Электропроводность воды, или что такое кондуктометрия

Электропроводность воды, или что такое кондуктометрия

Электропроводность воды (далее возможно ЭВ) – очень важное для каждого из нас свойство воды.

Каждый человек должен знать, что вода, как правило, обладает электропроводностью. Незнание этого факта может привести к пагубным последствиям для жизни и здоровья.

Например, категорически запрещается пользоваться электроприборами, принимая ванну или душ, строго запрещается купаться в открытых водоемах во время грозы …

Дадим несколько определений понятию электропроводности …

Проводит электричество или нет?

Теоретически дистиллированная вода не относится к числу веществ, проводящих электроток. В идеально чистой жидкой среде отсутствуют минеральные соли и дополнительные примеси.

В ней практически нет свободных ионов. В такой среде отсутствуют подходящие условия для их взаимодействия.

На практике из водного раствора не удается полностью удалить все соли и примеси. Их концентрация в ней существенно ниже, чем в обычной воде.

Но такая очищенная среда все равно содержит в себе некоторое количество веществ, которые могут передавать электричество. Такая жидкая среда может быть слабым проводником.

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Удельные сопротивления различных проводников

Материал проводника Удельное сопротивление ρ в
Серебро
Медь
Алюминий
Вольфрам
Железо
Свинец
Никелин (сплав меди, никеля и цинка)
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)
Ртуть
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)
0,016
0,0175
0,03
0,05
0,13
0,2
0,42
0,43
0,5
0,94
1,1

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм².

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α.

Если при температуре t сопротивление проводника равно r, а при температуре t равно rt, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим rt:

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Применение медных проводников

Медь является не только хорошим проводником электрического тока, но и очень пластичным материалом. Благодаря этому свойству медная проводка лучше укладывается, она устойчива к изгибам и растяжению.

Медь очень востребована на рынке. Из этого материала производят множество различных изделий:

  • Огромное многообразие проводников;
  • Автозапчасти (например, радиаторы);
  • Часовые механизмы;
  • Компьютерные составляющие;
  • Детали электрических и электронных приборов.

Удельное электрическое сопротивление меди является одним из лучших среди проводящих ток материалов, поэтому на ее основе создается множество товаров электроиндустрии. К тому же медь легко поддается пайке, поэтому очень распространена в радиолюбительстве.

Классическая теория электропроводности металлов

Основные положения теории электропроводности металлов содержат шесть пунктов. Первый: высокий уровень электропроводности связан с наличием большого числа свободных электронов. Второй: электрический ток возникает путем внешнего воздействия на металл, при котором электроны из беспорядочного движения переходят в упорядоченное.

Третий: сила тока, проходящего через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертый: различное число элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к неодинаковому сопротивлению металлов. Пятый: электрический ток в цепи возникает мгновенно после начала воздействия на электроны. Шестой: с увеличением внутренней температуры металла растет и уровень его сопротивления.

Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом положений. В спокойном состоянии все свободные электроны хаотическим образом вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но стоит лишь подключить внешний источник воздействия, как электроны мгновенно выстраиваются в структурированной последовательности и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.

Это связано с тем, что слабеют молекулярные связи в кристаллической решетке, элементарные частицы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепь усложняется. Поэтому необходимо принимать меры по недопущению перегрева проводников, так как это негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Механизм электропроводности металлов невозможно изменить ввиду действующих законов физики. Но можно нивелировать негативные внешние и внутренние воздействия, которые мешают нормальному протеканию процесса.

Читайте также  Трехфазное подключение

Сравнение проводимости меди и алюминия

Первый вывод можно сделать после изучения табличных данных. Сопротивление алюминия примерно на 80% выше, по сравнению с медью. В такой же пропорции хуже проводимость. Но для корректного анализа необходимо изучить дополнительно следующие факты:

  • алюминий легче, но для получения аналогичных электрических параметров понадобится увеличить поперечное сечение (толщину проводника);
  • медные изделия (многожильные кабели) не повреждаются неоднократным сгибанием;
  • удельное сопротивление алюминия изменяется больше при повышении/ снижении температуры;
  • пленка из окислов на его поверхности образуется быстрее, поэтому для надежности (долговечности) современную проводку делают из меди.

Удельная проводимость

Электропроводность грунтов — способность грунтов проводить электрический ток. Это свойство характеризуется величиной удельной электропроводности (а) или удельного электрического сопротивления (ρ, Омxм):

где R — полное электрическое сопротивление образца грунта, Ом;
S — площадь поперечного сечения образца, м 2 ;
L — длина образца, м.

Электропроводность и электрическое сопротивление грунтов зависит от минеральный состав грунтов, их дисперсность, структурно-текстурные особенности, влажность, химический состав и концентрация порового раствора, температура и давление. Вследствие этого электропроводность и удельное электрическое сопротивление грунтов в зависимости от их состояния могут изменяться в широких пределах (Рис. 1), [3, 4].

1. Электропроводность минеральных и органогенных частиц

Особенно сильно возрастает ионная электропроводность у легко гидролизующихся глинистых минералов, что обусловлено явлением поверхностной проводимости. — Электропроводность двойного электрического слоя (ДЭС) будет выше, чем электропроводность порового раствора, при условии, что концентрация порового раствора будет меньше концентрации ДЭС. Поэтому под влиянием электрического поля будет наблюдаться скольжение зарядов внешней оболочки ДЭС вдоль поверхности частиц (поверхностный ток).

2. Влажность грунтов и концентрация порового раствора

твердой фазы между отдельными зернами. Наличие в грунтах водных растворов (по сути природных электролитов) резко повышает их электропроводность.

Наибольшие изменения электропроводности с повышением влажности грунтов наблюдаются в пористых осадочных породах.

Рис. 2. :
1-4 — тонкодисперсные грунты,
5-8 — грубодисперсные грунты [4].

3. Структурно-текстурные особенности грунтов

где ρм — удельное сопротивление минеральной составляющей твердой компоненты грунта, η — пористость (д.е.).

Размер и форма проводящих включений влияют на проводимость следующим образом. Для грунтов с включениями сферической формы удельное электрическое сопротивление выражается следующей зависимостью:

где ρ1 — удельное сопротивление вмещающей породы, Омxм;
ρ2 — удельное сопротивление проводящих включений, Ом?м;
V — объем включений, в д.е.

Большая часть грунтов характеризуется электрической анизотроприей: электропроводность слоистых грунтов вдоль напластования всегда выше, чем перпендикулярно напластованию.

Это свойство грунтов характеризуется коэффициентом анизотропии λ:

Таб. 1

Значение коэффициента анизотропии для некоторых типов осадочных и метаморфических грунтов [4] (по В.Н.Дахнову и др.)

Грунты

Коэффициент анизотропии

4. Температура

С понижением температуры грунта и образованием льда в его порах электрическое сопротивление резко возрастает (Рис. 4) и достигает больших величин (Рис. 5). При замерзании свободной воды электропроводящим элементом остается незамерзшая связанная вода. Максимум электропроводности мерзлых тонкодисперсных грунтов соответствует содержанию влаги, близкой к влажности нижнего предела пластичности или максимальной молекулярной влагоемкости, когда вся вода является ориентированной поверхностью частиц грунта, и льдистость минимальна. При дальнейшем понижении температуры мерзлой толщи льдистость увеличивается, уменьшается количество незамерзшей воды, а следовательно, и трансляционное движение в ней, и электрическое сопротивление возрастают. В силу этого многолетнемерзлые породы обладают тем более высоким сопротивлением, чем больше их льдистость [4].

Рис. 3. :
1, 2, 3- различные типы грунтов [4].

» src=»http://zilant.kpfu.ru/kek/gidrogeo/Fig_%20.jpg» border=»1″ bordercolor=»SlateGray»>

Рис. 5. , а — скальные грунты (по М.С.Кингу): 1-3 — песчаники различной влажности; 4 — глинистые сланцы; б — дисперсные фунты (по А.Д.Фролову): 1 — песок с массивной криотекстурой; 2 — то же, с шлировой; 3 — супеси и суглинки с массивной криотекстурой; 4 — то же, с шлировой; 5- ледниковый лед [4].

Электропроводность металлов и полупроводников

Содержание работы

Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. Как показывает теория [1-3], величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τe, длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:

где u — подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности , а именно

В зависимости от σ все вещества подразделяются; на проводники — с σ > 10 6 (Ом · м) -1 , диэлектрики — с σ > 10 -8 (Ом · м) -1 и полупроводники — с промежуточным значением σ.

С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при 0 К валентная зона кристалла: частично или полностью.

Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электрическим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Квантовое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле появится преимущественное (направленное) движение электронов против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.10.1,а) являются проводниками.

Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состояния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой переход осуществить не может. Перестановка электронов внутри полностью заполненной зоны не вызывает изменения квантового состояния системы, т.к. сами по себе электроны неразличимы.

В таких кристаллах (рис. 10.1,б) внешнее электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они будут непроводниками (диэлектриками). Из этой группы веществ выделены те у которых ширина запрещенной зоны ΔE ≤ 1 эВ (1эВ = 1,6 · 10 -19 Дж).

Переход электронов через запрещенную зону у таких тел можно осуществить, например, посредством теплового возбуждения. При этом освобождается часть уровней — валентной зоны и частично заполняются уровни следующей за ней свободной зоны (зоны проводимости). Эти вещества являются полупроводниками.

Согласно выражению (10.1) изменение электропроводности (электрического сопротивления) тел с температурой может быть вызвано изменением концентрации n носителей заряда или изменением их подвижности u .

Металлы

где ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 Дж · с — нормированная постоянная Планка, EF — энергия Ферми.

Так как EF практически от температуры T не зависит, то и концентрация носителей заряда от температуры не зависит. Следовательно, температурная зависимость электропроводности металлов будет полностью определяться подвижностью u электронов, как и следует из формулы (10.1). Тогда в области высоких температур

а в области низких температур

Степень подвижности носителей заряда будет определяться процессами рассеяния, т.е. взаимодействием электронов с периодическим полем решетки. Так как поле идеальной решетки строго периодическое, а состояние электронов — стационарное, то рассеяние (возникновение электрического сопротивления металла) может быть вызвано только дефектами (примесными атомами, искажениями структуры и т.д.) и тепловыми колебаниями решетки (фононами).

Вблизи 0 К , где интенсивность тепловых колебаний решетки и концентрация фононов близка к нулю, преобладает рассеяние на примесях (электрон-примесное рассеяние). Проводимость при этом практически не меняется, как следует из формулы (10.4), а удельное сопротивление

Читайте также  Где образуется углекислый газ

имеет постоянное значение, которое называется удельным остаточным сопротивлением ρост или удельным примесным сопротивлением ρприм, т.е.

В области высоких температур у металлов становится преобладающим электрон-фононный механизм рассеяния. При таком механизме рассеяния электропроводность обратно пропорциональна температуре, как видно из формулы (10.3), а удельное сопротивление прямо пропорционально температуре:

График зависимости удельного сопротивления ρ от температуры приведен на рис. 10.2

При температурах отличных от 0 К и достаточно большом количестве примесей могут иметь место как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние; суммарное удельное сопротивление имеет вид

Выражение (10.6) представляет собой правило Матиссена об аддитивности сопротивления. Следует отметить, что как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние носит хаотический характер.

Полупроводники

Квантово-механические расчеты подвижности носителей в полупроводниках показали, что, во-первых, с повышением температуры подвижность носителей u убывает, и решающим в определении подвижности является тот механизм рассеяния, который обуславливает наиболее низкую подвижность. Во-вторых, зависимость подвижности носителей заряда от уровня легирования (концентрации примесей) показывает, что при малом уровне легирования подвижность будет определяться рассеянием на колебаниях решетки и, следовательно, не должна зависеть от концентрации примесей.

При высоких уровнях легирования она должна определяться рассеиванием на ионизированной легирующей примеси и уменьшаться с увеличением концентрации примеси. Таким образом, изменение подвижности носителей заряда не должно вносить заметного вклада в изменение электрического сопротивления полупроводника.

В соответствии с выражением (10.1) основной вклад в изменение электропроводности полупроводников должно вносить изменение концентрации п носителей заряда [1-3].

Главным признаком полупроводников является активационная природа проводимости, т.е. резко выраженная зависимость концентрации носителей от внешних воздействий, как-то температуры, облучения и т.д. Это объясняется узостью запрещенной зоны (ΔЕ –23 Дж/ К — постоянная Больцмана.

На рисунке 10.3,а приведен график зависимости логарифма электропровод-ности ln σ собственного полупроводника от обратной температуры 1 / Т : ln σ = = ƒ(1 / Т). График представляет собой прямую, по наклону которой можно опреде-лить ширину запрещенной зоны ∆Е.

Электропроводность легированных полупроводников обусловлена наличием в них примесных центров. Температурная зависимость таких полупроводников определяется не только концентрацией основных носителей, но и концентрацией носителей, поставляемых примесными центрами. На рис. 10.3,б приведены графики зависимости ln σ = ƒ (1 / Т) для полупроводников с различной степенью легирования (n1 26 м –3 , т.е. соизмерима с концентрацией носителей заряда в металлах (см. кривая 3, рис. 10.3,б), зависимость σ от температуры наблюдается только в области собственной проводимости. С ростом концентрации примесей величина интервала АВ (АВ > A’B’ > A»B») уменьшается (см. рис. 10.3,б).

Как в области примесной проводимости, так и в области собственной проводимости преобладает электрон-фононный механизм рассеяния. В области истощения примеси (интервалы AB, A’B’, A»B») вблизи температуры ТS преобладает электрон-примесное рассеяние. По мере увеличения температуры (перехода к Тi) начинает преобладать электрон-фононное рассеяние. Таким образом, интервал АВ (A’B’ или A»B»), называемый областью истощения примеси, является также областью перехода от механизма примесной проводимости к механизму собственной проводимости.

Изменение параметра при разных температурах широко применяется в электротехнике. Наиболее простым примером является лампа накаливания, где используется нихромовая нить. При нагревании она начинает светиться. При прохождении через нее тока она начинает нагреваться. С ростом нагрева возрастает и сопротивление. Соответственно, ограничивается первоначальный ток, который нужен был для получения освещения. Нихромовая спираль, используя тот же принцип, может стать регулятором на различных аппаратах.

Широкое применение коснулось и благородных металлов, которые обладают подходящими характеристиками для электротехники. Для ответственных схем, которым требуется быстродействие, подбираются серебряные контакты. Они обладают высокой стоимостью, но с учетом относительно небольшого количества материалов их применение вполне оправданно. Медь уступает серебру по проводимости, но обладает более доступной ценой, благодаря чему ее чаще используют для создания проводов.

В условиях, где можно использовать предельно низкие температуры, применяются сверхпроводники. Для комнатной температуры и уличной эксплуатации они не всегда уместны, так как при повышении температуры их проводимость начнет падать, поэтому для таких условий лидерами остаются алюминий, медь и серебро.

На практике учитывается много параметров и этот является одним из наиболее важных. Все расчеты проводятся еще на стадии проектирования, для чего и используются справочные материалы.