в чем измеряется активная проводимость
Что такое электрическая проводимость
Говоря о свойстве того или иного тела препятствовать прохождению через него электрического тока, мы обычно используем термин «электрическое сопротивление». В электронике он удобен, есть даже специальные микроэлектронные компоненты, резисторы, обладающие тем или иным номинальным сопротивлением.
Но существует также понятие «электрическая проводимость» или «электропроводность», характеризующее способность тела проводить электрический ток.
Тогда как сопротивление обратно пропорционально току, проводимость прямо пропорциональна току, то есть проводимость — это обратная величина по отношению к электрическому сопротивлению.
Сопротивление измеряется в омах, а проводимость — в сименсах. Но фактически речь всегда идет об одном и том же свойстве материала — о его способности проводить электрический ток.
Электронная проводимость подразумевает то, что носителями заряда, образующими ток в веществе, являются электроны. Прежде всего электронной проводимостью обладают металлы, хотя почти все материалы в большей или меньшей степени способны к ней.
Чем выше температура материала — тем меньше его электронная проводимость, поскольку с ростом температуры тепловое движение все больше мешает упорядоченному движению электронов и значит препятствует направленному току.
Электронная проводимость тем больше, чем короче проводник, чем больше площадь его поперечного сечения, чем значительнее в нем концентрация свободных электронов (чем меньше удельное сопротивление).
Практически в электротехнике наиболее важно передавать электрическую энергию с минимальными потерями. По этой причине металлы играют в ней крайне важную роль. Особенно те из них, которые обладают максимальной электропроводностью, то есть наименьшим удельным электрическим сопротивлением: серебро, медь, золото, алюминий. Концентрация свободных электронов в металлах выше чем в диэлектриках и полупроводниках.
В качестве проводников электрической энергии, из металлов экономически выгоднее всего использовать алюминий и медь, поскольку медь существенно дешевле серебра, но при этом удельное электрическое сопротивление меди лишь чуть-чуть больше чем у серебра, соответственно проводимость меди совсем немного меньше серебра. Другие металлы не имеют столь высокой значимости для промышленного производства проводников.
Газообразные и жидкие среды, в которых есть свободные ионы, обладают ионной проводимостью. Ионы, как и электроны, являются носителями заряда, и могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему данной среды. Такой средой может выступать электролит. Чем выше температура электролита — тем выше его ионная проводимость, так как с ростом теплового движения, энергия ионов возрастает, а вязкость среды уменьшается.
При недостатке электронов в кристаллической решетке материала, может иметь место дырочная проводимость. Электроны переносят заряд, но они выступают как-бы освобожденными местами при перемещении дырок — пустых мест в кристаллической решетке материала. Свободные электроны здесь не перемещаются подобно газовому облаку в металлах.
Дырочная проводимость проявляется в полупроводниках наравне с электронной проводимостью. Полупроводники в различных комбинациях позволяют управлять величиной проводимости, что демонстрируется в различных микроэлектронных приборах: диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.
Прежде всего в качестве проводников в электротехнике еще в 19 веке начали использовать металлы, вместе с ними — диэлектрики, изоляторы (с наименьшей электропроводностью), такие как слюда, резина, фарфор.
В электронике получили широкое распространение полупроводники, занявшие почетное промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Большинство современных полупроводников получают на основе кремния, германия, углерода. Другие вещества используются гораздо реже.
Электропроводность веществ
В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.
Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.
Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).
Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.
Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.
Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.
Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.
Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.
Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.
Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.
Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.
Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.
Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.
Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.
Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.
Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.
Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.
При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.
Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.
Электрическая проводимость
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) в цепи постоянного тока — это величина, обратная электрическому сопротивлению.
Наименование и обозначение производной единицы СИ:
В цепях переменного тока, как известно, существует активное R, реактивное Х и полное Y сопротивление. По аналогии с этим введено и три типа проводимостей: активная G, реактивная B и полная Y.
В цепи переменного тока только полная проводимость Y (адмиттанс) является величиной, обратной полному сопротивлению
Комплексная проводимость рассчитывается по следующей схеме:
, где
G – активная проводимость или действительная часть комплексной проводимости,
B – реактивная проводимость или её мнимая часть.
Активная и реактивная проводимости определяются из условия равенства углов сдвига фаз φ:
g = y cos φ
b = y sin φ
Таким образом Комплексная проводимость равна:
СОДЕРЖАНИЕ
Единицы
СИ единицей проводимости является S / м и, если иное квалификацию, он не относится к 25 ° C. Чаще встречается традиционная единица измерения мкСм / см.
Преобразование проводимости в общее количество растворенных твердых веществ зависит от химического состава образца и может варьироваться от 0,54 до 0,96. Как правило, преобразование выполняется, предполагая, что твердым веществом является хлорид натрия, т.е. 1 мкСм / см в этом случае эквивалентно примерно 0,64 мг NaCl на кг воды.
Измерение
На рынке имеется широкий выбор приборов. Чаще всего используются два типа электродных датчиков: электродные датчики и индукционные датчики. Электродные датчики со статической конструкцией подходят для низкой и средней проводимости и существуют в различных типах, с 2 или 4 электродами, где электроды могут быть расположены напротив друг друга, плоские или в цилиндре. Электродные ячейки с гибкой конструкцией, в которой расстояние между двумя противоположно расположенными электродами может варьироваться, обеспечивают высокую точность и также могут использоваться для измерения высокопроводящих сред. Индуктивные датчики подходят для жестких химических условий, но требуют большего объема пробы, чем электродные датчики. Датчики проводимости обычно калибруются растворами KCl известной проводимости. Электролитическая проводимость сильно зависит от температуры, но многие коммерческие системы предлагают автоматическую температурную коррекцию. Таблицы эталонных проводимостей доступны для многих распространенных решений.
Определения
Сопротивление R пропорционально расстоянию l между электродами и обратно пропорционально площади поперечного сечения образца A ( обозначено буквой S на рисунке выше). Записывая ρ (rho) для удельного сопротивления (или удельного сопротивления ),
Удельная проводимость (проводимость) κ (каппа) обратно пропорциональна удельному сопротивлению.
Теория
Сильные электролиты
Сильные электролиты предположили диссоциируют полностью в растворе. Электропроводность раствора сильного электролита при низкой концентрации подчиняется закону Кольрауша.
Однако по мере увеличения концентрации проводимость больше не увеличивается пропорционально. Более того, Кольрауш также обнаружил, что предельная проводимость электролита;
В следующей таблице приведены значения предельной молярной проводимости для некоторых выбранных ионов.
Интерпретация этих результатов была основана на теории Дебая и Хюккеля, что привело к теории Дебая-Хюккеля-Онзагера:
Слабые электролиты
Различные растворители демонстрируют одинаковую диссоциацию, если отношение относительных диэлектрических проницаемостей равно отношению кубических корней концентраций электролитов (правило Вальдена).
Более высокие концентрации
Существование так называемого минимума проводимости в растворителях с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 60 оказалось спорным вопросом с точки зрения интерпретации. Фуосс и Краус предположили, что это вызвано образованием ионных триплетов, и это предположение недавно получило некоторую поддержку.
Системы смешанных растворителей
Проводимость в зависимости от температуры
Обычно проводимость раствора увеличивается с повышением температуры, так как подвижность ионов увеличивается. Для сравнения эталонные значения указаны при согласованной температуре, обычно 298 K (≈ 25 ° C или 77 ° F), хотя иногда используется 20 ° C (68 ° F). Так называемые «компенсированные» измерения выполняются при удобной температуре, но сообщаемое значение является расчетным значением ожидаемого значения проводимости раствора, как если бы оно было измерено при эталонной температуре. Базовая компенсация обычно выполняется, исходя из предположения, что линейное увеличение проводимости в зависимости от температуры обычно составляет 2% на Кельвин. Это значение широко применимо для большинства солей при комнатной температуре. Определить точный температурный коэффициент для конкретного раствора просто, и приборы, как правило, могут применять производный коэффициент (т.е. отличный от 2%).
Изотопный эффект растворителя
Изменение проводимости из-за изотопного эффекта для дейтерированных электролитов является значительным.
Приложения
Несмотря на сложность теоретической интерпретации, измеренная проводимость является хорошим индикатором присутствия или отсутствия проводящих ионов в растворе, и измерения широко используются во многих отраслях промышленности. Например, измерения электропроводности используются для контроля качества воды в коммунальном водоснабжении, больницах, котловой воде и в промышленности, которая зависит от качества воды, например, в пивоварении. Этот тип измерения не зависит от ионов; иногда его можно использовать для определения общего количества растворенных твердых веществ (TDS или TDS), если известны состав раствора и его поведение проводимости. Измерения проводимости, проводимые для определения чистоты воды, не будут реагировать на непроводящие загрязнения (многие органические соединения попадают в эту категорию), поэтому в зависимости от области применения могут потребоваться дополнительные испытания на чистоту.
Иногда измерения проводимости связаны с другими методами, чтобы повысить чувствительность обнаружения определенных типов ионов. Например, в технологии котловой воды продувка котла постоянно контролируется на предмет «катионной проводимости», то есть проводимости воды после того, как она прошла через катионообменную смолу. Это чувствительный метод контроля анионных примесей в котловой воде в присутствии избытка катионов (в составе подщелачивающего агента, обычно используемого для обработки воды). Чувствительность этого метода зависит от высокой подвижности H + по сравнению с подвижностью других катионов или анионов. Помимо катионной проводимости, существуют аналитические приборы, предназначенные для измерения проводимости по дегазации, где проводимость измеряется после удаления растворенного диоксида углерода из образца путем повторного кипячения или динамической дегазации.
Сопротивления, проводимости и схемы замещения линий электросетей
Линии электросетей обладают активными и индуктивными сопротивлениями и активными и емкостными проводимостями, равномерно распределенными по их длине.
В практических электрических расчетах электросетей принято равномерно распределенные постоянные линии заменять сосредоточенными постоянными: активным r и индуктивным х сопротивлениями и активной g и емкостной b проводимостями. Соответствующая этому условию П-образная схема замещения линии приведена на рис. 1,а.
При расчетах местных электросетей напряжением 35 кв и ниже проводимости g и b можно не учитывать и применять более простую схему замещения, состоящую из последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений (рис. 1,б).
Активное сопротивление линии определяют по формуле
где l— длина провода, м; s — сечение провода или жилы кабеля, ммг γ — удельная расчетная проводимость материала, м/ом-мм2.
Рис. 1. Схемы замещения линий: а — для районных электросетей; б — для местных электросетей.
Среднее расчетное значение удельной проводимости при температуре 20° С для однопроволочных и многопроволочных проводов с учетом их фактического сечения и увеличения длины при скрутке многопроволочных проводов равно для меди 53 м/ом∙мм2, для алюминия 32 м/ом∙мм2.
Активное сопротивление стальных проводов непостоянно. При увеличении тока по проводу возрастает поверхностный эффект, а следовательно, увеличивается активное сопротивление провода. Активное сопротивление стальных проводов определяют по экспериментальным кривым или таблицам в зависимости от величины протекающего по ним тока.
Индуктивное сопротивление линии. Если линия трехфазного тока выполнена с перестановкой (транспозицией) проводов, то при частоте 50 гц индуктивное сопротивление фазы на 1 км длины линии можно Определить по формуле
где: аср – среднее геометрическое расстояние между осями проводов
а1, а2 и а3 — расстояния между осями проводов разных фаз, d — наружный диаметр проводов, принимаемый по таблицам ГОСТ на провода; μ— относительная магнитная проницаемость металла провода; для проводов из цветного металла μ=1; х’0 — внешнее индуктивное сопротивление линии, обусловленное магнитным потоком вне провода; х»0 — внутреннее индуктивное сопротивление линии, обусловленное магнитным потоком, замыкающимся внутри провода.
Индуктивное сопротивление линии длиной l км
Индуктивные сопротивления х0 воздушных линий с проводами из цветного металла составляют в среднем 0,33—0,42 ом/км.
Линии напряжением 330—500 кв для снижения потерь на корону (см. ниже) выполняют не одним многопроволочным проводом большого диаметра, а двумя-тремя сталеалюминиевыми проводами на фазу, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. При этом индуктивное сопротивление линии существенно снижается. На рис. 2 показано подобное выполнение фазы линии 500 кв, где три провода расположены по вершинам равностороннего треугольника со сторонами 40 см. Провода фазы скреплены несколькими жесткими растяжками в пролете.
Применение нескольких проводов на фазу эквивалентно увеличению диаметра провода, что ведет к уменьшению индуктивного сопротивления линии. Последнее можно подсчитать по второй формуле, разделив второй член ее правой части на п и подставив вместо наружного диаметра d провода эквивалентный диаметр dэ определенный по формуле
где n — число проводов в одной фазе линии; асp—среднее геометрическое расстояние между проводами одной фазы.
При двух проводах на фазу индуктивное сопротивление линии снижается примерно на 15—20%, а при трех проводах—на 25—30%.
Суммарное сечение проводов фазы равно необходимому расчетному сечению, последнее как бы разделяют на два-три провода, поэтому такие линии принято условно называть линиями с расщепленными проводами.
Стальные провода обладают значительно большей величиной х0, так как магнитная проницаемость стали больше единицы и определяющим является второй член второй формулы, т. е. внутреннее индуктивное сопротивление х»0.
Рис. 2. Подвесная гирлянда с тремя расщепленными проводами одной фазы линии 500 кв.
Вследствие зависимости магнитной проницаемости стали от величины протекающего по проводу тока определение х»0 стальных проводов достаточно сложно. Поэтому в практических расчетах определяют х»0 стальных проводов по кривым или таблицам, полученным экспериментальным путем.
Индуктивные сопротивления трехжильных кабелей можно принимать, исходя из следующих средних значений:
Активная проводимость линии определяется потерями активной мощности в ее диэлектриках.
В воздушных линиях всех напряжений потери через изоляторы невелики даже в районах с сильно загрязненным воздухом, поэтому их не учитывают.
В воздушных линиях напряжением 110 кв и выше при определенных условиях возникает коронирование проводов, обусловленное интенсивной ионизацией окружающего провод воздуха и сопровождающееся фиолетовым свечением и характерным потрескиванием. Особенно интенсивно провода коронируют в сырую погоду. Наиболее радикальным средством снижения потерь мощности на корону является увеличение диаметра провода, так как с увеличением последнего напряженность электрического поля, а следовательно, и ионизация воздуха вблизи провода уменьшаются.
Для линий 110 кв диаметр провода из условий короны должен быть не менее 10— 11 мм (провода АС-50 и М-70), для линий 154 кв — не менее 14 мм (провод АС-95), а для линии 220 кв — не менее 22 мм (провод АС-240).
Потери активной мощности на коронирование в проводах воздушных линий 110—220 кв при указанных и больших диаметрах проводов незначительны (десятки киловатт на 1 км длины линии), поэтому в расчетах их не учитывают.
В линиях 330 и 500 кв применяют два или три провода на фазу, что, как указывалось ранее, эквивалентно увеличению диаметра провода, вследствие чего напряженность электрического поля вблизи проводов значительно снижается и провода коронируют незначительно.
В кабельных линиях 35 кв и ниже потери мощности в диэлектриках малы и их также не учитывают. В кабельных линиях 110 кв и выше потери в диэлектрике составляют несколько киловатт на 1 км длины.
Емкостная проводимость линии обусловлена емкостью между проводами и между проводами и землей.
С достаточной для практических расчетов точностью емкостную проводимость трехфазной воздушной линии можно определять по формуле
где С0 — рабочая емкость линии; ω — угловая частота переменного тока; аср и d — см. выше.
При этом не учитывают проводимость почвы и глубину возврата тока в земле и предполагают, что на линии выполнена перестановка проводов.
Для кабелей рабочую емкость определяют по заводским данным.
Проводимость линии длиной l км
Наличие емкости в линии обусловливает протекание емкостных токов. Емкостные токи опережают на 90° соответствующие фазные напряжения.
В действительных линиях с равномерно распределенными по длине постоянными емкостные токи неодинаковы вдоль длины линии, так как напряжение вдоль линии непостоянно по величине.
Емкостный ток в начале линии в предположении постоянного по величине напряжения
где Uф—фазное напряжение линии.
Емкостная мощность линии (мощность, генерируемая линией)
где U — междуфазное напряжение, кв.
Из третьей формулы следует, что емкостная проводимость линии мало зависит от расстояния между проводами и диаметра проводов. Мощность, генерируемая линией, сильно зависит от напряжения линии. Для воздушных линий 35 кв и ниже она весьма мала. Для линии 110 кв длиной 100 км Qc≈З Мвар. Для линии 220 кв длиной 100 км Qc≈13 Мвар. Наличие расщепленных проводов увеличивает емкость линии.
Емкостные токи кабельных сетей учитывают только при напряжениях 20 кв и выше.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: