การนำไฟฟ้าของสาร

ในบทความนี้ เราจะเปิดเผยหัวข้อของการนำไฟฟ้า เราจะจำได้ว่ากระแสไฟฟ้าคืออะไร เกี่ยวข้องกับความต้านทานของตัวนำอย่างไร และตามด้วยการนำไฟฟ้าของมัน จดสูตรหลักสำหรับการคำนวณปริมาณเหล่านี้โดยแตะที่หัวข้อ ความเร็วปัจจุบัน และความสัมพันธ์กับความแรงของสนามไฟฟ้า เราจะพูดถึงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานไฟฟ้าและอุณหภูมิ

เริ่มต้นด้วยการจำว่ากระแสไฟฟ้าคืออะไร หากคุณวางสารไว้ในสนามไฟฟ้าภายนอก จากนั้นภายใต้การกระทำของแรงจากสนามนี้ การเคลื่อนที่ของพาหะประจุมูลฐาน — ไอออนหรืออิเล็กตรอน — จะเริ่มขึ้นในสาร มันจะเป็นไฟฟ้าช็อต กระแส I วัดเป็นแอมแปร์ และหนึ่งแอมแปร์คือกระแสที่ประจุเท่ากับหนึ่งคูลอมบ์ไหลผ่านส่วนตัดขวางของเส้นลวดต่อวินาที

กระแสตรงสลับเป็นจังหวะกระแสตรงไม่เปลี่ยนขนาดและทิศทาง ณ ช่วงเวลาหนึ่ง กระแสสลับเปลี่ยนขนาดและทิศทางตามเวลา (เครื่องกำเนิดและหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับให้กระแสสลับเท่ากัน) กระแสพัลส์เปลี่ยนขนาดแต่ไม่เปลี่ยนทิศทาง (เช่น กระแสสลับเรียงกระแส) . พัลส์ปัจจุบัน)

สารมีแนวโน้มที่จะนำกระแสไฟฟ้าภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าและคุณสมบัตินี้เรียกว่าการนำไฟฟ้าซึ่งแตกต่างกันไปตามสารต่าง ๆ ค่าการนำไฟฟ้าของสารขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของอนุภาคที่มีประจุอิสระซึ่งก็คือไอออน และอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับกับโครงสร้างผลึก หรือกับโมเลกุล หรือกับอะตอมของสารที่กำหนด ดังนั้น ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของตัวพาที่มีประจุอิสระในสารที่กำหนด สารจะถูกแบ่งตามระดับการนำไฟฟ้าออกเป็น: ตัวนำ ไดอิเล็กตริก และเซมิคอนดักเตอร์

มีค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด สายไฟของกระแสไฟฟ้า, และโดยลักษณะทางกายภาพ ตัวนำในธรรมชาติมีสองประเภท: โลหะและอิเล็กโทรไลต์ ในโลหะกระแสเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระนั่นคือพวกมันมีการนำไฟฟ้าและในอิเล็กโทรไลต์ (ในสารละลายของกรด, เกลือ, เบส) - จากการเคลื่อนที่ของไอออน - ส่วนของโมเลกุลที่มีขั้วบวกและ ประจุลบ นั่นคือการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เป็นอิออน ไอระเหยและก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนมีลักษณะการนำไฟฟ้าแบบผสม ซึ่งกระแสเกิดจากการเคลื่อนที่ของทั้งอิเล็กตรอนและไอออน

ทฤษฎีอิเล็กตรอนอธิบายการนำไฟฟ้าสูงของโลหะได้อย่างสมบูรณ์แบบพันธะของเวเลนซ์อิเล็กตรอนกับนิวเคลียสในโลหะนั้นอ่อนแอ ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่งตลอดปริมาตรของตัวนำ

ปรากฎว่าอิเล็กตรอนอิสระในโลหะเติมช่องว่างระหว่างอะตอมเหมือนแก๊ส อิเล็กตรอนแก๊ส และเคลื่อนที่อย่างวุ่นวาย แต่เมื่อลวดโลหะถูกนำเข้าสู่สนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่อย่างเป็นระเบียบ พวกมันจะเคลื่อนไปทางขั้วบวก ทำให้เกิดกระแส ดังนั้นการเคลื่อนที่ตามคำสั่งของอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำโลหะจึงเรียกว่า กระแสไฟฟ้า

เป็นที่ทราบกันดีว่าความเร็วของการแพร่กระจายของสนามไฟฟ้าในอวกาศมีค่าประมาณ 300,000,000 m / s นั่นคือความเร็วของแสง นี่คือความเร็วเดียวกับที่กระแสไหลผ่านสายไฟ

มันหมายความว่าอะไร? นี่ไม่ได้หมายความว่าอิเล็กตรอนทุกตัวในโลหะจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงขนาดนั้น แต่ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนในเส้นลวดมีความเร็วไม่กี่มิลลิเมตรต่อวินาทีถึงไม่กี่เซนติเมตรต่อวินาที ขึ้นอยู่กับ ความแรงของสนามไฟฟ้าแต่ความเร็วของการแพร่กระจายของกระแสไฟฟ้าไปตามเส้นลวดนั้นเท่ากับความเร็วของแสง

สิ่งนี้คืออิเล็กตรอนอิสระแต่ละตัวจะอยู่ในการไหลของอิเล็กตรอนทั่วไปของ "ก๊าซอิเล็กตรอน" เดียวกันนี้และในระหว่างทางเดินของกระแสสนามไฟฟ้าจะทำหน้าที่ในการไหลทั้งหมดนี้ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อิเล็กตรอนส่งผ่านอย่างต่อเนื่อง การกระทำภาคสนามนี้ต่อกัน - จากเพื่อนบ้านสู่เพื่อนบ้าน

แต่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปยังที่ของมันช้ามากแม้ว่าความเร็วของการแพร่กระจายของพลังงานไฟฟ้าไปตามเส้นลวดจะมหาศาลก็ตามดังนั้นเมื่อเปิดสวิตช์ในโรงไฟฟ้า กระแสจะเกิดขึ้นทันทีทั่วทั้งเครือข่ายและอิเล็กตรอนจะหยุดนิ่ง

อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ไปตามเส้นลวด พวกมันจะพบการชนหลายครั้งระหว่างทาง พวกมันชนกับอะตอม ไอออน โมเลกุล และถ่ายโอนพลังงานบางส่วนไปให้พวกมัน พลังงานของอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ที่เอาชนะความต้านทานนี้จะกระจายไปบางส่วนเมื่อความร้อนและตัวนำร้อนขึ้น

การชนกันเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมคุณสมบัติของตัวนำเพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจึงเรียกว่า ความต้านทานไฟฟ้า ด้วยความต้านทานของลวดต่ำ ลวดจะถูกทำให้ร้อนโดยกระแสเล็กน้อย โดยมีลวดที่มีนัยสำคัญ — แข็งแรงกว่ามากและถึงเป็นสีขาว เอฟเฟกต์นี้ใช้ในอุปกรณ์ทำความร้อนและหลอดไส้

หน่วยของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานคือโอห์ม ความต้านทาน R = 1 โอห์มคือความต้านทานของเส้นลวดดังกล่าว เมื่อกระแสตรง 1 แอมแปร์ไหลผ่าน ความต่างศักย์ที่ปลายเส้นลวดคือ 1 โวลต์ มาตรฐานความต้านทานใน 1 โอห์มคือคอลัมน์ของปรอทสูง 1,063 มม. หน้าตัด 1 ตร. มม. ที่อุณหภูมิ 0 ° C

เนื่องจากสายไฟมีความต้านทานไฟฟ้า เราจึงสามารถพูดได้ว่าสายไฟสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ในระดับหนึ่ง ในการเชื่อมต่อนี้ จะแนะนำค่าที่เรียกว่า conductivity หรือการนำไฟฟ้า การนำไฟฟ้าคือความสามารถของตัวนำในการนำกระแสไฟฟ้า นั่นคือ ส่วนกลับของความต้านทานไฟฟ้า

หน่วยของการนำไฟฟ้า G (การนำไฟฟ้า) คือ Siemens (S) และ 1 S = 1 / (1 โอห์ม) G = 1 / อาร์

เนื่องจากอะตอมของสารต่าง ๆ รบกวนการผ่านของกระแสไฟฟ้าในระดับต่าง ๆ ความต้านทานไฟฟ้าของสารต่าง ๆ จึงแตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้จึงได้นำแนวคิด ความต้านทานไฟฟ้าซึ่งค่า «p» แสดงถึงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของสารนี้หรือสารนั้น

ความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะวัดเป็นโอห์ม * m นั่นคือความต้านทานของสารลูกบาศก์ที่มีขอบ 1 เมตร ในทำนองเดียวกัน ค่าการนำไฟฟ้าของสารมีลักษณะเฉพาะโดยค่าการนำไฟฟ้าเฉพาะ ? วัดเป็น S / m นั่นคือ ค่าการนำไฟฟ้าของลูกบาศก์ของสารที่มีขอบ 1 เมตร

ทุกวันนี้ วัสดุนำไฟฟ้าในวิศวกรรมไฟฟ้าส่วนใหญ่จะใช้ในรูปของริบบิ้น ยางรถยนต์ สายไฟ โดยมีพื้นที่หน้าตัดและความยาวที่แน่นอน แต่ไม่ได้อยู่ในรูปของลูกบาศก์เมตร และเพื่อให้สะดวกยิ่งขึ้นในการคำนวณความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าของสายไฟที่มีขนาดเฉพาะ จึงมีการแนะนำหน่วยการวัดที่ยอมรับได้มากขึ้นสำหรับทั้งความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้า Ohm * mm2 / m — สำหรับความต้านทาน และ Cm * m / mm2 — สำหรับการนำไฟฟ้า

ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่าความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าแสดงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของลวดที่มีพื้นที่หน้าตัด 1 ตร.มม. ยาว 1 เมตรที่อุณหภูมิ 20 ° C จะสะดวกกว่า

โลหะ เช่น ทองคำ ทองแดง เงิน โครเมียม และอะลูมิเนียม มีการนำไฟฟ้าได้ดีที่สุด เหล็กและเหล็กเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าน้อยกว่า โลหะบริสุทธิ์มีการนำไฟฟ้าได้ดีกว่าโลหะผสมเสมอ ดังนั้นทองแดงบริสุทธิ์จึงเป็นที่นิยมในด้านวิศวกรรมไฟฟ้าหากคุณต้องการความต้านทานสูงเป็นพิเศษ ให้ใช้ทังสเตน นิโครม คอนสแตนแทน

เมื่อทราบค่าความต้านทานไฟฟ้าหรือค่าการนำไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง เราสามารถคำนวณค่าความต้านทานหรือค่าการนำไฟฟ้าของเส้นลวดที่ทำจากวัสดุที่กำหนดได้อย่างง่ายดาย โดยคำนึงถึงความยาว l และพื้นที่หน้าตัด S ของเส้นลวดนี้

การนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุทั้งหมดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เนื่องจากความถี่และแอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนทางความร้อนของอะตอมของโครงตาข่ายคริสตัลก็เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าและการไหลของอิเล็กตรอนก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย

เมื่ออุณหภูมิลดลง ในทางกลับกัน การสั่นของอะตอมของโครงผลึกจะเล็กลง ความต้านทานจะลดลง (การนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้น) ในสารบางชนิด การพึ่งพาการต้านทานต่ออุณหภูมิจะเด่นชัดน้อยกว่า ส่วนสารอื่นๆ จะแข็งแกร่งกว่า ตัวอย่างเช่น โลหะผสมเช่นคอนสแตนแทน เฟชรัล และแมงกานีสจะเปลี่ยนแปลงความต้านทานเล็กน้อยในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงสร้างตัวต้านทานที่ทนความร้อนได้

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน? ช่วยให้คุณสามารถคำนวณการเพิ่มขึ้นของความต้านทานต่อวัสดุเฉพาะที่อุณหภูมิหนึ่งและระบุลักษณะเชิงตัวเลขของความต้านทานที่เพิ่มขึ้นโดยสัมพัทธ์เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 1 ° C

เมื่อทราบค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นแล้ว การคำนวณความต้านทานของสารที่อุณหภูมิหนึ่งๆ จะทำได้ง่าย

เราหวังว่าบทความของเราจะเป็นประโยชน์กับคุณ และตอนนี้คุณสามารถคำนวณความต้านทานและการนำไฟฟ้าของสายไฟที่อุณหภูมิใดก็ได้ได้อย่างง่ายดาย