Hvorfor er konduktivitet viktig?

Innhold

• Grunnleggende om elektrisitet
• Hva er konduktivitet?
• Konduktivitet kontra konduktans
• Elektrisk konduktans og vann: en oversikt
• Betydningen av konduktivitet i vann
• Termisk ledningsevne

Alle som tilbringer mye tid rundt et svømmebasseng oppdager raskt at folk generelt er veldig opptatt av å ha elektriske apparater i nærheten av vannet - desto mer hvis de tilfeldigvis er koblet til.

Dette er faktisk sant i de fleste situasjoner der det finnes et tilstrekkelig vannmagasin hvor som helst i nærheten av kjente strømmer av elektrisk strøm. Takket være ledningsevnen til vann, er den diaboliske brødristeren i badekaret noe av en elsket klisjé i historier om mordmysterier.

Poenget her er ikke at du kan skade deg selv med strøm, selv om det alltid er viktig å huske på; det er at de mest våkne voksne, og for den saks skyld ungdomsskoleungdommer, vet å unngå å blande vann og strøm i noen form om de kjenner fysikk eller ikke. (Faktisk vedvarer noen altfor forsiktige ideer, som at forestillingen om at du sannsynligvis vil få et sjokk hvis du berører en plastlysbryter når fingrene er våte.)

Foreløpig viktigere er spørsmålet om hvordan elektrisitet "flyter" i det minste noen væsker når minst noen faste stoffer kan inneholde det. Er det bare vann som samhandler med strøm på denne måten? Hva med sølt melk eller juice? Og mer generelt, hvilke egenskaper ved materie som bidrar til verdien av dets ledningsevne?

Grunnleggende om elektrisitet

Fenomenet kjent som elektrisitet er egentlig ikke mer enn bevegelsen av elektroner gjennom et slags fysisk medium, eller materiale.

Du tenker kanskje ikke på luft som et materiale, men faktisk luft rik på forskjellige molekyler du ikke kan se, hvorav mange kan og delta i elektrisk strøm. Du kan tydeligvis ikke se elektroner, så hvis du tror på strøm, bør du tro at forbløffende bittesmå ting spiller en stor rolle i oppførselen til hverdagsmaterialer!

Ulike materialer tillater denne passering av elektroner - og med dem, deres elektriske ladninger - i ulik grad avhengig av deres individuelle molekylære og atomstrukturer. Jo færre kollisjoner med andre bittesmå gjenstander som opplever ved å glippe elektroner, jo lettere blir de overført gjennom saken det gjelder.

Den generelle ligningen for strømmen er I = V / R, hvor Jeg er strømmen i ampere, V er elektrisk potensialforskjell i volt ("spenning") og R er motstanden i ohm. Motstand er relatert til konduktivitet, slik du snart lærer.

Hva er konduktivitet?

Konduktivitet, eller mer formelt elektrisk ledning, er et matematisk mål på en materialers evne til å lede strøm. Det er representert med det greske bokstaven sigma (σ) og dens SI (metriske system) -enhet er sekener per meter (S / m).

Konduktivitet er bare den matematiske gjensidige resistivitet. Motstand er representert med den lille greske bokstaven rho (ρ) og måles i ohm-meter (Ωm), noe som betyr at S / m også kan beskrives som en gjensidig ohm-meter (1 / Ωm eller Ωm^-1). I forlengelsen av dette kan du se at en siemen er gjensidig en ohm. Siden gjennomføre noe sammen i den virkelige verden er det motsatte av motsette gjennomgangen, dette gir fysisk mening.

Konduktiviteten til et materiale er en iboende egenskap for dette materialet og er ikke relatert til hvordan en krets eller et annet system er montert, noe som blir gjort rede for av "per meter" i siemens-enheten. Det er relatert til motstanden til et materiale, ofte en ledning i fysiske problemer som involverer disse situasjonene, av uttrykket R = ρL / A hvor L er lengden hvis ledningen i m og EN dens tverrsnittsareal i m².

Konduktivitet kontra konduktans

Som nevnt er ledningsevne ikke avhengig av eksperimentell oppsett og er bare en refleksjon av hvordan et gitt materiale (fast, flytende eller gassformet) "er." Noen materialer lager naturlig sterke ledere (og dermed dårlige motstander), mens andre kan lede strøm svakt eller ikke i det hele tatt og lage gode motstander (eller elektriske isolatorer).

Med en elektrisk krets kan du manipulere oppsettet slik at du kan få uansett strømnivå du vil, gitt hvilken kombinasjon av motstandselementer du inkluderer. Dette er grunnen til at motstand er utpekt R og har ingen lengde i enhetene sine; det er et mål på systemegenskaper, ikke materialets. Tilsvarende, ledningsevne (symbolisert av brevet G og målt i siemens) fungerer på samme måte. Men det er normalt mer praktisk å bruke R eller ρ enn det er å gå med G eller σ.

Som en analogi, bør du vurdere at treneren til et fotballag kan endre styrken og hastigheten til de individuelle spillerne, men til slutt har hvert fotballag de samme viktige begrensningene: 11 menneskelige spillere til en side, varierende i deres fysiske evner, men har de samme grunnleggende egenskapene.

Elektrisk konduktans og vann: en oversikt

Det mest sjokkerende du vil lære i denne artikkelen (og det er ikke bare en ordspill, ærlig!) Er at vann, strengt tatt, er en forferdelig elektrisitetsleder. Det vil si ren H₂O (hydrogen og oksygen i et forhold på 2: 1) leder ikke strøm.

Som du ikke er i tvil allerede konkludert, betyr dette at det å møte virkelig rent vann er noe som egentlig aldri skjer. Selv i laboratorieinnstilling er det lett for ioner (ladede partikler) å "snike" seg inn i vann som er kondensert fra ren damp, dvs. destillert.

Vann fra rør og direkte fra naturlige kilder er alltid rik på urenheter som mineraler, kjemikalier og diverse oppløste stoffer. Dette er ikke nødvendigvis en dårlig ting, selvfølgelig; alt dette saltet i havvann, for eksempel, gjør det litt lettere å flyte i sjøen hvis det er spillet ditt.

Når det skjer, er bordsalt (natriumklorid eller NaCl) et av de mest kjente stoffene som kan frarøve vann fra dets isolasjonsegenskaper når de oppløses i H₂O.

Betydningen av konduktivitet i vann

Konduktiviteten til vann i amerikanske elver varierer vidt, fra 50 til 1500 μS / cm. Innlands ferskvannstrømmer som lar fisk trives, har en tendens til å ha mellom 150 og 500 μS / cm. Høyere eller lavere konduktivitet kan indikere at vannet ikke er egnet for visse arter av fisk eller makrovirvelløse arter. Industrielle farvann kan variere så høyt som 10.000 μS / cm.

Konduktivitet er et indirekte mål på for eksempel strømningsvannskvalitet. Hver vannvei har et relativt konstant område som kan brukes som en ledningsevne for drikkevannsstandard. Regelmessige konduktivitetsvurderinger gjort med a vannledningsmåler. Store endringer i ledningsevne kan signalisere behovet for en opprydding.

Termisk ledningsevne

Denne artikkelen handler tydeligvis om elektrisk ledningsevne. I fysikk er det imidlertid sannsynlig at du vil høre om ledning av varme, noe som er litt annerledes fordi varme måles i energi, mens strøm, som kan gi energi, ikke er det.

Endringer i termisk ledningsevne har en tendens til å parallelle endringer i dens elektriske ledningsevne, men ikke vanligvis i samme skala. En interessant egenskap ved materialer er at selv om de fleste av dem blir dårligere ledere når de blir oppvarmet (når partikler suser raskere og raskere når temperaturen klatrer, er det mer sannsynlig at de "forstyrrer" elektroner), dette er ikke sant for en klasse av materialer som kalles halvledere.