Vai temperatūra ietekmē elektrisko un siltumvadītspēju?

Elektriskāsvadītspējaystāv kāfundamentālais parametrsfizikā, ķīmijā un mūsdienu inženierzinātnēs, kam ir būtiska ietekme daudzās jomās,no lielapjoma ražošanas līdz īpaši precīzai mikroelektronikai. Tās būtiskā nozīme izriet no tiešās saistības ar neskaitāmu elektrisko un termisko sistēmu veiktspēju, efektivitāti un uzticamību.

Šī detalizētā izklāsta kalpo kā visaptverošs ceļvedis, lai izprastu sarežģītās attiecības starpelektrovadītspēja (σ), siltumvadītspēja(κ)un temperatūra (T)Turklāt mēs sistemātiski pētīsim dažādu materiālu klašu vadītspējas uzvedību, sākot no parastiem vadītājiem līdz specializētiem pusvadītājiem un izolatoriem, piemēram, sudrabam, zeltam, varam, dzelzs, šķīdumiem un gumijai, kas savieno teorētiskās zināšanas ar reāliem rūpnieciskiem pielietojumiem.

Pēc šīs lasīšanas pabeigšanas jūs iegūsiet stabilu un niansētu izpratninotastemperatūras, vadītspējas un siltuma attiecības.

Satura rādītājs:

1. Vai temperatūra ietekmē elektrovadītspēju?

2. Vai temperatūra ietekmē siltumvadītspēju?

3. Elektriskās un siltumvadītspējas savstarpējā saistība

4. Vadītspēja salīdzinājumā ar hlorīdu: galvenās atšķirības

I. Vai temperatūra ietekmē elektrovadītspēju?

Uz jautājumu "Vai temperatūra ietekmē vadītspēju?" ir atbildēts nepārprotami: jā.Temperatūrai ir kritiska, no materiāla atkarīga ietekme gan uz elektrisko, gan siltumvadītspēju.Kritiskās inženiertehniskās lietojumprogrammās, sākot no jaudas pārvades līdz sensoru darbībai, temperatūras un vadītspējas attiecība nosaka komponentu veiktspēju, efektivitātes robežas un ekspluatācijas drošību.

Kā temperatūra ietekmē vadītspēju?

Temperatūra maina vadītspēju, mainotcik viegliLādiņnesēji, piemēram, elektroni vai joni, vai siltums pārvietojas caur materiālu. Katram materiāla veidam efekts ir atšķirīgs. Lūk, kā tas darbojas, kā tas ir skaidri paskaidrots:

1.Metāli: vadītspēja samazinās, paaugstinoties temperatūrai

Visi metāli vada elektrību, izmantojot brīvos elektronus, kas normālā temperatūrā viegli plūst. Sildot, metāla atomi vibrē intensīvāk. Šīs vibrācijas darbojas kā šķēršļi, izkliedējot elektronus un palēninot to plūsmu.

Proti, elektriskā un siltumvadītspēja vienmērīgi samazinās, temperatūrai paaugstinoties. Tuvāk istabas temperatūrai vadītspēja parasti samazinās par~0,4 % uz katru 1 °C temperatūras pieaugumu.Turpretī,kad temperatūra paaugstinās par 80°C,metāli zaudē25–30%no to sākotnējās vadītspējas.

Šis princips tiek plaši izmantots rūpnieciskajā apstrādē, piemēram, karsta vide samazina drošu strāvas jaudu elektroinstalācijā un samazina siltuma izkliedi dzesēšanas sistēmās.

2. Pusvadītājos: vadītspēja palielinās līdz ar temperatūru

Pusvadītāji sākotnēji sastāv no elektroniem, kas ir cieši saistīti ar materiāla struktūru. Zemā temperatūrā tikai daži no tiem var pārvietoties, lai pārvadītu strāvu.Temperatūrai paaugstinoties, siltums dod elektroniem pietiekami daudz enerģijas, lai tie atbrīvotos un plūstu. Jo siltāks kļūst, jo vairāk lādiņnesēju kļūst pieejami.ievērojami palielinot vadītspēju.

Intuitīvāk izsakoties, cVadītspēja strauji palielinās, tipiskos diapazonos bieži vien dubultojoties ik pēc 10–15 °C.Tas uzlabo veiktspēju mērenā siltumā, bet var radīt problēmas, ja ir pārāk karsts (pārmērīga noplūde), piemēram, dators var avarēt, ja no pusvadītāja veidotā mikroshēma tiek uzkarsēta līdz augstai temperatūrai.

3. Elektrolītos (šķidrumos vai želejās baterijās): vadītspēja uzlabojas ar siltumu

Daži cilvēki brīnās, kā temperatūra ietekmē šķīduma elektrovadītspēju, un lūk, šī sadaļa. Elektrolīti vada jonus, kas pārvietojas pa šķīdumu, savukārt aukstums padara šķidrumus biezus un lēnus, kā rezultātā jonu kustība palēninās. Līdz ar temperatūras paaugstināšanos šķidrums kļūst mazāk viskozs, tāpēc joni difundējas ātrāk un efektīvāk pārnes lādiņu.

Kopumā vadītspēja palielinās par 2–3 % uz katru 1 °C, kamēr viss sasniedz savu robežu. Kad temperatūra paaugstinās par vairāk nekā 40 °C, vadītspēja samazinās par ~30 %.

Šo principu var atklāt reālajā pasaulē, piemēram, tādas sistēmas kā akumulatori uzlādējas ātrāk siltumā, bet pārkaršanas gadījumā pastāv risks, ka tie sabojāsies.

II. Vai temperatūra ietekmē siltumvadītspēju?

Siltumvadītspēja, kas mēra, cik viegli siltums pārvietojas caur materiālu, parasti samazinās, paaugstinoties temperatūrai lielākajā daļā cietvielu, lai gan uzvedība mainās atkarībā no materiāla struktūras un siltuma pārneses veida.

Metālos siltums plūst galvenokārt caur brīvajiem elektroniem. Pieaugot temperatūrai, atomi vibrē spēcīgāk, izkliedējot šos elektronus un traucējot to ceļu, kas samazina materiāla spēju efektīvi pārnest siltumu.

Kristāliskos izolatoros siltums pārvietojas, izmantojot atomu vibrācijas, kas pazīstamas kā fononi. Augstāka temperatūra pastiprina šīs vibrācijas, kā rezultātā notiek biežākas atomu sadursmes un ievērojams siltumvadītspējas samazinājums.

Tomēr gāzēs notiek pretējais. Temperatūrai paaugstinoties, molekulas pārvietojas ātrāk un saduras biežāk, efektīvāk pārnesot enerģiju starp sadursmēm; tāpēc palielinās siltumvadītspēja.

Polimēros un šķidrumos neliels uzlabojums ir raksturīgs temperatūras paaugstināšanās gadījumā. Siltāki apstākļi ļauj molekulārajām ķēdēm brīvāk pārvietoties un samazina viskozitāti, tādējādi atvieglojot siltuma pāreju caur materiālu.

III. Elektriskās un siltumvadītspējas savstarpējā saistība

Vai pastāv korelācija starp siltumvadītspēju un elektrovadītspēju? Jūs varētu interesēt šis jautājums. Patiesībā pastāv cieša saikne starp elektrovadītspēju un siltumvadītspēju, tomēr šī saikne ir nozīmīga tikai noteikta veida materiāliem, piemēram, metāliem.

1. Spēcīgā saistība starp elektrisko un siltumvadītspēju

Tīriem metāliem (piemēram, varam, sudrabam un zeltam) piemēro vienkāršu noteikumu:Ja materiāls ļoti labi vada elektrību, tas ļoti labi vada arī siltumu.Šis princips balstās uz elektronu koplietošanas fenomenu.

Metālos gan elektrību, gan siltumu galvenokārt pārvada vienas un tās pašas daļiņas: brīvie elektroni. Tāpēc augsta elektrovadītspēja dažos gadījumos noved pie augstas siltumvadītspējas.

Priekštaselektriskāsplūsma,Kad tiek pielikts spriegums, šie brīvie elektroni pārvietojas vienā virzienā, nesot elektrisko lādiņu.

Kad runa ir partaskarstumsplūsma, viens metāla gals ir karsts, bet otrs ir auksts, un šie paši brīvie elektroni karstajā apgabalā pārvietojas ātrāk un saduras ar lēnākiem elektroniem, ātri pārnesot enerģiju (siltumu) uz auksto apgabalu.

Šis kopīgais mehānisms nozīmē, ka, ja metālam ir daudz ļoti kustīgu elektronu (padarot to par lielisku elektrības vadītāju), šie elektroni darbojas arī kā efektīvi "siltumnesēji", ko formāli apraksta artasVīdemans-FrancsLikums.

2. Vāja saistība starp elektrisko un siltumvadītspēju

Materiālos, kuros lādiņu un siltumu pārnes dažādi mehānismi, vājinās saistība starp elektrisko un siltumvadītspēju.

IV. Vadītspēja salīdzinājumā ar hlorīdu: galvenās atšķirības

Lai gan gan elektrovadītspēja, gan hlorīdu koncentrācija ir svarīgi parametriūdens kvalitātes analīze, tie mēra principiāli atšķirīgas īpašības.

Vadītspēja

Vadītspēja ir šķīduma spējas pārvadīt elektrisko strāvu mērs. It mēravisu izšķīdušo jonu kopējā koncentrācijaūdenī, kas ietver pozitīvi lādētus jonus (katjonus) un negatīvi lādētus jonus (anjonus).

Visi joni, piemēram, hlorīds (Cl^-), nātrijs (Na⁺), kalcijs (Ca²⁺), bikarbonāts un sulfāts veicina kopējo vadītspēju mmērīts mikrosīmensos uz centimetru (µS/cm) vai milisīmensos uz centimetru (mS/cm).

Vadītspēja ir ātrs, vispārīgs rādītājsnoKopāIzšķīdušās cietās vielas(TDS) un kopējo ūdens tīrību vai sāļumu.

 Hlorīda koncentrācija (Cl^-)

Hlorīda koncentrācija ir specifisks šķīdumā esošā hlorīda anjona mērījums.Tas mēratikai hlorīda jonu masa(Cl^-) klātesoši, bieži vien iegūti no sāļiem, piemēram, nātrija hlorīda (NaCl) vai kalcija hlorīda (CaCl₂).

Šo mērījumu veic, izmantojot īpašas metodes, piemēram, titrēšanu (piemēram, argentometrisko metodi) vai jonu selektīvos elektrodus (ISE).miligramos litrā (mg/l) vai miljonos daļiņās (ppm).

Hlorīda līmeņi ir kritiski svarīgi, lai novērtētu korozijas potenciālu rūpnieciskajās sistēmās (piemēram, katlos vai dzesēšanas torņos) un lai uzraudzītu sāļuma iekļūšanu dzeramā ūdens apgādē.

Īsumā, hlorīds veicina vadītspēju, bet vadītspēja nav raksturīga tikai hlorīdam.Ja hlorīdu koncentrācija palielinās, kopējā vadītspēja palielināsies.Tomēr, ja kopējā vadītspēja palielinās, tas varētu būt saistīts ar hlorīda, sulfāta, nātrija vai jebkuras citas jonu kombinācijas palielināšanos.

Tāpēc vadītspēja kalpo kā noderīgs skrīninga rīks (piemēram, ja vadītspēja ir zema, hlorīda līmenis, visticamāk, ir zems), bet, lai uzraudzītu hlorīdu tieši korozijas vai regulēšanas nolūkos, jāizmanto mērķtiecīgs ķīmiskais tests.