Kas temperatuur mõjutab elektri- ja soojusjuhtivust?

Elektrilinejuhtivusyseisab kuipõhiparameeterfüüsikas, keemias ja kaasaegses inseneriteaduses, millel on märkimisväärne mõju paljudes valdkondades,alates suuremahulisest tootmisest kuni ülitäpse mikroelektroonikani. Selle elutähtis tähtsus tuleneb otsesest seosest lugematute elektri- ja termiliste süsteemide jõudluse, tõhususe ja töökindlusega.

See detailne käsitlus on põhjalik juhend keerulise seose mõistmisekselektrijuhtivus (σ), soojusjuhtivus(κ)ja temperatuur (T)Lisaks uurime süstemaatiliselt erinevate materjaliklasside juhtivuskäitumist, alates tavalistest juhtidest kuni spetsiaalsete pooljuhtide ja isolaatoriteni, nagu hõbe, kuld, vask, raud, lahused ja kumm, mis ühendavad teoreetilisi teadmisi reaalsete tööstuslike rakendustega.

Pärast selle lugemismaterjali valmimist on teil kindel ja nüansirikas arusaamkohtaseetemperatuuri, juhtivuse ja soojuse seos.

Sisukord:

1. Kas temperatuur mõjutab elektrijuhtivust?

2. Kas temperatuur mõjutab soojusjuhtivust?

3. Elektri- ja soojusjuhtivuse seos

4. Juhtivus vs kloriid: peamised erinevused

I. Kas temperatuur mõjutab elektrijuhtivust?

Küsimusele „Kas temperatuur mõjutab juhtivust?” on vastus üheselt: jah.Temperatuur avaldab kriitilist, materjalist sõltuvat mõju nii elektri- kui ka soojusjuhtivusele.Kriitilistes insenerirakendustes alates jõuülekandest kuni andurite töötamiseni dikteerib temperatuuri ja juhtivuse suhe komponentide jõudlust, efektiivsusmarginaali ja tööohutust.

Kuidas temperatuur mõjutab juhtivust?

Temperatuur muudab juhtivust, muuteskui kergestiLaengukandjad, näiteks elektronid või ioonid, või soojus liiguvad läbi materjali. Mõju on iga materjalitüübi puhul erinev. Siin on täpselt see, kuidas see toimib, ja seda selgitatakse selgelt:

1.Metallid: juhtivus väheneb temperatuuri tõustes

Kõik metallid juhivad elektrit vabade elektronide kaudu, mis normaaltemperatuuril kergesti voolavad. Kuumutamisel metalli aatomid vibreerivad intensiivsemalt. Need vibratsioonid toimivad takistustena, hajutades elektrone ja aeglustades nende voolu.

Täpsemalt öeldes langevad elektri- ja soojusjuhtivus temperatuuri tõustes pidevalt. Toatemperatuuri lähedal langeb juhtivus tavaliselt~0,4% iga 1°C tõusu kohta.Seevastukui temperatuur tõuseb 80 °C võrra,metallid kaotavad25–30%nende algsest juhtivusest.

Seda põhimõtet kasutatakse laialdaselt tööstuslikus töötlemises, näiteks kuum keskkond vähendab juhtmestiku ohutut voolutugevust ja jahutussüsteemides soojuse hajumist.

2. Pooljuhtides: juhtivus suureneb temperatuuriga

Pooljuhtide algmaterjali struktuuris on elektronid tihedalt seotud. Madalatel temperatuuridel saavad vähesed neist liikuda ja voolu edasi kanda.Temperatuuri tõustes annab soojus elektronidele piisavalt energiat vabanemiseks ja voolamiseks. Mida soojemaks läheb, seda rohkem laengukandjaid muutub kättesaadavaks.suurendades oluliselt juhtivust.

Intuitiivsemalt öeldes, cJuhtivus tõuseb järsult, kahekordistudes tüüpilistes vahemikes sageli iga 10–15 °C järel.See aitab mõõduka kuumuse korral jõudlust parandada, kuid liiga kuuma ilmaga võib see probleeme tekitada (liigne leke), näiteks võib arvuti kokku joosta, kui pooljuhiga ehitatud kiip kuumeneb kõrge temperatuurini.

3. Elektrolüütides (vedelikes või geelides patareides): juhtivus paraneb kuumutamisel

Mõned inimesed mõtlevad, kuidas temperatuur mõjutab lahuse elektrijuhtivust, ja siin on see osa. Elektrolüüdid juhivad ioone lahuses liikudes, samas kui külm muudab vedelikud paksuks ja aeglaseks, mille tulemuseks on ioonide aeglane liikumine. Temperatuuri tõustes muutub vedelik vähem viskoosseks, mistõttu ioonid difundeeruvad kiiremini ja kannavad laengut tõhusamalt.

Kokkuvõttes suureneb juhtivus 2–3% iga 1 °C kohta, samal ajal kui kõik saavutab oma piiri. Kui temperatuur tõuseb rohkem kui 40 °C, langeb juhtivus ~30%.

Seda põhimõtet saab päriselus avastada – näiteks akud laevad soojas kiiremini, kuid ülekuumenemisel võivad need kahjustuda.

II. Kas temperatuur mõjutab soojusjuhtivust?

Soojusjuhtivus, mis mõõdab, kui kergesti soojus materjali kaudu liigub, väheneb tavaliselt enamiku tahkete ainete temperatuuri tõustes, kuigi käitumine varieerub sõltuvalt materjali struktuurist ja soojuse kandmise viisist.

Metallides liigub soojus peamiselt vabade elektronide kaudu. Temperatuuri tõustes hakkavad aatomid tugevamalt vibreerima, hajutades elektrone ja häirides nende liikumisteed, mis vähendab materjali võimet soojust tõhusalt üle kanda.

Kristallilistes isolaatorites liigub soojus aatomite vibratsioonide kaudu, mida nimetatakse foononiteks. Kõrgemad temperatuurid põhjustavad nende vibratsioonide intensiivistumist, mis viib aatomite sagedasemate kokkupõrgeteni ja soojusjuhtivuse selge languseni.

Gaasides aga toimub vastupidine. Temperatuuri tõustes liiguvad molekulid kiiremini ja põrkuvad sagedamini, kandes energiat kokkupõrgete vahel tõhusamalt üle; seetõttu suureneb soojusjuhtivus.

Polümeerides ja vedelikes on temperatuuri tõustes tavaline väike paranemine. Soojemad tingimused võimaldavad molekulaarsetel ahelatel vabamalt liikuda ja vähendavad viskoossust, muutes soojuse materjalist läbilaskmise lihtsamaks.

III. Elektri- ja soojusjuhtivuse vaheline seos

Kas soojusjuhtivuse ja elektrijuhtivuse vahel on seos? See küsimus võib teid huvitada. Tegelikult on elektri- ja soojusjuhtivuse vahel tugev seos, kuid see seos on mõttekas ainult teatud tüüpi materjalide, näiteks metallide puhul.

1. Elektri- ja soojusjuhtivuse tugev seos

Puhaste metallide (nagu vask, hõbe ja kuld) puhul kehtib lihtne reegel:Kui materjal juhib elektrit väga hästi, juhib see väga hästi ka soojust.See põhimõte põhineb elektronide jagamise nähtusel.

Metallides kannavad nii elektrit kui ka soojust peamiselt samad osakesed: vabad elektronid. Seetõttu viib kõrge elektrijuhtivus teatud juhtudel kõrge soojusjuhtivuseni.

SestseeelektrilinevoolPinge rakendamisel liiguvad need vabad elektronid ühes suunas, kandes elektrilaengut.

Kui asi puudutabseekuumusvool, on metalli üks ots kuum ja teine ​​külm ning need samad vabad elektronid liiguvad kuumas piirkonnas kiiremini ja põrkavad kokku aeglasemate elektronidega, kandes energiat (soojust) kiiresti külma piirkonda.

See jagatud mehhanism tähendab, et kui metallil on palju väga liikuvaid elektrone (mis teeb sellest suurepärase elektrijuhi), toimivad need elektronid ka tõhusate "soojuskandjatena", mida ametlikult kirjeldab valemseeWiedemann-FranzSeadus.

2. Nõrk seos elektri- ja soojusjuhtivuse vahel

Elektri- ja soojusjuhtivuse vaheline seos nõrgeneb materjalides, kus laeng ja soojus kanduvad erinevate mehhanismide kaudu.

IV. Juhtivus vs kloriid: peamised erinevused

Kuigi nii elektrijuhtivus kui ka kloriidi kontsentratsioon on olulised parameetridvee kvaliteedi analüüs, mõõdavad nad põhimõtteliselt erinevaid omadusi.

Juhtivus

Juhtivus on lahuse võime mõõt elektrivoolu edastada. It mõõdabkõigi lahustunud ioonide kogukontsentratsioonvees, mis sisaldab positiivselt laetud ioone (katioone) ja negatiivselt laetud ioone (anioone).

Kõik ioonid, näiteks kloriid (Cl^-), naatrium (Na⁺), kaltsium (Ca²⁺), vesinikkarbonaat ja sulfaat aitavad kaasa kogujuhtivusele mmõõdetuna mikroSiemensites sentimeetri kohta (µS/cm) või milliSiemensites sentimeetri kohta (mS/cm).

Juhtivus on kiire ja üldine näitajakohtaKokkuLahustunud tahked ained(TDS) ja vee üldine puhtusaste või soolsus.

 Kloriidi kontsentratsioon (Cl^-)

Kloriidi kontsentratsioon on ainult lahuses oleva kloriidi aniooni spetsiifiline mõõt.See mõõdabainult kloriidioonide mass(Cl^-) esinevad, sageli saadud sooladest nagu naatriumkloriid (NaCl) või kaltsiumkloriid (CaCl₂).

See mõõtmine viiakse läbi spetsiifiliste meetodite, näiteks tiitrimise (nt argentomeetrilise meetodi) või ioonselektiivsete elektroodide (ISE) abil.milligrammides liitri kohta (mg/l) või miljondikosades (ppm).

Kloriiditasemed on kriitilise tähtsusega tööstussüsteemide (nt katlad või jahutustornid) korrosioonipotentsiaali hindamiseks ja joogiveevarustuse soolsuse sissetungi jälgimiseks.

Lühidalt, kloriid aitab kaasa juhtivusele, kuid juhtivus ei ole kloriidile omane.Kui kloriidi kontsentratsioon suureneb, suureneb ka kogujuhtivus.Kui aga kogujuhtivus suureneb, võib see olla tingitud kloriidi, sulfaadi, naatriumi või mis tahes muude ioonide kombinatsiooni suurenemisest.

Seega on juhtivus kasulik sõelumisvahend (nt kui juhtivus on madal, on tõenäoliselt ka kloriidi tase madal), kuid kloriidi spetsiifiliseks jälgimiseks korrosiooni või regulatiivsetel eesmärkidel tuleb kasutada sihipärast keemilist testi.