A ndikon temperatura në përçueshmërinë elektrike dhe termike?

Elektrikepërçueshmëriyqëndron si njëparametri themelornë fizikë, kimi dhe inxhinieri moderne, duke pasur implikime të rëndësishme në një spektër fushash,nga prodhimi me volum të lartë deri te mikroelektronika ultra precize. Rëndësia e saj jetike buron nga korrelacioni i saj i drejtpërdrejtë me performancën, efikasitetin dhe besueshmërinë e sistemeve të panumërta elektrike dhe termike.

Ky ekspoze e detajuar shërben si një udhëzues gjithëpërfshirës për të kuptuar marrëdhënien e ndërlikuar midispërçueshmëri elektrike (σ), përçueshmëri termike(κ), dhe temperatura (T)Për më tepër, ne do të shqyrtojmë në mënyrë sistematike sjelljet e përçueshmërisë së klasave të ndryshme të materialeve, duke filluar nga përçuesit e zakonshëm deri te gjysmëpërçuesit dhe izolatorët e specializuar, siç janë argjendi, ari, bakri, hekuri, tretësirat dhe goma, të cilat mbushin hendekun midis njohurive teorike dhe zbatimeve industriale në botën reale.

Pas përfundimit të këtij leximi, do të jeni të pajisur me një kuptim të fortë dhe të nuancuarei/e/tëMarrëdhënia e temperaturës, përçueshmërisë dhe nxehtësisë.

Tabela e përmbajtjes:

1. A ndikon temperatura në përçueshmërinë elektrike?

2. A ndikon temperatura në përçueshmërinë termike?

3. Marrëdhënia midis përçueshmërisë elektrike dhe termike

4. Përçueshmëria kundrejt klorurit: ndryshimet kryesore

I. A ndikon temperatura në përçueshmërinë elektrike?

Pyetja "A ndikon temperatura në përçueshmëri?" merr përgjigje përfundimtare: Po.Temperatura ushtron një ndikim kritik, të varur nga materiali, si në përçueshmërinë elektrike ashtu edhe në atë termike.Në aplikimet kritike inxhinierike, nga transmetimi i energjisë deri te funksionimi i sensorëve, marrëdhënia e temperaturës dhe përçueshmërisë dikton performancën e komponentëve, kufijtë e efikasitetit dhe sigurinë operative.

Si ndikon temperatura në përçueshmëri?

Temperatura ndryshon përçueshmërinë duke ndryshuarsa lehtëbartësit e ngarkesës, siç janë elektronet ose jonet, ose nxehtësia lëvizin nëpër një material. Efekti është i ndryshëm për secilin lloj materiali. Ja saktësisht se si funksionon, siç shpjegohet qartë:

1.Metalet: përçueshmëria zvogëlohet me rritjen e temperaturës

Të gjitha metalet përçojnë rrymën nëpërmjet elektroneve të lira që rrjedhin lehtësisht në temperatura normale. Kur nxehen, atomet e metalit dridhen më intensivisht. Këto dridhje veprojnë si pengesa, duke shpërndarë elektronet dhe duke ngadalësuar rrjedhën e tyre.

Në mënyrë specifike, përçueshmëria elektrike dhe termike bien vazhdimisht me rritjen e temperaturës. Afër temperaturës së dhomës, përçueshmëria zakonisht bie me~0.4% për çdo 1°C rritje.Në të kundërt,kur ndodh një rritje prej 80°C,metalet humbasin25–30%të përçueshmërisë së tyre origjinale.

Ky parim zbatohet gjerësisht në përpunimin industrial, për shembull, mjediset e nxehta zvogëlojnë kapacitetin e sigurt të rrymës në instalime elektrike dhe ulin shpërndarjen e nxehtësisë në sistemet e ftohjes.

2. Në gjysmëpërçues: përçueshmëria rritet me temperaturën

Gjysmëpërçuesit fillojnë me elektrone të lidhura fort në strukturën e materialit. Në temperatura të ulëta, pak prej tyre mund të lëvizin për të mbartur rrymë.Ndërsa temperatura rritet, nxehtësia u jep elektroneve energji të mjaftueshme për t'u çliruar dhe për të rrjedhur. Sa më e ngrohtë të bëhet, aq më shumë bartës të ngarkesës bëhen të disponueshëm,duke rritur ndjeshëm përçueshmërinë.

Në terma më intuitivë, cPërçueshmëria rritet ndjeshëm, shpesh dyfishohet çdo 10-15°C në diapazonet tipike.Kjo ndihmon performancën në temperatura të moderuara, por mund të shkaktojë probleme nëse është shumë e nxehtë (rrjedhje e tepërt), për shembull, kompjuteri mund të rrëzohet nëse çipi i ndërtuar me një gjysmëpërçues nxehet në një temperaturë të lartë.

3. Në elektrolite (lëngje ose xhel në bateri): përçueshmëria përmirësohet me nxehtësinë

Disa njerëz pyesin veten se si temperatura ndikon në përçueshmërinë elektrike të tretësirës, ​​dhe ja ky seksion. Elektrolitet përçojnë jonet që lëvizin nëpër një tretësirë, ndërsa i ftohti i bën lëngjet të trasha dhe të ngadalta, duke rezultuar në lëvizjen e ngadaltë të joneve. Së bashku me rritjen e temperaturës, lëngu bëhet më pak viskoz, kështu që jonet shpërndahen më shpejt dhe e mbajnë ngarkesën në mënyrë më efikase.

Në përgjithësi, përçueshmëria rritet me 2-3% për 1°C, ndërsa gjithçka merr kufirin e vet. Kur temperatura rritet me më shumë se 40°C, përçueshmëria bie me ~30%.

Mund ta zbulosh këtë parim në botën reale, si sisteme si bateritë që karikohen më shpejt kur janë të ngrohta, por rrezikojnë dëmtime nëse mbinxehen.

II. A ndikon temperatura në përçueshmërinë termike?

Përçueshmëria termike, masa e lehtësisë së lëvizjes së nxehtësisë nëpër një material, zakonisht zvogëlohet me rritjen e temperaturës në shumicën e trupave të ngurtë, megjithëse sjellja ndryshon në bazë të strukturës së materialit dhe mënyrës se si mbartet nxehtësia.

Në metale, nxehtësia rrjedh kryesisht përmes elektroneve të lira. Ndërsa temperatura rritet, atomet dridhen më fort, duke i shpërndarë këto elektrone dhe duke ndërprerë rrugën e tyre, gjë që zvogëlon aftësinë e materialit për të transferuar nxehtësinë në mënyrë efikase.

Në izolatorët kristalorë, nxehtësia udhëton nëpërmjet vibracioneve atomike të njohura si fonone. Temperaturat më të larta bëjnë që këto vibracione të intensifikohen, duke çuar në përplasje më të shpeshta midis atomeve dhe një rënie të qartë të përçueshmërisë termike.

Megjithatë, te gazrat ndodh e kundërta. Ndërsa temperatura rritet, molekulat lëvizin më shpejt dhe përplasen më shpesh, duke transferuar energjinë midis përplasjeve në mënyrë më efektive; prandaj, përçueshmëria termike rritet.

Në polimere dhe lëngje, një përmirësim i lehtë është i zakonshëm me rritjen e temperaturës. Kushtet më të ngrohta lejojnë që zinxhirët molekularë të lëvizin më lirshëm dhe të zvogëlojnë viskozitetin, duke e bërë më të lehtë kalimin e nxehtësisë përmes materialit.

III. Marrëdhënia midis përçueshmërisë elektrike dhe termike

A ka ndonjë korrelacion midis përçueshmërisë termike dhe përçueshmërisë elektrike? Mund të pyesni veten për këtë pyetje. Në fakt, ekziston një lidhje e fortë midis përçueshmërisë elektrike dhe përçueshmërisë termike, megjithatë kjo lidhje ka kuptim vetëm për lloje të caktuara materialesh, si metalet.

1. Lidhja e fortë midis përçueshmërisë elektrike dhe termike

Për metalet e pastra (si bakri, argjendi dhe ari), zbatohet një rregull i thjeshtë:Nëse një material është shumë i mirë në përçimin e energjisë elektrike, ai është gjithashtu shumë i mirë në përçimin e nxehtësisë.Ky parim vazhdon të bazohet në fenomenin e ndarjes së elektroneve.

Në metale, si elektriciteti ashtu edhe nxehtësia barten kryesisht nga të njëjtat grimca: elektronet e lira. Kjo është arsyeja pse përçueshmëria e lartë elektrike çon në përçueshmëri të lartë termike në raste të caktuara.

Përi/e/tëelektrikerrjedhë,Kur aplikohet një tension, këto elektrone të lira lëvizin në një drejtim, duke mbajtur një ngarkesë elektrike.

Kur bëhet fjalë përi/e/tënxehtësirrjedhë, njëra anë e metalit është e nxehtë dhe tjetra është e ftohtë, dhe të njëjtat elektrone të lira lëvizin më shpejt në rajonin e nxehtë dhe përplasen me elektrone më të ngadalta, duke transferuar shpejt energji (nxehtësi) në rajonin e ftohtë.

Ky mekanizëm i përbashkët do të thotë që nëse një metal ka shumë elektrone shumë të lëvizshme (duke e bërë atë një përçues të shkëlqyer elektrik), këto elektrone veprojnë gjithashtu si "bartës të nxehtësisë" efikasë, gjë që përshkruhet formalisht ngai/e/tëWiedemann-FranzLigji.

2. Lidhja e dobët midis përçueshmërisë elektrike dhe termike

Lidhja midis përçueshmërisë elektrike dhe termike dobësohet në materialet ku ngarkesa dhe nxehtësia barten nga mekanizma të ndryshëm.

IV. Përçueshmëria kundrejt klorurit: ndryshimet kryesore

Ndërsa si përçueshmëria elektrike ashtu edhe përqendrimi i klorurit janë parametra të rëndësishëm nëanaliza e cilësisë së ujit, ato matin veti thelbësisht të ndryshme.

Përçueshmëria

Përçueshmëria është një masë e aftësisë së një tretësire për të transmetuar rrymë elektrike. It matpërqendrimi total i të gjithë joneve të treturnë ujë, që përfshin jone të ngarkuara pozitivisht (katione) dhe jone të ngarkuara negativisht (anione).

Të gjitha jonet, siç është kloruri (Cl^-), natrium (Na⁺), kalcium (Ca²⁺), bikarbonati dhe sulfati, kontribuojnë në përçueshmërinë totale me matur në mikroSiemens për centimetër (µS/cm) ose milliSiemens për centimetër (mS/cm).

Përçueshmëria është një tregues i shpejtë dhe i përgjithshëmeTotaliLëndë të ngurta të tretura(TDS) dhe pastërtinë ose kripësinë e përgjithshme të ujit.

 Përqendrimi i klorurit (Cl^-)

Përqendrimi i klorurit është një matje specifike vetëm e anionit të klorurit të pranishëm në tretësirë.Ajo matmasa vetëm e joneve të klorurit(Cl^-) i pranishëm, shpesh i nxjerrë nga kripëra si kloruri i natriumit (NaCl) ose kloruri i kalciumit (CaCl₂).

Kjo matje kryhet duke përdorur metoda specifike si titrimi (p.sh., metoda argentometrike) ose elektroda jono-selektive (ISE)në miligramë për litër (mg/L) ose pjesë për milion (ppm).

Nivelet e klorurit janë kritike për vlerësimin e potencialit për korrozion në sistemet industriale (si kaldajat ose kullat e ftohjes) dhe për monitorimin e ndërhyrjes së kripësisë në furnizimin me ujë të pijshëm.

Me pak fjalë, kloruri kontribuon në përçueshmëri, por përçueshmëria nuk është specifike për klorurin.Nëse përqendrimi i klorurit rritet, përçueshmëria totale do të rritet.Megjithatë, nëse përçueshmëria totale rritet, kjo mund të jetë për shkak të një rritjeje të klorurit, sulfatit, natriumit ose ndonjë kombinimi të joneve të tjerë.

Prandaj, përçueshmëria shërben si një mjet i dobishëm shqyrtimi (p.sh., nëse përçueshmëria është e ulët, kloruri ka të ngjarë të jetë i ulët), por për të monitoruar klorurin posaçërisht për korrozion ose qëllime rregullatore, duhet të përdoret një test kimik i synuar.