Sähkönjohtavuus: mho, siemens

Vastuksen opetusohjelma sisältää:
Mitä on resistanssi Ohmin laki Ohminen & Ei-ohmiset johtimet Resistiivisyys Resistiivisyystaulukko yleisimmille materiaaleille Vastuksen lämpötilakerroin Sähkönjohtavuus Sarja & rinnakkaisvastukset Rinnakkaisvastusten taulukko

Toisin kuin resistanssi, joka mittaa sähkövirran virtauksen vastusta, sähkönjohtokyky tai sähkönjohtavuus mittaa sitä, miten sähkövirta liikkuu aineen sisällä.

Mitä suurempi sähkönjohtavuus aineessa on, sitä suurempi on virrantiheys tietyllä käytetyllä potentiaalierolla.

Siten voidaan nähdä, että aineen sähkönjohtavuus tai sähkönjohtavuus on mitta sen kyvystä johtaa sähköä.

Materiaalin sähkönjohtavuus tai sähkönjohtokyky on tärkeä, koska joiltakin aineilta edellytetään, että ne johtavat sähköä mahdollisimman hyvin. Johdinjohtimien on mahdollistettava virran kulku mahdollisimman helposti. Toisilta aineilta voidaan vaatia, että ne rajoittavat virran kulkua, kuten vastuksen tapauksessa, ja toisilta aineilta vaaditaan, että ne eivät johda sähköä, kuten eristeiden tapauksessa.

Sähkönjohtavuuden perusteet

Sähkönjohtavuus on virran tiheyden ja sähkökentän voimakkuuden suhde. Mitä suurempi johtavuuden arvo on, sitä pienemmän vastuksen se antaa sähkövirran kululle.

Sähkönjohtavuuden arvo riippuu elektronien tai muiden varauksenkuljettajien, kuten reikien, kyvystä liikkua materiaalin hilassa.

Hyvin johtavat materiaalit, kuten kupari, sallivat elektronien vapaan liikkumisen molekyylihilansa sisällä. Molekyyliristikon sisällä on vapaita elektroneja.

Materiaaleissa, joiden johtavuus tai johtavuus on alhainen, on hyvin vähän vapaita elektroneja niiden rakenteessa. Elektronit ovat tiukasti kiinni molekyylirakenteessa ja niiden irrottaminen vaatii huomattavan paljon energiaa.

Sähkönjohtavuuden yksiköt: siemens ja mho

Sähkönjohtavuuden yksiköt ovat siemens per metri, S⋅m-1.

Siemensiä käytettiin ennen myös nimellä mho – tämä on ohmin käänteisluku, ja se saadaan kirjoittamalla ohmi väärinpäin.

Konduktanssi on resistanssin käänteisluku, ja yksi siemens vastaa yhden ohmin käänteislukua.

Johtokyvyn yksikön nimitys siemens hyväksyttiin 14. yleiskonferenssissa (14th General Conference on Weights and Measures) SI:n johdannaisyksiköksi vuonna 1971. Se on nimetty Ernst Werner von Siemensin mukaan.

Kuten kaikissa SI:n eli kansainvälisen yksikköjärjestelmän nimissä, jotka on johdettu henkilön omasta nimestä, sen symbolin ensimmäinen kirjain on iso, eli tässä tapauksessa kirjain ”S” tarkoittaa arvoa siemens, 10S. Kun SI-yksikön koko nimi kirjoitetaan englanniksi, sen tulee aina alkaa pienellä kirjaimella, eli tässä tapauksessa siemens. Poikkeuksena tästä on tilanne, jossa mikä tahansa sana kirjoitetaan isolla alkukirjaimella, kuten lauseen alussa jne.

Yleisimmin käytetty symboli on kreikkalaisen sigma-kirjaimen pienaakkosellinen versio, σ, vaikka toisinaan käytetään myös kappa-kirjainta, &kappa, ja gamma-kirjainta, &gamma.

Niinkin kuin johtavuuden SI-yksiköt ovat yleisimmin käytettyjä, johtavuusarvot ilmoitetaan kuitenkin usein IACS-prosenttiarvollaan ilmaistuna. IACS, International Annealed Copper Standard, on kansainvälisen sähkökemiallisen komission vuonna 1913 laatima standardi.

Hehkutetun kuparin johtavuus (5,8001 x 107S/m) määritellään 100 %:ksi IACS-arvoksi 20 °C:ssa.

Kaikki muut johtavuusarvot suhteutetaan takaisin tähän johtavuusarvoon. Tämä tarkoittaa, että raudan, jonka johtavuusarvo on 1,04 x 107 S/m, johtavuus on noin 18 % hehkutetun kuparin johtavuudesta, ja tämä ilmoitetaan 18 %:na IACS.

Koska metallin käsittelymenetelmät ovat parantuneet standardin käyttöönoton jälkeen, joillakin nykyaikaisilla kuparituotteilla on nyt usein IACS-johtavuusarvot, jotka ovat suuremmat kuin 100 %:n IACS-arvo, koska metallista voidaan nykyään poistaa enemmän epäpuhtauksia.

Sähkönjohtavuuden kaavat

Resistiviteetti ja johtavuus ovat yhteydessä toisiinsa. Johtavuus on resistiivisyyden käänteisluku. Näin ollen on helppo ilmaista toinen toisen suhteen.

Jossa:
σ on materiaalin johtavuus siemensmetreinä, S⋅m-1
ρ on materiaalin resistiivisyys ohmmetreinä, Ω⋅m

Tämä voidaan sitten korvata resistiivisyyden kaavaan, jolloin saadaan seuraava suhde.

Missä:
σ on materiaalin johtavuus siemensina metriä kohti, S⋅m-1
E on sähkökentän suuruus voltteina metriä kohti, V⋅m-1
J on virrantiheyden suuruus ampeereina neliömetriä kohti, A⋅m-2

Usein on tarpeen suhteuttaa johtavuus tiettyyn materiaalin pituuteen, jolla on vakioitu poikkipinta-ala..

Tämän kaavion avulla johtavuus voidaan suhteuttaa näytteen resistanssiin, pituuteen ja poikkipinta-alaan alla olevassa johtavuuskaavassa.

Missä:
R on tasaisen materiaalikappaleen sähkövastus mitattuna ohmeina
l on materiaalikappaleen pituus mitattuna metreinä, m
A on kappaleen poikkipinta-ala mitattuna neliömetreinä, m2

Käyttämällä näitä sähkönjohtavuuskaavoja on mahdollista laskea johtavuus tietämällä materiaalikappaleen resistanssi, pituus ja poikkipinta-ala.

Lisää elektroniikan peruskäsitteitä:
Jännite Virta Teho Resistanssi Kapasitanssi Induktanssi Muuntajat Desibeli, dB Kirchoffin lait Q, laatukerroin RF-kohina
Palaa elektroniikan peruskäsitteet -valikkoon . . .