Электропроводность

      Электропроводность.

      Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) — это способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В системе СИ единицей измерения электрической проводимости является См. О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ [Oм*м] . Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость

σ=1/ ρ

Удельная  электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м).

       Согласно  закону Ома в линейном изотропном веществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

   J=γE

где  γ — удельная проводимость,

       J — вектор плотности тока,

        E — вектор напряжённости электрического поля.

      Электрическая проводимость G проводника может быть выражена следующими формулами:

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

где ρ - удельное сопротивление,  
      S - площадь поперечного сечения проводника,  
       l - длина проводника,  
      γ = 1/ρ - удельная проводимость,  
      U - напряжение на участке,  
       I - ток на участке.

Измеряется электрическая  проводимость в сименсах: [G] = 1/1 Ом = 1 См.

       В веществах имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих зарядов создает электрический ток.

       Электропроводность  различных веществ зависит от концентрации свободных  электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники.

       

В зависимости  от вида носителей тока различают:

- электронную  проводимость в металлах и  полупроводниках (передвижение в веществе свободных электронов как основных носителей зарядов)

- ионную  проводимость в электролитах  (упорядоченное передвижение в веществе ионов)

- смешанную  электронно-ионную проводимость в плазме

 

Вода. Лед. Пар.

       Вода (оксид водорода)— химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей  цвета (в малом объёме), запаха и  вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии вода называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. Вода является хорошим сильнополярным растворителем. В природных условиях всегда содержит растворённые вещества (соли, газы).

       В отдельно рассматриваемой молекуле воды атомы водорода и кислорода, точнее их ядра, расположены так, что образуют равнобедренный треугольник. В вершине его – сравнительно крупное кислородное ядро, в углах, прилегающих к основанию, – по одному ядру водорода.  

       Молекула  воды представляет собой маленький  диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

       Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

       То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. Лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости.

       Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и  после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно.

       Кроме того, при температуре ниже 30°C с  увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения  молекул воды относительно друг друга  растёт.

        Каждая молекула воды в кристаллической структуре льда участвует в 4 водородных связях, направленных к вершинам тетраэдра. В центре этого тетраэдра находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру.

         Водяной пар —  газообразное состояние воды в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами. Он не имеет цвета, вкуса и запаха, образуется молекулами воды при ее испарении. Пар характеризуется очень слабыми связями между молекулами воды, а также их большой подвижностью. Его частицы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Свойства насыщенного пара (плотность, удельная теплоемкость и др.) определяются только давлением.  

      Электрическая проводимость воды

       Чистая  вода является плохими проводником электричества. Но тем не менее, хоть и очень мало, но она может проводить электрический ток из-за частичной диссоциации молекул воды на ионы H+ и OH–. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов H+, так называемые «протонные перескоки». Малая, почти отсутствующая проводимость обусловлена тем, что вода состоит из  электрически нейтральных атомов и молекул, движение которых не может осуществить электрический ток.   Однако растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях хорошо проводят ток, причем  чем больше растворенного вещества, тем большая его часть распадается на ионы, и тем выше проводимость раствора.

       Концентрация ионов это первый фактор, влияющий на проводимость.  Если при растворении не происходит диссоциации молекул, то раствор не является проводником электричества.

       Остальные факторы: заряд иона (ион с зарядом +3 переносит в три раза больше ток, чем с зарядом +1); подвижность  иона (тяжелые ионы движутся медленнее, чем легкие), а также температура. Раствор, проводящий электрический ток, называется электролитом.

       Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое  сопротивление, а значит увеличивает  ее удельную проводимость. Так, у дистиллированной воды оно составляет примерно 10ˉ⁵ См/м, а у морской — порядка 3,33 См/м (для сравнения: бумага — 10ˉ¹⁵, медь — 0,5·10⁸ См/м).  Электрическая проводимость воды может служить показателем ее загрязнения. 

       Электропроводность  льда

      Электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды, особенно если вода хотя бы немного минерализована. Например, удельная электропроводность пресноводного льда при  температуре 0°С равна 0,27·10ˉ⁷ См/м, а при -20°С равна 0,52·10ˉ⁷ См/м, тогда как дистиллированная вода, из которой был получен этот лед, имела проводимость порядка 10ˉ⁶ См/м.

       Низкая  проводимость льда обусловлена тем, что в обычных условиях в нем  практически не содержится ни свободных  носителей заряда, ни атомов, которым  не хватает электрона (так называемых «дырок»).

       Сухой снег, прежде всего, характеризуется  малой электрической проводимостью, что позволяет располагать на его поверхности даже не изолированные  провода. ^{Его проводимость} при температуре от -2 до -16 °С примерно 0,35*10ˉ⁵ — 0,38·10ˉ⁷ См/м и близка к удельной проводимости сухого льда. Влажный снег, напротив, обладает большой электрической проводимостью доходящей до 0,1 См/м.

       Повысить  проводимость льда можно при помощи минерализации (насыщения ионами) исходной воды кислотами, солями и основаниями. Тогда ионы будут оттягивать на себя электроны от соседнего атома, а те в свою очередь становиться ионами. Так, путем последовательного оттягивания будет перемещаться положительный заряд. 

       Проводимость  водяного пара

      Сам по себе пар, являясь газом в котором отсутствуют заряженные частицы и не является проводником электричества. Однако, повысить проводимость можно, если создать в нем заряженные частицы – молекулы, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа. Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

      Механизм  ионизации в газах заключается  в следующем: нейтральные атомы  и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

       Каждый  молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый  ионный комплекс. Ионы противоположных  знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

      После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и  в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что  электроны и ионы принимают участие  в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

      Из  этого следует, что проводимость пара — явление временное. Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. 
 

Список  использованной литературы:

• Вукалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 4 изд., М., 1968;
• Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., 1987
• А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм.
• http://ru.wikipedia.org/wiki/
• http://www.o8ode.ru/article/water/
• http://provodu.kiev.ua/smelye-teorii/led