ทำไมการนำไฟฟ้าจึงสำคัญ?

ใครก็ตามที่ใช้เวลาอยู่รอบ ๆ สระว่ายน้ำอย่างรวดเร็วจะค้นพบว่าคนทั่วไปมักจะเป็นคนที่ชอบอยู่มาก กังวลเกี่ยวกับการมีอุปกรณ์ไฟฟ้าอยู่ใกล้น้ำ – ยิ่งถ้าเสียบปลั๊ก ใน.

นี่เป็นความจริงในสถานการณ์ส่วนใหญ่ที่มีแหล่งกักเก็บน้ำเพียงพอทุกที่ใกล้กับกระแสไฟที่ทราบ ต้องขอบคุณการนำกระแสน้ำ อาชญากรรม "เครื่องปิ้งขนมปังในอ่างอาบน้ำ" ที่โหดร้ายจึงเป็นเรื่องที่คิดโบราณอันเป็นที่รักในเรื่องราวลึกลับเกี่ยวกับการฆาตกรรมในโรงเรียนเก่า

ประเด็นนี้ไม่ใช่ว่าคุณสามารถทำร้ายตัวเองด้วยไฟฟ้าได้ แม้ว่านั่นเป็นสิ่งสำคัญเสมอที่ต้องจำไว้ ผู้ใหญ่ที่ตื่นตัวที่สุด และสำหรับเรื่องนั้น เด็กมัธยมต้น รู้ว่าควรหลีกเลี่ยงการผสมน้ำกับกระแสในรูปแบบใด ๆ ไม่ว่าพวกเขาจะรู้ฟิสิกส์หรือไม่ก็ตาม (อันที่จริง ความคิดที่ระมัดระวังมากเกินไปบางอย่างยังคงมีอยู่ เช่น ความคิดที่คุณอาจตกใจหากคุณแตะสวิตช์ไฟพลาสติกเมื่อนิ้วเปียก)

ที่สำคัญกว่าตอนนี้คือคำถามที่ว่าไฟฟ้า "ไหล" อย่างน้อยที่สุดบางของเหลวเมื่ออย่างน้อยบางของแข็งสามารถบรรจุได้ มันเป็นแค่น้ำที่ทำปฏิกิริยากับไฟฟ้าในลักษณะนี้หรือไม่? แล้วนมหรือน้ำผลไม้ที่หกล่ะ? และโดยทั่วไปแล้ว คุณสมบัติของสสารใดที่ส่งผลต่อมูลค่าของสสารนั้นการนำไฟฟ้า​?

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าไฟฟ้าจริงๆ ไม่ใช่แค่การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านสื่อทางกายภาพหรือวัสดุบางชนิด

คุณอาจไม่คิดว่าอากาศเป็นวัสดุ แต่ในความเป็นจริง อากาศที่อุดมไปด้วยโมเลกุลต่างๆ ที่คุณมองไม่เห็น ซึ่งส่วนใหญ่สามารถและมีส่วนร่วมในการไหลของไฟฟ้า คุณไม่สามารถมองเห็นอิเล็กตรอนได้อย่างชัดเจน ดังนั้น หากคุณเชื่อในไฟฟ้า คุณควรเชื่อว่าสิ่งเล็กๆ น้อยๆ ที่น่าอัศจรรย์มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมของวัสดุในชีวิตประจำวัน!

วัสดุที่แตกต่างกันยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่านได้ และประจุไฟฟ้าของพวกมันก็มีระดับต่างกันไปตามโครงสร้างโมเลกุลและอะตอมของพวกมัน ยิ่งมีการชนกันของวัตถุขนาดเล็กอื่นๆ น้อยเพียงใดจากการรูดซิปอิเล็กตรอน พวกมันก็จะยิ่งถูกส่งผ่านเรื่องที่เป็นปัญหาได้ง่ายขึ้น

สมการทั่วไปสำหรับกระแสคือ

ที่ไหนผมคือกระแสไหลในหน่วยแอมแปร์วีคือความต่างศักย์ไฟฟ้าเป็นโวลต์ ("แรงดันไฟฟ้า") และRคือ ค่าความต้านทานเป็นโอห์ม ความต้านทานเกี่ยวข้องกับการนำไฟฟ้า ดังที่คุณจะได้เรียนรู้ในไม่ช้า

การนำไฟฟ้าหรือเป็นทางการมากขึ้นการนำไฟฟ้าเป็นการวัดทางคณิตศาสตร์ของความสามารถในการนำไฟฟ้าของวัสดุ มันถูกแทนด้วยอักษรกรีก sigma(σ)และหน่วย SI (ระบบเมตริก) ของมันคือซีเมนส์ต่อเมตร (S/m)​.

• ซีเมนส์เรียกอีกอย่างว่าmhoซึ่งสะกดว่า "โอห์ม" ย้อนหลัง อย่างไรก็ตาม คำนี้เลิกใช้กันทั่วไปในปลายศตวรรษที่ 20

การนำไฟฟ้าเป็นเพียงส่วนกลับทางคณิตศาสตร์ของความต้านทานความต้านทานแสดงด้วยอักษรกรีกตัวเล็ก rho (ρ) และวัดเป็นโอห์ม-เมตร (Ωm) ซึ่งหมายความว่า S/m สามารถอธิบายได้ว่าเป็นโอห์มมิเตอร์ส่วนกลับ (1/Ωm หรือ Ωm)^-1). โดยการขยาย คุณจะเห็นว่าซีเมนมีส่วนกลับของโอห์ม ตั้งแต่การดำเนินบางอย่างในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นตรงกันข้ามกับต่อต้านทางของมันทำให้รู้สึกทางกายภาพ

ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของวัสดุนั้น และไม่เกี่ยวข้องกับวิธีการประกอบวงจรหรือระบบอื่นๆ ซึ่งคิดเป็น "ต่อเมตร" ในหน่วยซีเมนส์ มันเกี่ยวข้องกับความต้านทานของวัสดุซึ่งมักจะเป็นเส้นลวดในปัญหาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับสถานการณ์เหล่านี้โดยนิพจน์

ที่ไหนหลี่คือความยาวถ้าเส้นลวดเป็น m และอาพื้นที่หน้าตัดเป็น m².

ตามที่ระบุไว้ ค่าการนำไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าการทดลอง และเป็นเพียงภาพสะท้อนของวัสดุที่กำหนด (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) "เป็น" วัสดุบางอย่าง ตามธรรมชาติจะสร้างตัวนำที่แข็งแรง (และเป็นตัวต้านทานที่ไม่ดี) ในขณะที่ตัวอื่นสามารถนำไฟฟ้าได้อ่อนหรือไม่มีเลยและสร้างตัวต้านทานที่ดี (หรือไฟฟ้า ฉนวนไฟฟ้า)

ด้วยวงจรไฟฟ้า คุณสามารถจัดการการตั้งค่าเพื่อให้คุณได้รับกระแสในระดับใดก็ได้ตามต้องการ โดยพิจารณาจากองค์ประกอบความต้านทานที่คุณรวมไว้ นี่คือเหตุผลที่ทำให้เกิดการต่อต้านRและไม่มีหน่วยยาว เป็นการวัดคุณสมบัติของระบบ ไม่ใช่ของวัสดุ ดังนั้นการนำไฟฟ้า(สัญลักษณ์เป็นตัวอักษรGและวัดเป็นซีเมนส์) ทำงานในลักษณะเดียวกัน แต่ปกติใช้งานสะดวกกว่าRหรือρกว่าจะไปกับ itGหรือσ​.

เปรียบเทียบให้พิจารณาว่าโค้ชของทีมฟุตบอลสามารถเปลี่ยนความแข็งแกร่งและความเร็วของผู้เล่นแต่ละคนได้ แต่ท้ายที่สุดแล้ว ฟุตบอลทุกรายการ ทีมที่มีอยู่มีข้อจำกัดที่จำเป็นเหมือนกัน: ผู้เล่นที่เป็นมนุษย์ 11 คนต่อข้าง ความสามารถทางกายภาพต่างกัน แต่มีพื้นฐานเหมือนกัน คุณสมบัติ.

สิ่งที่น่าตกใจที่สุดที่คุณจะได้เรียนรู้ในบทความนี้ (และนั่นไม่ใช่แค่การเล่นสำนวนที่ตรงไปตรงมา!) คือว่าน้ำเป็นตัวนำไฟฟ้าที่แย่มาก กล่าวคือ H. บริสุทธิ์₂O (ไฮโดรเจนและออกซิเจนในอัตราส่วน 2:1) ไม่นำไฟฟ้า

ตามที่คุณสรุปไว้แล้วอย่างไม่ต้องสงสัย นี่หมายความว่าการเผชิญหน้ากับน้ำบริสุทธิ์อย่างแท้จริงเป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้นเลย แม้แต่ในห้องแล็บ ไอออน (อนุภาคที่มีประจุ) ก็สามารถ "แอบ" ลงไปในน้ำที่กลั่นตัวจากไอน้ำบริสุทธิ์ นั่นคือ การกลั่นได้ง่าย

น้ำจากท่อและโดยตรงจากแหล่งธรรมชาตินั้นอุดมไปด้วยสิ่งเจือปนอยู่เสมอ เช่น แร่ธาตุ สารเคมี และสารที่ละลายได้หลายชนิด แน่นอนว่านี่ไม่ใช่สิ่งเลวร้าย เกลือในน้ำทะเลทั้งหมดนั้น ตัวอย่างเช่น ทำให้การลอยตัวในทะเลง่ายขึ้นเล็กน้อยหากเป็นเกมของคุณ

เมื่อมันเกิดขึ้น เกลือแกง (โซเดียมคลอไรด์หรือ NaCl) เป็นหนึ่งในสารที่รู้จักกันดีซึ่งสามารถขโมยคุณสมบัติการเป็นฉนวนของน้ำเมื่อละลายใน H₂โอ.

ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำในแม่น้ำของสหรัฐฯ มีช่วงกว้างตั้งแต่ 50 ถึง 1,500 µS/ซม. กระแสน้ำจืดในน้ำจืดที่ปล่อยให้ปลาเจริญเติบโตมักจะมีค่าระหว่าง 150 ถึง 500 ไมโครซีเมนส์/ซม. ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงหรือต่ำอาจบ่งชี้ว่าน้ำไม่เหมาะสำหรับปลาบางชนิดหรือสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดใหญ่ น้ำในโรงงานอุตสาหกรรมสามารถอยู่ในช่วงสูงถึง 10,000 µS/ซม.

การนำไฟฟ้าเป็นตัววัดทางอ้อม เช่น คุณภาพน้ำในลำธาร ทางน้ำแต่ละสายมีช่วงที่ค่อนข้างคงที่ซึ่งสามารถใช้เป็นค่าการนำไฟฟ้าพื้นฐานของมาตรฐานน้ำดื่มได้ การประเมินค่าการนำไฟฟ้าเป็นประจำโดยใช้ aเครื่องวัดค่าการนำไฟฟ้า. การเปลี่ยนแปลงด้านการนำไฟฟ้าที่สำคัญอาจส่งสัญญาณถึงความจำเป็นในการทำความสะอาด

บทความนี้มีความชัดเจนเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า ในทางฟิสิกส์ คุณน่าจะเคยได้ยินเกี่ยวกับการนำความร้อน ซึ่งแตกต่างกันเล็กน้อยเนื่องจากความร้อนวัดเป็นพลังงาน ในขณะที่ไฟฟ้าซึ่งให้พลังงานไม่ได้

การเปลี่ยนแปลงค่าการนำความร้อนของวัสดุมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าไปพร้อม ๆ กัน แม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในระดับเดียวกันก็ตาม คุณสมบัติที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของวัสดุคือในขณะที่วัสดุส่วนใหญ่กลายเป็นตัวนำที่ด้อยกว่าเมื่อถูกให้ความร้อน (เนื่องจากอนุภาคหวือหวาเร็วขึ้น และเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น มีแนวโน้มที่จะ "รบกวน" อิเล็กตรอน) ซึ่งไม่เป็นความจริงสำหรับวัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่า เซมิคอนดักเตอร์