Elektrische Leitfähigkeit von Stoffen

In diesem Artikel werden wir das Thema elektrische Leitfähigkeit enthüllen, uns daran erinnern, was elektrischer Strom ist, wie er mit dem Widerstand eines Leiters und dementsprechend mit seiner elektrischen Leitfähigkeit zusammenhängt. Beachten wir die wichtigsten Formeln zur Berechnung dieser Mengen und gehen dabei auf das Thema ein momentane Geschwindigkeit und seine Beziehung zur elektrischen Feldstärke. Wir werden auch auf den Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und Temperatur eingehen.

Erinnern wir uns zunächst daran, was elektrischer Strom ist. Wenn Sie einen Stoff in ein äußeres elektrisches Feld bringen, beginnt unter der Einwirkung von Kräften aus diesem Feld die Bewegung elementarer Ladungsträger – Ionen oder Elektronen – in dem Stoff. Es wird einen Stromschlag geben. Der Strom I wird in Ampere gemessen, und ein Ampere ist der Strom, bei dem pro Sekunde eine Ladung von einem Coulomb durch den Querschnitt des Drahtes fließt.

Strom ist Gleichstrom, Wechselstrom, Pulsieren.Gleichstrom ändert seine Größe und Richtung zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht, Wechselstrom ändert seine Größe und Richtung im Laufe der Zeit (Wechselstromgeneratoren und -transformatoren liefern genau Wechselstrom), pulsierender Strom ändert seine Größe, ändert aber nicht die Richtung (z. B. gleichgerichteter Wechselstrom). . die Stromimpulse).

Stoffe neigen dazu, unter Einwirkung eines elektrischen Feldes einen elektrischen Strom zu leiten, und diese Eigenschaft wird elektrische Leitfähigkeit genannt, die für verschiedene Stoffe unterschiedlich ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen hängt von der Konzentration der freien geladenen Teilchen in ihnen, also der Ionen, ab und Elektronen, die weder an die Kristallstruktur noch an die Moleküle noch an die Atome der jeweiligen Substanz gebunden sind. Abhängig von der Konzentration freier Ladungsträger in einem bestimmten Stoff werden Stoffe nach dem Grad der elektrischen Leitfähigkeit unterteilt in: Leiter, Dielektrika und Halbleiter.

Es hat die höchste elektrische Leitfähigkeit Drähte aus elektrischem Stromund aufgrund ihrer physikalischen Natur werden Leiter in der Natur durch zwei Arten repräsentiert: Metalle und Elektrolyte. In Metallen entsteht der Strom durch die Bewegung freier Elektronen, d negative Ladung, d. h. die Leitfähigkeit von Elektrolyten ist ionisch. Ionisierte Dämpfe und Gase zeichnen sich durch gemischte Leitfähigkeit aus, wobei der Strom auf die Bewegung von Elektronen und Ionen zurückzuführen ist.

Die Elektronentheorie erklärt perfekt die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen.Die Bindung der Valenzelektronen an ihre Kerne in Metallen ist schwach, sodass sich diese Elektronen im gesamten Volumen des Leiters frei von Atom zu Atom bewegen können.

Es stellt sich heraus, dass die freien Elektronen in Metallen den Raum zwischen Atomen wie ein Gas, ein Elektronengas, ausfüllen und sich in chaotischer Bewegung befinden. Wenn jedoch ein Metalldraht in ein elektrisches Feld eingeführt wird, bewegen sich die freien Elektronen geordnet in Richtung des Pluspols und erzeugen so einen Strom. Daher wird die geordnete Bewegung freier Elektronen in einem Metallleiter als elektrischer Strom bezeichnet.

Es ist bekannt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Feldes im Weltraum ungefähr 300.000.000 m/s, also der Lichtgeschwindigkeit, beträgt. Dies ist die gleiche Geschwindigkeit, mit der Strom durch einen Draht fließt.

Was bedeutet das? Das bedeutet nicht, dass sich jedes Elektron im Metall mit so großer Geschwindigkeit bewegt, aber die Elektronen in einem Draht haben im Gegenteil eine Geschwindigkeit von einigen Millimetern pro Sekunde bis zu einigen Zentimetern pro Sekunde, je nachdem elektrische Feldstärke, aber die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms entlang eines Drahtes ist genau gleich der Lichtgeschwindigkeit.

Die Sache ist, dass sich jedes freie Elektron im allgemeinen Elektronenfluss desselben „Elektronengases“ befindet und während des Stromdurchgangs ein elektrisches Feld auf diesen gesamten Fluss einwirkt, wodurch die Elektronen ständig übertragen werden diese Feldaktion untereinander - von Nachbar zu Nachbar.

Aber die Elektronen bewegen sich sehr langsam an ihren Platz, obwohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Energie entlang des Drahtes enorm ist.Wenn also im Kraftwerk der Schalter eingeschaltet wird, entsteht sofort Strom im gesamten Netz und die Elektronen stehen praktisch still.

Wenn sich freie Elektronen jedoch entlang eines Drahtes bewegen, erleiden sie auf ihrem Weg viele Kollisionen, sie kollidieren mit Atomen, Ionen, Molekülen und übertragen einen Teil ihrer Energie auf sie. Die Energie der sich bewegenden Elektronen, die diesen Widerstand überwinden, wird teilweise als Wärme abgegeben und der Leiter erwärmt sich.

Diese Kollisionen dienen als Widerstand gegen die Bewegung von Elektronen, weshalb die Eigenschaft eines Leiters, die Bewegung geladener Teilchen zu verhindern, als elektrischer Widerstand bezeichnet wird. Bei einem geringen Widerstand des Drahtes wird der Draht durch den Strom leicht erhitzt, bei einem erheblichen Widerstand viel stärker und sogar bis zum Weiß, dieser Effekt wird in Heizgeräten und Glühlampen genutzt.

Die Einheit der Widerstandsänderung ist Ohm. Widerstand R = 1 Ohm ist der Widerstand eines solchen Drahtes. Wenn ein Gleichstrom von 1 Ampere durch ihn fließt, beträgt die Potentialdifferenz an den Enden des Drahtes 1 Volt. Der Widerstandsstandard in 1 Ohm ist eine 1063 mm hohe Quecksilbersäule mit einem Querschnitt von 1 mm² bei einer Temperatur von 0 ° C.

Da Drähte durch einen elektrischen Widerstand gekennzeichnet sind, können wir sagen, dass der Draht bis zu einem gewissen Grad in der Lage ist, elektrischen Strom zu leiten. In diesem Zusammenhang wird ein Wert namens Leitfähigkeit oder elektrische Leitfähigkeit eingeführt. Unter elektrischer Leitfähigkeit versteht man die Fähigkeit eines Leiters, elektrischen Strom zu leiten, also den Kehrwert des elektrischen Widerstands.

Die Einheit der elektrischen Leitfähigkeit G (Leitfähigkeit) ist Siemens (S) und 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Da die Atome verschiedener Stoffe den Durchgang des elektrischen Stroms unterschiedlich stark stören, ist der elektrische Widerstand verschiedener Stoffe unterschiedlich. Aus diesem Grund wurde das Konzept eingeführt elektrischer Wiederstand, dessen Wert „p“ die leitfähigen Eigenschaften dieses oder jenes Stoffes charakterisiert.

Der spezifische elektrische Widerstand wird in Ohm * m gemessen, also der Widerstand eines Stoffwürfels mit einer Kantenlänge von 1 Meter. Ebenso wird die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes durch die spezifische elektrische Leitfähigkeit ?, gemessen in S/m, charakterisiert, also die Leitfähigkeit eines Stoffwürfels mit einer Kantenlänge von 1 Meter.

Heutzutage werden leitfähige Materialien in der Elektrotechnik hauptsächlich in Form von Bändern, Reifen, Drähten mit einer bestimmten Querschnittsfläche und einer bestimmten Länge verwendet, jedoch nicht in Form von Meterwürfeln. Und für eine bequemere Berechnung des elektrischen Widerstands und der elektrischen Leitfähigkeit von Drähten bestimmter Größen wurden akzeptablere Maßeinheiten sowohl für den elektrischen Widerstand als auch für die elektrische Leitfähigkeit eingeführt. Ohm * mm2 / m – für Widerstand und Cm * m / mm2 – für elektrische Leitfähigkeit.

Jetzt können wir sagen, dass elektrischer Widerstand und elektrische Leitfähigkeit die Leitfähigkeitseigenschaften eines Drahtes mit einer Querschnittsfläche von 1 mm² und einer Länge von 1 Meter bei einer Temperatur von 20 ° C charakterisieren. Dies ist bequemer.

Metalle wie Gold, Kupfer, Silber, Chrom und Aluminium weisen die beste elektrische Leitfähigkeit auf. Stahl und Eisen sind weniger leitfähig. Reine Metalle haben immer eine bessere elektrische Leitfähigkeit als ihre Legierungen, daher wird in der Elektrotechnik reines Kupfer bevorzugt.Wenn Sie einen besonders hohen Widerstand benötigen, werden Wolfram, Nichrom und Konstantan verwendet.

Wenn man den Wert des spezifischen elektrischen Widerstands oder der elektrischen Leitfähigkeit kennt, kann man unter Berücksichtigung der Länge l und der Querschnittsfläche S dieses Drahts leicht den Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit eines bestimmten Drahts aus einem bestimmten Material berechnen.

Die elektrische Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand aller Materialien hängen von der Temperatur ab, denn mit steigender Temperatur nehmen auch Frequenz und Amplitude der thermischen Schwingungen der Atome des Kristallgitters zu, entsprechend nimmt auch der Widerstand gegen elektrischen Strom und den Elektronenfluss zu.

Mit sinkender Temperatur hingegen werden die Schwingungen der Atome des Kristallgitters kleiner, der Widerstand nimmt ab (elektrische Leitfähigkeit steigt). Bei einigen Stoffen ist die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur weniger ausgeprägt, bei anderen stärker. Beispielsweise ändern Legierungen wie Konstantan, Fechral und Manganin ihren Widerstand in einem bestimmten Temperaturbereich geringfügig, weshalb aus ihnen thermostabile Widerstände hergestellt werden.

Temperaturkoeffizient des Widerstands? ermöglicht es Ihnen, für ein bestimmtes Material den Anstieg seines Widerstands bei einer bestimmten Temperatur zu berechnen und numerisch den relativen Anstieg des Widerstands bei einem Temperaturanstieg um 1 °C zu charakterisieren.

Wenn man den Temperaturkoeffizienten des Widerstands und den Temperaturanstieg kennt, lässt sich der Widerstand eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur leicht berechnen.

Wir hoffen, dass unser Artikel für Sie nützlich war und Sie jetzt ganz einfach den Widerstand und die Leitfähigkeit eines beliebigen Drahtes bei jeder Temperatur berechnen können.