Sisältö
- Sähkön perusteet
- Mikä on johtavuus?
- Johtavuus vs. johtavuus
- Sähkönjohtavuus ja vesi: yleiskatsaus
- Vedenjohtavuuden merkitys
- Lämmönjohtokyky
Jokainen, joka viettää paljon aikaa uima-altaan ympärillä, huomaa nopeasti, että ihmiset ovat yleensä erittäin huolissaan siitä, että sähkölaitteet ovat lähellä vettä - varsinkin jos ne sattuvat pistorasiaan.
Tämä on totta, useimmissa tilanteissa, joissa on olemassa riittävä vesisäiliö missä tahansa lähellä tunnettuja sähkövirtavirtoja. Veden johtavuuden ansiosta ikävä "kylpyammeessa leivänpaahdin" -rikollisuus on jotain rakastettua kliseää vanhan koulun murha-mysteeri-tarinoissa.
Asia ei ole, että voit vahingoittaa itseäsi sähköllä, vaikka se on aina tärkeää pitää mielessä; se, että kaikkein hälyttävimmät aikuiset ja keskiasteen koululaiset tietävät, että he sekoittavat veden sekoittamisen virtaan missä tahansa muodossa, tuntevatko he fysiikan vai eivät. (Itse asiassa jotkut liian varovaiset ideat jatkuvat, kuten ajatus, että saat todennäköisesti shokin, jos kosketat muovivalokytkintä sormien ollessa märät.)
Tärkeä toistaiseksi on kysymys siitä, kuinka sähkö "virtaa" ainakin jonkin verran nesteitä ainakin jonkin verran kiinteät aineet voivat sisältää sen. Onko vain vesi vuorovaikutuksessa sähkön kanssa tällä tavalla? Entä valunut maito tai mehu? Ja yleisemmin mitä aineen ominaisuudet vaikuttavat sen arvoon johtokyky?
Sähkön perusteet
Sähkö, joka tunnetaan nimellä sähkö, ei todellakaan ole muuta kuin sen liikkuvuutta elektronit jonkinlaisen fyysisen väliaineen tai materiaalin kautta.
Et ehkä ajattele ilmaa materiaalina, mutta itse asiassa ilmassa on runsaasti erilaisia molekyylejä, joita et voi nähdä, joista monet voivat ja voivat osallistua sähkövirtaan. Et voi selvästi nähdä elektroneja, joten jos uskot sähköön, sinun pitäisi uskoa, että hämmästyttävän pienillä asioilla on valtava rooli arjen materiaalien käyttäytymisessä!
Eri materiaalit sallivat tämän elektronien - ja heidän kanssaan, niiden sähkövarausten - siirtymisen eri asteisiin riippuen niiden yksilöllisistä molekyyli- ja atomirakenteista. Mitä vähemmän törmäyksiä muiden pienten esineiden kanssa kokee elektronien vetoketju, sitä helpommin ne välittyvät kyseisen aineen läpi.
Virtavirtauksen yleinen yhtälö on I = V / R, missä minä on virran virta ampeereina, V on sähköinen potentiaaliero volteissa ("jännitteessä") ja R on vastus ohmeina. Kestävyys liittyy johtavuuteen, kun pian opit.
Mikä on johtavuus?
Johtavuus tai muodollisemmin sähkönjohtavuus, on matemaattinen mittaus materiaalien kyvystä johtaa sähköä. Sitä edustaa kreikkalainen kirjain sigma (σ) ja sen SI (metrinen järjestelmä) yksikkö on siemensiä metriä kohti (S / m).
Johtavuus on vain matemaattinen vastavuoro vastus. Resistiivisyyttä edustaa pieni kreikkalainen kirjain rho (ρ), ja se mitataan ohm-metreinä (Ωm), mikä tarkoittaa, että S / m voidaan kuvata myös vastavuoroisena ohmimittarina (1 / Ωm tai Ωm-1). Laajentamalla voit nähdä, että siemen on ohmin vastavuoroinen. Siitä asti kun johtavat jotain todellisessa maailmassa on päinvastaista vastustavat sen kulkua, tämä on fyysistä järkeä.
Materiaalin johtavuus on kyseisen materiaalin luontainen ominaisuus, joka ei liity piirin tai muun järjestelmän kokoonpanotapaan, mikä otetaan huomioon "metriä kohti" siemens-yksikössä. Se liittyy materiaalin, usein langan, vastustuskykyyn fysiikan ongelmissa, joihin nämä tilanteet liittyvät, ilmaisulla R = ρL / A missä L on pituus, jos lanka ilmoitetaan metreinä ja sen poikkileikkauspinta-ala m2.
Johtavuus vs. johtavuus
Kuten todettiin, johtavuus ei riipu kokeellisesta järjestelystä ja se on vain heijastus siitä, kuinka annettu materiaali (kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen) "on". Jotkut materiaalit tekevät luonnostaan vahvoja johtimia (ja siten huonoja vastuksia), kun taas toiset voivat johtaa sähköä heikosti tai ei ollenkaan ja tehdä hyviä vastuksia (tai sähköeristeitä).
Sähköpiirillä voit manipuloida kokoonpanoa niin, että voit saada minkä tahansa tyyppisen virran haluamallasi vastine-elementtien yhdistelmällä. Siksi vastus on nimetty R eikä yksiköillä ole pituutta; se on mitta järjestelmän ominaisuuksista, ei materiaalista. Asianmukaisesti, johtokyky (merkitty kirjaimella G ja mitattu siemenseinä) toimii samalla tavalla. Mutta se on yleensä helpompi käyttää R tai ρ kuin on mennä G tai σ.
Katsele analogiana, että jalkapallojoukkueen valmentaja voi muuttaa yksittäisten pelaajiensa vahvuutta ja nopeutta, mutta lopulta jokaisella olemassa olevalla jalkapallojoukkueella on samat olennaiset rajoitukset: 11 ihmispelaajaa sivulle, fyysisesti vaihtelemalla ominaisuudet, mutta joilla on samat perusominaisuudet.
Sähkönjohtavuus ja vesi: yleiskatsaus
Kaikkein järkyttävin asia, jonka opit tässä artikkelissa (ja se ei ole vain miekkaa, rehellinen!) On se, että vesi, tiukasti sanottuna, on kauhea sähkönjohdin. Toisin sanoen puhdas H2O (vety ja happi suhteessa 2: 1) ei johda sähköä.
Kuten olette epäilemättä jo päättäneet, tämä tarkoittaa, että todella puhtaan veden kohtaaminen on asia, jota ei käytännössä tapahdu. Jopa laboratorioympäristössä ionien (varautuneiden hiukkasten) on helppo "hiipiä" veteen, joka on tiivistynyt puhtaasta höyrystä, ts. Tislattu.
Putkista ja suoraan luonnollisista lähteistä peräisin oleva vesi on aina rikas epäpuhtauksista, kuten mineraaleista, kemikaaleista ja valikoiduista liuenneista aineista. Tämä ei tietenkään välttämättä ole huono asia; kaikki tuo suola merivedessä, esimerkiksi, on hiukan helpompaa kellua meressä, jos se on pelisi.
Kuten tapahtuu, pöytäsuola (natriumkloridi tai NaCl) on yksi tunnetuimmista aineista, jotka voivat ryöstää veden eristäviä ominaisuuksiaan liuotettaessa H2O.
Vedenjohtavuuden merkitys
Veden johtavuus Yhdysvaltain joissa vaihtelee suuresti, välillä 50 - 1 500 uS / cm. Sisävesien sisävirroilla, joiden avulla kalat voivat menestyä, on yleensä välillä 150-500 µS / cm. Suurempi tai pienempi johtavuus voi osoittaa, että vesi ei sovellu tietyille kalalajeille tai makro-selkärangattomille. Teollisuusvedet voivat olla jopa 10 000 µS / cm.
Johtavuus on epäsuora mittari esimerkiksi virtaveden laadusta. Jokaisella vesiväylällä on suhteellisen vakio alue, jota voidaan käyttää juomaveden standardin johtavuusperustana. Säännölliset johtavuusarvioinnit tehdään käyttämällä vedenjohtavuusmittari. Suuret johtavuusmuutokset voivat merkitä puhdistustoiminnan tarvetta.
Lämmönjohtokyky
Tämä artikkeli kertoo selvästi sähkönjohtavuudesta. Fysiikassa kuitenkin kuulet todennäköisesti lämmön johtavuudesta, mikä on hiukan erilainen, koska lämpö mitataan energiassa, kun taas sähkö, joka voi tarjota energiaa, ei ole.
Materiaalien lämmönjohtavuuden muutoksilla on taipumus suunnata samansuuntaisia muutoksia sen sähkönjohtavuuteen, tosin ei yleensä samassa mittakaavassa. Yksi mielenkiintoinen materiaalien ominaisuus on, että vaikka useimmista niistä tulee huonompia johtimia kuumentuessaan (koska hiukkaset kiehuvat nopeammin ja nopeammin lämpötilan noustessa, ne todennäköisemmin "häiritsevät" elektroneja), tämä ei pidä paikkaansa luokkaa puolijohteiksi kutsuttuja materiaaleja.