A condutividade eletrônica dos metais foi provada experimentalmente pela primeira vez pelo físico alemão E. Rikke em 1901. Através de três cilindros polidos fortemente pressionados um contra o outro - cobre, alumínio e novamente cobre - uma corrente elétrica foi passada por um longo tempo (durante um ano) . A carga total que passou durante este tempo foi igual a 3,5·10 6 C. Como as massas dos átomos de cobre e alumínio diferem significativamente umas das outras, as massas dos cilindros teriam que mudar visivelmente se os portadores de carga fossem íons.

Os resultados dos experimentos mostraram que a massa de cada um dos cilindros permaneceu inalterada. Apenas vestígios insignificantes de penetração mútua de metais foram encontrados nas superfícies de contato, que não excederam os resultados da difusão usual de átomos em sólidos. Consequentemente, os portadores de carga livre em metais não são íons, mas partículas que são as mesmas tanto no cobre quanto no alumínio. Apenas elétrons poderiam ser tais partículas.

A prova direta e convincente da validade dessa suposição foi obtida nos experimentos estabelecidos em 1913 por L. I. Mandelstam e N. D. Papaleksi e em 1916 por T. Stuart e R. Tolman.

Um fio é enrolado na bobina, cujas extremidades são soldadas a dois discos metálicos isolados um do outro (Fig. 1). Um galvanômetro é fixado nas extremidades dos discos usando contatos deslizantes.

A bobina é colocada em rotação rápida e, em seguida, parada abruptamente. Após uma parada brusca da bobina, partículas carregadas livres se moverão ao longo do condutor por inércia por algum tempo e, consequentemente, uma corrente elétrica aparecerá na bobina. A corrente existirá por um curto período de tempo, porque devido à resistência do condutor, as partículas carregadas são desaceleradas e o movimento ordenado das partículas para.

A direção da corrente indica que ela é criada pelo movimento de partículas carregadas negativamente. A carga transferida neste caso é proporcional à razão entre a carga das partículas que criam a corrente e sua massa, ou seja, . Portanto, medindo a carga que passa pelo galvanômetro durante todo o tempo de existência da corrente no circuito, foi possível determinar a razão. Acabou sendo igual a 1,8·10 11 C/kg. Este valor coincide com a razão entre a carga do elétron e sua massa encontrada anteriormente em outros experimentos.

Assim, uma corrente elétrica em metais é criada pelo movimento de partículas de elétrons carregadas negativamente. De acordo com a teoria eletrônica clássica da condutividade dos metais (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), um condutor metálico pode ser considerado como um sistema físico de uma combinação de dois subsistemas:

1. elétrons livres com uma concentração de ~ 10 28 m -3 e
2. íons carregados positivamente vibrando em torno da posição de equilíbrio.

O aparecimento de elétrons livres em um cristal pode ser explicado da seguinte forma.

Quando os átomos se combinam em um cristal metálico, os elétrons externos mais fracamente ligados ao núcleo atômico são separados dos átomos (Fig. 2). Portanto, os íons positivos estão localizados nos nós da rede cristalina do metal e os elétrons que não estão conectados aos núcleos de seus átomos se movem no espaço entre eles. Esses elétrons são chamados gratuitamente ou elétrons de condução. Eles realizam um movimento caótico, semelhante ao movimento das moléculas de gás. Portanto, a totalidade de elétrons livres nos metais é chamada de gás de elétron.

Se um campo elétrico externo é aplicado ao condutor, então um movimento direcionado é sobreposto ao movimento caótico aleatório de elétrons livres sob a ação das forças do campo elétrico, o que gera uma corrente elétrica. A velocidade de movimento dos próprios elétrons no condutor é de algumas frações de milímetro por segundo, no entanto, o campo elétrico que surge no condutor se propaga ao longo de todo o comprimento do condutor a uma velocidade próxima à velocidade da luz no vácuo ( 3 10 8 m/s).

Como a corrente elétrica nos metais é formada por elétrons livres, a condutividade dos condutores metálicos é chamada de condutividade eletrônica.

Os elétrons sob a influência de uma força constante agindo do campo elétrico adquirem uma certa velocidade de movimento ordenado (é chamado de deriva). Essa velocidade não aumenta mais com o tempo, pois ao colidir com íons da rede cristalina, os elétrons transferem a energia cinética adquirida no campo elétrico para a rede cristalina. Na primeira aproximação, podemos supor que ao longo do caminho livre médio (essa é a distância que um elétron percorre entre duas colisões sucessivas com íons), o elétron se move com aceleração e sua velocidade de deriva aumenta linearmente com o tempo

No momento da colisão, o elétron transfere energia cinética para a rede cristalina. Em seguida, ele acelera novamente e o processo se repete. Como resultado, a velocidade média do movimento ordenado dos elétrons é proporcional à intensidade do campo elétrico no condutor e, consequentemente, à diferença de potencial nas extremidades do condutor, pois , onde l é o comprimento do condutor.

Sabe-se que a intensidade da corrente no condutor é proporcional à velocidade do movimento ordenado das partículas

e, portanto, de acordo com o anterior, a intensidade da corrente é proporcional à diferença de potencial nas extremidades do condutor: I ~ U. Esta é a explicação qualitativa da lei de Ohm baseada na teoria eletrônica clássica da condutividade dos metais.

No entanto, existem dificuldades com esta teoria. Decorreu da teoria que a resistividade deveria ser proporcional à raiz quadrada da temperatura (), entretanto, de acordo com a experiência, ~ T. Além disso, a capacidade calorífica dos metais, de acordo com essa teoria, deve ser muito maior que a capacidade calorífica dos cristais monoatômicos. Na realidade, a capacidade calorífica dos metais difere pouco da capacidade calorífica dos cristais não metálicos. Essas dificuldades foram superadas apenas na teoria quântica.

Em 1911, o físico holandês G. Kamerling-Onnes, estudando a mudança na resistência elétrica do mercúrio em baixas temperaturas, descobriu que a uma temperatura de cerca de 4 K (ou seja, a -269 ° C), a resistividade diminui abruptamente (Fig. 3) quase a zero. Esse fenômeno de transformar a resistência elétrica em zero G. Kamerling-Onnes chamou de supercondutividade.

Mais tarde, descobriu-se que mais de 25 elementos químicos - metais em temperaturas muito baixas se tornam supercondutores. Cada um deles tem sua própria temperatura crítica de transição para um estado com resistência zero. Seu valor mais baixo para o tungstênio é 0,012K, o mais alto para o nióbio é 9K.

A supercondutividade é observada não apenas em metais puros, mas também em muitos compostos químicos e ligas. Nesse caso, os próprios elementos, que fazem parte do composto supercondutor, podem não ser supercondutores. Por exemplo, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb outro.

Substâncias no estado supercondutor têm propriedades incomuns:

1. a corrente elétrica em um supercondutor pode existir por muito tempo sem uma fonte de corrente;
2. dentro de uma substância em estado supercondutor, é impossível criar um campo magnético:
3. o campo magnético destrói o estado de supercondutividade. A supercondutividade é um fenômeno explicado do ponto de vista da teoria quântica. Sua descrição bastante complicada está além do escopo de um curso de física escolar.

Até recentemente, o uso generalizado da supercondutividade era dificultado pelas dificuldades associadas à necessidade de resfriamento a temperaturas ultrabaixas, para as quais o hélio líquido era usado. No entanto, apesar da complexidade do equipamento, da escassez e do alto custo do hélio, desde os anos 60 do século XX, ímãs supercondutores foram criados sem perdas térmicas em seus enrolamentos, o que tornou praticamente possível a obtenção de campos magnéticos fortes em volumes. São precisamente esses ímãs que são necessários para criar instalações para fusão termonuclear controlada com confinamento de plasma magnético, para poderosos aceleradores de partículas carregadas. Os supercondutores são usados ​​em vários dispositivos de medição, principalmente em dispositivos para medir campos magnéticos muito fracos com a mais alta precisão.

Atualmente, 10 a 15% da energia é gasta para superar a resistência dos fios nas linhas de energia. Linhas supercondutoras, ou pelo menos insumos para grandes cidades, trarão enormes economias. Outro campo de aplicação da supercondutividade é o transporte.

Com base em filmes supercondutores, foram criados vários elementos lógicos e de memória de alta velocidade para dispositivos de computação. Na pesquisa espacial, é promissor o uso de solenóides supercondutores para proteção contra radiação de cosmonautas, atracação de navios, sua desaceleração e orientação e para motores de foguete de plasma.

Atualmente, foram criados materiais cerâmicos que apresentam supercondutividade a uma temperatura mais alta - acima de 100K, ou seja, a uma temperatura acima do ponto de ebulição do nitrogênio. A capacidade de resfriar supercondutores com nitrogênio líquido, que tem uma ordem de grandeza de calor de vaporização maior, simplifica e reduz muito o custo de todos os equipamentos criogênicos e promete um enorme efeito econômico.

A substância (metal) da qual o condutor é feito afeta a passagem da corrente elétrica através dele e é caracterizada usando um conceito como resistência elétrica. A resistência elétrica depende do tamanho do condutor, seu material, temperatura:

• - quanto mais longo o fio, mais elétrons livres em movimento (portadores de corrente) colidirão em seu caminho com átomos e moléculas de matéria - a resistência do condutor aumenta;
• - quanto maior a seção transversal do condutor, mais elétrons livres ele se torna, o número de colisões diminui - a resistência elétrica do condutor diminui.

Conclusão: quanto mais longo o condutor e menor sua seção transversal, maior sua resistência e vice versa - quanto mais curto e grosso o fio, menor sua resistência ,e a condutividade (a capacidade de passar corrente elétrica) é melhor.

De forma simplista, a dependência da resistência do condutor em relação à temperatura pode ser representada da seguinte forma: os elétrons que se movem ao longo do condutor colidem com os átomos e moléculas do próprio condutor e transferem sua energia para eles. Como resultado, o condutor aquece, o movimento térmico e aleatório de átomos e moléculas aumenta. Isso diminui ainda mais o fluxo principal de elétrons ao longo do condutor. Isso explica o aumento da resistência do condutor à passagem de corrente elétrica durante o aquecimento.

Ao aquecer ou resfriar condutores - metais, sua resistência aumenta ou diminui de acordo, à taxa de 0,4% para cada 1 grau. Esta propriedade dos metais é utilizada na fabricação de sensores de temperatura.

Semicondutores e eletrólitos têm a propriedade oposta dos condutores - com o aumento da temperatura de aquecimento, sua resistência diminui.

A unidade de medida da resistência elétrica é 1 ohm (em homenagem ao cientista G. Ohm). Uma resistência de 1 ohm é igual a uma seção de um circuito elétrico através da qual uma corrente de 1 ampere passa quando uma tensão de 1 volt cai sobre ela,

Às vezes, o recíproco da resistência elétrica é usado. Esta é a condutividade elétrica, denotada pela letra g ou G - Siemens (em homenagem ao cientista E. Siemens).

A condutividade elétrica é a capacidade de uma substância de passar uma corrente elétrica através de si mesma. Quanto maior a resistência R do condutor, menor a sua condutividade G e vice-versa. 1 ohm = 1 sim

Unidades derivadas:

1Sim = 1000mSim,
1Sim = 1000000µSim.

Quando for necessário calcular a resistência total de condutores conectados em série, é mais conveniente operar com Ohms. se a resistência total dos condutores conectados em paralelo for calculada, é mais conveniente contar em Sims e depois converter em Ohms.

Os metais têm a maior condutividade: prata, cobre, alumínio, etc., assim como soluções de sais, ácidos, etc.
A menor condutividade (maior resistência) para isoladores: mica, vidro, amianto, cerâmica, etc...

Para tornar mais conveniente a realização de cálculos da resistência elétrica de condutores feitos de vários metais, foi introduzido o conceito de resistência específica de um condutor.
A resistência de um condutor de 1 metro de comprimento, 1 mm de seção transversal. quadrado a uma temperatura de + 20 graus, esta será a resistividade do condutor p.

As resistências específicas dos condutores de alguns metais são dadas na tabela.

Da tabela pode-se ver: dos metais, a prata tem a melhor condutividade. Mas é muito caro e é usado como condutores em casos excepcionais.

O cobre e o alumínio são os materiais mais comuns na engenharia elétrica. Deles são feitos fios e cabos, barramentos, etc. Tungstênio, constantan, manganina são usados ​​em vários dispositivos de aquecimento, na fabricação de resistores de fio.

Usando fios e cabos em instalações elétricas, é necessário levar em consideração sua seção transversal para evitar seu aquecimento e, via de regra, danos ao isolamento, bem como reduzir a queda de tensão e a perda de energia durante a transmissão de energia elétrica desde a fonte até o consumidor.

Abaixo está uma tabela de valores de corrente permitidos no condutor, dependendo de seu diâmetro (seção em mm2), bem como a resistência de 1 metro de fio feito de diferentes materiais.


Exemplos de cálculo de alguns circuitos elétricos podem ser encontrados aqui.

Assumimos que J diff, J conv, J term são iguais a zero e J = J migr. O movimento dos íons nos condutores do segundo tipo e dos elétrons nos condutores do primeiro tipo devido à diferença de potenciais elétricos determina sua capacidade de passar corrente elétrica, ou seja, sua condutividade elétrica(condutividade elétrica). Para quantificar a capacidade dos condutores do primeiro e do segundo tipo de passar corrente elétrica, duas medidas de condutividade elétrica são usadas. Um deles - condutividade elétricaκ- é o recíproco da resistividade:

A resistividade é determinada pela fórmula

Onde R- resistência total do condutor, Ohm; l é a distância entre dois planos paralelos entre os quais a resistência é determinada, m; S - área da seção transversal do condutor, m 2.

Conseqüentemente

e a condutividade elétrica é definida como o recíproco da resistência de um metro cúbico de um condutor com um comprimento de aresta cúbico de um metro. Unidade de condutividade elétrica: Sm/m. Por outro lado, de acordo com a lei de Ohm

Onde E- diferença de potencial entre planos paralelos dados; I - atual.

Substituindo esta expressão na equação que determina a condutividade elétrica, temos:

Para S = 1 e E/l = 1 temos κ = 1. Assim, a condutividade elétrica é numericamente igual à corrente que passa pela seção condutora com superfície de um metro quadrado, com gradiente de potencial igual a um volt por metro.

A condutividade elétrica específica caracteriza o número de portadores de carga por unidade de volume. Consequentemente, a condutividade elétrica dependerá da concentração da solução e, para substâncias individuais, de sua densidade.

A segunda medida de condutividade elétrica é equivalenteλ e (ou molar m) condutividade elétrica, igual ao produto da condutividade elétrica específica pelo número de metros cúbicos, que contêm um equivalente ou um mol de uma substância:

λ e = κφ e; λm = κφm

Como φ é expresso em m 3 / equiv ou m 3 / mol, então a unidade de λ será Cm 2 / equiv ou Cm 2 / mol.

Para soluções φ = 1/С, onde Com- concentração, expressa em mol/m 3 . Então

λ e = κ/zC e λ m = κ/С

Se Com expresso em kmol / m 3, então φ e \u003d 1 / (zC ∙ 10 3); φ m \u003d 1 / (С ∙ 10 3) e

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

Ao determinar a condutividade molar de uma substância individual (sólida ou líquida) φ m \u003d V M, mas V m \u003d M / d (onde V m é o volume molar; M é o peso molecular; d- densidade), próximo-

para um telefone

λ m = κV m = κM/d

Assim, a condutividade elétrica equivalente (ou molar) é a condutividade de um condutor localizado entre dois planos paralelos localizados a uma distância de um metro um do outro e uma área tal que um equivalente (ou um mol) de uma substância (na forma de uma solução ou sal individual).

Essa medida de condutividade caracteriza a condutividade com a mesma quantidade de substância (mole ou equivalente), mas contida em volumes diferentes e, portanto, reflete a influência das forças de interação entre os íons em função das distâncias interiônicas.

CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA

Metais caracterizados por uma baixa energia de transição eletrônica da banda de valência para a banda de condução já em temperatura normal possuem um número suficiente de elétrons na banda de condução para garantir alta condutividade elétrica. A condutividade dos metais diminui com o aumento da temperatura. Isso se deve ao fato de que, com o aumento da temperatura nos metais, o efeito de um aumento na energia vibracional dos íons da rede cristalina, que resiste ao movimento direcionado dos elétrons, prevalece sobre o efeito de um aumento no número de cargas. portadores na banda de condução. A resistência de metais quimicamente puros aumenta com o aumento da temperatura, aumentando cerca de 4 ∙ 10 -3 R 0 com o aumento da temperatura por grau (R 0 - resistência a 0 ° C). Para a maioria dos metais quimicamente puros, quando aquecidos, existe uma relação linear entre resistência e temperatura.

R = R0 (1 + αt)

onde α é o coeficiente de resistência da temperatura.

Os coeficientes de temperatura das ligas podem variar em uma ampla faixa, por exemplo, para latão α = 1,5∙10 -3 e para constantan α = 4∙10 -6.

A condutividade específica de metais e ligas está entre 10 6 - 7∙10 7 S/m. A condutividade elétrica de um metal depende do número e da carga dos elétrons envolvidos na transferência de corrente e do tempo médio de viagem entre colisões. Os mesmos parâmetros para uma determinada intensidade de campo elétrico determinam a velocidade do elétron. Portanto, a densidade de corrente no metal pode ser expressa pela equação

onde é a velocidade média do movimento ordenado das cargas; Pé o número de elétrons na banda de condução por unidade de volume.

Os semicondutores em sua condutividade ocupam uma posição intermediária entre metais e isolantes. Materiais semicondutores puros, como germânio e silício, são intrinsecamente condutores.

Arroz. 5.1. Esquema da aparência de um par de condução de elétrons (1) - buraco (2).

A condutividade intrínseca se deve ao fato de que, durante a excitação térmica dos elétrons, eles passam da banda de valência para a banda de condução. Esses elétrons, sob a ação de uma diferença de potencial, se movem em uma determinada direção e fornecem condutividade eletrônica semicondutores. Quando um elétron passa para a banda de condução, um lugar vago permanece na banda de valência - um “buraco”, equivalente à presença de uma única carga positiva. Um buraco também pode se mover sob a influência de um campo elétrico como resultado de um elétron na banda de valência saltar para seu lugar, mas na direção oposta ao movimento dos elétrons na banda de condução, fornecendo condutividade do furo semicondutor. O processo de formação do furo é mostrado na fig. 5.1.

Assim, em um semicondutor com sua própria condutividade, existem dois tipos de portadores de carga - elétrons e lacunas, que fornecem condutividade eletrônica e de lacunas do semicondutor.

Em um semicondutor intrínseco, o número de elétrons na banda de condução é igual ao número de lacunas na banda de valência. A uma dada temperatura, há um equilíbrio dinâmico entre elétrons e buracos em um semicondutor, ou seja, a taxa de sua formação é igual à taxa de recombinação. A recombinação de um elétron na banda de condução com uma lacuna na banda de valência leva à "formação" de um elétron na banda de valência.

A condutividade específica de um semicondutor depende da concentração de portadores de carga, ou seja, de seu número por unidade de volume. Denotamos a concentração de elétrons n i , e a concentração de buracos pi . Em um semicondutor com condutividade intrínseca, n i = pi (esses semicondutores são chamados brevemente de semicondutores do tipo i). A concentração de portadores de carga, por exemplo, em germânio puro, é igual a n i \u003d p i ≈10 19 m -3, em silício - cerca de 10 16 m -3 e é 10 -7 - 10 -10% em relação ao número de átomos N.

Sob a ação de um campo elétrico em um semicondutor, ocorre um movimento direcionado de elétrons e buracos. A densidade de corrente de condução é a soma dos elétrons eu e e buraco eu p densidades de corrente: i = i e + i p , que, apesar da igualdade das concentrações de portadores, não são iguais em magnitude, pois as velocidades de movimento (mobilidade) de elétrons e buracos são diferentes. A densidade de corrente de elétrons é:

A velocidade média dos elétrons é proporcional à intensidade E" campo elétrico:

Fator de proporcionalidade W e 0 caracteriza a velocidade do elétron em uma unidade de força de campo elétrico e é chamada de velocidade absoluta de movimento. À temperatura ambiente em germânio puro W e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Das duas últimas equações obtemos:

Repetindo raciocínio semelhante para a condutividade do buraco, podemos escrever:

Então para a densidade de corrente total:

Comparando a expressão para i com a lei de Ohm i = κ E", em S = 1 m 2 temos:

Como indicado acima, para um semicondutor com condutividade intrínseca n i \u003d p i, portanto

W p 0 é sempre menor W e 0 , por exemplo na Alemanha W p 0 \u003d 0, 18 m 2 / (V ∙ s), e W e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Assim, a condutividade elétrica de um semicondutor depende da concentração de portadores e suas velocidades absolutas e é composta aditivamente por dois termos:

κ i = κ e + κ p

A lei de Ohm para semicondutores é satisfeita apenas se a concentração de portadores n i não depender da intensidade do campo. Em altas intensidades de campo, que são chamadas de críticas (para germânio E cr ' = 9∙10 4 V / m, para silício E cr ' = 2,5 ∙ 10 4 V / m), a lei de Ohm é violada, o que está associado a uma mudança na energia do elétron no átomo e uma diminuição na energia de transferência para a banda de condução, bem como com a possibilidade de ionização dos átomos da rede. Ambos os efeitos causam um aumento na concentração de portadores de carga.

A condutividade elétrica em altas intensidades de campo é expressa pela lei empírica de Poole:

ln κ = ln κ 0 + α (E' – E cr ')

onde κ 0 - condutividade em E ' = E cr ' .

Com o aumento da temperatura em um semicondutor, ocorre uma intensa geração de portadores de carga, e sua concentração aumenta mais rapidamente do que a velocidade absoluta dos elétrons diminui devido ao movimento térmico. Portanto, diferentemente

dos metais, a condutividade elétrica dos semicondutores aumenta com o aumento da temperatura. Na primeira aproximação, para uma pequena faixa de temperatura, a dependência da condutividade do semicondutor com a temperatura pode ser expressa pela equação

Onde k- constante de Boltzmann; MAS- energia de ativação (a energia necessária para transferir um elétron para a banda de condução).

Perto do zero absoluto, todos os semicondutores são bons isolantes. Com um aumento na temperatura por grau, sua condutividade aumenta em média de 3 a 7%.

Quando impurezas são introduzidas em um semicondutor puro, a condutividade elétrica intrínseca é adicionada ao impureza condutividade elétrica. Se, por exemplo, elementos do grupo V do sistema periódico (P, As, Sb) são introduzidos no germânio, este último forma uma rede com o germânio com a participação de quatro elétrons e o quinto elétron, devido à baixa ionização energia dos átomos de impureza (cerca de 1,6∙10 –21), passa do átomo de impureza para a banda de condução. Em tal semicondutor, a condutividade eletrônica predominará (um semicondutor é chamado de semicondutor eletrônico tipo n]. Se os átomos de impureza têm uma afinidade eletrônica maior que o germânio, por exemplo, elementos do grupo III (In, Ga, B, Al), eles recebem elétrons dos átomos de germânio e são formados buracos na banda de valência. Em tais semicondutores, a condutividade do buraco predomina (semicondutor tipo p].Átomos de impureza que fornecem condutividade eletrônica são doadores elétrons e buracos - aceitantes).

Os semicondutores de impureza têm uma condutividade elétrica mais alta do que os semicondutores intrínsecos se a concentração de átomos do doador ND ou do aceptor N A impureza exceder a concentração de portadores de carga intrínseca. Para grandes valores de N D e NA, a concentração de portadores intrínsecos pode ser desprezada. Portadores de carga, cuja concentração prevalece em um semicondutor, são chamados básico. Por exemplo, no germânio tipo n, n n ≈ 10 22 m–3, enquanto n i ≈ 10 19 m~ 3, ou seja, a concentração de transportadores principais é 10 3 vezes maior que a concentração de transportadores intrínsecos.

Para semicondutores de impureza, as relações são válidas:

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

A primeira dessas equações é escrita para um semicondutor tipo n e a segunda para um semicondutor tipo p. Segue-se dessas relações que uma quantidade muito pequena de impureza (cerca de 10–4 0/о) aumenta significativamente a concentração de portadores de carga, como resultado do aumento da condutividade elétrica.

Se negligenciarmos a concentração de portadores intrínsecos e considerarmos N D ≈n n para um semicondutor tipo n e NA ≈ p p para um semicondutor tipo p, então a condutividade elétrica do semicondutor impuro pode ser expressa pelas equações:

Quando um campo elétrico é aplicado em semicondutores do tipo n, a transferência de carga é realizada por elétrons e em semicondutores do tipo p - por buracos.

Sob influências externas, por exemplo, durante a irradiação, a concentração de portadores de carga muda e pode ser diferente em diferentes partes do semicondutor. Neste caso, como nas soluções, os processos de difusão ocorrem no semicondutor. As regularidades dos processos de difusão obedecem às equações de Fick. Os coeficientes de difusão dos portadores de carga são muito maiores do que os dos íons em solução. Por exemplo, para o germânio, o coeficiente de difusão de elétrons é 98 10 -4 m 2 / s, buracos - 47 10 -4 m 2 / s. Semicondutores típicos, além de germânio e silício, à temperatura ambiente são vários óxidos, sulfetos, selenetos, teluretos, etc. (por exemplo, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).

CONDUTIVIDADE IÔNICA

A condutividade iônica é possuída por gases, certos compostos sólidos (cristais e vidros iônicos), sais individuais fundidos e soluções de compostos em água, solventes não aquosos e fundidos. Os valores da condutividade específica dos condutores do segundo tipo de classes diferentes flutuam em uma faixa muito ampla:

Substância	c∙10 3 , S/m	Substância	c∙10 3 , S/m
H2O	0.0044	Solução de NaOH 10% 30% »
C2H5OH	0.0064	KOH, solução a 29%
C3H7OH	0.0009	Solução de NaCl 10% 25% »
CH3OH	0.0223	FeSO 4 , solução a 7%
Acetonitrila	0.7	NiSO 4 , solução a 19%
N,N-Dimetilacetamida	0.008-0.02	CuSO 4 , solução a 15%
CH 3 COOH	0.0011	ZnС1 2 , solução a 40%
H 2 SO 4 concentrado 10% solução 40% "		NaCl (fusão, 850 °С)
Solução HC1 40% 10%"		NaNO 3 (fundir 500°C)
Solução concentrada de HNO 3 a 12%		MgCl2 (fusão, 1013°C)
		А1С1 3 (derreter, 245 °С)	0.11
		Ali 3 (fusão, 270°C)	0.74
		AgCl (fundido, 800°C)
		AgI (sólido)

Nota, Os valores da condutividade específica das soluções são dados a 18 °C.

No entanto, em todos os casos, os valores dados de κ são várias ordens de grandeza inferiores aos valores de κ de metais (por exemplo, a condutividade específica de prata, cobre e chumbo é 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 e 0,056∙10 8 S/m, respectivamente).

Nos condutores do segundo tipo, todos os tipos de partículas que possuem carga elétrica podem participar da transferência de eletricidade. Se a corrente é conduzida por cátions e ânions, então os eletrólitos têm condução bipolar. Se a corrente carrega apenas um tipo de íons - cátions ou ânions - então há condutividade catiônica ou aniônica unipolar.

No caso da condução bipolar, os íons que se movem mais rápido carregam uma fração maior da corrente do que os íons que se movem mais lentamente. A fração de corrente transportada por um determinado tipo de partícula é chamada número de transporte deste tipo de partículas (ti) Com condutividade unipolar, o número de transferência do tipo de íons que transportam a corrente é igual a um, pois toda a corrente é transferida por este tipo de íons. Mas com a condutividade bipolar, o número de transferência de cada tipo de íons é menor que a unidade, e

além disso, o número de transferência deve ser entendido como o valor absoluto da fração da corrente atribuível a um determinado tipo de íons, sem levar em conta o fato de que cátions e ânions conduzem corrente elétrica em direções diferentes.

O número de transferência de qualquer tipo de partículas (íons) com condutividade bipolar não é um valor constante que caracteriza apenas a natureza de um determinado tipo de íons, mas também depende da natureza das partículas parceiras. Por exemplo, o número de transporte de íons cloreto em uma solução de ácido clorídrico é menor do que em uma solução de KCl da mesma concentração, uma vez que os íons hidrogênio são mais móveis que os íons potássio. Os métodos para determinar os números de transferência são diversos e seus princípios são descritos nas oficinas laboratoriais relevantes sobre eletroquímica teórica.

Antes de prosseguir com a consideração da condutividade elétrica de classes específicas de substâncias, vamos nos deter em uma questão geral. Qualquer corpo se move em um campo constante de forças agindo sobre ele com aceleração. Enquanto isso, íons em todas as classes de eletrólitos, exceto gases, movem-se sob a influência de um campo elétrico de uma determinada força a uma velocidade constante. Para explicar isso, vamos imaginar as forças que atuam sobre o íon. Se a massa do íon m e a velocidade de seu movimento W, então a força newtoniana mdw/dt será igual à diferença entre a força do campo elétrico (M), que move o íon, e a força reativa (L'), que retarda seu movimento, porque o íon se move em um meio viscoso. A força reativa é maior, quanto maior a velocidade do íon, ou seja, L' = L W(aqui eu- coeficiente de proporcionalidade). Por isso

Depois de separar as variáveis, temos:

Denotando M - L W = v, obtemos d W= – d v/Terra

ou

A constante de integração é determinada a partir da condição de contorno: em t = 0 w = 0, ou seja . Começamos a contar o tempo a partir do momento em que o íon começa a se mover (no momento em que a corrente é ligada). Então:

Substituindo seu valor pela constante, finalmente obtemos.

Conversor de Comprimento e Distância Conversor de Massa Conversor de Volume de Alimentos e Alimentos Conversor de Área Conversor de Volume e Unidades de Receita Conversor de Temperatura Conversor de Pressão, Estresse, Módulo de Young Conversor de Energia e Trabalho Conversor de Energia Conversor de Força Conversor de Tempo Conversor de Velocidade Linear Conversor de Ângulo Plano Conversor de eficiência térmica e de combustível Conversor de números em diferentes sistemas numéricos Conversor de unidades de medida de quantidade de informação Taxas de câmbio Dimensões de roupas e sapatos femininos Dimensões de roupas e sapatos masculinos Conversor de velocidade angular e frequência de rotação Conversor de aceleração Conversor de aceleração angular Conversor de densidade Conversor de volume específico Conversor de momento de inércia Momento Conversor de força Conversor de torque Conversor de poder calorífico específico (por massa) Conversor de densidade de energia e poder calorífico específico (por volume) Conversor de diferença de temperatura Conversor de coeficiente Conversor de Coeficiente de Expansão Térmico Conversor de Resistência Térmica Conversor de Condutividade Térmica Conversor de Capacidade Específica de Calor Conversor de Exposição de Energia e Conversor de Potência Radiante Conversor de Fluxo de Calor Conversor de Densidade Conversor de Coeficiente de Transferência de Calor Conversor de Fluxo de Volume Conversor de Fluxo de Massa Conversor de Fluxo de Massa Conversor de Fluxo de Massa Conversor de Densidade Conversor de Concentração Molar Concentração de Massa em Solução Conversor Dinâmico ( Conversor cinemático de viscosidade Conversor de tensão superficial Conversor de permeabilidade de vapor Conversor de densidade de fluxo de vapor de água Conversor de nível de som Conversor de sensibilidade de microfone Conversor de nível de pressão sonora (SPL) Conversor de nível de pressão sonora com referência selecionável Conversor de brilho de pressão Conversor de intensidade de luz Conversor de iluminação Conversor de resolução de computação gráfica Conversor de frequência e comprimento de onda Potência em dioptrias e distância focal Potência de distância em dioptrias e ampliação da lente (×) Conversor de carga elétrica Conversor de densidade de carga linear Conversor de densidade de carga de superfície Conversor de densidade de carga volumétrica Conversor de densidade de corrente elétrica Conversor de densidade de corrente linear Conversor de densidade de corrente de superfície Conversor de intensidade de campo elétrico Conversor de potencial eletrostático e tensão Conversor de resistência elétrica Conversor de resistência elétrica Resistência Conversor de Condutividade Elétrica Conversor de Condutividade Elétrica Conversor de Indutância de Capacitância Conversor US Wire Gauge Níveis em dBm (dBm ou dBm), dBV (dBV), watts, etc. unidades Conversor de força magnetomotriz Conversor de força de campo magnético Conversor de fluxo magnético Conversor de indução magnética Radiação. Radiação Ionizante Absorvida Conversor de Taxa de Dose Radioatividade. Radiação Conversora de Decaimento Radioativo. Radiação do conversor de dose de exposição. Conversor de Dose Absorvida Conversor de Prefixo Decimal Transferência de Dados Conversor de Unidade de Tipografia e Processamento de Imagem Conversor de Unidade de Volume de Madeira Cálculo de Massa Molar Tabela Periódica de Elementos Químicos por D. I. Mendeleev

1 unidade de condutividade elétrica = 0,0001 siemens por metro [S/m]

Valor inicial

Valor convertido

siemens por metro picosiemens por metro mo por metro mo por centímetro abmo por metro abmo por centímetro staticmo por metro statmo por centímetro siemens por centímetro millisiemens por metro milisiemens por centímetro microsiemens por metro microsiemens por centímetro unidade convencional de condutividade elétrica coeficiente convencional de condutividade elétrica ppm , coeficiente. recálculo de 700 ppm, coeficiente. recálculo de 500 ppm, coeficiente. conversão 640 TDS, ppm, coeficiente conversão 640 TDS, ppm, coeficiente conversão 550 TDS, ppm, coeficiente conversão 500 TDS, ppm, coeficiente recálculo 700

Densidade de carga em massa

Mais sobre Condutividade Elétrica

Introdução e definições

Condutividade elétrica (ou condutividade elétrica)é uma medida da capacidade de uma substância de conduzir uma corrente elétrica ou de mover cargas elétricas nela. Esta é a razão entre a densidade de corrente e a intensidade do campo elétrico. Se considerarmos um cubo de material condutor com um lado de 1 metro, então a condutividade específica será igual à condutividade elétrica medida entre dois lados opostos desse cubo.

A condutividade está relacionada à condutividade pela seguinte fórmula:

G = σ(A/l)

Onde G- condutividade elétrica, σ - condutividade elétrica, MAS- a seção transversal do condutor, perpendicular à direção da corrente elétrica e eu- comprimento do condutor. Esta fórmula pode ser usada com qualquer condutor na forma de cilindro ou prisma. Observe que esta fórmula também pode ser usada para um paralelepípedo, pois é um caso especial de um prisma cuja base é um retângulo. Lembre-se de que a condutividade elétrica é o recíproco da resistividade elétrica.

Pode ser difícil para as pessoas que estão longe da física e da tecnologia entender a diferença entre a condutividade de um condutor e a condutividade específica de uma substância. Enquanto isso, é claro, essas são quantidades físicas diferentes. A condutividade é uma propriedade de um determinado condutor ou dispositivo (como um resistor ou banho galvânico), enquanto a condutividade é uma propriedade inerente ao material do qual esse condutor ou dispositivo é feito. Por exemplo, a condutividade do cobre é sempre a mesma, não importa como a forma e o tamanho do objeto de cobre mudem. Ao mesmo tempo, a condutividade de um fio de cobre depende de seu comprimento, diâmetro, massa, forma e alguns outros fatores. É claro que objetos semelhantes feitos de materiais com maior condutividade têm maior condutividade (embora nem sempre).

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de condutividade elétrica é Siemens por metro (cm/m). A unidade de condutividade incluída nele recebeu o nome do cientista, inventor e empresário alemão Werner von Siemens (1816-1892). Fundada por ele em 1847, a Siemens AG (Siemens) é uma das maiores empresas produtoras de equipamentos elétricos, eletrônicos, energia, transporte e médicos.

A gama de condutividades elétricas é muito ampla, desde materiais com alta resistividade como o vidro (que, aliás, conduz bem a eletricidade quando aquecido em brasa) ou polimetilmetacrilato (vidro orgânico) até condutores muito bons como prata, cobre ou ouro. A condutividade elétrica é determinada pelo número de cargas (elétrons e íons), pela velocidade de seu movimento e pela quantidade de energia que podem transportar. Soluções aquosas de várias substâncias, que são usadas, por exemplo, em banhos de galvanoplastia, possuem valores médios de condutividade específica. Outro exemplo de eletrólitos com valores médios de condutividade específica é o ambiente interno do corpo (sangue, plasma, linfa e outros fluidos).

A condutividade de metais, semicondutores e dielétricos é discutida em detalhes nos seguintes artigos do site Conversor de grandezas físicas: e Condutividade elétrica. Neste artigo, discutiremos com mais detalhes a condutividade dos eletrólitos, bem como métodos e equipamentos simples para medi-la.

Condutividade elétrica de eletrólitos e sua medição

A condutividade específica de soluções aquosas, nas quais uma corrente elétrica surge como resultado do movimento de íons carregados, é determinada pelo número de portadores de carga (concentração da substância na solução), sua velocidade de movimento (a mobilidade dos íons depende da temperatura) e da carga que carregam (determinada pela valência dos íons). Portanto, na maioria das soluções aquosas, um aumento na concentração leva a um aumento no número de íons e, consequentemente, a um aumento na condutividade. No entanto, após atingir um certo máximo, a condutividade específica da solução pode começar a diminuir com um aumento adicional na concentração da solução. Portanto, soluções com duas concentrações diferentes do mesmo sal podem ter a mesma condutividade.

A temperatura também afeta a condutividade, pois os íons se movem mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta, resultando em um aumento na condutividade. A água pura é um mau condutor de eletricidade. A água destilada comum, que contém dióxido de carbono do ar em estado de equilíbrio e uma mineralização total inferior a 10 mg/l, tem uma condutividade elétrica de cerca de 20 mS/cm. A condutividade específica de várias soluções é mostrada na tabela abaixo.

Para determinar a condutividade específica de uma solução, é usado um medidor de resistência (ohmímetro) ou medidor de condutividade. Estes são quase os mesmos dispositivos, diferindo apenas na escala. Ambos medem a queda de tensão na seção do circuito por onde flui a corrente elétrica da bateria do dispositivo. O valor de condutividade medido é convertido manual ou automaticamente em condutividade. Isso é feito levando em consideração as características físicas do dispositivo de medição ou sensor. Os sensores de condutividade são simples: são um par (ou dois pares) de eletrodos imersos em um eletrólito. Os sensores de condutividade são caracterizados por constante do sensor de condutividade, que no caso mais simples é definido como a razão da distância entre os eletrodos D para a área (eletrodo) perpendicular ao fluxo de corrente MAS

Essa fórmula funciona bem se a área dos eletrodos for muito maior que a distância entre eles, pois nesse caso a maior parte da corrente elétrica flui entre os eletrodos. Exemplo: para 1 centímetro cúbico de líquido K=D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Observe que os sensores de condutividade com pequenos eletrodos separados por uma distância relativamente grande são caracterizados por valores constantes do sensor de 1,0 cm⁻¹ e superiores. Ao mesmo tempo, sensores com eletrodos relativamente grandes colocados próximos uns dos outros têm uma constante de 0,1 cm⁻¹ ou menos. A constante do sensor para medir a condutividade elétrica de vários dispositivos varia de 0,01 a 100 cm⁻¹.

Constante teórica do sensor: esquerda - K= 0,01 cm⁻¹ , à direita - K= 1 cm⁻¹

Para obter a condutividade da condutividade medida, a seguinte fórmula é usada:

σ = K ∙ G

σ - condutividade específica da solução em S/cm;

K- constante do sensor em cm⁻¹;

G- condutividade do sensor em siemens.

A constante do sensor geralmente não é calculada a partir de suas dimensões geométricas, mas é medida em um dispositivo de medição específico ou em uma instalação de medição específica usando uma solução de condutividade conhecida. Este valor medido é inserido no medidor de condutividade, que calcula automaticamente a condutividade a partir dos valores medidos de condutividade ou resistência da solução. Devido ao fato de que a condutividade depende da temperatura da solução, os dispositivos para medição de condutividade geralmente contêm um sensor de temperatura que mede a temperatura e fornece compensação automática de temperatura das medições, ou seja, trazendo os resultados para uma temperatura padrão de 25°C.

A maneira mais fácil de medir a condutividade é aplicar uma tensão em dois eletrodos planos imersos em uma solução e medir a corrente que flui. Este método é chamado potenciométrico. De acordo com a lei de Ohm, a condutividade Gé a proporção atual EU para tensão você:

No entanto, nem tudo é tão simples quanto descrito acima - existem muitos problemas ao medir a condutividade. Se for usada corrente contínua, os íons se acumulam nas superfícies dos eletrodos. Além disso, uma reação química pode ocorrer nas superfícies dos eletrodos. Isso leva a um aumento na resistência de polarização nas superfícies dos eletrodos, o que, por sua vez, leva a resultados errôneos. Se você tentar medir a resistência com um testador convencional, por exemplo, uma solução de cloreto de sódio, verá claramente como as leituras no visor de um dispositivo digital mudam rapidamente na direção do aumento da resistência. Para eliminar o efeito da polarização, um design de sensor de quatro eletrodos é frequentemente usado.

A polarização também pode ser evitada ou, em qualquer caso, reduzida usando corrente alternada em vez de corrente contínua na medição e até ajustando a frequência dependendo da condutividade. As baixas frequências são usadas para medir a baixa condutividade onde o efeito da polarização é pequeno. Frequências mais altas são usadas para medir altas condutividades. Normalmente, a frequência é ajustada automaticamente durante o processo de medição, levando em consideração os valores obtidos da condutividade da solução. Medidores de condutividade digitais modernos de dois eletrodos normalmente usam compensação de temperatura e corrente CA complexa. Eles são calibrados na fábrica, mas a recalibração geralmente é necessária durante a operação, pois a constante da célula de medição (sensor) muda ao longo do tempo. Por exemplo, pode mudar quando os sensores ficam sujos ou quando os eletrodos sofrem alterações físicas e químicas.

Em um medidor de condutividade tradicional de dois eletrodos (que é o que usaremos em nosso experimento), uma tensão alternada é aplicada entre os dois eletrodos e a corrente que flui entre os eletrodos é medida. Este método simples tem uma desvantagem - não apenas a resistência da solução é medida, mas também a resistência causada pela polarização dos eletrodos. Para minimizar o efeito da polarização, é usado um design de sensor de quatro eletrodos, além de revestir os eletrodos com preto platina.

Mineralização geral

Dispositivos para medir a condutividade elétrica são frequentemente usados ​​para determinar mineralização total ou teor de sólidos(Sólidos totais dissolvidos em inglês, TDS). É uma medida da quantidade total de substâncias orgânicas e inorgânicas contidas em um líquido em várias formas: ionizada, molecular (dissolvida), coloidal e em suspensão (não dissolvida). Os solutos incluem quaisquer sais inorgânicos. Estes são principalmente cloretos, bicarbonatos e sulfatos de cálcio, potássio, magnésio, sódio, bem como algumas substâncias orgânicas dissolvidas em água. Para ser considerada mineralização total, as substâncias devem estar dissolvidas ou na forma de partículas muito finas que passam por filtros com diâmetro de poro inferior a 2 micrômetros. Substâncias que estão constantemente em suspensão em solução, mas não podem passar por tal filtro, são chamadas de sólidos em suspensão(Sólidos suspensos totais ingleses, TSS). O total de sólidos em suspensão é geralmente medido para determinar a qualidade da água.

Existem dois métodos para medir o conteúdo de sólidos: análise gravimétrica, que é o método mais preciso, e medição de condutividade. O primeiro método é o mais preciso, mas requer muito tempo e disponibilidade de equipamentos de laboratório, pois a água deve ser evaporada para obter um resíduo seco. Isso geralmente é feito a 180 ° C em um ambiente de laboratório. Após a evaporação completa, o resíduo é pesado em uma balança de precisão.

O segundo método não é tão preciso quanto a análise gravimétrica. No entanto, é muito conveniente, amplamente utilizado e o método mais rápido, pois é uma medição simples de condutividade e temperatura, realizada em poucos segundos com um instrumento de medição barato. O método de medição da condutividade elétrica específica pode ser usado devido ao fato de que a condutividade específica da água depende diretamente da quantidade de substâncias ionizadas nela dissolvidas. Este método é especialmente útil para monitorar a qualidade da água potável ou avaliar a quantidade total de íons em uma solução.

A condutividade medida depende da temperatura da solução. Ou seja, quanto maior a temperatura, maior a condutividade, pois os íons em solução se movem mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta. Para obter medições independentes da temperatura, é utilizado o conceito de temperatura padrão (referência), à qual os resultados da medição são reduzidos. A temperatura de referência permite comparar resultados obtidos em diferentes temperaturas. Assim, o medidor de condutividade pode medir a condutividade real e então usar uma função de correção que trará automaticamente o resultado para uma temperatura de referência de 20 ou 25°C. Se for necessária uma precisão muito alta, a amostra pode ser colocada em um forno e o medidor calibrado na mesma temperatura que será usada na medição.

A maioria dos medidores de condutividade modernos estão equipados com um sensor de temperatura embutido que é usado tanto para correção de temperatura quanto para medição de temperatura. Os instrumentos mais avançados são capazes de medir e exibir valores medidos em unidades de condutividade, resistividade, salinidade, salinidade total e concentração. No entanto, mais uma vez, notamos que todos esses dispositivos medem apenas condutividade (resistência) e temperatura. Todas as grandezas físicas que o display mostra são calculadas pelo dispositivo levando em consideração a temperatura medida, que é utilizada para compensação automática de temperatura e trazendo os valores medidos para a temperatura padrão.

Experimento: Medição de Salinidade Total e Condutividade

Finalmente, realizaremos alguns experimentos para medir a condutividade usando um medidor de mineralização total TDS-3 barato (também chamado de salinômetro, salinômetro ou condutômetro) TDS-3. O preço do dispositivo TDS-3 "sem nome" no eBay, incluindo frete, é inferior a US$ 3,00 no momento da redação. Exatamente o mesmo aparelho, mas com o nome do fabricante já é 10 vezes mais caro. Mas isso é para quem gosta de pagar pela marca, embora haja uma probabilidade muito alta de que ambos os dispositivos sejam lançados na mesma fábrica. O TDS-3 realiza a compensação de temperatura e para isso é equipado com um sensor de temperatura localizado próximo aos eletrodos. Portanto, também pode ser usado como termômetro. Deve-se notar mais uma vez que o dispositivo realmente mede não a mineralização em si, mas a resistência entre dois eletrodos de arame e a temperatura da solução. Todo o resto é calculado automaticamente usando coeficientes de calibração.

O medidor de mineralização total ajudará você a determinar o teor de sólidos, por exemplo, ao monitorar a qualidade da água potável ou determinar a salinidade da água em um aquário ou lagoa de água doce. Também pode ser usado para monitorar a qualidade da água em sistemas de filtragem e purificação de água para saber quando é hora de substituir um filtro ou membrana. O instrumento é calibrado de fábrica com solução de cloreto de sódio NaCl a 342 ppm (partes por milhão ou mg/L). A faixa de medição do dispositivo é de 0–9990 ppm ou mg/l. PPM é uma parte por milhão, uma unidade de medida adimensional de valores relativos, igual a 1 10⁻⁶ do valor base. Por exemplo, uma concentração de massa de 5 mg/kg = 5 mg em 1.000.000 mg = 5 ppm ou ppm. Assim como uma porcentagem é um centésimo, um milionésimo é um milionésimo. Porcentagens e milionésimos são muito semelhantes em significado. Partes por milhão, ao contrário das porcentagens, são convenientes para indicar a concentração de soluções muito fracas.

O instrumento mede a condutividade elétrica entre dois eletrodos (ou seja, o recíproco da resistência), então converte o resultado em condutividade elétrica (EC é frequentemente usado na literatura inglesa) usando a fórmula de condutividade acima, levando em consideração a constante do sensor K, em seguida, realiza outra conversão multiplicando a condutividade resultante por um fator de conversão de 500. O resultado é um valor total de mineralização em partes por milhão (ppm). Mais sobre isso abaixo.

Este medidor de mineralização total não pode ser usado para testar a qualidade da água com alto teor de sal. Exemplos de substâncias com alto teor de sal são certos alimentos (sopa comum com teor normal de sal de 10 g/l) e água do mar. A concentração máxima de cloreto de sódio que este dispositivo pode medir é de 9990 ppm ou cerca de 10 g/l. Esta é a concentração usual de sal nos alimentos. A salinidade da água do mar também não pode ser medida com este medidor, pois normalmente é 35 g/l ou 35.000 ppm, o que é muito mais alto do que o medidor é capaz de medir. Se você tentar medir uma concentração tão alta, o instrumento exibirá uma mensagem de erro Err.

O medidor de sal TDS-3 mede a condutividade e usa a chamada "escala 500" (ou "escala NaCl") para calibração e conversão em concentração. Isso significa que para obter a concentração em partes por milhão, o valor da condutividade em mS/cm é multiplicado por 500. Ou seja, por exemplo, 1,0 mS/cm é multiplicado por 500 para obter 500 ppm. Diferentes indústrias usam diferentes escalas. Por exemplo, três escalas são usadas em hidroponia: 500, 640 e 700. A diferença entre elas está apenas no uso. A escala 700 é baseada na medição da concentração de cloreto de potássio em uma solução e a conversão de condutividade em concentração é realizada da seguinte forma:

1,0 mS/cm x 700 dá 700 ppm

A escala 640 usa um fator de conversão de 640 para converter mS para ppm:

1,0 mS/cm x 640 dá 640 ppm

Em nosso experimento, primeiro mediremos a mineralização total da água destilada. O medidor de sal mostra 0 ppm. O multímetro mostra uma resistência de 1,21 MΩ.

Para o experimento, prepararemos uma solução de cloreto de sódio NaCl com concentração de 1000 ppm e mediremos a concentração usando TDS-3. Para preparar 100 ml de solução, precisamos dissolver 100 mg de cloreto de sódio e adicionar água destilada a 100 ml. Pesar 100 mg de cloreto de sódio e colocá-lo em um cilindro medidor, adicionar um pouco de água destilada e mexer até que o sal esteja completamente dissolvido. Em seguida, adicione água até a marca de 100 ml e mexa novamente.

Medição de resistência entre dois eletrodos do mesmo material e com as mesmas dimensões dos eletrodos TDS-3; multímetro mostra 2,5 kOhm

Para a determinação experimental da condutividade foram utilizados dois eletrodos feitos do mesmo material e com as mesmas dimensões dos eletrodos TDS-3. A resistência medida foi de 2,5 kOhm.

Agora que conhecemos a resistência e a concentração de cloreto de sódio em partes por milhão, podemos calcular aproximadamente a constante da célula de medição do medidor de solução salina TDS-3 usando a fórmula acima:

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kΩ = 5 cm⁻¹

Este valor de 5 cm⁻¹ está próximo do valor calculado da constante da célula de medição TDS-3 com os seguintes tamanhos de eletrodos (veja a figura).

• D = 0,5 cm - a distância entre os eletrodos;
• W = 0,14 cm - largura do eletrodo
• L = 1,1 cm - comprimento do eletrodo

A constante do sensor TDS-3 é K=D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Isso não é muito diferente do valor obtido acima. Lembre-se de que a fórmula acima permite apenas uma estimativa aproximada da constante do sensor.

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Neste artigo, vamos revelar o tema da condutividade elétrica, relembrar o que é uma corrente elétrica, como ela está relacionada à resistência de um condutor e, consequentemente, à sua condutividade elétrica. Observamos as fórmulas básicas para calcular essas quantidades, tocamos no tema e sua relação com a intensidade do campo elétrico. Também abordaremos a relação entre resistência elétrica e temperatura.

Primeiro, vamos lembrar o que é uma corrente elétrica. Se você colocar uma substância em um campo elétrico externo, sob a ação das forças desse campo, o movimento dos portadores de carga elementares - íons ou elétrons - começará na substância. Esta será a corrente elétrica. A intensidade da corrente I é medida em amperes, e um ampere é a corrente na qual uma carga igual a um coulomb flui através da seção transversal do condutor por segundo.

A corrente é constante, variável, pulsante. A corrente contínua não muda sua magnitude e direção a qualquer momento, a corrente alternada muda sua magnitude e direção ao longo do tempo (geradores e transformadores de corrente alternada fornecem exatamente corrente alternada), a corrente pulsante muda sua magnitude, mas não muda de direção (por exemplo, corrente alternada retificada está pulsando).

As substâncias têm a propriedade de conduzir uma corrente elétrica sob a influência de um campo elétrico, e essa propriedade é chamada de condutividade elétrica, que é diferente para diferentes substâncias. A condutividade elétrica das substâncias depende da concentração de partículas carregadas livres nelas, isto é, íons e elétrons que não estão associados nem à estrutura cristalina, nem às moléculas, nem aos átomos da determinada substância. Assim, dependendo da concentração de portadores de carga livre em uma substância, as substâncias são divididas em: condutores, dielétricos e semicondutores de acordo com o grau de condutividade elétrica.

Possuem a maior condutividade elétrica e, por natureza física, os condutores na natureza são representados por dois gêneros: metais e eletrólitos. Nos metais, a corrente se deve ao movimento dos elétrons livres, ou seja, sua condutividade é eletrônica, e nos eletrólitos (em soluções de ácidos, sais, álcalis) se deve ao movimento de íons - partes de moléculas que possuem um carga positiva e negativa, ou seja, a condutividade dos eletrólitos é iônica. Vapores e gases ionizados são caracterizados por condutividade mista, na qual a corrente é devida ao movimento de elétrons e íons.

A teoria eletrônica explica perfeitamente a alta condutividade elétrica dos metais. A conexão dos elétrons de valência com seus núcleos nos metais é fraca, porque esses elétrons se movem livremente de átomo para átomo em todo o volume do condutor.

Acontece que os elétrons livres nos metais preenchem o espaço entre os átomos como um gás, um gás de elétrons, e estão em movimento caótico. Mas quando um condutor metálico é introduzido em um campo elétrico, os elétrons livres se moverão de maneira ordenada, eles se moverão em direção ao pólo positivo, o que criará uma corrente. Assim, o movimento ordenado de elétrons livres em um condutor metálico é chamado de corrente elétrica.

Sabe-se que a velocidade de propagação de um campo elétrico no espaço é aproximadamente igual a 300.000.000 m/s, ou seja, a velocidade da luz. Esta é a mesma velocidade na qual a corrente flui através de um condutor.

O que isso significa? Isso não significa que cada elétron no metal se mova com uma velocidade tão grande, os elétrons no condutor, pelo contrário, têm uma velocidade de vários milímetros por segundo a vários centímetros por segundo, dependendo de , mas a velocidade de propagação de corrente elétrica através do condutor é exatamente igual à velocidade da luz.

O fato é que cada elétron livre se encontra no fluxo geral de elétrons desse mesmo “gás de elétrons”, e durante a passagem da corrente, o campo elétrico afeta todo esse fluxo, como resultado, os elétrons transmitem continuamente esse ação de campo entre si - de um vizinho para outro.

Mas os elétrons se movem em seus lugares muito lentamente, apesar de a velocidade de propagação da energia elétrica através do condutor ser enorme. Assim, quando um interruptor é ligado em uma usina, a corrente aparece instantaneamente em toda a rede, enquanto os elétrons praticamente ficam parados.

No entanto, quando elétrons livres se movem ao longo de um condutor, eles sofrem inúmeras colisões em seu caminho, colidem com átomos, íons, moléculas, transferindo parte de sua energia para eles. A energia dos elétrons em movimento superando tal resistência é parcialmente dissipada na forma de calor, e o condutor aquece.

Essas colisões servem como resistência ao movimento dos elétrons, portanto, a propriedade de um condutor de impedir o movimento de partículas carregadas é chamada de resistência elétrica. Com uma baixa resistência do condutor, o condutor é aquecido pela corrente fracamente, com uma significativa, é muito mais forte, e mesmo até o branco, esse efeito é usado em dispositivos de aquecimento e lâmpadas incandescentes.

A unidade de mudança de resistência é Ohm. Resistência R \u003d 1 Ohm é a resistência de tal condutor, quando uma corrente contínua de 1 ampere passa por ele, a diferença de potencial nas extremidades do condutor é de 1 volt. O padrão de resistência de 1 ohm é uma coluna de mercúrio de 1063 mm de altura, com seção transversal de 1 sq. mm a uma temperatura de 0 ° C.

Como os condutores são caracterizados pela resistência elétrica, pode-se dizer que, até certo ponto, o condutor é capaz de conduzir corrente elétrica. A este respeito, uma quantidade chamada condutividade ou condutividade elétrica foi introduzida. A condutividade elétrica é a capacidade de um condutor conduzir corrente elétrica, ou seja, o recíproco da resistência elétrica.

A unidade de medida para a condutividade elétrica G (condutividade) é Siemens (Sm), e 1 Sm = 1/(1 ohm). G = 1/R.

Como os átomos de diferentes substâncias interferem na passagem da corrente elétrica em graus variados, a resistência elétrica de diferentes substâncias é diferente. Por esta razão, foi introduzido o conceito, cujo valor "p" caracteriza as propriedades condutoras de uma substância.

A resistividade elétrica é medida em ohm * m, ou seja, a resistência de um cubo de uma substância com uma aresta de 1 metro. Da mesma forma, a condutividade elétrica de uma substância é caracterizada pela condutividade elétrica específica?, medida em S/m, ou seja, a condutividade de um cubo de uma substância com aresta de 1 metro.

Hoje, os materiais condutores na engenharia elétrica são usados ​​principalmente na forma de fitas, pneus, fios, com uma certa área de seção transversal e um certo comprimento, mas não na forma de cubos de metro. E para cálculos mais convenientes de resistência elétrica e condutividade elétrica de condutores de tamanhos específicos, foram introduzidas unidades de medida mais aceitáveis ​​para resistividade elétrica e condutividade elétrica. Ohm*mm2/m para resistividade e Sm*m/mm2 para condutividade elétrica.

Agora podemos dizer que a resistividade elétrica e a condutividade elétrica caracterizam as propriedades condutoras de um condutor com uma área de seção transversal de​​​​ 1 sq. mm, um comprimento de 1 metro a uma temperatura de 20 ° C, isso é mais conveniente.

Metais como ouro, cobre, prata, cromo, alumínio têm a melhor condutividade elétrica. Aço e ferro conduzem a corrente pior. Metais puros sempre têm melhor condutividade elétrica do que suas ligas, então o cobre puro é preferível na engenharia elétrica. Se você precisar de uma resistência especialmente alta, use tungstênio, nicromo, constantan.

Conhecendo o valor da resistividade elétrica ou condutividade elétrica, pode-se calcular facilmente a resistência ou condutividade elétrica de um determinado condutor feito de um determinado material, levando em consideração o comprimento l e a área da seção transversal S desse condutor.

A condutividade elétrica e a resistência elétrica de todos os materiais dependem da temperatura., como a frequência e a amplitude das vibrações térmicas dos átomos da rede cristalina também aumentam com o aumento da temperatura, a resistência à corrente elétrica, ao fluxo de elétrons, aumenta de acordo.

Com a diminuição da temperatura, pelo contrário, as vibrações dos átomos da rede cristalina tornam-se menores, a resistência diminui (aumenta a condutividade elétrica). Em algumas substâncias, a dependência da resistência à temperatura é menos pronunciada, em outras é mais forte. Por exemplo, ligas como constantan, fechral e manganina alteram ligeiramente a resistividade em uma determinada faixa de temperatura, de modo que são usadas para fazer resistores termoestáveis.

Permite calcular para um material específico o aumento da sua resistência a uma determinada temperatura e caracteriza numericamente o aumento relativo da resistência com o aumento da temperatura em 1 °C.

Conhecendo o coeficiente de resistência da temperatura e o incremento de temperatura, pode-se calcular facilmente a resistividade de uma substância a uma determinada temperatura.

Esperamos que nosso artigo tenha sido útil para você e agora você pode calcular facilmente a resistência e a condutividade de qualquer fio em qualquer temperatura.