Электрическая проводимость. Определение, единицы измерения. Электрическое сопротивление и проводимость Удельная электрическая проводимость формула

⁰

Полагаем, что J диф, J конв, J терм равны нулю и J = J мигр. Движение ионов в проводниках второго рода и электронов в проводниках первого рода вследствие разности электрических потенциалов обусловливает их способность пропускать электрический ток, т. е. их электрическую проводимость (электропроводность). Для количественной характеристики способности проводников первого и второго рода пропускать электрический ток применяют две меры электрической проводимости. Одна из них - удельная электрическая проводимость κ- является величиной, обратной удельному сопротивлению:

Удельное сопротивление определяется из формулы

где R - общее сопротивление проводника, Ом; l – расстояние между двумя параллельными плоскостями, между которыми определено сопротивление, м; S - площадь поперечного сечения проводника, м 2 .

Следовательно

и удельная электрическая проводимость определяется как величина, обратная сопротивлению одного кубического метра проводника с длиной ребра куба, равной одному метру. Единица удельной электрической проводимости: См/м. C другой стороны, по закону Ома

где Е - разность потенциалов между заданными параллельными плоскостями; I - ток.

Подставив это выражение в уравнение, определяющее удельную электрическую проводимость, получим:

При S = 1 и Е/l = 1 имеем κ = 1. Таким образом, удельная электрическая проводимость численно равна току, проходящему через сечение проводника с поверхностью в один квадратный метр, при градиенте потенциала, равном одному вольту на метр.

Удельная электрическая проводимость характеризует число носителей заряда в единице объема. Следовательно, удельная электрическая проводимость будет зависеть от концентрации раствора, а для индивидуальных веществ - от их плотности.

Второй мерой электрической проводимости является эквивалентная λ э (или молярная λ м) электрическая проводимость, равная произведению удельной электрической проводимости на число кубических метров, в которых содержится один эквивалент или один моль вещества:

λ э = κφ э; λ м = κφ м

Поскольку φ выражено в м 3 /экв или м 3 /моль, то единицей λ будет См∙м 2 /экв или См∙м 2 /моль.

Для растворов φ = 1/С, где С - концентрация, выраженная в моль/м 3 . Тогда

λ э = κ/zC и λ м = κ/С

Если же С выражена в кмоль/м 3 , то φ э = 1/(zC∙10 3); φ м = 1/(С∙10 3) и

λ э = κ/(zC∙10 3) и λ м = κ/(С∙10 3)

При определении молярной проводимости индивидуального вещества (твердого или жидкого) φ м = V M , но V м = M/d (где V м - молярный объем; М - молекулярная масса; d - плотность), сле-

до в а те л ьн о

λ м = κV м = κМ/d

Таким образом, эквивалентная (или молярная) электрическая проводимость есть проводимость проводника, находящегося между двумя параллельными плоскостями, расположенными на расстоянии одного метра друг от друга и такой площади, чтобы между ними поместился один эквивалент (или один моль) вещества (в виде раствора или индивидуальной соли).

Эта мера проводимости характеризует проводимость при оди-наковом количестве вещества (моле или эквиваленте), но содержащемся в разных объемах и, таким образом, отражает влияние сил взаимодействия между ионами как функцию межионных расстояний.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Металлы, характеризующиеся небольшой энергией перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, уже при нормальной температуре имеют в зоне проводимости достаточное число электронов для обеспечения высокой электрической проводимости. Проводимость металлов уменьшается с повышением температуры. Это происходит из-за того, что с ростом температуры в металлах преобладает эффект увеличения колебательной энергии ионов кристаллической решетки, оказывающий сопротивление направленному движению электронов, над эффектом увеличения числа носителей заряда в зоне проводимости. Сопротивление химически чистых металлов с повышением температуры возрастает, увеличиваясь примерно на 4∙10 –3 R 0 при повышении температуры на градус (R 0 - сопротивление при 0°С). Для большинства химически чистых металлов при нагревании наблюдается прямолинейная зависимость между сопротивлением и температурой

R = R 0 (1 + αt)

где α - температурный коэффициент сопротивления.

Температурные коэффициенты сплавов могут изменяться в широких пределах, например, у латуни α = 1,5∙10 –3 , а у константана α = 4∙10 –6 .

Удельная проводимость металлов и сплавов лежит в пределах 10 6 - 7∙10 7 См/м. Электрическая проводимость металла зависит от числа и заряда электронов, участвующих в переносе тока, и среднего времени пробега между столкновениями. Эти же параметры при данной напряженности электрического поля определяют и скорость движения электрона. Поэтому плотность тока в металле может быть выражена уравнением

где - средняя скорость упорядоченного движения зарядов; п – число электронов зоны проводимости в единице объема.

Полупроводники по своей проводимости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Чистые полупроводниковые материалы, например германий и кремний, обладают собственной проводимостью.

Рис. 5.1. Схема возникновения пары электрон проводимости (1) – дырка (2).

Собственная проводимость обусловлена тем, что при тепловом возбуждении электронов происходит их переход из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны под действием разности потенциалов движутся в определенном направлении и обеспечивают электронную проводимость полупроводников. При переходе электрона в зону проводимости в валентной зоне остается вакантное место - «дырка», эквивалентное присутствию единичного положительного заряда. Дырка также может перемещаться под действием электрического поля в результате перескока на ее место электрона валентной зоны, но в сторону, противоположную движению электронов зоны проводимости, обеспечивая дырочную проводимость полупроводника. Процесс образования дырки показан на рис. 5.1.

Таким образом, в полупроводнике с собственной проводимостью имеется два типа носителей заряда- электроны и дырки, которые обеспечивают электронную и дырочную проводимость полупроводника.

В полупроводнике с собственной проводимостью число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне. При данной температуре в полупроводнике существует динамическое равновесие между электронами и дырками, т. е. скорость их образования равна скорости рекомбинации. Рекомбинация электрона зоны проводимости с дыркой валентной зоны приводит к «образованию» электрона в валентной зоне.

Удельная проводимость полупроводника зависит от концентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице объема. Обозна-чим концентрацию электронов n i , а концентрацию дырок р i . В полупроводнике с собственной проводимостью n i = p i (такие полупроводники кратко называются полупроводниками i-типа). Концентрация носителей заряда, например в чистом германии, равна n i = p i ≈10 19 м –3 , в кремнии - примерно 10 16 м –3 и составляет 10 –7 - 10 –10 % по отношению к числу атомов N.

Под действием электрического поля в полупроводнике происходит направленное движение электронов и дырок. Плотность тока проводимости складывается из электронной i e и дырочной i p плотностей токов: i = i e + i p , которые, несмотря на равенство концентраций носителей, не равны по величине, так как скорости движения (подвижности) электронов и дырок различны. Плотность электронного тока равна:

Средняя скорость движения электронов пропорциональна напряженности Е" электрического поля:

Коэффициент пропорциональности w e 0 характеризует скорость движения электрона при единичной напряженности электрического поля и называется абсолютной скоростью движения. При комнатной температуре в чистом германии w e 0 = 0,36 м 2 /(В∙с).

Из двух последних уравнений получаем:

Повторив аналогичные рассуждения для дырочной проводимости, можем записать:

Тогда для полной плотности тока:

Сравнивая выражение для iс законом Ома i = κЕ", при S = 1 м 2 получим:

Как указано выше, у полупроводника с собственной проводимостью n i = p i , следовательно

w p 0 всегда ниже w e 0 , например в германии w p 0 = 0, 18 м 2 /(В∙с), а w e 0 = 0,36 м 2 /(В∙с).

Таким образом, удельная электрическая проводимость полупроводника зависит от концентрации носителей и их абсолютных скоростей и аддитивно складывается из двух членов:

κ i = κ e + κ p

Закон Ома для полупроводников выполняется лишь в том случае, если концентрация носителей n i не зависит от напряженности поля. При высоких напряженностях поля, которые называются критическими (для германия E кр ’ = 9∙10 4 В/м, для кремния E кр ’= 2,5∙10 4 В/м), закон Ома нарушается, что связано с изменением энергии электрона в атоме и снижением энергии перевода в зону проводимости, а также с возможностью ионизации атомов решетки. Оба эффекта вызывают увеличение концентрации носителей заряда.

Электрическая проводимость при высоких напряженностях поля выражается эмпирическим законом Пуля:

ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E кр ’)

где κ 0 - удельная проводимость при Е’ = Е кр ’.

При повышении температуры в полупроводнике происходит интенсивная генерация носителей заряда, причем их концентрация увеличивается быстрее, чем уменьшается абсолютная скорость движения электронов из-за теплового движения. Поэтому, в отличие

от металлов, электрическая проводимость полупроводников с по- вышением температуры возрастает. В первом приближении для небольшого интервала температур зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры может быть выражена уравнением

где k - постоянная Больцмана; А - энергия активации (энергия, необходимая для перевода электрона в зону проводимости).

Вблизи абсолютного нуля все полупроводники являются хорошими изоляторами. С повышением температуры на градус их проводимость увеличивается в среднем на 3 - 7%.

При введении в чистый полупроводник примесей к собственной электрической проводимости добавляется примесная электрическая проводимость. Если, например, в германий вводить элементы V группы периодической системы (Р, As, Sb), то последние образуют решетку с германием с участием четырех электронов, а пятый электрон, в связи с малой энергией ионизации атомов примеси (около 1,6∙10 –21), переходит от атома примеси в зону проводимости. В таком полупроводнике будет преобладать электронная проводимость (полупроводник называется электронным полупроводником п-типа]. Если атомы примеси обладают большим сродством к электрону, чем германий, например элементы III группы (In, Ga, В, А1), то они отнимают электроны от атомов германия и в валентной зоне образуются дырки. В таких полупроводниках преобладает дырочная проводимость (полупроводник р-типа]. Атомы примесей, обеспечивающие электронную проводимость, являются донорами электронов, а дырочную - акцепторами) .

Примесные полупроводники обладают более высокой электрической проводимостью, чем полупроводники с собственной проводимостью, если концентрация атомов донорной N Д или акцепторной N А примеси превышает концентрацию собственных носителей заряда. При больших значениях N Д и N A можно пренебречь концентрацией собственных носителей. Носители заряда, концентрация которых преобладает в полупроводнике, называются основными. Например, в германии n-типа n n ≈ 10 22 м –3 , в то время как n i ≈ 10 19 м~ 3 , т. е. концентрация основных носителей в 10 3 раз превышает концентрацию собственных носителей.

Для примесных полупроводников справедливы соотношения:

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

Первое из этих уравнений записано для полупроводника n-типа, а второе - для полупроводника р-типа. Из данных соотношений следует, что очень небольшое количество примеси (около 10 –4 0 /о) значительно увеличивает концентрацию носителей заряда, в результате чего электрическая проводимость возрастает.

Если пренебречь концентрацией собственных носителей и считать N Д ≈n n для полупроводника n-типа и N A ≈ р р для полупроводника р-типа, то удельная электрическая проводимость примесного полупроводника может быть выражена уравнениями:

При наложении электрического поля в полупроводниках n-типа перенос заряда осуществляется электронами, а в полупроводниках р-типа - дырками.

При внешних воздействиях, например при облучении, концентрация носителей заряда изменяется и может быть разной в различных частях полупроводника. В этом случае, как и в растворах, в полупроводнике протекают процессы диффузии. Закономерности Процессов диффузии подчиняются уравнениям Фика. Коэффициенты диффузии носителей заряда значительно выше, чем ионов в растворе. Например, у германия коэффициент диффузии электронов равен 98∙10 –4 м 2 /с, дырок - 47∙10 –4 м 2 /с. Типичными полупроводниками, помимо германия и кремния, при комнатной температуре являются ряд оксидов, сульфидов, селенидов, телуридов и т. д. (например, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).

ИОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Ионной проводимостью обладают газы, некоторые твердые соединения (ионные кристаллы и стёкла), расплавленные индивидуальные соли и растворы соединений в воде, неводных растворителях и расплавах. Значения удельной проводимости проводников второго рода разных классов колеблются в очень широких пределах:

Вещество	c∙10 3 , См/м	Вещество	c∙10 3 , См/м
Н 2 О	0.0044	NaOH 10% раствор 30% »
С 2 H 5 OH	0.0064	КОН, 29% раствор
С 3 H 7 OH	0.0009	NaCl 10% раствор 25% »
СН 3 ОН	0.0223	FeSO 4 , 7% раствор
Ацетонитрил	0.7	NiSO 4 , 19% раствор
N,N-Диметилацетамид	0.008-0.02	CuSO 4 , 15% раствор
СН 3 СOOH	0.0011	ZnС1 2 , 40% раствор
H 2 SO 4 концентрированная 10% раство 40% »		NaCl (расплав, 850 °С)
НС1 40% раствор 10% »		NaNO 3 (расплав 500 °С)
HNO 3 концентрированная 12% раствор		MgCl 2 (расплав, 1013 °С)
		А1С1 3 (расплав, 245 °С)	0.11
		АlI 3 (расплав, 270 °С)	0.74
		AgCl (расплав, 800 °С)
		AgI (твердый)

Примечание, Значения удельной проводимости растворов приведены при 18 °С.

Однако во всех случаях приведенные значения κ на несколько порядков ниже значений κ металлов (например, удельная проводимость серебра, меди и свинца равна соответственно 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 и 0,056∙10 8 См/м).

В проводниках второго рода в переносе электричества могут принимать участие все сорта частиц, имеющие электрический заряд. Если ток переносят как катионы, так и анионы, то электролиты обладают биполярной проводимостью. Если же ток переносит только один какой-нибудь сорт ионов - катионы или анионы, - то наблюдается униполярная катионная или анионная проводимость.

В случае биполярной проводимости ионы, двигающиеся быстрее, переносят большую долю тока, чем ионы, двигающиеся медленнее. Доля тока, переносимая данным сортом частиц, называется числом переноса этого сорта частиц (t i).При униполярной проводимости число переноса того сорта ионов, которые переносят ток, равно единице, так как весь ток переносится этим сортом ионов. Но при биполярной проводимости число переноса каждого сорта ионов меньше единицы, а

причем под числом переноса нужно понимать абсолютное значение доли тока, приходящегося на данный сорт ионов без учета того, что катионы и анионы переносят электрический ток в разных направлениях.

Число переноса какого-нибудь одного сорта частиц (ионов) при биполярной проводимости не является величиной постоянной, характеризующей только природу данного сорта ионов, а зависит и от природы частиц-партнеров. Например, число переноса ионов хлора в растворе соляной кислоты меньше, чем в растворе КС1 той же концентрации, поскольку ионы водорода более подвижны, чем ионы калия. Методы определения чисел переноса многообразны, и их принципы изложены в соответствующих лабораторных практикумах по теоретической электрохимии.

Прежде чем перейти к рассмотрению электрической проводимости конкретных классов веществ, остановимся на одном общем вопросе. Любое тело двигается в постоянном поле действующих на него сил с ускорением. Между тем, ионы во всех классах электролитов, кроме газов, двигаются под влиянием электрического поля данной напряженности с постоянной скоростью. Для объяснения этого представим себе силы, действующие на ион. Если масса иона m и скорость его движения w, то ньютонова сила mdw /dt будет равна разности силы электрического поля (М),двигающей ион, и реактивной силы (L’),тормозящей его движение, ибо ион двигается в вязкой среде. Реактивная сила тем больше, чем больше скорость движения иона, т. е. L’ = Lw (здесь L - коэффициент пропорциональности). Таким образом

После разделения переменных имеем:

Обозначив М – Lw = v , получим dw = – dv /L и

или

Константу интегрирования определяем из граничного условия: при t = 0 w = 0, т. е. отсчет времени начинаем с момента начала движения иона (момента включения тока). Тогда:

Подставив вместо постоянной ее значение, получим окончательно.

Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению . В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах : [См]=.

Виды электропроводимости:

— Электронная проводимость , где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.

— Ионная проводимость . Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.

— Дырочная проводимость . Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.

Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.

В важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.

Длина и расстояние Масса Меры объема сыпучих продуктов и продуктов питания Площадь Объем и единицы измерения в кулинарных рецептах Температура Давление, механическое напряжение , модуль Юнга Энергия и работа Мощность Сила Время Линейная скорость Плоский угол Тепловая эффективность и топливная экономичность Числа Единицы измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Угловая скорость и частота вращения Ускорение Угловое ускорение Плотность Удельный объем Момент инерции Момент силы Вращающий момент Удельная теплота сгорания (по массе) Плотность энергии и удельная теплота сгорания топлива (по объему) Разность температур Коэффициент теплового расширения Термическое сопротивление Удельная теплопроводность Удельная теплоёмкость Энергетическая экспозиция, мощность теплового излучения Плотность теплового потока Коэффициент теплоотдачи Объёмный расход Массовый расход Молярный расход Плотность потока массы Молярная концентрация Массовая концентрация в растворе Динамическая (абсолютная) вязкость Кинематическая вязкость Поверхностное натяжение Паропроницаемость Паропроницаемость, скорость переноса пара Уровень звука Чувствительность микрофонов Уровень звукового давления (SPL) Яркость Сила света Освещённость Разрешение в компьютерной графике Частота и длина волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Электрический заряд Линейная плотность заряда Поверхностная плотность заряда Объемная плотность заряда Электрический ток Линейная плотность тока Поверхностная плотность тока Напряжённость электрического поля Электростатический потенциал и напряжение Электрическое сопротивление Удельное электрическое сопротивление Электрическая проводимость Удельная электрическая проводимость Электрическая емкость Индуктивность Американский калибр проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Магнитодвижущая сила Напряженность магнитного поля Магнитный поток Магнитная индукция Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Радиоактивный распад Радиация. Экспозиционная доза Радиация. Поглощённая доза Десятичные приставки Передача данных Типографика и обработка изображений Единицы измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

сименс на метр пикосименс на метр мо на метр мо на сантиметр абмо на метр абмо на сантиметр статмо на метр статмо на сантиметр сименс на сантиметр миллисименс на метр миллисименс на сантиметр микросименс на метр микросименс на сантиметр условная единица электропроводности условный коэффициент электропроводности миллионных долей, коэф. пересчета 700 миллионных долей, коэф. пересчета 500 миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 640 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 550 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 500 TDS, миллионных долей, коэф. пересчета 700

Подробнее об удельной электрической проводимости

Введение и определения

Удельная электрическая проводимость (или удельная электропроводность) является мерой способности вещества проводить электрический ток или перемещать электрические заряды в нем. Это отношение плотности тока к напряженности электрического поля. Если рассмотреть куб из проводящего материала со стороной 1 метр, то удельная проводимость будет равна электрической проводимости, измеренной между двумя противоположными сторонами этого куба.

Удельная проводимость связана с проводимостью следующей формулой:

G = σ(A/l)

где G - электрическая проводимость, σ - удельная электрическая проводимость, А - поперечное сечение проводника, перпендикулярное направлению электрического тока и l - длина проводника. Эту формулу можно использовать с любым проводником в форме цилиндра или призмы. Отметим, что эту формулу можно использовать и для прямоугольного параллелепипеда, потому что он является частным случаем призмы, основанием которой является прямоугольник. Напомним, что удельная электрическая проводимость - величина, обратная удельному электрическому сопротивлению.

Людям, далеким от физики и техники, бывает сложно понять разницу между проводимостью проводника и удельной проводимостью вещества. Между тем, конечно, это разные физические величины. Проводимость - это свойство данного проводника или устройства (например, резистора или гальванической ванны), в то время как удельная проводимость - это неотъемлемое свойство материала, из которого изготовлены этот проводник или устройство. Например, удельная проводимость меди всегда одинаковая, независимо от того как изменяется форма и размеры предмета из меди. В то же время, проводимость медного провода зависит от его длины, диаметра, массы, формы и некоторых других факторов. Конечно, похожие объекты из материалов с более высокой удельной проводимостью имеют более высокую проводимость (хотя и не всегда).

В Международной системе единиц (СИ) единицей удельной электрической проводимости является сименс на метр (См/м) . Входящая в нее единица проводимости названа в честь немецкого ученого, изобретателя, предпринимателя Вернера фон Сименса (1816–1892 гг.). Основанная им в 1847 г. компания Siemens AG (Сименс) является одной из самых больших компаний, выпускающих электротехническое, электронное, энергетическое, транспортное и медицинское оборудование.

Диапазон удельных электрических проводимостей очень широк: от материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением, таких как стекло (которое, между прочим, хорошо проводит электрический ток, если его нагреть докрасна) или полиметилметакрилат (органическое стекло) до очень хороших проводников, таких как серебро, медь или золото. Удельная электрическая проводимость определяется количеством зарядов (электронов и ионов), скоростью их движения и количеством энергии, которое они могут переносить. Средними значениями удельной проводимости обладают водные растворы различных веществ, которые используются, например, в гальванических ваннах. Другим примером электролитов со средними значениями удельной проводимости является внутренняя среда организма (кровь, плазма, лимфа и другие жидкости).

Проводимость металлов, полупроводников и диэлектриков подробно обсуждается в следующих статьях Конвертера физических величин сайт: , и Электрическая проводимость. В этой статье мы обсудим подробнее удельную проводимость электролитов, а также методы и простое оборудование для ее измерения.

Удельная электрическая проводимость электролитов и ее измерение

Удельная проводимость водных растворов, в которых электрический ток возникает в результате движения заряженных ионов, определяется количеством носителей заряда (концентрацией вещества в растворе), скоростью их движения (подвижность ионов зависит от температуры) и зарядом, которые они несут (определяемой валентностью ионов). Поэтому в большинстве водных растворов повышение концентрации приводит к увеличению числа ионов и, следовательно, к увеличению удельной проводимости. Однако после достижения определенного максимума удельная проводимость раствора может начать уменьшаться при дальнейшем увеличении концентрации раствора. Поэтому растворы с двумя различными концентрациями одной и той же соли могут иметь одинаковую удельную проводимость.

Температура также влияет на проводимость, так как при повышении температуры ионы движутся быстрее, что приводит к увеличению удельной проводимости. Чистая вода - плохой проводник электричества. Обычная дистиллированная вода, в которой содержится в равновесном состоянии углекислый газ из воздуха и общая минерализация менее 10 мг/л, имеет удельную электрическую проводимость около 20 мСм/см. Удельная проводимость различных растворов приведена ниже в таблице.

Для определения удельной проводимости раствора используется измеритель сопротивления (омметр) или проводимости. Это практически одинаковые устройства, отличающиеся только шкалой. Оба измеряют падение напряжения на участке цепи, по которому протекает электрический ток от батареи прибора. Измеренное значение проводимости вручную или автоматически пересчитывается в удельную проводимость. Это осуществляется с учетом физических характеристик измерительного устройства или датчика. Датчики удельной проводимости устроены просто: это пара (или две пары) электродов, погруженных в электролит. Датчики для измерения удельной проводимости характеризуются постоянной датчика удельной проводимости , которая в простейшем случае определяется как отношение расстояния между электродами D к площади (электрода), перпендикулярной течению тока А

Эта формула хорошо работает, если площадь электродов значительно больше расстояния между ними, так как в этом случае большая часть электрического тока протекает между электродами. Пример: для 1 кубического сантиметра жидкости K = D/A = 1 см/1 см² = 1 см⁻¹. Отметим, что датчики удельной проводимости с маленькими электродами, раздвинутыми на относительно большое расстояние, характеризуются значениями постоянной датчика 1.0 cm⁻¹ и выше. В то же время, датчики с относительно большими электродами, расположенными близко друг к другу, имеют постоянную 0,1 cm⁻¹ или менее. Постоянная датчика для измерения удельной электрической проводимости различных устройств находится в пределах от 0,01 до 100 cm⁻¹.

Теоретическая постоянная датчика: слева - K = 0,01 см⁻¹ , справа - K = 1 см⁻¹

Для получения удельной проводимости из измеренной проводимости используется следующая формула:

σ = K ∙ G

σ - удельная проводимость раствора в См/см;

K - постоянная датчика в см⁻¹;

G - проводимость датчика в сименсах.

Постоянную датчика обычно не рассчитывают по его геометрическим размерам, а измеряют в конкретном измерительном устройстве или в конкретной измерительной установке с использованием раствора с известной проводимостью. Эта измеренная величина и вводится в прибор для измерения удельной проводимости, который автоматически рассчитывает удельную проводимость по измеренным значениям проводимости или сопротивления раствора. В связи с тем, что удельная проводимость зависит от температуры раствора, устройства для ее измерения часто содержат датчик температуры, который измеряет температуру и обеспечивает автоматическую температурную компенсацию измерений, то есть, приведение результатов к стандартной температуре 25°C.

Самый простой способ измерения проводимости - приложить напряжение к двум плоским электродам, погруженным в раствор, и измерить протекающий ток. Этот метод называется потенциометрическим. По закону Ома, проводимость G является отношением тока I к напряжению U :

Однако не все так просто, как описано выше - при измерении проводимости имеется много проблем. Если используется постоянный ток , ионы собираются у поверхностей электродов. Также у поверхностей электродов может возникнуть химическая реакция. Это приводит к увеличению поляризационного сопротивления на поверхностях электродов, что, в свою очередь, приводит к получению ошибочных результатов. Если попробовать измерить обычным тестером сопротивление, например, раствора хлористого натрия, будет хорошо видно, как показания на дисплее цифрового прибора довольно быстро изменяются в сторону увеличения сопротивления. Чтобы исключить влияние поляризации, часто используют конструкцию датчика из четырех электродов.

Поляризацию также можно предотвратить или, во всяком случае, уменьшить, если использовать при измерении вместо постоянного, да еще и подстраивать частоту в зависимости от проводимости. Низкие частоты используются для измерения низкой удельной проводимости, при которой влияние поляризации невелико. Более высокие частоты используются для измерения высоких проводимостей. Обычно частота подстраивается в процессе измерения автоматически, с учетом полученных значений проводимости раствора. Современные цифровые двухэлектродные измерители проводимости обычно используют переменный ток сложной формы и температурную компенсацию. Они откалиброваны на заводе-изготовителе, однако в процессе эксплуатации часто требуется повторная калибровка, так как постоянная измерительной ячейки (датчика) изменяется со временем. Например, она может измениться при загрязнении датчики или при физико-химических изменениях электродов.

В традиционном двухэлектродном измерителе удельной проводимости (именно такой мы будем использовать в нашем эксперименте) между двумя электродами приложено переменное напряжение и измеряется протекающий между электродами ток. Этот простой метод имеет один недостаток - измеряется не только сопротивление раствора, но и сопротивление, вызванное поляризацией электродов. Для сведения влияния поляризации к минимуму используют четырехэлектродную конструкцию датчика, а также покрытие электродов платиновой чернью.

Общая минерализация

Устройства для измерения удельной электрической проводимости часто используют для определения общей минерализации или содержания твёрдых веществ (англ. total dissolved solids, TDS). Это мера общего количества органических и неорганических веществ , содержащихся в жидкости в различных формах: ионизированной, молекулярной (растворенной), коллоидной и в виде суспензии (нерастворенной). К растворенным веществам относятся любые неорганические соли. Главным образом, это хлориды, бикарбонаты и сульфаты кальция, калия, магния, натрия, а также некоторые органические вещества, растворенные в воде. Чтобы относиться к общей минерализации, вещества должны быть или растворенными, или в форме очень мелких частиц, которые проходят сквозь фильтры с диаметром пор менее 2 микрометров. Вещества, которые постоянно находятся в растворе во взвешенном состоянии, но не могут пройти сквозь такой фильтр, называется взвешенными твердыми веществами (англ. total suspended solids, TSS). Общее количество взвешенных веществ обычно измеряется для определения качества воды.

Существует два метода измерения содержания твердых веществ: гравиметрический анализ , являющийся наиболее точным методом, и измерение удельной проводимости . Первый метод - самый точный, но требует больших затрат времени и наличия лабораторного оборудования, так как воду нужно выпарить до получения сухого остатка. Обычно это производится при температуре 180°C в лабораторных условиях. После полного испарения остаток взвешивается на точных весах.

Второй метод не такой точный, как гравиметрический анализ. Однако он очень удобен, широко распространен и является наиболее быстрым методом , так как представляет собой простое измерение проводимости и температуры, выполняемое за несколько секунд недорогим измерительным прибором. Метод измерения удельной электропроводности можно использовать в связи с тем, что удельная проводимость воды прямо зависит от количества растворенных в ней ионизированных веществ. Данный метод особенно удобен для контроля качества питьевой воды или оценки общего количества ионов в растворе.

Измеренная проводимость зависит от температуры раствора. То есть, чем выше температура, тем выше проводимость, так как ионы в растворе при повышении температуры движутся быстрее. Для получения измерений, независимых от температуры, используется концепция стандартной (опорной) температуры, к которой приводятся результаты измерения. Опорная температура позволяет сравнить результаты, полученные при разных температурах . Таким образом, измеритель удельной проводимости может измерять реальную проводимость, а затем использовать корректирующую функцию, которая автоматически приведет результат к опорной температуре 20 или 25°C. Если необходима очень высокая точность, образец можно поместить в термостат, затем откалибровать измерительный прибор при той же температуре, которая будет использоваться при измерениях.

Большинство современных измерителей удельной проводимости снабжены встроенным датчиком температуры, который используется как для температурной коррекции, так и для измерения температуры. Самые совершенные приборы способны измерять и отображать измеренные значения в единицах удельной проводимости, удельного сопротивления, солености, общей минерализации и концентрации. Однако еще раз отметим, что все эти приборы измеряют только проводимость (сопротивление) и температуру. Все физические величины, которые показывает дисплей, рассчитываются прибором с учетом измеренной температуры, которая используется для автоматической температурной компенсации и приведения измеренных значений к стандартной температуре.

Эксперимент: измерение общей минерализации и проводимости

В заключение мы выполним несколько экспериментов по измерению удельной проводимости с помощью недорогого измерителя общей минерализации (называемого также солемером, салинометром или кондуктомером) TDS-3. Цена «безымянного» прибора TDS-3 на eBay с учетом доставки на момент написания статьи менее US$3.00. Точно такой же прибор, но с названием изготовителя стоит уже в 10 раз дороже. Но это для любителей платить за брэнд, хотя очень высока вероятность того, что оба прибора будут выпущены на одном и том же заводе. TDS-3 осуществляет температурную компенсацию и для этого снабжен датчиком температуры, расположенным рядом с электродами. Поэтому его можно использовать и в качестве термометра. Следует еще раз отметить, что прибор реально измеряет не саму минерализацию, а сопротивление между двумя проволочными электродами и температуру раствора. Все остальное он автоматически рассчитывает с использованием калибровочных коэффициентов.

Измеритель общей минерализации поможет определить содержание твердых веществ, например, при контроле качества питьевой воды или определения солености воды в аквариуме или в пресноводном пруде. Его можно также использовать для контроля качества воды в системах фильтрации и очистки воды, чтобы узнать когда пришло время заменить фильтр или мембрану. Прибор откалиброван на заводе-изготовителе с помощью раствора хлорида натрия NaCl с концентрацией 342 ppm (частей на миллион или мг/л). Диапазон измерения прибора - 0–9990 ppm или мг/л. PPM - миллионная доля, безразмерная единица измерения относительных величин, равная 1 10⁻⁶ от базового показателя. Например, массовая концентрация 5 мг/кг = 5 мг в 1 000 000 мг = 5 частей на миллион или миллионных долей. Точно так же, как процент является одной сотой долей, миллионная доля является одной миллионной долей. Проценты и миллионные доли по смыслу очень похожи. Миллионные доли, в отличие от процентов, удобны для указания концентрации очень слабых растворов.

Прибор измеряет электрическую проводимость между двумя электродами (то есть величину, обратную сопротивлению), затем пересчитывает результат в удельную электрическую проводимость (в англоязычной литературе часто используют сокращение EC) по приведенной выше формуле проводимости с учетом постоянной датчика K, затем выполняет еще один пересчет, умножая полученную удельную проводимость на коэффициент пересчета 500. В результате получается значение общей минерализации в миллионных долях (ppm). Подробнее об этом - ниже.

Данный прибор для измерения общей минерализации нельзя использовать для проверки качества воды с высоким содержанием солей. Примерами веществ с высоким содержанием солей являются некоторые пищевые продукты (обычный суп с нормальным содержанием соли 10 г/л) и морская вода. Максимальная концентрация хлорида натрия, которую может измерить этот прибор - 9990 ppm или около 10 г/л. Это обычная концентрация соли в пищевых продуктах. Данным прибором также нельзя измерить соленость морской воды, так как она обычно равна 35 г/л или 35000 ppm, что намного выше, чем прибор способен измерить. При попытке измерить такую высокую концентрацию прибор выведет сообщение об ошибке Err.

Солемер TDS-3 измеряет удельную проводимость и для калибровки и пересчета в концентрацию использует так называемую «шкалу 500» (или «шкалу NaCl»). Это означает, что для получения концентрации в миллионных долях значение удельной проводимости в мСм/см умножается на 500. То есть, например, 1,0 мСм/см умножается на 500 и получается 500 ppm. В разных отраслях промышленности используют разные шкалы. Например, в гидропонике используют три шкалы: 500, 640 и 700. Разница между ними только в использовании. Шкала 700 основана на измерении концентрации хлорида калия в растворе и пересчет удельной проводимости в концентрацию выполняется так:

1,0 мСм/см x 700 дает 700 ppm

Шкала 640 использует коэффициент преобразования 640 для преобразования мСм в ppm:

1,0 мСм/см x 640 дает 640 ppm

В нашем эксперименте мы вначале измерим общую минерализацию дистиллированной воды. Солемер показывает 0 ppm. Мультиметр показывает сопротивление 1,21 МОм.

Для эксперимента приготовим раствор хлорида натрия NaCl с концентрацией 1000 ppm и измерим концентрацию с помощью TDS-3. Для приготовления 100 мл раствора нам нужно растворить 100 мг хлорида натрия и долить дистиллированной воды до 100 мл. Взвесим 100 мг хлорида натрия и поместим его в мерный цилиндр, добавим немного дистиллированной воды и размешаем до полного растворения соли. Затем дольем воду до метки 100 мл и еще раз как следует размешаем.

Для экспериментального определения проводимости мы использовали два электрода, изготовленные из того же материала и с теми же размерами, что и электроды TDS-3. Измеренное сопротивление составило 2,5 КОм.

Теперь, когда нам известно сопротивление и концентрация хлорида натрия в миллионных долях, мы можем приблизительно рассчитать постоянную измерительной ячейки солемера TDS-3 по приведенной выше формуле:

K = σ/G = 2 мСм/см x 2,5 кОм = 5 см⁻¹

Это значение 5 см⁻¹ близко к расчетной величине постоянной измерительной ячейки TDS-3 с указанными ниже размерами электродов (см. рисунок).

D = 0,5 см - расстояние между электродами;
W = 0,14 см - ширина электродов
L = 1,1 см - длина электродов

Постоянная датчика TDS-3 равна K = D/A = 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Это не сильно отличается от полученного выше значения. Напомним, что приведенная выше формула позволяет лишь приблизительно оценить постоянную датчика.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Из курса физики Вы помните, что электрическое сопротивление любого проводника может быть рассчитано по формуле:

где R - сопротивление в Ом;

l - длина проводника, см;

S - площадь поперечного сечения, см 2 ;

r - удельное сопротивление , т.е. сопротивление проводника длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см 2 .

В электрохимии принято пользоваться величинами, обратными указанным:

Величина L называется электрической проводимостью и измеряется в Сименсах (См) См = Ом -1 .

Величина À называется удельной электрической проводимостью. Нетрудно вывести, что величина À измеряется в См×см -1 . На рис.3.1. представлена кондуктометрическая ячейка, применяемая для измерения электрической проводимости. Она представляет собой сосуд 1, без дна, в который вставлены два платиновых электрода 2, помещаемые в исследуемый раствор 3.

Величину К определяют экспериментально. Для этого необходимо измерить электрическую проводимость L раствора, для которого À известна. Обычно для этого используют растворы хлорида калия известной концентрации (0,1; 0,05; 0,01 моль/дм 3), величины À которых имеются в таблицах.

Из уравнения (3.5.) следует, что

удельная проводимость - это электрическая проводимость раствора, помещенного между двумя электродами площадью 1 см 2 , находящимися на расстоянии 1 см.

больше ионов-носителей электричества. В разбавленных растворах как сильных так и слабых электролитов увеличение концентрации приводит к повышению проводимости, что связано с увеличением количества ионов. В области высоких концентраций наблюдается уменьшение À. Для сильных электролитов это связано с увеличением вязкости растворов и усилением электростатического взаимодействия между ионами. Для слабых электролитов указанный эффект связан с уменьшением степени диссоциации и, следовательно, уменьшением количества ионов.

При повышении температуры удельная проводимость электролитов увеличивается:

À 2 = À 1 [ 1 + a(T 2 - T 1)] (3.7.)

В этом уравнении À 1 и À 2 – удельная проводимость при температурах Т 1 и Т 2 , а a – температурный коэффициент проводимости. Например, для солей a » 0,02. Это означает, что повышение температуры на один градус приводит к увеличению проводимости приблизительно на 2%. Связано это с тем, что при повышении температуры уменьшается степень гидратации и вязкость растворов.

Следует отметить, что в отличие от электролитов, электричес-кая проводимость металлов при повышении температуры уменьшается.

Молярная электрическая проводимость

Молярная проводимость l связана с удельной проводимостью формулой:

l = À×1000/с (3.8.)

В этом выражении с - молярная концентрация раствора, моль×дм -3 . Молярная проводимость выражена в См×см 2 ×моль -1 . Итак,

молярная проводимость - это проводимость раствора, содержащего 1 моль вещества при расстоянии между электродами, равном 1 см.

Молярная электрическая проводимость как сильных так и слабых электролитов с увеличением концентрации понижается. Характер зависимости l от с для сильных и слабых электролитов различен, т.к. влияние концентрации обусловлено различными причинами.

Сильные электролиты . При небольших концентрациях зависимость молярной проводимости от концентрации выражается эмпирическим уравнением Кольрауша:

l = l 0 –bÖс (3.9.)

где b – определяемая опытным путем постоянная,

а l 0 – молярная электрическая проводимость при бесконечном разбавлении или предельная молярная проводимость .

Таким образом,

liml C ® 0 = l 0 (3.10.)

Приготовить раствор, концентрация которого равна нулю, невозможно. Величину l 0 для сильных электролитов можно определить графически. Из уравнения (3.9.) следует, что график зависимости l = f(Öc) для сильных электролитов представляет собой прямую линию (рис.3.3.,линия 1).

Если приготовить ряд растворов различной концентрации, измерить их проводимость L,рассчитать и построить график l = f(Öс), то экстраполируя полученную прямую на ось ординат (с = 0), можно определить l 0 . Если учесть, что сильные электролиты, независимо от концентрации раствора полностью диссоциированы, то приходим к выводу, что количество ионов, образуемых из 1 моль вещества, всегда одно и то же. Значит, от концентрации раствора зависит скорость движения ионов, с увеличением концентрации усиливается торможение ионов . Это явление, связано с образованием вокруг каждого иона в растворе ионной атмосферы , состоящей преимущественно из ионов противоположного знака. С увеличением концентрации также увеличивается вязкость раствора. Существуют и другие причины замедления движения ионов в электрическом поле, на которых мы останавливаться не будем.

Если экспериментально определить величину l для раствора данной концентрации и графически найти l 0 можно рассчитать величину коэффициента электропроводности f :

f = l / l 0 (3.11.)

Коэффициент f характеризует степень торможения ионов и при разбавлении раствора стремится к единице.

Слабые электролиты . Молярная проводимость слабых электролитов значительно меньше, чем для растворов сильных электролитов (рис.3.3, линия 2). Это связано с тем, что даже при низких концентрациях степень диссоциации слабых электролитов мала. Повышение молярной проводимости слабых электролитов при разбавлении растворов связано с увеличением степени диссоциации в соответствии с законом разбавления Оствальда. С.Аррениус высказал предположение, что молярная проводимость слабого электролита связана с его степенью диссоциации выражением:

a = l / l 0 (3.12.)

Таким образом, степень диссоциации слабого электролита можно рассчитать, если известна его предельная молярная проводимость l 0 . Однако определить l 0 графически путем экстраполяции графика l= f(Öс) нельзя, т.к. кривая (рис.3.3., линия 2) при уменьшении концентрации асимптотически приближается к оси ординат.

Величину l 0 можно определить с помощью закона независимости движения ионов Кольрауша :

Молярная электрическая проводимость электролита при бесконечном разбавлении раствора равна сумме предельных подвижностей катионов и анионов.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Подвижности катиона и аниона пропорциональны абсолютным скоростям движения ионов (см.табл. 3.1.).

l 0,+ = F×U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

В этих формулах F - единица количества электричества, называемая Фарадеем, равная 96494 Кулонов (Кл). В табл.3.2. приведены предельные подвижности некоторых ионов.

Следует отметить, что закон независимости движения ионов справедлив как для слабых, так и для сильных электролитов.

Таблица 3.2.

Предельные подвижности ионов (см 2 ×См×моль -1) при 25 0 С

Катион	l 0,+	Анион	l 0,–
Н + К + Na + Li + Ag + Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+	349,8 73,5 50,1 38,7 61,9 127,2 119,0 106,1	ОН - I - Br - Cl - NO 3 - CH 3 COO - SO 4 2-	76,8 78,4 76,3 71,4 40,9 160,0

Применение измерений проводимости

Метод исследования основанный на измерении электрической проводимости, называется кондуктометрией . Этот метод широко используется в лабораторной практике. Прибор для измерения электрической проводимости называется кондуктометром . В частности, кондуктометрический метод позволяет определять константы диссоциации слабых электролитов.

Пример. Определение константы диссоциации уксусной кислоты.

а)Для нахождения постоянной кондуктометрической ячейки приготовили растворы хлорида калия с молярными концентрациями 0,1 и 0,02 моль×дм -3 и измерили их проводимость.Она оказалась равной соответственно L 1 = 0,307 См и L 2 = 0,0645 См. По таблице находим значения удельной проводимости растворов хлорида калия указанных концентраций:

À 1 = 1,29×10 -1 См×см -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 См×см -1

По уравнению 3.6. рассчитываем постоянную ячейки:

К 1 = À 1 /L 1 = 0,42 см -1

К 2 = À 2 /L 2 = 0,40 см -1

Среднее значение К = 0,41 см -1

б)Приготовили два раствора уксусной кислоты с концентрациями c 1 =0,02моль×дм -3 и c 2 = 1×10 -3 моль×дм -3 . С помощью кондуктометра измерили их электрическую проводимость:

L 1 = 5,8×10 -4 См; L 2 = 1,3×10 -4 См.

в) Рассчитываем удельную проводимость:

À 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cм×см -1

À 2 = L 2 ×К = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 См×см -1

г) По формуле (3.8.) находим молярную электрическую проводимость l 1 =11,89См×см 2 ×моль -1 ; l 2 = 49,2 См×см 2 ×моль -1

д) Находим, пользуясь табл.3.2. величину предельной молярной прово-димости уксусной кислоты: l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 См×см 2 ×моль -1 .

е) Наконец, рассчитываем для каждого раствора степень диссоциации (уравнение 3.12.) и константу диссоциации

a 1 = 3,04×10 -2 ; a 2 = 1,26×10 -1

К 1 = 1,91×10 -5 ; К 2 = 1,82×10 -5

Среднее значение К = 1,86×10 -5

Техническая реализация этой задачи позволит человечеству не платить непомерную дань за использование самого удобного вида энергии - в виде тепловых потерь при генерации, трансформации и передаче электроэнергии. Косвенным эффектом освоения сверхпроводимости стало бы и существенное улучшение экологии окружающей среды из-за снижения уровня выбросов вредных продуктов горения угля, мазута и газа тепловыми электростанциями, и прекращение бесполезного подогрева атмосферы Земли, и сокращение выбросов парниковых газов.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога - все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью - материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника - основателя фирмы Siemens - Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Физика явлений

твёрдым , жидким или газообразным плазмой

кристаллические и аморфные .

Эти зоны называются валентными зону проводимости запрещенной зоной

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества. Изящный по своей простоте эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Carl Viktor Eduard Riecke) в 1901 году, убедительно доказал, что носителями тока в металлах является некая субстанция, на тот момент неизвестная. Он в течение года пропускал электрический ток через своеобразный «сэндвич» из разнородных металлов (медь-алюминий-медь) и, по завершению эксперимента, обнаружил отсутствие смешивания металлов. Позднее, трудами датского учёного Нильса Бора была создана и блестяще подтверждена теория планетарного устройства атома, состоящего из положительного ядра, включающего в себя частицы, которые мы сейчас называем нуклонами - это протоны и нейтроны - и внешних оболочек из отрицательно заряженных электронов. Этой теорией до сих пор пользуются физики, правда, привнеся в неё некоторые коррективы.

Электропроводность собственно полупроводников носит электронный характер и сильно зависит от примесей. Техническое использование этого свойства нашло применение в создании усилительных и ключевых элементов современной электроники. Характерными полупроводниками являются четырёхвалентные германий (Ge) и кремний (Si), образующие кристаллическую структуру из атомов, связанных между собой ковалентными связями из электронных пар внешней оболочки атомов. Привнесение примесей резко меняет проводимость этих полупроводников. Например, при добавлении пятивалентных атомов галлия(Ga) или мышьяка (As), в полупроводнике образуется избыток валентных электронов, которые становятся общим достоянием образца полупроводника, в этом случае говорят о проводимости n-типа. Если к полупроводнику добавляется трёхвалентный индий (In), то образуется недостаток валентных электронов, в этом случае говорят о «дырочной» проводимости р-типа.

катионы и анионы

Электропроводность газов

фотохимическая ионизация ударная ионизация

Электропроводность в биологии

Сверхпроводимость

Если термин «электрическая проводимость» знаком, в основном, специалистам по физике и электротехнике, то о сверхпроводниках, стараниями журналистов, слышал почти каждый. Наряду с освоением термоядерной энергии, создание сверхпроводящих материалов, работающих при нормальных земных значениях температур, является мечтой и философским камнем физики 21-го века.

Помимо этого, внедрение сверхпроводников в различные отрасли промышленности и транспорта, привело бы к новой технической революции, плодами которой могло бы пользоваться всё население Земли. Все электрические машины - генераторы, трансформаторы, двигатели - уменьшились бы в размерах, а мощность их возросла бы; применение электромагнитов на основе сверхпроводимости существенно приблизило бы решение проблемы термоядерного синтеза, а сверхскоростные поезда стали бы реальностью.

Исходя из этого, понятен интерес к проблеме сверхпроводимости со стороны учёных и инженеров всего мира, и уже появляются первые материалы, способные реализовать практическую сверхпроводимость. Главным направлением усилий исследователей стали в последнее время графен и графеноподобные материалы, являющиеся по сути дела двумерными структурами с уникальной проводимостью.

Определение и единицы измерения электрической проводимости

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Электрическая проводимость или, иначе, электропроводность является обратной величиной по отношению к сопротивлению. Обозначается проводимость буквой G.

В системе СИ электропроводность измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). В гауссовой системе и в СГСЭ используют статсименс, а СГСМ - абсименс.

Физика явлений

Сама по себе электропроводность какого-либо материала определяется, прежде всего, его физическим состоянием: вещество может быть твёрдым , жидким или газообразным . Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой , из которого состоят верхние слои нашего Солнца.

При рассмотрении явлений электропроводности в твёрдых телах не обойтись без современных представлений физики твёрдого тела и зонной теории проводимости. С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные .

Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы вещества образуют своеобразную объёмную или плоскую решётку; к таким материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют.

Из валентных электронов атомов внутри кристалла образуются ассоциации электронов, не принадлежащих конкретному атому. Точно так же, как состояния электронов в изолированном атоме ограничены дискретными энергетическими уровнями, состояния электронов в твердом теле ограничены дискретными энергетическими зонами . Эти зоны называются валентными или заполненными зонами. Кроме валентной зоны, кристалл имеет зону проводимости , которая расположена, как правило, выше валентной. Эти две зоны в диэлектриках и полупроводниках разделены запрещенной зоной , т. е. энергетической зоной, в которой не может находиться ни один электрон.

Диэлектрики, полупроводники и металлы с точки зрения зонной теории различаются только шириной запрещенной зоны. Диэлектрики имеют самую широкую запрещенную зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля электронов в зоне проводимости не имеется, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля в этой перекрытой зоне имеется достаточно большое количество электронов проводимости, которые могут двигаться и образовывать ток. Полупроводники имеют небольшие запрещенные зоны, и их электропроводность сильно зависит от температуры и других факторов, а также наличия примесей.

Электропроводность металлов

Проводимость металлов обусловлена наличием большого числа валентных электронов с внешних оболочек атомов металлов, которые не принадлежат конкретному атому, но стают достоянием всего ансамбля атомов образца. Совершенно естественно, что атомы металлов, имеющие на внешней оболочке большее число электронов, имеют и более высокую электропроводность - сюда относятся медь (Cu), серебро (Ag) и золото (Au), что всегда отличало ценность этих металлов для электротехники и электроники.

Электропроводность полупроводников

Электропроводность полупроводников сильно зависит от приложения внешних факторов, как-то: электрического или магнитного поля, освещения светом различной интенсивности и спектра или воздействия разного рода облучений вплоть до гамма-квантов. Слово «кванты» в английской терминологии не используется. Это свойство легированных полупроводников нашло широкое применение в современных технологиях. Уникальным свойством односторонней проводимости обладает сочетание полупроводников с различными видами проводимости, так называемый p-n переход, ставший основой современной электроники.

Электропроводность электролитов

Электропроводность электролитов - это способность растворов веществ проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы - катионы и анионы , которые существуют в растворе вследствие электролитической диссоциации. Ионная электропроводность электролитов, в отличие от электронной, характерной для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений.

Общая (суммарная) проводимость состоит из проводимости катионов и анионов, которые под действием внешнего электрического поля движутся в противоположных направлениях. Она связана с подвижностью ионов - характеристикой, зависящей от размеров и заряда имеющихся катионов и анионов. Как было доказано, уникальная подвижность ионов воды - атома водорода катиона Н+ и аниона гидроксильной группы ОН-, обусловлена строением воды, образующей ассоциации молекул с определённым зарядом. Механизм передачи заряда в таких ассоциациях называется крокетным и напоминает по своей сути механизм передачи энергии в бильярде – когда вы наносите удар битком в серию последовательно стоящих шаров, из этой ассоциации вылетает последний дальний шар.

Электропроводность воды, этого самого универсального растворителя на Земле, сильно зависит от примесей растворяемых веществ, именно поэтому электропроводность морской или океанической воды резко отличается от электропроводности пресной воды рек и озёр (мы также пользуемся лечебными свойствами минеральных вод, и отсюда проистекают легенды о живой и мёртвой воде).

Количественно электропроводность электролитов характеризуют эквивалентной электропроводностью - проводящей способностью всех ионов, образующихся в 1 грамм-эквиваленте электролита.

Электропроводность газов

Электропроводность газов обусловлена наличием в них свободных электронов и ионов, поэтому и называется электронно-ионной проводимостью. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого их электропроводность в нормальных условиях невысока. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается хорошим изолятором. Электропроводность газов очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещенными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство проводить электрический ток.

Этот процесс носит название ионизации. Механизмы её действия различны: в верхних слоях атмосферы Земли преобладает фотохимическая ионизация за счёт захвата нейтральной молекулой фотона ультрафиолетового излучения или кванта рентгеновского излучения, с испусканием отрицательного электрона и превращением молекулы в положительно заряженный ион. В свою очередь, свободный электрон, присоединяясь к нейтральной молекуле, превращает её в отрицательно заряженный ион. В нижних слоях атмосферы преобладает ударная ионизация за счёт столкновения молекул газа с корпускулярными частицами солнечного и космического излучений.

Необходимо заметить, что число положительных и отрицательных ионов в атмосферном воздухе при обычных условиях очень малó по сравнению с полным числом его молекул. В 1 кубическом сантиметре газа при обычных условиях давления и температуры содержится около 30 * 10¹⁸ молекул. В то же время в том же объёме количество ионов обоих типов равно в среднем 800–1000. Это количество ионов варьирует в полном соответствии с временем года и временем суток, зависит от геологических, топографических и метеорологических условий и от погоды: так, например, летом число ионов значительно больше, чем зимой, в ясную и сухую погоду больше, чем в дождливую и облачную, при тумане ионизация приземной атмосферы сводится практически к нулю.

Электропроводность в биологии

Знание электропроводности биологических объектов даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и даже лечения. Учитывая то обстоятельство, что земная жизнь зародилась в морской воде, по сути дела являющейся электролитом, все биологические объекты в той или иной степени с точки зрения электрохимии представляют собой электролит, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

Но, при рассмотрении протекания тока через биологические объекты, надо учитывать их клеточное строение, существенным элементом которого является клеточная мембрана - внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт свойств селективности. По своим физическим свойствам клеточная мембрана представляет собой параллельное соединение конденсатора и сопротивления, что предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

В общем случае, биологическая ткань представляет собой конгломерат из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Поскольку последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, протекание тока в биологической ткани, а значит и её электропроводность носит нелинейный характер.

При низких частотах воздействующего тока (до 1 кГц), электропроводность биологических объектов определяется свойствами электропроводности лимфы и каналов кровоснабжения, при больших частотах (свыше 100 кГц) электропроводность биологических объектов пропорциональна общему количеству электролитов, содержащихся в ткани между электродами.

Знание характерных значений удельной электропроводности биологических тканей и характеристик клеточных мембран позволяет создавать приборы объективного контроля процессов, происходящих в клетках организма. Эта информация также помогает при диагностике заболеваний, и создании устройств, применяемых для лечения (электрофорез).

К сожалению, скорость протекания электрохимических реакций невысока, поэтому мы ухитряемся получить ожог раньше, чем отдёрнем руку от чего-то очень горячего - не успевают нервы передать сигнал опасности в мозг, а тот, в свою очередь, отреагировать немедленно – скорость реакции на внешние раздражители у нас составляет сотни миллисекунд. Именно поэтому службы управления движением запрещают нам садиться за руль в состоянии алкогольного или наркотического опьянения, из-за дополнительного снижения скорости реакции.

Сверхпроводимость

Открытое Камерлинг-Онессом в 1911 году явление сверхпроводимости (нулевого сопротивления протеканию тока) для ртути, охлаждённой до –270 градусов Цельсия, произвело переворот во взглядах физиков, обратив их внимание на квантовые процессы, обусловливающие такое состояние вещества.

С тех пор ученые включились в гонку температур, поднимая планку сверхпроводимости веществ всё выше и выше. Разработанные ими соединения, сплавы и керамики (фторированная HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ или Hg−1223) подняли температуру сверхпроводимости до 138 Кельвинов, что ненамного ниже минимальной температуры на Земле. Последней волшебной палочкой, позволяющей достичь вековой мечты, стали новые материалы с фантастическими свойствами - графен и графеноподобные материалы.

В первом приближении (достаточно грубом) сверхпроводимость металлов может быть объяснена отсутствием колебаний атомов кристаллической решётки, что уменьшает вероятность соударений с ними электронов.

Остановимся на нескольких аспектах практического применения сверхпроводимости. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor на Лонг-Айленде в Нью-Йорке в конце июня 2008 года. Южнокорейская компания LS Cable собирается создать в Сеуле и других городах сверхпроводящие линии электропередач с общей длиной сверхпроводящего кабеля в 3000 км. А трёхфазный концентрический кабель на 10 000 вольт проекта AmpaCity, разработанный и внедрённый в Германии, рассчитан на передачу 40 мегаватт мощности. По сравнению с медным кабелем такого же размера, сверхпроводящий кабель может передавать в пять раз больше энергии, несмотря на толстую охлаждающую рубашку. Проект запущен в работу в г. Эссен, Германия в 2014 году.

Также заслуживает внимания проект транспортировки электроэнергии (и водорода) из пустыни Сахара. По оценкам специалистов, существующие технологии способны обеспечить нужды всего человечества всего лишь 300-ми квадратными километрами солнечных батарей, размещёнными в пустыне Сахара. А для нужд всей Европы требуется только 50 квадратных километров. Но вопрос упирается в транспортировку этой энергии. Из-за потерь на передачу уйдёт 100% всей произведённой энергии. Был предложен весьма оригинальный способ передачи её без потерь через трубки из диборида магния (MgB₂), охлаждаемые изнутри потоком жидкого водорода. В результате имеем передачу электроэнергии через сверхпроводник без потерь плюс экологически чистое топливо - водород, производящийся на месте.

И, кроме того, использование солнечной энергии для производства электроэнергии и водорода таким способом, не будет нарушать экологического и теплового баланса Земли, что не присуще современным способам получения электроэнергии за счёт ископаемого топлива, будь то нефть или газ или уголь. Ведь их использование означает введение в атмосферу дополнительной солнечной энергии, ранее аккумулированной самой природой в этих источниках.

Отдельным вопросом применения сверхпроводимости на практике является применение магнитной левитации для наземного транспорта (поезда на магнитной подушке). Исследования показали, что этот вид транспорта будет в три раза эффективнее автомобильного транспорта и в пять раз эффективнее самолётов.

102.50 Кб

Электропроводность.

Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) - это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В системе СИ единицей измерения электрической проводимости является См. О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ . Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость

Удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м).

Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

где γ - удельная проводимость,

J - вектор плотности тока,

E - вектор напряжённости электрического поля.

Электрическая проводимость G проводника может быть выражена следующими формулами:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

где ρ - удельное сопротивление,
S - площадь поперечного сечения проводника,
l - длина проводника,
γ = 1/ρ - удельная проводимость,
U - напряжение на участке,
I - ток на участке.

Измеряется электрическая проводимость в сименсах: [G] = 1/1 Ом = 1 См.

В веществах имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих зарядов создает электрический ток.

Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных 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 и полупроводники.

В зависимости от вида носителей тока различают:

- электронную проводимость в металлах и полупроводниках (передвижение в веществе свободных электронов как основных носителей зарядов)

- ионную проводимость в электролитах (упорядоченное передвижение в веществе ионов)

- смешанную электронно-ионную проводимость в плазме

Вода. Лед. Пар.

Вода (оксид водорода)- химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии вода называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. Лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт.

Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах - по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

Водяной пар - газообразное состояние воды в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами. Он не имеет цвета, вкуса и запаха, образуется молекулами воды при ее испарении. Пар характеризуется очень слабыми связями между молекулами воды, а также их большой подвижностью. Его частицы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением.

Электрическая проводимость воды

Чистая вода является плохими проводником электричества. Но тем не менее, хоть и очень мало, но она может проводить электрический ток из-за частичной диссоциации молекул воды на ионы H+ и OH–. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов H+, так называемые «протонные перескоки». Малая, почти отсутствующая проводимость обусловлена тем, что вода состоит из электрически нейтральных атомов и молекул, движение которых не может осуществить электрический ток. Однако растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях хорошо проводят ток, причем чем больше растворенного вещества, тем большая его часть распадается на ионы, и тем выше проводимость раствора.

Концентрация ионов это первый фактор, влияющий на проводимость. Если при растворении не происходит диссоциации молекул, то раствор не является проводником электричества.

Остальные факторы: заряд иона (ион с зарядом +3 переносит в три раза больше ток, чем с зарядом +1); подвижность иона (тяжелые ионы движутся медленнее, чем легкие), а также температура. Раствор, проводящий электрический ток, называется электролитом.

Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление, а значит увеличивает ее удельную проводимость. Так, у дистиллированной воды оно составляет примерно 10ˉ 5 См/м, а у морской - порядка 3,33 См/м (для сравнения: бумага - 10ˉ 15 , медь - 0,5·10 8 См/м). Электрическая проводимость воды может служить показателем ее загрязнения.

Электропроводность льда

Электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды, особенно если вода хотя бы немного минерализована. Например, удельная электропроводность пресноводного льда при температуре 0°С равна 0,27·10ˉ 7 См/м, а при -20°С равна 0,52·10ˉ 7 См/м, тогда как дистиллированная вода, из которой был получен этот лед, имела проводимость порядка 10ˉ 6 См/м.

Низкая проводимость льда обусловлена тем, что в обычных условиях в нем практически не содержится ни свободных носителей заряда, ни атомов, которым не хватает электрона (так называемых «дырок»).

Сухой снег, прежде всего, характеризуется малой электрической проводимостью, что позволяет располагать на его поверхности даже не изолированные провода. Его проводимость при температуре от -2 до -16 °С примерно 0,35*10ˉ 5 - 0,38·10ˉ 7 См/м и близка к удельной проводимости сухого льда. Влажный снег, напротив, обладает большой электрической проводимостью доходящей до 0,1 См/м.

Повысить проводимость льда можно при помощи минерализации (насыщения ионами) исходной воды кислотами, солями и основаниями. Тогда ионы будут оттягивать на себя электроны от соседнего атома, а те в свою очередь становиться ионами. Так, путем последовательного оттягивания будет перемещаться положительный заряд.

Проводимость водяного пара

Сам по себе пар, являясь газом в котором отсутствуют заряженные частицы и не является проводником электричества. Однако, повысить проводимость можно, если создать в нем заряженные частицы – молекулы, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа. Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

Механизм ионизации в газах заключается в следующем: нейтральные атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

Каждый молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый ионный комплекс. Ионы противоположных знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что электроны и ионы принимают участие в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

Из этого следует, что проводимость пара - явление временное. Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока.

Список использованной литературы:

Вукалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 4 изд., М., 1968;
Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987
А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм.
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.o8ode.ru/article/ water/
http://provodu.kiev.ua/smelye- teorii/led

Описание работы

|
электрическая проводимость, удельная электрическая проводимость
Электри́ческая проводи́мость (электропроводность, проводимость) - способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См ; международное: S ), определяемый как 1 См = 1 Ом-1, то есть, как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

1 Удельная проводимость
- 1.1 Связь с коэффициентом теплопроводности
2 Электропроводность металлов
- 2.1 Опыты Толмена и Стюарта
3 Удельная проводимость некоторых веществ
4 См. также
5 Примечания
6 Литература

Удельная проводимость

Удельной проводимостью (удельной электропроводностью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

- удельная проводимость,
- вектор плотности тока,
- вектор напряжённости электрического поля.

В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, то есть не совпадает в различных точках проводника.

Удельная проводимость анизотропных (в отличие от изотропных) сред является, вообще говоря, не скаляром, а тензором (симметричным тензором ранга 2), и умножение на него сводится к матричному умножению:

при этом векторы плотности тока и напряжённости поля в общем случае не коллинеарны.

Для любой линейной среды можно выбрать локально (а если среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис - ортогональную систему декартовых координат, в которых матрица становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент отличными от нуля являются лишь три: , и. этом случае, обозначив как, вместо предыдущей формулы получаем более простую

Величины называют главными значениями тензора удельной проводимости. общем случае приведённое соотношение выполняется только в одной системе координат.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Вообще говоря, линейное соотношение, написанное выше (как скалярное, так и тензорное), верно в лучшем случае приближённо, причём приближение это хорошо только для сравнительно малых величин E. Впрочем, и при таких величинах E, когда отклонения от линейности заметны, удельная электропроводность может сохранять свою роль в качестве коэффициента при линейном члене разложения, тогда как другие, старшие, члены разложения дадут поправки, обеспечивающие хорошую точность. случае нелинейной зависимости J от E вводится дифференциальная удельная электропроводность (для анизотропных сред:).

Электрическая проводимость G проводника длиной L с площадью поперечного сечения S может быть выражена через удельную проводимость вещества, из которого сделан проводник, следующей формулой:

В системе СИ удельная электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) или в Ом−1·м−1. СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с−1).

Связь с коэффициентом теплопроводности

Основная статья: Закон Видемана - Франца

Закон Видемана - Франца, выполняющийся для металлов при высоких температурах, устанавливает однозначную связь удельной электрической проводимости с коэффициентом теплопроводности K:

где k - постоянная Больцмана, e - элементарный заряд. Эта связь основана на том факте, что как электропроводность, так и теплопроводность в металлах обусловлены движением свободных электронов проводимости.

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, - двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года, пропускался постоянный электрический ток. После этого исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Эти опыты показали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Опыты Толмена и Стюарта

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обуславливается движением электронов, были опыты Ричарда Ч. Толмена и Томаса Д. Стюарта, проведённые в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что линейное ускорение катушки при торможении направлено вдоль проводов. При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции - направленная противоположно ускорению (- масса электрона). Под её действием электрон ведёт себя в металле так, как если бы на него действовало некоторое эффективное электрическое поле:

Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов, равна

где L - длина провода на катушке.

Введём обозначения: I - сила тока, протекающего по замкнутой цепи, R - сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки и проводов внешней цепи и гальванометра. Запишем закон Ома в виде:

Количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за время dt при силе тока I, равно

Тогда за время торможения через гальванометр пройдёт заряд

Значение Q находится по показаниям гальванометра, а значения L, R, v0 известны, что позволяет найти значение Эксперименты показывают, что соответствует отношению заряда электрона к его массе. Тем самым доказано, что наблюдаемый с помощью гальванометра ток обусловлен движением электронов.

Удельная проводимость некоторых веществ

Удельная проводимость приведена при температуре +20 °C:

вещество	См/м
серебро	62 500 000
медь	58 100 000
золото	45 500 000
алюминий	37 000 000
магний	22 700 000
иридий	21 100 000
молибден	18 500 000
вольфрам	18 200 000
цинк	16 900 000
никель	11 500 000
железо чистое	10 000 000
платина	9 350 000
олово	8 330 000
сталь литая	7 690 000
свинец	4 810 000
нейзильбер	3 030 000
константан	2 000 000
манганин	2 330 000
ртуть	1 040 000
нихром	893 000
графит	125 000
вода морская	3
земля влажная	10−2
вода дистилл.	10−4
мрамор	10−8
стекло	10−11
фарфор	10−14
кварцевое стекло	10−16
янтарь	10−18

См. также

Адмиттанс
Зонная теория
Эффект Холла
Сверхпроводимость
Отрицательная абсолютная проводимость

Примечания

Электропроводность (физич.) - статья из Большой советской энциклопедии
Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. - М.: Издательство стандартов, 1990. - С. 105. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5.
случае совпадения двух из трех собственных чисел, есть произвол в выборе такой системы координат (собственных осей тензора), а именно довольно очевидно, что можно произвольно повернуть её относительно оси с отличающимся собственным числом, и выражение не изменится. Однако это не слишком меняет картину. случае же совпадения всех трех собственных чисел мы имеем дело с изотропной проводимостью, и, как легко видеть, умножение на такой тензор сводится к умножению на скаляр.
Для многих сред линейное приближение является достаточно хорошим или даже очень хорошим для достаточно широкого диапазона величин электрического поля, однако существуют среды, для которых это совсем не так уже при весьма малых E.
Все точки провода движутся с одинаковым ускорением, поэтому можно выносить за знак интеграла.
Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем., М.: Мир, 1982, стр. 475 (табл. 39); значения удельной проводимости вычислены из удельного сопротивления и округлены до 3 значащих цифр.

Литература

А. Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. (Первое изд. М.: Высшая школа, 1983. 463с.)

удельная электрическая проводимость, электрическая проводимость, электрическая проводимость сахара

Электрическая проводимость. Определение, единицы измерения. Электрическое сопротивление и проводимость Удельная электрическая проводимость формула

Подробнее об удельной электрической проводимости

Введение и определения

Удельная электрическая проводимость электролитов и ее измерение

Общая минерализация

Эксперимент: измерение общей минерализации и проводимости

Молярная электрическая проводимость

Применение измерений проводимости

Физика явлений

Электропроводность металлов

Электропроводность газов

Электропроводность в биологии

Сверхпроводимость

Определение и единицы измерения электрической проводимости

Физика явлений

Электропроводность металлов

Электропроводность полупроводников

Электропроводность электролитов

Электропроводность газов

Электропроводность в биологии

Сверхпроводимость

Удельная проводимость

Связь с коэффициентом теплопроводности

Электропроводность металлов

Опыты Толмена и Стюарта

Удельная проводимость некоторых веществ

См. также

Примечания

Литература

Электрическая проводимость Информацию О