Одним із найпоширеніших металів для виготовлення дротів є мідь. Її електроопір мінімальний з доступних за ціною металів. Воно менше тільки у дорогоцінних металів (срібла та золота) і залежить від різних факторів.

Що таке електричний струм

На різних полюсах акумулятора або іншого джерела струму є різні носії електричного заряду. Якщо з'єднати їх із провідником, носії заряду починають рух від однієї полюса джерела напруги до іншого. Цими носіями рідини є іони, а металах – вільні електрони.

Визначення.Електричний струм – це спрямований рух заряджених частинок.

Питомий опір

Питомий електричний опір – це величина, що визначає електроопір еталонного зразка матеріалу. Для позначення цієї величини використовується грецька літера "р". Формула для розрахунку:

p=(R*S)/ l.

Ця величина вимірюється в Ом*м. Знайти її можна у довідниках, у таблицях питомого опоруабо у мережі інтернет.

Вільні електрони по металу рухаються всередині кристалічних ґрат. На опір цьому руху та питомий опір провідника впливають три фактори:

• Матеріал. У різних металів різна щільністьатомів та кількість вільних електронів;
• Домішки. У чистих металах кристалічні грати більш упорядковані, тому опір нижче, ніж у сплавах;
• Температура. Атоми не знаходяться на своїх місцях нерухомо, а коливаються. Чим вище температура, тим більше амплітуда коливань, що створює перешкоди руху електронів, і вищий опір.

На наступному малюнку можна побачити таблицю питомого опору металів.

Цікаво.Є сплави, електроопір яких падає при нагріванні або змінюється.

Провідність та електроопір

Оскільки розміри кабелів вимірюються в метрах (довжина) і мм² (перетин), питомий електричний опір має розмірність Ом·мм²/м. Знаючи розміри кабелю, його опір розраховується за такою формулою:

R=(p*) l)/S.

Крім електроопору, у деяких формулах використовується поняття «провідність». Це величина, обернена до опору. Позначається вона "g" і розраховується за формулою:

Провідність рідин

Провідність рідин відрізняється від провідності металів. Носіями зарядів у яких є іони. Їхня кількість і електропровідність зростають при нагріванні, тому потужність електродного котла зростає при нагріванні від 20 до 100 градусів у кілька разів.

Цікаво.Дистильована вода є ізолятором. Провідність їй надають розчинені домішки.

Електроопір проводів

Найпоширеніші метали для виготовлення дротів – мідь та алюміній. Опір алюмінію вищий, але він дешевший за мідь. Питомий опір міді нижчий, тому перетин дротів можна вибрати менше. Крім того, вона міцніша, і з цього металу виготовляються гнучкі багатожильні дроти.

У наступній таблиці показується питомий електроопір металів за 20 градусів. Для того щоб визначити його при інших температурах, значення таблиці необхідно помножити на поправочний коефіцієнт, різний для кожного металу. Дізнатися цей коефіцієнт можна з відповідних довідників або онлайн-калькулятора.

Вибір перерізу кабелю

Оскільки у дроту є опір, при проходженні ним електричного струмувиділяється тепло і відбувається падіння напруги. Обидва ці фактори необхідно враховувати при виборі перетину кабелів.

Вибір за допустимим нагріванням

При протіканні струму у дроті виділяється енергія. Її кількість можна розрахувати за формулою електричної потужності:

У мідному дроті перетином 2,5 мм² і довжиною 10 метрів R=10*0.0074=0.074Ом. При струмі 30А Р = 30? * 0,074 = 66Вт.

Ця потужність нагріває струмопровідну жилу і сам кабель. Температура, до якої він нагрівається, залежить від умов прокладання, кількості жил у кабелі та інших факторів, а допустима температура – ​​від матеріалу ізоляції. Мідь має більшу провідність, тому менше виділяється потужність і необхідний переріз. Визначається воно за спеціальними таблицями або за допомогою онлайн-калькулятора.

Допустимі втрати напруги

Крім нагріву, при проходженні електричного струму по дротах відбувається зменшення напруги біля навантаження. Цю величину можна розрахувати за законом Ома:

Довідка.За нормами ПУЕ воно має становити не більше 5% або у мережі 220В – не більше 11В.

Тому, чим довший кабель, тим більше має бути його перетин. Визначити його можна за таблицями або за допомогою онлайн-калькулятора. На відміну від вибору перерізу за допустимим нагріванням, втрати напруги не залежать від умов прокладання та матеріалу ізоляції.

У мережі 220В напруга подається по двох дротах: фазному та нульовому, тому розрахунок проводиться за подвійною довжиною кабелю. У кабелі з попереднього прикладу воно становитиме U=I*R=30A*2*0.074Ом=4,44В. Це небагато, але за довжини 25 метрів виходить 11,1В – гранично допустима величина, доведеться збільшувати перетин.

Електроопір інших металів

Крім міді та алюмінію, в електротехніці використовуються інші метали та сплави:

• Залізо. Питомий опір стали вищими, але вона міцніша, ніж мідь і алюміній. Сталеві жили вплітаються в кабелі, призначені для прокладання повітрям. Опір заліза занадто великий передачі електроенергії, тому під час розрахунку перерізу жили не враховуються. Крім того, воно більш тугоплавке, і з нього виготовляються виводи для підключення нагрівачів електропечах великої потужності;
• Ніхром (сплав нікелю та хрому) та фехраль (залізо, хром та алюміній). Вони мають низьку провідність і тугоплавкість. З цих сплавів виготовляються дротяні резистори та нагрівачі;
• Вольфрам. Його електроопір великий, але це тугоплавкий метал (3422 ° C). З нього виготовляються нитки розжарення в електролампах та електроди для аргонно-дугового зварювання;
• Константан та манганін (мідь, нікель та марганець). Питомий опір цих провідників не змінюється у разі зміни температури. Застосовуються у претензійних приладах виготовлення резисторів;
• Дорогоцінні метали – золото та срібло. Мають найвищу питому провідність, але через велику ціну їх застосування обмежене.

Індуктивний опір

Формули для розрахунку провідності проводів справедливі лише у мережі постійного струму чи прямих провідниках за низької частоті. У котушках і високочастотних мережах з'являється індуктивний опір, що у багато разів перевищує звичайне. Крім того, струм високої частоти поширюється лише на поверхні дроту. Тому його іноді покривають тонким шаром срібла або використовують літцендрат.

Довідка.Літцендрат - це багатожильний провід, кожна жила в якому ізольована від інших. Це робиться збільшення поверхні і провідності в мережах високої частоти.

Питомий опір міді, гнучкість, відносно невисока ціна та механічна міцність роблять цей метал, разом із алюмінієм, найпоширенішим матеріалом для виготовлення дротів.

Відео

Електричний опір, що виражається в омах, відрізняється від поняття «питомий опір». Щоб зрозуміти, що таке питомий опір, треба пов'язати його з фізичними властивостямиматеріалу.

Про питому провідність та питомий опір

Потік електронів не переміщається через матеріал. При постійній температурі елементарні часткигойдаються навколо стану спокою. Крім того, електрони в зоні провідності заважають один одному взаємним відштовхуванням через аналогічний заряд. У такий спосіб виникає опір.

Питома провідність є власною характеристикою матеріалів та кількісно визначає легкість, з якою заряди можуть рухатися, коли речовина піддається впливу електричного поля. Питомий опір є зворотною величиною і характеризується ступенем труднощі, яку електрони зустрічають при своїх переміщеннях усередині матеріалу, даючи уявлення про те, наскільки хороший чи поганий провідник.

Важливо!Питомий електричний опір з високим значенням вказує на те, що матеріал погано проводить, а з низьким значенням - визначає хорошу провідну речовину.

Питома провідність позначається літерою і розраховується за формулою:

Питомий опір ρ як зворотний показник можна знайти так:

У цьому вся виразі E є напруженістю створюваного електричного поля (В/м), а J – щільністю електроструму (А/м²). Тоді одиниця виміру ρ буде:

В/м х м²/А = ом.

Для питомої провідності одиницею, в якій вона вимірюється, служить См/м або сименс на метр.

Типи матеріалів

Відповідно до питомого опору матеріалів, їх можна класифікувати на кілька типів:

1. Провідники. До них відносяться всі метали, сплави, розчини, що дисоціюються на іони, а також термічно збуджені гази, включаючи плазму. З неметалів можна навести приклад графіт;
2. Напівпровідники, що фактично є непровідними матеріалами, кристалічні грати яких цілеспрямовано леговані включенням чужорідних атомів з більшою або меншою кількістю пов'язаних електронів. В результаті в структурі решітки утворюються квазівільні надлишкові електрони або дірки, які роблять внесок у провідність струму;
3. Діелектрики чи ізолятори дисоційовані – всі матеріали, які в нормальних умовах не мають вільних електронів.

Для транспортування електричної енергії або в електроустановках побутового та промислового призначення матеріал, що часто використовується – мідь у вигляді одножильних або багатожильних кабелів. Альтернативно застосовується метал алюміній, хоча питомий опір міді становить 60% від того самого показника для алюмінію. Але він набагато легший за мідь, що зумовило його використання в лініях електропередач мереж високої напруги. Золото як провідник застосовується в електроланцюжках спеціального призначення.

Цікаво.Електропровідність чистої міді була прийнята Міжнародною електротехнічною комісією в 1913 як стандарт за цією величиною. Відповідно до визначення, провідність міді, виміряна при 20°, дорівнює 0,58108 См/м. Це називається 100% LACS, а провідність інших матеріалів виявляється як певний відсоток LACS.

Більшість металів мають значення провідності менше 100% LACS. Однак є винятки, такі як срібло або спеціальна мідь з дуже високою провідністю, позначені С-103 та С-110 відповідно.

Діелектрики не проводять електрику та використовуються як ізолятори. Приклади ізоляторів:

• Скло,
• кераміка,
• пластмаса,
• гума,
• слюда,
• віск,
• папір,
• суха деревина,
• фарфор,
• деякі жири для промислового та електротехнічного використання та бакеліт.

Між трьома групами переходи є плинними. Відомо точно: абсолютно непровідних середовищ та матеріалів немає. Наприклад, повітря – ізолятор при кімнатній температурі, але за умов потужного сигналу низької частоти може стати провідником.

Визначення питомої провідності

Якщо порівнювати питомий електричний опір різних речовин, потрібні стандартизовані умови вимірювання:

1. У разі рідин, поганих провідників та ізоляторів, використовують кубічні зразки з довжиною ребра 10 мм;
2. Величини питомого опору ґрунтів та геологічних утворень визначаються на кубах з довжиною кожного ребра 1 м;
3. Провідність розчину залежить від концентрації його іонів. Концентрований розчин менш дисоційований і має менше носіїв заряду, що знижує провідність. У міру збільшення розведення збільшується кількість іонних пар. Концентрація розчинів встановлюється 10%;
4. Для визначення питомого опору металевих провідників використовуються дроти метрової довжини та перерізу 1 мм².

Якщо матеріал, такий як метал, може забезпечити вільні електрони, коли прикласти різницю потенціалів, по дроту потече електричний струм. У міру збільшення напруги більше електронів переміщається через речовину в тимчасову одиницю. Якщо всі додаткові параметри (температура, площа поперечного перерізу, довжина та матеріал дроту) незмінні, то відношення сили струму до прикладеної напруги теж завжди і називається провідністю:

Відповідно, електроопір буде:

Результат виходить у ом.

У свою чергу, провідник може бути різних довжин, розмірів перерізу і виготовлятися з різних матеріалів, від чого залежить значення R. Математично ця залежність виглядає так:

Чинник матеріалу враховує коефіцієнт ρ.

Звідси можна вивести формулу для питомого опору:

Якщо значення S і l відповідають заданим умовам порівняльного розрахунку питомого опору, тобто 1 мм² та 1 м, то ρ = R. При зміні габаритів провідника кількість омів також змінюється.

Питомий опір та температура

Питомий опір провідника є величиною, яка змінюється з температурою, тому точно розраховують для показника 20°. Якщо температура відрізняється, значення ρ необхідно відрегулювати на основі іншого коефіцієнта, званого температурним і α, що позначається (одиниця – 1/°С). Це також характерне значення для кожного матеріалу.

Модифікований коефіцієнт розраховується на основі значень ρ, α та відхилення температури від 20° – Δt:

ρ1 = ρ х (1 + α х Δt).

Якщо до цього опір було відомо, то можна зробити його розрахунок:

R1 = R x (1 + α х Δt).

Практичне використання різних матеріалів електротехніки безпосередньо залежить від їх питомого опору.

Відео

Речовина (метал) з якого зроблений провідник впливає на проходження через нього електричного струму і характеризується за допомогою такого поняття, як електричний опір.

• - чим довше провід, тим частіше вільні електрони (носії струму), що рухаються, будуть зіштовхуватися на своєму шляху з атомами і молекулами речовини - опір провідника зростає;
• - чим більше поперечний переріз провідника, тим вільнішим електронам стає просторіше, кількість зіткнень зменшується - електричний опір провідника зменшується.

Висновок: чим довше провідник і менший його перетин, тим більший його опір і навпаки - чим провід коротший і товстіший, тим опір його менший ,а провідність (здатність пропускати ел. Струм) його краще.

Спрощено, залежність опору провідника від температури можна так: електрони, що рухаються вздовж провідника, стикаються з атомами і молекулами самого провідника і передають їм свою енергію. В результаті провідник нагрівається, тепловий, безладний рух атомів та молекул збільшується. Це ще більше гальмує основний потік електронів вздовж провідника. Цим пояснюється збільшення опору провідника проходження електричного струму при нагріванні.

При нагріванні чи охолодженні провідників — металів, опір їх відповідно збільшується чи зменшується, з розрахунку 0,4 % за кожен 1 градус. Ця властивість металів використовується для виготовлення датчиків температури.

Напівпровідники та електроліти мають протилежну властивість, ніж провідники — зі збільшенням температури нагрівання їх опір зменшується.

За одиницю виміру електричного опору прийнято 1 Ом (на честь вченого Г.Ома). Опору в 1 Ом дорівнює ділянка електричного ланцюга, яким проходить струм в 1 Ампер при падінні на ньому напруги в 1 Вольт,

Іноді користуються величиною зворотної електричного опору. Це електрична провідність, що позначається буквою g або G - Сіменс (на честь вченого Е. Сіменса).

Електричною провідністю називається здатність речовини пропускати крізь себе електричний струм. Чим більший опір R провідника, тим менша його провідність G і навпаки. 1 Ом = 1 Сім

Похідні одиниці:

1Сім = 1000мСім,
1Сім = 1000000мкСім.

Коли необхідно порахувати загальний опір послідовно з'єднаних провідників, зручніше оперувати з Омами. якщо обчислюється загальний опір паралельно з'єднаних провідників, зручніше рахувати в Сімах, а потім перетворити на Оми.

Найбільшу провідність мають метали: срібло, мідь, алюміній та ін., а також розчини солей, кислот та ін.
Найменша провідність (найбільший опір) у ізоляторів: слюда, скло, азбест, кераміка тощо.

Щоб зручніше проводити розрахунки електричного опору провідників, виготовлених із різних металів, запровадили поняття питомого опору провідника.
Опір провідника завдовжки 1 метр, перетином 1 мм. кв. при температурі + 20 градусів, це буде питомий опір провідника"p".

Питомі опори провідників деяких металів наведено у таблиці.

З таблиці видно: з металів, найкращою провідністю має срібло. Але воно дуже дороге і як провідники використовують у виняткових випадках.

Мідь та алюміній – найпоширеніші матеріали в електротехніці. З них виготовляються дроти та кабелі, електричні шини та ін. Вольфрам, константан, манганін використовуються в різних нагрівальних приладах, при виготовленні дротяних резисторів.

Використовуючи дроти та кабелі в електроустановках, необхідно враховувати їх перетин, щоб запобігти їх нагріванню і, як правило, псуванню ізоляції, а також зменшити падіння напруги та втрату потужності при передачі електричної енергії від джерела до споживача.

Нижче наведено таблицю допустимих величин струму у провіднику залежно від його діаметра (перетину в мм.кв.), а також опір 1 метра дроту, виготовленого з різних матеріалів.


Приклади розрахунку деяких електричних ланцюгів можна подивитися тут.

При замиканні електричного ланцюга, на затискачі якого є різниця потенціалів, виникає . Вільні електрони під впливом електричних сил поля переміщуються вздовж провідника. У своєму русі електрони наштовхуються на атоми провідника та віддають їм запас своєї кінетичної енергії. Швидкість руху електронів постійно змінюється: при зіткненні електронів з атомами, молекулами та іншими електронами вона зменшується, потім під дією електричного поля збільшується і знову зменшується при новому зіткненні. Внаслідок цього у провіднику встановлюється рівномірний рухпотоку електронів зі швидкістю кількох часток сантиметра за секунду. Отже, електрони, проходячи провідником, завжди зустрічають з його боку опір своєму руху. При проходженні електричного струму через останній провідник нагрівається.

Електричний опір

Електричним опором провідника, що позначається латинською літерою r, називається властивість тіла або середовища перетворювати електричну енергіюв теплову під час проходження ним електричного струму.

На схемах електричний опір позначається так, як показано на малюнку 1, а.

Змінний електричний опір, що служить для зміни струму в ланцюзі, називається реостатом. На схемах реостати позначаються як показано малюнку 1, б. В загальному виглядіреостат виготовляється з дроту того чи іншого опору, намотаної на ізолюючій підставі. Повзунок або важіль реостата ставиться у певне положення, у результаті в ланцюг вводиться потрібний опір.

Довгий провідник малого поперечного перерізу створює струму великий опір. Короткі провідники великого поперечного перерізу надають току малого опору.

Якщо взяти два провідники з різного матеріалу, але однакової довжини та перерізу, то провідники будуть проводити струм по-різному. Це свідчить, що опір провідника залежить від матеріалу самого провідника.

Температура провідника також впливає його опір. З підвищенням температури опір металів збільшується, а опір рідин та вугілля зменшується. Тільки деякі спеціальні металеві сплави (манганін, констаїтан, нікелін та інші) із збільшенням температури свого опору майже не змінюють.

Отже, бачимо, що електричний опір провідника залежить від: 1) довжини провідника, 2) поперечного перерізу провідника, 3) матеріалу провідника, 4) температури провідника.

За одиницю опору прийнято один Ом. Ом часто позначається грецькою великою літероюΩ (омега). Тому замість того, щоб писати "Опір провідника дорівнює 15 Ом", можна написати просто: r= 15 Ω.
1 000 Ом називається 1 кілом(1кОм, або 1кΩ),
1 000 000 Ом називається 1 мегаом(1мгОм, або 1МΩ).

При порівнянні опору провідників із різних матеріалів необхідно брати для кожного зразка певну довжину та переріз. Тоді ми зможемо судити про те, який матеріал краще чи гірше проводить електричний струм.

Відео 1. Опір провідників

Питомий електричний опір

Опір в омах провідника довжиною 1 м, перетином 1 мм² називається питомим опоромі позначається грецькою літерою ρ (Ро).

У таблиці 1 подано питомі опори деяких провідників.

Таблиця 1

Питомий опір різних провідників

З таблиці видно, що залізний дріт довжиною 1 м і перетином 1 мм² має опір 0,13 Ом. Щоб отримати 1 Ом опору, потрібно взяти 7,7 м такого дроту. Найменший питомий опір має срібло. 1 Ом опору можна отримати, якщо взяти 62,5 м срібного дроту 1 мм². Срібло – найкращий провідник, але вартість срібла унеможливлює його масове застосування. Після срібла в таблиці йде мідь: 1 м мідного дроту перетином 1 мм² має опір 0,0175 Ом. Щоб отримати опір 1 Ом, потрібно взяти 57 м такого дроту.

Хімічно чиста, отримана шляхом рафінування, мідь знайшла повсюдне застосування в електротехніці для виготовлення дротів, кабелів, обмоток електричних машин та апаратів. Широко застосовують також як провідники і залізо.

Опір провідника можна визначити за такою формулою:

де r- Опір провідника в омах; ρ – питомий опір провідника; l- Довжина провідника в м; S- Переріз провідника в мм².

приклад 1.Визначити опір 200 м залізного дроту 5 мм².

приклад 2.Обчислити опір 2 км. алюмінієвого дроту перетином 2,5 мм².

З формули опору легко можна визначити довжину, питомий опір та переріз провідника.

Приклад 3.Для радіоприймача необхідно намотати опір у 30 Ом із нікелінового дроту перетином 0,21 мм². Визначити необхідну довжину дроту.

Приклад 4.Визначити переріз 20 м ніхромового дроту, якщо опір його дорівнює 25 Ом.

Приклад 5.Дріт перетином 0,5 мм і довжиною 40 м має опір 16 Ом. Визначити матеріал дроту.

Матеріал провідника характеризує його питомий опір.

По таблиці питомих опорів знаходимо, що такий опор має .

Вище було зазначено, що опір провідників залежить від температури. Зробимо наступний досвід. Намотаємо у вигляді спіралі кілька метрів тонкого металевого дроту та включимо цю спіраль у ланцюг акумулятора. Для вимірювання струму в ланцюг вмикаємо амперметр. При нагріванні спіралі в полум'ї пальника можна побачити, що показання амперметра зменшуватимуться. Це показує, що з нагріванням опір металевого дроту збільшується.

У деяких металів при нагріванні на 100 ° опір збільшується на 40 - 50%. Є метали, які трохи змінюють свій опір з нагріванням. Деякі спеціальні метали практично не змінюють опору при зміні температури. Опір при підвищенні температури збільшується, опір електролітів (рідких провідників), вугілля та деяких твердих речовиннавпаки, зменшується.

Здатність металів змінювати свій опір із зміною температури використовується для влаштування термометрів опору. Такий термометр є платиновим дрітом, намотаним на слюдяний каркас. Поміщаючи термометр, наприклад, у піч і вимірюючи опір платинового дроту до і після нагрівання, можна визначити температуру печі.

Зміна опору провідника при його нагріванні, що припадає на 1 Ом початкового опору та на 1° температури, називається температурним коефіцієнтом опорута позначається буквою α.

Якщо за температури t 0 опір провідника дорівнює r 0 , а при температурі tодно r t, то температурний коефіцієнт опору

Примітка.Розрахунок за цією формулою можна проводити лише у певному інтервалі температур (приблизно до 200°C).

Наводимо значення температурного коефіцієнтаопору для деяких металів (таблиця 2).

Таблиця 2

Значення температурного коефіцієнта для деяких металів

З формули температурного коефіцієнта опору визначимо r t:

r t = r 0 .

Приклад 6.Визначити опір залізного дроту, нагрітого до 200°C, якщо опір його при 0°C був 100 Ом.

r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Приклад 7.Термометр опору, виготовлений із платинового дроту, у приміщенні з температурою 15°C мав опір 20 Ом. Термометр помістили в піч і через деякий час виміряли його опір. Воно виявилося рівним 29,6 Ом. Визначити температуру печі.

Електрична провідність

Досі ми розглядали опір провідника як перешкоду, яку чинить провідник електричного струму. Але все ж таки струм по провіднику проходить. Отже, крім опору (перешкоди), провідник має також здатність проводити електричний струм, тобто провідністю.

Чим більший опір має провідник, тим меншу він має провідність, тим гірше він проводить електричний струм, і, навпаки, чим менше опір провідника, тим більшою провідністю він володіє, тим легше току пройти по провіднику. Тому опір і провідність провідника є зворотні.

З математики відомо, що число, обернене 5, є 1/5 і, навпаки, число, обернене 1/7, є 7. Отже, якщо опір провідника позначається буквою r, то провідність визначається як 1/ r. Зазвичай провідність позначається літерою g.

Електрична провідність вимірюється в (1/Ом) або сименсах.

Приклад 8.Опір провідника дорівнює 20 Ом. Визначити його провідність.

Якщо r= 20 Ом, то

Приклад 9.Провідність провідника дорівнює 0,1 (1/Ом). Визначити його опір,

Якщо g = 0,1 (1/Ом), то r= 1/0,1 = 10 (Ом)

Конвертер довжини і 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 Конвертер ліній 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 кутовий швидкостіта частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискоренняКонвертер щільності Конвертер питомого об'єму Конвертер моменту інерції Конвертер моменту сили Конвертер питомої теплоти Конвертер тепла Конвертер тепла Конвертер енергетичної експозиції та потужності теплового випромінювання Конвертер щільності теплового потоку 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 вязко) поверхневого натягуКонвертер паропроникності Конвертер щільності потоку водяної пари Конвертер рівня звуку Конвертер 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 Конвертер частот і фокусна відстань Оптична сила в діоптріях і збільшення лінзи (×) Конвертер електричного заряду Конвертер електричної заряду Конвертер лінійної щільності струму Конвертер лінійної щільності струму опору Конвертер питомого електричного опору Конвертер електричної провідності Конвертер питомої електричної провідності сти Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін. одиницях Конвертер магніторушійної сили магнітного поляКонвертер 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 приставокПередача 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

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 мікросіменс на сантиметр умовний одиниця електропровод. 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

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 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 із 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, обернена до 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 вимірювання

Питома провідність водних розчинів, У яких електричний струм виникає в результаті руху заряджених іонів, визначається кількістю носіїв заряду (концентрацією речовини в 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 кількості 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 у 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 використовують вимірювач опору (омметр) або 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 легко: це пара (або дві пари) електродів, занурених у електроліт. Датчики для вимірювання питомої провідності постійної датчика питомої провідності, яка у найпростішому випадку визначається як відношення відстані між електродами Dдо площі (електрода), 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, що розсунуті на відносно велику 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. Постійний датчик для вимірювання питомої електричної провідності різних пристроїв знаходиться в межах 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- Проводимість 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 виміряними 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 відношенням 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 у 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 вимірюванні 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 у 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-виготовлювачі, проте в процесі експлуатації часто потрібне повторне калібрування, оскільки постійне вимірювального осередку (датчика) змінюється з часом. Наприклад, вона може змінитися при забрудненні датчиків або фізико-хімічних змін електродів.

У традиційному двоелектродному вимірнику питомої провідності (саме такий ми будемо використовувати в нашому експерименті) між двома електродами прикладено змінну напругу і вимірюється струм, що протікає між електродами. Цей простий метод має один недолік – вимірюється не тільки опір розчину, але й опір, спричинений 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 в різних формах: іонізованої, молекулярної (розчиненої), колоїдної та у вигляді суспензії (нерозчиненої) До розчинених речовин належать будь-які неорганічні солі. Головним чином, це хлориди, бікарбонати та сульфати кальцію, калію, магнію, натрію, а також деякі органічні речовини, Розчинені у воді. Щоб відноситися до загальної мінералізації, речовини повинні бути або розчиненими, або у формі дуже дрібних частинок, які проходять крізь фільтри з діаметром пор 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, та вимірювання питомої провідності. Перший метод – найточніший, але потребує великих витрат часу та наявності лабораторного обладнання, тому що воду потрібно випарувати до отримання сухого залишку. Зазвичай це робиться за температури 180°C в 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, 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 прямо залежить 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 отримання вимірювань, незалежних від температури, використовується концепція стандартної (опорної) температури, на яку наводяться результати вимірювання. 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 потрібна дуже висока точність, зразок можна помістити в термостат, потім відкалібрувати вимірювальний пристрійпри тій же температурі, яка використовуватиметься при вимірюваннях.

Більшість сучасних вимірників питомої провідності забезпечені вбудованим датчиком температури, який використовується як для температурної корекції, так вимірювання температури. Найдосконаліші прилади здатні вимірювати та відображати виміряні значення в одиницях питомої провідності, питомого опору, солоності, загальної мінералізації та концентрації. Однак ще раз зазначимо, 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 кондуктомера) 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 зазначити, що прилад реально вимірює не саму мінералізацію, а опір між двома дротяними електродами і 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-виготовлювачі за допомогою розчину натрію хлориду NaCl з концентрацією 342 ppm (частин 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 від відсотків, є зручними 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 для калібрування і перерахунку в 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 та 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 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.

Вимірювання опору між двома електродами, виготовленими з того ж матеріалу і з тими ж розмірами, що електроди TDS-3; мультиметр показує 2,5 КОМ

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

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 з наведеними 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.