в чем измеряется проводимость среды
Удельная проводимость
Удельная проводимость
Уде́льная проводи́мость (уде́льная электропрово́дность) — мера способности вещества проводить электрический ток. (Точнее следует говорить об электропроводности среды, т.к. не имеется в виду обязательно химически чистое вещество; эта величина различна для разных веществ или смесей, сплавов и т.п.). В линейном изотропном веществе плотность возникающего тока прямо пропорциональна электрическому полю (см. Закон Ома) Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению.
В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, т.е. не совпадает в различных точках проводника.
В анизотропных средах формула остаётся той же, но σ является тензором 2 ранга, и векторы плотности тока и напряжённости поля, вообще говоря, не коллинеарны.
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.
Удельная проводимость некоторых веществ
Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению. (см. удельное сопротивление).
Удельная проводимость при температуре 20 °C:
| вещество | См/м |
|---|---|
| платина | 5 800 000 |
| золото | 43 470 000 |
| серебро | 62 500 000 |
| медь | 58 800 000 |
| алюминий | 36 000 000 |
| иридий | 21 090 000 |
| молибден | 18 500 000 |
| вольфрам | 18 180 000 |
| цинк | 16 940 000 |
| никель | 11 500 000 |
| железо чистое | 10 000 000 |
| иридий | 9 350 000 |
| олово | 8 330 000 |
| сталь литая | 7 690 000 |
| свинец | 4 810 000 |
| нейзильбер | 3 030 000 |
| константан | 2 000 000 |
| манганин | 2 330 000 |
| ртуть | 1 040 000 |
| нихром | 893 000 |
| графит | 125 000 |
| вода морская | 3 |
| земля влажная | 10 −2 |
| вода дистилл. | 10 −4 |
| мрамор | 10 −8 |
| Сжиженные углеводородные газы | 1.2*10 −10 |
| стекло | 10 −11 |
| фарфор | 10 −14 |
| кварцевое стекло | 10 −16 |
| янтарь | 10 −18 |
Источник данных: Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем., М.: Мир, 1982, стр. 475 (табл. 39); значения удельной проводимости вычислены из удельного сопротивления и округлены до 3 значащих цифр.
Электрическая проводимость. Определение, единицы измерения.
Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению. В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах: [См]=[1/Ом].
— Электронная проводимость, где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.
— Ионная проводимость. Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.
— Дырочная проводимость. Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.
Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.
В электротехнике важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.
Электропроводность воды
В отдельных отраслях применяются исключительно жесткие требования к качеству водоподготовки. В частности, в микроэлектронике и фармацевтике одним из важнейших показателей является электропроводность воды. Способность специально подготовленной жидкости проводить ток и величина удельного сопротивления сказывается на эффективности некоторых технологических процессов.
Что такое электропроводность воды
Самая распространенная жидкость на Земле обладает способностью проводить постоянный или переменный ток.
Нормы электропроводимости природной воды
В Российской федерации требования к параметрам качества водоподготовки регламентируются государственными стандартами и другими документами. Удельные показатели электрической проводимости воды различного назначения устанавливаются следующими нормативно-правовыми актами в зависимости от степени чистоты:
Жесткие технологические нормы электропроводности для воды установлены на предприятиях, выпускающих компоненты для микроэлектроники. Качество жидкости используемых в производственных процессах контролируется специализированными лабораториями и использованием сложных приборов по утвержденным методикам.
Показатели электропроводности: основные факторы
В природных водоемах содержится множество растворимых примесей неорганического происхождения. Они и определяют основные физические свойства вода, и в том числе электропроводность. Величина последней находится в прямой зависимости от ряда факторов:
При повышении температуры электропроводность воды существенной возрастает по причине роста скорости ионов, снижения их сольватированности и уменьшения показателей вязкости. При этом рост проводимости, связанный с увеличением концентрации катионов и анионов, наблюдается только до определенного предела. Достигнув максимума, она начинается уменьшаться, что обусловлено усилением взаимодействия заряженных частиц между собой и снижением степени диссоциации.
Определение показателей электропроводности воды
Уровень сопротивления жидкости электрическому току измеряется при помощи специальных приборов. Для количественного определения уровня электропроводности воды используются единицы измерения, установленные международной системой СИ. Применение унифицированных методов и стандартов в этой сфере упрощает лабораторные исследования и понимание получаемых результатов.
Единицы измерения
Для удобства в качестве единицы электропроводности воды используют производную, которая составляет одну десятитысячную от основной и записывается как мкСм/см.
Удельное сопротивление жидкости определяется в значительной мере уровнем минерализации. В США для измерения проводимости воды вместо мкСм/см используют величину TDS, указывающую на содержание растворимых солей. Этот показатель рассчитывается в частях на миллион и записывается как ppm. Для перевода этой единицы в международную используется корректирующий коэффициент.
Методы измерений и используемые приборы
В нашей стране удельная проводимость и водородный показатель жидкости определяются электрометрическим способом. Для того чтобы точно рассчитать электропроводность воды специалисты пользуются методикой, установленной РД 52.24.495-2005. Действие этого документа распространятся на поверхностные источники водоснабжения и стоки.
Для измерения электропроводности воды применяется откалиброванный кондуктометр с электродами из нержавеющей стали. Для калибровки прибора используется стандартный раствор с показателем не менее 1500 мкСм/см, при этом отклонение от номинала не должно превышать 2%.
В ходе измерений удельной электропроводности воды фиксируется ее температура, а искомая величина определяется при помощи специальных таблиц. В случае если используются приборы с температурной компенсацией, то на экране сразу же появляется истинное значение, что существенно упрощает процесс.
Снижение электропроводимости воды: профессиональные методы
Современные системы водоподготовки обеспечивают требуемые показатели качества. Для того чтобы уменьшить электропроводность воды в таких установках используются следующие методы очистки:
Перечисленные технологии различаются по уровню эффективности и технико-экономическим параметрам. Выбор того или иного метода осуществляется с учетом показателей проводимости воды, необходимых заказчику. Рассмотрим подробнее возможности и особенности каждого из представленных способов.
Обратный осмос
Суть метода состоит в использовании полупроницаемых мембран для получения пермеата высокой очистки. В процессе обратного осмоса проводимость воды существенно уменьшается по причине ее глубокой деминерализации. Современные промышленные установки обратного осмоса отделяют до 99,9% всех примесей, в том числе и солей жесткости. Такие системы отличаются производительностью до 1000 л/ч.
Показатели электропроводности осмотической воды в зависимости от модели используемой установки колеблется в пределах от 0,1 до 5 мкСм/см. Пермеат без дополнительной обработки относиться к первой степени очистки, и может использоваться в медицине, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях промышленного производства. Обратноосмотические установки в настоящее время являются основными источниками очищенной воды.
Электродеионизация
В настоящее время разрабатываются и внедряются технологии глубокой очистки жидкостей от солей. Необходимые физические свойства воды, в том числе электропроводность на уровне 0,055 мкСм/см, обеспечивает метод электродеионизации. Водоподготовка с его использованием проводится в три этапа:
Очищенная и деионизированная вода обладает крайне низкой проводимостью, что позволяет ее использовать в качестве растворителей для лекарственных препаратов. Промышленные установки электродеионизации имеют высокую производительность и могут использоваться на предприятиях теплоэнергетики.
Ионный обмен
Иониты производятся на основе сетчатых полимеров, которые имеют микропористую или сетчатую структуру. Материал имеет ковалентную связь с ионогенными группами, которые в процессе диссоциации образуют пару из свободного и фиксированного иона с противоположным зарядом. Последний закреплен на полимере.
В результате ионообменного процесса заметно снижается электропроводность воды и уровень ее минерализации. Заряженные частицы из жидкости диффундируют вначале к поверхности, а затем и внутрь сорбента. Со временем способность засыпки поглощать ионы из жидкости снижается и для ее восстановления проводится регенерация с использованием рабочих растворов.
Удельная электрическая проводимость в воде
Компания Diasel Engineering предлагает эффективные технические решения по уменьшению удельной электрической проводимости воды. Предприятие осуществляет поставки оборудования систем обратного осмоса, электродеионизации и ионного обмена. Наши специалисты выполняют монтаж установок водоподготовки, необходимые пусконаладочные работы и обеспечивают их техническое обслуживание.
Электропроводность сред и её роль в различных отраслях промышленности
Что такое проводимость?
Чаще всего под проводимостью понимается способность вещества передавать тепло, звук или электричество. В этом материале мы разберём электрическую проводимость (EC), которая представляет собой способность исследуемой среды проводить электрический ток. Небольшие положительно либо отрицательно заряженные частицы, называемые ионами, помогают переносить электрический заряд через вещество. Чем больше таких ионов, тем выше проводимость, соответственно, меньшее количество ионов приводит к снижению проводимости. А чем выше проводимость, тем выше способность среды проводить электричество. Это связано с большим количеством заряженных ионов, присутствующих в образце. Самой высокой электрической проводимостью обладают проводники – металлы и электролиты.
Электропроводность сред, также называемая ЕС, основана на проводимости, которая, как мы выяснили, является способностью вещества передавать ток. Единицами измерения электропроводности является Siemens/cm (S/cm, mS/cm, μS/cm, dS/m). Например, сверхчистая вода имеет удельную проводимость 0.055 μS/см при температуре 25 °С. Величина электропроводности обратна величине электрического сопротивления, несмотря на то, что обе они являются характеристиками электропроводящей способности материалов.
Какие отрасли промышленности полагаются на измерения ЕС?
Теперь давайте взглянем на конкретные применения измерений ЕС в конкретных отраслях жизнедеятельности человека.
ЕС и сельское хозяйство
В сельскохозяйственной промышленности знание электропроводности почвы чрезвычайно важно для здоровья и роста сельскохозяйственных культур. Фермеры и производители, как правило, регулярно производят мониторинг содержания фосфатов, нитратов, кальция и калия почвы, поскольку эти питательные вещества необходимы для успешного роста растений. Тестирование электропроводности (ЕС) почвы может помочь производителям отслеживать количество всех питательных веществ, присутствующих в почве, и определять, требует ли она больше питательных веществ или же, наоборот, имеет место её перенасыщение. Таким образом, измерение EC почвы помогает экономить денежные средства в долгосрочной перспективе и обеспечивает здоровое растениеводство.
EC и обработка воды
Электрическая проводимость играет огромную роль в различных сферах, связанных с контролем качества воды. При очистке сточных вод ЕС измеряется для того, чтобы сопоставить параметры отходящих сточных вод со свойствами воды, в которую они поступают. Попадание в чистую воду стоков с чрезвычайно высокой или низкой солёностью может иметь пагубные последствия для здоровья водной флоры и фауны. Таким образом, сохранение измерений ЕС в приемлемых диапазонах является важным и полезным для поддержания здоровой и устойчивой экосистемы наших океанов и других природных водоёмов.
EC и гальванические ванны
Проводимость может также оказывать воздействие на гальванические ванны, с помощью которых проводятся процедуры нанесения на металлы слоёв защищающих веществ и/или придания им определённой окраски. Поэтому измерения ЕС являются обычным делом в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, изготовление ювелирных изделий и т. д.
Измерения ЕС и общего содержания растворенных твердых веществ (TDS)
Между тем, электропроводимость можно измерять и с целью определения общего количества растворенных твердых веществ в средах (TDS) и их солёности, что также весьма востребовано в различных отраслях промышленности. Обычно измерение EC используется для оценки параметров TDS. Это подразумевает то, что природа твёрдых частиц является ионной и соотношение между растворенными ионами и проводимостью ЕС нам известно.
Для измерения TDS используются единицы мг/л (ppm) или г/л. Некоторые модели измерителей электропроводимости разрешают пользователю осуществлять введение коэффициента TDS для последующего преобразования, однако в большинстве приборов данный коэффициент устанавливается автоматически на значении 0.50. Для растворов с высоким содержанием ионов коэффициент TDS составляет 0.5, а для слабых образцов, таких как, например, удобрения, он равен 0.7. Следует заметить, что коэффициенты преобразования TDS для разных твёрдых тел являются различными.
Измерения электропроводимости и солёности
Влияние температуры измеряемого вещества на показатели проводимости
Следует также иметь в виду, что температура измеряемого образца влиять на измерения ЕС. Ведь от температуры зависит активность ионов и концентрация вещества, а это, в свою очередь, влияет на проводимость. Чем выше температура раствора, тем ниже сопротивление (что соответствует более высокой проводимости). И, наоборот, чем ниже температура вещества, тем выше сопротивление (и тем ниже проводимость). Встроенные датчики температуры в приборах для измерения проводимости определяют температуру раствора в режиме реального времени. Встроенная автокомпенсация корректирует измеряемую проводимость до контрольной температуры с помощью фиксированного коэффициента β для линейной компенсации. Более продвинутые измерители проводимости позволяют регулировать β для компенсации различных сред и осуществляют регулировку эталонной температур в максимально широких температурных диапазонах.
Какие датчики используют для измерения проводимости?
Существует несколько типов зондов для измерения проводимости. Они подключаются к корпусу измерительного оборудования для сбора максимально точных показаний.
Амперометрический датчик
Амперометрический датчикАмперометрический датчик – это двухэлектродный зонд, измеряющий проводимость с применением амперометрического метода. Эти два электрода изолированы друг от друга, однако и тот и другой при этом контактируют с раствором, для измерения. Данный зонд функционирует с использованием переменного напряжения на определенной частоте между парой электродов, находящихся в растворе.
Двухэлектродные зонды не требуют большого объёма образца, чтобы полностью покрыть датчики, однако измерительный диапазон таких электродов ограничен. Также если вы тестируете образцы, обладающие переменной электропроводимостью, вам вероятнее всего придётся приобрести более одного двухэлектродного зонда и/или измерительного прибора.
Потенциометрический зонд
Данный измерительный датчик представляет собой четырёхкольцовый зонд, который использует для анализа сред потенциометрический подход. В «кольцо» входят два внешних «приводных» и два внутренних электрода. На внешние электроды подаётся переменный ток для индукции тока через раствор. В свою очередь, внутренняя пара электродов измеряет падение потенциала, вызванное наличием тока. Четырёхдиапазонные зонды могут покрывать более широкий измерительный диапазон (концентрацию ионов) и демонстрируют более высокую степень точности, в сравнении с амперометрическим методом исследования. Однако зонд такого типа потребует большего количества измеряемого вещества.
Электрическая проводимость
 Классическая электродинамика | ||||||||||||
 | ||||||||||||
| Электричество · Магнетизм | ||||||||||||
| ||||||||||||
| См. также: Портал:Физика |
Содержание
Удельная проводимость
Удельной проводимостью (удельной электропроводностью) называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:
В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, то есть не совпадает в различных точках проводника.
Удельная проводимость анизотропных (в отличие от изотропных) сред является, вообще говоря, не скаляром, а тензором (симметричным тензором ранга 2), и умножение на него сводится к матричному умножению:
векторы же плотности тока и напряжённости поля в этом случае, вообще говоря, не коллинеарны.
Для любой линейной среды можно выбрать локально (а если среда однородная, то и глобально) ортогональную систему координат (собственные оси тензора проводимости), в которой тензор проводимости диагонализуется. В таких координатах соотношение упрощается и записывается так:
(но такое соотношение для анизотропной среды реализуется только в одних выделенных координатах) [2]
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.
Электрическая проводимость G проводника длиной L с площадью поперечного сечения S может быть выражена через удельную проводимость вещества, из которого сделан проводник, следующей формулой:
Связь с коэффициентом теплопроводности
Закон Видемана — Франца устанавливает однозначную связь удельной электрической проводимости 
с коэффициентом теплопроводности 
:
Электропроводность металлов
Ещё задолго до открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, в течение времени, исчисляемого многими месяцами, пропускался постоянный электрический ток. После этого исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. Эти опыты показали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.
Опыты Толмена и Стюарта
Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обуславливается движением электронов, были опыты Толмена и Стюарта, проведённые в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.
Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.
При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что линейное ускорение катушки при торможении 
направлено вдоль проводов. При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции — 
направленная противоположно ускорению ( 
— масса электрона). Под её действием электрон ведёт себя в металле так, как если бы на него действовало некоторое эффективное электрическое поле:
Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов, равна
где L — длина провода на катушке. [4]
Введём обозначения: I — сила тока, протекающего по замкнутой цепи, R — сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки и проводов внешней цепи и гальванометра. Запишем закон Ома в виде:
Тогда за время торможения через гальванометр пройдёт заряд
Удельная проводимость некоторых веществ
Удельная проводимость приведена при температуре 20 °C [5] :