الموصلية الكهربائية للمواد

في هذه المقالة ، سنكشف عن موضوع التوصيل الكهربائي ، وسنتذكر ماهية التيار الكهربائي ، وكيف يرتبط بمقاومة الموصل ، وبالتالي ، بالتوصيل الكهربائي. دعونا نلاحظ الصيغ الرئيسية لحساب هذه الكميات ، والتطرق إلى الموضوع السرعة الحالية وعلاقتها بشدة المجال الكهربائي. سنتطرق أيضًا إلى العلاقة بين المقاومة الكهربائية ودرجة الحرارة.

بادئ ذي بدء ، لنتذكر ما هو التيار الكهربائي. إذا وضعت مادة في مجال كهربائي خارجي ، فعندئذٍ تحت تأثير القوى من هذا المجال ، ستبدأ حركة ناقلات الشحنة الأولية - الأيونات أو الإلكترونات - في المادة. ستكون صدمة كهربائية. يُقاس التيار I بالأمبير ، والأمبير الواحد هو التيار الذي تتدفق فيه شحنة تساوي كولوم واحدًا عبر المقطع العرضي للسلك في الثانية.

التيار مباشر ، متناوب ، نابض.لا يغير التيار المباشر حجمه واتجاهه في لحظة معينة ، ويغير التيار المتردد حجمه واتجاهه بمرور الوقت (مولدات التيار المتردد والمحولات تعطي تيارًا متناوبًا بالضبط) ، والتيار النبضي يغير حجمه ولكنه لا يغير الاتجاه (مثل التيار المتردد المعدل) . النبضات الحالية).

تميل المواد إلى توصيل تيار كهربائي تحت تأثير مجال كهربائي ، وتسمى هذه الخاصية الموصلية الكهربائية ، وهي تختلف باختلاف المواد ، وتعتمد الموصلية الكهربائية للمواد على تركيز الجسيمات المشحونة الحرة فيها ، أي الأيونات. والإلكترونات غير المرتبطة لا بالبنية البلورية ولا بالجزيئات ولا بذرات المادة المعينة. لذلك ، اعتمادًا على تركيز ناقلات الشحن المجاني في مادة معينة ، يتم تقسيم المواد حسب درجة التوصيل الكهربائي إلى: الموصلات والعوازل الكهربائية وأشباه الموصلات.

لديها أعلى الموصلية الكهربائية أسلاك التيار الكهربائي، وبالطبيعة الفيزيائية ، يتم تمثيل الموصلات في الطبيعة بنوعين: المعادن والإلكتروليتات. في المعادن ، يرجع التيار إلى حركة الإلكترونات الحرة ، أي أن لها الموصلية الإلكترونية ، وفي الإلكتروليتات (في محاليل الأحماض والأملاح والقواعد) - من حركة الأيونات - أجزاء من الجزيئات لها موجبة و شحنة سالبة ، أي أن موصلية الإلكتروليت أيونية. تتميز الأبخرة والغازات المؤينة بالتوصيل المختلط ، حيث يرجع التيار إلى حركة كل من الإلكترونات والأيونات.

تشرح نظرية الإلكترون تمامًا التوصيل الكهربائي العالي للمعادن.رابطة إلكترونات التكافؤ مع نواتها في المعادن ضعيفة ، لذلك تتحرك هذه الإلكترونات بحرية من ذرة إلى ذرة في جميع أنحاء حجم الموصل.

اتضح أن الإلكترونات الحرة في المعادن تملأ الفراغ بين الذرات مثل الغاز ، وغاز الإلكترون ، وهي في حالة حركة فوضوية. ولكن عندما يتم إدخال سلك معدني في مجال كهربائي ، فإن الإلكترونات الحرة سوف تتحرك بطريقة منظمة ، وسوف تتحرك نحو القطب الموجب ، مما يخلق تيارًا. وبالتالي فإن الحركة المنظمة للإلكترونات الحرة في موصل معدني تسمى التيار الكهربائي.

من المعروف أن سرعة انتشار المجال الكهربائي في الفضاء تساوي تقريبًا 300.000.000 م / ث ، أي سرعة الضوء. هذه هي نفس السرعة التي يتدفق بها التيار عبر السلك.

ماذا يعني ذلك؟ هذا لا يعني أن كل إلكترون في المعدن يتحرك بهذه السرعة الهائلة ، ولكن الإلكترونات في السلك ، على العكس من ذلك ، لها سرعة من بضعة ملليمترات في الثانية إلى بضعة سنتيمترات في الثانية ، اعتمادًا على شدة المجال الكهربائي، لكن سرعة انتشار التيار الكهربائي على طول السلك تساوي تمامًا سرعة الضوء.

الشيء هو أن كل إلكترون حر يتضح أنه موجود في التدفق العام للإلكترون لنفس "غاز الإلكترون" ، وأثناء مرور التيار ، يعمل المجال الكهربائي على هذا التدفق بالكامل ، ونتيجة لذلك تنتقل الإلكترونات باستمرار هذا العمل الميداني لبعضنا البعض - من الجار إلى الجار.

لكن الإلكترونات تتحرك إلى أماكنها ببطء شديد ، على الرغم من حقيقة أن سرعة انتشار الطاقة الكهربائية على طول السلك هائلة.لذلك عند تشغيل المفتاح في محطة الطاقة ، يظهر التيار على الفور في جميع أنحاء الشبكة وتبقى الإلكترونات ثابتة عمليًا.

ومع ذلك ، عندما تتحرك الإلكترونات الحرة على طول سلك ، فإنها تتعرض للعديد من الاصطدامات في طريقها ، فتصطدم بالذرات والأيونات والجزيئات ، وتحول بعض طاقتها إليها. يتم تبديد طاقة الإلكترونات المتحركة التي تتغلب على هذه المقاومة جزئيًا مع ارتفاع درجة حرارة الموصل.

تعمل هذه الاصطدامات كمقاومة لحركة الإلكترونات ، وهذا هو السبب في أن خاصية الموصل لمنع حركة الجسيمات المشحونة تسمى المقاومة الكهربائية. مع مقاومة السلك المنخفضة ، يتم تسخين السلك بالتيار قليلاً ، مع تسخين كبير - أقوى بكثير وحتى إلى الأبيض ، يستخدم هذا التأثير في أجهزة التسخين والمصابيح المتوهجة.

وحدة تغيير المقاومة هي أوم. المقاومة R = 1 أوم هي مقاومة مثل هذا السلك ، عندما يمر عبره تيار مباشر قدره 1 أمبير ، يكون فرق الجهد عند طرفي السلك 1 فولت. معيار المقاومة في 1 أوم هو عمود من الزئبق بارتفاع 1063 ملم ، المقطع العرضي 1 ملم مربع عند درجة حرارة 0 درجة مئوية.

نظرًا لأن الأسلاك تتميز بمقاومة كهربائية ، يمكننا القول إن السلك قادر إلى حد ما على توصيل التيار الكهربائي. في هذا الصدد ، يتم إدخال قيمة تسمى الموصلية أو التوصيل الكهربائي. الموصلية الكهربائية هي قدرة الموصل على توصيل تيار كهربائي ، أي عكس المقاومة الكهربائية.

وحدة التوصيل الكهربائي G (الموصلية) هي Siemens (S) و 1 S = 1 / (1 أوم). G = 1 / ر.

نظرًا لأن ذرات المواد المختلفة تتداخل مع مرور التيار الكهربائي بدرجات مختلفة ، فإن المقاومة الكهربائية للمواد المختلفة مختلفة. لهذا السبب ، تم تقديم المفهوم المقاومة الكهربائية، التي تميز قيمتها «p» الخصائص الموصلة لهذه المادة أو تلك.

تُقاس المقاومة الكهربائية المحددة بالأوم * م ، أي مقاومة مكعب من المادة بحافة متر واحد. وبالمثل ، تتميز الموصلية الكهربائية لمادة ما بالتوصيل الكهربائي المحدد؟ ، المقاس بوحدة S / m ، أي موصلية مكعب من مادة بحافة متر واحد.

اليوم ، تُستخدم المواد الموصلة في الهندسة الكهربائية بشكل أساسي في شكل شرائط وإطارات وأسلاك ، مع مساحة مقطعية معينة وطول معين ، ولكن ليس في شكل مكعبات مترية. ولحسابات أكثر ملاءمة للمقاومة الكهربائية والتوصيل الكهربائي للأسلاك ذات الأحجام المحددة ، تم إدخال المزيد من وحدات القياس المقبولة لكل من المقاومة الكهربائية والتوصيل الكهربائي. أوم * مم 2 / م - للمقاومة ، و سم * م / مم 2 - للتوصيل الكهربائي.

الآن يمكننا أن نقول أن المقاومة الكهربائية والتوصيل الكهربائي يميزان الخصائص الموصلة لسلك بمساحة مقطع عرضي 1 مم مربع وطول متر واحد عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، وهو أكثر ملاءمة.

تتمتع المعادن مثل الذهب والنحاس والفضة والكروم والألمنيوم بأفضل توصيل كهربائي. الفولاذ والحديد أقل موصلة. تتمتع المعادن النقية دائمًا بموصلية كهربائية أفضل من سبائكها ، لذلك يفضل النحاس النقي في الهندسة الكهربائية.إذا كنت بحاجة إلى مقاومة عالية بشكل خاص ، فسيتم استخدام التنغستن والنيكروم والكونستانتان.

بمعرفة قيمة المقاومة الكهربائية المحددة أو التوصيل الكهربائي ، يمكن للمرء بسهولة حساب المقاومة أو التوصيل الكهربائي لسلك معين مصنوع من مادة معينة ، مع مراعاة الطول l ومنطقة المقطع العرضي S لهذا السلك.

تعتمد الموصلية الكهربائية والمقاومة الكهربائية لجميع المواد على درجة الحرارة ، لأن تواتر وسعة الاهتزازات الحرارية لذرات الشبكة البلورية تزداد أيضًا مع زيادة درجة الحرارة ، كما تزداد مقاومة التيار الكهربائي وتدفق الإلكترونات وفقًا لذلك.

مع انخفاض درجة الحرارة ، على العكس من ذلك ، تصبح اهتزازات ذرات الشبكة البلورية أصغر ، وتقل المقاومة (تزداد الموصلية الكهربائية). في بعض المواد ، يكون اعتماد المقاومة على درجة الحرارة أقل وضوحًا ، وفي حالات أخرى يكون أقوى. على سبيل المثال ، تغير السبائك مثل Constantan و fechral و manganin بشكل طفيف المقاومة في نطاق درجة حرارة معينة ، وهذا هو السبب في صنع المقاومات الحرارية منها.

معامل درجة حرارة المقاومة؟ يسمح لك بحساب مادة معينة الزيادة في مقاومتها عند درجة حرارة معينة وتميز رقميًا الزيادة النسبية في المقاومة مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية.

من خلال معرفة معامل درجة حرارة المقاومة وارتفاع درجة الحرارة ، من السهل حساب مقاومة مادة عند درجة حرارة معينة.

نأمل أن تكون مقالتنا مفيدة لك والآن يمكنك بسهولة حساب المقاومة والتوصيل لأي سلك في أي درجة حرارة.