Miksi johtavuus on tärkeää?

Jokainen, joka viettää paljon aikaa uima-altaan ympärillä, huomaa nopeasti, että ihmiset ovat yleensä hyvin huolissaan siitä, että sähkölaitteet ovat lähellä vettä - varsinkin jos ne on kytketty pistorasiaan sisään.

Tämä pätee itse asiassa useimmissa tilanteissa, joissa riittävä vesisäiliö on olemassa lähellä tunnettuja sähkövirtauksia. Veden johtavuuden ansiosta pirullinen röyhkeys "leivänpaahdin kylpyammeessa" on jokin rakastettu klisee vanhan koulun murhan ja mysteerin tarinoissa.

Tässä ei ole kyse siitä, että voit vahingoittaa itseäsi sähköllä, vaikka se on aina tärkeää pitää mielessä; se, että kaikkein valppaimmat aikuiset ja keskiasteen lapset tietävät välttää veden sekoittamisen virtaan missä tahansa muodossa, tietävätkö he fysiikan vai eivät. (Itse asiassa jotkut liian varovaiset ajatukset jatkuvat, kuten käsitys, josta saatat todennäköisesti saada shokin, jos kosket yhtä paljon muovista valokytkintä, kun sormesi ovat märät.)

Tärkeämpi on toistaiseksi kysymys siitä, kuinka sähkö "virtaa" ainakin sisään

Sähkönä tunnettu ilmiö ei todellakaan ole muuta kuin liikkuminenelektronitjonkinlaisen fyysisen välineen tai materiaalin kautta.

Et voi ajatella ilmaa materiaalina, mutta itse asiassa ilmaa, joka sisältää runsaasti erilaisia ​​molekyylejä, joita et näe, joista monet voivat osallistua ja osallistuvat sähkövirtaan. Et selvästikään näe elektronia, joten jos uskot sähköön, sinun pitäisi uskoa, että hämmästyttävän pienillä asioilla on valtava rooli jokapäiväisten materiaalien käyttäytymisessä!

Eri materiaalit mahdollistavat elektronien - ja niiden mukana myös niiden sähkövarausten - kulkemisen eri asteissa riippuen niiden yksittäisistä molekyyli- ja atomirakenteista. Mitä vähemmän törmäyksiä muiden pienten esineiden kanssa kokee elektronien vetäminen, sitä helpommin ne välittyvät kyseisen aineen läpi.

Virran yleinen yhtälö on

missäMinäon virta virta ampeereina,Von sähköinen potentiaaliero voltteina ("jännite") jaRon vastus ohmoina. Vastus liittyy johtavuuteen, kuten pian opit.

Johtavuus tai enemmän muodollisestisähkönjohtavuus, on matemaattinen mitta materiaalin kyvystä johtaa sähköä. Sitä edustaa kreikan kirjain sigma(σ)ja sen SI (metrinen järjestelmä) -yksikkö onsiemens per metri (S / m)​.

• Siemens kutsutaan myös amho, joka on "ohm" kirjoitettu taaksepäin. Tämä termi oli kuitenkin pudonnut yleisestä käytöstä 1900-luvun loppuun mennessä.

Johtavuus on vain matemaattinen vastavuoroisuusresistiivisyys.Resistiivisyyttä edustaa pieni kreikkalainen kirjain rho (ρ) ja se mitataan ohmmetreinä (Ωm), mikä tarkoittaa, että S / m voidaan kuvata myös vastavuoroiseksi ohmimittariksi (1 / Ωm tai Ωm)^-1). Laajentamalla voit nähdä, että siemen on ohmin vastavuoroisuus. Siitä asti kunjohtaminenjotain todellisessa maailmassa on päinvastainenvastustaasen kulkua, tämä on fyysistä järkeä.

Materiaalin johtavuus on kyseisen materiaalin luonnollinen ominaisuus eikä se liity piirin tai muun järjestelmän kokoonpanoon, jonka siemens-yksikön "metriä kohden" selittää. Se liittyy materiaalin, usein langan, fysiikan ongelmiin, joihin liittyy näihin tilanteisiin, vastus lausekkeella

missäLon pituus, jos lanka on metreinä jaAsen poikkipinta-ala metreinä².

Kuten todettiin, johtokyky ei riipu kokeellisesta kokoonpanosta ja on vain osoitus siitä, kuinka tietty materiaali (kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen) "on". Joitakin materiaaleja luonnollisesti tehdä vahvoja johtimia (ja siten huonoja vastuksia), kun taas toiset voivat johtaa sähköä heikosti tai ei ollenkaan ja tehdä hyviä vastuksia (tai sähköisiä eristimet).

Sähköpiirin avulla voit manipuloida kokoonpanoa niin, että saat haluamasi virran tason, kun otetaan huomioon mikä tahansa yhdistelmä vastuselementtejä. Siksi vastustuskyky on määriteltyRja sen yksiköissä ei ole pituutta; se mittaa järjestelmän ominaisuuksia, ei materiaalia. Asianmukaisesti,johtokyky(symboloi kirjainGja mitattuna siemens) toimii samalla tavalla. Mutta se on yleensä mukavampaa käyttääRtaiρkuin sen kanssa tuleeGtaiσ​.

Harkitse analogisesti, että jalkapallojoukkueen valmentaja voi muuttaa yksittäisten pelaajiensa voimaa ja nopeutta, mutta lopulta jokainen jalkapallojoukkue olemassa olevalla joukkueella on samat olennaiset rajoitukset: 11 ihmispelaajaa, jotka vaihtelevat fyysisissä ominaisuuksissaan, mutta joilla on samat perustiedot ominaisuudet.

Kaikkein järkyttävin asia, jonka opit tästä artikkelista (ja se ei ole vain pun, rehellinen!), On se, että vesi on tarkkaan ottaen kauhea sähkönjohdin. Toisin sanoen puhdas H₂O (vety ja happi suhteessa 2: 1) ei johda sähköä.

Kuten et ole epäilemättä jo päättänyt, tämä tarkoittaa, että todella puhtaan veden kohtaaminen on sellaista, mitä käytännössä ei koskaan tapahdu. Jopa laboratorio-olosuhteissa ionien (varautuneet hiukkaset) on helppo "hiipiä" puhtaaseen höyryyn tiivistettyyn veteen eli tislattuun veteen.

Putkista ja suoraan luonnollisista lähteistä peräisin oleva vesi sisältää poikkeuksetta runsaasti epäpuhtauksia, kuten mineraaleja, kemikaaleja ja erilaisia ​​liuenneita aineita. Tämä ei tietenkään ole välttämättä huono asia; esimerkiksi kaikki tämä suola merivedessä helpottaa hieman kellumista meressä, jos se on sinun pelisi.

Kuten tapahtuu, pöytäsuola (natriumkloridi tai NaCl) on yksi tunnetuimmista aineista, joka voi ryöstää vedeltä sen eristävät ominaisuudet liuotettuna H₂O.

Veden johtavuus Yhdysvaltain jokissa vaihtelee laajasti, noin 50 - 1 500 µS / cm. Sisämaan makean veden puroissa, jotka antavat kalojen menestyä, on yleensä välillä 150–500 µS / cm. Suurempi tai matalampi johtavuus voi osoittaa, että vesi ei sovellu tietyille kalalajeille tai makro selkärangattomille. Teollisuuden vedet voivat vaihdella jopa 10000 µS / cm.

Johtokyky on epäsuora mitta esimerkiksi virtausveden laadusta. Jokaisella vesiväylällä on suhteellisen vakioalue, jota voidaan käyttää juomavesistandardin perustason johtavuutena. Säännölliset johtavuusarvioinnit, jotka tehdään käyttämällä avedenjohtavuusmittari. Suuret johtokyvyn muutokset voivat osoittaa puhdistustarpeen tarpeen.

Tämä artikkeli koskee selvästi sähkönjohtavuutta. Fysiikassa kuulet kuitenkin todennäköisesti lämmön johtumisesta, mikä on hieman erilainen, koska lämpö mitataan energiana, kun taas sähkö, joka voi tuottaa energiaa, ei ole.

Materiaalin lämmönjohtavuuden muutoksilla on taipumus olla samanaikaisia ​​muutoksia sen sähkönjohtavuudessa, vaikkakaan yleensä samassa mittakaavassa. Eräs mielenkiintoinen materiaalien ominaisuus on se, että vaikka suurin osa niistä tulee köyhemmiksi johtimiksi kuumennettaessa (hiukkasten vihisen ympärillä nopeammin ja nopeammin lämpötilan noustessa ne todennäköisesti "häiritsevät" elektroneja), tämä ei ole totta materiaaliluokalle nimeltä puolijohteet.