rentang suhu yang kecil, ketergantungan konduktivitas spesifik semikonduktor pada suhu dapat dinyatakan dengan persamaan
di mana k- Konstanta Boltzmann; TETAPI- energi aktivasi (energi yang diperlukan untuk mentransfer elektron ke pita konduksi).
Hampir nol mutlak, semua semikonduktor adalah isolator yang baik. Dengan peningkatan suhu per derajat, konduktivitasnya meningkat rata-rata 3 - 7%.
Ketika pengotor dimasukkan ke dalam semikonduktor murni, konduktivitas listrik intrinsik ditambahkan ke konduktivitas listrik pengotor. Jika, misalnya, unsur-unsur golongan V dari sistem periodik (P, As, Sb) dimasukkan ke dalam germanium, maka yang terakhir membentuk kisi dengan germanium dengan partisipasi empat elektron, dan elektron kelima, karena ionisasi yang rendah energi atom pengotor (sekitar 1,6∙10 –21), berpindah dari atom pengotor ke pita konduksi. Dalam semikonduktor seperti itu, konduktivitas elektronik akan mendominasi (semikonduktor disebut semikonduktor elektronik tipe-n]. Jika atom pengotor memiliki afinitas elektron yang lebih besar dari germanium, misalnya unsur golongan III (In, Ga, B, Al), maka mereka mengambil elektron dari atom germanium dan terbentuk lubang pada pita valensi. Dalam semikonduktor seperti itu, konduktivitas lubang mendominasi (semikonduktor tipe-p]. Atom pengotor yang memberikan konduktivitas elektronik adalah: pendonor elektron, dan lubang- akseptor).
Semikonduktor pengotor memiliki konduktivitas listrik yang lebih tinggi daripada semikonduktor intrinsik jika konsentrasi atom pengotor donor N D atau akseptor N A melebihi konsentrasi pembawa muatan intrinsik. Untuk nilai N D dan N A yang besar, konsentrasi pembawa intrinsik dapat diabaikan. Pembawa muatan, konsentrasi yang berlaku dalam semikonduktor, disebut dasar. Misalnya, dalam germanium tipe-n, n n 10 22 m–3, sedangkan n i 10 19 m~ 3, yaitu, konsentrasi pembawa utama adalah 10 3 kali lebih tinggi dari konsentrasi pembawa intrinsik.
Untuk semikonduktor pengotor, hubungannya valid:
n n p n = n i p i = n i 2 = p i 2
n p p p = n i p i = n i 2 = p i 2
Persamaan pertama ditulis untuk semikonduktor tipe-n, dan persamaan kedua untuk semikonduktor tipe-p. Dari hubungan ini dapat disimpulkan bahwa sejumlah kecil pengotor (sekitar 10–4 0 /о) secara signifikan meningkatkan konsentrasi pembawa muatan, akibatnya konduktivitas listrik meningkat.
Jika kita mengabaikan konsentrasi pembawa intrinsik dan mempertimbangkan N D n n untuk semikonduktor tipe-n dan N A p p untuk semikonduktor tipe-p, maka konduktivitas listrik semikonduktor pengotor dapat dinyatakan dengan persamaan:
Ketika medan listrik diterapkan dalam semikonduktor tipe-n, transfer muatan dilakukan oleh elektron, dan dalam semikonduktor tipe-p - oleh lubang.
Di bawah pengaruh eksternal, misalnya, selama penyinaran, konsentrasi pembawa muatan berubah dan dapat berbeda di berbagai bagian semikonduktor. Dalam hal ini, seperti dalam larutan, proses difusi terjadi di semikonduktor. Keteraturan proses Difusi mematuhi persamaan Fick. Koefisien difusi pembawa muatan jauh lebih tinggi daripada ion dalam larutan. Misalnya, untuk germanium, koefisien difusi elektron adalah 98 10 -4 m 2 / s, lubang - 47 10 -4 m 2 / s. Semikonduktor tipikal, selain germanium dan silikon, pada suhu kamar adalah sejumlah oksida, sulfida, selenida, telurida, dll. (misalnya, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).
KONDUKTIVITAS ionik
Konduktivitas ionik dimiliki oleh gas, senyawa padat tertentu (kristal ionik dan gelas), garam individu cair, dan larutan senyawa dalam air, pelarut tidak berair, dan lelehan. Nilai konduktivitas spesifik konduktor dari jenis kedua dari kelas yang berbeda berfluktuasi pada rentang yang sangat luas:
| Zat | c∙10 3 , S/m | Zat | c∙10 3 , S/m |
| H2O | 0.0044 | larutan NaOH 10% 30% » | |
| C2H5OH | 0.0064 | KOH, larutan 29% | |
| C 3 H 7 OH | 0.0009 | larutan NaCl 10% 25% » | |
| CH3OH | 0.0223 | FeSO 4 , larutan 7% | |
| Asetonitril | 0.7 | NiSO 4 , larutan 19% | |
| N,N-Dimethylacetamide | 0.008-0.02 | CuSO 4 , larutan 15% | |
| CH3COOH | 0.0011 | ZnС1 2 , larutan 40% | |
| H2SO4 pekat larutan 10% 40%" | NaCl (mencair, 850 °C) | ||
| HC1 40% larutan 10% " | NaNO 3 (mencair 500 °C) | ||
| HNO 3 larutan pekat 12% | MgCl 2 (meleleh, 1013 °C) | ||
| 1С1 3 (mencair, 245 °С) | 0.11 | ||
| Ali 3 (meleleh, 270 °C) | 0.74 | ||
| AgCl (meleleh, 800 °C) | |||
| AgI (padat) |
Catatan, Nilai konduktivitas spesifik larutan diberikan pada 18 °C.
Namun, dalam semua kasus, nilai yang diberikan beberapa kali lipat lebih rendah daripada nilai logam (misalnya, konduktivitas spesifik perak, tembaga, dan timbal adalah 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 dan 0,056∙10 8 S/m, masing-masing).
Pada penghantar jenis kedua, semua jenis partikel yang bermuatan listrik dapat mengambil bagian dalam perpindahan listrik. Jika arus dibawa oleh kation dan anion, maka elektrolit memiliki: konduksi bipolar. Jika arus hanya membawa satu jenis ion - kation atau anion - maka ada konduktivitas kationik atau anionik unipolar.
Dalam kasus konduksi bipolar, ion yang bergerak lebih cepat membawa fraksi arus yang lebih besar daripada ion yang bergerak lebih lambat. Fraksi arus yang dibawa oleh jenis partikel tertentu disebut membawa nomor partikel jenis ini (t i) Dengan konduktivitas unipolar, jumlah transfer jenis ion yang membawa arus sama dengan satu, karena semua arus ditransfer oleh ion jenis ini. Tetapi dengan konduktivitas bipolar, jumlah transfer setiap jenis ion kurang dari satu, dan
selain itu, nomor transfer harus dipahami sebagai nilai absolut dari fraksi arus yang disebabkan oleh jenis ion tertentu, tanpa memperhitungkan fakta bahwa kation dan anion membawa arus listrik dalam arah yang berbeda.
Jumlah transfer salah satu jenis partikel (ion) dengan konduktivitas bipolar bukanlah nilai konstan yang hanya mencirikan sifat jenis ion tertentu, tetapi juga tergantung pada sifat partikel pasangan. Misalnya, jumlah transpor ion klorida dalam larutan asam klorida lebih sedikit daripada dalam larutan KCl dengan konsentrasi yang sama, karena ion hidrogen lebih mobile daripada ion kalium. Metode untuk menentukan bilangan transfer beragam, dan prinsip-prinsipnya diuraikan dalam lokakarya laboratorium yang relevan tentang elektrokimia teoretis.
Sebelum melanjutkan ke pertimbangan konduktivitas listrik dari kelas zat tertentu, mari kita membahas satu masalah umum. Setiap benda bergerak dalam medan gaya konstan yang bekerja padanya dengan percepatan. Sementara itu, ion di semua kelas elektrolit, kecuali gas, bergerak di bawah pengaruh medan listrik dengan kekuatan tertentu dengan kecepatan konstan. Untuk menjelaskan hal ini, mari kita bayangkan gaya yang bekerja pada ion. Jika massa ion m dan kecepatan geraknya w, maka gaya Newton mdw/dt akan sama dengan selisih antara kuat medan listrik (M), yang menggerakkan ion, dan gaya reaktif (L'), yang memperlambat pergerakannya, karena ion bergerak dalam medium kental. Semakin besar gaya reaktif, semakin besar kecepatan ion, yaitu L' = L w(di sini L- koefisien proporsionalitas). Dengan demikian
Setelah memisahkan variabel, kami memiliki:
Menunjukkan M - L w = v, kita dapatkan d w= – d v/Tanah
atau 
Konstanta integrasi ditentukan dari kondisi batas: at t = 0 w = 0, yaitu . Kami mulai menghitung waktu dari saat ion mulai bergerak (saat arus dihidupkan). Kemudian:
Mengganti nilainya untuk konstanta, kami akhirnya mendapatkan.
Konverter Panjang dan Jarak Konverter Massa Makanan dan Makanan Massal Konverter Volume Konverter Area Unit Volume dan Resep Konverter Suhu Konverter Tekanan, Tegangan, Modulus Young Konverter Energi dan Kerja Konverter Daya Konverter Gaya Konverter Waktu Konverter Kecepatan Linier Konverter Sudut Datar efisiensi termal dan efisiensi bahan bakar Konverter angka dalam sistem bilangan berbeda Konverter satuan pengukuran kuantitas informasi Kurs mata uang Dimensi pakaian dan sepatu wanita Dimensi pakaian dan sepatu pria Konverter kecepatan sudut dan frekuensi rotasi Konverter percepatan Konverter percepatan sudut Konverter densitas Konverter volume spesifik Konverter momen inersia Momen konverter gaya Konverter torsi Konverter nilai kalor spesifik (menurut massa) Konverter densitas energi dan nilai kalor spesifik bahan bakar (menurut volume) Konverter perbedaan suhu Konverter koefisien Koefisien Ekspansi Termal Konverter Perlawanan Termal Konverter Konduktivitas Termal Konverter Kapasitas Panas Spesifik Konverter Eksposur Energi dan Daya Radiant Konverter Densitas Fluks Panas Koefisien Perpindahan Panas Konverter Aliran Volume Konverter Aliran Massa Konverter Aliran Molar Konverter Densitas Fluks Massa Konverter Konsentrasi Molar Konverter Konsentrasi Massa dalam Solusi Konverter Dinamis ( Konverter Viskositas Kinematik Konverter Tegangan Permukaan Konverter Permeabilitas Uap Konverter Kerapatan Fluks Uap Air Konverter Tingkat Suara Konverter Sensitivitas Mikrofon Konverter Tingkat Tekanan Suara (SPL) Konverter Tingkat Tekanan Suara dengan Referensi yang Dapat Dipilih Konverter Kecerahan Konverter Intensitas Cahaya Konverter Pencahayaan Konverter Resolusi Grafis Komputer Konverter frekuensi dan panjang gelombang Daya dalam dioptri dan panjang fokus Jarak Daya dalam Dioptri dan Pembesaran Lensa (×) Konverter Muatan Listrik Konverter Densitas Muatan Linear Konverter Densitas Muatan Permukaan Konverter Densitas Muatan Volumetrik Konverter Densitas Arus Listrik Konverter Densitas Arus Linear Konverter Densitas Arus Permukaan Konverter Kekuatan Medan Listrik Konverter Potensi Elektrostatik dan Tegangan Konverter Tahanan Listrik Konverter Listrik Resistansi Konverter Konduktivitas Listrik Konverter Konduktivitas Listrik Konverter Induktansi Kapasitansi Konverter Pengukur Kawat AS Tingkat dalam dBm (dBm atau dBm), dBV (dBV), watt, dll. unit Konverter gaya gerak magnet Konverter kekuatan medan magnet Konverter fluks magnetik Konverter induksi magnetik Radiasi. Pengonversi Radiasi Penyerapan Tingkat Dosis Radioaktivitas. Radiasi Konverter Peluruhan Radioaktif. Konverter Dosis Paparan Radiasi. Konverter Dosis Terserap Konverter Awalan Desimal Transfer Data Tipografi dan Konverter Satuan Pemrosesan Gambar Konverter Satuan Volume Kayu Perhitungan Massa Molar Tabel Periodik Unsur Kimia oleh D. I. Mendeleev
1 unit konduktivitas listrik = 0,0001 siemens per meter [S/m]
Nilai awal
Nilai yang dikonversi
siemens per meter picosiemens per meter mo per meter mo per sentimeter abmo per meter abmo per sentimeter staticmo per meter statmo per sentimeter siemens per sentimeter milisiemens per meter milisiemens per sentimeter microsiemens per meter microsiemens per sentimeter konvensional satuan konduktivitas listrik konvensional koefisien konduktivitas listrik ppm , koefisien. perhitungan ulang 700 ppm, koefisien. perhitungan ulang 500 ppm, koefisien. konversi 640 TDS, ppm, koefisien konversi 640 TDS, ppm, koefisien konversi 550 TDS, ppm, koefisien konversi 500 TDS, ppm, koefisien perhitungan ulang 700
Kepadatan muatan massal
Lebih lanjut tentang Konduktivitas Listrik
Pendahuluan dan definisi
Konduktivitas listrik (atau konduktivitas listrik) adalah ukuran kemampuan suatu zat untuk menghantarkan arus listrik atau memindahkan muatan listrik di dalamnya. Ini adalah rasio rapat arus dengan kuat medan listrik. Jika kita mempertimbangkan sebuah kubus dari bahan konduktif dengan sisi 1 meter, maka konduktivitas spesifik akan sama dengan konduktivitas listrik yang diukur antara dua sisi yang berlawanan dari kubus ini.
Konduktivitas berhubungan dengan konduktivitas dengan rumus berikut:
G = (A/l)
di mana G- konduktivitas listrik, σ - konduktivitas listrik, TETAPI- Penampang konduktor, tegak lurus terhadap arah arus listrik dan aku- panjang konduktor Rumus ini dapat digunakan dengan konduktor apa pun dalam bentuk silinder atau prisma. Perhatikan bahwa rumus ini juga dapat digunakan untuk balok, karena merupakan kasus khusus dari prisma yang alasnya adalah persegi panjang. Ingat bahwa konduktivitas listrik adalah kebalikan dari resistivitas listrik.
Mungkin sulit bagi orang yang jauh dari fisika dan teknologi untuk memahami perbedaan antara konduktivitas konduktor dan konduktivitas spesifik suatu zat. Sementara itu, tentu saja, ini adalah besaran fisis yang berbeda. Konduktivitas adalah properti dari konduktor atau perangkat tertentu (seperti resistor atau rendaman galvanik), sedangkan konduktivitas adalah properti yang melekat pada bahan dari mana konduktor atau perangkat itu dibuat. Misalnya, konduktivitas tembaga selalu sama, tidak peduli bagaimana bentuk dan ukuran benda tembaga berubah. Pada saat yang sama, konduktivitas kawat tembaga tergantung pada panjang, diameter, massa, bentuk, dan beberapa faktor lainnya. Tentu saja, benda serupa yang terbuat dari bahan dengan konduktivitas yang lebih tinggi memiliki konduktivitas yang lebih tinggi (walaupun tidak selalu).
Dalam Satuan Sistem Internasional (SI), satuan konduktivitas listrik adalah siemens per meter (cm/m). Unit konduktivitas yang termasuk di dalamnya dinamai ilmuwan Jerman, penemu, pengusaha Werner von Siemens (1816–1892). Didirikan olehnya pada tahun 1847, Siemens AG (Siemens) adalah salah satu perusahaan terbesar yang memproduksi peralatan listrik, elektronik, energi, transportasi dan medis.
Kisaran konduktivitas listrik sangat luas, dari bahan dengan resistivitas tinggi seperti kaca (yang, omong-omong, menghantarkan listrik dengan baik ketika dipanaskan sampai merah-panas) atau polimetil metakrilat (kaca organik) hingga konduktor yang sangat baik seperti perak, tembaga atau emas. Konduktivitas listrik ditentukan oleh jumlah muatan (elektron dan ion), kecepatan pergerakannya, dan jumlah energi yang dapat dibawanya. Larutan berair dari berbagai zat, yang digunakan, misalnya, dalam rendaman elektroplating, memiliki nilai rata-rata konduktivitas spesifik. Contoh lain dari elektrolit dengan nilai rata-rata konduktivitas spesifik adalah lingkungan internal tubuh (darah, plasma, getah bening, dan cairan lainnya).
Konduktivitas logam, semikonduktor dan dielektrik dibahas secara rinci dalam artikel berikut dari situs Konverter besaran fisik :, dan Konduktivitas listrik. Pada artikel ini, kita akan membahas lebih detail konduktivitas elektrolit, serta metode dan peralatan sederhana untuk mengukurnya.
Konduktivitas listrik elektrolit dan pengukurannya
Konduktivitas spesifik larutan berair, di mana arus listrik muncul sebagai akibat dari pergerakan ion bermuatan, ditentukan oleh jumlah pembawa muatan (konsentrasi zat dalam larutan), kecepatan pergerakannya (mobilitas ion tergantung pada suhu) dan muatan yang dibawanya (ditentukan oleh valensi ion). Oleh karena itu, di sebagian besar larutan berair, peningkatan konsentrasi menyebabkan peningkatan jumlah ion dan, akibatnya, peningkatan konduktivitas. Namun, setelah mencapai maksimum tertentu, konduktivitas spesifik larutan dapat mulai menurun dengan peningkatan lebih lanjut dalam konsentrasi larutan. Oleh karena itu, larutan dengan dua konsentrasi berbeda dari garam yang sama dapat memiliki konduktivitas yang sama.
Suhu juga mempengaruhi konduktivitas, karena ion bergerak lebih cepat saat suhu naik, menghasilkan peningkatan konduktivitas. Air murni merupakan penghantar listrik yang buruk. Air suling biasa, yang mengandung karbon dioksida dari udara dalam keadaan setimbang dan mineralisasi total kurang dari 10 mg/l, memiliki konduktivitas listrik sekitar 20 mS/cm. Konduktivitas spesifik dari berbagai solusi ditunjukkan pada tabel di bawah ini.
Untuk menentukan konduktivitas spesifik suatu larutan, digunakan pengukur hambatan (ohmmeter) atau pengukur konduktivitas. Ini adalah perangkat yang hampir sama, hanya berbeda dalam skala. Keduanya mengukur penurunan tegangan di bagian sirkuit di mana arus listrik mengalir dari baterai perangkat. Nilai konduktivitas yang terukur secara manual atau otomatis diubah menjadi konduktivitas. Ini dilakukan dengan mempertimbangkan karakteristik fisik alat pengukur atau sensor. Sensor konduktivitas sederhana: mereka adalah sepasang (atau dua pasang) elektroda yang direndam dalam elektrolit. Sensor konduktivitas dicirikan oleh: konstanta sensor konduktivitas, yang dalam kasus paling sederhana didefinisikan sebagai rasio jarak antara elektroda D ke area (elektroda) yang tegak lurus terhadap aliran arus TETAPI
Rumus ini bekerja dengan baik jika luas elektroda jauh lebih besar daripada jarak di antara mereka, karena dalam hal ini sebagian besar arus listrik mengalir di antara elektroda. Contoh: untuk 1 sentimeter kubik cairan K=D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Perhatikan bahwa sensor konduktivitas dengan elektroda kecil yang dipisahkan oleh jarak yang relatif besar dicirikan oleh nilai konstanta sensor 1,0 cm⁻¹ dan lebih tinggi. Pada saat yang sama, sensor dengan elektroda yang relatif besar ditempatkan berdekatan satu sama lain memiliki konstanta 0,1 cm⁻¹ atau kurang. Konstanta sensor untuk mengukur konduktivitas listrik berbagai perangkat berkisar antara 0,01 hingga 100 cm⁻¹.
Konstanta sensor teoretis: kiri - K= 0,01 cm⁻¹ , di sebelah kanan - K= 1 cm⁻¹
Untuk mendapatkan konduktivitas dari konduktivitas yang diukur, rumus berikut digunakan:
= K G
σ - konduktivitas spesifik larutan dalam S/cm;
K- konstanta sensor dalam cm⁻¹;
G- konduktivitas sensor di siemens.
Konstanta sensor biasanya tidak dihitung dari dimensi geometrisnya, tetapi diukur dalam alat ukur tertentu atau dalam instalasi pengukuran tertentu menggunakan larutan yang konduktivitasnya diketahui. Nilai terukur ini dimasukkan ke dalam pengukur konduktivitas, yang secara otomatis menghitung konduktivitas dari nilai konduktivitas yang diukur atau resistansi larutan. Karena konduktivitas bergantung pada suhu larutan, perangkat untuk mengukur konduktivitas sering kali dilengkapi sensor suhu yang mengukur suhu dan memberikan kompensasi suhu otomatis untuk pengukuran, yaitu, membawa hasil ke suhu standar 25°C.
Cara termudah untuk mengukur konduktivitas adalah dengan menerapkan tegangan pada dua elektroda datar yang direndam dalam larutan dan mengukur arus yang mengalir. Metode ini disebut potensiometri. Menurut hukum Ohm, konduktivitas G adalah rasio lancar Saya untuk tegangan kamu:
Namun, tidak semuanya sesederhana yang dijelaskan di atas - ada banyak masalah saat mengukur konduktivitas. Jika arus searah digunakan, ion-ion terkumpul pada permukaan elektroda. Juga, reaksi kimia dapat terjadi pada permukaan elektroda. Hal ini menyebabkan peningkatan resistensi polarisasi pada permukaan elektroda, yang, pada gilirannya, menyebabkan hasil yang salah. Jika Anda mencoba mengukur resistansi dengan penguji konvensional, misalnya, larutan natrium klorida, Anda akan melihat dengan jelas bagaimana pembacaan pada tampilan perangkat digital berubah agak cepat ke arah peningkatan resistansi. Untuk menghilangkan efek polarisasi, sering digunakan desain sensor empat elektroda.
Polarisasi juga dapat dicegah atau, dalam kasus apa pun, dikurangi dengan menggunakan arus bolak-balik alih-alih arus searah dalam pengukuran, dan bahkan menyesuaikan frekuensi tergantung pada konduktivitas. Frekuensi rendah digunakan untuk mengukur konduktivitas rendah di mana efek polarisasi kecil. Frekuensi yang lebih tinggi digunakan untuk mengukur konduktivitas tinggi. Biasanya, frekuensi disesuaikan secara otomatis selama proses pengukuran, dengan mempertimbangkan nilai konduktivitas larutan yang diperoleh. Pengukur konduktivitas dua elektroda digital modern biasanya menggunakan arus AC dan kompensasi suhu yang kompleks. Mereka dikalibrasi di pabrik, tetapi kalibrasi ulang sering kali diperlukan selama operasi, karena konstanta sel pengukur (sensor) berubah seiring waktu. Misalnya, dapat berubah ketika sensor menjadi kotor atau ketika elektroda mengalami perubahan fisik dan kimia.
Dalam pengukur konduktivitas dua elektroda tradisional (yang akan kami gunakan dalam percobaan kami), tegangan bolak-balik diterapkan antara dua elektroda dan arus yang mengalir di antara elektroda diukur. Metode sederhana ini memiliki satu kelemahan - tidak hanya resistansi larutan yang diukur, tetapi juga resistansi yang disebabkan oleh polarisasi elektroda. Untuk meminimalkan pengaruh polarisasi, digunakan desain sensor empat elektroda, serta pelapisan elektroda dengan platina hitam.
Mineralisasi umum
Perangkat untuk mengukur konduktivitas listrik sering digunakan untuk menentukan: total mineralisasi atau kandungan padatan(Total padatan terlarut dalam bahasa Inggris, TDS). Ini adalah ukuran jumlah total zat organik dan anorganik yang terkandung dalam cairan dalam berbagai bentuk: terionisasi, molekuler (terlarut), koloid, dan dalam suspensi (tidak larut). Zat terlarut termasuk garam anorganik. Ini terutama klorida, bikarbonat dan sulfat kalsium, kalium, magnesium, natrium, serta beberapa zat organik yang dilarutkan dalam air. Untuk dianggap sebagai mineralisasi total, zat harus terlarut atau dalam bentuk partikel yang sangat halus yang melewati filter dengan diameter pori kurang dari 2 mikrometer. Zat yang selalu tersuspensi dalam larutan, tetapi tidak dapat melewati saringan seperti itu, disebut padatan tersuspensi(Total padatan tersuspensi dalam bahasa Inggris, TSS). Total padatan tersuspensi biasanya diukur untuk menentukan kualitas air.
Ada dua metode untuk mengukur kandungan padatan: analisis gravimetri, yang merupakan metode yang paling akurat, dan pengukuran konduktivitas. Metode pertama adalah yang paling akurat, tetapi membutuhkan banyak waktu dan ketersediaan peralatan laboratorium, karena air harus diuapkan untuk mendapatkan residu kering. Ini biasanya dilakukan pada 180 ° C dalam pengaturan laboratorium. Setelah penguapan lengkap, residu ditimbang dengan timbangan yang akurat.
Metode kedua tidak seakurat analisis gravimetri. Namun, ini sangat nyaman, banyak digunakan, dan metode tercepat, karena merupakan pengukuran konduktivitas dan suhu yang sederhana, dilakukan dalam beberapa detik dengan alat ukur yang murah. Metode pengukuran konduktivitas listrik spesifik dapat digunakan karena fakta bahwa konduktivitas spesifik air secara langsung tergantung pada jumlah zat terionisasi yang terlarut di dalamnya. Metode ini sangat berguna untuk memantau kualitas air minum atau menilai jumlah total ion dalam larutan.
Konduktivitas yang diukur tergantung pada suhu larutan. Artinya, semakin tinggi suhu, semakin tinggi konduktivitas, karena ion dalam larutan bergerak lebih cepat saat suhu naik. Untuk mendapatkan pengukuran yang tidak bergantung pada suhu, konsep suhu standar (referensi) digunakan, di mana hasil pengukuran dikurangi. Suhu referensi memungkinkan Anda untuk membandingkan hasil yang diperoleh pada suhu yang berbeda. Dengan demikian, pengukur konduktivitas dapat mengukur konduktivitas yang sebenarnya dan kemudian menggunakan fungsi koreksi yang secara otomatis akan membawa hasilnya ke suhu referensi 20 atau 25 °C. Jika akurasi yang sangat tinggi diperlukan, sampel dapat ditempatkan dalam oven, kemudian meter dapat dikalibrasi pada suhu yang sama yang akan digunakan dalam pengukuran.
Sebagian besar pengukur konduktivitas modern dilengkapi dengan sensor suhu internal yang digunakan untuk koreksi suhu dan pengukuran suhu. Instrumen paling canggih mampu mengukur dan menampilkan nilai terukur dalam hal konduktivitas, resistivitas, salinitas, salinitas total, dan konsentrasi. Namun, sekali lagi, kami mencatat bahwa semua perangkat ini hanya mengukur konduktivitas (resistensi) dan suhu. Semua kuantitas fisik yang ditampilkan layar dihitung oleh perangkat dengan mempertimbangkan suhu terukur, yang digunakan untuk kompensasi suhu otomatis dan membawa nilai terukur ke suhu standar.
Eksperimen: Pengukuran Salinitas dan Konduktivitas Total
Terakhir, kami akan melakukan beberapa eksperimen untuk mengukur konduktivitas menggunakan pengukur mineralisasi total TDS-3 yang murah (juga disebut salinometer, salinometer, atau konduktometer) TDS-3. Harga perangkat TDS-3 "tanpa nama" di eBay, termasuk pengiriman, kurang dari US$3,00 pada saat penulisan. Perangkat yang sama persis, tetapi dengan nama pabrikan sudah 10 kali lebih mahal. Tetapi ini untuk mereka yang suka membayar untuk merek tersebut, meskipun ada kemungkinan yang sangat tinggi bahwa kedua perangkat akan dirilis di pabrik yang sama. TDS-3 melakukan kompensasi suhu dan untuk ini dilengkapi dengan sensor suhu yang terletak di sebelah elektroda. Oleh karena itu, dapat juga digunakan sebagai termometer. Perlu dicatat lagi bahwa perangkat tidak benar-benar mengukur mineralisasi itu sendiri, tetapi resistansi antara dua elektroda kawat dan suhu larutan. Segala sesuatu yang lain secara otomatis menghitung menggunakan koefisien kalibrasi.
Total mineralization meter akan membantu Anda menentukan kandungan padatan, misalnya saat memantau kualitas air minum atau menentukan salinitas air di akuarium atau kolam air tawar. Ini juga dapat digunakan untuk memantau kualitas air dalam sistem penyaringan dan pemurnian air untuk mengetahui kapan saatnya mengganti filter atau membran. Instrumen ini dikalibrasi pabrik dengan larutan natrium klorida NaCl 342 ppm (bagian per juta atau mg/L). Rentang pengukuran perangkat adalah 0–999 ppm atau mg/l. PPM adalah bagian per juta, unit pengukuran nilai relatif tanpa dimensi, sama dengan 1 10⁻⁶ dari nilai dasar. Misalnya, konsentrasi massa 5 mg/kg = 5 mg dalam 1.000.000 mg = 5 ppm atau ppm. Sama seperti persentase adalah seperseratus, sepersejuta adalah sepersejuta. Persentase dan sepersejuta sangat mirip artinya. Bagian per juta, tidak seperti persentase, cocok untuk menunjukkan konsentrasi larutan yang sangat lemah.
Instrumen mengukur konduktivitas listrik antara dua elektroda (yaitu, kebalikan dari resistansi), kemudian mengubah hasilnya menjadi konduktivitas listrik (EC sering digunakan dalam literatur bahasa Inggris) menggunakan rumus konduktivitas di atas, dengan mempertimbangkan konstanta sensor K, kemudian melakukan konversi lain dengan mengalikan konduktivitas yang dihasilkan dengan faktor konversi 500. Hasilnya adalah nilai mineralisasi total dalam bagian per juta (ppm). Lebih lanjut tentang ini di bawah ini.
Total mineralization meter ini tidak dapat digunakan untuk menguji kualitas air dengan kandungan garam yang tinggi. Contoh zat dengan kadar garam tinggi adalah makanan tertentu (sup biasa dengan kadar garam normal 10 g/l) dan air laut. Konsentrasi maksimum natrium klorida yang dapat diukur perangkat ini adalah 9990 ppm atau sekitar 10 g/l. Ini adalah konsentrasi garam yang biasa dalam makanan. Salinitas air laut juga tidak dapat diukur dengan meteran ini, karena biasanya 35 g/l atau 35.000 ppm, yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat diukur oleh meteran. Jika Anda mencoba mengukur konsentrasi setinggi itu, instrumen akan menampilkan pesan kesalahan Err.
Pengukur garam TDS-3 mengukur konduktivitas dan menggunakan apa yang disebut "skala 500" (atau "skala NaCl") untuk kalibrasi dan konversi ke konsentrasi. Artinya, untuk mendapatkan konsentrasi dalam ppm, nilai konduktivitas dalam mS/cm dikalikan 500. Misalnya 1,0 mS/cm dikalikan 500 untuk mendapatkan 500 ppm. Industri yang berbeda menggunakan skala yang berbeda. Misalnya, tiga timbangan yang digunakan dalam hidroponik: 500, 640 dan 700. Perbedaannya hanya pada penggunaan. Skala 700 didasarkan pada pengukuran konsentrasi kalium klorida dalam larutan, dan konversi konduktivitas menjadi konsentrasi dilakukan sebagai berikut:
1,0 mS/cm x 700 menghasilkan 700 ppm
Skala 640 menggunakan faktor konversi 640 untuk mengubah mS menjadi ppm:
1,0 mS/cm x 640 menghasilkan 640 ppm
Dalam percobaan kami, pertama-tama kami akan mengukur total mineralisasi air suling. Pengukur garam menunjukkan 0 ppm. Multimeter menunjukkan resistansi 1,21 MΩ.
Untuk percobaan, kami akan menyiapkan larutan natrium klorida NaCl dengan konsentrasi 1000 ppm dan mengukur konsentrasinya menggunakan TDS-3. Untuk menyiapkan 100 ml larutan, kita perlu melarutkan 100 mg natrium klorida dan menambahkan air suling hingga 100 ml. Timbang 100 mg natrium klorida dan masukkan ke dalam gelas ukur, tambahkan sedikit air suling dan aduk sampai garam benar-benar larut. Kemudian tambahkan air hingga tanda 100 ml dan aduk kembali.
Pengukuran tahanan antara dua elektroda yang terbuat dari bahan yang sama dan dengan dimensi yang sama dengan elektroda TDS-3; multimeter menunjukkan 2,5 kOhm
Untuk penentuan eksperimental konduktivitas, kami menggunakan dua elektroda yang terbuat dari bahan yang sama dan dengan dimensi yang sama dengan elektroda TDS-3. Resistansi yang diukur adalah 2,5 kOhm.
Sekarang kita mengetahui resistansi dan konsentrasi natrium klorida dalam bagian per juta, kita dapat menghitung konstanta sel pengukur pengukur saline TDS-3 menggunakan rumus di atas:
K = /G= 2 mS/cm x 2,5 kΩ = 5 cm⁻¹
Nilai 5 cm⁻¹ ini mendekati nilai yang dihitung dari konstanta sel pengukur TDS-3 dengan ukuran elektroda berikut (lihat gambar).
- D = 0,5 cm - jarak antara elektroda;
- W = 0,14 cm - lebar elektroda
- L = 1,1 cm - panjang elektroda
Konstanta sensor TDS-3 adalah K=D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Hal ini tidak jauh berbeda dengan nilai yang diperoleh di atas. Ingat bahwa rumus di atas hanya memungkinkan perkiraan perkiraan konstanta sensor.
Apakah Anda merasa kesulitan menerjemahkan satuan ukuran dari satu bahasa ke bahasa lain? Rekan-rekan siap membantu Anda. Kirimkan pertanyaan ke TCTerms dan dalam beberapa menit Anda akan menerima jawaban.
Pada artikel ini, kami akan mengungkapkan topik konduktivitas listrik, mengingat apa itu arus listrik, bagaimana kaitannya dengan resistansi konduktor dan, karenanya, dengan konduktivitas listriknya. Kami mencatat rumus dasar untuk menghitung jumlah ini, menyentuh topik dan hubungannya dengan kekuatan medan listrik. Kami juga akan menyentuh hubungan antara hambatan listrik dan suhu.
Pertama, mari kita ingat apa itu arus listrik. Jika Anda menempatkan suatu zat dalam medan listrik eksternal, maka di bawah aksi gaya dari medan ini, pergerakan pembawa muatan dasar - ion atau elektron - akan dimulai dalam zat tersebut. Ini akan menjadi arus listrik. Kuat arus I diukur dalam ampere, dan satu ampere adalah arus di mana muatan yang sama dengan satu coulomb mengalir melalui penampang konduktor per detik.
Arusnya konstan, berubah-ubah, berdenyut. Arus searah tidak mengubah besar dan arahnya pada waktu tertentu, arus bolak-balik mengubah besar dan arahnya dari waktu ke waktu (generator arus bolak-balik dan transformator memberikan arus bolak-balik yang tepat), arus yang berdenyut mengubah besarnya, tetapi tidak mengubah arah (misalnya, arus bolak-balik yang diperbaiki berdenyut).
Zat memiliki sifat menghantarkan arus listrik di bawah pengaruh medan listrik, dan sifat ini disebut konduktivitas listrik, yang berbeda untuk zat yang berbeda. Konduktivitas listrik zat tergantung pada konsentrasi partikel bermuatan bebas di dalamnya, yaitu ion dan elektron yang tidak terkait dengan struktur kristal, atau molekul, atau atom dari zat yang diberikan. Jadi, tergantung pada konsentrasi pembawa muatan bebas dalam suatu zat, zat dibagi menjadi: konduktor, dielektrik dan semikonduktor sesuai dengan tingkat konduktivitas listrik.
Mereka memiliki konduktivitas listrik tertinggi, dan secara fisik, konduktor di alam diwakili oleh dua genera: logam dan elektrolit. Dalam logam, arus disebabkan oleh pergerakan elektron bebas, yaitu konduktivitasnya bersifat elektronik, dan dalam elektrolit (dalam larutan asam, garam, alkali) disebabkan oleh pergerakan ion - bagian molekul yang memiliki muatan positif dan negatif, yaitu, konduktivitas elektrolit adalah ionik. Uap dan gas terionisasi dicirikan oleh konduktivitas campuran, di mana arus disebabkan oleh pergerakan elektron dan ion.
Teori elektronik dengan sempurna menjelaskan konduktivitas listrik yang tinggi dari logam. Hubungan elektron valensi dengan intinya dalam logam lemah, karena elektron ini bergerak bebas dari atom ke atom sepanjang volume konduktor.
Ternyata elektron bebas dalam logam mengisi ruang antara atom seperti gas, gas elektron, dan bergerak kacau. Tetapi ketika sebuah konduktor logam dimasukkan ke dalam medan listrik, elektron bebas akan bergerak secara teratur, mereka akan bergerak menuju kutub positif, yang akan menciptakan arus. Dengan demikian, gerakan teratur elektron bebas dalam konduktor logam disebut arus listrik.
Diketahui bahwa kecepatan rambat medan listrik di ruang angkasa kira-kira sama dengan 300.000.000 m/s, yaitu kecepatan cahaya. Ini adalah kecepatan yang sama di mana arus mengalir melalui konduktor.
Apa artinya? Ini tidak berarti bahwa setiap elektron dalam logam bergerak dengan kecepatan yang sangat besar, elektron dalam konduktor, sebaliknya, memiliki kecepatan dari beberapa milimeter per detik hingga beberapa sentimeter per detik, tergantung pada , tetapi kecepatan rambat arus listrik yang melalui penghantar sama dengan kecepatan cahaya.
Masalahnya adalah bahwa setiap elektron bebas menemukan dirinya dalam aliran elektron umum dari "gas elektron" itu sendiri, dan selama aliran arus, medan listrik memiliki efek pada seluruh aliran ini, sebagai akibatnya, elektron terus-menerus mentransmisikan ini. aksi lapangan satu sama lain - dari tetangga ke tetangga.
Tetapi elektron bergerak di tempatnya dengan sangat lambat, meskipun faktanya kecepatan rambat energi listrik melalui konduktor sangat besar. Jadi, ketika sakelar dihidupkan di pembangkit listrik, arus langsung muncul di seluruh jaringan, sementara elektron praktis berhenti.
Namun, ketika elektron bebas bergerak di sepanjang konduktor, mereka mengalami banyak tabrakan di jalan mereka, mereka bertabrakan dengan atom, ion, molekul, mentransfer sebagian energi mereka kepada mereka. Energi elektron yang bergerak mengatasi hambatan tersebut sebagian hilang dalam bentuk panas, dan konduktor memanas.
Tumbukan ini berfungsi sebagai hambatan terhadap pergerakan elektron, oleh karena itu sifat konduktor untuk mencegah pergerakan partikel bermuatan disebut hambatan listrik. Dengan resistansi konduktor yang rendah, konduktor dipanaskan oleh arus dengan lemah, dengan yang signifikan, jauh lebih kuat, dan bahkan hingga putih, efek ini digunakan pada perangkat pemanas dan lampu pijar.
Satuan perubahan resistansi adalah Ohm. Resistansi R \u003d 1 Ohm adalah resistansi konduktor seperti itu, ketika arus searah 1 ampere melewatinya, perbedaan potensial di ujung konduktor adalah 1 volt. Standar resistansi 1 ohm adalah kolom merkuri setinggi 1063 mm, dengan penampang 1 mm persegi pada suhu 0 ° C.
Karena konduktor dicirikan oleh hambatan listrik, dapat dikatakan bahwa, sampai batas tertentu, konduktor mampu menghantarkan arus listrik. Dalam hal ini, kuantitas yang disebut konduktivitas atau konduktivitas listrik telah diperkenalkan. Konduktivitas listrik adalah kemampuan konduktor untuk menghantarkan arus listrik, yaitu kebalikan dari hambatan listrik.
Satuan ukuran untuk konduktivitas listrik G (konduktivitas) adalah Siemens (Sm), dan 1 Sm = 1/(1 ohm). G = 1/R.
Karena atom-atom dari zat yang berbeda mengganggu aliran arus listrik ke berbagai tingkat, hambatan listrik dari zat yang berbeda berbeda. Untuk alasan ini, konsep tersebut diperkenalkan, yang nilainya "p" mencirikan sifat konduktif suatu zat.
Resistivitas listrik diukur dalam ohm * m, yaitu resistansi kubus suatu zat dengan tepi 1 meter. Dengan cara yang sama, konduktivitas listrik suatu zat dicirikan oleh konduktivitas listrik spesifik?, diukur dalam S / m, yaitu konduktivitas kubus suatu zat dengan tepi 1 meter.
Saat ini, bahan konduktif dalam teknik elektro digunakan terutama dalam bentuk pita, ban, kabel, dengan luas penampang tertentu dan panjang tertentu, tetapi tidak dalam bentuk kubus meter. Dan untuk perhitungan yang lebih nyaman dari hambatan listrik dan konduktivitas listrik dari konduktor dengan ukuran tertentu, unit pengukuran yang lebih dapat diterima diperkenalkan untuk resistivitas listrik dan konduktivitas listrik. Ohm*mm2/m untuk resistivitas, dan Sm*m/mm2 untuk konduktivitas listrik.
Sekarang kita dapat mengatakan bahwa resistivitas listrik dan konduktivitas listrik mencirikan sifat konduktif konduktor dengan luas penampang 1 mm persegi, panjang 1 meter pada suhu 20 ° C, ini lebih nyaman.
Logam seperti emas, tembaga, perak, kromium, aluminium memiliki konduktivitas listrik terbaik. Baja dan besi menghantarkan arus lebih buruk. Logam murni selalu memiliki konduktivitas listrik yang lebih baik daripada paduannya, sehingga tembaga murni lebih disukai dalam teknik listrik. Jika Anda membutuhkan resistensi khusus yang tinggi, maka gunakan tungsten, nichrome, constantan.
Mengetahui nilai resistivitas listrik atau konduktivitas listrik, seseorang dapat dengan mudah menghitung resistansi atau konduktivitas listrik dari konduktor tertentu yang terbuat dari bahan tertentu, dengan mempertimbangkan panjang l dan luas penampang S dari konduktor ini.
Konduktivitas listrik dan hambatan listrik dari semua bahan tergantung pada suhu., karena frekuensi dan amplitudo getaran termal atom-atom kisi kristal juga meningkat dengan meningkatnya suhu, resistensi terhadap arus listrik, terhadap aliran elektron, meningkat.
Dengan penurunan suhu, sebaliknya, getaran atom kisi kristal menjadi lebih kecil, resistansi berkurang (konduktivitas listrik meningkat). Dalam beberapa zat, ketergantungan resistensi pada suhu kurang menonjol, pada yang lain lebih kuat. Sebagai contoh, paduan seperti konstantan, fechral dan manganin sedikit mengubah resistivitas dalam kisaran suhu tertentu, sehingga digunakan untuk membuat resistor termostabil.
Memungkinkan Anda menghitung untuk bahan tertentu peningkatan resistansinya pada suhu tertentu, dan secara numerik mencirikan peningkatan relatif resistansi dengan peningkatan suhu sebesar 1 °C.
Mengetahui koefisien suhu resistansi dan kenaikan suhu, seseorang dapat dengan mudah menghitung resistivitas suatu zat pada suhu tertentu.
Kami harap artikel kami bermanfaat bagi Anda, dan sekarang Anda dapat dengan mudah menghitung resistansi dan konduktivitas kabel apa pun pada suhu berapa pun.
