Elektrisk ledningsevne

FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc
31-01-2018 Kjeld Stang E

Den elektriske ledningsevne er et mål for et materiales evne til at tillade elektrisk strøm at passere frit. Ledningsevnen afhænger af atomare og molekylære struktur af materialet. Metaller er gode ledere, fordi de har en struktur med mange elektroner med svage led, og dette muliggør deres bevægelse. Ledningsevnen er også afhængig af andre fysiske faktorer i selve materialet, og temperatur.

Ledningsevnen er en invers funktion af modstand; derfor ,, og dens enhed er S / m eller Ω · m. Normalt mængden af ​​ledningsevne er proportionalitet mellem det elektriske felt og strømtæthed kørsel:

Ledningsevne i forskellige medier

Ledningsevne mekanismer varierer mellem de tre stater i sagen. For eksempel i faste stoffer som sådanne atomer de er fri til at bevæge sig og ledningsevnen skyldes elektroner. Findes metaller i kvasi-fri elektron, der kan bevæge sig meget frit i hele volumen, men i isolatorer, mange af dem er ioniske faste stoffer.

Ledningsevne i flydende medier

Elektrolytisk ledningsevne i væsker er relateret til tilstedeværelsen af ​​salte i opløsning, dissociationen genererer positive og negative ioner i stand til at føre elektrisk energi, hvis væsken udsættes for et elektrisk felt. Disse elektrolytter kaldes ioniske ledere eller elektrolyt ledere.

Målinger af ledeevne kaldes konduktometrisk bestemmelser og har mange applikationer såsom:

  • I elektrolyse, da det elektriske strømforbrug i denne proces er det i høj grad afhænger det.
  • I laboratorieforsøg for at bestemme indholdet af flere løsninger salt under fordampning af vand.
  • Ved at studere basicities syrer, kan som bestemmes ved ledningsevnemålinger.
  • For at bestemme de knapt opløselige elektrolyt opløseligheder og finde elektrolytkoncentrationer i opløsning ved titrering.

Grundlag af afgørelser, der mættede opløselighed er kan betragtes knapt opløselige elektrolytopløsninger som uendeligt fortyndet. Måling af specifikke ledningsevne af en sådan løsning, og beregning af den ækvivalente ledningsevne ifølge hende, elektrolytten koncentrationen er, nemlig dets opløselighed.

En meget vigtig praktisk metode er konduktometrisk titrering eller bestemmelse af koncentrationen af ​​en elektrolyt opløsning ved måling af ledningsevnen under titreringen. Denne metode er især værdifuldt for uklar eller stærkt farvet, der ofte ikke kan titlen med brug af indikatorer løsninger.

Den elektriske ledningsevne anvendes til at bestemme saltindholdet i jorden og vækstmedier, som de er opløst i vand og ledningsevnen af ​​den resulterende flydende medium måles. Normalt refereres til 25 ° C, og den opnåede værdi skal korrigeres i henhold til temperaturen. Sameksistere mange enheder af udtryk for ledningsevne til dette formål, selv om de mest anvendte er DS / m, mmhos / cm og i henhold til de europæiske standardiseringsorganer mS / m. Indholdet af en jord eller substrat salt kan også udtrykkes ved resistiviteten.

Ledningsevne i faste medier

Ifølge teorien om energi bands i krystallinske faste stoffer, ledende materialer er dem, hvor valens og ledningsforstyrrelser bands overlapper hinanden, danner en sky af frie elektroner forårsager strøm til udsætte materialet for et elektrisk felt. Disse ledende organ kaldes elektriske ledere.

Den Internationale Elektrotekniske Kommission defineret som et mønster af elektrisk ledningsevne:

Nogle elektriske ledningsevner

Forklaring af ledningsevne i metaller

Før fremkomsten af ​​kvantemekanik, den klassiske teori bruges til at forklare ledningsevnen af ​​metaller var model af Drude-Lorentz, hvor elektroner bevæger sig en tilnærmelsesvis konstant gennemsnitshastighed er hastighedsgrænse forbundet med accelererende virkning af det elektriske felt og den dæmpende virkning af krystalgitteret som elektroner kolliderer producere Joule effekt.

Men fremkomsten af ​​kvantemekanik lov til at bygge mere raffinerede teoretiske modeller baseret på teorien om energi bands, som i detaljer forklarer adfærd ledende materialer.

Drude-Lorentz-model

Phenomenological interaktion af frie elektroner med metalgitter svarer til en "viskos" force, såsom eksisterer i en væske, der har friktion med væggene i kanal, hvorigennem den strømmer. Ligningen af ​​bevægelse af elektronerne i et metal kan derfor estimeres ved udtryk såsom:

Og kørehastigheden af ​​strømmen, er en, hvor den accelererende virkning af det elektriske felt på grund af modstanden netværket er udlignet, bør denne hastighed opfylde:

For en driver, der opfylder Ohms lov og n antallet af elektroner pr volumen, der bevæger sig med samme hastighed, du kan skrives:

Introduktion relaksationstiden og sammenligne de nyeste udtryk er nået ledningsevnen kan udtrykkes som:

Fra de kendte værdier kan du vurdere hviletiden og sammenligne det med den gennemsnitlige tid mellem elektron effekt til netværket. Antages det, at hvert atom bidrager en elektron og n er omkring 10 elektroner pr m³ i de fleste metaller. Også ved hjælp af værdierne af elektronens masse og ladning af elektroner relaksationstiden 10 s.

For at bedømme, om fænomenologiske model, der i tilstrækkelig grad forklarer Ohms lov og ledningsevne i metaller skal afslapning tid med egenskaberne for netværket. Mens modellen ikke kan være teoretisk korrekt, fordi bevægelsen af ​​elektroner i et metal krystal styres af kvantemekanikken, i det mindste størrelsesorden forudsagt af modellen er rimelige. For eksempel er det rimeligt at relatere hviletiden med den gennemsnitlige tid mellem kollisioner af en elektron med krystalgitteret. I betragtning af at den typiske afstand mellem gitter atomer er L = 5 · 10 m ved hjælp af teorien om ideelle gasser anvendt på de frie elektroner fremskynde heraf ville = 10 m / s, så = 5 · 10 s hvilket er i god overensstemmelse med de værdier for samme størrelsesorden udledes ledningsevne af metaller.

Quantum model

Ifølge Drude-Lorentz model elektronen hastigheden bør variere med kvadratroden af ​​temperaturen, men når tiden mellem kollisioner anslået af Drude-Lorentz model med ledningsevnen ved lave hastigheder sammenlignet opnås inkonsistente værdier da sådanne model forudsigelser er kun kompatible med interionic afstande langt større end de faktiske afstande.

I det kvante-model elektronerne accelereres af det elektriske felt, og også interagere med krystalgitteret ved at overføre en del af deres magt og forårsager Joule effekt. Men der skal dispergeres i en kollision med netværket, skal Pauli udstødelse princippet elektroner stopper efter kollisionen med den lineære dynamikken i en kvantetilstand, der tidligere var tom; der forårsager elektroner spredt sandsynligvis være den mest energi. Efter at være spredte pass kvantetilstande med en negativ momentum lavere energi; denne kontinuerlige spredning i tilstande af modsatte momentum er, hvad der modvirker gasfeltet effekt. Hovedsagelig denne model deler med den klassiske Drude-Lorentz-modellen den idé, at interaktionen med krystalgitteret forårsager elektroner til at flytte med en konstant hastighed og ikke fremskynde ud over en vis grænse. Selv om de to modeller adskiller kvantitativt især ved lave temperaturer.

Inden kvante model ledningsevne det er givet ved en overfladisk lighed med den klassiske model af Drude-Lorentz ligning:

Hvor:

Hvis quantum begrundelse for dette er at beregne sandsynligheden for spredning har vi:

Hvor:

Ifølge kvante beregninger, tværsnittet af spredere er proportional med kvadratet på amplituden af ​​den termiske vibrationer, og som sagt pladsen er proportional med den termiske energi, og dette er proportionalt med temperaturen T skal være lave temperaturer :

Denne adfærd korrekt forudsagt af modellen kunne ikke forklares med klassisk Drude-Lorentz-model, så modellen anses vedtaget af tilsvarende kvante-model især for lave temperaturer.

Forrige artikel Eddie Santiago
Næste artikel El Astillero