- Загальні відомості
- Визначення та одиниці виміру електричної провідності
- фізика явищ
- електропровідність металів
- електропровідність напівпровідників
- електропровідність електролітів
- електропровідність газів
- Електропровідність в біології
- надпровідність
Загальні відомості
Визначення та одиниці виміру електричної провідності
фізика явищ
електропровідність металів
електропровідність напівпровідників
електропровідність електролітів
електропровідність газів
Електропровідність в біології
надпровідність
Загальні відомості
Якщо термін «електрична провідність» знаком, в основному, фахівцям з фізики та електротехніки, то про надпровідниках, стараннями журналістів, чув майже кожен. Поряд з освоєнням термоядерної енергії, створення надпровідних матеріалів, які 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 поліпшення екології навколишнього середовища через зниження рівня викидів шкідливих продуктів горіння вугілля, мазуту і газу тепловими електростанціями, і припинення марного підігріву атмосфери Землі, і скорочення викидів парникових газів.
Крім цього, впровадження надпровідників в різні галузі промисловості і транспорту, призвело б до нової технічної революції, плодами якої могло б користуватися все населення Землі. Всі 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 б реальністю.
Виходячи з цього, зрозумілий інтерес до проблеми надпровідності з боку вчених і інженерів усього світу, і вже з'являються перші матеріали, здатні реалізувати практичну надпровідність. Головним напрямком зусиль дослідників стали останнім часом графен і графеноподобние матеріали, які є по суті справи двовимірними структурами з унікальною провідністю.
Ернст Вернер фон Сіменс
Визначення та одиниці виміру електричної провідності
Електричну провідність називається здатність матеріалу пропускати через себе електричний струм. Електрична провідність або, інакше, електропровідність є зворотною величиною по відношенню до опору. Позначається провідність буквою G.
В системі СІ електропровідність вимірюється в Сіменса (1 См = 1 Ом⁻¹). У гаусом системі і в СГСЕ використовують статсіменс, а СГСМ - абсіменс.
Провідність, нарівні з опором, грає велику роль в електротехніці та інших технічних науках. Її фізичний зміст інтуїтивно зрозумілий з її гідравлічного аналога - все розуміють, що у широкого шланга опір потоку води нижче, і, відповідно, він краще пропускає воду, ніж тонкий. Також і з електропровідністю - матерія з більш низьким опором краще проводить електрику.
Одиниця електропровідності названа на честь відомого німецького інженера, винахідника, вченого і промисловця - засновника фірми Siemens - Ернста Вернера фон Сіменса (Werner Ernst von Siemens). Між іншим, 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 ² при температурі 0 ° С.
Холодне скло є діелектриком, однак, якщо його нагріти, воно непогано проводить електричний струм
фізика явищ
Сама по собі електропровідність будь-якого матеріалу визначається, перш за все, його фізичним станом: речовина може бути твердим, рідким або газоподібним. Існує також четвертий стан речовини, зване плазмою, з якого складаються верхні шари нашого Сонця.
При розгляді явищ електропровідності в твердих тілах не обійтися без сучасних уявлень фізики твердого тіла і зонної теорії провідності. З точки зору структури тверді тіла поділяються на кристалічні і аморфні.
Кристалічні речовини мають впорядковану геометричну структуру; атоми або молекули речовини утворюють своєрідну об'ємну або плоску решітку; до таких матеріалів відносяться метали, їх сплави і напівпровідники. Аморфні речовини кристалічної решітки не мають.
З валентних електронів атомів всередині кристала утворюються асоціації електронів, які не належать конкретному атому. Точно так же, як стану електронів в ізольованому атомі обмежені дискретними енергетичними рівнями, стану електронів в твердому тілі обмежені дискретними енергетичними зонами. Ці зони називаються валентними або заповненими зонами. Крім валентної зони, кристал має зону провідності, яка розташована, як правило, вище валентної. Ці дві зони в діелектриках і напівпровідниках розділені забороненою зоною, т. Е. Енергетичній зоною, в якій не може перебувати жоден електрон.
Діелектрики, напівпровідники і метали з точки зору зонної теорії розрізняються тільки шириною забороненої зони. Діелектрики мають найширшу заборонену зону, іноді досягає 15 еВ. При температурі абсолютного нуля електронів в зоні провідності немає, але при кімнатній температурі в ній вже буде деяка кількість електронів, вибитих з валентної зони за рахунок теплової енергії. У провідниках (металах) зона провідності і валентна зона перекриваються, тому при температурі абсолютного нуля в цій перекритою зоні є досить велика кількість електронів провідності, які можуть рухатися і утворювати струм. Напівпровідники мають невеликі заборонені зони, і їх електропровідність сильно залежить від температури та інших факторів, а також наявність домішок.
електропровідність металів
Мідь має високу електропровідність, рівній 56 МСМ / м при 20 ° С
Ще задовго до відкриття електронів було експериментально показано, що проходження струму в металах не пов'язане, на відміну від струму в рідких електролітах, з перенесенням речовини. Витончений по своїй простоті експеримент, який виконав німецький фізик Карл Віктор Едуард Рикке (Carl Viktor Eduard Riecke) в 1901 році, переконливо довів, що носіями струму в металах є якась 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 пристрої атома, що складається з позитивного ядра, що включає в себе частинки, які ми зараз називаємо нуклонами - це протони і нейтрони - і зовнішніх оболонок з негативно заряджених електронів. Цією теорією досі користуються фізики, правда, несучи в неї деякі корективи.
Провідність металів обумовлена наявністю великого числа валентних електронів з зовнішніх оболонок атомів металів, які не належать конкретному атому, але стають надбанням всього ансамблю атомів зразка. Цілком природно, що атоми металів, які мають на зовнішній оболонці більше число 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.
Завдяки особливостям електропровідності, напівпровідники широко застосовуються для створення підсилюючих і ключових елементів сучасної електроніки
електропровідність напівпровідників
Електропровідність власне напівпровідників носить електронний характер і сильно залежить від домішок. Технічне використання цієї властивості знайшло застосування в створенні підсилюючих і ключових елементів сучасної електроніки. Характерними напівпровідниками є чотиривалентність германій (Ge) і 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), в напівпровіднику утворюється надлишок валентних електронів, які стають загальним надбанням зразка напівпровідника, в цьому випадку говорять про провідності n-типу. Якщо до напівпровідника додається тривалентний індій (In), то утворюється недолік валентних електронів, в цьому випадку говорять про «доречний» провідності р-типу.
Електропровідність напівпровідників сильно залежить від додатка зовнішніх факторів, як-то: електричного або магнітного поля, освітлення світлом різної інтенсивності і спектру або впливу різного роду опромінень аж до гамма-квантів. Слово «кванти» в англійській термінології не використовується. Це властивість легованих напівпровідників знайшло широке застосування в сучасних технологіях. Унікальною властивістю односторонньої провідності має поєднання напівпровідників з різними видами провідності, так званий pn перехід, який став основою сучасної електроніки.
електропровідність електролітів
Електропровідність електролітів - це здатність розчинів речовин проводити електричний струм при додатку електричної напруги. Носіями струму в них є позитивно і негативно заряджені іони - катіони і аніони, які існують в розчині внаслідок електролітичноїдисоціації. Іонна електропровідність електролітів, на відміну від електронної, характерною 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 в протилежних напрямках. Вона пов'язана з рухливістю іонів - характеристикою, що залежить від розмірів і заряду наявних катіонів та аніонів. Як було доведено, унікальна рухливість іонів води - атома водню катіона Н + і аніона гідроксильної групи ОН, обумовлена будовою води, що утворює асоціації молекул з певним зарядом. Механізм передачі заряду в таких асоціаціях називається крокетний і нагадує по своїй суті механізм передачі енергії в більярді - коли ви наносите удар битком в серію послідовно стоять куль, з цієї асоціації вилітає останній дальній куля.
Електропровідність води, цього самого універсального розчинника на Землі, сильно залежить від домішок, що розчиняються речовин, 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 виникають легенди про живу і мертву воді).
Кількісно електропровідність електролітів характеризують еквівалентної електропровідністю - провідної здатністю всіх іонів, що утворюються в 1 грам-еквіваленті електроліту.
Тліючий розряд в цій плазмової лампі формується при низькому тиску газу завдяки його іонізації
електропровідність газів
Електропровідність газів обумовлена наявністю в них вільних електронів та іонів, тому і називається електронно-іонної провідністю. Для газів, в силу їх розрідженості, характерна велика довжина пробігу до зіткнення молекул і іонів; через це їх електропровідність в нормальних умовах невисока. Те ж саме можна стверджувати щодо сумішей газів. Природного сумішшю газів є атмосферне повітря, який в електротехніці вважається хорошим ізолятором. Електропровідність газів дуже сильно залежить від різних фізичних факторів, як-то: тиску, температури, складу суміші. Крім цього, дія надають різного роду іонізуючі випромінювання. Так, наприклад, будучи освітленими ультрафіолетовими або рентгенівськими променями, або перебуваючи під дією часток, що випускаються радіоактивними речовинами, або, нарешті, під дією високої температури, гази набувають властивість проводити електричний струм.
При високій напрузі повітря іонізується і стає провідником
Цей процес носить назву іонізації. Механізми її між діями: у верхніх шарах атмосфери Землі переважає фотохимическая іонізація за рахунок захоплення нейтральній молекулою фотона ультрафіолетового випромінювання або кванта рентгенівського випромінювання, з випусканням негативного електрона і перетворенням молекули в позитивно заряджений іон. У свою чергу, вільний електрон, приєднуючись до нейтральної молекулі, перетворює її в негативно заряджений іон. У нижніх шарах атмосфери переважає ударна іонізація за рахунок зіткнення молекул газу з корпускулярним частинками сонячного і космічного випромінювання.
Необхідно зауважити, що число позитивних і негативних іонів в атмосферному повітрі при звичайних умовах дуже малó в порівнянні з повним числом його молекул. В 1 кубічному сантиметрі газу при звичайних умовах тиску і температури міститься близько 30 * 10¹⁸ молекул. У той же час в тому ж обсязі кількість іонів обох типів одно в середньому 800-1000. Це кількість іонів варіює в повній відповідності з порою року і часу доби, залежить від геологічних, топографічних і метеорологічних умов і від погоди: так, наприклад, влітку число іонів значно більше, ніж взимку, в ясну і суху погоду більше, ніж в дощову і хмарну, при тумані іонізація приземної атмосфери зводиться практично до нуля.
Електропровідність в біології
Знання електропровідності біологічних об'єктів дає в руки біологів і медиків потужний метод дослідження, діагностики та навіть лікування. З огляду на ту обставину, що земне життя зародилася в морській воді, по суті справи є електролітом, всі біологічні об'єкти в тій чи іншій мірі з точки зору електрохімії є електроліт, незалежно від особливостей структури даного об'єкта.
Але, при розгляді протікання струму через біологічні об'єкти, треба враховувати їх клітинну будову, істотним елементом якого є клітинна мембрана - зовнішня оболонка, що захищає клітину від впливу несприятливих факторів навколишнього середовища за рахунок властивостей селективності. За своїми фізичними властивостями клітинна мембрана являє собою паралельне з'єднання конденсатора і опору, що зумовлює залежність електропровідності біологічного матеріалу від частоти прикладеної напруги і форми його коливань.
Клітинна мембрана захищає клітину від впливу несприятливих факторів навколишнього середовища за рахунок властивостей селективності.
У загальному випадку, біологічна тканина являє собою конгломерат з клітин власне органу, міжклітинної рідини (лімфи), кровоносних судин і нервових клітин. Оскільки останні у відповідь на вплив електричного струму відповідають збудженням, протікання струму в біологічної тканини, а значить і її електропровідність носить нелінійний характер.
При низьких частотах впливає струму (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 тканини між електродами.
Знання характерних значень питомої електропровідності біологічних тканин і характеристик клітинних мембран дозволяє створювати пристрої об'єктивного контролю процесів, що відбуваються в клітинах організму. Ця інформація також допомагає при діагностиці захворювань, і створення пристроїв, застосовуваних для лікування (електрофорез).
На жаль, швидкість протікання електрохімічних реакцій невисока, тому миухитряється отримати опік раніше, ніж отдёрнем 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 становить сотні мілісекунд. Саме тому служби управління рухом забороняють нам сідати за кермо в стані алкогольного або наркотичного сп'яніння, через додаткового зниження швидкості реакції.
надпровідність
Відкрите Камерлинг-Онессом в 1911 році явище надпровідності (нульового опору протіканню струму) для ртуті, охолодженої до -270 градусів Цельсія, зробило переворот у поглядах фізиків, звернувши їхню увагу на квантові процеси, що зумовлюють такий стан речовини.
З тих пір Вчені почали перегони температур, піднімаючі планку надпровідності Речовини все вищє и вищє. Розроблені ними з'єднання, сплави і кераміки (фторированная HgBa2Ca2Cu3O8 + δ або Hg-1223) підняли температуру надпровідності до 138 кельвінів, що ненабагато нижче мінімальної температури на Землі. Останньою чарівною паличкою, що дозволяє досягти вікової мрії, стали нові матеріали з фантастичними властивостями - графен і графеноподобние матеріали.
Потреби людства в електроенергії можна забезпечити за допомогою сонячних батарей, встановлених на площі всього в 300 кв. км (1), а всієї Європи - всього лише на площі в 50 кв. км (2) в пустелі Сахара.
У першому наближенні (досить грубому) надпровідність металів може бути пояснена відсутністю коливань атомів кристалічної решітки, що зменшує ймовірність зіткнень з ними електронів.
Зупинимося на кількох аспектах практичного застосування надпровідності. Перша комерційна надпровідна лінія електропередачі була запущена в експлуатацію фірмою American Superconductor на Лонг-Айленді в Нью-Йорку в кінці червня 2008 року. Південнокорейська компанія LS Cable збирається створити в Сеулі та інших містах надпровідні лінії електропередач із загальною довжиною надпровідного кабелю в 3000 км. А трифазний концентричний кабель на 10 000 вольт проекту AmpaCity, розроблений і впроваджений в 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 охолоджуючу сорочку. Проект запущений в роботу в м Ессен, Німеччина в 2014 році.
Також заслуговує на увагу проект транспортування електроенергії (і водню) з пустелі Сахара. За оцінками фахівців, існуючі технології здатні забезпечити потреби всього людства всього лише 300-ми квадратними кілометрами сонячних батарей, розміщеними в пустелі Сахара. А для потреб всієї Європи потрібно тільки 50 квадратних кілометрів. Але питання впирається в транспортування цієї енергії. Через втрат на передачу піде 100% всієї виробленої енергії. Було запропоновано досить оригінальний спосіб передачі її без втрат через трубки з диборида магнію (MgB₂), що охолоджуються зсередини потоком рідкого водню. В результаті маємо передачу електроенергії через надпровідник без втрат плюс екологічно чисте паливо - водень, який виготовляється на місці.
І, крім того, використання сонячної енергії для виробництва електроенергії і водню таким способом, не порушуватиме екологічного та теплового балансу Землі, що не властиво сучасним способам отримання електроенергії за рахунок викопного палива, будь то нафту або газ чи вугілля. Адже їх використання означає введення в атмосферу додаткової сонячної енергії, раніше акумульованої самою природою в цих джерелах.
Окремим питанням застосування надпровідності на практиці є застосування магнітної левітації для наземного транспорту (поїзди на магнітній подушці). Дослідження показали, що цей вид транспорту буде в три рази ефективніше автомобільного транспорту і в п'ять разів ефективніше літаків.
література
Автор статті: Sergey Akishkin
Ві маєте Труднощі в перекладі одиниці віміру з однієї мови на іншу? Колеги Готові вам помочь. Опублікуйте питання в TCTerms и в течение декількох хвилин ви отрімаєте відповідь.