Iedereen die veel tijd rond een zwembad doorbrengt, ontdekt al snel dat mensen over het algemeen erg bezorgd over het hebben van elektrische apparaten in de buurt van het water - vooral als ze toevallig zijn aangesloten in.
Dit geldt in feite voor de meeste situaties waarin een voldoende waterreservoir overal in de buurt van bekende elektrische stroomstromen bestaat. Dankzij de geleidbaarheid van water is de duivelse misdaad "broodrooster in de badkuip" een geliefd cliché in ouderwetse moordmysterieverhalen.
Het punt hier is niet dat je jezelf kunt verwonden met elektriciteit, hoewel dat altijd van vitaal belang is om in gedachten te houden; het is dat de meeste alerte volwassenen, en wat dat betreft middelbare scholieren, weten te vermijden om water met stroom in welke vorm dan ook te mengen, of ze nu natuurkunde kennen of niet. (In feite blijven sommige overdreven voorzichtige ideeën bestaan, zoals het idee dat je waarschijnlijk een schok krijgt als je ook maar een plastic lichtschakelaar aanraakt als je vingers nat zijn.)
Vooralsnog belangrijker is de vraag hoe elektriciteit in ieder geval "stroomt"sommigevloeistoffen wanneer tenminstesommigevaste stoffen kunnen het bevatten. Is het alleen water dat op deze manier in wisselwerking staat met elektriciteit? Hoe zit het met gemorste melk of sap? En meer in het algemeen, welke eigenschappen van materie dragen bij aan de waarde van zijn?geleidbaarheid?
Basisprincipes van elektriciteit
Het fenomeen dat bekend staat als elektriciteit is eigenlijk niet meer dan de beweging vanelektronenvia een of ander fysiek medium of materiaal.
Je denkt misschien niet aan lucht als een materiaal, maar in feite is lucht rijk aan verschillende moleculen die je niet kunt zien, waarvan er veel kunnen en zullen deelnemen aan elektrische stroming. Je kunt duidelijk geen elektronen zien, dus als je in elektriciteit gelooft, zou je moeten geloven dat verbazingwekkend kleine dingen een grote rol spelen in het gedrag van alledaagse materialen!
Verschillende materialen zorgen voor deze doorgang van elektronen - en daarmee hun elektrische ladingen - in verschillende mate, afhankelijk van hun individuele moleculaire en atomaire structuren. Hoe minder botsingen met andere kleine objecten worden ervaren door elektronen te zippen, hoe gemakkelijker ze door de materie in kwestie worden verzonden.
De algemene vergelijking voor stroom is
I=\frac{V}{R}
waarikis de stroomsterkte in ampère,Vis elektrisch potentiaalverschil in volt ("voltage") enRis de weerstand in ohm. Weerstand is gerelateerd aan geleidbaarheid, zoals je snel zult leren.
Wat is geleidbaarheid?
Geleidbaarheid, of meer formeelelektrische geleiding:, is een wiskundige maatstaf voor het vermogen van een materiaal om elektriciteit te geleiden. Het wordt weergegeven door de Griekse letter sigma(σ)en de SI-eenheid (metrisch systeem) is desiemens per meter (S/m).
- De siemens wordt ook wel a. genoemdmho, wat "ohm" achterstevoren is gespeld. Tegen het einde van de 20e eeuw was deze term echter buiten gebruik geraakt.
Geleidbaarheid is slechts het wiskundige omgekeerde vanweerstand.Weerstand wordt weergegeven door de kleine Griekse letter rho (ρ) en wordt gemeten in ohm-meters (Ωm), wat betekent dat de S/m ook beschreven kan worden als een reciproke ohm-meter (1/Ωm of Ωm-1). Bij uitbreiding kun je zien dat een siemen het omgekeerde is van een ohm. Sindsdirigereniets in de echte wereld is het tegenovergestelde vanweerstand biedenzijn passage, dit is fysiek zinvol.
De geleidbaarheid van een materiaal is een intrinsieke eigenschap van dat materiaal en staat los van hoe een circuit of ander systeem is geassembleerd, wat wordt verklaard door de "per meter" in de Siemens-eenheid. Het is gerelateerd aan de weerstand van een materiaal, vaak een draad in natuurkundige problemen met deze situaties, door de uitdrukking the
R=\frac{\rho L}{A}
waarLis de lengte als de draad in m enEENzijn dwarsdoorsnede in m2.
Geleidbaarheid vs. Geleiding
Zoals opgemerkt, is geleidbaarheid niet afhankelijk van experimentele opstelling en is het slechts een weerspiegeling van hoe een bepaald materiaal (vast, vloeibaar of gasvormig) "is". Sommige materialen maken van nature sterke geleiders (en dus slechte weerstanden), terwijl anderen elektriciteit zwak of helemaal niet kunnen geleiden en goede weerstanden (of elektrische isolatoren).
Met een elektrisch circuit kun je de opstelling manipuleren, zodat je elk stroomniveau kunt krijgen dat je wilt, ongeacht de combinatie van weerstandselementen die je opneemt. Dit is de reden waarom weerstand wordt aangeduidRen heeft geen lengte in zijn eenheden; het is een maatstaf voor de eigenschappen van een systeem, niet die van een materiaal. Overeenkomstig,geleiding(gesymboliseerd door de letterGen gemeten in siemens) werkt op dezelfde manier. Maar het is normaal gesproken handiger in gebruikRofρdan het is om mee te gaanGofσ.
Bedenk bij wijze van analogie dat de coach van een voetbalteam de kracht en snelheid van zijn individuele spelers kan veranderen, maar dat uiteindelijk elke voetbal bestaande team heeft dezelfde essentiële beperkingen: 11 menselijke spelers aan een kant, variërend in hun fysieke mogelijkheden maar met dezelfde basis eigendommen.
Elektrische geleiding en water: een overzicht
Het meest schokkende dat je in dit artikel zult leren (en dat is niet zomaar een woordspeling, eerlijk gezegd!) is dat water, strikt genomen, een verschrikkelijke geleider van elektriciteit is. Dat wil zeggen, pure H2O (waterstof en zuurstof in een verhouding van 2:1) geleidt geen elektriciteit.
Zoals je ongetwijfeld al hebt geconcludeerd, betekent dit dat het ontmoeten van echt zuiver water iets is dat in wezen nooit gebeurt. Zelfs in een laboratoriumomgeving is het gemakkelijk voor ionen (geladen deeltjes) om in water te "sluipen" dat is gecondenseerd uit pure stoom, d.w.z. gedestilleerd.
Water uit leidingen en rechtstreeks uit natuurlijke bronnen is steevast rijk aan onzuiverheden zoals mineralen, chemicaliën en diverse opgeloste stoffen. Dit is natuurlijk niet per se een slechte zaak; al dat zout in oceaanwater maakt het bijvoorbeeld iets gemakkelijker om in zee te drijven als dat je spel is.
Toevallig is keukenzout (natriumchloride of NaCl) een van de bekendere stoffen die water van zijn isolerende eigenschappen kunnen beroven wanneer het wordt opgelost in H2O.
Belang van geleidbaarheid in water
De geleidbaarheid van water in Amerikaanse rivieren varieert sterk, van ongeveer 50 tot 1500 µS/cm. Zoetwaterstromen in het binnenland waarin vissen kunnen gedijen, hebben doorgaans tussen de 150 en 500 µS/cm. Een hogere of lagere geleidbaarheid kan erop wijzen dat het water niet geschikt is voor bepaalde vissoorten of macro-invertebraten. Industriewateren kunnen oplopen tot 10.000 µS/cm.
Geleidbaarheid is een indirecte maat voor bijvoorbeeld beekwaterkwaliteit. Elke waterweg heeft een relatief constant bereik dat kan worden gebruikt als basisgeleiding van drinkwaterstandaard. Regelmatige geleidbaarheidsbeoordelingen gedaan met behulp van eenwater geleidbaarheid meter. Grote veranderingen in de geleidbaarheid kunnen wijzen op de noodzaak van een opruimactie.
Warmtegeleiding
Dit artikel gaat duidelijk over elektrische geleidbaarheid. In de natuurkunde hoor je echter waarschijnlijk over de geleiding van warmte, wat een beetje anders is omdat warmte wordt gemeten in energie, terwijl elektriciteit, die energie kan leveren, dat niet is.
Veranderingen in de thermische geleidbaarheid van een materiaal hebben de neiging om parallel te lopen met veranderingen in de elektrische geleidbaarheid, hoewel meestal niet op dezelfde schaal. Een interessante eigenschap van materialen is dat, hoewel de meeste van hen slechtere geleiders worden als ze worden verwarmd (omdat deeltjes sneller rondsuizen) en sneller naarmate de temperatuur stijgt, hebben ze meer kans om te "interfereren" met elektronen), dit geldt niet voor een klasse materialen die halfgeleiders.
