Проводимость что. Электронная проводимость металлов

|
электрическая проводимость, удельная электрическая проводимость
Электри́ческая проводи́мость (электропроводность, проводимость) - способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс (русское обозначение: См ; международное: S ), определяемый как 1 См = 1 Ом-1, то есть, как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

• 1 Удельная проводимость
  • 1.1 Связь с коэффициентом теплопроводности
• 2 Электропроводность металлов
  • 2.1 Опыты Толмена и Стюарта
• 3 Удельная проводимость некоторых веществ
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература

Удельная проводимость

Удельной проводимостью (удельной электропроводностью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

• - удельная проводимость,
• - вектор плотности тока,
• - вектор напряжённости электрического поля.

В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, то есть не совпадает в различных точках проводника.

Удельная проводимость анизотропных (в отличие от изотропных) сред является, вообще говоря, не скаляром, а тензором (симметричным тензором ранга 2), и умножение на него сводится к матричному умножению:

при этом векторы плотности тока и напряжённости поля в общем случае не коллинеарны.

Для любой линейной среды можно выбрать локально (а если среда однородная, то и глобально) т. н. собственный базис - ортогональную систему декартовых координат, в которых матрица становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент отличными от нуля являются лишь три: , и. этом случае, обозначив как, вместо предыдущей формулы получаем более простую

Величины называют главными значениями тензора удельной проводимости. общем случае приведённое соотношение выполняется только в одной системе координат.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Вообще говоря, линейное соотношение, написанное выше (как скалярное, так и тензорное), верно в лучшем случае приближённо, причём приближение это хорошо только для сравнительно малых величин E. Впрочем, и при таких величинах E, когда отклонения от линейности заметны, удельная электропроводность может сохранять свою роль в качестве коэффициента при линейном члене разложения, тогда как другие, старшие, члены разложения дадут поправки, обеспечивающие хорошую точность. случае нелинейной зависимости J от E вводится дифференциальная удельная электропроводность (для анизотропных сред:).

Электрическая проводимость G проводника длиной L с площадью поперечного сечения S может быть выражена через удельную проводимость вещества, из которого сделан проводник, следующей формулой:

В системе СИ удельная электропроводность измеряется в сименсах на метр (См/м) или в Ом−1·м−1. СГСЭ единицей удельной электропроводности является обратная секунда (с−1).

Связь с коэффициентом теплопроводности

Закон Видемана - Франца, выполняющийся для металлов при высоких температурах, устанавливает однозначную связь удельной электрической проводимости с коэффициентом теплопроводности K:

где k - постоянная Больцмана, e - элементарный заряд. Эта связь основана на том факте, что как электропроводность, так и теплопроводность в металлах обусловлены движением свободных электронов проводимости.

Электропроводность металлов

Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, - двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года, пропускался постоянный электрический ток. После этого исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Эти опыты показали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Опыты Толмена и Стюарта

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обуславливается движением электронов, были опыты Ричарда Ч. Толмена и Томаса Д. Стюарта, проведённые в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что линейное ускорение катушки при торможении направлено вдоль проводов. При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции - направленная противоположно ускорению (- масса электрона). Под её действием электрон ведёт себя в металле так, как если бы на него действовало некоторое эффективное электрическое поле:

Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов, равна

где L - длина провода на катушке.

Введём обозначения: I - сила тока, протекающего по замкнутой цепи, R - сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки и проводов внешней цепи и гальванометра. Запишем закон Ома в виде:

Количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за время dt при силе тока I, равно

Тогда за время торможения через гальванометр пройдёт заряд

Значение Q находится по показаниям гальванометра, а значения L, R, v0 известны, что позволяет найти значение Эксперименты показывают, что соответствует отношению заряда электрона к его массе. Тем самым доказано, что наблюдаемый с помощью гальванометра ток обусловлен движением электронов.

Удельная проводимость некоторых веществ

Удельная проводимость приведена при температуре +20 °C:

См. также

• Адмиттанс
• Зонная теория
• Эффект Холла
• Сверхпроводимость
• Отрицательная абсолютная проводимость

Примечания

1. Электропроводность (физич.) - статья из Большой советской энциклопедии
2. Деньгуб В. М., Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. - М.: Издательство стандартов, 1990. - С. 105. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5.
3. случае совпадения двух из трех собственных чисел, есть произвол в выборе такой системы координат (собственных осей тензора), а именно довольно очевидно, что можно произвольно повернуть её относительно оси с отличающимся собственным числом, и выражение не изменится. Однако это не слишком меняет картину. случае же совпадения всех трех собственных чисел мы имеем дело с изотропной проводимостью, и, как легко видеть, умножение на такой тензор сводится к умножению на скаляр.
4. Для многих сред линейное приближение является достаточно хорошим или даже очень хорошим для достаточно широкого диапазона величин электрического поля, однако существуют среды, для которых это совсем не так уже при весьма малых E.
5. Все точки провода движутся с одинаковым ускорением, поэтому можно выносить за знак интеграла.
6. Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем., М.: Мир, 1982, стр. 475 (табл. 39); значения удельной проводимости вычислены из удельного сопротивления и округлены до 3 значащих цифр.

Литература

• А. Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. (Первое изд. М.: Высшая школа, 1983. 463с.)

удельная электрическая проводимость, электрическая проводимость, электрическая проводимость сахара

Электрическая проводимость Информацию О

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии.

Таким образом, электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическим сопротивлением проводника (оно обозначается латинской буквой r) обусловлено явление преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока по проводнику. На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рис. 18.

За единицу сопротивления принят 1 ом . Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому, вместо того чтобы писать: «Сопротивление проводника равно 15 ом», можно написать просто: r = 15 Ω.

1000 ом называется 1 килоом (1 ком, или 1 к Ω).

1 000 000 ом называется 1 мегом (1 мгом, или 1 MΩ).

Прибор, обладающий переменным электрическим сопротивлением и служащий для изменения тока в цепи, называется реостатом. На схемах реостаты обозначаются, как показано на рис. 18. Как правило, реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток поразному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника тоже оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, константан", никелин и др.) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины проводника, поперечного сечения проводника, материала проводника, температуры проводника.

При сравнении сопротивлений проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Сопротивление (в омах) проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).

Сопротивление проводника можно определить по формуле

где r - сопротивление проводника, ом;

ρ - удельное сопротивление проводника;

l - длина проводника, м;

S - сечение проводника, мм2.

Из указанной формулы получаем размерность для удельного сопротивления

В табл. 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

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 мм 2 . Серебро - лучший проводник, но большая стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм" 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.

Подробная характеристика металлов и сплавов приведена в табл. 2.

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм 2:

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

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

Пример3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм2. Определить необходимую длину проволоки:

Пример 4. Определить сечение нихромовой проволоки длиной 20 Ж, 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.

Ранее 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 включен 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 0 температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α (альфа).

Если при температуре t 0 сопротивление проводника равно r 0 , а при температуре t равно r t , то температурный коэффициент сопротивления

Пусть две ветви электрической цепи включены параллельно, как показано на рис. 1.21. Ток в каждой из них можно найти по закону Ома, если известны их сопротивления и напряжение, к которому они подключены. Что касается общего тока, т. е. тока неразветвленном участке цепи, то он равен сумме токов.

Значит, общий ток можно вычислить так:

Обращаем внимание на то, что напряжение U для обеих ветвей (при параллельном соединении) одинаково.

Подобным же способом можно вычислить общий ток и в том случае, когда имеется не две, а три или большее число параллельных ветвей.

Рис. 1.21. Два параллельно включенных резистора. В неразветвленном участке цепи ток равен сумме токов в параллельных ветвях

Пример 1. Две параллельные ветви с сопротивлениями Ом и Ом подсоединены к напряжению 300 В. Найти общий ток (ток в неразветвленной части цепи).

Решеви е. Общий ток

В тех случаях, когда имеется несколько параллельных ветвей и когда нужно найти общий ток, удобно пользоваться понятием проводимости.

Проводимостью называют величину, обратную сопротивлению:

Проводимость обычно обозначается латинской буквой G:

Единицей проводимости служит единица, обратная ему; ее обозначают Есть и специальная единица проводимости сименс (См).

Если сопротивление какого-нибудь участка цепи равно 100 Ом, то его проводимость равна если сопротивление равно 1/2 Ом, то проводимость равна

Из сказанного видно, что вместо деления напряжения на сопротивление можно умножить его на проводимость. Поэтому

В случае двух параллельных ветвей мы можем теперь так выразить общий ток:

Но тот же результат мы получим, если умножим напряжение (одинаковое для обеих ветвей) на сумму проводимостей:

Все сказанное о двух ветвях относится и к случаю большего числа параллельных ветвей: общий ток равен приложенному напряжению, умноженному на сумму проводимостей всех параллельных ветвей.

Отсюда мы заключаем, что общая проводимость ряда параллельных ветвей равна сумме проводимостей этих ветвей.

Замена параллельных ветвей одной с эквивалентным сопротивлением. Если мы захотим все параллельные ветви заменить одной ветвью с таким сопротивлением, чтобы ток в неразветвленной части цепи не изменился, нам нужно это сопротивление сделать равным единице, деленной на сумму проводимостей всех параллельных ветвей.

Это сопротивление называется сопротивлением, эквивалентным сопротивлению параллельных ветвей.

В случае параллельного соединения

Пример 2. Решим, пользуясь понятием проводимости, задачу, поставленную в предыдущем примере. Две параллельные ветви с сопротивлевиями Ом присоединены к напряжению 300 В.

Найти общий ток.

Решение. Вычисляем проводимости:

проводимость первой ветви

проводимость второй

общая проводимость

Общий ток равен напряжению, умноженному на сумму проводимостей:

Пример 3. К напряжению 240 В параллельно включены две ветви с сопротивлением Ом и Ом. Найти эквивалентное сопротивление и вычислить общий ток.

Эквивалентное сопротивление

Общий ток равен напряжению, деленному на эквивалентное сопротивление:

Ответ нами найден. Проверим его следующим образом:

ток в первой ветви

ток во второй ветви

Их сумма действительно равна найденному выше общему току:

Общее эквивалентное сопротивление ряда параллельных ветвей всегда должно быть меньше сопротивления каждой из этих ветвей. Действительно, ведь подключая новую ветвь, мы создаем новый путь току, увеличиваем проводимость, а сопротивление и проводимость - это величины взаимно обратные.

Отметим два важных частных случая. Если параллельно соединены несколько ветвей с одинаковыми сопротивлениями, то эквивалентное сопротивление такой цепи можно найти, разделив сопротивление одной ветви на число ветвей.

Так, например, при параллельном соединении восьми ламп по 100 Ом сопротивление, эквивалентное сопротивлению восьми ламп, равно

Общее сопротивление двух параллельных ветвей. Если параллельно соединены две (но не больше) ветви с различными сопротивлениями, то эквивалентное им сопротивление (общее сопротивление) равно произведению этих двух сопротивлений, деленному на их сумму:

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально доказана немецким физиком Э.Рикке в 1901 г. Через три плотно прижатых друг к другу отполированных цилиндра - медный, алюминиевый и снова медный - длительное время (в течение года) пропускали электрический ток. Общий заряд, прошедший за это время, был равен 3.5·10 6 Кл. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то массы цилиндров должны были бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.

Результаты опытов показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. В соприкасающихся поверхностях были обнаружены лишь незначительные следы взаимного проникновения металлов, которые не превышали результатов обычной диффузии атомов в твердых телах. Следовательно, свободными носителями заряда в металлах являются не ионы, а такие частицы, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Такими частицами могли быть только электроны.

Прямое и убедительное доказательство справедливости этого предположения было получено в опытах, поставленных в 1913 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси и в 1916 г. Т. Стюартом и Р. Толменом.

На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 1). К концам дисков с помощью скользящих контактов присоединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы будут некоторое время двигаться вдоль проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникнет электрический ток. Ток будет существовать короткое время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т.е. . Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение . Оно оказалось равным 1,8·10 11 Кл/кг. Эта величина совпадает с отношением заряда электрона к его массе, найденным ранее из других опытов.

Таким образом, электрический ток в металлах создается движением отрицательно заряженных частиц электронов. Согласно классической электронной теории проводимости металлов (П. Друде, 1900 г., Х.Лоренц, 1904 г.), металлический проводник можно рассматривать как физическую систему совокупности двух подсистем:

1. свободных электронов с концентрацией ~ 10 28 м -3 и
2. положительно заряженных ионов, колеблющихся около положения равновесия.

Появление свободных электронов в кристалле можно объяснить следующим образом.

При объединении атомов в металлический кристалл слабее всего связанные с ядром атома внешние электроны отрываются от атомов (рис. 2). Поэтому в узлах кристаллической решетки металла располагаются положительные ионы, а в пространстве между ними движутся электроны, не связанные с ядрами своих атомов. Эти электроны называются свободными или электронами проводимости . Они совершают хаотическое движение, подобное движению молекул газа. Поэтому совокупность свободных электронов в металлах называют электронным газом .

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное хаотическое движение свободных электронов накладывается направленное движение под действием сил электрического поля, что и порождает электрический ток. Скорость движения самих электронов в проводнике - несколько долей миллиметра в секунду, однако возникающее в проводнике электрическое поле распространяется по всей длине проводника со скоростью, близкой к скорости света в вакууме (3·10 8 м/с).

Так как электрический ток в металлах образуют свободные электроны, то проводимость металлических проводников называется электронной проводимостью .

Электроны под влиянием постоянной силы, действующей со стороны электрического поля, приобретают определенную скорость упорядоченного движения (ее называют дрейфовой). Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со временем, так как при столкновении с ионами кристаллической решетки электроны передают кинетическую энергию, приобретенную в электрическом поле, кристаллической решетке. В первом приближении можно считать, что на длине свободного пробега (это расстояние, которое электрон проходит между двумя последовательными столкновениями с ионами) электрон движется с ускорением и его дрейфовая скорость линейно возрастает со временем

В момент столкновения электрон передает кинетическую энергию кристаллической решетке. Потом он опять ускоряется, и процесс повторяется. В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля в проводнике и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как , где l - длина проводника.

Известно, что сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц

а значит, согласно предыдущему, сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе классической электронной теории проводимости металлов.

Однако в рамках этой теории возникли трудности. Из теории следовало, что удельное сопротивление должно быть пропорционально корню квадратному из температуры (), между тем, согласно опыту, ~ Т. Кроме того, теплоемкость металлов, согласно этой теории, должна быть значительно больше теплоемкости одноатомных кристаллов. В действительности теплоемкость металлов мало отличается от теплоемкости неметаллических кристаллов. Эти трудности были преодолены только в квантовой теории.

В 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес, изучая изменение электрического сопротивления ртути при низких температурах, обнаружил, что при температуре около 4 К (т.е. при -269°С) удельное сопротивление скачком уменьшается (рис. 3) практически до нуля. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Г. Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.

В дальнейшем было выяснено, что более 25 химических элементов - металлов при очень низких температурах становятся сверхпроводниками. У каждого из них своя критическая температура перехода в состояние с нулевым сопротивлением. Самое низкое значение ее у вольфрама - 0,012К, самое высокое у ниобия - 9К.

Сверхпроводимость наблюдается не только у чистых металлов, но и у многих химических соединений и сплавов. При этом сами элементы, входящие в состав сверхпроводящего соединения, могут и не являться сверхпроводниками. Например, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSb и другие.

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами:

1. электрический ток в сверхпроводнике может существовать длительное время без источника тока;
2. внутри вещества в сверхпроводящем состоянии нельзя создать магнитное поле:
3. магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Сверхпроводимость - явление, объясняемое с точки зрения квантовой теории. Достаточно сложное его описание выходит за рамки школьного курса физики.

Широкому применению сверхпроводимости до недавнего времени препятствовали трудности, связанные с необходимостью охлаждения до сверхнизких температур, для чего использовался жидкий гелий. Тем не менее, несмотря на сложность оборудования, дефицитность и дороговизну гелия, с 60-х годов XX века создаются сверхпроводящие магниты без тепловых потерь в их обмотках, что сделало практически возможным получение сильных магнитных полей в сравнительно больших объемах. Именно такие магниты требуются для создания установок управляемого термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, для мощных ускорителей заряженных частиц. Сверхпроводники используются в различных измерительных приборах, прежде всего в приборах для измерения очень слабых магнитных полей с высочайшей точностью.

В настоящее время в линиях электропередачи на преодоление сопротивления проводов уходит 10 - 15% энергии. Сверхпроводящие линии или хотя бы вводы в крупные города принесут громадную экономию. Другая область применения сверхпроводимости - транспорт.

На основе сверхпроводящих пленок создан ряд быстродействующих логических и запоминающих элементов для счетно-решающих устройств. При космических исследованиях перспективно использование сверхпроводящих соленоидов для радиационной защиты космонавтов, стыковки кораблей, их торможения и ориентации, для плазменных ракетных двигателей.

В настоящее время созданы керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высокой температуре - свыше 100К, то есть при температуре выше температуры кипения азота. Возможность охлаждать сверхпроводники жидким азотом, который имеет на порядок более высокую теплоту парообразования, существенно упрощает и удешевляет все криогенное оборудование, обещает огромный экономический эффект.

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля.

Растворы электролитов, в отличие от металлов, обладают не электрической, а ионной проводимостью.

Мерой способности вещества проводить электрический ток является электрическая проводимость L – величина, обратная электрическому сопротивлению R.

Так как R = r . l/S,

где r – удельное сопротивление, Ом. м;

S – поперечное сечение, м 2 ;

l – длина проводника, м;

c – удельная электрическая проводимость.

Удельная электропроводность раствора электролита c(каппа) – это электрическая проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по 1 м 2 и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Единицей измерения c служит См/м, где См = Ом –1 , и называется сименс .

Удельная электропроводность раствора электролита определяется количеством ионов, переносящих электричество, и скоростью их передвижения.

Допустим, что между электродами, расположенными друг от друга на расстоянии l, к которым приложена разность потенциалов U, находится раствор электролита, содержащий несколько видов ионов. Для ионов i-вида: концентрация С i (моль/м 3), зарядность z i , скорость движения в электрическом поле v i (м/с) через поперечное сечение S(м 2) раствора, находящегося между электродами, за 1с мигрирует C i v i S ионов i-вида, которые переносят количество электричества:

q i = z i FC i v i S

Все виды ионов в растворе переносят количество электричества:

, (7.26)

где F – число Фарадея (96485 Кл/моль);

Количество электричества, проходящее через проводник за 1 с, соответствует силе тока I:

, (7.27)

Cкорость движения ионов в электрическом поле определяется силой, действующей на ион, которая равна произведению заряда иона на градиент потенциала поля и фактором R, характеризующим сопротивление среды:

где е – элементарный электрический заряд.

Таким образом, скорость движения ионов, а значит и величина электрического тока, зависят от приложенного напряжения U, заряда и размера ионов, характера сольватации, взаимодействия ионов с окружающими частицами, связанных с природой растворителя, концентрацией раствора и температурой.

Чтобы установить, какой из ионов обладает большей подвижностью, сравнивают скорости их движения при градиенте потенциала в 1 В/м и относят к единице заряда.

В этих условиях скорость движения ионов называется абсолютной и имеет размерность м 2 /(В. с). Нередко эти скорости называют электрическими подвижностями и обозначают u + и u –

(7.29)

Данные об абсолютных скоростях движения ионов показывают, что радиусы ионов, характерные для кристаллической решетки, не сохраняются в растворах. Например, радиусы ионов щелочных металлов в кристаллической решетке их солей возрастают в ряду:

Li + , Na + , K + , Rb + , Cs +

В водных растворах размеры ионов возрастают от Cs + к Li + вследствие гидратации ионов, и скорость движения ионов растет от Li + к Cs + . Ион Li + окружен толстой водной оболочкой, а ион Cs + гидратирован слабо.

Обычно катионы, имеющие сравнительно небольшие размеры, отличаются большей подвижностью, чем анионы. В водных растворах особенно велика подвижность ионов Н + и ОН – .

Причиной высокой подвижности этих ионов является эстафетный механизм передачи заряда. Известно, что в водном растворе ион водорода – не просто протон Н + , а ион гидроксония Н 3 О + , в котором все 3 атома Н связаны с атомом О одинаковыми химическими связями.

Между атомом водорода иона гидроксония и атомом кислорода соседней молекулы Н 2 О возникает водородная связь. Передвижение заряда будет совершаться по цепочке от одной молекулы Н 2 О к другой:

Перемещается не сам Н + , а недостаток электронной плотности.

Переход осуществляется «скачками» на расстояние ~ 10 –10 см. При таком механизме подвижность Н 3 О + оказывается значительно больше, по сравнению с тем, когда этот ион перемещается только за счет миграции.

Интересно отметить, что для льда подвижность Н + на два порядка выше, чем в воде. Это объясняется благоприятной для перескока Н + структурой льда.

Аналогично объясняется повышенная подвижность иона гидроксила. Протон переходит от молекулы Н 2 О к иону ОН – .

Т.к. энергия отрыва протона от молекулы воды больше, чем от иона Н 3 О + , то и вероятность перехода катиона водорода от молекулы Н 2 О к гидроксил-иону меньше, чем от Н 3 О + к Н 2 О. Это объясняет тот факт, что предельная подвижность (в сильно разбавленных растворах) ионов Н 3 О + больше подвижности ОН – почти в полтора раза.

Сочетание уравнений (7.27), (7.28) и (7.29) дает:

(7.30)

В соответствии с законом Ома и выражением (7.25)

(7.31)

Из уравнения (7.30) и (7.31) для удельной электропроводности получаем:

(7.32)

Для раствора бинарного электролита при концентрации С (моль/л), z + = z – = z и степени диссоциации a имеем:

(7.33)

Удельная электропроводность c зависит от природы растворенного вещества и растворителя, концентрации электролита в растворе и температуры.

Зависимость удельной электрической проводимости растворов некоторых электролитов от концентрации представлена на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Зависимость c от концентрации

В разбавленных растворах сильных и слабых электролитов рост c с концентрацией обусловлен увеличением числа ионов, переносящих электричество. В области концентрированных растворов повышение концентрации сопровождается увеличением вязкости растворов, что снижает подвижность ионов и электрическая проводимость уменьшается. Кроме того, у слабых электролитов в концентрированных растворах заметно снижается степень диссоциации a и, следовательно, число ионов, переносящих электричество. Т.е. концентрация ионов (C i = aC) будет проходить через максимум. Сильные электролиты практически полностью диссоциированы (a ® 1) не только в разбавленных, но и в концентрированных растворах. С увеличением концентрации раствора расстояние между ионами уменьшается, что приводит к возрастанию сил электростатического взаимодействия. В результате движение ионов замедляется, и электропроводность уменьшается.

Таким образом, качественно одинаковый характер зависимости c от концентрации раствора для сильных и слабых электролитов обусловлен разными причинами.

С повышением температуры скорость движения ионов и степень диссоциации увеличиваются. Это приводит к увеличению удельной электрической проводимости:

где а – температурный коэффициент электропроводности (для сильных кислот 0,016, для сильных оснований 0,019 и для солей 0,022).