Имеет ли электропроводность железо: плотность, температура плавления, удельная теплоемкость

Проводит ли железо электричество? 9 фактов (почему, как и как использовать)

Железо — это металл со значительно меньшим сопротивлением, что делает его хорошим проводником. В этой статье мы поговорим о том, может ли железо проводить электричество или нет.

Железо может проводить электричество, потому что оно имеет восемь валентных электронов, которые могут смещаться/мигрировать, чтобы проводить поток электричества. Валентная электронная конфигурация железа равна 4s.² 3d⁶. Электропроводность металлического железа высока из-за этих восьми электронов.

Электрический поток внутри железа равен нулю, что создает электрическое поле, окружающее его область. Давайте обсудим проводимость железа, почему его не используют в электрических проводах и различные свойства, которые делают его хорошим проводником электричества и тепла.

Почему железо проводит электричество?

Свободные заряды / электроны должны быть доступны для вещества, чтобы проводить электричество. Давайте посмотрим, почему железо может проводить электричество.

Железо проводит электричество, потому что свободные электроны проводят ток по его поверхности. Эти свободные электроны накапливаются на поверхности железа при смещении/возбуждении от атомов после получения достаточной энергии, необходимой для возбуждения на более высоких энергетических уровнях.

Как рассчитать электропроводность железа?

Электропроводность — это свойство вещества, которое определяет полный электрический поток, протекающий через вещество. Давайте посмотрим, как рассчитать электропроводность железа.

Электропроводность железа (σ) рассчитывается по формуле σ = 1/ρ; здесь ρ — удельное сопротивление. Удельное сопротивление — это свойство вещества сопротивляться протеканию через него тока/электрического потока; таким образом, проводимость меньше для материала с высоким удельным сопротивлением.

Формула, определяющая удельное сопротивление материала, записывается как ρ = (RA)/L, где R — сопротивление вещества, A — его площадь, а L — длина проводника, через который линии электрического потока параллельны поперек длина.

Используя эту формулу, мы можем записать выражение для электропроводности как σ = L/(RA). Из этой формулы мы можем утверждать, что проводимость материала прямо пропорциональна его длине и обратно пропорциональна его сопротивлению и площади поперечного сечения.

Свойства железа

Ядро Земли в основном состоит из железа, более плотного элемента. Теперь мы кратко перечислим некоторые свойства железа, которые необходимо учитывать в нашем обсуждении.

• Железо является мягким металлом и образует жесткую структуру за счет добавления примесей.
• Железо ферромагнитно, а выше его температуры Кюри — парамагнитно.
• Железо имеет ОЦК структуру с атомным номером 26.
• Плотность железа 7.87 г/см.³.
• Температура плавления и кипения железа 1538. ⁰C и 2861 ⁰С соответственно.

Использование железа в качестве электрического проводника

Железо является хорошим проводником тепла и электричества и может использоваться в электронных устройствах и оборудовании. Приведем несколько примеров использования железа в качестве электрического проводника.

• Чугунная и стальная посуда используется для приготовления пищи в духовке.
• Утюг, используемый для глажки одежды, достигается путем нагревания железа с помощью пропускания электричества.
• Выпрямители для волос имеют две керамические пластины из железа.
• Металл на основе железа, такой как алюминий и сталь, используется в корпусах электронных устройств.

Является ли железо хорошим проводником электричества?

Будучи металлом, железо обладает хорошими свойствами проводника. Но нам нужно определить, является ли он хорошим проводником электричества или нет.

Железо — хороший, но не лучший проводник электричества, потому что оно обладает магнитным моментом, который заставляет электроны вращаться относительно друг друга, уменьшая поток и подвижность заряда. Уменьшение скорости зарядов снижает скорость потока электрического тока и, следовательно, проводимость железа.

Изменяется ли проводимость железа в зависимости от температуры?

Движение/подвижность частиц увеличивается с повышением температуры. Посмотрим, влияет ли температура на проводимость железа.

Проводимость железа уменьшается с повышением температуры, потому что сопротивление материала всегда увеличивается с температурой и не позволяет протекать зарядам через проводник по мере увеличения тепловой скорости зарядов.

Свободные электроны становятся более подвижными с полученной тепловой энергией, двигаясь хаотично, блокируя путь тока/электрического потока через проводник. Поскольку проводимость обратно пропорциональна удельному сопротивлению, проводимость железа уменьшается с повышением температуры/тепловой энергии.

Каково сопротивление железной проволоки?

Сопротивление — это способность вещества сопротивляться протеканию через него зарядов/тока. Давайте теперь подумаем о сопротивлении железной проволоки.

Сопротивление железной проволоки определяется как R = ρL/A, где R — сопротивление, ρ — удельное сопротивление железа, равное 1 × 10^-7 Ώm, L — длина провода, A — площадь поперечного сечения провода. Оно прямо пропорционально удельному сопротивлению железа и длине провода.

Сопротивление железной проволоки обратно пропорционально площади ее поперечного сечения, поскольку плотность электрического потока уменьшается с увеличением площади поперечного сечения. Сопротивление провода прямо пропорционально температуре и может быть уменьшено понижением температуры провода.

Почему железо хуже проводит электричество, чем медь?

Медь широко используется в электрических проводах, но не железо. Давайте обсудим, почему железо не обладает такими хорошими проводящими свойствами, как медь.

Железо является плохим проводником электричества, чем медь, потому что оно ферромагнитно, а это означает, что у него есть магнитные моменты, которые препятствуют потоку зарядов, в то время как медь парамагнитна. Валентные электроны меди легко отдаются и текут по всей длине проводника, но это не относится к Fe.

Почему железо хороший проводник тепла?

Хорошие проводники пропускают тепловую энергию через площадь своего поперечного сечения. Давайте обсудим, что делает железо хорошим проводником тепла.

Железо является хорошим проводником тепла, так как свободные электроны железа могут переносить и передавать полученную из окружающей среды тепловую энергию от одной точки материи к другой. Эти свободные электроны вибрируют с возрастающей тепловой энергией и передают ее дальше окружающим частицам.

Заключение

Из этой статьи мы можем заключить, что железо является хорошим проводником электричества, но его магнитный момент не позволяет ему быть лучшим проводником электричества. Он является хорошим проводником тепла и используется для различных целей. Его удельное сопротивление зависит от температуры, а его проводимость уменьшается с повышением температуры.

Железо теплопроводность и электропроводность

• 5 — 9 классы
• Химия
• 8 баллов

свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Состав и структура железа

Железо – типичный металл, причем химически активный. Вещество вступает в реакцию при нормальной температуре, а нагрев или повышение влажности значительно увеличивают его реакционноспособность. Железо корродирует на воздухе, горит в атмосфере чистого кислорода, а в виде мелкой пыли способно воспламениться и на воздухе.

Чистому железу присуща ковкость, однако в таком виде металл встречается очень редко. На деле под железом подразумевают сплав с небольшими долями примесей – до 0,8%, которому присущи мягкость и ковкость чистого вещества. Значение для народного хозяйства имеет сплавы с углеродом – сталь, чугун, нержавеющая сталь.

Железу присущ полиморфизм: выделяют целых 4 модификации, отличающиеся структурой и параметрами решетки:

• α-Fe – существует от нуля до +769 С. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. +769 С – точки Кюри для металла;
• от +769 до +917 С появляется β-Fe. От α-фазы она отличается лишь параметрами решетки. Практически все физические свойства при этом сохраняются за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком, то есть, способность намагничиваться оно утрачивает и втягивается в магнитное поле. Металловедение β-фазу как отдельную модификацию не рассматривает. Поскольку переход не влияет на значимые физические характеристики;
• в диапазоне от 917 до 1394 С существует γ-модификация, которой присуща гранецентрированная кубическая решетка;
• при температуре выше +1394 С появляется δ-фаза, для которой характерна объемно-центрированная кубическая решетка.

При высоком давлении, а также при легировании металла некоторыми добавками образуется ε- фаза с гексагонической плотноупакованной решеткой.

Температура фазовых переходов заметно изменяется при легировании тем же углеродом. Собственно, сама способность железа образовать столько модификаций служит основой обработки стали в разных температурных режимах. Без таких переходов металл не получил бы столь широкого распространения.

Теперь настал черед свойств металла железа.

О структуре железа рассказывает этот видеосюжет:

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т. е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

Как правильно сделать расчет тепловой мощности

Грамотное обустройство системы отопления в доме не может обойтись без теплового расчета мощности отопительных устройств необходимых для обогрева помещений. Существуют простые проверенные способы расчета тепловой отдачи отопительного прибора. необходимой для обогрева комнаты. Здесь также учитывается расположение помещения в доме по сторонам света.

• Южная сторона дома обогревается на метр кубический помещения 35 Вт. тепловой мощности.
• Северные комнаты дома на метр кубический обогреваются 40 Вт. тепловой мощности.

Для получения общей тепловой мощности необходимой для обогрева помещений дома надо реальный объем комнаты умножить на представленные величины и сложить их по количеству комнат.

Важно! Представленный вид расчета не может быть точным, это укрупненные величины, ими пользуются для общего представления необходимого количества отопительных приборов. Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT)

По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT)

Расчет биметаллических устройств отопления, а также алюминиевых батарей проводится исходя из параметров указанных в паспортных данных изделия. По нормативам секция такой батареи равняется 70 единицам мощности (DT).

Что это такое, как понимать? Паспортный тепловой поток секции батареи может быть получен при соблюдении условия подачи теплового носителя с температурой 105 градусов. Для получения в обратной системе отопления дома температуры 70 градусов. Начальная температура в комнате принимается за 18 градусов тепла.

DT= (температура носителя подачи + температура носителя обратки)/2, минус комнатная температура. Затем данные в паспорте изделия умножить на коэффициент поправочный, которые для разных значений DT приводятся в специальных справочниках. На практике это выглядит так:

• Система отопительная работает в прямой подаче 90 градусов в обработке 70 градусов, комнатная температура 20 градусов.
• По формуле получается (90+70)/2-20=60, DT= 60

По справочнику ищем коэффициент для этой величины, он равен 0,82. В нашем случае тепловой поток 204 умножаем на коэффициент 0,82, получаем реальный поток мощности = 167 Вт.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Методы изучения параметров теплопроводности

При проведении изучения параметров теплопроводности надо помнить о том, что характеристики конкретного металла или его сплавов от метода его выработки. Например, параметры металла полученного с помощью литья могут существенно отличаться от характеристик материала изготовленного по методам порошковой металлургии. Свойства сырого металла коренным образом отличаются от того, который прошел через термическую обработку.

Термическая нестабильность, то есть преобразование отдельных свойств металла после воздействия высоких температур является общим для практически всех материалов. Как пример можно привести то, что металлы после длительного воздействия разных температур способны достичь разных уровней рекристаллизации, а это отражается на параметрах теплопроводности.

Структура стали после термической обработки

Можно сказать следующее – при проведении исследований параметров теплопроводности необходимо использовать образцы металлов и их сплавов в стандартном и определенном технологическом состоянии, например, после термической обработки.

Например, существуют требования по измельчению металла для проведения его исследований с применением способов термического анализа. Действительно, такое требование существует при проведении ряда исследований. Бывает и такое требование – как изготовление специальных пластин и многие другие.

Один из методов называют релакционно-динамическим. Он предназначен для выполнения массовых измерений теплоемкости у металлов. В этом методе фиксируется переходная кривая температуры образца между его двумя стационарными состояниями. Этот процесс является следствием скачка тепловой мощности вводимой в испытуемый образец.

Такой метод можно назвать относительным. В нем используются испытуемый и сравнительный образцы. Главное заключается в том, что бы у образцов была одинаковая излучающая поверхность. При проведении исследований температура, воздействующая на образцы должна изменяться ступенчато, при этом по достижении заданных параметров необходимо выдержать определенное количество времени. Направление изменения температуры и ее шаг должен быть подобран таким образом, что бы образец, предназначенный для испытаний, прогревался равномерно.

В эти моменты тепловые потоки сравняются и отношение теплопередачи будет определяться как разность скоростей колебаний температуры.Иногда в процессе этих исследований источник косвенного подогрева исследуемого и сравнительного образца.На один из образцов могут быть созданы дополнительные тепловые нагрузки в сравнении со вторым образцом.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

§ 9. Физические свойства металлов

Типы подключения радиаторов

Теплоотдача батарей зависит не только от материала, из которого они сделаны. Большое значение имеет тип подключения к трубам поступления и отвода отопления. Радиатор можно подключить:

1. Диагональным способом. При этом подающая труба присоединяется слева сверху, а отвод – справа снизу. Такой вид является самым эффективным, поскольку позволяет равномерно прогреть всю батарею для хорошей теплоотдачи. Старые чугунные радиаторы отопления (таблица параметров приведена выше) подключались именно таким способом.
2. Односторонним способом (боковое подключение). При этом трубы присоединяются с одной стороны. Такой вид подключения считается менее эффективным – если в радиаторе много секций, то они не могут прогреться в достаточной мере.
3. Нижнее подключение – обе трубы присоединяются снизу с обеих сторон.
4. Верхнее подключение. При данном виде трубы подсоединяются сверху: слева подающая, справа отводящая.

Глава 2. Металлы Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки. Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ. Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия. Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог. Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27). Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28). При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам. Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах. Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления. Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления. Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние. Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом. По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники. Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см3). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см3). Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам. Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов. В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода). Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп. В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис. 30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1 1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания. 2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа. 1. Назовите самый легкоплавкий металл. 2. Какие физические свойства металлов используют в технике? 3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение? 4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания? 5. Какие свойства металлов лежат в основе образных литературных выражений: «серебряный иней», «золотая заря», «свинцовые тучи»? Физические свойства металлов. Ответы

Проводит ли железо электричество? 9 фактов (почему, как и где использовать) — Lambda Geeks

Железо — это металл со значительно меньшим сопротивлением, что делает его хорошим проводником. В этой статье мы поговорим о том, может ли железо проводить электричество или нет.

Железо может проводить электричество, потому что оно имеет восемь валентных электронов, которые могут перемещаться/мигрировать, чтобы проводить поток электричества. Валентная электронная конфигурация железа: 4s ² 3d ⁶ . Электропроводность металлического железа высока из-за этих восьми электронов.

Электрический поток внутри железа равен нулю, что создает электрическое поле, окружающее его область. Давайте обсудим проводимость железа, почему его не используют в электрических проводах и различные свойства, которые делают его хорошим проводником электричества и тепла.

Почему железо проводит электричество?

Свободные заряды/электроны должны быть доступны для вещества, проводящего электричество. Давайте посмотрим, почему железо может проводить электричество.

Железо проводит электричество, потому что свободные электроны проводят электрический ток по его поверхности. Эти свободные электроны накапливаются на поверхности железа при смещении/возбуждении от атомов после получения достаточной энергии, необходимой для возбуждения на более высоких энергетических уровнях.

Как рассчитать электропроводность железа?

Электропроводность – это свойство вещества, которое определяет общий электрический поток, протекающий через вещество. Давайте посмотрим, как рассчитать электропроводность железа.

Электропроводность железа (σ) рассчитывается по формуле σ = 1/ρ; здесь ρ — удельное сопротивление. Удельное сопротивление — это свойство вещества сопротивляться протеканию через него тока/электрического потока; таким образом, проводимость меньше для материала с высоким удельным сопротивлением.

Формула, определяющая удельное сопротивление материала, записывается как ρ = (RA)/L, где R — сопротивление вещества, A — его площадь, L — длина проводника, через который проходят силовые линии электрического тока. параллельно по длине.

Используя эту формулу, мы можем записать выражение для электропроводности как σ = L/(RA). Из этой формулы мы можем утверждать, что проводимость материала прямо пропорциональна его длине и обратно пропорциональна его сопротивлению и площади поперечного сечения.

Свойства железа

Ядро Земли в основном состоит из железа, более плотного элемента. Теперь мы кратко перечислим некоторые свойства железа, которые необходимо учитывать в нашем обсуждении.

• Железо — мягкий металл, образующий твердую структуру за счет добавления примесей.
• Железо ферромагнитно, а выше его температуры Кюри парамагнитно.
• Железо имеет ОЦК структуру с атомным номером 26.
• Плотность железа 7,87 г/см ³ .
• Температура плавления и кипения железа составляет 1538 ⁰ C и 2861 ⁰ C соответственно.

Использование железа в качестве электрического проводника

Железо является хорошим проводником тепла и электричества и может использоваться в электронных устройствах и оборудовании. Приведем несколько примеров использования железа в качестве электрического проводника.

• Чугунная и стальная посуда предназначена для приготовления пищи в духовке.
• Утюг, используемый для глажки одежды, достигается путем нагревания утюга пропусканием электричества.
• Выпрямители для волос имеют две керамические пластины из железа.
• Металл на основе железа, такой как алюминий и сталь, используется в корпусах электронных устройств.

Является ли железо хорошим проводником электричества?

Железо как металл обладает хорошими свойствами проводника. Но нам нужно определить, является ли он хорошим проводником электричества или нет.

Железо — хороший, но не лучший проводник электричества, потому что оно обладает магнитным моментом, который заставляет электроны вращаться относительно друг друга, уменьшая поток и подвижность заряда. Уменьшение скорости зарядов снижает скорость потока электрического тока и, следовательно, проводимость железа.

Изменяется ли проводимость железа в зависимости от температуры?

Движение/подвижность частиц увеличивается с повышением температуры. Посмотрим, влияет ли температура на проводимость железа.

Проводимость железа уменьшается с повышением температуры, потому что сопротивление материала всегда увеличивается с температурой и не позволяет протекать зарядам через проводник по мере увеличения тепловой скорости зарядов.

Свободные электроны становятся более подвижными благодаря полученной тепловой энергии, двигаясь хаотично, блокируя путь тока/электрического потока через проводник. Поскольку проводимость обратно пропорциональна удельному сопротивлению, проводимость железа уменьшается с повышением температуры/тепловой энергии.

Каково сопротивление железной проволоки?

Сопротивление – это способность вещества сопротивляться протеканию через него зарядов/токов. Давайте теперь подумаем о сопротивлении железной проволоки.

Сопротивление железной проволоки равно R = ρL/A, где R — сопротивление, ρ — удельное сопротивление железа, равное 1 × 10 ^-7 Ом, L — длина провода. провода, А — площадь поперечного сечения провода. Оно прямо пропорционально удельному сопротивлению железа и длине провода.

Сопротивление железной проволоки обратно пропорционально площади ее поперечного сечения, поскольку плотность электрического потока уменьшается с увеличением площади поперечного сечения. Сопротивление провода прямо пропорционально температуре и может быть уменьшено понижением температуры провода.

Почему железо хуже проводит электричество, чем медь?

В электрических проводах широко используется медь, но не железо. Давайте обсудим, почему железо не обладает такими хорошими проводящими свойствами, как медь.

Железо является плохим проводником электричества, чем медь, потому что оно ферромагнитно, а это означает, что у него есть магнитные моменты, которые препятствуют потоку зарядов, в то время как медь парамагнитна. Валентные электроны меди легко отдаются и текут по всей длине проводника, но это не относится к Fe.

Почему железо хорошо проводит тепло?

Хорошие проводники пропускают тепловую энергию по площади поперечного сечения. Давайте обсудим, что делает железо хорошим проводником тепла.

Железо является хорошим проводником тепла, поскольку свободные электроны железа могут переносить и передавать тепловую энергию, полученную из окружающей среды, от одной точки материи к другой. Эти свободные электроны вибрируют с возрастающей тепловой энергией и передают ее дальше окружающим частицам.

Заключение

Из этой статьи мы можем заключить, что железо является хорошим проводником электричества, но его магнитный момент не позволяет ему быть лучшим проводником электричества. Он является хорошим проводником тепла и используется для различных целей. Его удельное сопротивление зависит от температуры, а его проводимость уменьшается с повышением температуры.

Тепло- и электропроводность железа в условиях ядра Земли

• Опубликовано: 11 апреля 2012 г.

• Моника Поццо ¹ ,
• Крис Дэвис ² ,
• Дэвид Губбинс ^2,3 и
• …
• Даро Альф.

  Природа том 485 , страницы 355–358 (2012 г.)Процитировать эту статью

  • 7047 Доступ

  • 412 цитат

  • 65 Альтметрический

  • Сведения о показателях

  Предметы

  • Основные процессы
  • Металлы и сплавы
  • Физика

  Abstract

  Земля действует как гигантская тепловая машина, приводимая в действие распадом радиогенных изотопов и медленным охлаждением, что приводит к тектонике плит, вулканам и горообразованию. Другим ключевым продуктом является геомагнитное поле, создаваемое в жидком железном ядре динамо-машиной, работающей на тепле, выделяемом при охлаждении и замораживании (по мере роста твердого внутреннего ядра), и в результате химической конвекции (из-за легких элементов, вытесняемых из жидкости при замерзании). . Мощность, подаваемая на геодинамо, измеряемая потоком тепла через границу ядра и мантии (CMB), накладывает ограничения на эволюцию Земли ¹ . Оценки теплового потока реликтового излучения ^2,3,4,5 зависят от свойств смесей железа в экстремальных температурно-барических условиях в активной зоне, наиболее критично от тепло- и электропроводности. Эти величины остаются малоизвестными из-за присущих им экспериментальных и теоретических трудностей. Здесь мы используем теорию функционала плотности, чтобы вычислить эти проводимости в жидких смесях железа в основных условиях из первых принципов — в отличие от предыдущих оценок, которые основывались на экстраполяции. Смеси железа, кислорода, серы и кремния взяты из более ранней работы ⁶ и соответствовать сейсмологически определенной плотности ядра и скачку плотности на границе ядра ^7,8 . Мы находим, что обе проводимости в два-три раза выше оценок, используемых в настоящее время. Изменения настолько велики, что необходимо переоценить тепловую историю активной зоны и требования к мощности. Новые оценки показывают, что адиабатический поток тепла в реликтовом излучении составляет от 15 до 16 тераватт, что выше нынешних оценок теплового потока реликтового излучения, основанных на мантийной конвекции ¹ ; верхняя часть ядра должна быть термически расслоена, и любая конвекция в верхней части ядра должна быть обусловлена ​​химической конвекцией против неблагоприятной термической плавучести или боковых изменений теплового потока реликтового излучения. Мощность геодинамо сильно ограничена, и будущие модели эволюции мантии должны будут учитывать высокий тепловой поток реликтового излучения и объяснять недавнее формирование внутреннего ядра.

  Это предварительный просмотр содержимого подписки, доступ через ваше учреждение

  Соответствующие статьи

  Статьи открытого доступа со ссылками на эту статью.

  • Разделение фононного, магнитного и электронного вкладов в теплопроводность: вычислительное исследование альфа-железа

    • Николов С.
    • , Транчида Дж.
    •  … М. А. Вуд

    Журнал материаловедения Открытый доступ 03 февраля 2022 г.

  • Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

    • Вероник Деан
    • , Сайоа А. Кампусано
    •  … Вим ван Вестренен

    Исследования в области геофизики Открытый доступ 01 февраля 2022 г.

  • Динамическая перспектива межгодовых изменений геомагнитного поля

    • Н. Жилле
    • , Ф. Герик
    •  … Д. Жо

    Исследования в области геофизики Открытый доступ 22 октября 2021 г.

  Варианты доступа

  Подписаться на журнал

  Получить полный доступ к журналу на 1 год

  199,00 €

  всего 3,90 € за выпуск

  Подписаться

  Расчет налога будет завершен во время оформления заказа.

  Купить статью

  Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

  $32,00

  Купить

  Все цены указаны без учета стоимости.

  Рисунок 1: Электро- и теплопроводность железа в условиях внешнего ядра Земли. Рис. 2: Стабилизирующие и дестабилизирующие градиенты для трех основных моделей энергетики.

  Ссылки

  1. Лэй, Т.

     , Хернлунд, Дж. и Баффет, Б. Тепловой поток на границе ядра и мантии. Природа Геофизика. 1 , 25–32 (2008)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  2. Лаброс С., Пуарье Ж.-П. и Ле Муэль, Ж.-Л. Об остывании ядра Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 99 , 1–17 (1997)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  3. Баффет Б., Гарнеро Э. и Жанло Р. Отложения в верхней части ядра Земли. Наука 290 , 1338–1342 (2000)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  4. Листер, Дж. Р. и Баффет, Б. А. Сила и эффективность тепловой и композиционной конвекции в геодинамо. Физ. Планета Земля. Интер.

     91 , 17–30 (1995)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  5. Габбинс, Д. , Алфе, Д., Мастерс, Т. Г. и Прайс, Д. Общая термодинамика двухкомпонентной основной конвекции. Геофиз. Дж. Междунар. 157 , 1407–1414 (2004)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  6. Алфе Д., Гиллан М. Дж. и Прайс Г. Д. Температура и состав ядра Земли. Контемп. физ. 48 , 63–80 (2007)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  7. Мастерс Т. Г. и Габбинс Д. О разрешении плотности Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 140 , 159–167 (2003)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  8. Дзиевонски А. М. и Андерсон Д. Л. Предварительная эталонная модель Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 25 , 297–356 (1981)

     Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  9. Сильвестрелли, П. Л., Алави, А. и Парринелло, М. Расчет электропроводности в ab initio моделировании металлов: приложение к жидкому натрию. Физ. B 55 , 15515–15522 (1997)

     Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  10. Маттссон, Т. Р. и Дежарле, М. П. Фазовая диаграмма и электропроводность воды с высокой плотностью энергии на основе теории функционала плотности. Физ. Преподобный Летт. 97 , 017801 (2007)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  11. Поццо, М., Дежарле, М.П. и Альфе, Д. Электро- и теплопроводность жидкого натрия на основе первых принципов расчета. Физ. Версия Б 84 , 054203 (2011)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  12. Алфе, Д., Гиллан, М. Дж. и Прайс, Г. Д. Кривая плавления железа при давлениях в условиях ядра Земли. Природа 401 , 462–464 (1999)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  13. Альфе, Д. Температура внутренней границы ядра Земли: плавление железа при высоком давлении из первых принципов моделирования сосуществования. Физ. B 79 , 060101(R) (2009)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  14. Альфе, Д., Поццо, М. и Дежарле, М. П. Удельное электрическое сопротивление решетки магнитного объемно-центрированного кубического железа на основе расчетов из первых принципов. Физ. B 85 , 024102 (2012)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  15. Bi, Y., Tan, H. & Jing, F. Электропроводность железа при ударном сжатии до 200 ГПа. J. Phys. Конденс. Материал 14 , 10849–10854 (2002)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  16. Килер, Р. Н. и Ройс, Э. Б. в Physics of High Energy Density (редакторы Caldirola, P. & Knoepfel, H.) 106–125 (Proc. Int. Sch. Phys. Enrico Fermi Vol. 48, 1971) )

      Google ученый

  17. Стейси, Ф. Д. и Андерсон, О. Л. Электрическая и теплопроводность сплава Fe–Ni–Si в основных условиях. Физ. Планета Земля. Интер. 124 , 153–162 (2001)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  18. Хиросе, К. Гоми, Х. Охта, К. Лаброс, С. и Хернлунд, Дж. Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли. Минерал. Маг. 75 , 1027 (2011)

      Google ученый

  19. де Кокер, Н., Стейнле-Нойманн, Г. и Влчек, В. Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T, а также тепловой поток в ядре Земли. Проц. Натл акад. науч. 109 , 4070–4073 (2012)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  20. Дэвис, С. Дж. и Габбинс, Д. Профиль плавучести ядра Земли. Геофиз. Дж. Междунар. 187 , 549–563 (2011)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  21. Olson, P. in Земное ядро ​​и нижняя мантия (редакторы Джонс, К., Совард, А. и Чжан, К.) 1–49 (Тейлор и Фрэнсис, Лондон, 2000 г.)

      Google ученый

  22. Накагава Т. И. Тэкли, П. Дж. Боковые вариации теплового потока реликтового излучения и сейсмической скорости в глубине мантии, вызванные пограничным слоем термохимической фазы в трехмерной сферической конвекции. Планета Земля. науч. лат. 271 , 348–358 (2008)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  23. Джексон, А. , Джонкерс, А. Р. Т. и Уокер, М. Р. Четыре столетия геомагнитных вековых вариаций из исторических записей. Фил. Транс. Р. Соц. Лонд. B 358 , 957–990 (2000)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  24. Габбинс, Д. в Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма (ред. Габбинс, Д. и Эрреро-Бервера, Э.) 287–300 (Springer, 2007)

      Книга Google ученый

  25. Дэвис Г. Топография: надежное ограничение потоков мантии. Хим. геол. 145 , 479–489 (1998)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  26. Дэвис Г. Регулирование охлаждения ядра мантией: геодинамо без радиоактивности ядра? Физ. Планета Земля. Интер. 160 , 215–229 (2007)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  27. McDonough, W. в Трактат по геохимии Vol. 2 (изд. Carlson, RW) 547–568 (Elsevier, 2003)

      Книга Google ученый

  28. Крессе, Г. и Фуртмюллер, Дж. Эффективность расчетов полной энергии ab-initio для металлов и полупроводников с использованием базисного набора плоских волн. Вычисл. Матер. науч. 6 , 15–50 (1996)

      Статья КАС Google ученый

  29. Blöchl, P. E. Метод дополненной волны проектора. Физ. B 50 , 17953–17979 (1994)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  30. Кресс, Г. и Жубер, Д. От ультрамягких псевдопотенциалов к проекторному методу дополненной волны. Физ. Версия Б 59 , 1758–1775 (1999)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  31. Ван Ю. и Пердью Дж. П. Корреляционная дыра спин-поляризованного электронного газа с точным масштабированием малого волнового вектора и высокой плотности. Физ. B 44 , 13298–13307 (1991)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  32. Дежарле, М.П., ​​Кресс, Дж.Д. и Коллинз, Л.А. Электропроводность теплой, плотной алюминиевой плазмы и жидкостей. Физ. Ред. E 66 , 025401(R) (2002)

      Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  33. Альфе, Д. Молекулярная динамика Ab initio, простой алгоритм экстраполяции заряда. Вычисл. физ. коммун. 118 , 31–33 (1999)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  34. Баффет, Б. А. Оценки теплового потока в глубинной мантии на основе требований к мощности для геодинамо. Геофиз. Рез. лат. 29 , 1566–1569 (2002)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  35. Куанг, В. и Блоксхэм, Дж. Численная модель динамо, подобная Земле. Природа 389 , 371–374 (1997)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

  36. Габбинс Д., Алфе Д., Мастерс Т. Г., Прайс Д. и Гиллан М. Дж. Может ли динамо-машина Земли работать только на тепле? Геофиз. Дж. Междунар. 155 , 609–622 (2003)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  37. Ануфриев А. П., Джонс С. А. и Совард А. М. Приближения Буссинеска и неупругой жидкости для конвекции в ядре Земли. Физ. Планета Земля. Интер. 152 , 163–190 (2005)

      Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

  38. Габбинс, Д. и Робертс, П. Х. в Геомагнетизм (изд. Джейкобс, Дж. А.) 30–32 (Академический, 1987)

      Google ученый

  Ссылки на скачивание

  Благодарности

  Д.Г. поддерживается грантом CSEDI EAR1065597 Национального научного фонда. CD. поддерживается личной стипендией Совета по исследованию окружающей среды, NE/H01571X/1. член парламента поддерживается грантом NERC NE/H02462X/1 для D.A. Расчеты проводились на национальной установке Великобритании HECToR.

  Информация об авторе

  Авторы и организации

  1. Департамент наук о Земле и Центр Томаса Янга в UCL, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

     Моника Поццо и Дарио Альфе

  2. Школа Земли и окружающей среды Университета Лидса, Лидс LS2 9JT, Великобритания,

     Крис Дэвис и Дэвид Габбинс

  3. Институт геофизики и физики планет, Институт океанографии Скриппса, Калифорнийский университет в Сан-Диего, 9500 Гилман Драйв нет. 0225, Ла-Хойя, Калифорния 92093-0225, США,

     Дэвид Габбинс

  4. Департамент физики и астрономии и Лондонский центр нанотехнологий, UCL, Gower Street, London WC1E 6BT, UK,

     Dario Alfè

  Авторы

  1. Monica Pozzo

     Посмотреть публикации автора

     Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  2. Chris Davies

     Просмотр публикаций автора

     Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  3. David Gubbins

     Просмотр публикаций автора

     Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  4. Dario Alfè

     Просмотр публикаций автора

     Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

  Вклады

  Д.А. и Д.Г. разработал проект. член парламента и Д. А. выполнил первые расчеты. CD. и Д.Г. выполнены расчеты термической истории и расслоения керна. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

  Автор, ответственный за переписку

  Переписка с Дарио Алфе.

  Декларация этики

  Конкурирующие интересы

  Авторы не заявляют о конкурирующих финансовых интересах.

  Дополнительная информация

  Дополнительные таблицы

  Этот файл содержит дополнительные таблицы 1-3. (PDF 203 KB)

  PowerPoint Slides

  PowerPoint Slide для рис. 1

  PowerPoint Slide для рис. 2

  Права и разрешения

  Reprints и Permisions

  Облизости

  . по

  • Суперионные сплавы железа и их сейсмические скорости во внутреннем ядре Земли

    • Ю Хе
    • Шичуань Сунь
    • Хо Кван Мао

    Природа (2022)

  • Теплопроводность материалов под давлением

    • Ян Чжоу
    • Цзо-Юань Дун
    • Сяо-Цзя Чен

    Nature Reviews Physics (2022)

  • Гравитационные вариации и деформации грунта в результате динамики ядра

    • Матье Дамберри
    • Миоара Мандеа

    Геофизические исследования (2022)

  • Структура, материалы и процессы в ядре и мантии Земли

    • Вероник Деан
    • Сайоа А. Кампузано
    • Вим ван Вестренен

    Геофизические исследования (2022)

  • Разделение фононного, магнитного и электронного вкладов в теплопроводность: вычислительное исследование альфа-железа

    • С. Николов
    • Дж. Транчида
    • М. А. Вуд

    Журнал материаловедения (2022)

  Комментарии

  Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества.