Johtavuus: Määritelmä|Yhtälöt|Mittaukset|Sovellukset
Sähkönjohtavuuson paljon enemmän kuin abstrakti käsite; se on verkottuneessa maailmassamme perustavanlaatuinen selkäranka, joka äänettömästi antaa virtaa kaikelle uusimmista elektronisista laitteista kädessäsi aina kaupunkejamme valaiseviin laajoihin sähkönjakeluverkkoihin.
Insinööreille, fyysikoille ja materiaalitieteilijöille tai kenelle tahansa, joka haluaa aidosti ymmärtää aineen käyttäytymistä, johtavuuden hallinta on ehdoton. Tämä perusteellinen opas ei ainoastaan anna tarkkaa määritelmää johtavuudelle, vaan myös purkaa sen kriittistä merkitystä, tutkii siihen vaikuttavia tekijöitä ja korostaa sen huippusovelluksia eri aloilla, kuten puolijohteissa, materiaalitieteessä ja uusiutuvassa energiassa. Klikkaa tästä ja tutustu siihen, miten tämän olennaisen ominaisuuden ymmärtäminen voi mullistaa tietämyksesi sähkömaailmasta.
Sisällysluettelo:
2. Johtavuuteen vaikuttavat tekijät
4. Johtavuuden mittaaminen: Yhtälöt
5. Johtavuuden mittaamiseen käytetyt työkalut
Mikä on johtavuus?
Sähkönjohtavuus (σ) on materiaalin perusfysikaalinen ominaisuus, joka määrittää sen kyvyn johtaa sähkövirtaa.Pohjimmiltaan se määrittää, kuinka helposti varauksenkuljettajat, pääasiassa metallien vapaat elektronit, voivat kulkea aineen läpi. Tämä olennainen ominaisuus on vankka perusta lukemattomille sovelluksille mikroprosessoreista kunnalliseen sähköinfrastruktuuriin.
Johtavuuden käänteisosana sähkönvastus (ρ) on virran vastus. Siksimatala resistanssi vastaa suoraan korkeaa johtavuuttaTämän mittayksikön kansainvälinen standardiyksikkö on siemens metriä kohden (S/m), vaikka millisiemensiä senttimetriä kohden (mS/cm) käytetään yleisesti kemiallisessa ja ympäristöanalyyseissä.
Johtavuus vs. resistiivisyys: Johtimet vs. eristeet
Poikkeuksellinen johtavuus (σ) määrittelee materiaaleja johtaviksi, kun taas huomattava resistiivisyys (ρ) tekee niistä ihanteellisia eristeitä. Pohjimmiltaan materiaalien johtavuuden jyrkkä ero johtuu liikkuvien varauksenkuljettajien erilaisesta saatavuudesta.
Korkea johtavuus (johtimet)
Metallit, kuten kupari ja alumiini, johtavat sähköä erittäin hyvin. Tämä johtuu niiden atomirakenteesta, jossa on laaja "meri" helposti liikkuvia valenssielektroneja, jotka eivät ole vahvasti sitoutuneet yksittäisiin atomeihin. Tämä ominaisuus tekee niistä välttämättömiä sähköjohdotuksissa, voimansiirtolinjoissa ja suurtaajuuspiirien jäljissä.
Jos haluat tietää lisää materiaalien sähkönjohtavuudesta, lue ihmeessä postaus, joka keskittyy kaikkien elämäsi materiaalien sähkönjohtavuuden paljastamiseen.
Alhainen johtavuus (eristeet)
Materiaaleja, kuten kumia, lasia ja keramiikkaa, kutsutaan eristeiksi. Niissä on vähän tai ei ollenkaan vapaita elektroneja, mikä vastustaa voimakkaasti sähkövirran kulkua. Tämä ominaisuus tekee niistä elintärkeitä turvallisuuden, eristämisen ja oikosulkujen estämisen kannalta kaikissa sähköjärjestelmissä.
Johtavuuteen vaikuttavat tekijät
Sähkönjohtavuus on materiaalin perustavanlaatuinen ominaisuus, mutta toisin kuin yleinen väärinkäsitys, se ei ole kiinteä vakio. Materiaalin kykyyn johtaa sähkövirtaa voivat vaikuttaa syvällisesti ja ennustettavasti ulkoiset ympäristötekijät ja tarkka koostumuksen suunnittelu. Näiden tekijöiden ymmärtäminen on modernin elektroniikan, anturitekniikan ja energiateknologioiden perusta:
1. Miten ulkoiset tekijät vaikuttavat johtavuuteen
Materiaalin lähiympäristöllä on merkittävä vaikutus sen varauksenkuljettajien (tyypillisesti elektronien tai aukkojen) liikkuvuuteen. Tarkastellaan niitä tarkemmin:
1. Lämpövaikutukset: Lämpötilan vaikutus
Lämpötila on kenties yleisin sähkönvastusta ja johtavuutta muokkaava tekijä.
Suurimmalle osalle puhtaista metalleista,johtavuus pienenee lämpötilan noustessaLämpöenergia saa metallin atomit (kidehilan) värähtelemään suuremmalla amplitudilla, ja näin ollen nämä voimistuneet hilavärähtelyt (tai fononit) lisäävät sirontatapahtumien taajuutta, mikä tehokkaasti estää valenssielektronien tasaisen virtauksen. Tämä ilmiö selittää, miksi ylikuumentuneet johdot johtavat tehohäviöön.
Kääntäen, puolijohteissa ja eristeissä johtavuus kasvaa dramaattisesti lämpötilan noustessa. Lisätty lämpöenergia virittää elektroneja valenssivyöltä energia-aukon yli johtamisvyöhykkeelle, mikä luo suuremman määrän liikkuvia varauksenkuljettajia ja pienentää merkittävästi resistiivisyyttä.
2. Mekaaninen jännitys: Paineen ja venymän rooli
Mekaanisen paineen kohdistaminen voi muuttaa materiaalin atomien välistä etäisyyttä ja kiderakennetta, mikä puolestaan vaikuttaa johtavuuteen, ja tämä on ilmiö, joka on kriittinen pietsoresistiivisissä antureissa.
Joissakin materiaaleissa puristuspaine pakottaa atomit lähemmäs toisiaan, mikä parantaa elektroniorbitaalien päällekkäisyyttä ja helpottaa varauksenkuljettajien liikkumista, mikä lisää johtavuutta.
Piin kaltaisissa materiaaleissa venytys (vetolujuus) tai puristus (puristuslujuus) voivat järjestää elektronien energiavyöhykkeet uudelleen, mikä muuttaa varauksenkuljettajien tehollista massaa ja liikkuvuutta. Tätä tarkkaa vaikutusta hyödynnetään venymäantureissa ja paineantureissa.
2. Miten epäpuhtaudet vaikuttavat johtavuuteen
Kiinteän olomuodon fysiikan ja mikroelektroniikan alalla sähköisten ominaisuuksien lopullinen hallinta saavutetaan koostumussuunnittelulla, pääasiassa dopingin avulla.
Doping on tiettyjen epäpuhtausatomien pienten määrien (tyypillisesti miljoonasosina mitattuna) erittäin kontrolloitua lisäämistä erittäin puhdistettuun, luonnostaan perusmateriaaliin, kuten piihin tai germaniumiin.
Tämä prosessi ei muuta ainoastaan johtavuutta, vaan se räätälöi perusteellisesti materiaalin varauksenkuljettajan tyypin ja pitoisuuden luodakseen ennustettavan, epäsymmetrisen sähköisen käyttäytymisen, jota tarvitaan laskennassa:
N-tyypin doping (negatiivinen)
Kun lisätään alkuaine, jossa on enemmän valenssielektroneja (esim. fosfori tai arseeni, joilla on 5) kuin isäntämateriaalissa (esim. pii, jolla on 4). Ylimääräinen elektroni luovutetaan helposti johtavuusvyöhykkeelle, jolloin elektronista tulee ensisijainen varauksenkuljettaja.
P-tyypin doping (positiivinen)
Lisäämällä alkuaineen, jossa on vähemmän valenssielektroneja (esim. boori tai gallium, joilla on 3), syntyy elektronivajaus eli "reikä", joka toimii positiivisena varauksenkuljettajana.
Johtavuuden tarkka hallinta dopingin avulla on digitaalisen aikakauden moottori:
Puolijohdelaitteissa sitä käytetään muodostamiseenp-nliitokset, diodien ja transistoreiden aktiiviset alueet, jotka sallivat virran kulkemisen vain yhteen suuntaan ja toimivat integroitujen piirien (IC) ydinkytkentäelementteinä.
Termoelektrisissä laitteissa johtavuuden säätö on ratkaisevan tärkeää tasapainottamaan hyvän sähkönjohtavuuden (varauksen siirtämiseksi) ja huonon lämmönjohtavuuden (lämpötilagradientin ylläpitämiseksi) tarvetta sähköntuotantoon ja jäähdytykseen käytettävissä materiaaleissa.
Edistyneen aistimisen näkökulmasta materiaaleja voidaan seosttaa tai kemiallisesti muokata kemiresistoreiden luomiseksi, joiden johtavuus muuttuu dramaattisesti sitoutuessaan tiettyihin kaasuihin tai molekyyleihin, mikä muodostaa perustan erittäin herkille kemiallisille antureille.
Johtavuuden ymmärtäminen ja tarkka hallinta on edelleen ratkaisevan tärkeää seuraavan sukupolven teknologioiden kehittämiselle, optimaalisen suorituskyvyn varmistamiselle ja tehokkuuden maksimoinnille käytännössä kaikilla tieteen ja tekniikan aloilla.
Johtavuusyksiköt
Johtavuuden SI-standardiyksikkö on siemens metriä kohti (S/m). Useimmissa teollisuus- ja laboratorioympäristöissä siemens senttimetriä kohti (S/cm) on kuitenkin yleisempi perusyksikkö. Koska johtavuusarvot voivat vaihdella useiden suuruusluokkien välillä, mittaukset ilmaistaan tyypillisesti etuliitteillä:
1. Mikrosiemensiä senttimetriä kohti (mS/cm) käytetään matalan johtavuuden omaaville nesteille, kuten deionisoidulle tai käänteisosmoosi (RO) vedelle.
2. milliSiemens senttimetriä kohti (mS/cm) on yleinen yksikkö vesijohtovedelle, prosessivedelle tai murtoliuoksille.(1 mS/cm = 1 000 μS/cm).
3. desi-Siemensiä metriä kohden (dS/m) käytetään usein maataloudessa, ja se vastaa yksikköä mS/cm (1 dS/m = 1 mS/cm).
Johtavuuden mittaaminen: Yhtälöt
Ajohtavuusmittariei mittaa johtavuutta suoraan. Sen sijaan se mittaa johtavuuden (Siemensissä) ja laskee sitten johtavuuden käyttämällä anturikohtaista kennovakion (K). Tämä vakio (yksiköt cm-1) on anturin geometrian fyysinen ominaisuus. Instrumentin ydinlaskelma on:
Johtavuus (S/cm) = Mitattu johtavuus (S) × Kennovakio (K, cm⁻¹)
Tämän mittauksen suorittamiseen käytetty menetelmä riippuu sovelluksesta. Yleisin menetelmä on kontaktianturit (potentiometriset anturit), joissa käytetään elektrodeja (usein grafiittia tai ruostumatonta terästä), jotka ovat suorassa kosketuksessa nesteen kanssa. Yksinkertainen 2-elektrodirakenne on tehokas matalan johtavuuden sovelluksissa, kuten puhtaassa vedessä. Edistyneemmät 4-elektrodianturittarjotakorkea tarkkuus paljon laajemmalla alueella ja ovat vähemmän alttiita kohtalaisesta elektrodin likaantumisesta johtuville virheille.
Vaativiin, syövyttäviä tai erittäin johtaviin liuoksiin, joissa elektrodit likaantuisivat tai syöpyisivät, sopivat induktiiviset (toroidi) anturit. Näissä kosketuksettomissa antureissa on kaksi kestävään polymeeriin kapseloitua lankakelaa. Toinen kela indusoi sähkövirtasilmukan liuokseen, ja toinen kela mittaa tämän virran suuruutta, joka on suoraan verrannollinen nesteen johtavuuteen. Tämä rakenne on erittäin kestävä, koska mikään metalliosa ei ole alttiina prosessille.
Johtavuuden ja lämpötilan mittaukset
Johtavuusmittaukset ovat erittäin riippuvaisia lämpötilasta. Nesteen lämpötilan noustessa sen ioneista tulee liikkuvampia, mikä aiheuttaa mitatun johtavuuden nousun (usein ~2 % °C:ta kohden). Jotta mittaukset olisivat tarkkoja ja vertailukelpoisia, ne on normalisoitava standardireferenssilämpötilaan, joka on yleisesti hyväksytty.25°C.
Nykyaikaiset johtavuusmittarit suorittavat tämän korjauksen automaattisesti käyttämälläintegroitulämpötilaanturiTämä prosessi, joka tunnetaan nimellä automaattinen lämpötilakompensaatio (ATC), käyttää korjausalgoritmia (kuten lineaarista kaavaaG25 = G_t/[1 + α(T-25)]) ilmoittaakseen johtavuuden ikään kuin se olisi mitattu 25 °C:ssa.
Jossa:
G₂₅= Korjattu johtavuus 25 °C:ssa;
G_t= Raakajohtavuus mitattuna prosessilämpötilassaT;
T= Mitattu prosessilämpötila (°C);
α (alfa)= Liuoksen lämpötilakerroin (esim. 0,0191 tai 1,91 %/°C NaCl-liuoksille).
Mittaa johtavuus Ohmin lain avulla
Sähkötieteen kulmakivi, Ohmin laki, tarjoaa käytännöllisen viitekehyksen materiaalin sähkönjohtavuuden (σ) kvantifioinnille. Tämä periaatemäärittää suoran korrelaation jännitteen (V), virran (I) ja resistanssin (R) välilläLaajentamalla tätä lakia koskemaan materiaalin fysikaalista geometriaa, voidaan johtaa sen sisäinen johtavuus.
Ensimmäinen vaihe on Ohmin lain (R = V/I) soveltaminen tiettyyn materiaalinäytteeseen. Tämä vaatii kahden tarkan mittauksen tekemistä: näytteeseen syötetyn jännitteen ja sen läpi kulkevan virran. Näiden kahden arvon suhde antaa näytteen kokonaissähkövastuksen. Tämä laskettu resistanssi on kuitenkin spesifinen kyseisen näytteen koolle ja muodolle. Tämän arvon normalisoimiseksi ja materiaalin ominaisjohtavuuden määrittämiseksi on otettava huomioon sen fyysiset mitat.
Kaksi kriittistä geometrista tekijää ovat näytteen pituus (L) ja sen poikkileikkauspinta-ala (A). Nämä elementit on integroitu yhteen kaavaan: σ = L / (R^A).
Tämä yhtälö muuntaa tehokkaasti mitattavan, ulkoisen ominaisuuden, resistanssin, perustavanlaatuiseksi, sisäiseksi ominaisuudeksi, johtavuudelle. On tärkeää ymmärtää, että lopullisen laskelman tarkkuus riippuu suoraan lähtötietojen laadusta. Kaikki kokeelliset virheet V:n, I:n, L:n tai A:n mittaamisessa vaarantavat lasketun johtavuuden pätevyyden.
Johtavuuden mittaamiseen käytetyt työkalut
Teollisuuden prosessien ohjauksessa, vedenkäsittelyssä ja kemianteollisuudessa sähkönjohtavuus ei ole vain passiivinen mittausmenetelmä; se on kriittinen säätöparametri. Tarkan ja toistettavan datan saavuttaminen ei tule yhdestä yleiskäyttöisestä työkalusta. Sen sijaan se edellyttää täydellisen, yhteensovitetun järjestelmän rakentamista, jossa jokainen komponentti valitaan tiettyyn tehtävään.
Vankka johtavuusjärjestelmä koostuu kahdesta pääosasta: ohjaimesta (aivot) ja anturista (aistit), joita molempia on tuettava asianmukaisella kalibroinnilla ja kompensoinnilla.
1. Ydin: Johtavuuden säädin
Järjestelmän keskusyksikkö ontheverkossajohtavuussäädin, joka tekee paljon muutakin kuin vain näyttää arvon. Tämä ohjain toimii "aivoina", jotka antavat anturille virtaa, käsittelevät raakasignaalin ja tekevät datasta hyödyllisen. Sen keskeisiin toimintoihin kuuluvat seuraavat:
① Automaattinen lämpötilakompensointi (ATC)
Johtavuus on erittäin herkkä lämpötilalle. Teollinen ohjain, kutenSUP-TDS210-Btaikorkean tarkkuudenSUP-EC8.0, käyttää integroitua lämpötilaelementtiä korjatakseen automaattisesti jokaisen lukeman takaisin 25 °C:n standardiin. Tämä on olennaista tarkkuuden kannalta.
② Lähdöt ja hälytykset
Nämä yksiköt muuntavat mittauksen 4–20 mA:n signaaliksi PLC:lle tai hälytysten ja annostelupumpun ohjauksen laukaisureleille.
③ Kalibrointiliitäntä
Ohjain on konfiguroitu ohjelmistorajapinnalla säännöllisten, yksinkertaisten kalibrointien suorittamiseksi.
2. Oikean anturin valitseminen
Kriittisin osa on anturin (tai mittapään) valinta, sillä sen teknologian on vastattava nesteen ominaisuuksia. Väärän anturin käyttö on mittausvirheiden yleisin syy.
Puhtaalle vedelle ja käänteisosmoosijärjestelmille (alhainen johtavuus)
Käänteisosmoosin, deionisoidun veden tai kattilan syöttöveden kaltaisissa sovelluksissa neste sisältää hyvin vähän ioneja. Tässä käytetään kaksielektrodista johtavuusanturia (kutentheSUP-TDS7001) on ihanteellinen valintatomitataveden johtavuusSen rakenne tarjoaa suuren herkkyyden ja tarkkuuden näillä alhaisilla johtavuustasoilla.
Yleiskäyttöön ja jätevedelle (keskitasoinen ja korkea johtavuus)
Likaisissa liuoksissa, jotka sisältävät suspendoitunutta kiintoainetta tai joilla on laaja mittausalue (kuten jätevesi, vesijohtovesi tai ympäristön seuranta), anturit ovat alttiita likaantumiselle. Tällaisessa tapauksessa nelielektrodinen johtavuusanturi, kutentheSUP-TDS7002 on ylivoimainen ratkaisu. Tähän rakenteeseen elektrodipinnoille kertyvä lika ei vaikuta niin paljon, joten se tarjoaa paljon leveämmän, vakaamman ja luotettavamman lukeman vaihtelevissa olosuhteissa.
Voimakkaille kemikaaleille ja lietteille (aggressiivisille ja korkeajohtavuus)
Mitattaessa aggressiivisia aineita, kuten happoja, emäksiä tai hankaavia lieteitä, perinteiset metallielektrodit syöpyvät ja pettävät nopeasti. Ratkaisu on kosketukseton induktiivinen (toroidinen) johtavuusanturi, kutentheSUP-TDS6012Tämä anturi käyttää kahta kapseloitua kelaa virran indusoimiseen ja mittaamiseen nesteessä ilman, että mikään anturin osa koskettaa sitä. Tämä tekee siitä käytännössä immuunin korroosiolle, likaantumiselle ja kulumiselle.
3. Prosessi: Pitkäaikaisen tarkkuuden varmistaminen
Järjestelmän luotettavuus säilytetään yhden kriittisen prosessin avulla: kalibroinnin. Ohjain ja anturi, riippumatta niiden edistyneisyydestä, on tarkistettava tiettyätunnettuviiteratkaisu(johtavuusstandardi) tarkkuuden varmistamiseksi. Tämä prosessi kompensoi anturin pienetkin ajautumiset tai likaantumisen ajan myötä. Hyvä ohjain, kutentheSUP-TDS210-Ctekee tästä yksinkertaisen, valikkopohjaisen toimenpiteen.
Tarkan johtavuusmittauksen saavuttaminen on älykkään järjestelmäsuunnittelun asia. Se edellyttää älykkään ohjaimen ja juuri sinun sovellukseesi suunnitellun anturiteknologian yhdistämistä.
Mikä on paras materiaali sähkön johtamiseen?
Paras sähkönjohtavuusmateriaali on puhdas hopea (Ag), jolla on kaikista alkuaineista korkein sähkönjohtavuus. Sen korkea hinta ja taipumus tummua (hapettua) kuitenkin rajoittavat sen laajaa käyttöä. Useimmissa käytännön käyttötarkoituksissa kupari (Cu) on standardi, koska se tarjoaa toiseksi parhaan johtavuuden paljon halvemmalla ja on erittäin sitkeää, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin johdotukseen, moottoreihin ja muuntajiin.
Kääntäen, kulta (Au), vaikka se onkin vähemmän johtavaa kuin sekä hopea että kupari, on elintärkeää elektroniikassa herkille, matalajännitteisille kontakteille, koska sillä on erinomainen korroosionkestävyys (kemiallinen inerttiys), mikä estää signaalin heikkenemisen ajan myötä.
Lopuksi alumiinia (Al) käytetään pitkän matkan suurjännitelinjoissa, koska sen kevyempi paino ja alhaisemmat kustannukset tarjoavat merkittäviä etuja huolimatta sen alhaisemmasta sähkönjohtavuudesta tilavuusprosentteina verrattuna kupariin.
Johtavuuden sovellukset
Materiaalin luontaisena kykynä siirtää sähkövirtaa sähkönjohtavuus on teknologiaa ohjaava perusominaisuus. Sen sovellukset kattavat kaiken laajamittaisesta sähköinfrastruktuurista mikroskooppiseen elektroniikkaan ja ympäristön seurantaan. Alla on lueteltu sen tärkeimmät sovellukset, joissa tämä ominaisuus on olennainen:
Energia, elektroniikka ja valmistus
Korkea sähkönjohtavuus on sähköisen maailmamme perusta, kun taas hallittu sähkönjohtavuus on ratkaisevan tärkeää teollisissa prosesseissa.
Voimansiirto ja johdotus
Korkean sähkönjohtavuuden omaavat materiaalit, kuten kupari ja alumiini, ovat sähköjohdotuksen ja pitkän matkan voimajohtojen standardi. Niiden alhainen resistanssi minimoi I2R (Joule) lämpöhäviöt, mikä varmistaa tehokkaan energiansiirron.
Elektroniikka ja puolijohteet
Mikrotasolla piirilevyjen ja liittimien johtavat jäljet muodostavat signaalien kulkuväylät. Puolijohteissa piin johtavuutta manipuloidaan (seostetaan) tarkasti transistoreiden luomiseksi, jotka ovat kaikkien nykyaikaisten integroitujen piirien perusta.
sähkökemia
Tämä kenttä perustuu elektrolyyttien ionijohtavuuteen. Tämä periaate on akkujen, polttokennojen ja teollisten prosessien, kuten galvanoinnin, metallinjalostuksen ja kloorin tuotannon, moottori.
Komposiittimateriaalit
Johtavia täyteaineita (kuten hiili- tai metallikuituja) lisätään polymeereihin, jotta saadaan aikaan komposiitteja, joilla on tiettyjä sähköisiä ominaisuuksia. Näitä käytetään sähkömagneettiseen suojaukseen (EMI) herkkien laitteiden suojaamiseksi ja staattisten purkausten (ESD) suojaamiseen valmistuksessa.
Valvonta, mittaus ja diagnostiikka
Johtavuuden mittaaminen on yhtä kriittistä kuin itse ominaisuus, ja se toimii tehokkaana analyyttisenä työkaluna.
Vedenlaadun ja ympäristön seuranta
Johtavuuden mittaus on ensisijainen menetelmä veden puhtauden ja suolapitoisuuden arvioimiseksi. Koska liuenneet ioniset kiinteät aineet (Tullimaksu) lisäävät suoraan johtavuutta, antureita käytetään juomaveden seurantaan,hallitajätevesihoitoja arvioida maaperän terveyttä maataloudessa.
Lääketieteellinen diagnostiikka
Ihmiskeho toimii biosähköisten signaalien avulla. Lääketieteelliset tekniikat, kuten elektrokardiografia (EKG) ja elektroenkefalografia (EEG), toimivat mittaamalla ionien kehossa johtamia pieniä sähkövirtoja, mikä mahdollistaa sydän- ja neurologisten sairauksien diagnosoinnin.
Prosessinohjausanturit
KemianteollisuudessajaruokavalmistusJohtavuusantureita käytetään prosessien reaaliaikaiseen valvontaan. Ne voivat havaita pitoisuusmuutoksia, tunnistaa eri nesteiden välisiä rajapintoja (esim. paikan päällä puhdistetuissa järjestelmissä) tai varoittaa epäpuhtauksista ja kontaminaatiosta.
Usein kysytyt kysymykset
K1: Mitä eroa on johtavuudella ja resistiivisyydellä?
A: Johtavuus (σ) on materiaalin kyky johtaa sähkövirtaa, mitattuna yksiköissä Siemens per metri (S/m). Resistiivisyys (ρ) on sen kyky vastustaa virtaa, mitattuna yksiköissä ohmimetrejä (Ω⋅m). Nämä ovat suoria matemaattisia käänteislukuja (σ=1/ρ).
K2: Miksi metalleilla on korkea johtavuus?
A: Metallit käyttävät metallista sidosta, jossa valenssielektronit eivät ole sitoutuneet mihinkään yksittäiseen atomiin. Tämä muodostaa delokalisoituneen "elektronimeren", joka liikkuu vapaasti materiaalin läpi ja luo helposti virran, kun siihen kytketään jännite.
K3: Voiko johtavuutta muuttaa?
V: Kyllä, johtavuus on erittäin herkkä ulkoisille olosuhteille. Yleisimmät tekijät ovat lämpötila (nousevat lämpötilat heikentävät johtavuutta metalleissa, mutta lisäävät sitä vedessä) ja epäpuhtauksien läsnäolo (jotka häiritsevät elektronien kulkua metalleissa tai lisäävät ioneja veteen).
K4: Mikä tekee materiaaleista, kuten kumista ja lasista, hyviä eristeitä?
A: Näillä materiaaleilla on vahvat kovalenttiset tai ionisidokset, joissa kaikki valenssielektronit ovat tiukasti kiinni. Koska niillä ei ole vapaita elektroneja liikkuakseen, ne eivät voi ylläpitää sähkövirtaa. Tätä kutsutaan erittäin suureksi "energiavyöväliksi".
K5: Miten vedenjohtavuutta mitataan?
A: Mittari mittaa liuenneiden suolojen ionijohtavuutta. Sen anturi syöttää veteen vaihtojännitteen, joka saa liuenneet ionit (kuten Na+ tai Cl−) liikkumaan ja luomaan virran. Mittari mittaa tämän virran, korjaa automaattisesti lämpötilan ja käyttää anturin "kennovakiota" lopullisen arvon raportoimiseen (yleensä μS/cm).
Julkaisuaika: 24.10.2025