पदार्थांची विद्युत चालकता

या लेखात, आम्ही विद्युत चालकतेचा विषय उघड करू, विद्युत प्रवाह म्हणजे काय, ते कंडक्टरच्या प्रतिकाराशी आणि त्यानुसार, त्याच्या विद्युत चालकतेशी कसे संबंधित आहे हे आम्ही लक्षात ठेवू. विषयाला स्पर्श करून, या प्रमाणांची गणना करण्यासाठी मुख्य सूत्रे लक्षात घेऊ या वर्तमान गती आणि त्याचा विद्युत क्षेत्राच्या सामर्थ्याशी संबंध. आम्ही विद्युत प्रतिकार आणि तापमान यांच्यातील संबंधांना देखील स्पर्श करू.

सुरुवातीला, विद्युत प्रवाह काय आहे ते आठवूया. जर तुम्ही बाह्य विद्युत क्षेत्रामध्ये पदार्थ ठेवला तर या क्षेत्राच्या शक्तींच्या कृतीनुसार, प्राथमिक चार्ज वाहक - आयन किंवा इलेक्ट्रॉन - ची हालचाल पदार्थात सुरू होईल. तो विद्युत शॉक असेल. विद्युतप्रवाह I अँपिअरमध्ये मोजला जातो आणि एक अँपिअर हा विद्युतप्रवाह आहे ज्यावर प्रति सेकंद वायरच्या क्रॉस सेक्शनमधून एक कूलॉम्ब इतका चार्ज वाहतो.

प्रवाह थेट, पर्यायी, स्पंदन करणारा आहे.डायरेक्ट करंट एखाद्या क्षणी त्याचे परिमाण आणि दिशा बदलत नाही, अल्टरनेटिंग करंट कालांतराने त्याचे परिमाण आणि दिशा बदलते (AC जनरेटर आणि ट्रान्सफॉर्मर अचूक अल्टरनेटिंग करंट देतात), स्पंदन करणारा करंट त्याचे परिमाण बदलतो परंतु दिशा बदलत नाही (उदा. सुधारित पर्यायी प्रवाह) . सध्याच्या डाळी).

पदार्थ विद्युत क्षेत्राच्या कृती अंतर्गत विद्युत प्रवाह चालवतात आणि या गुणधर्माला विद्युत चालकता म्हणतात, जी वेगवेगळ्या पदार्थांसाठी भिन्न असते. पदार्थांची विद्युत चालकता त्यांच्यातील मुक्त चार्ज कणांच्या एकाग्रतेवर अवलंबून असते, म्हणजेच आयन आणि इलेक्ट्रॉन्स जे क्रिस्टल स्ट्रक्चरशी किंवा रेणूंशी किंवा दिलेल्या पदार्थाच्या अणूंशी बांधलेले नाहीत. तर, दिलेल्या पदार्थातील फ्री चार्ज वाहकांच्या एकाग्रतेवर अवलंबून, पदार्थ विद्युत चालकतेच्या डिग्रीनुसार विभागले जातात: कंडक्टर, डायलेक्ट्रिक्स आणि सेमीकंडक्टर.

यात सर्वाधिक विद्युत चालकता आहे विद्युत प्रवाहाच्या तारा, आणि निसर्गातील भौतिक स्वभावानुसार कंडक्टर दोन प्रकारांनी दर्शविले जातात: धातू आणि इलेक्ट्रोलाइट्स. धातूंमध्ये, विद्युत् प्रवाह मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या हालचालींमुळे होतो, म्हणजेच त्यांच्याकडे इलेक्ट्रॉनिक चालकता असते आणि इलेक्ट्रोलाइट्समध्ये (अम्ल, क्षार, तळांच्या द्रावणात) - आयनांच्या हालचालीपासून - रेणूंचे भाग ज्यात सकारात्मक आणि नकारात्मक शुल्क, म्हणजेच इलेक्ट्रोलाइट्सची चालकता आयनिक आहे. आयनीकृत वाष्प आणि वायू मिश्र चालकता द्वारे दर्शविले जातात, जेथे विद्युत् प्रवाह इलेक्ट्रॉन आणि आयन दोन्हीच्या हालचालीमुळे होतो.

इलेक्ट्रॉन सिद्धांत धातूंच्या उच्च विद्युत चालकतेचे उत्तम प्रकारे स्पष्टीकरण देतो.व्हॅलेन्स इलेक्ट्रॉन्सचा त्यांच्या न्यूक्लीसह धातूंमधील बंध कमकुवत असतो, त्यामुळे हे इलेक्ट्रॉन कंडक्टरच्या संपूर्ण व्हॉल्यूममध्ये अणूपासून अणूकडे मुक्तपणे फिरतात.

असे दिसून आले की धातूंमधील मुक्त इलेक्ट्रॉन गॅस, इलेक्ट्रॉन वायू यासारख्या अणूंमधील जागा भरतात आणि अव्यवस्थित गतीमध्ये असतात. परंतु जेव्हा विद्युत क्षेत्रामध्ये धातूची तार टाकली जाते, तेव्हा मुक्त इलेक्ट्रॉन सुव्यवस्थित रीतीने फिरतील, ते सकारात्मक ध्रुवाकडे जातील, विद्युत प्रवाह तयार करतील. अशा प्रकारे मेटल कंडक्टरमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या क्रमबद्ध हालचालीला विद्युत प्रवाह म्हणतात.

हे ज्ञात आहे की अंतराळात विद्युत क्षेत्राच्या प्रसाराचा वेग अंदाजे 300,000,000 m/s, म्हणजेच प्रकाशाच्या वेगाच्या समान आहे. हाच वेग आहे ज्याने तारेमधून विद्युतप्रवाह वाहतो.

याचा अर्थ काय? याचा अर्थ असा नाही की धातूमधील प्रत्येक इलेक्ट्रॉन इतक्या प्रचंड वेगाने फिरतो, परंतु त्याउलट, वायरमधील इलेक्ट्रॉनचा वेग काही मिलिमीटर प्रति सेकंद ते काही सेंटीमीटर प्रति सेकंद असतो. विद्युत क्षेत्राची ताकद, परंतु वायरसह विद्युत प्रवाहाच्या प्रसाराचा वेग प्रकाशाच्या वेगाइतका असतो.

गोष्ट अशी आहे की प्रत्येक मुक्त इलेक्ट्रॉन त्याच "इलेक्ट्रॉन वायू" च्या सामान्य इलेक्ट्रॉन प्रवाहात बाहेर पडतो, आणि विद्युत प्रवाह चालू असताना, विद्युत क्षेत्र या संपूर्ण प्रवाहावर कार्य करते, परिणामी इलेक्ट्रॉन सतत प्रसारित होतात. ही फील्ड क्रिया एकमेकांना - शेजारी पासून शेजारी.

परंतु वायरच्या बाजूने विद्युत उर्जेच्या प्रसाराचा वेग प्रचंड आहे हे असूनही इलेक्ट्रॉन अतिशय हळू हळू त्यांच्या जागी फिरतात.म्हणून जेव्हा पॉवर प्लांटमध्ये स्विच चालू केला जातो, तेव्हा संपूर्ण नेटवर्कमध्ये विद्युत प्रवाह लगेच येतो आणि इलेक्ट्रॉन व्यावहारिकपणे स्थिर राहतात.

तथापि, जेव्हा मुक्त इलेक्ट्रॉन वायरच्या बाजूने फिरतात, तेव्हा त्यांना त्यांच्या मार्गावर अनेक टक्कर होतात, ते अणू, आयन, रेणू यांच्याशी टक्कर घेतात आणि त्यांची काही ऊर्जा त्यांच्याकडे हस्तांतरित करतात. या प्रतिकारावर मात करणार्‍या फिरत्या इलेक्ट्रॉनची उर्जा अंशतः उष्णतेने नष्ट होते आणि कंडक्टर गरम होते.

हे टक्कर इलेक्ट्रॉनच्या हालचालींना प्रतिरोधक म्हणून काम करतात, म्हणूनच चार्ज केलेल्या कणांची हालचाल रोखण्यासाठी कंडक्टरच्या गुणधर्माला विद्युत प्रतिरोध म्हणतात. वायरच्या कमी प्रतिकाराने, तार विद्युतप्रवाहाने किंचित गरम केली जाते, एक लक्षणीय - खूप मजबूत आणि अगदी पांढरा, हा प्रभाव गरम उपकरणे आणि इनॅन्डेन्सेंट दिवे मध्ये वापरला जातो.

प्रतिकार बदलाचे एकक ओम आहे. रेझिस्टन्स R = 1 ohm हा अशा वायरचा रेझिस्टन्स असतो, जेव्हा 1 अँपिअरचा डायरेक्ट करंट त्यातून जातो तेव्हा वायरच्या टोकाला संभाव्य फरक 1 व्होल्ट असतो. 1 Ohm मधील प्रतिकाराचे मानक 1063 मिमी उंच पाराचा स्तंभ आहे, 0 ° से तापमानात क्रॉस-सेक्शन 1 चौ. मि.मी.

तारा विद्युत प्रतिरोधकतेने वैशिष्ट्यीकृत असल्याने, आम्ही असे म्हणू शकतो की काही प्रमाणात वायर विद्युत प्रवाह चालविण्यास सक्षम आहे. या संबंधात, चालकता किंवा विद्युत चालकता नावाचे मूल्य सादर केले जाते. विद्युत चालकता ही विद्युत प्रवाह चालविण्याची कंडक्टरची क्षमता आहे, म्हणजेच विद्युत प्रतिरोधकता.

विद्युत चालकता G (वाहकता) चे एकक सीमेन्स (S) आणि 1 S = 1 / (1 Ohm) आहे. जी = 1 / आर.

निरनिराळ्या पदार्थांचे अणू विद्युतप्रवाह निरनिराळ्या अंशांत जाण्यात व्यत्यय आणत असल्याने, निरनिराळ्या पदार्थांचा विद्युतीय प्रतिकार भिन्न असतो. यासाठी ही संकल्पना मांडण्यात आली विद्युत प्रतिकार, ज्याचे मूल्य «p» या किंवा त्या पदार्थाचे प्रवाहकीय गुणधर्म दर्शवते.

विशिष्ट विद्युत प्रतिकार ओहम * m मध्ये मोजला जातो, म्हणजेच 1 मीटरच्या काठासह पदार्थाच्या घनाचा प्रतिकार. त्याचप्रमाणे, पदार्थाची विद्युत चालकता विशिष्ट विद्युत चालकता द्वारे दर्शविली जाते?, S/m मध्ये मोजली जाते, म्हणजेच, 1 मीटरच्या काठासह पदार्थाच्या घनाची चालकता.

आज, विद्युत अभियांत्रिकीमध्ये प्रवाहकीय साहित्य मुख्यतः रिबन, टायर, वायरच्या स्वरूपात वापरले जाते, विशिष्ट क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र आणि विशिष्ट लांबीसह, परंतु मीटर क्यूब्सच्या स्वरूपात नाही. आणि विद्युत प्रतिकार आणि विशिष्ट आकारांच्या तारांच्या विद्युत चालकतेच्या अधिक सोयीस्कर गणनेसाठी, विद्युत प्रतिरोधकता आणि विद्युत चालकता या दोन्हीसाठी मोजमापाची अधिक स्वीकार्य एकके सादर केली गेली. Ohm * mm2/m — प्रतिकारासाठी, आणि Cm * m/mm2 — विद्युत चालकतेसाठी.

आता आपण असे म्हणू शकतो की विद्युत प्रतिकार आणि विद्युत चालकता 20 डिग्री सेल्सिअस तापमानात 1 चौरस मिमी, 1 मीटर लांबीच्या क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्रासह वायरचे प्रवाहकीय गुणधर्म दर्शवते, ते अधिक सोयीस्कर आहे.

सोने, तांबे, चांदी, क्रोमियम आणि अॅल्युमिनियम या धातूंची विद्युत चालकता उत्तम असते. स्टील आणि लोह कमी प्रवाहकीय असतात. शुद्ध धातूंमध्ये त्यांच्या मिश्र धातुंपेक्षा नेहमीच चांगली विद्युत चालकता असते, म्हणून विद्युत अभियांत्रिकीमध्ये शुद्ध तांब्याला प्राधान्य दिले जाते.आपल्याला विशेषतः उच्च प्रतिकार आवश्यक असल्यास, टंगस्टन, निक्रोम, कॉन्स्टंटन वापरले जातात.

विशिष्ट विद्युत प्रतिकार किंवा विद्युत चालकतेचे मूल्य जाणून घेतल्यास, या वायरची लांबी l आणि क्रॉस-विभागीय क्षेत्र S लक्षात घेऊन, दिलेल्या सामग्रीपासून बनविलेल्या विशिष्ट वायरची प्रतिकार किंवा विद्युत चालकता सहजपणे मोजता येते.

सर्व सामग्रीची विद्युत चालकता आणि विद्युत प्रतिरोध तापमानावर अवलंबून असते, कारण क्रिस्टल जाळीच्या अणूंच्या थर्मल कंपनांची वारंवारता आणि मोठेपणा देखील वाढत्या तापमानासह वाढते, विद्युत प्रवाहाचा प्रतिकार आणि इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह देखील त्यानुसार वाढतो.

जसजसे तापमान कमी होते, त्याउलट, क्रिस्टल जाळीच्या अणूंचे कंपने लहान होतात, प्रतिकार कमी होतो (विद्युत चालकता वाढते). काही पदार्थांमध्ये, तापमानावरील प्रतिकाराचे अवलंबित्व कमी स्पष्ट होते, इतरांमध्ये ते अधिक मजबूत असते. उदाहरणार्थ, कॉन्स्टंटन, फेचरल आणि मॅंगॅनिन सारख्या मिश्र धातु एका विशिष्ट तापमान श्रेणीमध्ये किंचित प्रतिकार बदलतात, म्हणूनच त्यांच्यापासून थर्मोस्टेबल प्रतिरोधक बनतात.

प्रतिरोधक तापमान गुणांक? आपल्याला विशिष्ट सामग्रीसाठी विशिष्ट तापमानात त्याच्या प्रतिरोधकतेमध्ये वाढीची गणना करण्यास अनुमती देते आणि तापमानात 1 डिग्री सेल्सिअस वाढीसह प्रतिकारातील सापेक्ष वाढ संख्यात्मकपणे दर्शवते.

प्रतिरोधक तापमान गुणांक आणि तापमान वाढ जाणून घेतल्यास, दिलेल्या तापमानावर पदार्थाच्या प्रतिकाराची गणना करणे सोपे आहे.

आम्हाला आशा आहे की आमचा लेख आपल्यासाठी उपयुक्त होता आणि आता आपण कोणत्याही तापमानात कोणत्याही वायरची प्रतिरोधकता आणि चालकता सहजपणे मोजू शकता.