Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության վրա։

Էլեկտրականկոնդուկտիվիտյկանգնած է որպեսհիմնարար պարամետրֆիզիկայի, քիմիայի և ժամանակակից ճարտարագիտության մեջ, որոնք զգալի ազդեցություն ունեն ոլորտների լայն շրջանակի վրա,մեծածավալ արտադրությունից մինչև գերճշգրիտ միկրոէլեկտրոնիկա: Դրա կենսական կարևորությունը բխում է անթիվ էլեկտրական և ջերմային համակարգերի աշխատանքի, արդյունավետության և հուսալիության հետ դրա անմիջական կապից:

Այս մանրամասն ներկայացումը ծառայում է որպես համապարփակ ուղեցույց՝ հասկանալու համար բարդ փոխհարաբերություններըէլեկտրահաղորդականություն (σ), ջերմահաղորդականություն(κ)և ջերմաստիճանը (T)Ավելին, մենք համակարգված կերպով կուսումնասիրենք տարբեր նյութերի դասերի հաղորդունակության վարքագիծը՝ սկսած սովորական հաղորդիչներից մինչև մասնագիտացված կիսահաղորդիչներ և մեկուսիչներ, ինչպիսիք են արծաթը, ոսկին, պղինձը, երկաթը, լուծույթները և կաուչուկը, որոնք կամուրջ կհանեն տեսական գիտելիքների և իրական աշխարհի արդյունաբերական կիրառությունների միջև։

Այս ընթերցանությունն ավարտելուց հետո դուք կունենաք ամուր, նրբերանգային պատկերացում-իայնջերմաստիճանի, ջերմահաղորդականության և ջերմահաղորդականության հարաբերակցությունը.

Բովանդակության աղյուսակ՝

1. Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է էլեկտրահաղորդականության վրա։

2. Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է ջերմահաղորդականության վրա։

3. Էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության միջև կապը

4. Հաղորդունակություն ընդդեմ քլորիդի. հիմնական տարբերությունները

I. Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է էլեկտրահաղորդականության վրա:

«Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է հաղորդունակության վրա» հարցին միանշանակ պատասխան է տրվում՝ այո։Ջերմաստիճանը կարևոր, նյութից կախված ազդեցություն ունի թե՛ էլեկտրական, թե՛ ջերմային հաղորդունակության վրա։Կարևորագույն ճարտարագիտական ​​կիրառություններում՝ սկսած հզորության փոխանցումից մինչև սենսորի շահագործումը, ջերմաստիճանի և հաղորդունակության հարաբերակցությունը թելադրում է բաղադրիչների աշխատանքը, արդյունավետության սահմանները և շահագործման անվտանգությունը։

Ինչպե՞ս է ջերմաստիճանը ազդում հաղորդունակության վրա։

Ջերմաստիճանը փոխում է հաղորդականությունը՝ փոփոխելովորքան հեշտությամբԼիցքակիրները, ինչպիսիք են էլեկտրոնները կամ իոնները, կամ ջերմությունը, շարժվում են նյութի միջով։ Արդյունքը տարբեր է յուրաքանչյուր տեսակի նյութի համար։ Ահա, թե ինչպես է այն գործում, ինչպես հստակ բացատրվում է.

1.Մետաղներ. ջերմահաղորդականությունը նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ

Բոլոր մետաղները հաղորդունակ են ազատ էլեկտրոնների միջոցով, որոնք հեշտությամբ են հոսում նորմալ ջերմաստիճաններում: Տաքացնելիս մետաղի ատոմները ավելի ինտենսիվ են տատանվում: Այս տատանումները գործում են որպես խոչընդոտներ՝ ցրելով էլեկտրոնները և դանդաղեցնելով դրանց հոսքը:

Մասնավորապես, էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակությունը կայուն կերպով նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց: Սենյակային ջերմաստիճանին մոտ հաղորդունակությունը սովորաբար նվազում է~0.4% յուրաքանչյուր 1°C բարձրացման համար։Ի տարբերություն դրա,երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է 80°C-ով,մետաղները կորցնում են25–30%դրանց սկզբնական հաղորդունակությունից։

Այս սկզբունքը լայնորեն կիրառվում է արդյունաբերական վերամշակման մեջ, օրինակ՝ տաք միջավայրերը նվազեցնում են լարերի անվտանգ հոսանքի հզորությունը և նվազեցնում ջերմության ցրումը սառեցման համակարգերում։

2. Կիսահաղորդիչներում. հաղորդականությունը մեծանում է ջերմաստիճանի հետ

Կիսահաղորդիչները սկսվում են նյութի կառուցվածքում սերտորեն կապված էլեկտրոններից։ Ցածր ջերմաստիճաններում քչերը կարող են շարժվել՝ հոսանք փոխանցելու համար։Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց ջերմությունը էլեկտրոններին տալիս է բավարար էներգիա՝ ազատ արձակվելու և հոսելու համար։ Որքան այն տաքանում է, այնքան ավելի շատ լիցքակիրներ են դառնում հասանելի,զգալիորեն մեծացնում է հաղորդունակությունը։

Ավելի ինտուիտիվ լեզվով ասած՝ c-նՀաղորդականությունը կտրուկ աճում է, հաճախ կրկնապատկվելով յուրաքանչյուր 10-15°C-ով սովորական միջակայքերում։Սա նպաստում է միջին ջերմաստիճանի պայմաններում աշխատանքին, բայց կարող է խնդիրներ առաջացնել չափազանց տաք լինելու դեպքում (ավելորդ արտահոսք), օրինակ՝ համակարգիչը կարող է խափանվել, եթե կիսահաղորդչից պատրաստված չիպը տաքացվի մինչև բարձր ջերմաստիճան։

3. Էլեկտրոլիտներում (մարտկոցներում հեղուկներ կամ գելեր). ջերմության հետ մեկտեղ հաղորդականությունը բարելավվում է։

Ոմանք հետաքրքրվում են, թե ինչպես է ջերմաստիճանը ազդում լուծույթի էլեկտրահաղորդականության վրա, և ահա այս բաժինը։ Էլեկտրոլիտները լուծույթով շարժվող իոնները հաղորդում են, մինչդեռ ցուրտը հեղուկները դարձնում է խիտ և դանդաղ, ինչը հանգեցնում է իոնների դանդաղ շարժմանը։ Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց հեղուկը դառնում է պակաս մածուցիկ, ուստի իոններն ավելի արագ են դիֆուզվում և ավելի արդյունավետորեն տեղափոխում լիցքը։

Ընդհանուր առմամբ, յուրաքանչյուր 1°C-ի համար էլեկտրահաղորդականությունը մեծանում է 2-3%-ով, մինչ ամեն ինչ իր սահմանին է հասնում։ Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է ավելի քան 40°C-ով, էլեկտրահաղորդականությունը նվազում է մոտ 30%-ով։

Դուք կարող եք հայտնաբերել այս սկզբունքը իրական աշխարհում, ինչպես օրինակ՝ մարտկոցների նման համակարգերը, որոնք ջերմության դեպքում ավելի արագ են լիցքավորվում, բայց գերտաքացման դեպքում կարող են վնասվել։

II. Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է ջերմահաղորդականության վրա:

Ջերմահաղորդականությունը, որը ցույց է տալիս, թե որքան հեշտությամբ է ջերմությունը անցնում նյութի միջով, սովորաբար նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց պինդ մարմինների մեծ մասում, չնայած վարքագիծը տարբերվում է՝ կախված նյութի կառուցվածքից և ջերմության փոխանցման եղանակից։

Մետաղներում ջերմությունը հիմնականում հոսում է ազատ էլեկտրոնների միջոցով։ Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց ատոմները ավելի ուժեղ են տատանվում՝ ցրելով այդ էլեկտրոնները և խաթարելով դրանց ուղին, ինչը նվազեցնում է նյութի ջերմությունն արդյունավետորեն փոխանցելու ունակությունը։

Բյուրեղային մեկուսիչներում ջերմությունը տարածվում է ատոմային տատանումների միջոցով, որոնք հայտնի են որպես ֆոնոններ: Բարձր ջերմաստիճանները սրացնում են այդ տատանումները, ինչը հանգեցնում է ատոմների միջև ավելի հաճախակի բախումների և ջերմահաղորդականության ակնհայտ անկման:

Գազերի դեպքում, սակայն, տեղի է ունենում հակառակը։ Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց մոլեկուլները ավելի արագ են շարժվում և ավելի հաճախ են բախվում, ավելի արդյունավետ կերպով փոխանցելով էներգիան բախումների միջև, հետևաբար, ջերմահաղորդականությունը մեծանում է։

Պոլիմերներում և հեղուկներում ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ նկատվում է աննշան բարելավում։ Ավելի տաք պայմանները թույլ են տալիս մոլեկուլային շղթաներին ավելի ազատ շարժվել և նվազեցնել մածուցիկությունը, ինչը հեշտացնում է ջերմության անցումը նյութի միջով։

III. Էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության միջև եղած կապը

Կա՞ արդյոք կապ ջերմային և էլեկտրական հաղորդունակության միջև։ Դուք կարող եք մտածել այս հարցի շուրջ։ Իրականում, էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության միջև կա ուժեղ կապ, սակայն այս կապը իմաստ ունի միայն որոշակի տեսակի նյութերի, օրինակ՝ մետաղների համար։

1. Էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության միջև ուժեղ կապը

Մաքուր մետաղների համար (ինչպիսիք են պղինձը, արծաթը և ոսկին) գործում է պարզ կանոն.Եթե ​​նյութը շատ լավ է հաղորդում էլեկտրականություն, ապա այն նաև շատ լավ է հաղորդում ջերմություն։Այս սկզբունքը հիմնված է էլեկտրոնների բաժանման երևույթի վրա։

Մետաղներում և՛ էլեկտրականությունը, և՛ ջերմությունը հիմնականում փոխանցվում են նույն մասնիկներով՝ ազատ էլեկտրոններով։ Ահա թե ինչու բարձր էլեկտրահաղորդականությունը որոշակի դեպքերում հանգեցնում է բարձր ջերմահաղորդականության։

Համարայնէլեկտրականհոսք,երբ լարում է կիրառվում, այս ազատ էլեկտրոնները շարժվում են մեկ ուղղությամբ՝ կրելով էլեկտրական լիցք։

Երբ խոսքը վերաբերում էայնջերմությունհոսք, մետաղի մի ծայրը տաք է, իսկ մյուսը՝ սառը, և այս նույն ազատ էլեկտրոնները ավելի արագ են շարժվում տաք շրջանում և բախվում են ավելի դանդաղ էլեկտրոնների հետ՝ արագորեն էներգիա (ջերմություն) փոխանցելով սառը շրջան։

Այս ընդհանուր մեխանիզմը նշանակում է, որ եթե մետաղն ունի շատ բարձր շարժունակության էլեկտրոններ (դարձնելով այն գերազանց էլեկտրական հաղորդիչ), այդ էլեկտրոնները նաև գործում են որպես արդյունավետ «ջերմափոխանակիչներ», որը պաշտոնապես նկարագրվում է հետևյալ կերպ՝այնՎիդեման-ՖրանցԻրավունք.

2. Էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակության միջև թույլ կապը

Էլեկտրական և ջերմահաղորդականության միջև կապը թուլանում է այն նյութերում, որտեղ լիցքը և ջերմությունը փոխանցվում են տարբեր մեխանիզմներով։

IV. Հաղորդունակություն ընդդեմ քլորիդի. հիմնական տարբերությունները

Թեև էլեկտրական հաղորդունակությունը և քլորիդի կոնցենտրացիան կարևոր պարամետրեր ենջրի որակի վերլուծություն, նրանք չափում են հիմնարարորեն տարբեր հատկություններ։

Հաղորդականություն

Հաղորդականությունը լուծույթի էլեկտրական հոսանք փոխանցելու ունակության չափանիշ է։ Եսt-ն չափում էբոլոր լուծված իոնների ընդհանուր կոնցենտրացիանջրի մեջ, որը ներառում է դրական լիցքավորված իոններ (կատիոններ) և բացասական լիցքավորված իոններ (անիոններ):

Բոլոր իոնները, ինչպիսիք են քլորիդը (Cl^-), նատրիում (Na⁺), կալցիում (Ca²⁺), բիկարբոնատը և սուլֆատը նպաստում են ընդհանուր հաղորդունակությանը mչափվում է միկրոՍիմենսով մեկ սանտիմետրի համար (µS/cm) կամ միլիՍիմենսով մեկ սանտիմետրի համար (mS/cm)։

Հաղորդականությունը արագ, ընդհանուր ցուցանիշ է-իԸնդհանուրԼուծված պինդ նյութեր(TDS) և ջրի ընդհանուր մաքրությունը կամ աղիությունը։

 Քլորիդի կոնցենտրացիան (Cl^-)

Քլորիդի կոնցենտրացիան լուծույթում առկա միայն քլորիդային անիոնի կոնկրետ չափում է։Այն չափում էմիայն քլորիդային իոնների զանգվածը(Cl^-) առկա է, որը հաճախ ստացվում է աղերից, ինչպիսիք են նատրիումի քլորիդը (NaCl) կամ կալցիումի քլորիդը (CaCl)₂).

Այս չափումը կատարվում է հատուկ մեթոդների միջոցով, ինչպիսիք են տիտրումը (օրինակ՝ արգենտոմետրիկ մեթոդը) կամ իոն-ընտրողական էլեկտրոդները (ISE):միլիգրամներով մեկ լիտրում (մգ/լ) կամ մասերով մեկ միլիոնում (ppm):

Քլորիդի մակարդակը կարևոր է արդյունաբերական համակարգերում (օրինակ՝ կաթսաներում կամ սառեցման աշտարակներում) կոռոզիայի հավանականությունը գնահատելու և խմելու ջրի մատակարարման մեջ աղիության ներթափանցումը վերահսկելու համար։

Ամփոփելով՝ քլորիդը նպաստում է հաղորդունակությանը, բայց հաղորդունակությունը հատուկ չէ միայն քլորիդին։Եթե ​​քլորիդի կոնցենտրացիան մեծանում է, ապա ընդհանուր հաղորդականությունը նույնպես կաճի։Սակայն, եթե ընդհանուր հաղորդականությունը մեծանում է, դա կարող է պայմանավորված լինել քլորիդի, սուլֆատի, նատրիումի կամ այլ իոնների ցանկացած համակցության ավելացմամբ։

Հետևաբար, հաղորդականությունը ծառայում է որպես օգտակար ստուգման գործիք (օրինակ՝ եթե հաղորդականությունը ցածր է, քլորիդը, հավանաբար, ցածր է), սակայն քլորիդը կոռոզիայի կամ կարգավորման նպատակներով հատուկ մոնիթորինգի համար պետք է օգտագործվի թիրախային քիմիական թեստ։