Condutividade elétrica de substâncias

Neste artigo, vamos revelar o tema da condutividade elétrica, vamos relembrar o que é corrente elétrica, como ela se relaciona com a resistência de um condutor e, consequentemente, com sua condutividade elétrica. Vamos observar as principais fórmulas para calcular essas quantidades, tocando no tópico velocidade atual e sua relação com a força do campo elétrico. Também abordaremos a relação entre resistência elétrica e temperatura.

Para começar, vamos relembrar o que é corrente elétrica. Se você colocar uma substância em um campo elétrico externo, sob a ação das forças desse campo, o movimento dos portadores de carga elementar - íons ou elétrons - começará na substância. Será um choque elétrico. A corrente I é medida em amperes, e um ampere é a corrente na qual uma carga igual a um coulomb flui através da seção transversal do fio por segundo.

A corrente é direta, alternada, pulsante.A corrente contínua não muda sua magnitude e direção em um determinado momento, a corrente alternada muda sua magnitude e direção ao longo do tempo (geradores e transformadores CA fornecem exatamente a corrente alternada), a corrente pulsante muda sua magnitude, mas não muda de direção (por exemplo, corrente alternada retificada) . os pulsos de corrente).

As substâncias tendem a conduzir corrente elétrica sob a ação de um campo elétrico, e essa propriedade é chamada de condutividade elétrica, que é diferente para diferentes substâncias. A condutividade elétrica das substâncias depende da concentração de partículas carregadas livres nelas, ou seja, íons e elétrons que não estão ligados nem com a estrutura cristalina, nem com as moléculas, nem com os átomos da substância dada. Assim, dependendo da concentração de portadores de carga livres em uma determinada substância, as substâncias são divididas por grau de condutividade elétrica em: condutores, dielétricos e semicondutores.

Tem a maior condutividade elétrica fios de corrente elétrica, e por natureza física os condutores na natureza são representados por dois tipos: metais e eletrólitos. Nos metais, a corrente se deve ao movimento de elétrons livres, ou seja, eles têm condutividade eletrônica, e nos eletrólitos (em soluções de ácidos, sais, bases) - do movimento de íons - partes de moléculas que possuem um positivo e carga negativa, ou seja, a condutividade dos eletrólitos é iônica. Vapores e gases ionizados são caracterizados por condutividade mista, onde a corrente é devida ao movimento de elétrons e íons.

A teoria do elétron explica perfeitamente a alta condutividade elétrica dos metais.A ligação dos elétrons de valência com seus núcleos nos metais é fraca, de modo que esses elétrons se movem livremente de átomo para átomo ao longo do volume do condutor.

Acontece que os elétrons livres nos metais preenchem o espaço entre os átomos como um gás, um gás de elétrons, e estão em movimento caótico. Mas quando um fio de metal é introduzido em um campo elétrico, os elétrons livres se moverão de maneira ordenada, eles se moverão em direção ao pólo positivo, criando uma corrente. Assim, o movimento ordenado de elétrons livres em um condutor metálico é chamado de corrente elétrica.

Sabe-se que a velocidade de propagação de um campo elétrico no espaço é aproximadamente igual a 300.000.000 m/s, ou seja, a velocidade da luz. Esta é a mesma velocidade com que a corrente flui através de um fio.

O que isso significa? Isso não significa que todos os elétrons do metal se movem a uma velocidade tão grande, mas os elétrons de um fio, ao contrário, têm uma velocidade de alguns milímetros por segundo a alguns centímetros por segundo, dependendo força do campo elétrico, mas a velocidade de propagação da corrente elétrica ao longo de um fio é exatamente igual à velocidade da luz.

O fato é que cada elétron livre acaba por estar no fluxo geral de elétrons desse mesmo "gás de elétrons" e, durante a passagem da corrente, o campo elétrico atua em todo esse fluxo, pelo que os elétrons transmitem constantemente esta ação de campo entre si - de vizinho para vizinho.

Mas os elétrons se movem para seus lugares muito lentamente, apesar do fato de que a velocidade de propagação da energia elétrica ao longo do fio é enorme.Assim, quando o interruptor é ligado na usina, a corrente imediatamente surge em toda a rede e os elétrons praticamente ficam parados.

No entanto, quando os elétrons livres se movem ao longo de um fio, eles experimentam muitas colisões em seu caminho, colidem com átomos, íons, moléculas, transferindo parte de sua energia para eles. A energia dos elétrons em movimento que superam essa resistência é parcialmente dissipada na forma de calor e o condutor se aquece.

Essas colisões servem como resistência ao movimento dos elétrons, razão pela qual a propriedade de um condutor de impedir o movimento de partículas carregadas é chamada de resistência elétrica. Com uma baixa resistência do fio, o fio é ligeiramente aquecido pela corrente, com uma significativa - muito mais forte e até branca, esse efeito é usado em aparelhos de aquecimento e lâmpadas incandescentes.

A unidade de mudança de resistência é Ohm. Resistência R = 1 ohm é a resistência de tal fio, quando uma corrente contínua de 1 ampere passa por ele, a diferença de potencial nas pontas do fio é de 1 volt. O padrão de resistência em 1 Ohm é uma coluna de mercúrio de 1063 mm de altura, seção transversal de 1 sq. Mm a uma temperatura de 0 ° C.

Como os fios são caracterizados pela resistência elétrica, podemos dizer que até certo ponto o fio é capaz de conduzir corrente elétrica. Nesta conexão, um valor chamado condutividade ou condutividade elétrica é introduzido. A condutividade elétrica é a capacidade de um condutor de conduzir uma corrente elétrica, ou seja, o recíproco da resistência elétrica.

A unidade de condutividade elétrica G (condutividade) é Siemens (S) e 1 S = 1 / (1 Ohm). G = 1 / R.

Como os átomos de diferentes substâncias interferem na passagem da corrente elétrica em diferentes graus, a resistência elétrica de diferentes substâncias é diferente. Por esta razão, o conceito foi introduzido resistência elétrica, cujo valor «p» caracteriza as propriedades condutoras desta ou daquela substância.

A resistência elétrica específica é medida em Ohm * m, ou seja, a resistência de um cubo de substância com 1 metro de aresta. Da mesma forma, a condutividade elétrica de uma substância é caracterizada pela condutividade elétrica específica ?, medida em S/m, ou seja, a condutividade de um cubo de substância com aresta de 1 metro.

Hoje, os materiais condutores na engenharia elétrica são usados ​​\u200b\u200bprincipalmente na forma de fitas, pneus, fios, com uma certa área de seção transversal e um certo comprimento, mas não na forma de cubos de um metro. E para cálculos mais convenientes de resistência elétrica e condutividade elétrica de fios de tamanhos específicos, foram introduzidas unidades de medida mais aceitáveis ​​para resistência elétrica e condutividade elétrica. Ohm * mm2 / m — para resistência e Cm * m / mm2 — para condutividade elétrica.

Agora podemos dizer que a resistência elétrica e a condutividade elétrica caracterizam as propriedades condutoras de um fio com área de seção transversal de 1 m2, 1 metro de comprimento a uma temperatura de 20 ° C, é mais conveniente.

Metais como ouro, cobre, prata, cromo e alumínio têm a melhor condutividade elétrica. Aço e ferro são menos condutores. Os metais puros sempre têm melhor condutividade elétrica do que suas ligas, então o cobre puro é preferido na engenharia elétrica.Se você precisar de uma resistência especialmente alta, use tungstênio, nicromo e constantan.

Conhecendo o valor da resistência elétrica específica ou condutividade elétrica, pode-se facilmente calcular a resistência ou condutividade elétrica de um determinado fio feito de um determinado material, levando em consideração o comprimento l e a área da seção transversal S desse fio.

A condutividade elétrica e a resistência elétrica de todos os materiais dependem da temperatura, porque a frequência e a amplitude das vibrações térmicas dos átomos da rede cristalina também aumentam com o aumento da temperatura, a resistência à corrente elétrica e o fluxo de elétrons também aumentam proporcionalmente.

À medida que a temperatura diminui, pelo contrário, as vibrações dos átomos da rede cristalina tornam-se menores, a resistência diminui (aumenta a condutividade elétrica). Em algumas substâncias, a dependência da resistência da temperatura é menos pronunciada, em outras é mais forte. Por exemplo, ligas como constantan, fechral e manganina alteram ligeiramente a resistência em uma determinada faixa de temperatura, e é por isso que os resistores termoestáveis ​​​​são feitos delas.

Coeficiente de temperatura de resistência? permite calcular para um material específico o aumento de sua resistência a uma determinada temperatura e caracteriza numericamente o aumento relativo da resistência com um aumento de temperatura de 1 ° C.

Conhecendo o coeficiente de resistência de temperatura e o aumento de temperatura, é fácil calcular a resistência de uma substância a uma determinada temperatura.

Esperamos que nosso artigo tenha sido útil para você e agora você pode calcular facilmente a resistência e a condutividade de qualquer fio em qualquer temperatura.