Ar temperatūra veikia elektros ir šilumos laidumą?

Elektroslaidumasystovi kaippagrindinis parametrasfizikoje, chemijoje ir šiuolaikinėje inžinerijoje, turinčios didelę reikšmę įvairiose srityse,Nuo didelio masto gamybos iki itin tikslios mikroelektronikos. Jo gyvybiškai svarbi svarba kyla iš tiesioginio ryšio su daugybės elektros ir šiluminių sistemų našumu, efektyvumu ir patikimumu.

Šis išsamus aprašymas yra išsamus vadovas, padedantis suprasti sudėtingą ryšį tarpelektrinis laidumas (σ), šilumos laidumas(κ)ir temperatūra (T)Be to, sistemingai nagrinėsime įvairių medžiagų klasių – nuo ​​įprastų laidininkų iki specializuotų puslaidininkių ir izoliatorių, tokių kaip sidabras, auksas, varis, geležis, tirpalai ir guma – laidumo elgseną, taip sujungdami teorines žinias su realaus pasaulio pramoniniu pritaikymu.

Baigę šį skaitymą, įgysite tvirtą ir niuansuotą supratimąištastemperatūros, laidumo ir šilumos santykis.

Turinys:

1. Ar temperatūra veikia elektrinį laidumą?

2. Ar temperatūra turi įtakos šilumos laidumui?

3. Elektros ir šilumos laidumo santykis

4. Laidumas ir chloridas: pagrindiniai skirtumai

I. Ar temperatūra veikia elektrinį laidumą?

Į klausimą „Ar temperatūra turi įtakos laidumui?“ atsakyta vienareikšmiškai: taip.Temperatūra daro kritinę, nuo medžiagos priklausomą įtaką tiek elektros, tiek šilumos laidumui.Kritinėse inžinerinėse srityse, pradedant energijos perdavimu ir baigiant jutiklių valdymu, temperatūros ir laidumo santykis lemia komponentų našumą, efektyvumo ribas ir eksploatavimo saugą.

Kaip temperatūra veikia laidumą?

Temperatūra keičia laidumą keisdamakaip lengvaiKrūvininkai, tokie kaip elektronai ar jonai, arba šiluma juda per medžiagą. Kiekvieno tipo medžiagai poveikis yra skirtingas. Štai kaip tai veikia, ir aiškiai paaiškinta:

1.Metalai: laidumas mažėja kylant temperatūrai

Visi metalai praleidžia elektrą per laisvuosius elektronus, kurie normalioje temperatūroje lengvai teka. Kaitinami metalo atomai vibruoja intensyviau. Šios vibracijos veikia kaip kliūtys, išsklaidančios elektronus ir sulėtinančios jų tekėjimą.

Tiksliau sakant, elektrinis ir šiluminis laidumas tolygiai mažėja kylant temperatūrai. Artėjant prie kambario temperatūros, laidumas paprastai sumažėja~0,4 % kas 1 °C temperatūros pakilimą.Priešingai,kai temperatūra pakyla iki 80 °C,metalai praranda25–30 %jų pradinio laidumo.

Šis principas plačiai taikomas pramoniniame apdorojime, pavyzdžiui, karšta aplinka sumažina saugią srovės talpą laiduose ir sumažina šilumos išsklaidymą aušinimo sistemose.

2. Puslaidininkiuose: laidumas didėja didėjant temperatūrai

Puslaidininkiai prasideda nuo elektronų, tvirtai surištų medžiagos struktūroje. Žemoje temperatūroje tik nedaugelis jų gali judėti ir perduoti srovę.Kylant temperatūrai, šiluma suteikia elektronams pakankamai energijos išsilaisvinti ir tekėti. Kuo šilčiau darosi, tuo daugiau krūvininkų tampa prieinama,žymiai padidinant laidumą.

Intuityviau tariant, cLaidumas staigiai padidėja, tipiškuose diapazonuose dažnai padvigubėja kas 10–15 °C.Tai padeda pagerinti našumą esant vidutinei šilumai, tačiau gali sukelti problemų per karšta būsena (per didelis nuotėkis), pavyzdžiui, kompiuteris gali sugesti, jei iš puslaidininkio pagaminta mikroschema įkaista iki aukštos temperatūros.

3. Elektrolituose (skysčiuose arba geliuose baterijose): laidumas gerėja kaitinant

Kai kurie žmonės stebisi, kaip temperatūra veikia tirpalo elektrinį laidumą, ir štai šis skyrius. Elektrolitai praleidžia jonus tirpale, o šaltis skysčius padaro tirštus ir lėtus, todėl jonų judėjimas sulėtėja. Kylant temperatūrai, skystis tampa mažiau klampus, todėl jonai greičiau difunduoja ir efektyviau perneša krūvį.

Apskritai, laidumas padidėja 2–3 % kas 1 °C, kol viskas pasiekia savo ribą. Kai temperatūra pakyla daugiau nei 40 °C, laidumas sumažėja ~30 %.

Šį principą galite atrasti realiame pasaulyje, pavyzdžiui, tokios sistemos kaip baterijos greičiau įkraunamos šilumoje, tačiau perkaitus rizikuoja sugesti.

II. Ar temperatūra turi įtakos šilumos laidumui?

Šilumos laidumas, matas, kaip lengvai šiluma juda per medžiagą, paprastai mažėja, kai daugumos kietųjų dalelių temperatūra kyla, nors elgesys skiriasi priklausomai nuo medžiagos struktūros ir šilumos perdavimo būdo.

Metaluose šiluma daugiausia teka per laisvuosius elektronus. Kylant temperatūrai, atomai vibruoja stipriau, išsklaidydami šiuos elektronus ir sutrikdydami jų kelią, o tai sumažina medžiagos gebėjimą efektyviai perduoti šilumą.

Kristaliniuose izoliatoriuose šiluma keliauja atominėmis vibracijomis, vadinamomis fononais. Aukštesnė temperatūra sustiprina šias vibracijas, todėl dažniau susiduria atomai ir pastebimai sumažėja šilumos laidumas.

Tačiau dujose vyksta priešingai. Kylant temperatūrai, molekulės juda greičiau ir susiduria dažniau, efektyviau perduodamos energiją tarp susidūrimų; todėl padidėja šilumos laidumas.

Polimeruose ir skysčiuose kylant temperatūrai, būdingas nedidelis pagerėjimas. Šiltesnės sąlygos leidžia molekulinėms grandinėms laisviau judėti ir sumažina klampumą, todėl šiluma lengviau praleidžia medžiagą.

III. Elektros ir šilumos laidumo santykis

Ar yra ryšys tarp šilumos laidumo ir elektros laidumo? Jums gali kilti klausimas. Iš tiesų yra stiprus ryšys tarp elektros ir šilumos laidumo, tačiau šis ryšys prasmingas tik tam tikrų tipų medžiagoms, pavyzdžiui, metalams.

1. Stiprus ryšys tarp elektros ir šilumos laidumo

Gryniems metalams (pvz., variui, sidabrui ir auksui) galioja paprasta taisyklė:Jei medžiaga labai gerai praleidžia elektrą, ji taip pat labai gerai praleidžia šilumą.Šis principas pagrįstas elektronų dalijimosi reiškiniu.

Metaluose ir elektrą, ir šilumą daugiausia perneša tos pačios dalelės: laisvieji elektronai. Štai kodėl didelis elektrinis laidumas tam tikrais atvejais lemia didelį šilumos laidumą.

Užtaselektrossrautas,Kai prijungiama įtampa, šie laisvieji elektronai juda viena kryptimi, nešdami elektros krūvį.

Kai kalbama apietaskarštissrautas, vienas metalo galas yra karštas, o kitas – šaltas, ir tie patys laisvieji elektronai karštojoje srityje juda greičiau ir susiduria su lėtesniais elektronais, greitai perduodami energiją (šilumą) į šaltąją sritį.

Šis bendras mechanizmas reiškia, kad jei metalas turi daug labai judrių elektronų (todėl jis yra puikus elektros laidininkas), tie elektronai taip pat veikia kaip efektyvūs „šilumos nešėjai“, o tai formaliai apibūdinama taip:tasWiedemann-FranzĮstatymas.

2. Silpnas ryšys tarp elektros ir šilumos laidumo

Medžiagose, kuriose krūvis ir šiluma pernešami skirtingais mechanizmais, elektros ir šilumos laidumo ryšys silpnėja.

IV. Laidumas ir chloridas: pagrindiniai skirtumai

Nors ir elektrinis laidumas, ir chloridų koncentracija yra svarbūs parametraivandens kokybės analizė, jie matuoja iš esmės skirtingas savybes.

Laidumas

Laidumas yra tirpalo gebėjimo praleisti elektros srovę matas. It matuojabendra visų ištirpusių jonų koncentracijavandenyje, kurį sudaro teigiamai įkrauti jonai (katijonai) ir neigiamai įkrauti jonai (anijonai).

Visi jonai, tokie kaip chloridas (Cl^-), natrio (Na⁺), kalcio (Ca²⁺), bikarbonatas ir sulfatas prisideda prie bendro laidumo mmatuojamas mikrosiemensais centimetre (µS/cm) arba milisimensais centimetre (mS/cm).

Laidumas yra greitas, bendras rodiklisišIš visoIštirpusios kietosios medžiagos(TDS) ir bendrą vandens grynumą arba druskingumą.

 Chloridų koncentracija (Cl^-)

Chlorido koncentracija yra specifinis tik tirpale esančio chlorido anijono matavimas.Jis matuojatik chlorido jonų masė(Cl^-) dažnai gaunamos iš druskų, tokių kaip natrio chloridas (NaCl) arba kalcio chloridas (CaCl₂).

Šis matavimas atliekamas naudojant specifinius metodus, tokius kaip titravimas (pvz., argentometrinis metodas) arba jonų selektyvūs elektrodai (ISE).miligramais litre (mg/l) arba milijoninėmis dalimis (ppm).

Chloridų kiekis yra labai svarbus vertinant korozijos potencialą pramoninėse sistemose (pvz., katiluose ar aušinimo bokštuose) ir stebint druskingumo įsiskverbimą į geriamojo vandens tiekimą.

Trumpai tariant, chloridas prisideda prie laidumo, tačiau laidumas nėra būdingas tik chloridui.Jei chlorido koncentracija padidėja, bendras laidumas padidės.Tačiau, jei bendras laidumas padidėja, tai gali būti dėl chlorido, sulfato, natrio arba bet kokio kitų jonų derinio padidėjimo.

Todėl laidumas yra naudinga atrankos priemonė (pvz., jei laidumas mažas, chlorido kiekis greičiausiai mažas), tačiau norint stebėti chloridą konkrečiai korozijos ar reguliavimo tikslais, reikia naudoti tikslinį cheminį tyrimą.