Почему медь проводит электричество лучше, чем вода? Прочитав эту статью, вы больше не будете задавать себе больше этот вопрос. Далее мы обсудим электропроводность и рассмотрим формулы, которые описывают это понятие. Наконец, вы можете проверить свои знания на двух примерах.
Простое объяснение.
Электропроводность — это физическая величина, которая описывает насколько хорошо определенный материал проводит электричество.
Формулы
Существует три различных формульных обозначения удельной электропроводности σ (греч. сигма), k (каппа) и γ (гамма). В дальнейшем мы будем использовать σ. Формула электропроводности, также называемой удельной электропроводностью, описывается формулой:
σ = 1 / ρ .
Здесь ρ называется удельным сопротивлением. Вы можете рассчитать электрическое сопротивление R проводника с учетом его параметров следующим образом: R = ( ρ * l ) / S .
Таким образом, сопротивление R равно удельному сопротивлению ρ , умноженному на длину проводника l, деленному на площадь поперечного сечения S. Если теперь вы хотите выразить эту формулу через удельную электропроводность σ = 1 / ρ , полезно знать, что электрическая проводимость G проводника выражается следующим образом: G = 1 / R .
Если в верхнюю формулу подставить удельную электропроводность σ и электрическую проводимость G, то получится следующее: 1 / G = ( 1 / σ ) * ( l / S ) .
Путем дальнейшего преобразования можно получить выражение: G = σ * S / l .
С помощью электропроводности можно также описать важную зависимость между плотностью электрического тока и напряженностью электрического поля с помощью выражения: J = σ * E .
Единица измерения
Единицей удельной электропроводности σ в СИ является: [ σ ] = 1 См/м ( Сименс на метр ).
Эти единицы определяются по формуле G = σ * S / l . Если решить эту формулу в соответствии с σ, то получим σ = G * l / S .
Единица измерения электрической проводимости G задается как: [ G ] = 1 / σ = 1 См ( Сименс, международное обозначение: S ).
Если теперь ввести в формулу все единицы измерения, то получится:
[ σ ] = 1 См * 1 м / м2 = 1 См / м .
Вы также будете чаще использовать единицы измерения См / см , м / Ом * мм2 или См * м / мм2 . Вы можете преобразовать отдельные измеряемые переменные так: См / см = См / 10-2 м и так: м / Ом * мм2 = См * м / мм2 = См * м / 10-3 м * 10-3 м = 106 См / м .
Электропроводность металлов
В зависимости от количества свободно перемещающихся электронов один материал проводит лучше, чем другой. В принципе, любой материал является проводящим, но в изоляторах, например, протекающий электрический ток ничтожно мал, поэтому здесь мы говорим о непроводниках.
В металлических связях валентные электроны, т.е. крайние электроны в атоме, свободно подвижны. Они расположены в так называемой полосе проводимости. Находящиеся там электроны образуют так называемый электронный газ. Соответственно, металлы являются сравнительно хорошими проводниками. Если теперь подать электрическое напряжение на металл, валентные электроны медленно движутся к положительному полюсу, потому что он их притягивает.
На рисунке 1 видно, что некоторые электроны не могут быть притянуты непосредственно к положительному полюсу, потому что на пути стоит, так сказать, твердое атомное ядро. Там они замедляются и в некоторой степени отклоняются. Именно поэтому электроны не могут ускоряться в металле бесконечно, и именно так возникает удельное сопротивление или электропроводность.
Теперь вы также можете измерить удельную электропроводность в металле с помощью следующей формулы: σ = ( n * e2 * τ ) / m .
В этой формуле n означает число электронов, e — заряд электрона, m — массу электрона, а τ — среднее время полета электрона между двумя столкновениями.
Таблица удельной электропроводности
Для большинства веществ уже известны значения удельной электропроводности. Некоторые из них вы можете найти в следующей таблице ниже. Все значения в этой таблице действительны для комнатной температуры, т.е. 25°C.
| Вещество | Удельная электропроводность в См / м |
| Серебро | 62 · 106 |
| Медь | 58 · 106 |
| Золото | 45,2 · 106 |
| Алюминий | 37,7 · 106 |
| Вольфрам | 19 · 106 |
| Латунь | 15,5 · 106 |
| Железо | 9,93 · 106 |
| Нержавеющая сталь (WNr. 1,4301) | 1,36 · 106 |
| Германий (легирование <10-9) | 2 |
| Кремний (легирование <10-12) | 0,5 · 10-3 |
| Морская вода | примерно 5 |
| Водопроводная вода | примерно 0,05 |
| Дистиллированная вода | 5 · 10-6 |
| Изолятор | обычно <10-8 |
Удельная электропроводность сильно зависит от температуры, поэтому указанные значения применимы только при 25°C. При повышении температуры вибрация решетки в веществе становится выше. Это нарушает поток электронов, и поэтому электропроводность уменьшается с ростом температуры.
Из таблицы видно, что медь имеет вторую по величине электропроводность, поэтому медные кабели очень часто используются в электротехнике. Серебро обладает еще более высокой проводимостью, но стоит намного дороже меди.
Интересно также сравнение между морской и дистиллированной водой. Здесь электропроводность возникает благодаря растворенным в воде ионам. Морская вода имеет очень высокую долю соли, которая растворяется в воде. Эти ионы передают электрический ток. В дистиллированной воде нет растворенных ионов, поэтому в ней практически не может протекать электрический ток. Поэтому электропроводность морской воды намного выше, чем дистиллированной.
Примеры задач
Для более детального рассмотрения приведём два примера расчетов.
Задача 1.
В первой задаче представьте, что у вас есть провод длиной 2 м с поперечным сечением 0,5 мм2. Электрическое сопротивление провода при комнатной температуре составляет 106 мОм. Из какого материала изготовлен провод?
Решение.
Решение данной задачи можно найти с помощью формулы: R = ( 1 / σ ) * ( l / S ). Из этой формулы найдём σ = l / ( S * R ) .
Теперь вы можете вставить заданные значения, убедившись, что вы перевели сечение в м2.
σ = l / ( S * R ) = 2 м / ( ( 0,5 * 10-6 м2 ) * ( 1 / 106 * 10-3 Ом ) ) = 37, 7 * 106 См / м .
Наконец, вы ищите в таблице, какой материал имеет удельную электропроводность σ = 37, 7 * 106 См / м и приходите к выводу, что провод сделан из алюминия.
Задача 2.
В задаче 2 вам дано только удельное сопротивление образца с 735 * 10-9 Ом * м. Из какого материла изготовлен образец?
Решение.
Вы можете использовать формулу σ = 1 / ρ для расчёта удельной электропроводности. После подстановки значений в эту формулу вы получите: σ = 1 / ρ = 1 / 735 * 10-9 Ом * м = 1,36 * 106 См / м .
Если вы снова заглянете в таблицу, то обнаружите, что образец должен быть изготовлен из нержавеющей стали.
Электрическая проводимость, формула.
Величина обратная электрическому сопротивлению R называется Электрической проводимостью G.
Если
| R | электрическое сопротивление проводника, | Ом |
|---|---|---|
| G | электрическая проводимость, | сименс |
то
[G=frac{1}{R}]
Единица СИ электрической проводимости
[ [G]=frac{1}{Ом}=сименс]
Вычислить, найти электрическую проводимость по формуле (1).
R (сопротивление, Ом)
Вычислить
нажмите кнопку для расчета
Электрическая проводимость |
стр. 600 |
|---|
Проводимость
Добавлено 4 января 2021 в 17:10
Когда учащиеся впервые видят формулу общего параллельного сопротивления, возникает естественный вопрос: «Откуда эта штука?». Это действительно странная арифметика, и ее происхождение заслуживает хорошего объяснения.
В чем разница между сопротивлением и проводимостью?
Сопротивление, по определению, является мерой «трения», которое компонент представляет для прохождения через него тока. Сопротивление обозначается заглавной буквой «R» и измеряется в единицах «Ом». Однако мы также можем думать об этом электрическом свойстве с обратной ему точки зрения: насколько легко току течь через компонент, а не насколько трудно.
Если сопротивление – это термин, которое мы используем для обозначения меры того, насколько трудно току течь, то хорошим термином, чтобы выразить, насколько легко ток течет, будет проводимость. Математически проводимость – это величина, обратная сопротивлению:
[проводимость = frac{1}{сопротивление}]
Чем больше сопротивление, тем меньше проводимость; и наоборот.
Это должно быть интуитивно понятно, потому что сопротивление и проводимость – противоположные способы обозначения одного и того же важного электрического свойства.
Если сравнивать сопротивления двух компонентов и обнаружится, что компонент «A» имеет сопротивление вдвое меньше сопротивления компонента «B», то в качестве альтернативы мы могли бы выразить это соотношение, сказав, что компонент «A» в два раза более проводящий, чем компонент «B». Если компонент «A» имеет сопротивление, равное только одной трети от сопротивления компонента «B», то мы можем сказать, что он в три раза более проводящий, чем компонент «B», и так далее.
Единица измерения проводимости
В продолжение этой идеи были придуманы символ и единица измерения проводимости. Символ представляет собой заглавную букву «G», а единицей измерения был mho, что означает «ohm» (ом), написанное в обратном порядке (вы думали, что у электронщиков нет чувства юмора?).
Несмотря на свою уместность, единицы измерения mho в последующие годы были заменены единицей Сименс (сокращенно «См», или, в англоязычной литературе, «S»). Это решение об изменении названий единиц измерения напоминает изменение единицы измерения температуры в градусах стоградусной шкалы (degrees centigrade – от латинских слов «centum», т.е. «сто», и «gradus») на градусы Цельсия (degrees Celsius) или изменение единицы измерения частоты c.p.s. (циклов в секунду) в герцы. Если вы ищете здесь какой-то шаблон переименования, то Сименс, Цельсий и Герц – это фамилии известных ученых, имена которых, к сожалению, о природе единиц говорят нам меньше, чем их первоначальные обозначения.
Возвращаясь к нашему примеру с параллельной схемой, мы должны быть в состоянии увидеть, что несколько путей (ветвей) для тока уменьшают общее сопротивление всей цепи, поскольку ток может легче проходить через всю цепь из нескольких ветвей, чем через любую из них отдельно. Что касается сопротивления, дополнительные ветви приводят к меньшему общему значению (ток встречает меньшее сопротивление). Однако с точки зрения проводимости дополнительные ветви приводят к большему общему значению (ток протекает с большей проводимостью).
Общее сопротивление параллельной цепи
Общее сопротивление параллельной цепи меньше, чем любое из сопротивлений отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы вместе «сопротивляются» меньше, чем по отдельности:
Общая проводимость параллельной цепи
Общая проводимость параллельной цепи больше, чем проводимость любой из отдельных ветвей, потому что параллельные резисторы «проводят» вместе лучше, чем по отдельности:
Чтобы быть более точным, полная проводимость в параллельной цепи равна сумме отдельных проводимостей:
[G_{общ} = G_1 + G_2 + G_3 + G_4]
Если мы знаем, что проводимость – это не что иное, как математическая величина, обратная (1/x) сопротивлению, мы можем перевести каждый член приведенной выше формулы в сопротивление, подставив величину, обратную каждой соответствующей проводимости:
[frac{1}{R_{общ}} = frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}]
Решая приведенное выше уравнение для полного сопротивления (вместо значения, обратного общему сопротивлению), мы получим следующую формулу:
[R_{общ} = frac{1}{frac{1}{R_{1}} + frac{1}{R_{2}} + frac{1}{R_{3}} + frac{1}{R_{4}}}]
Итак, мы, наконец, пришли к нашей загадочной формуле сопротивления! Проводимость (G) редко используется в качестве практического параметра, поэтому при анализе параллельных цепей часто используется приведенная выше формула.
Резюме
- Проводимость – параметр, противоположный сопротивлению: это мера того, насколько легко электрический ток проходит через что-то.
- Проводимость обозначается буквой «G» и измеряется в сименсах (сокр. См).
- Математически проводимость равна величине, обратной сопротивлению: G = 1/R.
Теги
ОбучениеПараллельная цепьПроводимостьСопротивление
Электрическая проводимость — это способность среды проводить электрический ток, а также это величина обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электрической проводимости — Сименс (См).
Так как это величина обратная сопротивлению, то 1 См = 1 Ом−1.
Электрическая проводимость формула
G = R / 1 , где
G — электр-ая проводимость,
R — электрическое сопротивление.
Если подробно расписать формулу проводимости, то получится вот так:
[G] = Ом / 1 = сименс
Здесь вам представлен простой калькулятор электрической проводимости. В калькуляторе учитывается также и реактивное сопротивление. Пользуйтесь, если пригодится.
Было полезно? Поделитесь с друзьями!
Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока.
Сопротивление часто обозначается через R или r и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах.
В зависимости от среды проводника и носителей зарядов, физическая природа сопротивления может отличаться. Так, например, в металле движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решетки, теряют свой импульс, и энергия их движения преобразуется во внутреннюю энергию кристаллической решетки (то есть становится меньше).
Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он выполнен.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и определяется согласно зависимости
где ρ – удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, мм².
Удельное сопротивление ρ – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (рисунок 1). При расчетах это значение выбирается из таблицы.
Сопротивление проводника R зависит от внешнего фактора – температуры T, но для разных групп веществ эта зависимость имеет различные зависимости. Так, при снижении температуры металлов их сопротивление снижается (то есть способность проводить ток увеличивается). Если температура металла достигает низких значений, он переходит в состояние так называемой свехрпроводимости и его сопротивление R стремится к 0. Поведение полупроводников под воздействием температур обратное – при снижении температуры T сопротивление R растет, а при его росте наоборот падает (рисунок 2).
Закон Ома
В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный в электронике закон, названный впоследствии его фамилией. Закон Ома определяет количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими его способность противостоять электрическому току.
Существует несколько интерпретаций закона Ома.
Закон Ома для участка цепи (рисунок 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжения на концах проводника U и его сопротивления R
Интерпретировать закон Ома для участка цепи можно следующим образом: если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 В, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1 А
На представленном выше простом примере разберем физическую интерпретацию закона Ома, используя аналогию электрического тока и воды. В качестве аналога проводника электрического тока возьмем воронку, сужение в которой возникает из-за наличие в проводнике сопротивления R (рисунок 4). Пусть в воронку из некоторого источника поступает вода, которая просачивается через узкое горлышко. Усилить поток воды на выходе горлышка воронки можно за счет давления на воду, например, силой поршня. В аналогии с электричеством, поршень будет являться аналогом напряжения – чем сильнее на воду давит поршень (то есть чем больше значение напряжения), тем сильнее будет поток воды на выходе из воронки (тем больше будет значение силы тока).
Закон Ома может быть применен не всегда, а лишь в ограниченном числе случаев. Так закон Ома «не работает» при расчете напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборов, содержащих нелинейные элементы. В этом случае зависимость тока и напряжения можно определить только с помощью построение так называемой вольтамперной характеристики (ВАХ). К категории нелинейных элементов относятся все без исключения полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.), а также электронные лампы.
Проводимость
Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:
G = 1/R.
Единица проводимости называется сименс (См): G, (g) = 1/Ом = См.
#1. Формула закона для участка цепи Ома
I = R/U
R = I/U
I = U/R
#2. Найдите сопротивление участка цепи использую закон Ома, если к концам проводника приложено U = 12 В, и в нем протекает ток I = 6 А.
72 Ом.
5 Ом.
2 Ом.
Закон Ома гласит I=U/R, следовательно R = U/I = 12/6 = 2 Ом.
#3. В чем измеряется удельное сопротивление?
Ом*мм
Ом
Ом*м
#4. Сопротивление участка цепи равно 10 Ом. Найдите проводимость участка.
5 См.
10 См.
0,1 См.
Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:
G = 1/R.
Так как сопротивление участка цепи R = 10 Ом, следовательно G = 1/10 = 0,1 См.
Результат
Отлично!
Попытайтесь снова(