هل تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الكهربائي والحراري؟

كهربائيالتوصيلييقف كـالمعلمة الأساسيةفي الفيزياء والكيمياء والهندسة الحديثة، ولها آثار كبيرة عبر مجموعة من المجالات،من التصنيع عالي الحجم إلى الإلكترونيات الدقيقة فائقة الدقة. تنبع أهميتها الحيوية من ارتباطها المباشر بأداء وكفاءة وموثوقية عدد لا يحصى من الأنظمة الكهربائية والحرارية.

يُعد هذا العرض التفصيلي بمثابة دليل شامل لفهم العلاقة المعقدة بينالموصلية الكهربائية (σ)، الموصلية الحرارية(κ)، ودرجة الحرارة (T)علاوة على ذلك، سنستكشف بشكل منهجي سلوكيات التوصيل لفئات مواد متنوعة، بدءًا من الموصلات الشائعة وصولًا إلى أشباه الموصلات والعوازل المتخصصة، مثل الفضة والذهب والنحاس والحديد والمحاليل والمطاط، والتي تسد الفجوة بين المعرفة النظرية والتطبيقات الصناعية في العالم الحقيقي.

عند الانتهاء من قراءة هذه المادة، سوف تكون مجهزًا بفهم قوي ودقيقلالالعلاقة بين درجة الحرارة والتوصيل والحرارة.

جدول المحتويات:

1. هل تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الكهربائي؟

2. هل تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الحراري؟

3. العلاقة بين الموصلية الكهربائية والحرارية

4. الموصلية مقابل الكلوريد: الاختلافات الرئيسية

س1: هل تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الكهربائي؟

السؤال "هل تؤثر درجة الحرارة على الموصلية؟" تم الرد عليه بشكل قاطع: نعم.تمارس درجة الحرارة تأثيرًا حاسمًا يعتمد على المادة على كل من التوصيل الكهربائي والحراري.في تطبيقات الهندسة الحرجة من نقل الطاقة إلى تشغيل المستشعر، تحدد العلاقة بين درجة الحرارة والتوصيل أداء المكونات، وهامش الكفاءة، والسلامة التشغيلية.

كيف تؤثر درجة الحرارة على الموصلية؟

تغير درجة الحرارة الموصلية عن طريق تغييركم هو سهلتنتقل حاملات الشحنة، مثل الإلكترونات أو الأيونات، أو الحرارة عبر المادة. يختلف التأثير باختلاف نوع المادة. إليك كيفية حدوثه، كما هو موضح بوضوح:

1.المعادن: الموصلية تقل مع ارتفاع درجة الحرارة

جميع المعادن موصلة للكهرباء عبر إلكترونات حرة تتدفق بسهولة في درجات الحرارة العادية. عند تسخينها، تهتز ذرات المعدن بشدة أكبر. تعمل هذه الاهتزازات كعوائق، فتشتت الإلكترونات وتبطئ تدفقها.

على وجه التحديد، تنخفض الموصلية الكهربائية والحرارية باستمرار مع ارتفاع درجة الحرارة. عند درجة حرارة الغرفة تقريبًا، تنخفض الموصلية عادةً بمقدار~0.4% لكل ارتفاع درجة مئوية واحدة.في المقابل،عندما تحدث زيادة قدرها 80 درجة مئوية،المعادن تفقد25-30%من موصليتهم الأصلية.

يتم استخدام هذا المبدأ على نطاق واسع في المعالجة الصناعية، على سبيل المثال، تعمل البيئات الساخنة على تقليل سعة التيار الآمن في الأسلاك وخفض تبديد الحرارة في أنظمة التبريد.

2. في أشباه الموصلات: تزداد الموصلية مع درجة الحرارة

تبدأ أشباه الموصلات بإلكترونات مرتبطة بإحكام في بنية المادة. في درجات الحرارة المنخفضة، لا يستطيع سوى عدد قليل منها التحرك لنقل التيار.مع ارتفاع درجة الحرارة، تُعطي الحرارة الإلكترونات طاقة كافية للتحرر والتدفق. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت حاملات الشحنة المتاحة.تعزيز التوصيل بشكل كبير.

بعبارات أكثر بديهية، جترتفع الموصلية بشكل حاد، وغالبًا ما تتضاعف كل 10 إلى 15 درجة مئوية في النطاقات النموذجية.يساعد هذا على تحسين الأداء في درجات الحرارة المعتدلة، ولكن يمكن أن يسبب مشاكل إذا كان ساخنًا جدًا (تسرب زائد)، على سبيل المثال، قد يتعطل الكمبيوتر إذا تم تسخين الشريحة المبنية من أشباه الموصلات إلى درجة حرارة عالية.

3. في الإلكتروليتات (السوائل أو الهلاميات في البطاريات): تتحسن الموصلية بالحرارة

يتساءل البعض عن تأثير درجة الحرارة على الموصلية الكهربائية للمحلول، وهنا هذا القسم. تُوصل الإلكتروليتات الأيونات المتحركة عبر المحلول، بينما يُؤدي البرد إلى سماكة السوائل وبطء حركتها. مع ارتفاع درجة الحرارة، يُصبح السائل أقل لزوجة، فتنتشر الأيونات بشكل أسرع وتحمل الشحنة بكفاءة أكبر.

في المجمل، تزداد الموصلية بنسبة ٢-٣٪ لكل درجة مئوية واحدة مع وصول كل شيء إلى ذروته. عندما ترتفع درجة الحرارة بأكثر من ٤٠ درجة مئوية، تنخفض الموصلية بنسبة ٣٠٪ تقريبًا.

يمكنك اكتشاف هذا المبدأ في العالم الحقيقي، مثل أنظمة مثل البطاريات التي تشحن بشكل أسرع في الحرارة، ولكنها معرضة للتلف في حالة ارتفاع درجة الحرارة.

II. هل تؤثر درجة الحرارة على التوصيل الحراري؟

الموصلية الحرارية، وهي مقياس مدى سهولة انتقال الحرارة عبر مادة ما، تنخفض عادةً مع ارتفاع درجة الحرارة في معظم المواد الصلبة، على الرغم من أن السلوك يختلف بناءً على بنية المادة والطريقة التي تنتقل بها الحرارة.

في المعادن، تتدفق الحرارة بشكل رئيسي عبر الإلكترونات الحرة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تهتز الذرات بقوة أكبر، مما يؤدي إلى تشتيت هذه الإلكترونات وتعطيل مسارها، مما يقلل من قدرة المادة على نقل الحرارة بكفاءة.

في العوازل البلورية، تنتقل الحرارة عبر اهتزازات ذرية تُعرف بالفونونات. وتؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تكثيف هذه الاهتزازات، مما يؤدي إلى زيادة تصادمات الذرات وانخفاض واضح في التوصيل الحراري.

أما في الغازات، فيحدث العكس. فمع ارتفاع درجة الحرارة، تتحرك الجزيئات أسرع وتتصادم أكثر، مما يُحسّن نقل الطاقة بين التصادمات؛ وبالتالي، تزداد الموصلية الحرارية.

في البوليمرات والسوائل، من الشائع حدوث تحسن طفيف مع ارتفاع درجة الحرارة. فالظروف الأكثر دفئًا تسمح للسلاسل الجزيئية بالتحرك بحرية أكبر وتقليل اللزوجة، مما يُسهّل مرور الحرارة عبر المادة.

ثالثًا. العلاقة بين التوصيل الكهربائي والحراري

هل هناك علاقة بين التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي؟ قد يتساءل البعض عن هذا السؤال. في الواقع، هناك علاقة وثيقة بين التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري، إلا أن هذه العلاقة لا تنطبق إلا على أنواع معينة من المواد، مثل المعادن.

1. العلاقة القوية بين الموصلية الكهربائية والحرارية

بالنسبة للمعادن النقية (مثل النحاس والفضة والذهب)، تنطبق قاعدة بسيطة:إذا كانت المادة جيدة جدًا في توصيل الكهرباء، فهي أيضًا جيدة جدًا في توصيل الحرارة.يعتمد هذا المبدأ على ظاهرة مشاركة الإلكترونات.

في المعادن، تُحمل الكهرباء والحرارة بشكل أساسي بواسطة الجسيمات نفسها: الإلكترونات الحرة. ولذلك، تؤدي الموصلية الكهربائية العالية إلى موصلية حرارية عالية في بعض الحالات.

لالكهربائيتدفق،عندما يتم تطبيق الجهد، تتحرك هذه الإلكترونات الحرة في اتجاه واحد، حاملة شحنة كهربائية.

عندما يتعلق الأمر بـالحرارةتدفق، يكون أحد طرفي المعدن ساخنًا والطرف الآخر باردًا، وتتحرك هذه الإلكترونات الحرة نفسها بشكل أسرع في المنطقة الساخنة وتصطدم بالإلكترونات الأبطأ، مما يؤدي إلى نقل الطاقة (الحرارة) بسرعة إلى المنطقة الباردة.

تعني هذه الآلية المشتركة أنه إذا كان المعدن يحتوي على الكثير من الإلكترونات عالية الحركة (مما يجعله موصلًا كهربائيًا ممتازًا)، فإن هذه الإلكترونات تعمل أيضًا كـ "ناقلات حرارة" فعالة، وهو ما يوصف رسميًا بـالفيدمان-فرانزقانون.

2. العلاقة الضعيفة بين الموصلية الكهربائية والحرارية

تضعف العلاقة بين الموصلية الكهربائية والحرارية في المواد التي تنتقل فيها الشحنة والحرارة بواسطة آليات مختلفة.

رابعًا: الموصلية مقابل الكلوريد: الفروق الرئيسية

في حين أن كل من التوصيل الكهربائي وتركيز الكلوريد من المعلمات المهمة فيتحليل جودة المياه، فإنهم يقيسون خصائص مختلفة جوهريًا.

الموصلية

الموصلية هي مقياس لقدرة المحلول على نقل التيار الكهربائي.يقيس tالتركيز الكلي لجميع الأيونات المذابةفي الماء، والذي يتضمن أيونات مشحونة إيجابيا (كاتيونات) وأيونات مشحونة سلبًا (أنيونات).

جميع الأيونات، مثل الكلوريد (Cl^-)، الصوديوم (Na⁺), الكالسيوم (Ca²⁺)، والبيكربونات، والكبريتات، تساهم في الموصلية الكلية ميتم قياسها بالميكرو سيمنز لكل سنتيمتر (µS/cm) أو الملي سيمنز لكل سنتيمتر (mS/cm).

الموصلية هي مؤشر سريع وعاملالمجموعالمواد الصلبة المذابة(TDS) ونقاء المياه بشكل عام أو الملوحة.

 تركيز الكلوريد (Cl^-)

تركيز الكلوريد هو قياس محدد فقط لأنيون الكلوريد الموجود في المحلول.إنه يقيسكتلة أيونات الكلوريد فقط(كل^-) موجودة، غالبًا ما تكون مشتقة من أملاح مثل كلوريد الصوديوم (NaCl) أو كلوريد الكالسيوم (CaCl₂).

يتم إجراء هذا القياس باستخدام طرق محددة مثل المعايرة (على سبيل المثال، طريقة الأرجنتومتريك) أو الأقطاب الكهربائية الانتقائية للأيونات (ISEs)بالمليغرام لكل لتر (ملغ/ل) أو جزء في المليون (جزء في المليون).

تعتبر مستويات الكلوريد مهمة لتقييم احتمالية التآكل في الأنظمة الصناعية (مثل الغلايات أو أبراج التبريد) ومراقبة تسرب الملوحة في إمدادات مياه الشرب.

باختصار، يساهم الكلوريد في التوصيل، لكن التوصيل ليس خاصًا بالكلوريد.إذا زاد تركيز الكلوريد فإن الموصلية الكلية سوف تزيد.ومع ذلك، إذا زادت الموصلية الكلية، فقد يكون ذلك بسبب زيادة الكلوريد، أو الكبريتات، أو الصوديوم، أو أي مزيج من الأيونات الأخرى.

لذلك، تعمل الموصلية كأداة فحص مفيدة (على سبيل المثال، إذا كانت الموصلية منخفضة، فمن المرجح أن يكون الكلوريد منخفضًا)، ولكن لمراقبة الكلوريد على وجه التحديد لأغراض التآكل أو التنظيم، يجب استخدام اختبار كيميائي مستهدف.