Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Електрична провідність


Solenoid.svg

План:


Введення

Електрична провідність (електропровідність, провідність) - це здатність тіла проводити електричний струм, а також фізична величина, що характеризує цю здатність і зворотна електричному опору. В СІ одиницею виміру електричної провідності є сіменс (звана також в деяких країнах Мо) [1].


1. Питома провідність

Питомою провідністю називають міру здатності речовини проводити електричний струм. Згідно закону Ома в лінійному ізотропному речовині питома провідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю виникає струму і величиною електричного поля в середовищі:

\ Vec J = \ sigma \, \ vec E,

де

У неоднорідному середовищі σ може залежати (і в загальному випадку залежить) від координат, тобто не збігається в різних точках провідника.

У анізотропних середовищах питома провідність характеризується є тензором 2 рангу, і вектори щільності струму і напруженості поля, взагалі кажучи, не колінеарні :

J_i = \ sigma_ {ik} \, E_k,

Величина, зворотна питомої провідності, називається питомим опором.

  • Взагалі кажучи, лінійне співвідношення, написане вище, вірно в кращому випадку приблизно, причому наближення це добре тільки для порівняно малих значень E. Втім, і при тих значеннях E, коли відхилення від лінійності є, але не надто великі, питома електропровідність може зберігати свою роль в якості коефіцієнта при лінійному члені розкладання.

Електрична провідність G провідника довжиною L з площею поперечного перерізу S може бути виражена через питому провідність речовини, з якого зроблений провідник, наступною формулою:

G = \ sigma \ frac {S} {L}

В системі СІ питома електропровідність вимірюється в Сіменса на метр (См / м) або в Ом -1 м -1. В СГСЕ одиницею питомої електропровідності є зворотна секунда (с -1).


1.1. Зв'язок з коефіцієнтом теплопровідності

Закон Відемана - Франца встановлює однозначну зв'язок питомої електричної провідності σ з коефіцієнтом теплопровідності K :

\ Frac {K} {\ sigma} = \ frac {\ pi ^ 2} {3} {\ left (\ frac {k} {e} \ right) ^ 2} T,

де k - постійна Больцмана, e - елементарний заряд.


2. Електропровідність металів

Ще задовго до відкриття електронів було експериментально показано, що проходження струму в металах не пов'язано, на відміну від струму в рідких електролітах, з перенесенням речовини металу. Досвід полягав у тому, що через контакт двох різних металів, наприклад золота і срібла, протягом часу, що обчислюється багатьма місяцями, пропускався постійний електричний струм. Після цього досліджувався матеріал поблизу контактів. Було показано, що ніякого перенесення речовини через кордон не спостерігається і речовина по різні боки кордону розділу має той же склад, що і до пропускання струму. Ці досліди показали, що атоми і молекули металів не беруть участі в перенесенні електричного струму, але вони не відповіли на питання про природу носіїв заряду в металах.


2.1. Досліди Толмена і Стюарта

Прямим доказом, що електричний струм в металах обумовлюється рухом електронів, були досліди Толмена і Стюарта, проведені в 1916 р. Ідея цих дослідів була висловлена ​​Мандельштамом і Папалексі в 1913 р.

Візьмемо котушку, яка може обертатися навколо своєї осі. Кінці котушки за допомогою ковзних контактів замкнуті на гальванометр. Якщо знаходиться в швидкому обертанні котушку різко загальмувати, то вільні електрони в дроті продовжать рухатися за інерцією, у результаті чого гальванометр повинен зареєструвати імпульс струму.

При досить щільної намотуванні і тонких проводах можна вважати, що лінійне прискорення котушки при гальмуванні \ Mathbf {\ dot v} направлено вздовж проводів. При гальмуванні котушки до кожного вільному електрону прикладена сила інерції - m_e \ mathbf {\ dot v} , Спрямована протилежно прискоренню ( m e - Маса електрона). Під її дією електрон поводиться в металі так, як якщо б на нього діяло деяке ефективне електричне поле :

E_ {eff} = - \ frac {m_e \ mathbf {\ dot v}} {e} .

Тому ефективна електрорушійна сила в котушці, обумовлена ​​інерцією вільних електронів, дорівнює

\ Mathcal E_ {eff} = \ int \ limits_L E_ {eff} \, dl = - \ frac {m_e} {e} \ mathbf {\ dot v} L ,

де L - Довжина дроту на котушці. [2]

Введемо позначення: I - Сила струму, що протікає по замкнутій ланцюга, R - Опір всього ланцюга, включаючи опір проводів котушки і проводів зовнішньої ланцюга і гальванометра. Запишемо закон Ома у вигляді:

IR = - \ frac {m_e \ mathbf {\ dot v} L} {e}

Кількість електрики, що протікає через поперечний переріз провідника за час d t при силі струму I , Так само

dQ = Idt = - \ frac {m_e} {e} \ frac {L} {R} \ mathbf {\ dot v} dt = - \ frac {m_e} {e} \ frac {L} {R} dv

Тоді за час гальмування через гальванометр пройде заряд

Q = \ int dQ = - \ frac {m_e} {e} \ frac {L} {R} \ int \ limits_ {v_0} ^ 0 dv = - \ frac {m_e} {e} \ frac {L} {R } v_0 .

Значення Q знаходиться за показаннями гальванометра, а значення L , R , v 0 відомі, що дозволяє знайти значення \ Frac {e} {m_e} . Експерименти показують, що \ Frac {e} {m_e} відповідає відношенню заряду електрона до його маси. Тим самим доведено, що спостерігається з допомогою гальванометра струм обумовлений рухом електронів.


3. Питома провідність деяких речовин

Питома провідність наведено за температурі 20 C [3] :

речовина См / м
срібло 62500000
мідь 58100000
золото 45500000
алюміній 37000000
магній 22700000
іридій 21100000
молібден 18500000
вольфрам 18200000
цинк 16900000
нікель 11500000
залізо чисте 10000000
платина 9350000
олово 8330000
сталь лита 7690000
свинець 4810000
нейзильбер 3030000
константан 2000000
манганін 2330000
ртуть 1040000
ніхром 893000
графіт 125000
вода морська 3
земля волога 10 -2
вода дистилят. 10 -4
мармур 10 -8
скло 10 -11
фарфор 10 -14
кварцове скло 10 -16
бурштин 10 -18

Література

Примітки

  1. Електропровідність (фізіч.) - bse.sci-lib.com/article126142.html - стаття з Великої радянської енциклопедії
  2. Всі точки проводу рухаються з однаковим прискоренням, тому \ Mathbf {\ dot v} можна виносити за знак інтеграла.
  3. Кухлінг Х. Довідник з фізики. Пер. з нім., М.: Мир, 1982, стор 475 (табл. 39); значення питомої провідності обчислені з питомої опору і округлені до 3 значущих цифр.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Електрична постійна
Електрична потужність
Електрична підстанція
Електрична дуга
Електрична огорожа
Електрична плита
Електрична міцність
Електрична машина
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru