Меню

Проводимость электрического тока химия

§ 3.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Электрический ток проводят твердые, жидкие и газообразные тела. Чем эти проводники отличаются друг от друга?

По способности веществ проводить электрический ток их можно разделить на несколько групп.

К другой группе относятся вещества, в которых мало свободных заряженных частиц. Поэтому сила тока в них даже при большой разности потенциалов очень мала. Эти вещества называют изоляторами или диэлектриками.

Деление веществ на проводники и изоляторы условно. В природе нет идеальных изоляторов. Даже лучшие из известных изоляторов имеют некоторое, небольшое по сравнению с проводниками число свободных заряженных частиц. В диэлектриках концентрация свободных зарядов не превышает 1017 м-3, а в металлах концентрация свободных электронов порядка 1028 м-3.

К проводникам прежде всего следует отнести все металлы, среди которых наилучшей электропроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Металлические проводники находят широчайшее применение в передаче электроэнергии от источников тока к потребителям. Эти проводники используются также в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, электроизмерительных приборах и т. д.

Наряду с металлами хорошими проводниками являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ — плазма. При определенных условиях и в вакууме может существовать электрический ток. Так, в вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов, поступающие из специальных устройств.

К числу хороших изоляторов относятся янтарь, фарфор, резина, стекло, парафин. Жидкими диэлектриками являются керосин, минеральное (трансформаторное) масло, лаки, чистая (дистиллированная) вода и др.

Лучший изолятор — вакуум.

Однако при некоторых условиях, например в сильном электрическом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы, и вещество, которое при отсутствии электрического поля или в слабом поле было диэлектриком, становится проводником. Напряженность электрического поля, при которой начинается ионизация молекул диэлектрика, называется пробивной напряженностью (электрической прочностью) диэлектрика. Поэтому при использовании диэлектриков в электрических установках наибольшее значение напряженности электрического поля выбирают равным допускаемой напряженности. Допускаемая напряженность обычно в несколько раз меньше пробивной.

В качестве примера приведем значения пробивной напряженности для некоторых диэлектриков: воздух — 3000 кВ/м, масло трансформаторное — 10 ООО кВ/м, фарфор — 8000. 15 000 кВ/м, слюда — 80 000. 200 000 кВ/м.

Кроме проводников и диэлектриков имеется группа веществ (в основном твердых), проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электрический ток, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников. К ним относятся кремний, германий, селен и многие другие вещества. Существуют и жидкие полупроводники.

Для полупроводников характерно резкое изменение электропроводности с изменением температуры. При низких температурах число свободных зарядов в них мало и по своим свойствам эти вещества близки к диэлектрикам. С повышением температуры число свободных носителей заряда увеличивается настолько, что эти вещества уже можно отнести к хорошим проводникам.

Электропроводность полупроводников зависит также от падающего на них света, напряженности и направления электрического поля и особенно резко изменяется при введении в их состав незначительного количества примесей.

До недавнего времени полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Положение существенно изменилось, можно даже сказать, что в радиотехнике произошла революция, когда сначала теоретически, а затем экспериментально была открыта и изучена легко осуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводники нашли широкое применение в электротехнике, радиотехнике, в электронно-вычислительных машинах, автоматике и т. д.

Для передачи электрической энергии по проводам применяют проводники.

Полупроводники применяют в качестве элементов, пре-образующих ток в радиоприемниках, вычислительных машинах и т. д.

Источник

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

В зависимости от величины электропроводности вещества можно условно разделить на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Однако, провести четкие границы между группами невозможно.

Проводники имеют большое количество свободных ионов, а следственно и большую электропроводность. Они делятся на два рода, которые отличаются друг от друга физической природой протекания электрического тока. К первому роду относятся металлы с электронной проводимостью, то есть прохождение тока по ним обусловлено движением свободных электронов. К проводникам второго рода относятся растворы кислот, щелочей и солей, которые называют электролитами. Прохождение тока по электролитам обусловлено движением положительных и отрицательных ионов. Такие проводники имеют ионную проводимость. Электропроводность проводников больше 10 6 (ом·м) -1 . [3]

Читайте также:  Уравнения равновесия моста переменного тока

Диэлектрики имеют наоборот маленькое количество свободных ионов, что означает малую электропроводность и практически неспособность проводить электрический ток. К ним можно отнести дерево, смолы, пластмассы, стекло и т.п. Электропроводность диэлектриков меньше 10 6 (ом·м) -1 . [3]

Полупроводники имеют проводящие свойства средние между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся, например, германий, кремний, селен и другие искусственные соединения. [3]

На электропроводность вещества или тела влияет температура вещества. Однако, зависимость от температуры различная у разных веществ. У металлов данная зависимость определяется уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом температуры. При увеличении температуры происходит возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны и соответственно электропроводность уменьшается. Для полупроводников зависимость иная. При повышении температуры электропроводность увеличивается, так как увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. Диэлектрики также имеют увеличенную электропроводность, но при очень высоком электрическом напряжении. [2]

Металлы имеют свойство проводить ток. Это обусловлено тем, что электромагнитное поле воздействует на проводниковый металл, в следствие чего электрон ускоряется настолько, что теряет связь с атомом.

Электронная теория проводимости металлов создана П. Друде в 1900 г., которая далее получила развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения данной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием очень большого числа носителей заряда – электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Следуя из этого средняя длина свободного пробега электронов равна 10­­ -8 см. [1]

Плотность тока, проходящая через проводник будет равна общему заряду всех электронов, проходящих за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника.

Плотность тока выражается формулой:

Q — значение удельной проводимости;

— значение направления плотности тока;

— значение направления напряженности электрического поля.

Электропроводность некоторых металлов представлена в таблице 1.

Таблица 1 – «Электропроводность металлов»

Источник



§ 3. Электрический ток и электропроводность вещества

Электрический ток. В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения элементарных носителей электричества — электронов или ионов. Движение этих электрически заряженных частиц материи называют электрическим током.
За единицу силы тока принят ампер (А). Это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл. Силу тока иногда измеряют тысячными долями ампера — миллиамперами (мА) или миллионными долями ампера — микроамперами (мкА), а при больших значениях— тысячами ампер — килоамперами (кА), в формулах ток обозначают буквой I (i).
В электротехнике широко применяют как постоянный, так и переменный ток. Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными (рис. 9, а).

Токи, значение и направление которых не остаются постоянными, называют изменяющимися, или переменными. Чаще всего в электротехнических устройствах используют ток, изменяющийся по синусоидальному закону, который получают от генераторов переменного тока и трансформаторов (рис. 9, б). От выпрямителей получают пульсирующий ток (рис. 9, в), неизменный по направлению, но меняющийся по величине.

Рис. 9. Зависимости тока от времени: а — постоянный ток; б — переменный синусоидальный ток; в — пульсирующий ток

Электропроводность. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электропроводностью. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных (т. е. не связанных с атомами, молекулами или кристаллической структурой) электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.
Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существуют два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. К проводникам первого рода относятся металлы. Прохождение по ним тока обусловлено движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью. Проводниками второго рода являются растворы кислот, щелочей и солей (в основном водные), называемые электролитами. Прохождение тока через электролиты связано с движением электрически заряженных частей молекул — положительных и отрицательных ионов, т. е. электролиты являются проводниками с ионной проводимостью.
Имеются также вещества со смешанной проводимостью, в которых ток переносится электронами и ионами. К ним относятся, например, газы и пары в ионизированном состоянии.
Физическая природа электропроводности металлов. Высокая электропроводность металлов хорошо объясняется на основе электронной теории. Согласно этой теории валентные электроны сравнительно слабо связаны с их ядрами. Поэтому они свободно перемещаются между атомами, переходя из сферы действия одного атома в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа. Эти электроны принято называть свободными.

Читайте также:  Перчатки диэлектрические защита от поражения электрическим током до 1000 в

Рис. 10. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках: а — беспорядочное движение электронов; б — упорядоченное движение электронов

Металлоиды имеют на внешней оболочке большое количество электронов и они прочно удерживаются около своих ядер. Поэтому металлоиды, как правило, являются диэлектриками.
Скорость прохождения тока. Электрическое поле распространяется в пространстве с огромной скоростью — 300 000 км/с, т. е. со скоростью света. С такой же скоростью проходит и электрический ток в проводнике. Однако каждый отдельный электрон движется в среднем по проводнику со скоростью несколько миллиметров или сантиметров в секунду (эта скорость зависит от напряженности электрического поля).
Чем же объяснить такую скорость распространения электрического тока? Причина в том, что каждый электрон находится в общем электронном потоке, заполняющем проводник, и при прохождении электрического тока испытывает непрерывное воздействие со стороны соседних электронов. Поэтому, хотя сам электрон движется медленно, скорость передачи движения от одного электрона к другому (скорость распространения электрической энергии) будет огромна. Например, при включении рубильника на электростанции практически мгновенно появляется ток в каждом участке электрической цепи целого города, несмотря на незначительную скорость движения электронов.

Источник

Электрический ток и его основные характеристики. Электропроводность веществ

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.8.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Поэтому электрическим током I в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов) (рис. 1.8.б).

Рисунок 1.8. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:

а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов

Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Единица измерения силы тока — ампер A: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник, и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением R.Единицы измерения —Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.

Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться.

Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью G. Электропроводность– величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G=1/R (См).

Читайте также:  Понижающий трансформатор переменного тока 220 12v

Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества.

Все вещества в зависимости от электропроводимости условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.

· Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость) и;

· электролиты (растворы кислот, щелочей и солей) – прохождение тока в них связано с движением электрически заряженных частей молекул – положительных и отрицательных ионов (ионная проводимость).

Материал проводника Электрическое сопротивление, R, Ом
Серебро Медь (применяется наиболее часто) Алюминий (применяется часто) Железо (применяется редко) 1,6 1,7 2,9 9,8

Полупроводники– имеют мало свободных электронов. В обычном состоянии плохо проводят ток. Но при определённых посторонних воздействиях электроны могут покидать атомы и становятся проводниками.

Чистые полупроводники: германий и кремний; примеси пятивалентные: мышьяк или сурьма; примеси трёхвалентные: индий и галлий.

Диэлектрики(изоляторы) – не проводят электрический ток. В них электроны очень крепко связаны со своими атомами.

Жидкие и полужидкие диэлектрики: минеральные масла (трансформаторное, конденсаторное), растительное (касторовое), синтетические (совол, совтол), вазелин.

Твёрдые диэлектрики: высокополимеры, пластмассы, керамика, слюда, электрокартон.

Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по их удельному электрическому сопротивлению ρ. За величину, характеризующую удельное сопротивление ρ,принимается сопротивление куба с ребром 1м. [Ом/м]

Для суждения об электропроводности материала пользуются понятием удельная электрическая проводимость σ. Удельная проводимость (σ) – проводимость куба с ребром 1 м. Измеряется вСм/м. (σ)=1/(ρ) (См/м)

Сопротивление прямолинейного проводника (шины, ленты) зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и её длины). R= ρ∙l/s (Ом); ρ [Ом∙м/мм 2 ]

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решётке металла увеличивается, отчего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебание атомов уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

Однако, у таких сплавов, как фехраль, нихром, константан, менганин и др. в определённом интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Эти сплавы применяют для изготовления резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость, и следовательно, он лучше проводит ток.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется электрический ток?

3. Какие виды токов Вы знаете?

4. Дайте определение пульсирующего тока.

5. Какой ток называется импульсным?

6. Единицей электрического заряда принято считать …..

7. Удельная проводимость – это …..

8. Что такое сопротивление электрического тока?

9. Какие носители электричества создают в веществе, помещенном в электрическое поле, процесс движения?

10. Какой ток называется переменным?

11. Как условно делятся вещества в зависимости от электропроводности

12. Сопротивление куба с ребром 1м называется …..

13. Способность материала проводить электрический ток, называется …..

14. Как температура проводника влияет на его электропроводность?

15. Назовите единицы измерения электропроводности?

16. От чего зависит электропроводность вещества?

17. Дайте определение, что такое проводник.

18. Дайте определение, что такое диэлектрик.

19. Дайте определение, что такое полупроводник.

20. Дайте определение постоянного тока.

21. Назовите единицы измерения сопротивления.

22. Дайте определение удельной проводимости.

23. Дайте определение удельного сопротивления.

24. Назовите факторы, влияющие на сопротивление линейного проводника.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник