واحدهای رسانایی رسانایی الکتریکی. تعریف، واحدهای اندازه گیری آزمایش: اندازه گیری کانی سازی و رسانایی کل

در این مقاله به موضوع هدایت الکتریکی خواهیم پرداخت، به یاد داشته باشید که جریان الکتریکی چیست، چگونه با مقاومت هادی و بر این اساس، با هدایت الکتریکی آن مرتبط است. اجازه دهید فرمول های اساسی برای محاسبه این مقادیر را یادداشت کنیم و موضوع و ارتباط آن با شدت میدان الکتریکی را بررسی کنیم. ما همچنین به رابطه بین مقاومت الکتریکی و دما خواهیم پرداخت.

ابتدا بیایید به یاد بیاوریم که جریان الکتریکی چیست. اگر ماده ای را در یک میدان الکتریکی خارجی قرار دهید، تحت تأثیر نیروهای این میدان، حرکت حامل های بار اولیه - یون ها یا الکترون ها - در ماده آغاز می شود. این یک جریان الکتریکی خواهد بود. شدت جریان I بر حسب آمپر اندازه گیری می شود و یک آمپر جریانی است که در آن باری معادل یک کولن از سطح مقطع هادی در هر ثانیه می گذرد.

جریان می تواند ثابت، متناوب یا ضربانی باشد. جریان مستقیم مقدار و جهت خود را در هر لحظه از زمان تغییر نمی دهد، جریان متناوب مقدار و جهت خود را در طول زمان تغییر می دهد (مولدهای جریان متناوب و ترانسفورماتورها جریان متناوب را ارائه می دهند)، جریان ضربانی مقدار خود را تغییر می دهد، اما جهت را تغییر نمی دهد (مثلاً جریان متناوب تصحیح شده جریان در حال ضربان است).

مواد دارای خاصیت رسانایی جریان الکتریکی تحت تأثیر میدان الکتریکی هستند و به این خاصیت رسانایی الکتریکی می گویند که از ماده ای به ماده دیگر متفاوت است.رسانایی الکتریکی مواد به غلظت ذرات باردار آزاد در آنها بستگی دارد، یعنی یون ها و الکترون هایی که با ساختار بلوری، مولکول ها یا اتم های ماده مرتبط نیستند. بنابراین، بسته به غلظت حامل های بار آزاد در یک ماده، مواد با توجه به درجه هدایت الکتریکی به رساناها، دی الکتریک ها و نیمه هادی ها تقسیم می شوند.

آنها بالاترین رسانایی الکتریکی را دارند و از نظر ماهیت فیزیکی، هادی ها در طبیعت با دو نوع نشان داده می شوند: فلزات و الکترولیت ها. در فلزات، جریان ناشی از حرکت الکترون‌های آزاد است، یعنی رسانایی آنها الکترونیکی است و در الکترولیت‌ها (در محلول‌های اسیدها، نمک‌ها، قلیایی‌ها) - با حرکت یون‌ها - قسمت‌هایی از مولکول‌ها که دارای مثبت و بار منفی، یعنی رسانایی الکترولیت ها یونی است. بخارات و گازهای یونیزه شده با رسانایی مختلط مشخص می شوند که در آن جریان توسط حرکت الکترون ها و یون ها ایجاد می شود.

تئوری الکترونیکی رسانایی الکتریکی بالای فلزات را کاملا توضیح می دهد. اتصال الکترون‌های ظرفیتی با هسته‌هایشان در فلزات ضعیف است، بنابراین این الکترون‌ها آزادانه از اتمی به اتم دیگر در طول حجم رسانا حرکت می‌کنند.

به نظر می رسد که الکترون های آزاد در فلزات فضای بین اتم ها را مانند گاز، گاز الکترونی پر می کنند و در حرکت آشفته ای هستند. اما هنگامی که یک هادی فلزی به میدان الکتریکی وارد می شود، الکترون های آزاد شروع به حرکت منظم می کنند، آنها به سمت قطب مثبت حرکت می کنند و در نتیجه جریان ایجاد می کنند. بنابراین، حرکت منظم الکترون های آزاد در یک رسانای فلزی، جریان الکتریکی نامیده می شود.

مشخص است که سرعت انتشار میدان الکتریکی در فضا تقریباً برابر با 300000000 متر بر ثانیه است، یعنی سرعت نور. این همان سرعتی است که در آن جریان از هادی عبور می کند.

چه مفهومی داره؟ این بدان معنا نیست که هر الکترون در یک فلز با چنین سرعت عظیمی حرکت می کند، برعکس، الکترون های یک رسانا دارای سرعت هایی از چندین میلی متر در ثانیه تا چندین سانتی متر در ثانیه هستند، بلکه سرعت انتشار جریان الکتریکی دارد. از طریق هادی دقیقا برابر با سرعت نور است.

موضوع این است که هر الکترون آزاد به جریان الکترونی عمومی همان «گاز الکترونی» ختم می‌شود و در طول گذر جریان، میدان الکتریکی بر کل جریان تأثیر می‌گذارد، در نتیجه الکترون‌ها به طور مداوم این اثر میدان را به هر یک منتقل می‌کنند. دیگر - از همسایه به همسایه.

اما الکترون‌ها در مکان‌های خود بسیار آهسته حرکت می‌کنند، علی‌رغم این واقعیت که سرعت توزیع انرژی الکتریکی در امتداد رسانا بسیار زیاد است. بنابراین، هنگامی که یک سوئیچ در یک نیروگاه روشن می شود، جریان فوراً در کل شبکه ظاهر می شود، در حالی که الکترون ها عملاً ثابت می مانند.

با این حال، هنگامی که الکترون‌های آزاد در امتداد یک رسانا حرکت می‌کنند، برخوردهای متعددی را در طول مسیر تجربه می‌کنند؛ آنها با اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌ها برخورد می‌کنند و بخشی از انرژی خود را به آنها منتقل می‌کنند. انرژی الکترون های متحرک که بر چنین مقاومتی غلبه می کنند تا حدی به شکل گرما تلف می شود و هادی گرم می شود.

این برخوردها به عنوان مقاومت در برابر حرکت الکترون ها عمل می کنند، بنابراین خاصیت رسانا برای جلوگیری از حرکت ذرات باردار مقاومت الکتریکی نامیده می شود. هنگامی که مقاومت هادی کم است، هادی توسط جریان ضعیف گرم می شود، زمانی که قابل توجه است، بسیار قوی تر و حتی سفید-گرم است؛ این اثر در دستگاه های گرمایشی و در لامپ های رشته ای استفاده می شود.

واحد تغییر مقاومت اهم است. مقاومت R = 1 اهم مقاومت چنین هادی است، هنگامی که جریان مستقیم 1 آمپر از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل در انتهای هادی برابر با 1 ولت است. استاندارد مقاومت 1 اهم یک ستون جیوه با ارتفاع 1063 میلی متر با سطح مقطع 1 میلی متر مربع در دمای 0 درجه سانتی گراد است.

از آنجایی که هادی ها با مقاومت الکتریکی مشخص می شوند، می توان گفت که هادی تا حدی قادر به هدایت جریان الکتریکی است. در این راستا کمیتی به نام رسانایی یا هدایت الکتریکی معرفی شد. رسانایی الکتریکی توانایی یک رسانا برای هدایت جریان الکتریکی، یعنی متقابل مقاومت الکتریکی است.

واحد هدایت الکتریکی G (رسانایی) زیمنس (Cm) و 1 سانتی متر = 1/(1 اهم) است. G = 1/R.

از آنجایی که اتم های مواد مختلف به درجات مختلف مانع عبور جریان الکتریکی می شوند، مقاومت الکتریکی مواد مختلف متفاوت است. به همین دلیل، مفهومی معرفی شد که مقدار آن "p" خواص رسانایی یک ماده خاص را مشخص می کند.

مقاومت الکتریکی بر حسب اهم * متر اندازه گیری می شود، یعنی مقاومت یک مکعب از یک ماده با لبه 1 متر. به همین ترتیب، رسانایی الکتریکی یک ماده با رسانایی الکتریکی خاص مشخص می شود؟، که در S/m اندازه گیری می شود، یعنی رسانایی یک مکعب از یک ماده با لبه 1 متر.

امروزه مواد رسانا در مهندسی برق عمدتاً به صورت نوار، لاستیک، سیم و با سطح مقطع مشخص و طول معین استفاده می شود، اما به صورت مکعب متری نیست. و برای محاسبات راحت تر مقاومت الکتریکی و هدایت الکتریکی هادی ها با اندازه های خاص، واحدهای اندازه گیری قابل قبول تری هم برای مقاومت الکتریکی و هم برای هدایت الکتریکی معرفی شدند. اهم*mm2/m برای مقاومت و Sm*m/mm2 برای رسانایی.

حالا می توانیم این را بگوییم مقاومت الکتریکی و هدایت الکتریکی ویژگی های رسانایی یک هادی با سطح مقطع 1 میلی متر مربع، طول 1 متر در دمای 20 درجه سانتیگراد را مشخص می کند، این راحت تر است.

فلزاتی مانند طلا، مس، نقره، کروم و آلومینیوم بهترین رسانایی الکتریکی را دارند. فولاد و آهن جریان را کمتر هدایت می کنند. فلزات خالص همیشه هدایت الکتریکی بهتری نسبت به آلیاژهای خود دارند، بنابراین مس خالص در مهندسی برق ارجحیت دارد. اگر به مقاومت بالایی نیاز دارید، از تنگستن، نیکروم، کنستانتان استفاده کنید.

با دانستن مقدار مقاومت الکتریکی یا هدایت الکتریکی، می توان به راحتی مقاومت یا رسانایی الکتریکی یک هادی خاص ساخته شده از یک ماده معین را با در نظر گرفتن طول l و سطح مقطع S این رسانا محاسبه کرد.

رسانایی الکتریکی و مقاومت الکتریکی همه مواد به دما بستگی دارداز آنجایی که فرکانس و دامنه ارتعاشات حرارتی اتم‌های شبکه بلوری نیز با افزایش دما افزایش می‌یابد، مقاومت در برابر جریان الکتریکی و جریان الکترون نیز افزایش می‌یابد.

با کاهش دما، برعکس، ارتعاشات اتم های شبکه کریستالی کوچکتر می شود، مقاومت کاهش می یابد (رسانایی الکتریکی افزایش می یابد). برای برخی از مواد، وابستگی مقاومت به دما کمتر مشخص است، برای برخی دیگر قوی تر است. به عنوان مثال، آلیاژهایی مانند کنستانتان، فکرال و منگنین کمی مقاومت را در یک محدوده دمایی خاص تغییر می دهند، بنابراین از آنها مقاومت های پایدار حرارتی ساخته می شود.

به شما امکان می دهد برای یک ماده خاص افزایش مقاومت آن را در دمای معین محاسبه کنید و به صورت عددی افزایش نسبی مقاومت را با افزایش دما به میزان 1 درجه سانتیگراد مشخص می کند.

با دانستن ضریب دمایی مقاومت و افزایش دما، می توان به راحتی مقاومت یک ماده را در دمای معین محاسبه کرد.

امیدواریم مقاله ما برای شما مفید بوده باشد و اکنون می توانید به راحتی مقاومت و رسانایی هر سیم را در هر دمایی محاسبه کنید.

مقاومت الکتریکی که بر حسب اهم بیان می شود با مفهوم مقاومت متفاوت است. برای درک اینکه مقاومت مقاومتی چیست، باید آن را با خواص فیزیکی مواد مرتبط کنیم.

درباره رسانایی و مقاومت

جریان الکترون ها بدون مانع در مواد حرکت نمی کند. در دمای ثابت، ذرات بنیادی در اطراف حالت سکون می چرخند. علاوه بر این، الکترون های موجود در نوار رسانایی به دلیل بار مشابه، از طریق دافعه متقابل با یکدیگر تداخل می کنند. اینگونه است که مقاومت بوجود می آید.

رسانایی یک ویژگی ذاتی مواد است و میزان سهولت حرکت بارها را زمانی که یک ماده در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، کمیت می‌دهد. مقاومت متقابل ماده است و درجه دشواری مواجهه الکترون ها را در حین حرکت در یک ماده توصیف می کند و نشان می دهد که یک رسانا چقدر خوب یا بد است.

مهم!مقاومت الکتریکی با مقدار زیاد نشان می دهد که ماده رسانای ضعیفی است، در حالی که مقاومت با مقدار کم نشان دهنده رسانایی خوب است.

هدایت ویژه با حرف σ مشخص می شود و با فرمول محاسبه می شود:

مقاومت ρ، به عنوان یک شاخص معکوس، را می توان به صورت زیر یافت:

در این عبارت، E شدت میدان الکتریکی تولید شده (V/m) و J چگالی جریان الکتریکی (A/m²) است. سپس واحد اندازه گیری ρ خواهد بود:

V/m x m²/A = اهم متر.

برای هدایت σ، واحدی که در آن اندازه گیری می شود S/m یا زیمنس بر متر است.

انواع مواد

با توجه به مقاومت مواد، می توان آنها را به چند نوع طبقه بندی کرد:

1. هادی ها اینها شامل تمام فلزات، آلیاژها، محلولهای تجزیه شده به یونها و همچنین گازهای برانگیخته حرارتی از جمله پلاسما می شود. در میان غیر فلزات می توان به گرافیت به عنوان مثال اشاره کرد.
2. نیمه هادی ها، که در واقع مواد نارسانا هستند، شبکه های کریستالی آنها به طور هدفمند با گنجاندن اتم های خارجی با تعداد بیشتر یا کمتر الکترون های محدود، دوپ می شوند. در نتیجه الکترون ها یا حفره های اضافی شبه آزاد در ساختار شبکه تشکیل می شوند که به هدایت جریان کمک می کنند.
3. دی الکتریک ها یا عایق های جدا شده همه موادی هستند که در شرایط عادی الکترون آزاد ندارند.

برای حمل و نقل انرژی الکتریکی یا در تاسیسات الکتریکی برای مصارف خانگی و صنعتی، یک ماده پرکاربرد مس به شکل کابل های تک هسته ای یا چند هسته ای است. یک فلز جایگزین آلومینیوم است، اگرچه مقاومت مس 60 درصد نسبت به آلومینیوم است. اما بسیار سبکتر از مس است که استفاده از آن را در خطوط برق فشار قوی از پیش تعیین کرده است. طلا به عنوان رسانا در مدارهای الکتریکی خاص استفاده می شود.

جالب هست.رسانایی الکتریکی مس خالص توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک در سال 1913 به عنوان استاندارد برای این مقدار پذیرفته شد. طبق تعریف، رسانایی مس در 20 درجه اندازه گیری شده 0.58108 S/m است. این مقدار 100% LACS نامیده می شود و رسانایی مواد باقیمانده به عنوان درصد معینی از LACS بیان می شود.

اکثر فلزات دارای مقدار رسانایی کمتر از 100٪ LACS هستند. با این حال، استثنائاتی مانند نقره یا مس خاص با رسانایی بسیار بالا وجود دارد که به ترتیب C-103 و C-110 نامیده می شوند.

دی الکتریک ها رسانای الکتریسیته نیستند و به عنوان عایق استفاده می شوند. نمونه هایی از عایق ها:

• شیشه،
• سرامیک،
• پلاستیک،
• لاستیک،
• میکا،
• موم،
• کاغذ،
• چوب خشک،
• ظروف چینی،
• مقداری چربی برای مصارف صنعتی و الکتریکی و باکلیت.

بین سه گروه انتقال سیال است. مطمئناً مشخص است: هیچ رسانه و مواد کاملاً نارسانا وجود ندارد. به عنوان مثال، هوا در دمای اتاق یک عایق است، اما زمانی که در معرض یک سیگنال فرکانس پایین قوی قرار می گیرد، می تواند به یک رسانا تبدیل شود.

تعیین رسانایی

هنگام مقایسه مقاومت الکتریکی مواد مختلف، شرایط اندازه گیری استاندارد مورد نیاز است:

1. در مورد مایعات، هادی ها و عایق های ضعیف، از نمونه های مکعبی با طول لبه 10 میلی متر استفاده می شود.
2. مقادیر مقاومت خاک و سازندهای زمین شناسی بر روی مکعب هایی با طول هر لبه 1 متر تعیین می شود.
3. رسانایی یک محلول به غلظت یون های آن بستگی دارد. محلول غلیظ کمتر تجزیه می شود و حامل های بار کمتری دارد که باعث کاهش رسانایی می شود. با افزایش رقت، تعداد جفت یون ها افزایش می یابد. غلظت محلول ها به 10٪ تنظیم شده است.
4. برای تعیین مقاومت هادی های فلزی از سیم هایی با طول متر و سطح مقطع 1 میلی متر مربع استفاده می شود.

اگر ماده‌ای مانند فلز بتواند الکترون‌های آزاد تولید کند، وقتی اختلاف پتانسیل اعمال شود، جریان الکتریکی از سیم عبور می‌کند. با افزایش ولتاژ، الکترون های بیشتری از طریق ماده به واحد زمان حرکت می کنند. اگر تمام پارامترهای اضافی (دما، سطح مقطع، طول و مواد سیم) بدون تغییر باشند، پس نسبت جریان به ولتاژ اعمالی نیز ثابت است و رسانایی نامیده می شود:

بر این اساس، مقاومت الکتریکی خواهد بود:

نتیجه بر حسب اهم است.

به نوبه خود، هادی می تواند دارای طول های مختلف، اندازه های مقطع و ساخته شده از مواد مختلف باشد که مقدار R را تعیین می کند. از نظر ریاضی، این رابطه به شکل زیر است:

عامل ماده ضریب ρ را در نظر می گیرد.

از اینجا می توانیم فرمول مقاومت را بدست آوریم:

اگر مقادیر S و l با شرایط داده شده برای محاسبه مقایسه ای مقاومت مطابقت داشته باشد، یعنی 1 میلی متر مربع و 1 متر، آنگاه ρ = R. هنگامی که ابعاد هادی تغییر می کند، تعداد اهم ها نیز تغییر می کند.

مقاومت و دما

مقاومت یک هادی مقداری است که با دما تغییر می کند، بنابراین به طور دقیق در 20 درجه محاسبه می شود. اگر دما متفاوت باشد، مقدار ρ باید بر اساس ضریب دیگری به نام دما تنظیم شود و α نشان داده شود (واحد - 1/°C). این نیز یک مقدار مشخصه برای هر ماده است.

ضریب اصلاح شده بر اساس مقادیر ρ، α و انحراف دما از 20 محاسبه می شود.° – Δt:

ρ1 = ρ x (1 + α x Δt).

اگر مقاومت قبلا شناخته شده بود، می توانید مستقیماً آن را محاسبه کنید:

R1 = R x (1 + α x Δt).

استفاده عملی از مواد مختلف در مهندسی برق مستقیماً به مقاومت آنها بستگی دارد.

ویدئو

یکی از رایج ترین فلزات برای ساخت سیم مس است. مقاومت الکتریکی آن در بین فلزات مقرون به صرفه کمترین است. فقط برای فلزات گرانبها (نقره و طلا) کمتر است و به عوامل مختلفی بستگی دارد.

جریان الکتریکی چیست

در قطب های مختلف باتری یا منبع جریان دیگر حامل های بار الکتریکی مخالف وجود دارد. اگر آنها به یک هادی متصل شوند، حامل های شارژ شروع به حرکت از یک قطب منبع ولتاژ به قطب دیگر می کنند. این حامل ها در مایعات یون ها و در فلزات الکترون های آزاد هستند.

تعریف.جریان الکتریکی حرکت مستقیم ذرات باردار است.

مقاومت

مقاومت الکتریکی مقداری است که مقاومت الکتریکی نمونه مرجع از یک ماده را تعیین می کند. برای نشان دادن این مقدار از حرف یونانی "p" استفاده می شود. فرمول محاسبه:

p=(R*S)/ ل.

این مقدار با اهم * متر اندازه گیری می شود. شما می توانید آن را در کتاب های مرجع، در جداول مقاومت یا در اینترنت پیدا کنید.

الکترون های آزاد از طریق فلز در داخل شبکه کریستالی حرکت می کنند. سه عامل بر مقاومت در برابر این حرکت و مقاومت هادی تأثیر می گذارد:

• مواد. فلزات مختلف چگالی اتمی و تعداد الکترون های آزاد متفاوتی دارند.
• ناخالصی ها در فلزات خالص، شبکه کریستالی نظم بیشتری دارد، بنابراین مقاومت کمتر از آلیاژها است.
• درجه حرارت. اتم ها در جای خود ساکن نیستند، بلکه ارتعاش می کنند. هر چه دما بیشتر باشد، دامنه ارتعاشات بیشتر می شود که در حرکت الکترون ها اختلال ایجاد می کند و مقاومت بیشتر می شود.

در شکل زیر جدولی از مقاومت فلزات را مشاهده می کنید.

جالب هست.آلیاژهایی وجود دارند که مقاومت الکتریکی آنها با گرم شدن کاهش می یابد یا تغییر نمی کند.

رسانایی و مقاومت الکتریکی

از آنجایی که ابعاد کابل بر حسب متر (طول) و میلی متر مربع (بخش) اندازه گیری می شود، مقاومت الکتریکی دارای ابعاد اهم mm²/m است. با دانستن ابعاد کابل، مقاومت آن با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

R=(p* ل)/S.

علاوه بر مقاومت الکتریکی، برخی فرمول ها از مفهوم "رسانایی" استفاده می کنند. این متقابل مقاومت است. "g" تعیین می شود و با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

رسانایی مایعات

رسانایی مایعات با رسانایی فلزات متفاوت است. حامل های بار در آنها یون هستند. تعداد و هدایت الکتریکی آنها با گرم شدن افزایش می یابد، بنابراین قدرت دیگ الکترود با گرم شدن از 20 تا 100 درجه چندین برابر افزایش می یابد.

جالب هست.آب مقطر یک عایق است. ناخالصی های حل شده به آن رسانایی می دهد.

مقاومت الکتریکی سیم ها

متداول ترین فلزات برای ساخت سیم مس و آلومینیوم هستند. آلومینیوم مقاومت بالاتری دارد، اما ارزانتر از مس است. مقاومت مس کمتر است، بنابراین می توان سطح مقطع سیم را کوچکتر انتخاب کرد. علاوه بر این، قوی تر است و سیم های رشته ای انعطاف پذیر از این فلز ساخته می شوند.

جدول زیر مقاومت الکتریکی فلزات را در 20 درجه نشان می دهد. برای تعیین آن در دماهای دیگر، مقدار جدول باید در یک ضریب تصحیح، متفاوت برای هر فلز ضرب شود. این ضریب را می توانید از کتب مرجع مربوطه یا با استفاده از ماشین حساب آنلاین دریافت کنید.

انتخاب مقطع کابل

از آنجا که سیم دارای مقاومت است، هنگامی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، گرما ایجاد می شود و افت ولتاژ رخ می دهد. در انتخاب مقاطع کابل باید هر دوی این عوامل را در نظر گرفت.

انتخاب با گرمایش مجاز

هنگامی که جریان در یک سیم جریان می یابد، انرژی آزاد می شود. مقدار آن را می توان با استفاده از فرمول توان الکتریکی محاسبه کرد:

در یک سیم مسی با مقطع 2.5 میلی متر مربع و طول 10 متر R = 10 * 0.0074 = 0.074 اهم. در جریان 30A P=30²*0.074=66W.

این برق هادی و خود کابل را گرم می کند. دمایی که در آن گرم می شود به شرایط نصب، تعداد هسته های کابل و سایر عوامل بستگی دارد و دمای مجاز به مواد عایق بستگی دارد. مس رسانایی بیشتری دارد، بنابراین توان خروجی و سطح مقطع مورد نیاز کمتر است. با استفاده از جداول خاص یا با استفاده از ماشین حساب آنلاین تعیین می شود.

افت ولتاژ مجاز

علاوه بر گرمایش، هنگامی که جریان الکتریکی از سیم ها عبور می کند، ولتاژ نزدیک بار کاهش می یابد. این مقدار را می توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد:

ارجاع.طبق استانداردهای PUE، نباید بیش از 5٪ یا در شبکه 220 ولت - بیش از 11 ولت باشد.

بنابراین، هر چه کابل بلندتر باشد، سطح مقطع آن باید بیشتر باشد. شما می توانید آن را با استفاده از جداول یا با استفاده از یک ماشین حساب آنلاین تعیین کنید. برخلاف انتخاب مقطع بر اساس گرمایش مجاز، تلفات ولتاژ به شرایط تخمگذار و مواد عایق بستگی ندارد.

در یک شبکه 220 ولت، ولتاژ از طریق دو سیم: فاز و خنثی تامین می شود، بنابراین محاسبه با استفاده از دو برابر طول کابل انجام می شود. در کابل مثال قبلی U=I*R=30A*2*0.074Ohm=4.44V خواهد بود. این مقدار زیادی نیست، اما با طول 25 متر به نظر می رسد 11.1 ولت است - حداکثر مقدار مجاز، شما باید سطح مقطع را افزایش دهید.

مقاومت الکتریکی سایر فلزات

علاوه بر مس و آلومینیوم، فلزات و آلیاژهای دیگری نیز در مهندسی برق استفاده می شود:

• اهن. فولاد دارای مقاومت بالاتری است، اما از مس و آلومینیوم قوی تر است. رشته های فولادی به کابل هایی بافته می شوند که برای عبور از هوا طراحی شده اند. مقاومت آهن برای انتقال الکتریسیته بیش از حد بالاست، بنابراین در محاسبه سطح مقطع، سطح مقطع هسته در نظر گرفته نمی شود. علاوه بر این، نسوزتر است و برای اتصال بخاری ها در کوره های برقی پرقدرت از آن سرنخ هایی ساخته می شود.
• نیکروم (آلیاژی از نیکل و کروم) و فکرال (آهن، کروم و آلومینیوم). رسانایی و نسوز کم دارند. مقاومت ها و بخاری های سیمی از این آلیاژها ساخته می شوند.
• تنگستن مقاومت الکتریکی آن بالا است، اما یک فلز نسوز (3422 درجه سانتیگراد) است. برای ساختن رشته ها در لامپ های الکتریکی و الکترودهای جوشکاری قوس آرگون استفاده می شود.
• کنستانتان و منگنین (مس، نیکل و منگنز). مقاومت این هادی ها با تغییر دما تغییر نمی کند. مورد استفاده در دستگاه های با دقت بالا برای ساخت مقاومت ها؛
• فلزات گرانبها - طلا و نقره. دارای بالاترین رسانایی ویژه هستند، اما به دلیل قیمت بالا، استفاده از آنها محدود است.

راکتانس القایی

فرمول های محاسبه رسانایی سیم ها فقط در یک شبکه جریان مستقیم یا در هادی های مستقیم در فرکانس های پایین معتبر است. راکتانس القایی در سیم پیچ ها و در شبکه های فرکانس بالا چندین برابر بیشتر از حد معمول ظاهر می شود. علاوه بر این، جریان فرکانس بالا فقط در امتداد سطح سیم حرکت می کند. بنابراین گاهی اوقات با یک لایه نازک نقره روکش می شود یا از سیم لیتز استفاده می شود.

ارجاع.سیم لیتز یک سیم رشته ای است که هر هسته آن از بقیه جدا شده است. این کار برای افزایش سطح و هدایت در شبکه های فرکانس بالا انجام می شود.

مقاومت مس، انعطاف پذیری، قیمت نسبتاً پایین و استحکام مکانیکی، این فلز را در کنار آلومینیوم، رایج ترین ماده برای ساخت سیم کرده است.

ویدئو

هنگامی که یک مدار الکتریکی بسته می شود که در پایانه های آن اختلاف پتانسیل وجود دارد، جریان الکتریکی رخ می دهد. الکترون های آزاد تحت تأثیر نیروهای میدان الکتریکی در امتداد رسانا حرکت می کنند. در حرکت خود، الکترون های آزاد با اتم های هادی برخورد می کنند و منبع انرژی جنبشی خود را به آنها می دهند.

بنابراین، الکترون هایی که از یک هادی عبور می کنند، در برابر حرکت خود با مقاومت مواجه می شوند. هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند، هادی گرم می شود.

مقاومت الکتریکی یک رسانا (که با حرف لاتین r مشخص می شود) مسئول پدیده تبدیل انرژی الکتریکی به گرما در هنگام عبور جریان الکتریکی از هادی است. در نمودارها، مقاومت الکتریکی همانطور که در شکل نشان داده شده است نشان داده شده است. 18.

واحد مقاومت 1 در نظر گرفته می شود اهم. Om اغلب با حرف بزرگ یونانی Ω (امگا) نشان داده می شود. بنابراین، به جای نوشتن: "مقاومت هادی 15 اهم است"، می توانید به سادگی بنویسید: r = 15 Ω.

1000 اهم را 1 کیلواهم (1 کوم یا 1 کیلو اهم) می گویند.

1,000,000 اهم 1 مگا اهم (1 میلی گرم اهم یا 1 MΩ) نامیده می شود.

دستگاه،داشتن مقاومت الکتریکی متغیر و برای تغییر جریان در مدار، رئوستات نامیده می شود. در نمودارها، رئوستات ها همانطور که در شکل نشان داده شده است مشخص شده اند. 18. به عنوان یک قاعده، یک رئوستات از سیمی با یک یا مقاومت دیگر ساخته شده است که روی یک پایه عایق پیچیده می شود. لغزنده یا اهرم رئوستات در موقعیت خاصی قرار می گیرد که در نتیجه مقاومت مورد نیاز به مدار وارد می شود.

یک هادی بلند با مقطع کوچک مقاومت زیادی در برابر جریان ایجاد می کند. هادی های کوتاه با سطح مقطع بزرگ مقاومت کمی در برابر جریان دارند.

اگر دو هادی را از مواد مختلف، اما طول و مقطع یکسان بگیرید، هادی ها جریان متفاوتی را هدایت می کنند. این نشان می دهد که مقاومت یک هادی به مواد خود هادی بستگی دارد.

دمای هادی نیز بر مقاومت آن تأثیر می گذارد. با افزایش دما، مقاومت فلزات افزایش می یابد و مقاومت مایعات و زغال سنگ کاهش می یابد. فقط برخی از آلیاژهای فلزی خاص (منگانین، کنستانتان، نیکل و غیره) با افزایش دما تقریباً مقاومت خود را تغییر نمی دهند.

بنابراین، می بینیم که مقاومت الکتریکی یک هادی به طول هادی، سطح مقطع هادی، مواد هادی و دمای هادی بستگی دارد.

هنگام مقایسه مقاومت هادی ها از مواد مختلف، لازم است برای هر نمونه طول و مقطع مشخصی در نظر گرفته شود. سپس می توانیم قضاوت کنیم که کدام ماده جریان الکتریکی را بهتر یا بدتر هدایت می کند.

مقاومت (بر حسب اهم) هادی به طول 1 متر، با سطح مقطع 1 میلی متر مربع، مقاومت نامیده می شود و با حرف یونانی ρ (rho) نشان داده می شود.

مقاومت هادی را می توان با فرمول تعیین کرد

جایی که r مقاومت هادی، اهم است.

ρ - مقاومت هادی؛

ل- طول هادی، متر؛

S - مقطع هادی، mm2.

از این فرمول بعد مقاومت را بدست می آوریم

روی میز شکل 1 مقاومت برخی هادی ها را نشان می دهد.

جدول نشان می دهد که یک سیم آهنی با طول 1 متر و سطح مقطع 1 میلی متر مربع دارای مقاومت 0.13 اهم است. برای به دست آوردن مقاومت 1 اهم، باید 7.7 متر از چنین سیمی بگیرید. نقره کمترین مقاومت را دارد - اگر 62.5 متر سیم نقره ای با مقطع 1 میلی متر مربع بردارید، می توان 1 اهم مقاومت را به دست آورد. نقره بهترین هادی است، اما قیمت بالای نقره امکان استفاده انبوه آن را از بین می برد. پس از نقره در جدول، مس آمده است: 1 متر سیم مسی با مقطع 1 میلی متر دارای مقاومت 0.0175 اهم است. برای به دست آوردن مقاومت 1 اهم، باید 57 متر از چنین سیمی بگیرید.

مس خالص شیمیایی که از پالایش به دست می‌آید، کاربرد گسترده‌ای در مهندسی برق برای ساخت سیم‌ها، کابل‌ها، سیم‌پیچ‌های ماشین‌های الکتریکی و دستگاه‌ها پیدا کرده است. آلومینیوم و آهن نیز به طور گسترده ای به عنوان رسانا استفاده می شود.

مشخصات دقیق فلزات و آلیاژها در جدول آورده شده است. 2.

مثال 1.مقاومت 200 متر سیم آهنی با سطح مقطع 5 میلی متر مربع را تعیین کنید:

مثال 2.مقاومت 2 کیلومتر سیم آلومینیومی با سطح مقطع 2.5 میلی متر مربع را محاسبه کنید:

از فرمول مقاومت به راحتی می توانید طول، مقاومت و سطح مقطع هادی را تعیین کنید.

مثال 3.برای یک گیرنده رادیویی، لازم است یک مقاومت 30 اهم از سیم نیکل با مقطع 0.21 میلی متر مربع سیم پیچ شود. طول سیم مورد نیاز را تعیین کنید:

مثال 4.سطح مقطع سیم نیکروم با طول 20 فارنهایت را در صورتی که مقاومت آن 25 اهم باشد را تعیین کنید:

مثال 5.یک سیم با مقطع 0.5 میلی متر مربع و طول 40 متر دارای مقاومت 16 اهم است. مواد سیم را تعیین کنید.

مواد هادی مقاومت آن را مشخص می کند

بر اساس جدول مقاومت، متوجه می شویم که سرب دارای این مقاومت است.

قبلاً گفته شد که مقاومت هادی ها به دما بستگی دارد. بیایید آزمایش زیر را انجام دهیم. چند متر سیم نازک فلزی را به صورت مارپیچ بپیچانیم و این مارپیچ را به مدار باتری متصل کنیم. برای اندازه گیری جریان، یک آمپر متر در مدار قرار داده شده است. هنگامی که سیم پیچ در شعله مشعل گرم می شود، متوجه خواهید شد که قرائت آمپرمتر کاهش می یابد. این نشان می دهد که مقاومت یک سیم فلزی با گرم شدن افزایش می یابد.

برای برخی از فلزات، هنگامی که 100 درجه حرارت داده می شود، مقاومت 40-50٪ افزایش می یابد. آلیاژهایی وجود دارند که با حرارت دادن کمی مقاومت خود را تغییر می دهند. برخی از آلیاژهای خاص در هنگام تغییر دما عملاً هیچ تغییری در مقاومت نشان نمی دهند. مقاومت هادی های فلزی با افزایش دما افزایش می یابد، در حالی که مقاومت الکترولیت ها (رسانای مایع)، زغال سنگ و برخی مواد جامد، برعکس، کاهش می یابد.

برای ساخت دماسنج های مقاومتی از توانایی فلزات در تغییر مقاومت خود با تغییر دما استفاده می شود. این دماسنج یک سیم پلاتینی است که روی قاب میکا پیچیده شده است. با قرار دادن دماسنج به عنوان مثال در یک کوره و اندازه گیری مقاومت سیم پلاتین قبل و بعد از حرارت دادن می توان دمای کوره را تعیین کرد.

تغییر مقاومت هادی در هنگام گرم شدن، به ازای هر 1 اهم مقاومت اولیه و به ازای هر 0 درجه حرارت، نامیده می شود. ضریب مقاومت دماییو با حرف α (آلفا) نشان داده می شود.

اگر در دمای t 0 مقاومت هادی برابر r 0 و در دمای t برابر با r t باشد، ضریب دمایی مقاومت

ما فرض می کنیم که J diff، J conv، J ترم برابر با صفر و J = J migr هستند. حرکت یون ها در هادی های نوع دوم و الکترون ها در هادی های نوع اول به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی توانایی آنها را برای عبور جریان الکتریکی تعیین می کند. رسانایی الکتریکی(رسانایی الکتریکی). برای توصیف کمی توانایی هادی های نوع اول و دوم برای عبور جریان الکتریکی، از دو معیار هدایت الکتریکی استفاده می شود. یکی از آنها - رسانایی الکتریکیκ- متقابل مقاومت است:

مقاومت از فرمول تعیین می شود

جایی که آر- مقاومت کل هادی، اهم؛ l فاصله بین دو صفحه موازی است که مقاومت بین آنها تعیین می شود، m. S سطح مقطع هادی، m2 است.

از این رو

و هدایت الکتریکی به صورت متقابل مقاومت یک متر مکعب هادی با طول لبه مکعب برابر با یک متر تعریف می شود. واحد هدایت الکتریکی: S/m. از طرفی طبق قانون اهم

جایی که E- اختلاف پتانسیل بین صفحات موازی داده شده؛ من - جاری.

با جایگزینی این عبارت به معادله تعیین کننده هدایت الکتریکی، به دست می آوریم:

در S = 1 و E/l = 1 ما κ = 1 داریم. بنابراین، رسانایی الکتریکی از نظر عددی برابر است با جریان عبوری از مقطع رسانایی با سطح یک متر مربع، با شیب پتانسیل برابر با یک ولت بر متر.

رسانایی الکتریکی خاص تعداد حامل های بار در واحد حجم را مشخص می کند. در نتیجه، هدایت الکتریکی خاص به غلظت محلول و برای مواد جداگانه - به چگالی آنها بستگی دارد.

دومین معیار رسانایی الکتریکی است معادلλ e (یا مولرλ m) رسانایی الکتریکی،برابر حاصلضرب رسانایی الکتریکی ویژه و تعداد متر مکعب حاوی یک معادل یا یک مول از یک ماده:

λ e = κφ e; λ m = κφ m

از آنجایی که φ در m 3 /eq یا m 3 /mol بیان می شود، واحد λ Sm∙m 2 /eq یا Sm∙m 2 /mol خواهد بود.

برای محلول φ = 1/C، جایی که با- غلظت بیان شده بر حسب mol/m3. سپس

λ e = κ/zC و λ m = κ/C

اگر بابیان شده در kmol/m3، سپس φ e = 1/(zC∙10 3). φ m = 1/(С∙10 3) و

λ e = κ/(zC∙10 3) و λ m = κ/(C∙10 3)

هنگام تعیین رسانایی مولی یک ماده (جامد یا مایع)، φ m = V M، اما V m = M/d (که V m حجم مولی است؛ M وزن مولکولی است. د- چگالی)، زیر

قبل از v atelno

λ m = κV m = κΜ/d

بنابراین، رسانایی الکتریکی معادل (یا مولی) رسانایی رسانایی است که بین دو صفحه موازی واقع در فاصله یک متری از یکدیگر قرار دارد و به طوری که یک معادل (یا یک مول) از یک ماده (به شکل محلول یا نمک فردی).

این اندازه‌گیری رسانایی رسانایی همان مقدار ماده (مول یا معادل)، اما در حجم‌های مختلف را مشخص می‌کند و بنابراین، تأثیر نیروهای برهم‌کنش بین یون‌ها را به عنوان تابعی از فواصل بین یونی منعکس می‌کند.

رسانایی الکترونیکی

فلزاتی که با انرژی انتقال الکترون کم از باند ظرفیت به نوار رسانایی در دمای معمولی مشخص می شوند، دارای تعداد کافی الکترون در نوار رسانایی هستند تا از رسانایی الکتریکی بالا اطمینان حاصل شود. رسانایی فلزات با افزایش دما کاهش می یابد. این امر به این دلیل است که با افزایش دما در فلزات، اثر افزایش انرژی ارتعاشی یون‌های شبکه بلوری که مقاومت در برابر حرکت جهتی الکترون‌ها را فراهم می‌کند، بر اثر افزایش تعداد حامل‌های بار در فلزات غالب می‌شود. باند هدایت مقاومت فلزات شیمیایی خالص با افزایش دما افزایش می یابد و تقریباً 4∙10-3 R 0 با افزایش دما به میزان یک درجه افزایش می یابد (R0 - مقاومت در 0 درجه سانتیگراد). برای اکثر فلزات شیمیایی خالص، هنگامی که گرم می شوند، یک رابطه خطی بین مقاومت و دما وجود دارد

R = R 0 (1 + αt)

جایی که α ضریب دمایی مقاومت است.

ضرایب دمایی آلیاژها می تواند در محدوده وسیعی متفاوت باشد، به عنوان مثال، برای برنج α = 1.5∙10-3، و برای کانستانتان α = 4∙10-6.

رسانایی ویژه فلزات و آلیاژها در محدوده 10 6 - 7 ∙10 7 S/m قرار دارد. رسانایی الکتریکی یک فلز به تعداد و بار الکترون های دخیل در انتقال جریان و میانگین زمان سفر بین برخوردها بستگی دارد. همین پارامترها در یک شدت میدان الکتریکی معین، سرعت الکترون را تعیین می کنند. بنابراین، چگالی جریان در یک فلز را می توان با معادله بیان کرد

میانگین سرعت حرکت سفارشی بارها کجاست. پ- تعداد الکترون های نوار رسانایی در واحد حجم.

نیمه رساناها در رسانایی خود یک موقعیت متوسط ​​بین فلزات و عایق ها را اشغال می کنند. مواد نیمه هادی خالص مانند ژرمانیوم و سیلیکون دارای رسانایی ذاتی هستند.

برنج. 5.1. طرح تشکیل یک جفت الکترون رسانایی (1) - سوراخ (2).

رسانایی ذاتی به این دلیل است که هنگامی که برانگیختگی حرارتی الکترون ها رخ می دهد، آنها از باند ظرفیت به نوار رسانایی منتقل می شوند. این الکترون ها تحت تأثیر اختلاف پتانسیل در جهت خاصی حرکت می کنند و فراهم می کنند هدایت الکترونیکینیمه هادی ها هنگامی که یک الکترون به نوار رسانایی می رسد، یک مکان خالی در نوار ظرفیت باقی می ماند - یک "حفره" که معادل حضور یک بار مثبت منفرد است. یک حفره همچنین می تواند تحت تأثیر میدان الکتریکی در نتیجه پریدن الکترون باند ظرفیت به جای خود حرکت کند، اما در جهت مخالف حرکت الکترون های نوار رسانایی، هدایت سوراخنیمه هادی. فرآیند تشکیل سوراخ در شکل نشان داده شده است. 5.1.

بنابراین، در یک نیمه هادی با رسانایی ذاتی دو نوع حامل بار وجود دارد - الکترون ها و حفره ها، که هدایت الکترون و سوراخ نیمه هادی را فراهم می کنند.

در یک نیمه هادی با رسانایی ذاتی، تعداد الکترون های نوار رسانایی برابر با تعداد حفره های نوار ظرفیت است. در یک دمای معین در یک نیمه هادی، یک تعادل دینامیکی بین الکترون ها و حفره ها وجود دارد، یعنی سرعت تشکیل آنها برابر با نرخ نوترکیبی است. ترکیب مجدد یک الکترون نوار رسانایی با یک سوراخ باند ظرفیتی منجر به "تشکیل" یک الکترون در نوار ظرفیت می شود.

رسانایی خاص یک نیمه هادی به غلظت حامل های بار بستگی دارد، یعنی به تعداد آنها در واحد حجم. بیایید غلظت الکترون n i و غلظت حفره p i را نشان دهیم. در یک نیمه هادی با رسانایی ذاتی، n i = p i (این گونه نیمه هادی ها به طور خلاصه نیمه هادی های نوع i نامیده می شوند). غلظت حامل های بار، به عنوان مثال در ژرمانیوم خالص، برابر است با n i = p i ≈10 19 m-3، در سیلیکون تقریباً 10 16 m-3 و 10-7 - 10-10٪ نسبت به تعداد اتم ها ن.

تحت تأثیر میدان الکتریکی، حرکت هدایت شده الکترون ها و حفره ها در یک نیمه هادی رخ می دهد. چگالی جریان رسانایی شامل الکترونی است من eو سوراخ من صچگالی جریان: i = i e + i pکه با وجود برابری غلظت حامل ها، از نظر اندازه برابر نیستند، زیرا سرعت حرکت (تحرک) الکترون ها و حفره ها متفاوت است. چگالی جریان الکترون برابر است با:

سرعت متوسط ​​الکترون ها متناسب با شدت است E"میدان الکتریکی:

عامل تناسب w e 0 سرعت حرکت یک الکترون را در یک واحد میدان الکتریکی مشخص می کند و به آن سرعت مطلق حرکت می گویند. در دمای اتاق در ژرمانیوم خالص w e 0 = 0.36 m 2 / (V∙s).

از دو معادله آخر بدست می آوریم:

با تکرار استدلال مشابه برای هدایت سوراخ، می توانیم بنویسیم:

سپس برای چگالی جریان کل:

مقایسه عبارت i با قانون اهم i = κ E",در S = 1 m2 دریافت می کنیم:

همانطور که در بالا ذکر شد، برای یک نیمه هادی با رسانایی ذاتی n i = p i، بنابراین

w p 0 همیشه کمتر است w e 0، برای مثال در آلمان w p 0 = 0.18 m 2 / (V∙s)، و w e 0 = 0.36 m 2 / (V∙s).

بنابراین، رسانایی الکتریکی ویژه یک نیمه هادی به غلظت حامل ها و سرعت مطلق آنها بستگی دارد و به طور افزایشی از دو عبارت تشکیل شده است:

κ i = κ e + κ p

قانون اهم برای نیمه هادی ها تنها در صورتی برآورده می شود که غلظت حامل n i به شدت میدان بستگی نداشته باشد. در قدرت میدان بالا، که بحرانی نامیده می شود (برای ژرمانیوم Ecr' = 9∙10 4 V/m، برای سیلیکون Ecr' = 2.5 ∙10 4 V/m)، قانون اهم نقض می شود که با تغییر همراه است. در انرژی الکترون در اتم و کاهش انرژی انتقال به نوار رسانایی و همچنین امکان یونیزاسیون اتم های شبکه. هر دو اثر باعث افزایش غلظت حامل های بار می شوند.

رسانایی الکتریکی در شدت میدان بالا با قانون تجربی پول بیان می شود:

ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E cr’)

جایی که κ 0 - رسانایی در E' = Ecr' .

با افزایش دما در نیمه هادی، تولید شدید حامل های بار رخ می دهد و غلظت آنها سریعتر از کاهش سرعت مطلق حرکت الکترون به دلیل حرکت حرارتی افزایش می یابد. بنابراین، در مقابل

از فلزات، هدایت الکتریکی نیمه هادی ها با افزایش دما افزایش می یابد. برای اولین تقریب، برای یک محدوده دمایی کوچک، وابستگی دمایی رسانایی یک نیمه هادی را می توان با این معادله بیان کرد.

جایی که ک- ثابت بولتزمن آ- انرژی فعال سازی (انرژی مورد نیاز برای انتقال یک الکترون به نوار رسانایی).

نزدیک به صفر مطلق، تمام نیمه هادی ها عایق های خوبی هستند. با افزایش دما در هر درجه، هدایت آنها به طور متوسط ​​3 تا 7٪ افزایش می یابد.

هنگامی که ناخالصی ها به یک نیمه هادی خالص وارد می شوند، به رسانایی الکتریکی خود می افزایند هدایت الکتریکی ناخالصیبه عنوان مثال، اگر عناصر گروه V سیستم تناوبی (P، As، Sb) به ژرمانیوم وارد شوند، دومی با ژرمانیوم با مشارکت چهار الکترون و الکترون پنجم به دلیل یونیزاسیون کم، شبکه ای تشکیل می دهند. انرژی اتم های ناخالصی (حدود 1.6∙10-21)، از اتم ناخالصی به نوار رسانایی منتقل می شود. در چنین نیمه هادی، هدایت الکترونیکی غالب خواهد بود (نیمه هادی نامیده می شود نیمه هادی الکترونیکی نوع n].اگر اتم های ناخالص نسبت به ژرمانیوم میل الکترونی بیشتری داشته باشند، به عنوان مثال عناصر گروه III (In، Ga، B، A1)، آنگاه الکترون ها را از اتم های ژرمانیوم دور می کنند و حفره هایی در نوار ظرفیت ایجاد می شود. در چنین نیمه هادی ها، رسانایی سوراخ غالب است (نیمه هادی نوع p].اتم های ناخالصی که رسانایی الکترونیکی را فراهم می کنند اهدا کنندگانالکترون ها و حفره - پذیرندگان).

اگر غلظت اتم های ناخالصی ND دهنده یا گیرنده NA از غلظت حامل های بار ذاتی بیشتر شود، نیمه هادی های ناخالصی هدایت الکتریکی بالاتری نسبت به نیمه هادی های با رسانایی ذاتی دارند. در مقادیر زیاد N D و N A، غلظت حامل های ذاتی را می توان نادیده گرفت. حامل های بار که غلظت آنها در یک نیمه هادی غالب است نامیده می شوند اصلی هابه عنوان مثال، در ژرمانیوم نوع n n ≈ 10 22 m-3، در حالی که n i ≈ 10 19 m~ 3 است، یعنی غلظت حامل های اصلی 10 3 برابر بیشتر از غلظت حامل های ذاتی است.

برای نیمه هادی های ناخالص روابط زیر معتبر است:

n n p n = n i p i = n i 2 = p i 2

n p p p = n i p i = n i 2 = p i 2

اولین مورد از این معادلات برای یک نیمه هادی نوع n و دومی برای یک نیمه هادی نوع p نوشته شده است. از این روابط نتیجه می شود که مقدار بسیار کمی از ناخالصی (حدود 10-4 0 / o) به طور قابل توجهی غلظت حامل های بار را افزایش می دهد که در نتیجه هدایت الکتریکی افزایش می یابد.

اگر غلظت حامل های ذاتی را نادیده بگیریم و برای یک نیمه هادی نوع n N D ≈ n n و برای یک نیمه هادی نوع p N A ≈ р فرض کنیم، هدایت الکتریکی یک نیمه هادی ناخالصی را می توان با معادلات بیان کرد:

هنگامی که میدان الکتریکی در نیمه هادی های نوع n اعمال می شود، انتقال بار توسط الکترون ها و در نیمه هادی های نوع p توسط سوراخ ها انجام می شود.

تحت تأثیرات خارجی، مانند تابش، غلظت حامل های بار تغییر می کند و می تواند در قسمت های مختلف نیمه هادی متفاوت باشد. در این مورد، مانند محلول ها، فرآیندهای انتشار در نیمه هادی رخ می دهد. قوانین فرآیندهای انتشار از معادلات فیک تبعیت می کنند. ضرایب انتشار حامل های بار بسیار بالاتر از یون های موجود در محلول است. به عنوان مثال، در ژرمانیوم ضریب انتشار الکترون ها 98∙10-4 m 2 / s، سوراخ ها - 47 ∙10 -4 m 2 / s است. نیمه هادی های معمولی، علاوه بر ژرمانیوم و سیلیکون، در دمای اتاق تعدادی اکسید، سولفید، سلنید، تلرید و غیره هستند (به عنوان مثال، CdSe، GaP، ZnO، CdS، SnO 2، In 2 O 3، InSb).

رسانایی یونی

گازها، برخی ترکیبات جامد (بلورها و شیشه‌های یونی)، نمک‌های منفرد مذاب و محلول‌های ترکیبات در آب، حلال‌های غیرآبی و مذاب‌ها دارای رسانایی یونی هستند. مقادیر رسانایی هادی های نوع دوم از کلاس های مختلف در محدوده های بسیار گسترده ای متفاوت است:

توجه: مقادیر رسانایی خاص برای محلول ها در دمای 18 درجه سانتیگراد داده شده است.

با این حال، در همه موارد، مقادیر داده شده κ چندین مرتبه کمتر از مقادیر κ فلزات هستند (به عنوان مثال، رسانایی نقره، مس و سرب 0.67∙10 8، 0.645∙10 8 و به ترتیب 0.056∙10 8 S/m).

در هادی های نوع دوم، همه انواع ذرات دارای بار الکتریکی می توانند در انتقال الکتریسیته شرکت کنند. اگر هر دو کاتیون و آنیون جریان داشته باشند، الکترولیت ها دارای جریان هستند هدایت دوقطبیاگر جریان فقط یک نوع یون - کاتیون یا آنیون - را حمل کند، مشاهده می کنیم هدایت کاتیونی یا آنیونی تک قطبی

در مورد رسانایی دوقطبی، یون‌هایی که سریع‌تر حرکت می‌کنند نسبت بیشتری از جریان را نسبت به یون‌هایی که کندتر حرکت می‌کنند، حمل می‌کنند. کسری از جریان حمل شده توسط یک نوع ذره معین نامیده می شود شماره حملاز این نوع ذرات (t i) با رسانایی تک قطبی، تعداد انتقال نوع یون هایی که جریان را حمل می کنند برابر با یک است، زیرا تمام جریان توسط این نوع یون ها منتقل می شود. اما با رسانایی دوقطبی، عدد انتقال هر نوع یون کمتر از واحد است و

علاوه بر این، عدد انتقال باید به عنوان مقدار مطلق کسری از جریان قابل انتساب به یک نوع معین از یون ها درک شود، بدون در نظر گرفتن این واقعیت که کاتیون ها و آنیون ها جریان الکتریکی را در جهات مختلف انتقال می دهند.

تعداد انتقال هر نوع ذره (یون) در طول رسانایی دوقطبی یک مقدار ثابت نیست که فقط ماهیت نوع خاصی از یون را مشخص کند، بلکه به ماهیت ذرات شریک نیز بستگی دارد. به عنوان مثال، تعداد انتقال یون های کلر در محلول اسید هیدروکلریک کمتر از محلول KS1 با همان غلظت است، زیرا یون های هیدروژن از یون های پتاسیم متحرک تر هستند. روش‌های تعیین اعداد انتقال متنوع هستند و اصول آنها در کارگاه‌های آزمایشگاهی مربوطه در الکتروشیمی نظری بیان شده است.

قبل از اینکه به بررسی رسانایی الکتریکی طبقات خاصی از مواد بپردازیم، اجازه دهید به یک موضوع کلی بپردازیم. هر جسمی در میدان ثابتی از نیروهایی که بر روی آن با شتاب وارد می شود حرکت می کند. در همین حال، یون‌ها در تمام کلاس‌های الکترولیت‌ها، به جز گازها، تحت تأثیر میدان الکتریکی با شدت معین با سرعت ثابت حرکت می‌کنند. برای توضیح این موضوع، بیایید نیروهای وارد بر یون را تصور کنیم. اگر جرم یون m و سرعت حرکت آن باشد wسپس نیروی نیوتنی mdw/dtبرابر است با تفاوت بین نیروی میدان الکتریکی (M) که یون را به حرکت در می آورد و نیروی واکنشی (L') که حرکت آن را کند می کند، زیرا یون در یک محیط چسبناک حرکت می کند. هرچه سرعت یون بیشتر باشد، نیروی واکنش بیشتر است، یعنی L' = L w(اینجا L- ضریب تناسب). بدین ترتیب

بعد از جداسازی متغیرها داریم:

تعیین M – L w = v، d می گیریم w= - د v/زمین

یا

ثابت ادغام از شرط مرزی تعیین می شود: at t = 0 w = 0، یعنی . از لحظه ای که یون شروع به حرکت می کند (لحظه روشن شدن جریان) شروع به شمارش زمان می کنیم. سپس:

با جایگزینی مقدار آن به جای ثابت، در نهایت به دست می آوریم.