Conductivitatea electronică a metalelor a fost dovedită experimental pentru prima dată de fizicianul german E. Rikke în 1901. Prin trei cilindri lustruiți strâns apăsați unul împotriva celuilalt - cupru, aluminiu și din nou cupru - un curent electric a fost trecut mult timp (pe parcursul unui an) . Încărcarea totală care a trecut în acest timp a fost egală cu 3,5·10 6 C. Deoarece masele atomilor de cupru și aluminiu diferă semnificativ una de cealaltă, masele cilindrilor ar trebui să se schimbe semnificativ dacă purtătorii de sarcină ar fi ioni.

Rezultatele experimentelor au arătat că masa fiecăruia dintre cilindri a rămas neschimbată. În suprafețele de contact au fost găsite doar urme nesemnificative de penetrare reciprocă a metalelor, care nu au depășit rezultatele difuziei obișnuite a atomilor în solide. În consecință, purtătorii de încărcare liberi din metale nu sunt ioni, ci particule care sunt aceleași atât în ​​cupru, cât și în aluminiu. Doar electronii ar putea fi astfel de particule.

Dovada directă și convingătoare a validității acestei presupuneri a fost obținută în experimentele puse la cale în 1913 de L. I. Mandelstam și N. D. Papaleksi și în 1916 de T. Stuart și R. Tolman.

Pe bobină este înfășurat un fir, ale cărui capete sunt lipite pe două discuri metalice izolate unul de celălalt (Fig. 1). Un galvanometru este atașat la capetele discurilor folosind contacte glisante.

Bobina este adusă în rotație rapidă și apoi oprită brusc. După o oprire bruscă a bobinei, particulele încărcate libere se vor deplasa de-a lungul conductorului prin inerție pentru o perioadă de timp și, în consecință, în bobină va apărea un curent electric. Curentul va exista pentru o perioadă scurtă de timp, deoarece datorită rezistenței conductorului, particulele încărcate sunt încetinite și mișcarea ordonată a particulelor se oprește.

Direcția curentului indică faptul că acesta este creat de mișcarea particulelor încărcate negativ. Sarcina transferată în acest caz este proporțională cu raportul dintre sarcina particulelor care creează curent și masa lor, adică. . Prin urmare, prin măsurarea sarcinii care trece prin galvanometru pe tot timpul existenței curentului în circuit, a fost posibil să se determine raportul. Sa dovedit a fi egal cu 1,8·10 11 C/kg. Această valoare coincide cu raportul dintre sarcina electronului și masa sa găsit mai devreme din alte experimente.

Astfel, un curent electric în metale este creat prin mișcarea particulelor de electroni încărcate negativ. Conform teoriei electronice clasice a conductivității metalelor (P. Drude, 1900, H. Lorenz, 1904), un conductor de metal poate fi considerat ca un sistem fizic al unei combinații a două subsisteme:

1. electroni liberi cu o concentraţie de ~ 10 28 m -3 şi
2. ionii încărcați pozitiv care vibrează în jurul poziției de echilibru.

Apariția electronilor liberi într-un cristal poate fi explicată după cum urmează.

Când atomii se combină într-un cristal metalic, electronii exteriori legați cel mai slab de nucleul atomic sunt desprinși de atomi (Fig. 2). Prin urmare, ionii pozitivi sunt localizați la nodurile rețelei cristaline ale metalului, iar electronii care nu sunt conectați cu nucleele atomilor lor se mișcă în spațiul dintre ei. Acești electroni se numesc liber sau electroni de conducere. Ei efectuează o mișcare haotică, similară mișcării moleculelor de gaz. Prin urmare, totalitatea electronilor liberi din metale se numește gaz de electroni.

Dacă conductorului i se aplică un câmp electric extern, atunci mișcării haotice aleatoare a electronilor liberi se suprapune o mișcare dirijată sub acțiunea forțelor câmpului electric, care generează un curent electric. Viteza de mișcare a electronilor înșiși în conductor este de câteva fracțiuni de milimetru pe secundă, cu toate acestea, câmpul electric care apare în conductor se propagă pe toată lungimea conductorului cu o viteză apropiată de viteza luminii în vid ( 3 10 8 m/s).

Deoarece curentul electric din metale este format din electroni liberi, conductivitatea conductorilor metalici se numește conductivitate electronică.

Electronii sub influența unei forțe constante care acționează din câmpul electric dobândesc o anumită viteză de mișcare ordonată (se numește deriva). Această viteză nu crește în continuare cu timpul, deoarece la ciocnirea cu ionii rețelei cristaline, electronii transferă energia cinetică dobândită în câmpul electric către rețeaua cristalină. În prima aproximare, putem presupune că pe calea liberă medie (aceasta este distanța pe care o parcurge un electron între două ciocniri succesive cu ionii), electronul se mișcă cu accelerație, iar viteza sa de deriva crește liniar cu timpul.

În momentul ciocnirii, electronul transferă energie cinetică rețelei cristaline. Apoi accelerează din nou și procesul se repetă. Ca urmare, viteza medie a mișcării ordonate a electronilor este proporțională cu intensitatea câmpului electric din conductor și, în consecință, cu diferența de potențial la capetele conductorului, deoarece , unde l este lungimea conductorului.

Se știe că puterea curentului în conductor este proporțională cu viteza mișcării ordonate a particulelor

şi deci, conform celui precedent, puterea curentului este proporţională cu diferenţa de potenţial la capetele conductorului: I ~ U. Aceasta este explicaţia calitativă a legii lui Ohm bazată pe teoria electronică clasică a conductivităţii metalelor.

Cu toate acestea, există dificultăți cu această teorie. Din teorie a rezultat că rezistivitatea ar trebui să fie proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii (), între timp, conform experienței, ~ T. În plus, capacitatea de căldură a metalelor, conform acestei teorii, ar trebui să fie mult mai mare decât capacitatea termică a cristalelor monoatomice. În realitate, capacitatea de căldură a metalelor diferă puțin de capacitatea de căldură a cristalelor nemetalice. Aceste dificultăți au fost depășite doar în teoria cuantică.

În 1911, fizicianul olandez G. Kamerling-Onnes, studiind modificarea rezistenței electrice a mercurului la temperaturi scăzute, a descoperit că la o temperatură de aproximativ 4 K (adică la -269 ° C), rezistivitatea scade brusc (Fig. 3) aproape până la zero. Acest fenomen de transformare a rezistenței electrice la zero G. Kamerling-Onnes numit supraconductivitate.

Ulterior s-a constatat că peste 25 de elemente chimice - metale la temperaturi foarte scăzute devin supraconductori. Fiecare dintre ele are propria sa temperatură critică de tranziție la o stare cu rezistență zero. Cea mai mică valoare pentru wolfram este de 0,012K, cea mai mare pentru niobiu este de 9K.

Supraconductivitatea este observată nu numai în metale pure, ci și în mulți compuși chimici și aliaje. În acest caz, elementele în sine, care fac parte din compusul supraconductor, pot să nu fie supraconductori. De exemplu, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb alte.

Substanțele în stare supraconductoare au proprietăți neobișnuite:

1. curentul electric dintr-un supraconductor poate exista o perioadă lungă de timp fără o sursă de curent;
2. în interiorul unei substanțe în stare supraconductoare, este imposibil să se creeze un câmp magnetic:
3. câmpul magnetic distruge starea de supraconductivitate. Supraconductivitatea este un fenomen explicat din punctul de vedere al teoriei cuantice. Descrierea sa destul de complicată depășește scopul unui curs de fizică școlară.

Până de curând, utilizarea pe scară largă a supraconductivității a fost împiedicată de dificultățile asociate cu nevoia de răcire la temperaturi ultra-scăzute, pentru care a fost folosit heliu lichid. Cu toate acestea, în ciuda complexității echipamentelor, a deficitului și a costului ridicat al heliului, încă din anii 60 ai secolului XX, magneții supraconductori au fost creați fără pierderi termice în înfășurările lor, ceea ce a făcut practic posibilă obținerea de câmpuri magnetice puternice în relativ mari. volumele. Tocmai astfel de magneți sunt necesari pentru a crea facilități pentru fuziunea termonucleară controlată cu plasmă magnetică, pentru acceleratori puternici de particule încărcate. Supraconductorii sunt utilizați în diverse dispozitive de măsurare, în primul rând în dispozitive pentru măsurarea câmpurilor magnetice foarte slabe cu cea mai mare precizie.

În prezent, 10 - 15% din energie este cheltuită pentru depășirea rezistenței firelor din liniile electrice. Liniile supraconductoare, sau cel puțin intrările către orașele mari, vor aduce economii enorme. Un alt domeniu de aplicare al supraconductivității este transportul.

Pe baza filmelor supraconductoare, au fost create o serie de elemente logice și de memorie de mare viteză pentru dispozitivele de calcul. În cercetarea spațială, este promițător să se utilizeze solenoizi supraconductori pentru protecția împotriva radiațiilor a cosmonauților, andocarea navelor, decelerația și orientarea acestora și pentru motoarele de rachete cu plasmă.

În prezent s-au creat materiale ceramice care au supraconductivitate la o temperatură mai mare – peste 100K, adică la o temperatură peste punctul de fierbere al azotului. Capacitatea de a răci supraconductorii cu azot lichid, care are o căldură de vaporizare cu un ordin de mărime mai mare, simplifică și reduce foarte mult costul tuturor echipamentelor criogenice și promite un efect economic uriaș.

Substanța (metalul) din care este realizat conductorul afectează trecerea curentului electric prin acesta și este caracterizată folosind un astfel de concept precum rezistența electrică.Rezistența electrică depinde de dimensiunea conductorului, materialul acestuia, temperatură:

• - cu cât firul este mai lung, cu atât electronii liberi (purtători de curent) în mișcare se vor ciocni în drumul lor cu atomii și moleculele materiei - rezistența conductorului crește;
• - cu cât secțiunea transversală a conductorului este mai mare, cu atât devine mai mulți electroni liberi, numărul de ciocniri scade - rezistența electrică a conductorului scade.

Concluzie: cu cât conductorul este mai lung și cu cât secțiunea transversală este mai mică, cu atât rezistența sa este mai mare si invers - cu cât firul este mai scurt și mai gros, cu atât rezistența acestuia este mai mică ,iar conductivitatea (capacitatea de a trece curentul electric) este mai bună.

Simplist, dependența rezistenței conductorului de temperatură poate fi reprezentată astfel: electronii care se deplasează de-a lungul conductorului se ciocnesc cu atomii și moleculele conductorului însuși și le transferă energia lor. Ca urmare, conductorul se încălzește, crește mișcarea termică, aleatorie, a atomilor și a moleculelor. Acest lucru încetinește și mai mult fluxul principal de electroni de-a lungul conductorului. Astfel se explică creșterea rezistenței conductorului la trecerea curentului electric în timpul încălzirii.

La încălzirea sau răcirea conductorilor - metale, rezistența acestora crește sau scade în mod corespunzător, cu o rată de 0,4% pentru fiecare 1 grad. Această proprietate a metalelor este utilizată la fabricarea senzorilor de temperatură.

Semiconductorii și electroliții au proprietatea opusă conductoarelor - cu creșterea temperaturii de încălzire, rezistența lor scade.

Unitatea de măsură a rezistenței electrice este 1 ohm (în onoarea savantului G. Ohm). O rezistență de 1 ohm este egală cu o secțiune a unui circuit electric prin care trece un curent de 1 amper atunci când o tensiune de 1 volt scade pe ea,

Uneori se folosește inversul rezistenței electrice. Aceasta este conductivitatea electrică, notă cu litera g sau G - Siemens (în onoarea omului de știință E. Siemens).

Conductivitatea electrică este capacitatea unei substanțe de a trece un curent electric prin ea însăși. Cu cât rezistența R a conductorului este mai mare, cu atât conductivitatea lui G este mai mică și invers. 1 ohm = 1 sim

Unități derivate:

1Sim = 1000mSim,
1Sim = 1000000µSim.

Când este necesar să se calculeze rezistența totală a conductoarelor conectate în serie, este mai convenabil să se opereze cu ohmi. dacă se calculează rezistența totală a conductorilor conectați în paralel, este mai convenabil să se numere în Sims și apoi să se transforme în ohmi.

Metalele au cea mai mare conductivitate: argint, cupru, aluminiu etc., precum și soluții de săruri, acizi etc.
Cea mai scăzută conductivitate (cea mai mare rezistență) pentru izolatori: mica, sticla, azbest, ceramica, etc...

Pentru a face mai convenabilă efectuarea calculelor rezistenței electrice a conductorilor din diferite metale, a fost introdus conceptul de rezistență specifică a unui conductor.
Rezistența unui conductor de 1 metru lungime, 1 mm în secțiune transversală. mp la o temperatură de + 20 de grade, aceasta va fi rezistivitatea conductorului p.

Rezistențele specifice ale conductoarelor unor metale sunt date în tabel.

Din tabel se vede: din metale, argintul are cea mai bună conductivitate. Dar este foarte scump și este folosit ca conductori în cazuri excepționale.

Cuprul și aluminiul sunt cele mai comune materiale în inginerie electrică. Se folosesc la fabricarea de fire și cabluri, bare etc. Tungstenul, constantanul, manganina sunt folosite în diverse dispozitive de încălzire, la fabricarea rezistențelor de sârmă.

Folosind fire și cabluri în instalațiile electrice, este necesar să se țină cont de secțiunea lor transversală pentru a preveni încălzirea lor și, de regulă, deteriorarea izolației, precum și pentru a reduce căderea de tensiune și pierderea de putere în timpul transmisiei. de energie electrică de la sursă la consumator.

Mai jos este un tabel cu valorile de curent admisibile în conductor, în funcție de diametrul acestuia (secțiunea în mm2), precum și de rezistența a 1 metru de sârmă din diferite materiale.


Exemple de calcul ale unor circuite electrice pot fi găsite aici.

Presupunem că J diff, J conv, J termen sunt egali cu zero și J = J migr. Mișcarea ionilor în conductorii de al doilea fel și a electronilor în conductorii de primul fel datorită diferenței de potențial electric determină capacitatea acestora de a trece curentul electric, adică, conductivitate electrică(conductivitate electrică). Pentru a cuantifica capacitatea conductoarelor de primul și al doilea fel de a trece curentul electric, se folosesc două măsuri de conductivitate electrică. Unul din ei - conductivitate electricăκ- este inversul rezistivității:

Rezistivitatea este determinată din formulă

Unde R- rezistenta totala a conductorului, Ohm; l este distanța dintre două plane paralele între care se determină rezistența, m; S - aria secțiunii transversale a conductorului, m 2.

Prin urmare

iar conductivitatea electrică este definită ca reciproca rezistenței unui metru cub a unui conductor cu o lungime a muchiei cubului de un metru. Unitate de conductivitate electrică: Sm/m. Pe de altă parte, conform legii lui Ohm

Unde E- diferenta de potential intre planuri paralele date; I - curent.

Înlocuind această expresie în ecuația care determină conductivitatea electrică, obținem:

Pentru S = 1 și E/l = 1 avem κ = 1. Astfel, conductivitatea electrică este numeric egală cu curentul care trece prin secțiunea conductorului cu suprafața de un metru pătrat, cu un gradient de potențial egal cu un volt pe metru.

Conductivitatea electrică specifică caracterizează numărul de purtători de sarcină pe unitate de volum. În consecință, conductivitatea electrică va depinde de concentrația soluției, iar pentru substanțele individuale, de densitatea acestora.

A doua măsură a conductivității electrice este echivalentλ e (sau molarλ m) conductivitate electrică, egal cu produsul conductibilității electrice specifice cu numărul de metri cubi, care conțin un echivalent sau un mol dintr-o substanță:

λ e = κφ e; λ m = κφ m

Deoarece φ este exprimat în m 3 / echiv sau m 3 / mol, atunci unitatea lui λ va fi Cm 2 / echiv sau Cm 2 / mol.

Pentru soluțiile φ = 1/С, unde Cu- concentraţia, exprimată în mol/m 3 . Apoi

λ e = κ/zC și λ m = κ/С

Dacă Cu exprimat în kmol / m 3, apoi φ e \u003d 1 / (zC ∙ 10 3); φ m \u003d 1 / (С ∙ 10 3) și

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

La determinarea conductivității molare a unei substanțe individuale (solide sau lichide) φ m \u003d V M, dar V m \u003d M / d (unde V m este volumul molar; M este greutatea moleculară; d- densitate), următorul-

la a t e l n o

λ m = κV m = κM/d

Astfel, conductivitatea electrică echivalentă (sau molară) este conductivitatea unui conductor situat între două plane paralele situate la o distanță de un metru unul de celălalt și o astfel de zonă încât un echivalent (sau un mol) al unei substanțe (sub forma dintr-o soluție sau sare individuală).

Această măsură a conductivității caracterizează conductivitatea cu aceeași cantitate de substanță (mol sau echivalent), dar conținută în volume diferite și, astfel, reflectă influența forțelor de interacțiune dintre ioni în funcție de distanțe interionice.

CONDUCTIVITATE ELECTRONICĂ

Metalele caracterizate printr-o energie scăzută de tranziție a electronilor de la banda de valență la banda de conducție deja la temperatură normală au un număr suficient de electroni în banda de conducție pentru a asigura o conductivitate electrică ridicată. Conductivitatea metalelor scade odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru se datorează faptului că, odată cu creșterea temperaturii în metale, efectul creșterii energiei vibraționale a ionilor rețelei cristaline, care rezistă mișcării direcționate a electronilor, prevalează asupra efectului creșterii numărului de sarcină. purtători în banda de conducere. Rezistența metalelor pure din punct de vedere chimic crește odată cu creșterea temperaturii, crescând cu aproximativ 4 ∙ 10 -3 R 0 odată cu creșterea temperaturii pe grad (R 0 - rezistență la 0 ° C). Pentru majoritatea metalelor pure din punct de vedere chimic, atunci când sunt încălzite, există o relație liniară între rezistență și temperatură.

R = R0 (1 + αt)

unde α este coeficientul de temperatură al rezistenței.

Coeficienții de temperatură ai aliajelor pot varia într-un interval larg, de exemplu, pentru alamă α = 1,5∙10 -3 și pentru constantan α = 4∙10 -6.

Conductivitatea specifică a metalelor și aliajelor este cuprinsă între 10 6 - 7∙10 7 S/m. Conductivitatea electrică a unui metal depinde de numărul și sarcina electronilor implicați în transferul de curent și de timpul mediu de călătorie între ciocniri. Aceiași parametri pentru o anumită intensitate a câmpului electric determină viteza electronului. Prin urmare, densitatea de curent în metal poate fi exprimată prin ecuație

unde este viteza medie a mișcării ordonate a sarcinilor; P este numărul de electroni din banda de conducție pe unitatea de volum.

Semiconductorii în conductivitatea lor ocupă o poziție intermediară între metale și izolatori. Materialele semiconductoare pure, cum ar fi germaniul și siliciul, sunt conductoare intrinsec.

Orez. 5.1. Schema apariției unei perechi de conducție electronică (1) - gaură (2).

Conductivitatea intrinsecă se datorează faptului că în timpul excitației termice a electronilor, aceștia trec din banda de valență în banda de conducție. Acești electroni, sub acțiunea unei diferențe de potențial, se mișcă într-o anumită direcție și furnizează conductivitate electronică semiconductori. Când un electron trece în banda de conducție, un loc liber rămâne în banda de valență - o „găură”, echivalentă cu prezența unei singure sarcini pozitive. O gaură se poate deplasa, de asemenea, sub influența unui câmp electric, ca urmare a saltului unui electron din banda de valență la locul său, dar în direcția opusă mișcării electronilor în banda de conducție, oferind conductivitatea găurii semiconductor. Procesul de formare a găurilor este prezentat în fig. 5.1.

Astfel, într-un semiconductor cu conductivitate proprie, există două tipuri de purtători de sarcină - electroni și găuri, care asigură conductivitatea electronică și de găuri a semiconductorului.

Într-un semiconductor intrinsec, numărul de electroni din banda de conducție este egal cu numărul de găuri din banda de valență. La o anumită temperatură, există un echilibru dinamic între electroni și goluri într-un semiconductor, adică rata de formare a acestora este egală cu viteza recombinării. Recombinarea unui electron din banda de conducție cu o gaură în banda de valență duce la „formarea” unui electron în banda de valență.

Conductivitatea specifică a unui semiconductor depinde de concentrația purtătorilor de sarcină, adică de numărul lor pe unitate de volum. Notăm concentrația de electroni n i , și concentrația de găuri p i . Într-un semiconductor cu conductivitate intrinsecă, n i = p i (astfel de semiconductori se numesc pe scurt semiconductori de tip i). Concentrația purtătorilor de sarcină, de exemplu, în germaniu pur, este egală cu n i \u003d p i ≈10 19 m -3, în siliciu - aproximativ 10 16 m -3 și este de 10 -7 - 10 -10% față de numarul de atomi N.

Sub acțiunea unui câmp electric într-un semiconductor, are loc o mișcare direcționată a electronilor și a găurilor. Densitatea curentului de conducere este suma electronului eu e si gaura eu p densități de curent: i = i e + i p , care, în ciuda egalității concentrațiilor de purtători, nu sunt egale ca mărime, deoarece vitezele de mișcare (mobilitatea) electronilor și găurilor sunt diferite. Densitatea curentului electronic este:

Viteza medie a electronilor este proporțională cu intensitatea E" câmp electric:

Factorul de proporționalitate w e 0 caracterizează viteza electronului la o unitate de putere a câmpului electric și se numește viteza absolută de mișcare. La temperatura camerei în germaniu pur w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Din ultimele două ecuații obținem:

Repetând un raționament similar pentru conductivitatea găurii, putem scrie:

Apoi, pentru densitatea totală de curent:

Comparând expresia pentru i cu legea lui Ohm i = κ E", la S = 1 m 2 obținem:

După cum sa indicat mai sus, pentru un semiconductor cu conductivitate intrinsecă n i \u003d p i, prin urmare

w p 0 este întotdeauna mai mic w e 0 , de exemplu în germania w p 0 \u003d 0, 18 m 2 / (V ∙ s) și w e 0 \u003d 0,36 m 2 / (V s).

Astfel, conductivitatea electrică a unui semiconductor depinde de concentrația purtătorilor și de vitezele absolute ale acestora și este compusă suplimentar din doi termeni:

κ i = κ e + κ p

Legea lui Ohm pentru semiconductori este îndeplinită numai dacă concentrația purtătorului n i nu depinde de intensitatea câmpului. La intensități mari ale câmpului, care sunt numite critice (pentru germaniu E cr ' = 9∙10 4 V / m, pentru siliciu E cr ' = 2,5 ∙ 10 4 V / m), legea lui Ohm este încălcată, care este asociată cu o schimbare în energia electronilor în atom și o scădere a energiei de transfer la banda de conducere, precum și cu posibilitatea de ionizare a atomilor de rețea. Ambele efecte determină o creștere a concentrației purtătorilor de sarcină.

Conductivitatea electrică la intensități mari de câmp este exprimată prin legea empirică a lui Poole:

ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E cr ’)

unde κ 0 - conductivitate la E ' = E cr ' .

Odată cu creșterea temperaturii într-un semiconductor, are loc o generare intensă de purtători de sarcină, iar concentrația acestora crește mai repede decât scade viteza absolută a electronilor din cauza mișcării termice. Prin urmare, spre deosebire de

din metale, conductivitatea electrică a semiconductorilor crește odată cu creșterea temperaturii. În prima aproximare, pentru un interval mic de temperatură, dependența conductivității semiconductorului de temperatură poate fi exprimată prin ecuație

Unde k- constanta lui Boltzmann; DAR- energia de activare (energia necesară pentru a transfera un electron în banda de conducere).

Aproape de zero absolut, toți semiconductorii sunt buni izolatori. Odată cu creșterea temperaturii pe grad, conductivitatea lor crește cu o medie de 3 - 7%.

Când impuritățile sunt introduse într-un semiconductor pur, se adaugă conductivitatea electrică intrinsecă conductivitate electrică a impurităților. Dacă, de exemplu, elementele grupului V al sistemului periodic (P, As, Sb) sunt introduse în germaniu, atunci acestea din urmă formează o rețea cu germaniu cu participarea a patru electroni, iar al cincilea electron, datorită ionizării scăzute. energia atomilor de impuritate (aproximativ 1,6∙10 –21), trece de la atomul de impuritate la banda de conducere. Într-un astfel de semiconductor, conductivitatea electronică va predomina (se numește semiconductor semiconductor electronic de tip n]. Dacă atomii de impurități au o afinitate electronică mai mare decât germaniul, de exemplu, elementele din grupa III (In, Ga, B, Al), atunci ei preiau electroni din atomii de germaniu și se formează găuri în banda de valență. În astfel de semiconductori, predomină conductivitatea orificiilor (semiconductor tip p]. Atomii de impurități care asigură conductivitatea electronică sunt donatori electroni și gaură - acceptori).

Semiconductorii de impurități au o conductivitate electrică mai mare decât semiconductorii intrinseci dacă concentrația de atomi ai impurității donor N D sau acceptor N A depășește concentrația purtătorilor de sarcină intrinseci. Pentru valori mari ale N D și NA, concentrația purtătorilor intrinseci poate fi neglijată. Se numesc purtători de sarcină, a căror concentrație predomină într-un semiconductor de bază. De exemplu, în germaniul de tip n, n n ≈ 10 22 m–3, în timp ce n i ≈ 10 19 m~ 3, adică concentrația de purtători principali este de 10 3 ori mai mare decât concentrația de purtători intrinseci.

Pentru semiconductori de impurități, relațiile sunt valabile:

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

Prima dintre aceste ecuații este scrisă pentru un semiconductor de tip n, iar a doua pentru un semiconductor de tip p. Din aceste relații rezultă că o cantitate foarte mică de impurități (aproximativ 10–4 0 /о) crește semnificativ concentrația purtătorilor de sarcină, în urma căreia conductivitatea electrică crește.

Dacă neglijăm concentrația purtătorilor intrinseci și considerăm N D ≈n n pentru un semiconductor de tip n și N A ≈ p p pentru un semiconductor de tip p, atunci conductivitatea electrică a semiconductorului de impurități poate fi exprimată prin ecuațiile:

Când un câmp electric este aplicat în semiconductori de tip n, transferul de sarcină este efectuat de electroni, iar în semiconductori de tip p - prin găuri.

Sub influențe externe, de exemplu, în timpul iradierii, concentrația purtătorilor de sarcină se modifică și poate fi diferită în diferite părți ale semiconductorului. În acest caz, ca și în soluții, în semiconductor au loc procese de difuzie. Regularitățile proceselor de difuzie se supun ecuațiilor lui Fick. Coeficienții de difuzie ai purtătorilor de sarcină sunt mult mai mari decât cei ai ionilor în soluție. De exemplu, pentru germaniu, coeficientul de difuzie al electronilor este de 98 10 -4 m 2 / s, găuri - 47 10 -4 m 2 / s. Semiconductori tipici, pe lângă germaniu și siliciu, la temperatura camerei sunt o serie de oxizi, sulfuri, seleniduri, telururi etc. (de exemplu, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).

CONDUCTIVITATE IONICĂ

Conductivitatea ionică este deținută de gaze, anumiți compuși solizi (cristale ionice și sticlă), săruri individuale topite și soluții de compuși în apă, solvenți neapoși și topituri. Valorile conductivității specifice a conductoarelor de al doilea tip de diferite clase fluctuează într-un interval foarte larg:

Substanţă	c∙103, S/m	Substanţă	c∙103, S/m
H2O	0.0044	NaOH 10% soluție 30% »
C2H5OH	0.0064	KOH, soluție 29%.
C3H7OH	0.0009	NaCl 10% soluție 25% »
CH30H	0.0223	FeS04, soluție 7%.
Acetonitril	0.7	NiS04, soluție 19%.
N,N-dimetilacetamidă	0.008-0.02	CuS04, soluție 15%.
CH3COOH	0.0011	ZnС1 2 , soluție 40%.
H2SO4 concentrat 10% soluție 40%"		NaCl (topit, 850 °C)
HC1 40% soluție 10% "		NaNO 3 (topire 500 °C)
HNO3 soluție concentrată 12%.		MgCl2 (topitură, 1013 °C)
		А1С1 3 (topit, 245 °С)	0.11
		AlI3 (topitură, 270 °C)	0.74
		AgCl (topit, 800 °C)
		AgI (solid)

Notă, valorile conductivității specifice a soluțiilor sunt date la 18 °C.

Cu toate acestea, în toate cazurile, valorile date ale lui κ sunt cu câteva ordine de mărime mai mici decât valorile lui κ ale metalelor (de exemplu, conductivitatea specifică a argintului, cuprului și plumbului este 0,67∙10 8 , 0,645∙10). 8 și, respectiv, 0,056∙10 8 S/m).

În conductoarele de al doilea fel, toate tipurile de particule care au o sarcină electrică pot lua parte la transferul de electricitate. Dacă curentul este transportat atât de cationi, cât și de anioni, atunci electroliții au conducere bipolară. Dacă curentul transportă un singur fel de ioni - cationi sau anioni - atunci există conductivitate cationică sau anioică unipolară.

În cazul conducției bipolare, ionii care se mișcă mai repede transportă o fracțiune mai mare a curentului decât ionii care se mișcă mai lent. Se numește fracția de curent transportată de un anumit tip de particule număr de transport a acestui tip de particule (t i).Cu conductivitate unipolară, numărul de transfer al tipului de ioni care transportă curentul este egal cu unu, deoarece tot curentul este transferat de acest tip de ioni. Dar, cu conductivitatea bipolară, numărul de transfer al fiecărui tip de ioni este mai mic decât unitatea și

în plus, numărul de transfer trebuie înțeles ca fiind valoarea absolută a fracției de curent atribuită unui anumit tip de ioni, fără a ține cont de faptul că cationii și anionii transportă curent electric în direcții diferite.

Numărul de transfer al oricărui tip de particule (ioni) cu conductivitate bipolară nu este o valoare constantă care caracterizează doar natura unui anumit tip de ioni, ci depinde și de natura particulelor partenere. De exemplu, numărul de transport al ionilor de clorură într-o soluție de acid clorhidric este mai mic decât într-o soluție de KCl de aceeași concentrație, deoarece ionii de hidrogen sunt mai mobili decât ionii de potasiu. Metodele de determinare a numerelor de transfer sunt diverse, iar principiile lor sunt conturate în atelierele de laborator relevante de electrochimie teoretică.

Înainte de a trece la examinarea conductivității electrice a unor clase specifice de substanțe, să ne oprim asupra unei probleme generale. Orice corp se mișcă într-un câmp constant de forțe care acționează asupra lui cu accelerație. Între timp, ionii din toate clasele de electroliți, cu excepția gazelor, se mișcă sub influența unui câmp electric de o anumită putere cu o viteză constantă. Pentru a explica acest lucru, să ne imaginăm forțele care acționează asupra ionului. Dacă masa ionului m şi viteza de mişcare a acestuia w, apoi forța newtoniană mdw/dt va fi egală cu diferența dintre puterea câmpului electric (M), care mișcă ionul, și forța reactivă (L '), care îi încetinește mișcarea, deoarece ionul se mișcă într-un mediu vâscos. Forța reactivă este mai mare, cu atât viteza ionului este mai mare, adică L' = L w(Aici L- coeficient de proporţionalitate). Prin urmare

După separarea variabilelor, avem:

Notă M - L w = v, obținem d w= – d v/Teren

sau

Constanta de integrare se determină din condiția la limită: at t = 0 w = 0, adică . Începem să numărăm timpul din momentul în care ionul începe să se miște (momentul în care curentul este pornit). Apoi:

Înlocuind valoarea acesteia cu constanta, obținem în sfârșit.

Convertor de lungime și distanță Convertor de masă Convertor de volum pentru alimente și alimente în vrac Convertor de zonă Convertor de volum și rețetă Convertor de unități Convertor de temperatură Convertor de presiune, stres, modul Young Convertor de energie și de lucru Convertor de putere Convertor de forță Convertor de timp Convertor de viteză liniar Convertor de unghi plat Convertor de eficiență termică și eficiență a combustibilului de numere în diferite sisteme numerice Convertor de unități de măsură ale cantității de informații Rate valutare Dimensiunile îmbrăcămintei și pantofilor pentru femei Dimensiunile îmbrăcămintei și pantofilor pentru bărbați Convertor de viteză unghiulară și de frecvență de rotație Convertor de accelerație Convertor de accelerație unghiulară Convertor de densitate Convertor de volum specific Convertor de moment de inerție Moment Convertor de forță Convertor de cuplu Convertor de putere calorică specifică (în masă) Convertor de densitate de energie și putere calorică specifică (în volum) Convertor de diferență de temperatură Convertor de coeficient Coeficient de dilatare termică Convertor de rezistență termică Convertor de conductivitate termică Convertor de capacitate termică specifică Convertor de expunere la energie și de putere radiantă Convertor de densitate a fluxului de căldură Convertor de coeficient de transfer de căldură Convertor de debit de volum Convertor de debit de masă Convertor de debit molar Convertor de densitate de flux de masă Convertor de concentrație molară Convertor de masă Concentrație (în soluție) Convertor de vâscozitate cinematică Convertor de tensiune de suprafață Convertor de permeabilitate la vapori Convertor de densitate a fluxului de vapori de apă Convertor de nivel sonor Convertor de sensibilitate pentru microfon Convertor de nivel de presiune sonoră (SPL) Convertor de nivel de presiune sonoră cu presiune de referință selectabilă Convertor de luminozitate Convertor de intensitate luminoasă Convertor de iluminare Convertor de grafică computerizată Convertor de frecvență și rezoluție de unde Puterea în dioptrii și distanță focală Distanță Putere în dioptrii și mărire a lentilei (×) Convertor de încărcare electrică Convertor de densitate de încărcare liniară Convertor de densitate de încărcare de suprafață Convertor de densitate de încărcare volumetrică Convertor de curent electric Convertor de densitate de curent liniar Convertor de densitate de curent de suprafață Convertor de intensitate a câmpului electric Convertor de potențial și tensiune electrostatic Convertor de rezistență electrică Convertor electric Rezistență Convertor de conductivitate electrică Convertor de conductivitate electrică Convertor de capacitate de inductanță Convertor de sârmă SUA Niveluri în dBm (dBm sau dBm), dBV (dBV), wați etc. unități Convertor de forță magnetică Convertor de intensitate a câmpului magnetic Convertor de flux magnetic Convertor de inducție magnetică Radiație. Radiații ionizante absorbite de doză Convertor Radioactivitate. Radiație Convertor Dezintegrare Radioactivă. Radiație de convertizor de doză de expunere. Convertor de doză absorbită Convertor de prefix zecimal Transfer de date Tipografie și unități de prelucrare a imaginii Convertor de unități de volum de lemn Calcularea masei molare Tabel periodic al elementelor chimice de D. I. Mendeleev

1 unitate de conductivitate electrică = 0,0001 siemens pe metru [S/m]

Valoarea initiala

Valoare convertită

siemens per metru picosiemens per metru mo pe metru mo pe centimetru abmo per metru abmo per centimetru staticmo per metru statmo per centimetru siemens per centimetru milisiemens pe metru milisiemens per centimetru microsiemens per metru microsiemens per centimetru unitate convențională de conductivitate electrică coeficient convențional de conductivitate electrică ppm , coeficient. recalcul de 700 ppm, coeficient. recalcul de 500 ppm, coeficient. conversie 640 TDS, ppm, coeficient conversie 640 TDS, ppm, coeficient conversie 550 TDS, ppm, coeficient conversie 500 TDS, ppm, coeficient recalculare 700

Densitatea de încărcare în vrac

Mai multe despre conductivitate electrică

Introducere și definiții

Conductivitate electrică (sau conductivitate electrică) este o măsură a capacității unei substanțe de a conduce un curent electric sau de a muta sarcini electrice în ea. Acesta este raportul dintre densitatea curentului și intensitatea câmpului electric. Dacă luăm în considerare un cub de material conductiv cu latura de 1 metru, atunci conductivitatea specifică va fi egală cu conductivitatea electrică măsurată între două laturi opuse ale acestui cub.

Conductibilitatea este legată de conductivitate prin următoarea formulă:

G = σ(A/l)

Unde G- conductivitate electrică, σ - conductivitate electrică, DAR- sectiunea transversala a conductorului, perpendiculara pe directia curentului electric si l- lungimea conductorului. Această formulă poate fi utilizată cu orice conductor sub formă de cilindru sau prismă. Rețineți că această formulă poate fi folosită și pentru un cuboid, deoarece este un caz special al unei prisme a cărei bază este un dreptunghi. Reamintim că conductivitatea electrică este reciproca rezistivității electrice.

Poate fi dificil pentru oamenii care sunt departe de fizică și tehnologie să înțeleagă diferența dintre conductivitatea unui conductor și conductivitatea specifică a unei substanțe. Între timp, desigur, acestea sunt cantități fizice diferite. Conductivitatea este o proprietate a unui conductor sau dispozitiv dat (cum ar fi un rezistor sau o baie galvanică), în timp ce conductivitatea este o proprietate inerentă a materialului din care este fabricat acel conductor sau dispozitiv. De exemplu, conductivitatea cuprului este întotdeauna aceeași, indiferent de modul în care se schimbă forma și dimensiunea obiectului de cupru. În același timp, conductivitatea unui fir de cupru depinde de lungimea, diametrul, masa, forma sa și de alți factori. Desigur, obiectele similare realizate din materiale cu conductivitate mai mare au o conductivitate mai mare (deși nu întotdeauna).

În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de conductivitate electrică este siemens pe metru (cm/m). Unitatea de conductivitate inclusă în ea poartă numele omului de știință, inventator, antreprenor german Werner von Siemens (1816–1892). Fondată de el în 1847, Siemens AG (Siemens) este una dintre cele mai mari companii producătoare de echipamente electrice, electronice, energetice, de transport și medicale.

Gama de conductivități electrice este foarte largă, de la materiale cu rezistivitate ridicată precum sticla (care, de altfel, conduce bine electricitatea când este încălzită la roșu) sau metacrilatul de polimetil (sticlă organică) până la conductori foarte buni precum argintul, cuprul sau aur. Conductivitatea electrică este determinată de numărul de sarcini (electroni și ioni), viteza de mișcare a acestora și cantitatea de energie pe care o pot transporta. Soluțiile apoase de diferite substanțe, care sunt utilizate, de exemplu, în băile de galvanizare, au valori medii ale conductibilității specifice. Un alt exemplu de electroliți cu valori medii ale conductibilității specifice este mediul intern al corpului (sânge, plasmă, limfa și alte fluide).

Conductivitatea metalelor, semiconductorilor și dielectricilor este discutată în detaliu în următoarele articole ale site-ului Convertor de mărimi fizice: și Conductivitatea electrică. În acest articol, vom discuta mai detaliat conductivitatea electroliților, precum și metodele și echipamentele simple pentru măsurarea acesteia.

Conductivitatea electrică a electroliților și măsurarea acesteia

Conductivitatea specifică a soluțiilor apoase, în care apare un curent electric ca urmare a mișcării ionilor încărcați, este determinată de numărul de purtători de sarcină (concentrația substanței în soluție), viteza lor de mișcare (mobilitatea ionilor). depinde de temperatură) și de sarcina pe care o poartă (determinată de valența ionilor). Prin urmare, în majoritatea soluțiilor apoase, o creștere a concentrației duce la o creștere a numărului de ioni și, în consecință, la o creștere a conductivității. Cu toate acestea, după atingerea unui anumit maxim, conductivitatea specifică a soluției poate începe să scadă cu o creștere suplimentară a concentrației soluției. Prin urmare, soluțiile cu două concentrații diferite ale aceleiași sare pot avea aceeași conductivitate.

Temperatura afectează și conductibilitatea, deoarece ionii se mișcă mai repede pe măsură ce temperatura crește, rezultând o creștere a conductibilității. Apa pură este un slab conductor de electricitate. Apa distilată obișnuită, care conține dioxid de carbon din aer în stare de echilibru și o mineralizare totală mai mică de 10 mg/l, are o conductivitate electrică de aproximativ 20 mS/cm. Conductivitatea specifică a diferitelor soluții este prezentată în tabelul de mai jos.

Pentru a determina conductivitatea specifică a unei soluții, se folosește un contor de rezistență (ohmmetru) sau un contor de conductivitate. Acestea sunt aproape aceleași dispozitive, care diferă doar prin scară. Ambele măsoară căderea de tensiune în secțiunea circuitului prin care curge curentul electric din bateria dispozitivului. Valoarea măsurată a conductivității este convertită manual sau automat în conductivitate. Acest lucru se face ținând cont de caracteristicile fizice ale dispozitivului de măsurare sau ale senzorului. Senzorii de conductivitate sunt simpli: sunt o pereche (sau două perechi) de electrozi scufundați într-un electrolit. Senzorii de conductivitate se caracterizează prin constanta senzorului de conductivitate, care în cel mai simplu caz este definit ca raportul dintre distanța dintre electrozi D pe zona (electrodul) perpendiculară pe fluxul de curent DAR

Această formulă funcționează bine dacă aria electrozilor este mult mai mare decât distanța dintre ei, deoarece în acest caz majoritatea curentului electric circulă între electrozi. Exemplu: pentru 1 centimetru cub de lichid K=D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Rețineți că senzorii de conductivitate cu electrozi mici distanțați de o distanță relativ mare sunt caracterizați de valori constante ale senzorului de 1,0 cm⁻¹ și mai mari. În același timp, senzorii cu electrozi relativ mari plasați unul lângă celălalt au o constantă de 0,1 cm⁻¹ sau mai puțin. Constanta senzorului pentru măsurarea conductibilității electrice a diferitelor dispozitive variază de la 0,01 la 100 cm⁻¹.

Constanta teoretică a senzorului: stânga - K= 0,01 cm⁻¹ , în dreapta - K= 1 cm⁻¹

Pentru a obține conductivitatea din conductibilitatea măsurată, se utilizează următoarea formulă:

σ = K ∙ G

σ - conductivitatea specifică a soluției în S/cm;

K- constanta senzorului in cm⁻¹;

G- conductivitatea senzorului la siemens.

Constanta senzorului nu este de obicei calculată din dimensiunile sale geometrice, ci este măsurată într-un dispozitiv de măsurare specific sau într-o instalație de măsurare specifică folosind o soluție de conductivitate cunoscută. Această valoare măsurată este introdusă în contorul de conductivitate, care calculează automat conductibilitatea din valorile măsurate de conductivitate sau de rezistență a soluției. Datorită faptului că conductivitatea depinde de temperatura soluției, dispozitivele pentru măsurarea conductibilității conțin adesea un senzor de temperatură care măsoară temperatura și asigură compensarea automată a temperaturii măsurătorilor, adică normalizarea rezultatelor la o temperatură standard de 25°C.

Cel mai simplu mod de a măsura conductivitatea este aplicarea unei tensiuni peste doi electrozi plati scufundați într-o soluție și măsurarea curentului care curge. Această metodă se numește potențiometrică. Conform legii lui Ohm, conductivitatea G este raportul curent eu la tensiune U:

Cu toate acestea, nu totul este la fel de simplu precum este descris mai sus - există multe probleme la măsurarea conductivității. Dacă se folosește curent continuu, ionii se colectează la suprafețele electrozilor. De asemenea, poate avea loc o reacție chimică la suprafețele electrozilor. Aceasta duce la o creștere a rezistenței de polarizare pe suprafețele electrozilor, care, la rândul său, duce la rezultate eronate. Dacă încercați să măsurați rezistența cu un tester convențional, de exemplu, o soluție de clorură de sodiu, veți vedea clar cum citirile de pe afișajul unui dispozitiv digital se schimbă destul de repede în direcția creșterii rezistenței. Pentru a elimina efectul de polarizare, este adesea folosit un design de senzor cu patru electrozi.

Polarizarea poate fi, de asemenea, prevenită sau, în orice caz, redusă prin utilizarea curentului alternativ în locul curentului continuu în măsurare și chiar ajustând frecvența în funcție de conductivitate. Frecvențele joase sunt folosite pentru a măsura conductivitatea scăzută acolo unde efectul polarizării este mic. Frecvențele mai înalte sunt folosite pentru a măsura conductivități mari. De obicei, frecvența este reglată automat în timpul procesului de măsurare, ținând cont de valorile obținute ale conductivității soluției. Conductivimetrele digitale moderne cu doi electrozi utilizează de obicei compensarea complexă a curentului alternativ și a temperaturii. Acestea sunt calibrate din fabrică, dar recalibrarea este adesea necesară în timpul funcționării, deoarece constanta celulei de măsurare (senzor) se modifică în timp. De exemplu, se poate schimba atunci când senzorii se murdăresc sau când electrozii suferă modificări fizice și chimice.

Într-un contor de conductivitate tradițional cu doi electrozi (care este ceea ce vom folosi în experimentul nostru), se aplică o tensiune alternativă între cei doi electrozi și se măsoară curentul care curge între electrozi. Această metodă simplă are un dezavantaj - nu se măsoară doar rezistența soluției, ci și rezistența cauzată de polarizarea electrozilor. Pentru a minimiza influența polarizării, este utilizat un design cu patru electrozi a senzorului, precum și acoperirea electrozilor cu negru platină.

Mineralizare generală

Dispozitivele de măsurare a conductivității electrice sunt adesea folosite pentru a determina mineralizarea totală sau conținutul de solide(în engleză total dizolvat solide, TDS). Este o măsură a cantității totale de substanțe organice și anorganice conținute într-un lichid sub diferite forme: ionizate, moleculare (dizolvate), coloidale și în suspensie (nedizolvate). Solutele includ orice săruri anorganice. Acestea sunt în principal cloruri, bicarbonați și sulfați de calciu, potasiu, magneziu, sodiu, precum și unele substanțe organice dizolvate în apă. Pentru a fi considerate mineralizare totală, substanțele trebuie fie dizolvate, fie sub formă de particule foarte fine care trec prin filtre cu diametrul porilor mai mic de 2 micrometri. Se numesc substanțe care sunt în suspensie constantă în soluție, dar nu pot trece printr-un astfel de filtru solide în suspensie(în engleză total suspended solids, TSS). Solidele totale în suspensie sunt de obicei măsurate pentru a determina calitatea apei.

Există două metode de măsurare a conținutului de solide: Analiză gravimetrică, care este metoda cea mai precisă, și masurarea conductibilitatii. Prima metodă este cea mai precisă, dar necesită mult timp și disponibilitatea echipamentelor de laborator, deoarece apa trebuie evaporată pentru a obține un reziduu uscat. Acest lucru se face de obicei la 180°C într-un cadru de laborator. După evaporarea completă, reziduul este cântărit pe o balanță precisă.

A doua metodă nu este la fel de precisă ca analiza gravimetrică. Cu toate acestea, este foarte convenabilă, utilizată pe scară largă și cea mai rapidă metodă, deoarece este o măsură simplă a conductibilității și temperaturii, efectuată în câteva secunde cu un instrument de măsurare ieftin. Metoda de măsurare a conductibilității electrice specifice poate fi utilizată datorită faptului că conductibilitatea specifică a apei depinde direct de cantitatea de substanțe ionizate dizolvate în ea. Această metodă este utilă în special pentru monitorizarea calității apei potabile sau pentru evaluarea cantității totale de ioni dintr-o soluție.

Conductivitatea măsurată depinde de temperatura soluției. Adică, cu cât temperatura este mai mare, cu atât conductivitatea este mai mare, deoarece ionii din soluție se mișcă mai repede pe măsură ce temperatura crește. Pentru a obține măsurători independente de temperatură, se folosește conceptul de temperatură standard (de referință), la care rezultatele măsurătorilor sunt reduse. Temperatura de referință vă permite să comparați rezultatele obținute la diferite temperaturi. Astfel, conductimetrul poate măsura conductivitatea reală și apoi poate folosi o funcție de corecție care va aduce automat rezultatul la o temperatură de referință de 20 sau 25°C. Dacă este necesară o precizie foarte mare, proba poate fi introdusă într-un cuptor, apoi contorul este calibrat la aceeași temperatură care va fi folosită la măsurare.

Majoritatea contoarelor de conductivitate moderne sunt echipate cu un senzor de temperatură încorporat care este utilizat atât pentru corectarea temperaturii, cât și pentru măsurarea temperaturii. Cele mai avansate instrumente sunt capabile să măsoare și să afișeze valorile măsurate în unități de conductivitate, rezistivitate, salinitate, salinitate totală și concentrație. Totuși, încă o dată, observăm că toate aceste dispozitive măsoară doar conductivitatea (rezistența) și temperatura. Toate mărimile fizice pe care le arată afișajul sunt calculate de dispozitiv ținând cont de temperatura măsurată, care este utilizată pentru compensarea automată a temperaturii și aducerea valorilor măsurate la temperatura standard.

Experiment: Măsurarea salinității totale și a conductibilității

În cele din urmă, vom efectua câteva experimente pentru a măsura conductivitatea folosind un contor de mineralizare totală ieftin TDS-3 (numit și salinometru, salinometru sau conductometru) TDS-3. Prețul dispozitivului TDS-3 „fără nume” de pe eBay, inclusiv transportul, este mai mic de 3,00 USD în momentul scrierii acestui articol. Exact același dispozitiv, dar cu numele producătorului este deja de 10 ori mai scump. Dar aceasta este pentru cei cărora le place să plătească pentru marcă, deși există o probabilitate foarte mare ca ambele dispozitive să fie lansate în aceeași fabrică. TDS-3 efectuează compensarea temperaturii și pentru aceasta este echipat cu un senzor de temperatură situat lângă electrozi. Prin urmare, poate fi folosit și ca termometru. Trebuie remarcat din nou că dispozitivul nu măsoară de fapt mineralizarea în sine, ci rezistența dintre doi electrozi de sârmă și temperatura soluției. Toate celelalte le calculează automat folosind coeficienții de calibrare.

Contorul de mineralizare totală vă va ajuta să determinați conținutul de solide, de exemplu atunci când monitorizați calitatea apei potabile sau determinați salinitatea apei dintr-un acvariu sau un iaz de apă dulce. Poate fi folosit și pentru a monitoriza calitatea apei în sistemele de filtrare și purificare a apei pentru a ști când este timpul să înlocuiți un filtru sau o membrană. Instrumentul este calibrat din fabrică cu soluție de clorură de sodiu NaCl de 342 ppm (părți per milion sau mg/L). Domeniul de măsurare al dispozitivului este 0–9990 ppm sau mg/l. PPM este o parte pe milion, o unitate de măsură adimensională a valorilor relative, egală cu 1 10⁻⁶ din valoarea de bază. De exemplu, o concentrație de masă de 5 mg/kg = 5 mg în 1.000.000 mg = 5 ppm sau ppm. La fel cum un procent este o sutime, o milione este o milioneme. Procentele și milionimile sunt foarte asemănătoare ca semnificație. Părțile pe milion, spre deosebire de procente, sunt convenabile pentru a indica concentrația soluțiilor foarte slabe.

Instrumentul măsoară conductivitatea electrică dintre doi electrozi (adică inversul rezistenței), apoi convertește rezultatul în conductivitate electrică (EC este adesea folosit în literatura engleză) folosind formula de conductivitate de mai sus, ținând cont de constanta senzorului K, apoi efectuează o altă conversie prin înmulțirea conductivității rezultate cu un factor de conversie de 500. Rezultatul este o valoare totală a mineralizării în părți per milion (ppm). Mai multe despre asta mai jos.

Acest contor de mineralizare totală nu poate fi utilizat pentru a testa calitatea apei cu un conținut ridicat de sare. Exemple de substanțe cu un conținut ridicat de sare sunt anumite alimente (ciorbă comună cu un conținut normal de sare de 10 g/l) și apa de mare. Concentrația maximă de clorură de sodiu pe care o poate măsura acest dispozitiv este de 9990 ppm sau aproximativ 10 g/l. Aceasta este concentrația obișnuită de sare din alimente. Nici cu acest contor nu se poate măsura salinitatea apei de mare, deoarece este de obicei de 35 g/l sau 35.000 ppm, ceea ce este mult mai mare decât este capabil să măsoare contorul. Dacă încercați să măsurați o concentrație atât de mare, instrumentul va afișa un mesaj de eroare Err.

Contorul de sare TDS-3 măsoară conductivitatea și folosește așa-numita „scara 500” (sau „scara NaCl”) pentru calibrare și conversie în concentrație. Aceasta înseamnă că pentru a obține concentrația în părți per milion, valoarea conductibilității în mS/cm este înmulțită cu 500. Adică, de exemplu, 1,0 mS/cm este înmulțit cu 500 pentru a obține 500 ppm. Diferitele industrii folosesc scări diferite. De exemplu, în hidroponie se folosesc trei cântare: 500, 640 și 700. Diferența dintre ele este doar în utilizare. Scara 700 se bazează pe măsurarea concentrației de clorură de potasiu într-o soluție, iar conversia conductibilității în concentrație se realizează după cum urmează:

1,0 mS/cm x 700 dă 700 ppm

Scala 640 folosește un factor de conversie de 640 pentru a converti mS în ppm:

1,0 mS/cm x 640 dă 640 ppm

În experimentul nostru, vom măsura mai întâi mineralizarea totală a apei distilate. Contorul de sare indică 0 ppm. Multimetrul arată o rezistență de 1,21 MΩ.

Pentru experiment, vom prepara o soluție de clorură de sodiu NaCl cu o concentrație de 1000 ppm și vom măsura concentrația folosind TDS-3. Pentru a prepara 100 ml de soluție, trebuie să dizolvăm 100 mg de clorură de sodiu și să adăugăm apă distilată la 100 ml. Se cântăresc 100 mg de clorură de sodiu și se pun într-un cilindru dozator, se adaugă puțină apă distilată și se amestecă până când sarea este complet dizolvată. Apoi adăugați apă până la semnul de 100 ml și amestecați din nou.

Masurarea rezistentei intre doi electrozi din acelasi material si cu aceleasi dimensiuni ca si electrozii TDS-3; multimetrul arata 2,5 kOhm

Pentru determinarea experimentală a conductivității am folosit doi electrozi din același material și cu aceleași dimensiuni ca și electrozii TDS-3. Rezistența măsurată a fost de 2,5 kOhm.

Acum că știm rezistența și concentrația clorurii de sodiu în părți per milion, putem calcula aproximativ constanta celulei de măsurare a contorului de soluție salină TDS-3 folosind formula de mai sus:

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kΩ = 5 cm⁻¹

Această valoare de 5 cm⁻¹ este aproape de valoarea calculată a constantei celulei de măsurare TDS-3 cu următoarele dimensiuni ale electrozilor (vezi figura).

• D = 0,5 cm - distanta dintre electrozi;
• L = 0,14 cm - lățimea electrodului
• L = 1,1 cm - lungimea electrodului

Constanta senzorului TDS-3 este K=D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Aceasta nu este cu mult diferită de valoarea obținută mai sus. Reamintim că formula de mai sus permite doar o estimare aproximativă a constantei senzorului.

Vi se pare dificil să traduceți unitățile de măsură dintr-o limbă în alta? Colegii sunt gata să vă ajute. Postați o întrebare la TCTermsși în câteva minute vei primi un răspuns.

În acest articol, vom dezvălui subiectul conductivității electrice, vom aminti ce este un curent electric, cum este legat de rezistența unui conductor și, în consecință, de conductivitatea sa electrică. Notăm formulele de bază pentru calcularea acestor mărimi, atingem subiectul și legătura acesteia cu puterea câmpului electric. Vom atinge, de asemenea, relația dintre rezistența electrică și temperatură.

În primul rând, să ne amintim ce este un curent electric. Dacă plasați o substanță într-un câmp electric extern, atunci sub acțiunea forțelor din acest câmp, mișcarea purtătorilor de sarcină elementare - ioni sau electroni - va începe în substanță. Acesta va fi curentul electric. Puterea curentului I se măsoară în amperi, iar un amper este curentul la care o sarcină egală cu un coulomb trece prin secțiunea transversală a conductorului pe secundă.

Curentul este constant, variabil, pulsatoriu. Curentul continuu nu își schimbă amploarea și direcția la un moment dat, curentul alternativ își schimbă amploarea și direcția în timp (generatoarele și transformatoarele de curent alternativ dau exact curent alternativ), curentul pulsatoriu își schimbă amploarea, dar nu își schimbă direcția (de exemplu, curentul alternativ redresat este pulsatoriu).

Substanțele au proprietatea de a conduce un curent electric sub influența unui câmp electric, iar această proprietate se numește conductivitate electrică, care este diferită pentru diferite substanțe. Conductivitatea electrică a substanțelor depinde de concentrația de particule libere încărcate în ele, adică de ioni și electroni care nu sunt asociați nici cu structura cristalină, nici cu moleculele, nici atomii substanței date. Deci, în funcție de concentrația purtătorilor de sarcină liberi dintr-o substanță, substanțele se împart în: conductori, dielectrici și semiconductori în funcție de gradul de conductivitate electrică.

Au cea mai mare conductivitate electrică, iar prin natura fizică, conductorii în natură sunt reprezentați de două genuri: metale și electroliți. În metale, curentul se datorează mișcării electronilor liberi, adică conductivitatea lor este electronică, iar în electroliți (în soluții de acizi, săruri, alcaline) se datorează mișcării ionilor - părți de molecule care au o sarcină pozitivă și negativă, adică conductivitatea electroliților este ionică. Vaporii și gazele ionizate se caracterizează prin conductivitate mixtă, în care curentul se datorează atât mișcării electronilor, cât și ionilor.

Teoria electronică explică perfect conductivitatea electrică ridicată a metalelor. Legătura electronilor de valență cu nucleele lor din metale este slabă, deoarece acești electroni se mișcă liber de la atom la atom pe tot volumul conductorului.

Se pare că electronii liberi din metale umplu spațiul dintre atomi ca un gaz, un gaz de electroni și sunt în mișcare haotică. Dar atunci când un conductor metalic este introdus într-un câmp electric, electronii liberi se vor mișca în mod ordonat, se vor deplasa către polul pozitiv, care va crea un curent. Astfel, mișcarea ordonată a electronilor liberi într-un conductor metalic se numește curent electric.

Se știe că viteza de propagare a unui câmp electric în spațiu este aproximativ egală cu 300.000.000 m/s, adică viteza luminii. Aceasta este aceeași viteză cu care curge curentul printr-un conductor.

Ce înseamnă? Aceasta nu înseamnă că fiecare electron din metal se mișcă cu o viteză atât de mare, electronii din conductor, dimpotrivă, au o viteză de la câțiva milimetri pe secundă la câțiva centimetri pe secundă, în funcție de , ci viteza de propagare a curentul electric prin conductor este doar egal cu viteza luminii.

Chestia este că fiecare electron liber se găsește în fluxul general de electroni a acelui „gaz de electroni”, iar în timpul trecerii curentului, câmpul electric are un efect asupra întregului flux, ca urmare, electronii transmit continuu acest lucru. acțiune de teren unul față de celălalt - de la un vecin la vecin.

Dar electronii se mișcă în locurile lor foarte lent, în ciuda faptului că viteza de propagare a energiei electrice prin conductor este enormă. Deci, atunci când un comutator este pornit la o centrală electrică, curentul apare instantaneu în întreaga rețea, în timp ce electronii stau practic pe loc.

Cu toate acestea, atunci când electronii liberi se mișcă de-a lungul unui conductor, experimentează numeroase ciocniri pe drum, se ciocnesc cu atomi, ioni, molecule, transferându-le o parte din energia lor. Energia electronilor în mișcare care depășește o astfel de rezistență este parțial disipată sub formă de căldură, iar conductorul se încălzește.

Aceste ciocniri servesc ca rezistență la mișcarea electronilor, prin urmare proprietatea unui conductor de a împiedica mișcarea particulelor încărcate se numește rezistență electrică. Cu o rezistență scăzută a conductorului, conductorul este încălzit de curent slab, cu unul semnificativ - mult mai puternic și chiar până la alb, acest efect este utilizat în dispozitivele de încălzire și lămpile incandescente.

Unitatea de schimbare a rezistenței este Ohm. Rezistența R \u003d 1 Ohm este rezistența unui astfel de conductor, atunci când trece un curent continuu de 1 amper, diferența de potențial la capetele conductorului este de 1 volt. Standardul de rezistență de 1 ohm este o coloană de mercur de 1063 mm înălțime, cu o secțiune transversală de 1 mm pătrat la o temperatură de 0 ° C.

Deoarece conductorii sunt caracterizați prin rezistență electrică, se poate spune că, într-o oarecare măsură, conductorul este capabil să conducă curentul electric. În acest sens, a fost introdusă o mărime numită conductivitate sau conductivitate electrică. Conductivitatea electrică este capacitatea unui conductor de a conduce curentul electric, adică inversul rezistenței electrice.

Unitatea de măsură pentru conductivitatea electrică G (conductivitate) este Siemens (Sm), iar 1 Sm = 1/(1 ohm). G = 1/R.

Deoarece atomii diferitelor substanțe interferează cu trecerea curentului electric în grade diferite, rezistența electrică a diferitelor substanțe este diferită. Din acest motiv, a fost introdus conceptul, a cărui valoare „p” caracterizează proprietățile conductoare ale unei substanțe.

Rezistivitatea electrică se măsoară în ohm * m, adică rezistența unui cub dintr-o substanță cu marginea de 1 metru. În același mod, conductivitatea electrică a unei substanțe se caracterizează prin conductivitate electrică specifică?, măsurată în S/m, adică conductivitatea unui cub al unei substanțe cu marginea de 1 metru.

Astăzi, materialele conductoare în inginerie electrică sunt utilizate în principal sub formă de benzi, anvelope, fire, cu o anumită arie de secțiune transversală și o anumită lungime, dar nu sub formă de cuburi de metri. Și pentru calcule mai convenabile ale rezistenței electrice și conductivității electrice a conductorilor de dimensiuni specifice, au fost introduse unități de măsură mai acceptabile atât pentru rezistivitatea electrică, cât și pentru conductivitatea electrică. Ohm*mm2/m pentru rezistivitate și Sm*m/mm2 pentru conductivitate electrică.

Acum putem spune asta Rezistivitatea electrică și conductibilitatea electrică caracterizează proprietățile conductoare ale unui conductor cu o suprafață a secțiunii transversale de 1 sq. mm, o lungime de 1 metru la o temperatură de 20 ° C, acest lucru este mai convenabil.

Metalele precum aurul, cuprul, argintul, cromul, aluminiul au cea mai bună conductivitate electrică. Oțelul și fierul conduc curentul mai rău. Metalele pure au întotdeauna o conductivitate electrică mai bună decât aliajele lor, așa că cuprul pur este de preferat în inginerie electrică. Dacă aveți nevoie de o rezistență deosebit de mare, atunci utilizați wolfram, nicrom, constantan.

Cunoscând valoarea rezistivității electrice sau conductivității electrice, se poate calcula cu ușurință rezistența sau conductivitatea electrică a unui anumit conductor realizat dintr-un material dat, ținând cont de lungimea l și aria secțiunii transversale S a acestui conductor.

Conductivitatea electrică și rezistența electrică a tuturor materialelor depind de temperatură., întrucât frecvența și amplitudinea vibrațiilor termice ale atomilor rețelei cristaline crește și ele cu creșterea temperaturii, rezistența la curent electric, la fluxul de electroni, crește în mod corespunzător.

Odată cu scăderea temperaturii, dimpotrivă, vibrațiile atomilor rețelei cristaline devin mai mici, rezistența scade (conductivitatea electrică crește). În unele substanțe, dependența rezistenței de temperatură este mai puțin pronunțată, în altele este mai puternică. De exemplu, aliajele precum constantanul, fechralul și manganina modifică ușor rezistivitatea într-un anumit interval de temperatură, așa că sunt folosite pentru a face rezistențe termostabile.

Vă permite să calculați pentru un anumit material creșterea rezistenței sale la o anumită temperatură și caracterizează numeric creșterea relativă a rezistenței cu o creștere a temperaturii cu 1 °C.

Cunoscând coeficientul de temperatură al rezistenței și creșterea temperaturii, se poate calcula cu ușurință rezistivitatea unei substanțe la o anumită temperatură.

Sperăm că articolul nostru v-a fost util, iar acum puteți calcula cu ușurință rezistența și conductivitatea oricărui fir la orice temperatură.