Довжина та відстань Маса Заходи об'єму сипучих продуктів та продуктів Площа Обсяг та одиниці вимірювання в кулінарних рецептахТемпература Тиск, механічна напруга , модуль Юнга Енергія та робота Потужність Сила Час Лінійна швидкість Плоский кут Теплова ефективність та паливна економічність Числа Одиниці виміру кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягута взуття Розміри чоловічий одягі взуття Кутова швидкість і частота обертання Прискорення Кутове прискорення Щільність Питомий об'єм Момент інерції Момент сили Обертовий момент Питома теплота згоряння (за масою) Щільність енергії та питома теплота згоряння палива (за об'ємом) Різниця температур Коефіцієнт теплового розширення Термічний опір Удель , потужність теплового випромінювання Щільність теплового потоку Коефіцієнт тепловіддачі Об'ємна витрата Масова витрата Молярна витрата Щільність потоку маси Молярна концентрація Масова концентрація в розчині Динамічна (абсолютна) в'язкість Кінематична в'язкість Поверхневий натяг Паропроникність звуку ) Яскравість Сила світла Освітленість Дозвіл у комп'ютерної графікиЧастота та довжина хвилі Оптична сила в діоптріях та фокусна відстань Оптична сила в діоптріях та збільшення лінзи (×) Електричний заряд Лінійна щільність заряду Поверхнева щільність заряду Об'ємна щільність заряду Електричний струм Лінійна щільність струму Поверхнева щільність струму Напряга електричного поляЕлектростатичний потенціал та напруга Електричний опір Питомий електричний опір Електрична провідність Питома електрична провідність Електрична ємність Індуктивність Американський калібр проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін. магнітного поляМагнітний потік Магнітна індукція Потужність поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Радіоактивний розпад Радіація. Експозиційна доза: Радіація. Поглинена доза Десяткові приставки Передача даних Типографіка та обробка зображень Одиниці вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної масиПеріодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Вихідна величина

Перетворена величина

сименс на метр пикосименс на метр мо на метр мо на сантиметр абмо на метр абмо на сантиметр статмо на метр статмо на сантиметр сименс на сантиметр мілісіменс на метр мілісіменс на сантиметр мікросіменс на метр мікросименс на сантиметр умовна одиниця електро. перерахунку 700 мільйонних часток, коеф. перерахунку 500 мільйонних часток, коеф. перерахунку 640 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 640 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 550 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 500 TDS, мільйонних часток, коеф. перерахунку 700

Докладніше про питому електричну провідність

Введення та визначення

Питома електрична провідність (або питома електропровідність)є мірою здатності речовини проводити електричний струм або переміщати електричні зарядив ньому. Це відношення густини струму до напруженості електричного поля. Якщо розглянути куб із провідного матеріалу зі стороною 1 метр, то питома провідність дорівнюватиме електричної провідності, виміряної між двома протилежними сторонами цього куба.

Питома провідність пов'язана з провідністю наступною формулою:

G = σ(A/l)

де G- електрична провідність, σ - Питома електрична провідність, А- поперечний переріз провідника, перпендикулярний напряму електричного струму та l- Довжина провідника. Цю формулу можна використовувати з будь-яким провідником у формі циліндра чи призми. Зазначимо, що цю формулу можна використовувати і для прямокутного паралелепіпеда, тому що він є окремим випадком призми, основою якої є прямокутник. Нагадаємо, що питома електрична провідність - величина, зворотна питомого електричного опору.

Людям, далеким від фізики та техніки, буває складно зрозуміти різницю між провідністю провідника та питомою провідністю речовини. Тим часом, звісно, це різні фізичні величини. Провідність - це властивість даного провідника або пристрою (наприклад, резистора або гальванічної ванни), тоді як питома провідність - це невід'ємна властивість матеріалу, з якого виготовлено цей провідник або пристрій. Наприклад, питома провідність міді завжди однакова, незалежно від того, як змінюється форма та розміри предмета з міді. У той же час, провідність мідного дроту залежить від його довжини, діаметра, маси, форми та деяких інших факторів. Звичайно, схожі об'єкти з матеріалів з вищою питомою провідністю мають вищу провідність (хоч і не завжди).

У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею питомої електричної провідності є сименс на метр (Див/м). Одиниця провідності, що входить до неї, названа на честь німецького вченого, винахідника, підприємця Вернера фон Сіменса (1816–1892 рр.). Заснована ним 1847 р. компанія Siemens AG (Сіменс) є однією з найбільших компаній, що випускають електротехнічне, електронне, енергетичне, транспортне та медичне обладнання.

Діапазон питомих електричних провідностей дуже широкий: від матеріалів, що мають високий питомий опір, таких як скло (яке, між іншим, добре проводить електричний струм, якщо його нагріти до червоного) або поліметилметакрилат (органічне скло) до дуже хороших провідників, таких як срібло, мідь чи золото. Питома електрична провідність визначається кількістю зарядів (електронів та іонів), швидкістю їх руху та кількістю енергії, яку вони можуть переносити. Середні значення питомої провідності мають водні розчини різних речовин, які використовуються, наприклад, у гальванічних ваннах. Іншим прикладом електролітів із середніми значеннями питомої провідності є внутрішнє середовище організму (кров, плазма, лімфа та інші рідини).

Провідність металів, напівпровідників та діелектриків детально обговорюється в наступних статтях Конвертера фізичних величин сайт: , та Електрична провідність. У цій статті ми обговоримо докладніше питому провідність електролітів, а також методи та просте обладнання для її вимірювання.

Питома електрична провідність електролітів та її вимір

Питома провідність водних розчинів, у яких електричний струм виникає внаслідок руху заряджених іонів, визначається кількістю носіїв заряду (концентрацією речовини у розчині), швидкістю їх руху (рухливість іонів залежить від температури) та зарядом, які вони несуть (визначуваною валентністю іонів). Тому в більшості водних розчинів підвищення концентрації призводить до збільшення числа іонів і, отже, збільшення питомої провідності. Однак після досягнення певного максимуму питома провідність розчину може зменшуватися при подальшому збільшенні концентрації розчину. Тому розчини з двома різними концентраціями однієї і тієї ж солі можуть мати однакову питому провідність.

Температура також впливає на провідність, тому що при підвищенні температури іони рухаються швидше, що призводить до збільшення питомої провідності. Чиста вода – поганий провідник електрики. Звичайна дистильована вода, в якій міститься в рівноважному стані вуглекислий газ з повітря та загальна мінералізація менше 10 мг/л, має питому електричну провідність близько 20 мСм/см. Питома провідність різних розчинівнаведено нижче у таблиці.

Для визначення питомої провідності розчину використовується вимірювач опору (омметр) чи провідності. Це практично однакові пристрої, що відрізняються лише шкалою. Обидва вимірюють падіння напруги на ділянці ланцюга, яким протікає електричний струм від батареї приладу. Виміряне значення провідності вручну або автоматично перераховується до питомої провідності. Це здійснюється з урахуванням фізичних характеристиквимірювального пристрою чи датчика. Датчики питомої провідності влаштовані просто: це пара (або дві пари) електродів, занурених у електроліт. Датчики для вимірювання питомої провідності характеризуються постійної датчика питомої провідності, яка у найпростішому випадку визначається як відношення відстані між електродами Dдо площі (електроду), перпендикулярної до течії струму А

Ця формула добре працює, якщо площа електродів значно більша за відстань між ними, так як у цьому випадку більша частина електричного струму протікає між електродами. Приклад: для 1 кубічного сантиметра рідини K = D/A= 1 см/1 см² = 1 см⁻¹. Зазначимо, що датчики питомої провідності з маленькими електродами, розсунутими на відносну відстань, характеризуються значеннями постійної датчика 1.0 cm⁻¹ і вище. У той же час датчики з відносно великими електродами, розташованими близько один до одного, мають постійну 0,1 cm⁻¹ або менше. Постійна датчика для вимірювання питомої електричної провідності різних пристроїв знаходиться від 0,01 до 100 cm⁻¹.

Теоретична постійна датчика: ліворуч - K= 0,01 см⁻¹ , справа - K= 1 см⁻¹

Для отримання питомої провідності виміряної провідності використовується наступна формула:

σ = K ∙ G

σ - Питома провідність розчину См/см;

K- постійна датчика в см⁻¹;

G- Провідність датчика в сименсах.

Постійну датчика зазвичай не розраховують за його геометричними розмірами, а вимірюють у конкретному вимірювальному пристрої або конкретної вимірювальної установки з використанням розчину з відомою провідністю. Ця виміряна величина і вводиться в прилад для вимірювання питомої провідності, який автоматично розраховує питому провідність за вимірюваними значеннями провідності або опору розчину. У зв'язку з тим, що питома провідність залежить від температури розчину, пристрої її вимірювання часто містять датчик температури, який вимірює температуру і забезпечує автоматичну температурну компенсацію вимірювань, тобто, приведення результатів до стандартної температури 25°C.

Найпростіший спосіб вимірювання провідності - прикласти напругу до двох плоских електродів, занурених у розчин, і виміряти струм, що протікає. Цей метод називається потенціометричним. За законом Ома, провідність Gє ставленням струму Iдо напруги U:

Однак не все так просто, як описано вище – при вимірі провідності є багато проблем. Якщо використовується постійний струм, іони збираються біля поверхонь електродів. Також біля поверхонь електродів може виникнути хімічна реакція. Це призводить до збільшення поляризаційного опору на поверхнях електродів, що, своєю чергою, призводить до отримання помилкових результатів. Якщо спробувати виміряти звичайним тестером опір, наприклад, розчину хлористого натрію, добре видно, як показання на дисплеї цифрового приладу досить швидко змінюються у бік збільшення опору. Щоб унеможливити вплив поляризації, часто використовують конструкцію датчика з чотирьох електродів.

Поляризацію також можна запобігти або принаймні зменшити, якщо використовувати при вимірі замість постійного, та ще й підлаштовувати частоту в залежності від провідності. Низькі частоти використовуються для вимірювання низької питомої провідності, коли вплив поляризації невеликий. Вищі частоти використовуються для вимірювання високих провідностей. Зазвичай частота підлаштовується в процесі вимірювання автоматично з урахуванням отриманих значень провідності розчину. Сучасні цифрові двоелектродні вимірювачі провідності зазвичай використовують змінний струм складної форми та температурну компенсацію. Вони відкалібровані на заводі-виробнику, проте в процесі експлуатації часто потрібне повторне калібрування, оскільки постійне вимірювальне комірки (датчика) змінюється з часом. Наприклад, вона може змінитися при забрудненні датчика або фізико-хімічних змін електродів.

У традиційному двоелектродному вимірнику питомої провідності (саме такий ми будемо використовувати в нашому експерименті) між двома електродами прикладена змінна напруга і вимірюється струм, що протікає між електродами. Цей простий метод має один недолік - вимірюється як опір розчину, а й опір, викликане поляризацією електродів. Для зведення впливу поляризації до мінімуму використовують чотириелектродну конструкцію датчика, а також покриття електродів платиновим чернем.

Загальна мінералізація

Пристрої для вимірювання питомої електричної провідності часто використовують для визначення загальної мінералізації або вмісту твердих речовин(англ. total dissolved solids, TDS). Це міра загальної кількості органічних і неорганічних речовин, що містяться в рідині різних формах: іонізованої, молекулярної (розчиненої), колоїдної та у вигляді суспензії (нерозчиненої). До розчинених речовин належать будь-які неорганічні солі. Головним чином це хлориди, бікарбонати і сульфати кальцію, калію, магнію, натрію, а також деякі органічні речовини, розчинені у воді. Щоб ставитись до загальної мінералізації, речовини повинні бути або розчиненими, або у формі дуже дрібних частинок, які проходять крізь фільтри з діаметром пір менше 2 мікрометрів. Речовини, які постійно перебувають у розчині у зваженому стані, але не можуть пройти крізь такий фільтр, називається зваженими твердими речовинами(Англ. total suspended solids, TSS). Загальна кількість завислих речовин зазвичай вимірюється визначення якості води.

Існує два методи вимірювання вмісту твердих речовин: гравіметричний аналіз, що є найбільш точним методом, вимірювання питомої провідності. Перший метод – найточніший, але потребує великих витрат часу та наявності лабораторного обладнання, оскільки воду потрібно випарувати до отримання сухого залишку. Зазвичай це робиться за температури 180°C у лабораторних умовах. Після повного випаровування залишок зважується на точних терезах.

Другий метод не такий точний, як гравіметричний аналіз. Однак він дуже зручний, широко поширений і є найбільш швидким методом, так як є простим виміром провідності і температури, що виконується за кілька секунд недорогим вимірювальним приладом. Метод вимірювання питомої електропровідності можна використовувати у зв'язку з тим, що питома провідність води залежить від кількості розчинених у ній іонізованих речовин. Цей метод особливо зручний для контролю якості питної водиабо оцінки загальної кількості іонів у розчині.

Виміряна провідність залежить від температури розчину. Тобто чим вище температура, тим вище провідність, тому що іони в розчині при підвищенні температури рухаються швидше. Для одержання вимірювань, незалежних від температури, використовується концепція стандартної (опорної) температури, до якої наводяться результати виміру. Опорна температура дозволяє порівняти результати, отримані за різних температур . Таким чином, вимірювач питомої провідності може вимірювати реальну провідність, а потім використовувати функцію, що коригує, яка автоматично приведе результат до опорної температури 20 або 25°C. Якщо необхідна дуже висока точність, зразок можна помістити в термостат, відкалібрувати вимірювальний прилад при тій же температурі, яка буде використовуватися при вимірюваннях.

Більшість сучасних вимірювачів питомої провідності мають вбудований датчик температури, який використовується як для температурної корекції, так і для вимірювання температури. Найдосконаліші прилади здатні вимірювати та відображати виміряні значення в одиницях питомої провідності, питомого опору, солоності, загальної мінералізації та концентрації. Однак ще раз відзначимо, що всі ці прилади вимірюють лише провідність (опір) та температуру. Усі фізичні величини, які показує дисплей, розраховуються приладом з урахуванням виміряної температури, яка використовується для автоматичної компенсації температур і приведення виміряних значень до стандартної температури.

Експеримент: вимірювання загальної мінералізації та провідності

На закінчення ми виконаємо кілька експериментів з вимірювання питомої провідності за допомогою недорогого вимірювача загальної мінералізації (так званого солемером, салінометром або кондуктомером) TDS-3. Ціна «безіменного» приладу TDS-3 на eBay з урахуванням доставки на момент написання статті менш ніж US$3.00. Такий самий прилад, але з назвою виробника коштує вже в 10 разів дорожче. Але це для любителів платити за бренд, хоча дуже висока ймовірність того, що обидва прилади будуть випущені на тому самому заводі. TDS-3 здійснює температурну компенсацію і для цього має датчик температури, розташований поруч з електродами. Тому його можна використовувати і як термометр. Слід ще раз відзначити, що прилад реально вимірює не саму мінералізацію, а опір між двома дротяними електродами та температуру розчину. Все інше він автоматично розраховує з використанням калібрувальних коефіцієнтів.

Вимірювач загальної мінералізації допоможе визначити вміст твердих речовин, наприклад, при контролі якості питної води або визначення солоності води в акваріумі або прісноводному ставку. Його можна також використовувати для контролю якості води в системах фільтрації та очищення води, щоб дізнатися коли настав час замінити фільтр або мембрану. Прилад відкалібрований на заводі-виробнику за допомогою розчину хлориду натрію NaCl з концентрацією 342 ppm (частиною на мільйон або мг/л). Діапазон вимірювання приладу – 0–9990 ppm або мг/л. PPM - мільйонна частка, безрозмірна одиниця виміру відносних величин, що дорівнює 1 10⁻⁶ від базового показника. Наприклад, масова концентрація 5 мг/кг = 5 мг на 1 000 000 мг = 5 частин на мільйон або мільйонних часток. Так само, як відсоток є однією сотою часткою, мільйонна частка є однією мільйонною часткою. Відсотки та мільйонні частки за змістом дуже схожі. Мільйонні частки, на відміну відсотків, зручні для вказівки концентрації дуже слабких розчинів.

Прилад вимірює електричну провідність між двома електродами (тобто величину, зворотну опору), потім перераховує результат у питому електричну провідність (в англомовній літературі часто використовують скорочення EC) за наведеною вище формулою провідності з урахуванням постійної датчика K, потім виконує ще один перерахунок, помножуючи отриману питому провідність коефіцієнт перерахунку 500. У результаті виходить значення загальної мінералізації в мільйонних частках (ppm). Докладніше про це – нижче.

Даний прилад для вимірювання загальної мінералізації не можна використовувати для перевірки якості води з високим вмістом солей. Прикладами речовин із високим вмістом солей є деякі харчові продукти (звичайний суп із нормальним вмістом солі 10 г/л) та морська вода. Максимальна концентрація натрію хлориду, яку може виміряти цей прилад - 9990 ppm або близько 10 г/л. Це нормальна концентрація солі в харчових продуктах. Даним приладом також не можна виміряти солоність морської водиоскільки вона зазвичай дорівнює 35 г/л або 35000 ppm, що набагато вище, ніж прилад здатний виміряти. При спробі виміряти таку високу концентрацію пристрій виведе повідомлення про помилку Err.

Солемір TDS-3 вимірює питому провідність і для калібрування та перерахунку концентрацію використовує так звану «шкалу 500» (або «шкалу NaCl»). Це означає, що для отримання концентрації у мільйонних частках значення питомої провідності в мСм/см множиться на 500. Тобто, наприклад, 1,0 мСм/см множиться на 500 і виходить 500 ppm. У різних галузях промисловості використовують різні шкали. Наприклад, у гідропоніці використовують три шкали: 500, 640 та 700. Різниця між ними тільки у використанні. Шкала 700 заснована на вимірюванні концентрації хлориду калію в розчині і перерахунок питомої провідності концентрацію виконується так:

1,0 мСм/см x 700 дає 700 ppm

Шкала 640 використовує коефіцієнт перетворення 640 для перетворення мСм ppm:

1,0 мСм/см x 640 дає 640 ppm

У нашому експерименті ми спочатку виміряємо загальну мінералізацію дистильованої води. Солемір показує 0 ppm. Мультиметр показує опір 1,21 МОм.

Для експерименту приготуємо розчин натрію хлориду NaCl з концентрацією 1000 ppm і виміряємо концентрацію за допомогою TDS-3. Для приготування 100 мл розчину нам потрібно розчинити 100 мг натрію хлориду і долити дистильованої води до 100 мл. Зважимо 100 мг натрію хлориду і помістимо його в мірний циліндр, додамо трохи дистильованої води і розмішаємо до повного розчинення солі. Потім доллємо воду до мітки 100 мл і ще раз добре розмішаємо.

Для експериментального визначення провідності використовували два електроди, виготовлені з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що і електроди TDS-3. Виміряний опір становив 2,5 КОм.

Тепер, коли нам відомий опір і концентрація хлориду натрію в мільйонних частках, ми можемо приблизно розрахувати постійну вимірювальну комірку солемеру TDS-3 за наведеною вище формулою:

K = σ/G= 2 мСм/см x 2,5 кОм = 5 см⁻¹

Це значення 5 см⁻¹ близько до розрахункової величини постійного вимірювального осередку TDS-3 із зазначеними нижче розмірами електродів (див. малюнок).

D = 0,5 см – відстань між електродами;
W = 0,14 см – ширина електродів
L = 1,1 см – довжина електродів

Постійна датчика TDS-3 дорівнює K = D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Це не дуже відрізняється від отриманого вище значення. Нагадаємо, що наведена вище формула дозволяє лише приблизно оцінити постійну датчика.

Ви вагаєтесь у перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові допомогти вам. Опублікуйте питання у TCTermsі протягом кількох хвилин ви отримаєте відповідь.

З курсу фізики Ви пам'ятаєте, що електричний опір будь-якого провідника може бути розрахований за такою формулою:

де R - опір Ом;

l – довжина провідника, см;

S - площа поперечного перерізу, см 2;

r - питомий опір, тобто. опір провідника довжиною 1 см із площею поперечного перерізу 1 см 2 .

В електрохімії прийнято користуватися величинами, оберненими до зазначених:

Величина L називається електричною провідністю та вимірюється в Сіменсах (См) См = Ом -1.

Величина À називається питомою електричною провідністю. Неважко вивести, що величина À вимірюється См×см -1 . На рис.3.1. представлена кондуктометрична комірка, що застосовується для вимірювання електричної провідності. Вона являє собою посудину 1, без дна, який вставлені два платинових електрода 2, що поміщаються в досліджуваний розчин 3.

Величину До визначають експериментально. Для цього необхідно виміряти електричну провідність розчину L, для якого À відома. Зазвичай для цього використовують розчини калію хлориду відомої концентрації (0,1; 0,05; 0,01 моль/дм 3), величини À яких є в таблицях.

З рівняння (3.5.) випливає, що

питома провідність - це електрична провідність розчину, розміщеного між двома електродами площею 1 см 2, що знаходяться на відстані 1 см.

більше іонів-носіїв електрики. У розведених розчинах як сильних і слабких електролітів збільшення концентрації призводить до підвищення провідності, що пов'язані з збільшенням кількості іонів. У сфері високих концентрацій спостерігається зменшення À. Для сильних електролітів це пов'язано зі збільшенням в'язкості розчинів та посиленням електростатичної взаємодії між іонами. Для слабких електролітів зазначений ефект пов'язаний із зменшенням ступеня дисоціації та, отже, зменшенням кількості іонів.

При підвищенні температури питома провідність електролітів зростає:

À 2 = À 1 [1 + a(T 2 - T 1)] (3.7.)

У цьому рівнянні À 1 і À 2 – питома провідність за температур Т 1 і Т 2 , а a – температурний коефіцієнт провідності. Наприклад, для солей a» 0,02. Це означає, що підвищення температури один градус призводить до збільшення провідності приблизно на 2%. Пов'язано це з тим, що при підвищенні температури зменшується ступінь гідратації та в'язкість розчинів.

Слід зазначити, що на відміну від електролітів, електрична провідність металів при підвищенні температури зменшується.

Молярна електрична провідність

Молярна провідність l пов'язана з питомою провідністю формулою:

l = À×1000/с (3.8.)

У цьому виразі с - молярна концентрація розчину, моль×дм -3 . Молярна провідність виражена См×см 2 ×моль -1 . Отже,

молярна провідність - це провідність розчину, що містить 1 моль речовини на відстані між електродами, що дорівнює 1 см.

Молярна електрична провідність як сильних і слабких електролітів зі збільшенням концентрації знижується. Характер залежності l від для сильних і слабких електролітів різний, т.к. вплив концентрації зумовлений різними причинами.

Сильні електроліти. При невеликих концентраціях залежність молярної провідності від концентрації виражається емпіричним рівнянням Кольрауша:

l = l 0 -bÖс (3.9.)

де b – обумовлена досвідченим шляхом постійна,

а l 0 - молярна електрична провідність при нескінченному розведенні або гранична молярна провідність.

Таким чином,

liml C ® 0 = l 0 (3.10)

Приготувати розчин, концентрація якого дорівнює нулю, неможливо. Величину l0 для сильних електролітів можна визначити графічно. З рівняння (3.9.) випливає, що графік залежності l = f(Öc) для сильних електролітів є прямою лінією (рис.3.3., лінія 1).

Якщо приготувати ряд розчинів різної концентрації, виміряти їх провідність L, розрахувати та побудувати графік l = f(Öс), то екстраполюючи отриману пряму на вісь ординат (с = 0), можна визначити l 0 . Якщо врахувати, що сильні електроліти, незалежно від концентрації розчину повністю дисоційовані, то приходимо до висновку, що кількість іонів, що утворюються з 1 моль речовини, завжди те саме. Значить, від концентрації розчину залежить швидкість руху іонів, зі збільшенням концентрації посилюється гальмування іонів. Це явище пов'язане з утворенням навколо кожного іона в розчині іонної атмосфери, що складається з іонів протилежного знака. Зі збільшенням концентрації також збільшується в'язкість розчину. Існують інші причини уповільнення руху іонів в електричному полі, на яких ми зупинятися не будемо.

Якщо експериментально визначити величину l для розчину даної концентрації та графічно знайти l 0 можна розрахувати величину коефіцієнта електропровідності f :

f= l/l 0 (3.11.)

Коефіцієнт fхарактеризує ступінь гальмування іонів і при розведенні розчину прагне одиниці.

Слабкі електроліти. Молярна провідність слабких електролітів значно менша, ніж для розчинів сильних електролітів (рис.3.3, лінія 2). Це з тим, що за низьких концентраціях ступінь дисоціації слабких електролітів мала. Підвищення молярної провідності слабких електролітів при розведенні розчинів пов'язане зі збільшенням ступеня дисоціації відповідно до закону розведення Оствальда. С.Арреніус висловив припущення, що молярна провідність слабкого електроліту пов'язана з його ступенем дисоціації виразом:

a= l/l 0 (3.12.)

Таким чином, ступінь дисоціації слабкого електроліту можна розрахувати, якщо відома його гранична молярна провідність l0. Однак визначити l 0 графічно шляхом екстраполяції графіка l = f(Öс) не можна, тому що . крива (рис.3.3., лінія 2) при зменшенні концентрації асимптотично наближається до осі ординат.

Величину l 0 можна визначити за допомогою закону незалежності руху іонів Кольрауша:

Молярна електрична провідність електроліту при нескінченному розведенні розчину дорівнює сумі граничних рухливостей катіонів та аніонів.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Рухливості катіону та аніону пропорційні абсолютним швидкостям руху іонів (див. табл. 3.1.).

l 0 + F F U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

У цих формулах F - одиниця кількості електрики, звана Фарадеєм, дорівнює 96494 кулонів (Кл). У табл.3.2. наведено граничні рухливості деяких іонів.

Слід зазначити, що закон незалежності руху іонів справедливий як слабких, так сильних електролітів.

Таблиця 3.2.

Граничні рухливості іонів (см 2 × См × моль -1) при 25 0 С

Катіон	l 0+	Аніон	l 0,-
Н + К + Na + Li + Ag + Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+	349,8 73,5 50,1 38,7 61,9 127,2 119,0 106,1	ВІН - I - Br - Cl - NO 3 - CH 3 COO - SO 4 2-	76,8 78,4 76,3 71,4 40,9 160,0

Застосування вимірювань провідності

Метод дослідження заснований на вимірі електричної провідності, що називається кондуктометрією. Цей метод широко використовується у лабораторній практиці. Прилад для вимірювання електричної провідності називається кондуктометром. Зокрема кондуктометричний метод дозволяє визначати константи дисоціації слабких електролітів.

приклад.Визначення константи дисоціації оцтової кислоти.

а)Для знаходження постійного кондуктометричного осередку приготували розчини хлориду калію з молярними концентраціями 0,1 і 0,02 моль×дм -3 і виміряли їх провідність. Вона виявилася рівною відповідно L 1 = 0,307 См і L 2 = 0,0645 См. таблиці знаходимо значення питомої провідності розчинів хлориду калію зазначених концентрацій:

À 1 = 1,29×10 -1 см×см -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 см×см -1

За рівнянням 3.6. розраховуємо постійну комірку:

До 1 = À 1 / L 1 = 0,42 см -1

До 2 = À 2 /L 2 = 0,40 см -1

Середнє значення К = 0,41 см -1

б)Приготували два розчини оцтової кислоти з концентраціями c 1 =0,02моль×дм -3 і c 2 = 1×10 -3 моль×дм -3 . За допомогою кондуктометра виміряли їх електричну провідність:

L 1 = 5,8×10 -4 див; L 2 = 1,3×10 -4 Див.

в) Розраховуємо питому провідність:

À 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cм×см -1

À 2 = L 2 ×К = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 См×см -1

г) За формулою (3.8.) знаходимо молярну електричну провідність l 1 = 11,89 см×см 2 × моль -1 ; l 2 = 49,2 см×см 2 ×моль -1

д) Знаходимо, користуючись табл.3.2. величину граничної молярної прово-димості оцтової кислоти: l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 см см 2 см моль -1 .

е) Нарешті, розраховуємо для кожного розчину ступінь дисоціації (рівняння 3.12.) та константу дисоціації

a 1 = 3,04×10 -2; a 2 = 1,26×10 -1

До 1 = 1,91 × 10 -5; До 2 = 1,82 10 -5

Середнє значення К = 1,86 10 -5

Технічна реалізація цього завдання дозволить людству не платити непомірну данину за використання найзручнішого виду енергії - у вигляді теплових втрат при генерації, трансформації та передачі електроенергії. Непрямим ефектом освоєння надпровідності стало б і суттєве покращення екології довкілля через зниження рівня викидів шкідливих продуктівгоріння вугілля, мазуту та газу тепловими електростанціями, та припинення марного підігріву атмосфери Землі, та скорочення викидів парникових газів.

Провідність, поруч із опором, грає велику роль електротехніці та інших технічних науках. Її фізичний зміст інтуїтивно зрозумілий з її гідравлічного аналога - всі розуміють, що у широкого шлангу опір потоку води нижчий, і, відповідно, краще пропускає воду, ніж тонкий. Також і з електропровідністю – матерія з нижчим опором краще проводить електрику.

Одиниця електропровідності названа на честь відомого німецького інженера, винахідника, вченого та промисловця – засновника фірми Siemens – Ернста Вернера фон Сіменса (Werner Ernst von Siemens). До речі, саме він запропонував ртутну одиницю опору, яка дещо відрізняється від сучасного ома. Сіменс визначив одиницю опору як опір стовпа ртуті висотою 100 см з поперечним перерізом 1 мм при температурі 0° С.

Фізика явищ

твердим, рідкимабо газоподібним плазмою

кристалічніі аморфні.

Ці зони називаються валентними зону провідності забороненою зоною

Електропровідність металів

Ще задовго до відкриття електронів було експериментально показано, що проходження струму в металах не пов'язане, на відміну від струму рідких електролітів, з переносом речовини. Витончений за своєю простотою експеримент, який виконав німецький фізик Карл Віктор Едуард Рікке (Carl Viktor Eduard Riecke) у 1901 році, переконливо довів, що носіями струму в металах є субстанція, на той момент невідома. Він протягом року пропускав електричний струм через своєрідний сендвіч з різнорідних металів (мідь-алюміній-мідь) і, по завершенню експерименту, виявив відсутність змішування металів. Пізніше, працями датського вченого Нільса Бора була створена і блискуче підтверджена теорія планетарного пристрою атома, що складається з позитивного ядра, що включає частки, які ми зараз називаємо нуклонами - це протони і нейтрони - і зовнішніх оболонок з негативно заряджених електронів. Цією теорією досі користуються фізики, щоправда, додавши до неї деякі корективи.

Електропровідність власне напівпровідників носить електронний характер і залежить від домішок. Технічне використання цієї властивості знайшло застосування у створенні підсилювальних та ключових елементів сучасної електроніки. Характерними напівпровідниками є чотиривалентні германій (Ge) та кремній (Si), що утворюють кристалічну структуру з атомів, пов'язаних між собою ковалентними зв'язками з електронних пар зовнішньої оболонки атомів. Привнесення домішок різко змінює провідність цих напівпровідників. Наприклад, при додаванні п'ятивалентних атомів галію (Ga) або миш'яку (As), у напівпровіднику утворюється надлишок валентних електронів, які стають загальним надбанням зразка напівпровідника, у цьому випадку говорять про провідність n-типу. Якщо до напівпровідника додається тривалентний індій (In), то утворюється нестача валентних електронів, у цьому випадку говорять про «діркову» провідність р-типу.

катіониі аніони

Електропровідність газів

фотохімічна іонізація ударна іонізація

Електропровідність у біології

Надпровідність

Якщо термін «електрична провідність» знайомий, переважно, спеціалістам з фізики та електротехніки, то про надпровідників, стараннями журналістів чув майже кожен. Поряд із освоєнням термоядерної енергії створення надпровідних матеріалів, що працюють при нормальних земних значеннях температур, є мрією і філософським каменем фізики 21-го століття.

Технічна реалізація цього завдання дозволить людству не платити непомірну данину за використання найзручнішого виду енергії - у вигляді теплових втрат при генерації, трансформації та передачі електроенергії. Непрямим ефектом освоєння надпровідності стало б і суттєве покращення екології. довкіллячерез зниження рівня викидів шкідливих продуктів горіння вугілля, мазуту та газу тепловими електростанціями, та припинення марного підігріву атмосфери Землі та скорочення викидів парникових газів.

Крім цього, впровадження надпровідників у різні галузі промисловості та транспорту призвело б до нової технічної революції, плодами якої могло б користуватися все населення Землі. Усі електричні машини – генератори, трансформатори, двигуни – зменшилися б у розмірах, а потужність їх зросла б; застосування електромагнітів на основі надпровідності суттєво наблизило б вирішення проблеми термоядерного синтезу, а надшвидкісні потяги стали реальністю.

Виходячи з цього, зрозумілий інтерес до проблеми надпровідності з боку вчених та інженерів усього світу, і вже з'являються перші матеріали, здатні реалізувати практичну надпровідність. Головним напрямом зусиль дослідників стали Останнім часомграфен і графеноподібні матеріали, що є по суті двомірними структурами з унікальною провідністю.

Визначення та одиниці вимірювання електричної провідності

Електричною провідністю називається здатність матеріалу пропускати через себе електричний струм. Електрична провідність або, інакше, електропровідність є оберненою величиною по відношенню до опору. Позначається провідність літерою G.

У системі СІ електропровідність вимірюється в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). У гаусової системі та в СГСЕ використовують статсименс, а СГСМ - абсименс.

Фізика явищ

Сама по собі електропровідність будь-якого матеріалу визначається, перш за все, його фізичним станом: речовина може бути твердим, рідкимабо газоподібним. Існує також четвертий стан речовини, що називається плазмою, З якого складаються верхні шари нашого Сонця.

При розгляді явищ електропровідності у твердих тілах не обійтися без сучасних уявлень фізики твердого тіла та зонної теорії провідності. З точки зору структури тверді тіла поділяються на кристалічніі аморфні.

Кристалічні речовини мають упорядковану геометричну структуру; атоми або молекули речовини утворюють своєрідну об'ємну або плоску решітку; до таких матеріалів відносяться метали, їх сплави та напівпровідники. Аморфні речовиникристалічних ґрат не мають.

З валентних електронів атомів усередині кристала утворюються асоціації електронів, які не належать конкретному атому. Так само, як стани електронів в ізольованому атомі обмежені дискретними енергетичними рівнями, стани електронів у твердому тілі обмежені дискретними енергетичними зонами. Ці зони називаються валентнимичи заповненими зонами. Крім валентної зони, кристал має зону провідності, Яка розташована, як правило, вище валентної. Ці дві зони в діелектриках та напівпровідниках розділені забороненою зоною, Т. е. енергетичної зоною, в якій не може знаходитися жоден електрон.

Діелектрики, напівпровідники та метали з погляду зонної теорії розрізняються лише шириною забороненої зони. Діелектрики мають найширшу заборонену зону, що іноді досягає 15 еВ. При температурі абсолютного нуля електронів в зоні провідності немає, але при кімнатній температурі в ній вже буде кілька електронів, вибитих з валентної зони за рахунок теплової енергії. У провідниках (металах) зона провідності та валентна зона перекриваються, тому при температурі абсолютного нуля в цій перекритій зоні є достатньо велика кількістьелектронів провідності, які можуть рухатися та утворювати струм. Напівпровідники мають невеликі заборонені зони, і їхня електропровідність сильно залежить від температури та інших факторів, а також наявності домішок.

Електропровідність металів

Провідність металів обумовлена наявністю великої кількості валентних електронів із зовнішніх оболонок атомів металів, які не належать конкретному атому, але стають надбанням всього ансамблю атомів зразка. Цілком природно, що атоми металів, що мають на зовнішній оболонці більше електронів, мають і більш високу електропровідність - сюди відносяться мідь (Cu), срібло (Ag) і золото (Au), що завжди відрізняло цінність цих металів для електротехніки та електроніки.

Електропровідність напівпровідників

Електропровідність напівпровідників сильно залежить від застосування зовнішніх факторів, як-то: електричного або магнітного поля, освітлення світлом різної інтенсивності та спектру або впливу різного роду опромінення аж до гамма-квантів. Слово "кванти" в англійській термінології не використовується. Ця властивість легованих напівпровідників знайшла широке застосування в сучасних технологіях. Унікальною властивістю односторонньої провідності має поєднання напівпровідників з різними видамипровідності, так званий p-n перехід, що є основою сучасної електроніки.

Електропровідність електролітів

Електропровідність електролітів - це здатність розчинів речовин проводити електричний струм при застосуванні електричної напруги. Носіями струму в них є позитивно та негативно заряджені іони. катіониі аніони, які існують у розчині внаслідок електролітичної дисоціації Іонна електропровідність електролітів, на відміну від електронної, характерної для металів, супроводжується перенесенням речовини до електродів з утворенням поблизу них нових хімічних сполук.

Загальна (сумарна) провідність складається з провідності катіонів та аніонів, які під дією зовнішнього електричного поля рухаються у протилежних напрямках. Вона пов'язана з рухливістю іонів - характеристикою, яка залежить від розмірів і заряду катіонів і аніонів. Як було доведено, унікальна рухливість іонів води - атома водню катіону Н+ та аніону гідроксильної групиОН-, обумовлена будовою води, що утворює асоціацію молекул з певним зарядом. Механізм передачі заряду в таких асоціаціях називається крокетним і нагадує за своєю суттю механізм передачі енергії в більярді - коли ви наносите удар битком в серію куль, що послідовно стоять, з цієї асоціації вилітає остання далека куля.

Електропровідність води, цього самого універсального розчинника на Землі, сильно залежить від домішок речовин, що розчиняються, саме тому електропровідність морської або океанічної води різко відрізняється від електропровідності прісної води річок і озер (ми також користуємося лікувальними властивостями мінеральних вод, і звідси походять легенди про живу і мертву воду).

Кількісно електропровідність електролітів характеризують еквівалентною електропровідністю - провідною здатністю всіх іонів, що утворюються в 1 грам-еквіваленті електроліту.

Електропровідність газів

Електропровідність газів обумовлена наявністю в них вільних електронів та іонів, тому і називається електронно-іонною провідністю. Для газів, з їхньої розрідженості, характерна велика довжина пробігу до зіткнення молекул та іонів; через це їхня електропровідність у нормальних умовах невисока. Те саме можна стверджувати щодо сумішей газів. Природною сумішшю газів є атмосферне повітря, яке в електротехніці вважається добрим ізолятором. Електропровідність газів дуже залежить від різних фізичних чинників, як-то: тиску, температури, складу суміші. Крім цього, дію надають різноманітні іонізуючі випромінювання. Так, наприклад, будучи освітленими ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, або перебуваючи під дією частинок, що випускаються радіоактивними речовинами, або, нарешті, під дією високої температури, гази набувають властивість проводити електричний струм.

Цей процес називається іонізації. Механізми її впливу різні: у верхніх шарах атмосфери Землі переважає фотохімічна іонізаціяза рахунок захоплення нейтральною молекулою фотона ультрафіолетового випромінювання або кванта рентгенівського випромінювання, з випромінюванням негативного електрона і перетворенням молекули на позитивно заряджений іон. У свою чергу, вільний електрон, приєднуючись до нейтральної молекули, перетворює її на негативно заряджений іон. У нижніх шарах атмосфери переважає ударна іонізаціяза рахунок зіткнення молекул газу з корпускулярними частинками сонячного та космічного випромінювань.

Необхідно зауважити, що кількість позитивних та негативних іонів в атмосферному повітрі при звичайних умовахдуже мало порівняно з повним числом його молекул. В 1 кубічному сантиметрі газу за звичайних умов тиску та температури міститься близько 30*10¹⁸ молекул. У той же час у тому ж обсязі кількість іонів обох типів дорівнює в середньому 800-1000. Ця кількість іонів варіює у повній відповідності до пори року та доби, залежить від геологічних, топографічних та метеорологічних умов та від погоди: так, наприклад, влітку число іонів значно більше, ніж узимку, у ясну та суху погоду більше, ніж у дощову та хмарну при тумані іонізація приземної атмосфери зводиться практично до нуля.

Електропровідність у біології

Знання електропровідності біологічних об'єктів дає до рук біологів та медиків потужний метод дослідження, діагностики і навіть лікування. Враховуючи те, що земне життя зародилося в морській воді, по суті справи є електролітом, всі біологічні об'єкти тією чи іншою мірою з точки зору електрохімії є електролітом, незалежно від особливостей структури даного об'єкта.

Але, при розгляді протікання струму через біологічні об'єкти, треба враховувати їхню клітинну будову, істотним елементом якої є клітинна мембрана - зовнішня оболонка, що захищає клітину від впливу несприятливих факторів навколишнього середовища за рахунок властивостей селективності. За своїми фізичними властивостями клітинна мембрана є паралельне з'єднанняконденсатора і опору, що зумовлює залежність електропровідності біологічного матеріалу від частоти напруги, що додається, і форми його коливань.

У загальному випадку, біологічна тканина є конгломератом з клітин власне органу, міжклітинної рідини (лімфи), кровоносних судин і нервових клітин. Оскільки останні у відповідь вплив електричного струму відповідають збудженням, протікання струму в біологічної тканини, отже, і її електропровідність носить нелінійний характер.

При низьких частотах струму, що впливає (до 1 кГц), електропровідність біологічних об'єктів визначається властивостями електропровідності лімфи і каналів кровопостачання, при великих частотах (понад 100 кГц) електропровідність біологічних об'єктів пропорційна загальній кількості електролітів, що містяться в тканині між електродами.

Знання характерних значень питомої електропровідності біологічних тканин та характеристик клітинних мембран дозволяє створювати прилади об'єктивного контролю процесів, що відбуваються у клітинах організму. Ця інформація також допомагає при діагностиці захворювань та створенні пристроїв, що застосовуються для лікування (електрофорез).

На жаль, швидкість протікання електрохімічних реакцій невисока, тому ми примудряємося отримати опік раніше, ніж відсмикнемо руку від чогось дуже гарячого – не встигають нерви передати сигнал небезпеки в мозок, а той, у свою чергу, відреагувати негайно – швидкість реакції на зовнішні подразники у нас складає сотні мілісекунд. Саме тому служби управління рухом забороняють нам сідати за кермо у стані алкогольного чи наркотичного сп'яніння через додаткове зниження швидкості реакції.

Надпровідність

Відкрите Камерлінг-Онессом в 1911 році явище надпровідності (нульового опору протіканню струму) для ртуті, охолодженої до -270 градусів Цельсія, переворот у поглядах фізиків, звернувши їх увагу на квантові процеси, що зумовлюють такий стан речовини.

З того часу вчені включилися в гонку температур, піднімаючи планку надпровідності речовин все вище та вище. Розроблені ними з'єднання, сплави та кераміки (фторована HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ або Hg−1223) підняли температуру надпровідності до 138 Кельвінів, що не набагато нижче мінімальної температури на Землі. Останньою чарівною паличкою, що дозволяє досягти вікової мрії, стали нові матеріали з фантастичними властивостями – графен та графеноподібні матеріали.

У першому наближенні (досить грубому) надпровідність металів може бути пояснена відсутністю коливань атомів кристалічних ґрат, що зменшує ймовірність зіткнень з ними електронів.

Зупинимося на кількох аспектах практичного застосуваннянадпровідності. Першу комерційну надпровідну лінію електропередачі було запущено в експлуатацію фірмою American Superconductor на Лонг-Айленді в Нью-Йорку наприкінці червня 2008 року. Південнокорейська компанія LS Cable збирається створити в Сеулі та інших містах надпровідні лінії електропередач із загальною довжиною надпровідного кабелю 3000 км. А трифазний концентричний кабель на 10 000 вольт проекту AmpaCity, розроблений та впроваджений у Німеччині, розрахований на передачу 40 мегават потужності. У порівнянні з мідним кабелем такого ж розміру, надпровідний кабель може передавати в п'ять разів більше енергії, незважаючи на товсту сорочку, що охолоджує. Проект запущений у роботу в м. Ессен, Німеччина у 2014 році.

Також заслуговує на увагу проект транспортування електроенергії (і водню) з пустелі Сахара. За оцінками фахівців, існуючі технології здатні забезпечити потреби всього людства лише 300 квадратними кілометрами сонячних батарей, розміщеними в пустелі Сахара. А для потреб усієї Європи потрібно лише 50 квадратних кілометрів. Але питання впирається у транспортування цієї енергії. Через втрати на передачу піде 100% усієї виробленої енергії. Було запропоновано дуже оригінальний спосіб передачі її без втрат через трубки з магнію дибориду (MgB₂), охолоджувані зсередини потоком рідкого водню. В результаті маємо передачу електроенергії через надпровідник без втрат плюс екологічно чисте паливо - водень, що виготовляється на місці.

І, крім того, використання сонячної енергії для виробництва електроенергії та водню в такий спосіб, не порушуватиме екологічного та теплового балансу Землі, що не притаманне сучасним способам отримання електроенергії за рахунок викопного палива, чи то нафти, чи газу чи вугілля. Адже їх використання означає введення в атмосферу додаткової сонячної енергії, яка раніше акумульована самою природою в цих джерелах.

Окремим питанням застосування надпровідності практично є застосування магнітної левітації для наземного транспорту (поїзди на магнітній подушці). Дослідження показали, що цей вид транспорту буде втричі ефективнішим за автомобільний транспорт і вп'ятеро ефективніший за літаки.

102.50 Кб

Електропровідність.

Електрична провідність (електропровідність, провідність) - це здатність тіла проводити електричний струм, а також фізична величина, що характеризує цю здатність і обернена до електричного опору. У системі СІ одиницею вимірювання електричної провідності є Див. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм можна судити з їхнього питомого електричного опору ρ. Для судження про електропровідність матеріалів користуються також поняттям питома електрична провідність

Питома електрична провідність вимірюється в сименсах метр (див./м).

Відповідно до закону Ома в лінійній ізотропній речовині питома провідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю струму, що виникає, і величиною електричного поля в середовищі:

де γ - Питома провідність,

J - Вектор щільності струму,

E - Вектор напруженості електричного поля.

Електрична провідність Gпровідника може бути виражена такими формулами:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

де ρ - питомий опір,
S - площа поперечного перерізу провідника,
l - довжина провідника,
γ = 1/ρ - питома провідність,
U - напруга на ділянці,
I - Струм на ділянці.

Вимірюється електрична провідність у сименсах: [G] = 1/1 Ом = 1 див.

У речовинах є два типи носіїв зарядів: електрони чи іони. Рух цих набоїв створює електричний струм.

Електропровідність різних речовин залежить від концентрації вільних електрично заряджених частинок. Чим більша концентрація цих частинок, тим більша електропровідність даної речовини. Усі речовини в залежності від електропровідності ділять на три групи: провідники, діелектрики та напівпровідники.

Залежно від виду носіїв струму розрізняють:

- електронну провідність у металах та напівпровідниках (пересування у речовині вільних електронів як основних носіїв зарядів)

- іонну провідність в електролітах (упорядковане пересування в речовині іонів)

- змішану електронно-іонну провідність у плазмі

Вода. Лід. Пар.

Вода (оксид водню) - хімічна речовина у вигляді прозорої рідини, яка не має кольору (у малому обсязі), запаху та смаку (за нормальних умов). Хімічна формула: Н2О. У твердому стані вода називається льодом або снігом, а в газоподібному - водяною парою. Вода є добрим сильнополярним розчинником. У природних умовах завжди містить розчинені речовини (солі, гази).

В окремо аналізованій молекулі води атоми водню і кисню, точніше їх ядра, розташовані так, що утворюють рівнобедрений трикутник. У вершині його – порівняно велике кисневе ядро, у кутах, що прилягають до основи, – по одному ядру водню.

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік ядра. При цьому ядра водню "оголюються". Таким чином, електронна хмара має неоднорідну густину. У ядер водню є дефіцит електронної щільності, але в протилежному боці молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура – правильний тетраедр.

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок із чотирма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас у молекулі льоду. Однак у рідкому стані вода – невпорядкована рідина; ці водневі зв'язки - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і знову утворюються. Все це призводить до неоднорідності у структурі води.

Те, що вода неоднорідна за складом, було встановлено давно. Лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менша, ніж щільність рідини.

Майже у решти речовин кристал щільніше рідкої фази. До того ж після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4°C. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріванні від точки плавлення до 40°C вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води також залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30 ° C зі збільшенням тиску від атмосферного до 0,2 ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного зростає.

Кожна молекула води в кристалічній структурі льоду бере участь у 4 водневих зв'язках, спрямованих до вершин тетраедра. У центрі цього тетраедра знаходиться атом кисню, у двох вершинах – по атому водню, електрони яких задіяні в утворенні ковалентного зв'язку з киснем. Дві вершини, що залишилися, займають пари валентних електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків. При взаємодії протона однієї молекули з парою неподілених електронів кисню іншої молекули виникає водневий зв'язок, менш сильний, ніж внутрішньомолекулярний зв'язок, але досить могутній, щоб утримувати поруч сусідні молекули води. Кожна молекула може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими молекулами під строго певними кутами, рівними 109°28", спрямованих до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні створювати щільну структуру.

Водяна пара - газоподібний стан води в умовах, коли газова фаза може перебувати в рівновазі з рідкою або твердою фазами. Він не має кольору, смаку та запаху, утворюється молекулами води при її випаровуванні. Пара характеризується дуже слабкими зв'язками між молекулами води, а також їх великою рухливістю. Його частки майже вільно і хаотично рухаються у проміжках між зіткненнями, під час яких відбувається різка зміна характеру їхнього руху. Властивості насиченої пари (щільність, питома теплоємність та ін) визначаються тільки тиском.

Електрична провідність води

Чиста вода є поганим провідником електрики. Але хоч і дуже мало, але вона може проводити електричний струм через часткову дисоціацію молекул води на іони H+ та OH–. Основне значення для електропровідності та води та льоду мають переміщення іонів H+, так звані «протонні перескоки». Мала, майже відсутня провідність обумовлена тим, що вода складається з електрично нейтральних атомів та молекул, рух яких не може здійснити електричний струм. Однак розчини солей, кислот і лугів у воді та деяких інших рідинах добре проводять струм, причому чим більше розчиненої речовини, тим більша його частина розпадається на іони, і тим вище провідність розчину.

Концентрація іонів це перший фактор, що впливає на провідність. Якщо при розчиненні немає дисоціації молекул, то розчин не є провідником електрики.

Інші чинники: заряд іона (іон із зарядом +3 переносить утричі більше струм, ніж із зарядом +1); рухливість іона (важкі іони рухаються повільніше, ніж легені), і навіть температура. Розчин, що проводить електричний струм, називається електролітом.

Мінералізація води різко знижує її питомий електричний опір, отже збільшує її питому провідність. Так, у дистильованої води воно становить приблизно 10 5 См/м, а у морської - порядку 3,33 См/м (для порівняння: папір - 10 15 , мідь - 0,5 · 10 8 См/м). Електрична провідність води може бути показником її забруднення.

Електропровідність льоду

Електрична провідність льоду дуже мала і в багато разів менша за електричну провідність води, особливо якщо вода хоча б трохи мінералізована. Наприклад, питома електропровідність прісноводного льоду при температурі 0°С дорівнює 0,27·10 7 См/м, а при -20°С дорівнює 0,52·10 7 См/м, тоді як дистильована вода, з якої був отриманий цей лід , мала провідність порядку 10 6 Див/м.

Низька провідність льоду обумовлена тим, що у звичайних умовах у ньому практично немає ні вільних носіїв заряду, ні атомів, яким не вистачає електрона (так званих «дірок»).

Сухий сніг, перш за все, характеризується малою електричною провідністю, що дозволяє розташовувати на його поверхні навіть ізольовані дроти. Його провідність при температурі від -2 до -16 °С приблизно 0,35 * 10 5 - 0,38 · 10 7 См / м і близька до питомої провідності сухого льоду. Вологий сніг, навпаки, має велику електричну провідність, що доходить до 0,1 См/м.

Підвищити провідність льоду можна за допомогою мінералізації (насичення іонами) вихідної води кислотами, солями та основами. Тоді іони відтягуватимуть він електрони від сусіднього атома, а ті своєю чергою ставати іонами. Так, шляхом послідовного відтягування переміщатиметься позитивний заряд.

Провідність водяної пари

Сама по собі пара, будучи газом, у якому відсутні заряджені частинки і не є провідником електрики. Проте, підвищити провідність можна, якщо у ньому створити заряджені частинки – молекули, під впливом різних зовнішніх взаємодій. Найбільший вплив мають такі зовнішні агенти як рентгенівське проміння, промені радію, сильний нагрівання газу. Викликають іонізацію, наприклад, прилади, звані іонізаторами.

Механізм іонізації в газах полягає в наступному: нейтральні атоми та молекули містять однакову кількість позитивної електрики у вигляді центральних ядер та негативного – у вигляді електронів, що оточують ці ядра. Під впливом різних причин електрон може бути вирваний, і молекула, що залишається, набуває позитивного заряду. А вирваний електрон не залишається вільним, він захоплюється однією чи декількома нейтральними молекулами та повідомляє їм негативний заряд. У результаті виходить пара протилежно заряджених іонів. Для того, щоб електрон відірвався від атома, йому необхідно витратити певну енергію – енергію іонізації. Ця енергія є різною для різних речовин і залежить від будови атома.

Кожен молекулярний іон, що утворився, притягує нейтральні молекули і тим самим утворює цілий іонний комплекс. Іони протилежних знаків, при зіткненні один з одним, нейтралізують один одного, в результаті чого знову виходять вихідні нейтральні молекули такий процес називається рекомбінацією. При рекомбінації електрона та позитивного іона вивільняється певна енергія, яка дорівнює енергії, витраченій на іонізацію.

Після того, як припиняється дія іонізатора, кількість іонів у газі з часом стає все меншою, і зрештою практично зводиться до нуля. Це пояснюється тим, що електрони та іони беруть участь у тепловому русі і тому стикаються один з одним. Внаслідок зіткнення електрона та позитивного іона вони возз'єднуються в нейтральний атом. А коли стикаються позитивний та негативні іони, останній у свою чергу може віддати позитивному іону свій власний надлишковий електрон та обидва іони стануть нейтральними молекулами.

З цього випливає, що провідність пари - явище тимчасове. Варто лише припинити іонізацію газу, як він перестане бути провідним, тоді як рідина завжди залишається провідником електричного струму.

Список використаної литературы:

Вукалович М. П., Новіков І. І., Технічна термодинаміка, 4 видавництва, М., 1968;
Зацепіна Г.М. Фізичні властивості та структура води. М., 1987
О.М. Матвєєв. Електрика та магнетизм.
http://ua.wikipedia.org/wiki/
http://www.o8ode.ru/article/ water/
http://provodu.kiev.ua/smelye- teorii/led

Опис роботи

Електрична провідність(Електропровідність, провідність) - здатність тіла проводити електричний струм, а також фізична величина, що характеризує цю здатність і зворотна електричному опору. У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею вимірювання електричної провідності є сименс (російське позначення: Див; міжнародне: S), який визначається як 1 См = 1 Ом -1 , тобто, як електрична провідність ділянки електричного ланцюга опором 1 Ом .

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

Питомою провідністю (питомою електропровідністю) називають міру здатності речовини проводити електричний струм. Відповідно до закону Ому в лінійній ізотропній речовині питома провідність є коефіцієнтом пропорційності між щільністю?виникаючого?струму і величиною?електричного?поля в середовищі:

J → = E → , (\displaystyle (\vec (J))=\sigma \,(\vec (E)),)

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

Питома провідність анізотропних (на відміну ізотропних) середовищ є, власне кажучи, не скаляром, а тензором (симетричним тензором рангу 2), і множення нею зводиться до матричного множення:

J i = ∑ k = 1 3 σ i k E k , (\displaystyle J_(i)=\sum \limits _(k=1)^(3)\sigma _(ik)\,E_(k),)

при цьому вектори щільності струму та напруженості поля в загальному випадку не колінеарні.

Для будь-якого лінійного середовища можна вибрати локально (а якщо середовище однорідне, то і глобально) т.з. власний базис - ортогональну систему декартових координат, в яких матриця стає діагональною, тобто набуває вигляду, при якому з дев'яти компонентів σ i k (\displaystyle \sigma _(ik))відмінними від нуля є лише три: σ 11 (\displaystyle \sigma _(11)), σ 22 (\displaystyle \sigma _(22))і σ 33 (\displaystyle \sigma _(33)). В цьому випадку, позначивши σ i i (\displaystyle \sigma _(ii))як , замість попередньої формули отримуємо простішу

J i = σ i E i . (\displaystyle J_(i)=\sigma _(i)E_(i).)

Величини σ i (\displaystyle \sigma _(i))називають головними значеннямитензора питомої провідності. У випадку приведене співвідношення виконується лише у системі координат .

Величина, зворотна питомої провідності, називається питомим опором .

Взагалі кажучи, лінійне співвідношення, написане вище (як скалярне, і тензорне), вірно у разі наближено, причому наближення це добре лише порівняно малих величин E. Втім, і за таких величин Eколи відхилення від лінійності помітні, питома електропровідність може зберігати свою роль як коефіцієнт при лінійному члені розкладання, тоді як інші, старші, члени розкладання дадуть поправки, що забезпечують хорошу точність. У разі нелінійної залежності Jвід Eвводиться диференційнапитома електропровідність σ = d J / d E (\displaystyle \sigma =dJ/dE)(Для анізотропних середовищ: σ i k = d J i / d E k (\displaystyle \sigma _(ik)=dJ_(i)/dE_(k))).

Електрична провідність Gпровідника завдовжки Lз площею поперечного перерізу Sможе бути виражена через питому провідність речовини, з якої зроблений провідник, такою формулою:

G = S L . (Displaystyle G = sigma (frac (S) (L)).)

Питома провідність деяких речовин

Питома провідність наведена при температурі +20 °C:

речовина	Див/м
срібло	62 500 000
мідь	59 500 000
золото	45 500 000
алюміній	38 000 000
магній	22 700 000
іридій	21 100 000
молібден	18 500 000
вольфрам	18 200 000
цинк	16 900 000
нікель	11 500 000
залізо чисте	10 000 000
платина	9 350 000
олово	8 330 000
сталь лита	7 690 000
свинець	4 810 000
нейзильбер	3 030 000
константан	2 000 000
манганін	2 330 000
	1 040 000
ніхром	893 000
графіт	125 000
вода морська	3
земля волога	10 −2
вода-дистил.	10 −4
мармур	10 −8
Скло	10 −11
фарфор	10 −14
кварцове скло	10 −16
Бурштин	10 −18

Електропровідність розчинів

Швидкість руху іонів залежить від напруженості електричного поля, температури, в'язкості розчину, радіусу та заряду іона та міжіонної взаємодії.

У розчинів сильних електролітів спостерігається характер концентраційної залежності електричної провідності, що пояснюється дією двох взаємно протилежних ефектів. З одного боку, зі зростанням розведення зменшується кількість іонів в одиниці об'єму розчину. З іншого боку, зростає їхня швидкість за рахунок ослаблення гальмування іонами протилежного знака.

Фізична природа електричного опору. При русі вільних електронів у провіднику вони зіштовхуються своєму шляху з позитивними іонами 2 (див. рис. 10, а), атомами і молекулами речовини, з якого виконаний провідник, і передають їм частину своєї енергії. При цьому енергія електронів, що рухаються в результаті зіткнення їх з атомами і молекулами частково виділяється і розсіюється у вигляді тепла, що нагріває провідник. Зважаючи на те, що електрони, стикаючись з частинками провідника, долають деякий опір руху, прийнято говорити, що провідники мають електричний опір. Якщо опір провідника замало, він порівняно слабо нагрівається струмом; якщо опір великий, провідник може розжаритися. Проводи, що підводять електричний струм до електричної плитки, майже не нагріваються, тому що їх опір мало, а спіраль плитки, що має великий опір, розпалюється до червоного. Ще сильніше нагрівається нитка електричної лампи.
За одиницю опору прийнято. Опіром 1 Ом володіє провідник, яким проходить струм 1 А при різниці потенціалів на його кінцях (напрузі), що дорівнює 1 В. Еталоном опору 1 Ом служить стовпчик ртуті довжиною 106,3 см і площею поперечного перерізу 1 мм2 при температурі 0°С. Насправді часто опору вимірюють тисячами ом - килоомами(кОм) чи мільйонами ом - мегаомами (МОм). Опір позначають буквою R(r).
Провідність.Будь-який провідник можна характеризувати як його опором, а й так званої провідністю - здатністю проводити електричний струм. Провідність є величина, обернена до опору. Одиниця провідності називається сименсом. 1 Див дорівнює 1/1 Ом. Провідність позначають буквою G(g). Отже,

G = 1/R(4)

Питомий електричний опір та провідність. Атоми різних речовин спричиняють проходження електричного струму неоднаковий опір. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм можна судити з їхнього питомого електричного опору. За величину, що характеризує питомий опір, зазвичай приймають опір куба з ребром 1 м. Питомий електричний опір вимірюють Ом * м. Для судження про електропровідність матеріалів користуються також поняттям питома електрична провідність = 1/?. Питома електрична провідність вимірюється в сименсах на метр (см/м) (провідність куба з ребром 1м). Часто питомий електричний опір виражають в ом-сантиметрах (Ом*см), а питому електричну провідність - у сименс на сантиметр (См/см). При цьому 1 Ом*см = 10 -2 Ом*м, а 1 см/см = 10 2 см/м.

Провідникові матеріали застосовують, головним чином, у вигляді дротів, шин чи стрічок, площу поперечного перерізу яких прийнято виражати у квадратних міліметрах, а довжину – у метрах. Тому для питомого електричного опору подібних матеріалів та питомої електричної провідності запроваджено й інші одиниці виміру: ? вимірюють Ом*мм 2 /м (опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2), а? - См*м/мм 2 (провідність провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2).

З металів найбільш високою електропровідністю мають срібло і мідь, так як структура їх атомів дозволяє легко пересуватися вільним електронам, потім слідує золото, хром, алюміній, марганець, вольфрам і т. д. Гірше проводять струм залізо і сталь.

Чисті метали завжди проводять електричний струм краще, ніж їх сплави. Тому в електротехніці використовують переважно дуже чисту мідь, що містить лише 0,05% домішок. І навпаки, у тих випадках, коли необхідний матеріал з високим опором (для різних нагрівальних приладів, реостатів тощо) застосовують спеціальні сплави: константан, манганін, ніхром, фехраль.

Слід зазначити, що у техніці, крім металевих провідників, використовують і неметалеві. До таких провідників належить, наприклад, вугілля, з якого виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів та ін. Провідниками електричного струму є товща землі, живі тканини рослин, тварин та людини. Проводять електричний струм сире дерево та багато інших ізоляційних матеріалів у вологому стані.
Електричний опір провідника залежить як від матеріалу провідника, а й його довжини l і площі поперечного перерізу s. (Електричний опір подібний до опору, що надається руху води в трубі, який залежить від площі перерізу труби та її довжини.)
Опір прямолінійного провідника

R = ? l/s (5)

Якщо питомий опір? виражено в Ом * мм / м, то для того щоб отримати опір провідника в омах, довжину його треба підставляти у формулу (5) в метрах, а площа поперечного перерізу - у квадратних міліметрах.

Залежність опору температури.Електропровідність всіх матеріалів залежить від їхньої температури. У металевих провідниках при нагріванні розмах і швидкість коливань атомів у кристалічній решітці металу збільшуються, внаслідок чого зростає і опір, який вони надають потоку електронів. При охолодженні відбувається зворотне явище: безладний коливальний рух атомів у вузлах кристалічних грат зменшується, опір їх потоку електронів знижується і електропровідність провідника зростає.

У природі, однак, є деякі сплави: фехраль, константан, манганін та ін, у яких у певному інтервалі температур електричний опір змінюється порівняно мало. Подібні сплави застосовують у техніці виготовлення різних резисторів, що використовуються в електровимірювальних приладах і деяких апаратах для компенсації впливу температури на їх роботу.

Про рівень зміни опору провідників при зміні температури судять за так званим температурним коефіцієнтом опору а. Цей коефіцієнт є відносним збільшенням опору провідника зі збільшенням його температури на 1 °С. У табл. 1 наведено значення температурного коефіцієнта опору для найбільш застосовуваних провідникових матеріалів.

Опір металевого провідника R t за будь-якої температури t

R t = R 0 [1 +? (t - t 0)] (6)

де R 0 - опір провідника за деякої початкової температури t 0 (зазвичай при + 20 °С), яке може бути підраховано за формулою (5);

t-t 0 – зміна температури.

Властивість металевих провідників збільшувати свій опір при нагріванні часто використовують у сучасної технікидля виміру температури. Наприклад, при випробуваннях тягових двигунів після ремонту температуру нагрівання їх обмоток визначають вимірюванням опору в холодному стані і після роботи під навантаженням протягом встановленого періоду (зазвичай протягом 1 год).

Досліджуючи властивості металів при глибокому (дуже сильному) охолодженні, вчені виявили чудове явище: поблизу абсолютного нуля (-273,16 ° С) деякі метали майже повністю втрачають електричний опір. Вони стають ідеальними провідниками, здатними тривалий час пропускати струм по замкнутому ланцюзі без жодного впливу джерела електричної енергії. Це названо надпровідністю. В даний час створені дослідні зразки ліній електропередачі та електричних машин, у яких використовується явище надпровідності. Такі машини мають значно менші масу та габаритні розміри в порівнянні з машинами загального призначення та працюють з дуже високим коефіцієнтом корисної дії. Лінії електропередачі в цьому випадку можна виконати з проводів з малою площею поперечного перерізу. У перспективі в електротехніці все більше і більше використовуватиметься це явище.

Вважаємо, що J диф, J конв, J терм дорівнюють нулю і J = J мігр. Рух іонів у провідниках другого роду та електронів у провідниках першого роду внаслідок різниці електричних потенціалів обумовлює їхню здатність пропускати електричний струм, тобто їх електричну провідність(Електропровідність). Для кількісної характеристики здатності провідників першого та другого роду пропускати електричний струм застосовують два заходи електричної провідності. Одна з них - питома електрична провідністьκ- є величиною, зворотною питомому опору:

Питомий опірвизначається з формули

де R- загальний опір провідника, Ом; l – відстань між двома паралельними площинами, між якими визначено опір, м; S - площа поперечного перерізу провідника, м2.

Отже

та питома електрична провідність визначається як величина, зворотна опору одного кубічного метра провідника з довжиною ребра куба, що дорівнює одному метру. Одиниця питомої електричної провідності: Див/м. З іншого боку, згідно із законом Ома

де Е- Різниця потенціалів між заданими паралельними площинами; I - Струм.

Підставивши цей вираз у рівняння, що визначає питому електричну провідність, отримаємо:

При S = 1 та Е/l = 1 маємо κ = 1. Таким чином, питома електрична провідність чисельно дорівнює струму, що проходить через переріз провідника з поверхнею в один квадратний метр, При градієнті потенціалу, що дорівнює одному вольту на метр.

Питома електрична провідність характеризує кількість носіїв заряду одиниці обсягу. Отже, питома електрична провідність залежатиме від концентрації розчину, а індивідуальних речовин - їх щільності.

Другим заходом електричної провідності є еквівалентнаλ е (або молярнаλ м) електрична провідність,дорівнює добутку питомої електричної провідності на кількість кубічних метрів, в яких міститься один еквівалент або один моль речовини:

λ е = κφ е; λ м = κφ м

Оскільки φ виражено в м 3 /екв або м 3 /моль, то одиницею буде См∙м 2 /екв або См∙м 2 /моль.

Для розчинів = 1/С, де З- Концентрація, виражена в моль/м 3 . Тоді

λ е = κ/zC і λ м = κ/С

Якщо ж Звиражена в кмоль/м 3 то е = 1/(zC∙10 3); φ м = 1/(С∙10 3) та

λ е = κ/(zC∙10 3) та λ м = κ/(С∙10 3)

При визначенні молярної провідності індивідуальної речовини (твердої або рідкої) м = V M , але V м = M / d (де V м - молярний об'єм; М - молекулярна маса; d- щільність), слід-

до в а тільно

λ м = κV м = κМ/d

Таким чином, еквівалентна (або молярна) електрична провідність є провідність провідника, що знаходиться між двома паралельними площинами, розташованими на відстані одного метра один від одного і такої площі, щоб між ними помістився один еквівалент (або один моль) речовини (у вигляді розчину або індивідуальної солі).

Ця міра провідності характеризує провідність при однаковій кількості речовини (молі або еквіваленті), але міститься в різних обсягах і, таким чином, відображає вплив сил взаємодії між іонами як функцію міжіонних відстаней.

ЕЛЕКТРОННА ПРОВІДНІСТЬ

Метали, що характеризуються невеликою енергією переходу електрона з валентної зони до зони провідності, вже за нормальної температури мають у зоні провідності достатньо електронів задля забезпечення високої електричної провідності. Провідність металів зменшується із підвищенням температури. Це відбувається через те, що зі зростанням температури в металах переважає ефект збільшення коливальної енергії іонів кристалічної решітки, що чинить опір спрямованому руху електронів над ефектом збільшення числа носіїв заряду в зоні провідності. Опір хімічно чистих металів з підвищенням температури зростає, збільшуючись приблизно на 4∙10 –3 R 0 у разі підвищення температури на градус (R 0 - опір при 0°С). Для більшості хімічно чистих металів при нагріванні спостерігається прямолінійна залежність між опором та температурою

R = R 0 (1 + αt)

де - температурний коефіцієнт опору.

Температурні коефіцієнти сплавів можуть змінюватися в широких межах, наприклад, у латуні α = 1,5∙10 –3 , а константану α = 4∙10 –6 .

Питома провідність металів та сплавів лежить у межах 10 6 - 7∙10 7 див/м. Електрична провідність металу залежить від числа та заряду електронів, що беруть участь у перенесенні струму, та середнього часу пробігу між зіткненнями. Ці параметри при даної напруженості електричного поля визначають і швидкість руху електрона. Тому щільність струму в металі може бути виражена рівнянням

де – середня швидкість упорядкованого руху зарядів; п- Число електронів зони провідності в одиниці обсягу.

Напівпровідники за своєю провідністю займають проміжне положення між металами та ізоляторами. Чисті напівпровідникові матеріали, наприклад германій і кремній, мають власну провідність.

Мал. 5.1. Схема виникнення пари електрон провідності (1) – дірка (2).

Власна провідність обумовлена тим, що при тепловому збудженні електронів відбувається їх перехід із валентної зони до зони провідності. Ці електрони під дією різниці потенціалів рухаються у певному напрямку та забезпечують електронну провідністьнапівпровідників. При переході електрона до зони провідності у валентній зоні залишається вакантне місце - «дірка», еквівалентне присутності одиничного позитивного заряду. Дірка також може переміщатися під дією електричного поля внаслідок перескоку на її місце електрона валентної зони, але у бік, протилежний руху електронів зони провідності, забезпечуючи дірочну провідністьнапівпровідник. Процес утворення дірки показано на рис. 5.1.

Таким чином, у напівпровіднику з власною провідністю є два типи носіїв заряду - електрони та дірки, які забезпечують електронну та дірочну провідність напівпровідника.

У напівпровіднику зі своєю провідністю число електронів у зоні провідності дорівнює числу дірок у валентній зоні. При даній температурі у напівпровіднику існує динамічна рівновага між електронами та дірками, тобто швидкість їх утворення дорівнює швидкості рекомбінації. Рекомбінація електрона зони провідності з діркою валентної зони призводить до "освіти" електрона у валентній зоні.

Питома провідність напівпровідника залежить від концентрації носіїв заряду, тобто від їхньої кількості в одиниці обсягу. Позначимо концентрацію електронів n i , а концентрацію дірок р i . У напівпровіднику з власною провідністю n i = p i (такі напівпровідники коротко називають напівпровідниками i-типу). Концентрація носіїв заряду, наприклад у чистому германії, дорівнює n i = p i ≈10 19 м –3 , у кремнії - приблизно 10 16 м –3 і становить 10 –7 - 10 –10 % по відношенню до атомів N.

Під дією електричного поля у напівпровіднику відбувається спрямований рух електронів та дірок. Щільність струму провідності складається з електронної i eта дірочною i pщільностей струмів: i = i e + i p ,які, попри рівність концентрацій носіїв, не рівні за величиною, оскільки швидкості руху (рухливості) електронів і дірок різні. Щільність електронного струму дорівнює:

Середня швидкість руху електронів пропорційна напруженості Е"електричного поля:

Коефіцієнт пропорційності w e 0 характеризує швидкість руху електрона при одиничній напруженості електричного поля та називається абсолютною швидкістю руху. При кімнатній температурі у чистій Німеччині w e 0 = 0,36 м 2 /(В?с).

З двох останніх рівнянь отримуємо:

Повторивши аналогічні міркування для діркової провідності, можемо записати:

Тоді для повної щільності струму:

Порівнюючи вираз для iз законом Ома i = κ Е",при S = 1 м 2 отримаємо:

Як зазначено вище, у напівпровідника з власною провідністю n i = p i , отже

w p 0 завжди нижче w e 0 , наприклад, у Німеччині w p 0 = 0, 18 м 2 /(В?с), а w e 0 = 0,36 м 2 /(В?с).

Таким чином, питома електрична провідність напівпровідника залежить від концентрації носіїв та їх абсолютних швидкостей та адитивно складається з двох членів:

κ i = κ e + κ p

Закон Ома для напівпровідників виконується лише тому випадку, якщо концентрація носіїв n i залежить від напруженості поля. При високих напруженнях поля, які називаються критичними (для германію E кр ' = 9∙10 4 В/м, для кремнію E кр '= 2,5∙10 4 В/м), закон Ома порушується, що пов'язано із зміною енергії електрона в атомі та зниженням енергії переведення в зону провідності, а також з можливістю іонізації атомів решітки. Обидва ефекти викликають збільшення концентрації носіїв заряду.

Електрична провідність при високих напруженнях поля виражається емпіричним законом.

ln κ = ln κ 0 + α (E' – E кр ')

де κ 0 - питома провідність при Е' = Е кр ' .

При підвищенні температури в напівпровіднику відбувається інтенсивна генерація носіїв заряду, причому їхня концентрація збільшується швидше, ніж зменшується абсолютна швидкість руху електронів через тепловий рух. Тому, на відміну

від металів, електрична провідність напівпровідників з підвищенням температури зростає. У першому наближенні для невеликого інтервалу температури залежність питомої провідності напівпровідника від температури може бути виражена рівнянням

де k- Постійна Больцмана; А- Енергія активації (енергія, необхідна для переведення електрона в зону провідності).

Поблизу абсолютного нуля всі напівпровідники є добрими ізоляторами. З підвищенням температури на градус їхня провідність збільшується в середньому на 3 - 7%.

При введенні до чистого напівпровідника домішок до власної електричної провідності додається домішкова електрична провідність.Якщо, наприклад, в германій вводити елементи V групи періодичної системи (Р, As, Sb), останні утворюють грати з германієм за участю чотирьох електронів, а п'ятий електрон, у зв'язку з малою енергією іонізації атомів домішки (близько 1,6∙10 -21), Переходить від атома домішки в зону провідності. У такому напівпровіднику переважатиме електронна провідність (напівпровідник називається електронним напівпровідником п-типу].Якщо атоми домішки мають більшу спорідненість до електрону, ніж германій, наприклад елементи III групи (In, Ga, В, А1), то вони забирають електрони від атомів германію і у валентній зоні утворюються дірки. У таких напівпровідниках переважає діркова провідність (напівпровідник р-типу].Атоми домішок, що забезпечують електронну провідність, є донорамиелектронів, а дірочну - акцепторами).

Домішні напівпровідники мають більш високу електричну провідність, ніж напівпровідники з власною провідністю, якщо концентрація атомів донорної N Д або акцепторної N А домішки перевищує концентрацію власних носіїв заряду. При високих значеннях N Д і N A можна знехтувати концентрацією своїх носіїв. Носії заряду, концентрація яких переважає у напівпровіднику, називаються основними.Наприклад, у германії n-типу n n ≈ 10 22 м –3 , тоді як n i ≈ 10 19 м~ 3 , тобто концентрація основних носіїв у 10 3 разів перевищує концентрацію власних носіїв.

Для домішкових напівпровідників справедливі співвідношення:

n n p n = n i p i = n i 2 = p i 2

n p p p = n i p i = n i 2 = p i 2

Перше із цих рівнянь записано для напівпровідника n-типу, а друге - для напівпровідника р-типу. З цих співвідношень випливає, що дуже невелика кількість домішки (близько 10 –4 0 /о) значно збільшує концентрацію носіїв заряду, внаслідок чого провідність зростає.

Якщо знехтувати концентрацією власних носіїв і вважати N Д ≈n n для напівпровідника n-типу та N A ≈ р р для напівпровідника р-типу, то питома електрична провідність домішкового напівпровідника може бути виражена рівняннями:

При накладенні електричного поля в напівпровідниках n-типу перенесення заряду здійснюється електронами, а напівпровідниках р-типу - дірками.

При зовнішніх впливах, наприклад, при опроміненні, концентрація носіїв заряду змінюється і може бути різною в різних частинах напівпровідника. В цьому випадку, як і в розчинах, напівпровіднику протікають процеси дифузії. Закономірності процесів дифузії підпорядковуються рівнянням Фіка. Коефіцієнти дифузії носіїв заряду значно вищі, ніж іонів у розчині. Наприклад, у германію коефіцієнт дифузії електронів дорівнює 98 10 -4 м 2 /с, дірок - 47 10 -4 м 2 / с. Типовими напівпровідниками, крім германію та кремнію, при кімнатній температурі є ряд оксидів, сульфідів, селенідів, телуридів і т. д. (наприклад, CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2 , In 2 O 3 , InSb).

ІОННА ПРОВІДНІСТЬ

Іонну провідність мають гази, деякі тверді сполуки (іонні кристали та скла), розплавлені індивідуальні солі та розчини сполук у воді, неводних розчинниках і розплавах. Значення питомої провідності провідників другого роду різних класів коливаються у дуже широких межах:

Речовина	c∙10 3 , Див/м	Речовина	c∙10 3 , Див/м
Н 2 Про	0.0044	NaOH 10% розчин 30% »
З 2 H 5 OH	0.0064	КОН, 29% розчин
3 H 7 OH	0.0009	NaCl 10% розчин 25% »
СН 3 ВІН	0.0223	FeSO 4 , 7% розчин
Ацетонітрил	0.7	NiSO 4 , 19% розчин
N,N-Диметилацетамід	0.008-0.02	CuSO 4 , 15% розчин
СН 3 СOOH	0.0011	ZnС1 2 , 40% розчин
H 2 SO 4 концентрована 10% розчинність 40% »		NaCl (розплав, 850 ° С)
НС1 40% розчин 10% »		NaNO 3 (розплав 500 ° С)
HNO 3 концентрована 12% розчин		MgCl 2 (розплав, 1013 ° С)
		А1С1 3 (розплав, 245 ° С)	0.11
		АlI 3 (розплав, 270 ° С)	0.74
		AgCl (розплав, 800 ° С)
		AgI (твердий)

Примітка: Значення питомої провідності розчинів наведено при 18 °С.

Однак у всіх випадках наведені значення κ на кілька порядків нижче значень κ металів (наприклад, питома провідність срібла, міді та свинцю дорівнює відповідно 0,67∙10 8 , 0,645∙10 8 та 0,056∙10 8 См/м).

У провідниках другого роду у перенесенні електрики можуть брати участь усі сорти частинок, що мають електричний заряд. Якщо струм переносять як катіони, так і аніони, то електроліти мають біполярною провідністю.Якщо ж струм переносить лише один якийсь сорт іонів – катіони чи аніони, – то спостерігається уніполярна катіонна або аніонна провідність.

У разі біполярної провідності іони, що рухаються швидше, переносять більшу частку струму, ніж іони, що рухаються повільніше. Частка струму, що переноситься цим сортом частинок, називається числом перенесенняцього сорту частинок (t i). При уніполярній провідності число перенесення того сорту іонів, які переносять струм, дорівнює одиниці, тому що весь струм переноситься цим сортом іонів. Але при біполярній провідності число перенесення кожного сорту іонів менше одиниці, а

причому під числом перенесення потрібно розуміти абсолютне значення частки струму, що припадає на даний сорт іонів без урахування того, що катіони та аніони переносять електричний струм у різних напрямках.

Число перенесення якогось одного сорту частинок (іонів) при біполярній провідності не є постійною величиною, що характеризує тільки природу даного сорту іонів, а залежить і від природи частинок-партнерів. Наприклад, число перенесення іонів хлору у розчині соляної кислоти менше, ніж у розчині КС1 тієї ж концентрації, оскільки іони водню більш рухливі, ніж іони калію. Методи визначення чисел перенесення різноманітні, та його принципи викладено у відповідних лабораторних практикумах з теоретичної електрохімії.

Перш ніж перейти до розгляду електричної провідності конкретних класів речовин, зупинимося одному загальному питанні. Будь-яке тіло рухається в постійному полі сил, що діють на нього, з прискоренням. Тим часом іони у всіх класах електролітів, крім газів, рухаються під впливом електричного поля даної напруженості з постійною швидкістю. Для пояснення цього уявімо сили, що діють на іон. Якщо маса іона m та швидкість його руху w,то ньютонова сила mdw/dtдорівнюватиме різниці сили електричного поля (М), що рухає іон, і реактивної сили (L'), що гальмує його рух, бо іон рухається у в'язкому середовищі. Реактивна сила тим більша, чим більша швидкість руху іона, тобто L' = L w(тут L- Коефіцієнт пропорційності). Таким чином

Після поділу змінних маємо:

Позначивши М – L w = v, отримаємо d w= - d v/L і

або

Константу інтегрування визначаємо з граничної умови: при t = 0 w = 0, тобто . відлік часу починаємо з початку руху іона (моменту включення струму). Тоді:

Підставивши замість постійного її значення, отримаємо остаточно.

Конвертер довжини та відстані Конвертер маси Конвертер мір об'єму сипких продуктів і продуктів харчування Конвертер площі Конвертер об'єму та одиниць вимірювання в кулінарних рецептах Конвертер температури Конвертер тиску, механічної напруги, модуля Юнга Конвертер енергії та роботи Конвертер сили Конвертер сили Конвертер часу теплової ефективності та паливної економічності Конвертер чисел у різних системах числення Конвертер одиниць вимірювання кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічого одягу та взуття Конвертер кутової швидкості та частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискорення Конвертер густини Конвертер питомого об'єму Конвертер Конвертер обертального моменту Конвертер питомої теплоти згоряння (за масою) Конвертер щільності енергії та питомої теплоти згоряння палива (за об'ємом) Конвертер різниці температур Конвертер коефіцієнта теплового розширення Конвертер термічного опору Конвертер питомої теплопровідності Конвертер питомої теплоємності Конвертер коефіцієнта тепловіддачі Конвертер об'ємної витрати Конвертер масової витрати Конвертер молярної витрати Конвертер щільності потоку маси Конвертер молярної концентрації Конвертер масової концентрації в розчині Конвертер динамічної (абсолютної) в'язкості Конвертер кінематичної в'язкості Конвертер поверхневого натягу Конвертер поверхневого натягу вертер чутливості мікрофонів Конвертер рівня звукового тиску (SPL) Конвертер рівня звукового тиску з можливістю вибору опорного тиску Конвертер яскравості Конвертер сили світла Конвертер освітленості Конвертер роздільної здатності в комп'ютерній графіці Конвертер частоти та довжини хвилі Оптична сила в діоптріях та фокусна відстань Оптична сила в діоптріях та збільшення лін електричного заряду Конвертер лінійної щільності заряду Конвертер поверхневої щільності заряду Конвертер об'ємної щільності заряду Конвертер електричного струму Конвертер лінійної щільності струму Конвертер поверхневої щільності струму Конвертер напруженості електричного поля Конвертер електричного потенціалу і напруги ної електричної провідності Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін. одиницях Конвертер магніторушійної сили Конвертер напруженості магнітного поля Конвертер магнітного потоку Конвертер магнітної індукції Радіація. Конвертер потужності поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Конвертер радіоактивного розпаду Радіація. Конвертер експозиційної дози. Конвертер поглиненої дози Конвертер десяткових приставок Передача даних Конвертер одиниць типографіки та обробки зображень Конвертер одиниць вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної маси Періодична система хімічних елементівД. І. Менделєєва

1 умовна одиниця електропровідності = 0,0001 сименс на метр [Див/м]

Вихідна величина

Перетворена величина

Об'ємна щільність заряду

Докладніше про питому електричну провідність

Введення та визначення

Питома електрична провідність (або питома електропровідність)є мірою здатності речовини проводити електричний струм чи переміщати електричні заряди у ньому. Це відношення густини струму до напруженості електричного поля. Якщо розглянути куб із провідного матеріалу зі стороною 1 метр, то питома провідність дорівнюватиме електричної провідності, виміряної між двома протилежними сторонами цього куба.

Питома провідність пов'язана з провідністю наступною формулою:

G = σ(A/l)

Питома електрична провідність електролітів та її вимір

Для визначення питомої провідності розчину використовується вимірювач опору (омметр) чи провідності. Це практично однакові пристрої, що відрізняються лише шкалою. Обидва вимірюють падіння напруги на ділянці ланцюга, яким протікає електричний струм від батареї приладу. Виміряне значення провідності вручну або автоматично перераховується до питомої провідності. Це здійснюється з урахуванням фізичних характеристик вимірювального пристрою чи датчика. Датчики питомої провідності влаштовані просто: це пара (або дві пари) електродів, занурених у електроліт. Датчики для вимірювання питомої провідності характеризуються постійної датчика питомої провідності, яка у найпростішому випадку визначається як відношення відстані між електродами Dдо площі (електроду), перпендикулярної до течії струму А

Теоретична постійна датчика: ліворуч - K= 0,01 см⁻¹ , справа - K= 1 см⁻¹

Для отримання питомої провідності виміряної провідності використовується наступна формула:

σ = K ∙ G

σ - Питома провідність розчину См/см;

K- постійна датчика в см⁻¹;

G- Провідність датчика в сименсах.

Поляризацію також можна запобігти або, принаймні, зменшити, якщо використовувати при вимірі змінний струм замість постійного та ще й підлаштовувати частоту в залежності від провідності. Низькі частоти використовуються для вимірювання низької питомої провідності, коли вплив поляризації невеликий. Вищі частоти використовуються для вимірювання високих провідностей. Зазвичай частота підлаштовується в процесі вимірювання автоматично з урахуванням отриманих значень провідності розчину. Сучасні цифрові двоелектродні вимірювачі провідності зазвичай використовують змінний струм складної форми та температурну компенсацію. Вони відкалібровані на заводі-виробнику, проте в процесі експлуатації часто потрібне повторне калібрування, оскільки постійне вимірювальне комірки (датчика) змінюється з часом. Наприклад, вона може змінитися при забрудненні датчика або фізико-хімічних змін електродів.

Загальна мінералізація

Пристрої для вимірювання питомої електричної провідності часто використовують для визначення загальної мінералізації або вмісту твердих речовин(англ. total dissolved solids, TDS). Це міра загальної кількості органічних та неорганічних речовин, що містяться в рідині у різних формах: іонізованої, молекулярної (розчиненої), колоїдної та у вигляді суспензії (нерозчиненої). До розчинених речовин належать будь-які неорганічні солі. Головним чином це хлориди, бікарбонати і сульфати кальцію, калію, магнію, натрію, а також деякі органічні речовини, розчинені у воді. Щоб ставитись до загальної мінералізації, речовини повинні бути або розчиненими, або у формі дуже дрібних частинок, які проходять крізь фільтри з діаметром пір менше 2 мікрометрів. Речовини, які постійно перебувають у розчині у зваженому стані, але не можуть пройти крізь такий фільтр, називається зваженими твердими речовинами(Англ. total suspended solids, TSS). Загальна кількість завислих речовин зазвичай вимірюється визначення якості води.

Другий метод не такий точний, як гравіметричний аналіз. Однак він дуже зручний, широко поширений і є найбільш швидким методом, оскільки є простим виміром провідності і температури, що виконується за кілька секунд недорогим вимірювальним приладом. Метод вимірювання питомої електропровідності можна використовувати у зв'язку з тим, що питома провідність води залежить від кількості розчинених у ній іонізованих речовин. Цей метод особливо зручний для контролю якості питної води або оцінки загальної кількості іонів у розчині.

Виміряна провідність залежить від температури розчину. Тобто чим вище температура, тим вище провідність, тому що іони в розчині при підвищенні температури рухаються швидше. Для одержання вимірювань, незалежних від температури, використовується концепція стандартної (опорної) температури, до якої наводяться результати виміру. Опорна температура дозволяє порівняти результати, отримані за різних температур. Таким чином, вимірювач питомої провідності може вимірювати реальну провідність, а потім використовувати функцію, що коригує, яка автоматично приведе результат до опорної температури 20 або 25°C. Якщо необхідна дуже висока точність, зразок можна помістити в термостат, відкалібрувати вимірювальний прилад при тій же температурі, яка буде використовуватися при вимірюваннях.

Експеримент: вимірювання загальної мінералізації та провідності

Вимірювач загальної мінералізації допоможе визначити вміст твердих речовин, наприклад, при контролі якості питної води або визначення солоності води в акваріумі або прісноводному ставку. Його можна також використовувати для контролю якості води в системах фільтрації та очищення води, щоб дізнатися коли настав час замінити фільтр або мембрану. Прилад відкалібрований на заводі-виробнику за допомогою розчину хлориду натрію NaCl з концентрацією 342 ppm (частиною на мільйон або мг/л). Діапазон вимірювання приладу – 0–9990 ppm або мг/л. PPM - мільйонна частка, безрозмірна одиниця виміру відносних величин, що дорівнює 110⁻⁶ від базового показника. Наприклад, масова концентрація 5 мг/кг = 5 мг на 1 000 000 мг = 5 частин на мільйон або мільйонних часток. Так само, як відсоток є однією сотою часткою, мільйонна частка є однією мільйонною часткою. Відсотки та мільйонні частки за змістом дуже схожі. Мільйонні частки, на відміну відсотків, зручні для вказівки концентрації дуже слабких розчинів.

Даний прилад для вимірювання загальної мінералізації не можна використовувати для перевірки якості води з високим вмістом солей. Прикладами речовин із високим вмістом солей є деякі харчові продукти (звичайний суп із нормальним вмістом солі 10 г/л) та морська вода. Максимальна концентрація натрію хлориду, яку може виміряти цей прилад - 9990 ppm або близько 10 г/л. Це нормальна концентрація солі в харчових продуктах. Даним приладом також не можна виміряти солоність морської води, оскільки вона зазвичай дорівнює 35 г/л або 35000 ppm, що набагато вище, ніж прилад здатний виміряти. При спробі виміряти таку високу концентрацію пристрій виведе повідомлення про помилку Err.

1,0 мСм/см x 700 дає 700 ppm

Шкала 640 використовує коефіцієнт перетворення 640 для перетворення мСм ppm:

1,0 мСм/см x 640 дає 640 ppm