Hefur hitastig áhrif á rafleiðni og varmaleiðni?

Rafmagnleiðniystendur semgrundvallarbreytaí eðlisfræði, efnafræði og nútímaverkfræði, sem hefur mikilvæg áhrif á fjölbreytt svið,frá framleiðslu í miklu magni til afar nákvæmrar örrafeindatækni. Mikilvægi þess stafar af beinu sambandi þess við afköst, skilvirkni og áreiðanleika ótal rafmagns- og hitakerfa.

Þessi ítarlega útskýring er alhliða leiðarvísir til að skilja flókið samband millirafleiðni (σ), varmaleiðni(κ)og hitastig (T)Ennfremur munum við kerfisbundið kanna leiðnihegðun fjölbreyttra efnaflokka, allt frá venjulegum leiðurum til sérhæfðra hálfleiðara og einangrara, svo sem silfurs, gulls, kopars, járns, lausna og gúmmís, sem brúa bilið á milli fræðilegrar þekkingar og raunverulegra iðnaðarnota.

Að loknu þessum lestri munt þú hafa öðlast traustan og ítarlegan skilningafþaðtengsl hitastigs, leiðni og varma.

Efnisyfirlit:

1. Hefur hitastig áhrif á rafleiðni?

2. Hefur hitastig áhrif á varmaleiðni?

3. Tengslin milli rafleiðni og varmaleiðni

4. Leiðni vs. klóríð: lykilmunur

I. Hefur hitastig áhrif á rafleiðni?

Spurningunni „Hefur hitastig áhrif á leiðni?“ er svarað afdráttarlaust: Já.Hitastig hefur mikilvæg, efnisháð áhrif á bæði raf- og varmaleiðni.Í mikilvægum verkfræðiforritum, allt frá aflgjafarflutningi til skynjara, ræður hitastigs- og leiðnihlutfallið afköstum íhluta, skilvirkni og rekstraröryggi.

Hvernig hefur hitastig áhrif á leiðni?

Hitastig breytir leiðni með því að breytahversu auðveldlegaHleðsluflutningar, eins og rafeindir eða jónir, eða hiti, fara í gegnum efni. Áhrifin eru mismunandi fyrir hverja gerð efnis. Svona virkar þetta nákvæmlega, eins og útskýrt er skýrt:

1.Málmar: leiðni minnkar með hækkandi hitastigi

Allir málmar leiða rafeindir sínar með frjálsum rafeindum sem flæða auðveldlega við eðlilegt hitastig. Þegar þeir eru hitaðir titra atóm málmsins meira. Þessir titringar virka eins og hindranir, dreifa rafeindunum og hægja á flæði þeirra.

Rafleiðni og varmaleiðni lækkar jafnt og þétt eftir því sem hitastig hækkar. Nálægt stofuhita lækkar leiðni yfirleitt um~0,4% á hverja 1°C hækkun.Aftur á móti,þegar hitastigið hækkar um 80°C,málmar tapa25–30%af upprunalegri leiðni þeirra.

Þessi meginregla er víða notuð í iðnaðarvinnslu, til dæmis dregur heitt umhverfi úr öruggri straumgetu í raflögnum og minni varmadreifingu í kælikerfum.

2. Í hálfleiðurum: leiðni eykst með hitastigi

Hálfleiðarar byrja með rafeindum sem eru þétt bundnar í uppbyggingu efnisins. Við lágt hitastig geta fáar hreyfst til að bera straum.Þegar hitastigið hækkar gefur hitinn rafeindunum næga orku til að losna og flæða. Því hlýrra sem það verður, því fleiri hleðsluflutningsaðilar verða tiltækir,eykur leiðni til muna.

Í innsæislegri skilningi, cLeiðni eykst hratt og tvöfaldast oft á 10–15°C fresti innan dæmigerðra marka.Þetta hjálpar til við afköst í miðlungshita en getur valdið vandamálum ef það er of heitt (mikill leki), til dæmis gæti tölvan hrunið ef örgjörvinn sem er smíðaður úr hálfleiðara er hitaður upp í hátt hitastig.

3. Í rafvökvum (vökva eða gel í rafhlöðum): leiðni batnar með hita

Sumir velta fyrir sér hvernig hitastig hefur áhrif á rafleiðni lausnarinnar, og hér er þessi kafli. Rafvökvar leiða jónir sem fara í gegnum lausn, en kuldi gerir vökvana þykka og hægfara, sem leiðir til hægari hreyfingar jónanna. Samhliða hækkandi hitastigi verður vökvinn minna seigfljótandi, þannig að jónirnar dreifast hraðar og bera hleðsluna skilvirkari.

Í heildina eykst leiðnin um 2–3% á hverja 1°C á meðan allt nær hámarki. Þegar hitastigið hækkar um meira en 40°C lækkar leiðnin um ~30%.

Þú getur uppgötvað þessa meginreglu í hinum raunverulega heimi, eins og kerfi eins og rafhlöður hlaðast hraðar í hita, en hætta er á að þau skemmist ef þau ofhitna.

II. Hefur hitastig áhrif á varmaleiðni?

Varmaleiðni, mælikvarði á hversu auðveldlega hiti berst í gegnum efni, minnkar venjulega þegar hitastig hækkar í flestum föstum efnum, þó að hegðunin sé mismunandi eftir uppbyggingu efnisins og því hvernig hiti berst.

Í málmum flæðir hiti aðallega í gegnum frjálsar rafeindir. Þegar hitastig hækkar titra atómin kröftuglega, sem dreifir þessum rafeindum og truflar leið þeirra, sem dregur úr getu efnisins til að flytja varma á skilvirkan hátt.

Í kristölluðum einangrurum berst hiti með atómsveiflum sem kallast fonónar. Hærra hitastig veldur því að þessir titringar magnast, sem leiðir til tíðari árekstra milli atóma og greinilegrar lækkunar á varmaleiðni.

Í lofttegundum gerist hins vegar hið gagnstæða. Þegar hitastigið hækkar hreyfast sameindir hraðar og rekast oftar saman, sem flytur orku á milli árekstra betur; þess vegna eykst varmaleiðni.

Í fjölliðum og vökvum er algengt að lítilsháttar framför verði með hækkandi hitastigi. Hlýrri aðstæður leyfa sameindakeðjum að hreyfast frjálsar og draga úr seigju, sem gerir það auðveldara fyrir hita að fara í gegnum efnið.

III. Tengslin milli rafleiðni og varmaleiðni

Er fylgni milli varmaleiðni og rafleiðni? Þú gætir velt þessari spurningu fyrir þér. Reyndar er sterkt samband milli rafleiðni og varmaleiðni, en þetta samband er aðeins rökrétt fyrir ákveðnar tegundir efna, eins og málma.

1. Sterk tengsl milli rafleiðni og varmaleiðni

Fyrir hreina málma (eins og kopar, silfur og gull) gildir einföld regla:Ef efni leiðir rafmagn mjög vel, þá leiðir það líka varma mjög vel.Þessi meginregla byggir á fyrirbærinu um rafeindadreifingu.

Í málmum eru bæði rafmagn og hiti aðallega flutt af sömu ögnum: frjálsum rafeindum. Þess vegna leiðir mikil rafleiðni til mikillar varmaleiðni í vissum tilfellum.

Fyrirþaðrafmagnsflæði,Þegar spenna er sett á hreyfast þessar frjálsu rafeindir í eina átt og bera rafhleðslu.

Þegar kemur að þvíþaðhitaflæði, annar endi málmsins er heitur og hinn er kaldur, og þessar sömu frjálsu rafeindir hreyfast hraðar á heita svæðinu og rekast á hægari rafeindir, sem flytur orku (varma) hratt á kalda svæðið.

Þessi sameiginlegi verkunarmáti þýðir að ef málmur hefur margar mjög hreyfanlegar rafeindir (sem gerir hann að framúrskarandi rafleiðara), þá virka þessar rafeindir einnig sem skilvirkir „varmaflutningsaðilar“, sem formlega er lýst meðþaðWiedemann-FranzLögfræði.

2. Veikt samband rafleiðni og varmaleiðni

Tengslin milli raf- og varmaleiðni veikjast í efnum þar sem hleðsla og hiti berast með mismunandi ferlum.

IV. Leiðni vs. klóríð: lykilmunur

Þó að bæði rafleiðni og klóríðþéttni séu mikilvægir þættir ívatnsgæðagreining, þeir mæla grundvallaratriðum ólíka eiginleika.

Leiðni

Leiðni er mælikvarði á getu lausnar til að flytja rafstraum.t mælirheildarþéttni allra uppleystra jónaí vatninu, sem inniheldur jákvætt hlaðnar jónir (katjónir) og neikvætt hlaðnar jónir (anjónir).

Allar jónir, eins og klóríð (Cl^-), natríum (Na⁺), kalsíum (Ca²⁺), bíkarbónat og súlfat, stuðla að heildarleiðninni mMælt í míkróSiemens á sentimetra (µS/cm) eða milliSiemens á sentimetra (mS/cm).

Leiðni er fljótleg, almenn vísbendingafSamtalsUppleyst föst efni(TDS) og heildarhreinleiki eða selta vatns.

 Klóríðþéttni (Cl^-)

Klóríðþéttni er sértæk mæling á aðeins klóríðanjóninni sem er til staðar í lausninni.Það mælirmassi aðeins klóríðjónanna(Cl^-) til staðar, oft unnið úr söltum eins og natríumklóríði (NaCl) eða kalsíumklóríði (CaCl)₂).

Þessi mæling er framkvæmd með sérstökum aðferðum eins og títrun (t.d. Argentometric aðferð) eða jóna-sértækum rafskautum (ISE).í milligrömmum á lítra (mg/L) eða hlutum á milljón (ppm).

Klóríðmagn er mikilvægt til að meta möguleika á tæringu í iðnaðarkerfum (eins og katlum eða kæliturnum) og til að fylgjast með saltinnstreymi í drykkjarvatnsveitur.

Í stuttu máli stuðlar klóríð að leiðni, en leiðni er ekki sértæk fyrir klóríð.Ef klóríðþéttni eykst mun heildarleiðnin aukast.Hins vegar, ef heildarleiðnin eykst, gæti það stafað af aukningu á klóríði, súlfati, natríum eða einhverri samsetningu annarra jóna.

Þess vegna er leiðni gagnlegt skimunartæki (t.d. ef leiðni er lág er klóríð líklega lágt), en til að fylgjast sérstaklega með klóríði með tilliti til tæringar eða reglugerða verður að nota markvissa efnaprófun.