Innehåll
- Grundläggande el
- Vad är konduktivitet?
- Konduktivitet kontra konduktans
- Elektrisk ledningsförmåga och vatten: en översikt
- Betydelsen av konduktivitet i vatten
- Värmeledningsförmåga
Den som tillbringar mycket tid runt en pool upptäcker snabbt att människor i allmänhet är mycket bekymrade över att ha elektriska apparater nära vattnet - desto mer om de råkar vara anslutna.
Detta är faktiskt sant i de flesta situationer där en tillräcklig vattenbehållare finns någonstans nära kända strömmar av elektrisk ström. Tack vare ledningsförmågan hos vatten är den diaboliska brödrost i badkaret något av en älskad kliché i historien om mordmysterier.
Poängen här är inte att du kan skada dig själv med elektricitet, men det är alltid viktigt att komma ihåg; Det är att de mest uppmärksamma vuxna, och för den delen medelåldersbarn, vet att undvika att blanda vatten med ström i någon form oavsett om de vet fysik eller inte. (I själva verket kvarstår några alltför försiktiga idéer, till exempel att uppfattningen att du troligtvis kommer att få en chock om du så mycket som vidrör en plastlampa när fingrarna är våta.)
Ännu viktigare är frågan om hur el "flyter" åtminstone vissa vätskor när åtminstone vissa fasta partiklar kan innehålla det. Är det bara vatten som samverkar med el på detta sätt? Vad sägs om spilld mjölk eller juice? Och mer generellt, vilka egenskaper hos materien bidrar till värdet av dess ledningsförmåga?
Grundläggande el
Det fenomen som kallas el är egentligen inte mer än rörelsen av elektroner genom något slags fysiskt medium eller material.
Du kanske inte tänker på luft som ett material, men faktiskt luft rik på olika molekyler som du inte kan se, varav många kan och kan delta i elektriskt flöde. Du kan helt enkelt inte se elektroner, så om du tror på el, bör du tro att förvånansvärt små saker spelar en enorm roll i beteendet hos vardagsmaterial!
Olika material tillåter denna passage av elektroner - och med dem, deras elektriska laddningar - i olika grader beroende på deras individuella molekylära och atomära strukturer. Ju färre kollisioner med andra små föremål som upplevs genom att zippa elektroner, desto lättare överförs de genom det aktuella ämnet.
Den allmänna ekvationen för nuvarande flöde är I = V / R, var jag är strömflödet i ampere, V är elektrisk potentialskillnad i volt ("spänning") och R är motståndet i ohm. Motstånd är relaterat till konduktivitet, som du snart lär dig.
Vad är konduktivitet?
Konduktivitet, eller mer formellt elektrisk ledning, är ett matematiskt mått på en materialförmåga att leda elektricitet. Det representeras av den grekiska bokstaven sigma (σ) och dess SI (metriska system) är enheten siemens per meter (S / m).
Konduktivitet är bara den matematiska ömsesidigheten resistivitet. Resistivitet representeras av den lilla grekiska bokstaven rho (ρ) och mäts i ohm-meter (Ωm), vilket innebär att S / m också kan beskrivas som en ömsesidig ohm-meter (1 / Ωm eller Ωm-1). Som förlängning kan du se att en siemen är det ömsesidiga av en ohm. Eftersom ledande något i den verkliga världen är motsatsen till motstå dess passage, detta är fysiskt förnuftigt.
Konduktiviteten hos ett material är en inre egenskap hos det materialet och är inte relaterat till hur en krets eller annat system monteras, vilket redovisas av "per meter" i siemens-enheten. Det är relaterat till ett material, ofta en tråd i fysikproblem som involverar dessa situationer, genom uttrycket R = pL / A var L är längden om tråden i m och EN dess tvärsnittsarea i m2.
Konduktivitet kontra konduktans
Som noterats beror ledningsförmågan inte på experimentell uppsättning och är bara en återspegling av hur ett givet material (fast, flytande eller gasformigt) "är." Vissa material skapar naturligtvis starka ledare (och därmed dåliga motstånd) medan andra kan leda el svagt eller inte alls och göra bra motstånd (eller elektriska isolatorer).
Med en elektrisk krets kan du manipulera installationen så att du kan få vilken strömnivå du vill givet vilken kombination av motståndselement du inkluderar. Det är därför motstånd utses R och har ingen längd i sina enheter; det är ett mått på systemegenskaper, inte ett material. Följaktligen, ledningsförmåga (symboliserad av brevet G och mätt i siemens) fungerar på samma sätt. Men det är normalt mer bekvämt att använda R eller ρ än det är att gå med G eller σ.
Tänk som en analogi på att tränaren för ett fotbollslag kan ändra styrkan och hastigheten för sina enskilda spelare, men i slutändan har varje fotbollslag som finns samma väsentliga begränsningar: 11 mänskliga spelare till en sida, varierande i deras fysiska funktioner men med samma grundläggande egenskaper.
Elektrisk ledningsförmåga och vatten: en översikt
Det mest chockerande som du lär dig i den här artikeln (och det är inte bara en ordalydelse, ärligt!) Är att vatten, rent talat, är en fruktansvärd elektrisk ledare. Det vill säga, ren H2O (väte och syre i förhållandet 2: 1) leder inte elektricitet.
Som ni tveklöst redan har dragit slutsatsen innebär detta att det att träffa verkligt rent vatten är något som egentligen aldrig händer. Även i en laboratorieinställning är det lätt för joner (laddade partiklar) att "smyga" in i vatten som kondenseras från ren ånga, dvs destilleras.
Vatten från rör och direkt från naturliga källor är alltid rik på föroreningar som mineraler, kemikalier och diverse upplösta ämnen. Detta är naturligtvis inte en dålig sak; allt detta salt i havsvatten gör det till exempel lättare att flyta i havet om det är ditt spel.
När det händer är bordsalt (natriumklorid eller NaCl) en av de bättre kända substanserna som kan råna vatten från dess isolerande egenskaper när de upplöses i H2O.
Betydelsen av konduktivitet i vatten
Konduktiviteten för vatten i de amerikanska floderna sträcker sig brett, från cirka 50 till 1 500 um / cm. Inlandsvattenströmmar som tillåter fisk att frodas tenderar att ha mellan 150 och 500 μS / cm. Högre eller lägre konduktivitet kan indikera att vattnet inte är lämpligt för vissa fiskarter eller makroinvertebrater. Industrifatten kan variera så högt som 10 000 μS / cm.
Konduktivitet är ett indirekt mått på till exempel strömvattenkvalitet. Varje vattenväg har ett relativt konstant intervall som kan användas som en ledningsförmåga för dricksvattenstandarden. Regelbundna konduktivitetsbedömningar gjorda med hjälp av vattenledningsmätare. Större förändringar i konduktivitet kan signalera behovet av en saneringsinsats.
Värmeledningsförmåga
Den här artikeln handlar helt klart om elektrisk ledningsförmåga. Men i fysiken kommer du sannolikt att höra om ledning av värme, vilket är lite annorlunda eftersom värme mäts i energi medan elektricitet, som kan ge energi, inte är det.
Förändringar i en termisk konduktivitet av material tenderar att parallella förändringar i dess elektriska ledningsförmåga, men inte vanligtvis i samma skala. En intressant egenskap hos material är att även om de flesta av dem blir sämre ledare när de värms upp (eftersom partiklar susar snabbare och snabbare när temperaturen klättrar, är de mer benägna att "störa" med elektroner), detta gäller inte en klass av material som kallas halvledare.