Γιατί είναι σημαντική η αγωγιμότητα;

Όποιος ξοδεύει πολύ χρόνο γύρω από μια πισίνα ανακαλύπτει γρήγορα ότι οι άνθρωποι είναι γενικά πολύ ανησυχείτε για την ύπαρξη ηλεκτρικών συσκευών κοντά στο νερό - ακόμη περισσότερο εάν τυχαίνει να συνδεθούν σε.

Αυτό ισχύει, στην πραγματικότητα, για τις περισσότερες καταστάσεις όπου υπάρχει επαρκής δεξαμενή νερού οπουδήποτε κοντά σε γνωστές ροές ηλεκτρικού ρεύματος. Χάρη στην αγωγιμότητα του νερού, το διαβολικό έγκλημα "φρυγανιέρα στην μπανιέρα" είναι κάτι από ένα αγαπημένο κλισέ στις παλιές σχολές, τις ιστορίες δολοφονίας και μυστηρίου.

Το σημείο εδώ δεν είναι ότι μπορείς να βλάψεις τον εαυτό σου με ηλεκτρικό ρεύμα, αν και αυτό είναι πάντα ζωτικής σημασίας να θυμάσαι. Είναι ότι οι περισσότεροι ενήλικες που είναι σε εγρήγορση, και για αυτό το θέμα τα παιδιά μεσαίου σχολείου, γνωρίζουν να αποφεύγουν την ανάμιξη νερού με ρεύμα σε οποιαδήποτε μορφή, είτε γνωρίζουν τη φυσική είτε όχι. (Στην πραγματικότητα, εξακολουθούν να υπάρχουν μερικές υπερβολικά προσεκτικές ιδέες, όπως η ιδέα ότι πιθανότατα θα εκπλαγείτε αν αγγίξετε έναν πλαστικό διακόπτη φωτός όταν τα δάχτυλά σας είναι βρεγμένα.)

Το πιο σημαντικό προς το παρόν είναι το ζήτημα του τρόπου με τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια «ρέει» τουλάχιστονμερικοίυγρά όταν τουλάχιστονμερικοίτα στερεά μπορούν να το περιέχουν. Είναι απλώς νερό που αλληλεπιδρά με τον ηλεκτρισμό με αυτόν τον τρόπο; Τι γίνεται με χυμένο γάλα ή χυμό; Και γενικότερα, ποιες ιδιότητες της ύλης συμβάλλουν στην αξία τηςαγώγιμο​?

Το φαινόμενο που είναι γνωστό ως ηλεκτρισμός δεν είναι τίποτα περισσότερο από την κίνησηηλεκτρόνιαμέσω κάποιου είδους φυσικού μέσου ή υλικού.

Μπορεί να μην σκέφτεστε τον αέρα ως υλικό, αλλά στην πραγματικότητα, ο αέρας πλούσιος σε διάφορα μόρια που δεν μπορείτε να δείτε, πολλά από τα οποία μπορούν και συμμετέχουν στην ηλεκτρική ροή. Προφανώς δεν μπορείτε να δείτε ηλεκτρόνια, οπότε αν πιστεύετε στον ηλεκτρισμό, θα πρέπει να πιστεύετε ότι εκπληκτικά μικροσκοπικά πράγματα παίζουν τεράστιο ρόλο στη συμπεριφορά των καθημερινών υλικών!

Διαφορετικά υλικά επιτρέπουν αυτό το πέρασμα των ηλεκτρονίων - και μαζί τους, τα ηλεκτρικά τους φορτία - σε διαφορετικούς βαθμούς ανάλογα με τις μεμονωμένες μοριακές και ατομικές δομές τους. Όσο λιγότερες είναι οι συγκρούσεις με άλλα μικροσκοπικά αντικείμενα που βιώνουν τα ηλεκτρόνια με φερμουάρ, τόσο πιο εύκολα μεταδίδονται μέσω του συγκεκριμένου θέματος.

Η γενική εξίσωση για την τρέχουσα ροή είναι

όπουΕγώείναι η ροή ρεύματος σε αμπέρ,Βείναι διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού σε βολτ ("τάση") καιΡείναι η αντίσταση στα ωμ. Η αντίσταση σχετίζεται με την αγωγιμότητα, καθώς θα μάθετε σύντομα.

Αγωγιμότητα ή πιο επίσημαηλεκτρική αγωγιμότητα, είναι ένα μαθηματικό μέτρο της ικανότητας ενός υλικού να αγωγεί ηλεκτρισμό. Αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα sigma(σ)και η μονάδα SI (μετρικό σύστημα) είναι τοsiemens ανά μέτρο (S / m)​.

• Οι siemens ονομάζονται επίσης aΜωο, που γράφεται "ohm" προς τα πίσω. Ωστόσο, αυτός ο όρος δεν είχε χρησιμοποιηθεί από τα τέλη του 20ού αιώνα.

Η αγωγιμότητα είναι απλώς η μαθηματική αμοιβαιότητα τουαντίσταση.Η αντίσταση αντιπροσωπεύεται από το μικρό ελληνικό γράμμα rho (ρ) και μετριέται σε ωμ-μέτρα (Ωμ), πράγμα που σημαίνει ότι το S / m μπορεί επίσης να περιγραφεί ως αμοιβαίο ωμέτρο (1 / Ωm ή Ωμ)^-1). Κατ 'επέκταση, μπορείτε να δείτε ότι οι σημερινοί είναι το αντίστροφο ενός ωμ. Απόδιεξαγωγήκάτι στον πραγματικό κόσμο είναι το αντίθετοαντιστέκονταιτο πέρασμα του, αυτό έχει φυσική λογική.

Η αγωγιμότητα ενός υλικού είναι εγγενής ιδιότητα αυτού του υλικού και δεν σχετίζεται με τον τρόπο συναρμολόγησης ενός κυκλώματος ή άλλου συστήματος, το οποίο λογίζεται από το "ανά μέτρο" στη μονάδα siemens. Σχετίζεται με την αντίσταση ενός υλικού, συχνά ένα σύρμα σε προβλήματα φυσικής που εμπλέκουν αυτές τις καταστάσεις, από την έκφραση

όπουμεγάλοείναι το μήκος εάν το σύρμα σε m καιΕΝΑη διατομή του σε m².

Όπως σημειώθηκε, η αγωγιμότητα δεν εξαρτάται από την πειραματική ρύθμιση και είναι απλώς μια αντανάκλαση του πώς είναι ένα δεδομένο υλικό (στερεό, υγρό ή αέριο) "." Μερικά υλικά Φυσικά φτιάχνουν ισχυρούς αγωγούς (και άρα φτωχές αντιστάσεις) ενώ άλλοι μπορούν να αγωγούν ηλεκτρισμό ασθενώς ή καθόλου και να κάνουν καλές αντιστάσεις (ή ηλεκτρικές μονωτές).

Με ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μπορείτε να χειριστείτε τη ρύθμιση έτσι ώστε να έχετε ό, τι επίπεδο ρεύματος θέλετε, δεδομένου του συνδυασμού των στοιχείων αντίστασης που συμπεριλαμβάνετε. Γι 'αυτό ορίζεται η αντίστασηΡκαι δεν έχει μήκος στις μονάδες του. είναι ένα μέτρο των ιδιοτήτων ενός συστήματος, όχι ενός υλικού. Αναλόγως,αγωγιμότητα(συμβολίζεται με το γράμμασολκαι μετριέται σε siemens) λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Αλλά είναι συνήθως πιο βολικό στη χρήσηΡήραπό ό, τι είναι να πάτεσολήσ​.

Ως αναλογία, θεωρήστε ότι ο προπονητής μιας ποδοσφαιρικής ομάδας μπορεί να αλλάξει τη δύναμη και την ταχύτητα των μεμονωμένων παικτών της, αλλά στο τέλος, κάθε ποδόσφαιρο Η ομάδα που υπάρχει έχει τους ίδιους ουσιαστικούς περιορισμούς: 11 ανθρώπινοι παίκτες στο πλάι, που ποικίλλουν στις φυσικές τους ικανότητες αλλά έχουν το ίδιο βασικό ιδιότητες.

Το πιο σοκαριστικό πράγμα που θα μάθετε σε αυτό το άρθρο (και αυτό δεν είναι απλώς μια λογική, ειλικρινά!) Είναι ότι το νερό, αυστηρά μιλώντας, είναι ένας φοβερός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας. Δηλαδή, καθαρό Η₂Το O (υδρογόνο και οξυγόνο σε αναλογία 2: 1) δεν μεταφέρει ηλεκτρισμό.

Δεδομένου ότι δεν έχετε αμφιβολία ήδη καταλήξει, αυτό σημαίνει ότι το πραγματικά καθαρό νερό είναι κάτι που ουσιαστικά δεν συμβαίνει ποτέ. Ακόμα και σε εργαστηριακό περιβάλλον, είναι εύκολο για τα ιόντα (φορτισμένα σωματίδια) να «γλιστρήσουν» σε νερό που έχει συμπυκνωθεί από καθαρό ατμό, δηλαδή, αποσταγμένο.

Το νερό από σωλήνες και απευθείας από φυσικές πηγές είναι πάντα πλούσιο σε ακαθαρσίες όπως μέταλλα, χημικές ουσίες και διάφορες διαλυμένες ουσίες. Αυτό δεν είναι απαραίτητα κακό, φυσικά. Όλο αυτό το αλάτι στο νερό των ωκεανών, για παράδειγμα, καθιστά ελαφρώς πιο εύκολο να επιπλέεις στη θάλασσα αν αυτό είναι το παιχνίδι σου.

Όπως συμβαίνει, το επιτραπέζιο αλάτι (χλωριούχο νάτριο ή NaCl) είναι μια από τις πιο γνωστές ουσίες που μπορούν να κλέψουν το νερό από τις μονωτικές τους ιδιότητες όταν διαλύονται σε Η₂Ο.

Η αγωγιμότητα του νερού στα ποτάμια των ΗΠΑ κυμαίνεται ευρέως, από περίπου 50 έως 1.500 μS / cm. Τα ρεύματα γλυκών υδάτων που επιτρέπουν στα ψάρια να ευδοκιμούν τείνουν να έχουν μεταξύ 150 και 500 μS / cm. Υψηλότερη ή χαμηλότερη αγωγιμότητα μπορεί να υποδηλώνει ότι το νερό δεν είναι κατάλληλο για ορισμένα είδη ψαριών ή μακροασπόνδυλων. Τα βιομηχανικά ύδατα μπορούν να κυμαίνονται έως 10.000 μS / cm.

Η αγωγιμότητα είναι ένα έμμεσο μέτρο, για παράδειγμα, της ποιότητας των ρευμάτων νερού. Κάθε πλωτή οδό διαθέτει σχετικά σταθερή κλίμακα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βασική αγωγιμότητα στάνταρ πόσιμου νερού. Τακτικές αξιολογήσεις αγωγιμότητας που γίνονται χρησιμοποιώντας έναμετρητής αγωγιμότητας νερού. Σημαντικές αλλαγές στην αγωγιμότητα θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν την ανάγκη για προσπάθεια καθαρισμού.

Αυτό το άρθρο αφορά σαφώς την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Στη φυσική, όμως, είναι πιθανό να ακούσετε για την αγωγή θερμότητας, η οποία είναι λίγο διαφορετική επειδή η θερμότητα μετράται στην ενέργεια ενώ η ηλεκτρική ενέργεια, η οποία μπορεί να παρέχει ενέργεια, δεν είναι.

Οι αλλαγές στη θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού τείνουν να παράλληλες αλλαγές στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του, αν και όχι συνήθως στην ίδια κλίμακα. Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα των υλικών είναι ότι ενώ τα περισσότερα από αυτά γίνονται φτωχότεροι αγωγοί καθώς θερμαίνονται (καθώς τα σωματίδια κινούνται πιο γρήγορα και γρηγορότερα όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία, είναι πιο πιθανό να "παρεμβαίνουν" στα ηλεκτρόνια), αυτό δεν ισχύει για μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται ημιαγωγοί.