Condutividade elétrica

Condutividade elétrica A condutividade elétrica caracteriza a capacidade de um material ser atravessado por uma corrente elétrica. Data chave

Unidades SI	siemens por metro (S m -1 )
Outras unidades	(Ω m) −1
Dimensão	M -1 · L -3 · T 3 · I 2{\ displaystyle \,}{\ displaystyle \,}{\ displaystyle \,}{\ displaystyle \,}
Natureza	Tamanho escalar intensivo
Símbolo usual	σ{\ displaystyle \ sigma}
Link para outros tamanhos	σ{\ displaystyle \ sigma}= · /G{\ displaystyle G}eu{\ displaystyle L}S{\ displaystyle S}

A condutividade elétrica caracteriza a capacidade de um material ou solução permitir que as cargas elétricas se movam livremente e, assim, permitir a passagem de uma corrente elétrica .

Princípio físico

A condutividade elétrica é o inverso da resistividade . A condutividade de um material homogêneo é igual à condutância de um condutor cilíndrico feito desse material, dividida por sua seção e multiplicada por seu comprimento.

Entre os melhores condutores de eletricidade , estão:

• os metais (como prata , cobre , ouro , mercúrio ou alumínio ) para os quais os portadores de carga são "  livres de elétrons ";
• as soluções de eletrólitos (com íons em solução). Para este último, o valor da condutividade depende da natureza dos íons presentes na solução e de suas concentrações. A condutividade de uma solução pode ser medida usando um medidor de condutividade .

Alguns materiais, como semicondutores , têm uma condutividade que depende de outras condições físicas, como temperatura ou exposição à luz ,  etc. Essas propriedades são usadas cada vez mais para produzir sensores .

Quando a condutividade depende da direção, ela é expressa como uma grandeza vetorial ( CEI ).

Unidade

No SI, a condutividade é medida em Sm -1 ( siemens por metro), mas na maioria das vezes a medição com um condutímetro dá o resultado em mS.cm -1 (milisiemens por centímetro).

Uso comum

Amplamente utilizado na química , sua unidade no Sistema Internacional de Unidades (SI) é siemens por metro (1  S / m = 1  A 2 · s 3 · m -3 · kg -1 ). É a relação entre a densidade da corrente e a amplitude do campo elétrico. É o reverso da resistividade . O símbolo comumente usado para denotar a condutividade é a letra grega sigma  : σ , que varia com materiais de 10 8  S m -1 a 10 −22  S m -1 .

Em um condutor perfeito, σ tende ao infinito.

Outros usos da condutividade

No campo da eletrostática e magnetostática , a condutividade elétrica expressa em (Ω.m) -1 é mais geralmente usada . A unidade de σ é homogênea à de na medida em que o siemens é homogêneo a a Ω -1 . γ{\ displaystyle \ gamma \,}γ{\ displaystyle \ gamma}

A condutividade de uma solução aquosa permite estimar sua carga em íons, geralmente expressa em µS / cm.

Expressão

A lei de Nernst-Einstein permite calcular a condutividade de acordo com outros parâmetros fundamentais do material:

σ=DZ2e2VSkBT{\ displaystyle \ sigma = {\ frac {DZ ^ {2} e ^ {2} C} {k _ {\ rm {B}} T}}}

ou

• D{\ displaystyle D} : coeficiente de difusão das espécies carregadas consideradas;
• Z{\ displaystyle Z} : número de cargas transportadas pela espécie;
• e{\ displaystyle e} : a carga elementar , ou seja, 1,602 × 10 −19  C  ;
• VS{\ displaystyle C} : a concentração molar da espécie, em íons / m3;
• kB{\ displaystyle k _ {\ rm {B}}} : Constante de Boltzmann , ou seja, aproximadamente 1,380 6 × 10 −23  J  K −1  ;
• T{\ displaystyle T} : a temperatura absoluta, expressa em kelvins .

Condutividade de soluções iônicas

A condutividade das soluções iônicas é dada pela lei de Kohlrausch . Isso assume duas formas, dependendo dos autores.

Lei de Kohlrausch e equivalente de carga

Em química, a lei de Kohlrausch torna possível determinar a condutividade de um íon i em função de sua concentração:

σeu=zeu⋅λeu⋅VSeu,{\ displaystyle \ sigma _ {i} = z_ {i} \ cdot \ lambda _ {i} \ cdot C_ {i},}

com o número de cargas do íon. Por exemplo, para o íon sulfato ). zeu{\ displaystyle z_ {i}}zeu=2{\ displaystyle z_ {i} = 2}TÃO42-{\ displaystyle {\ mbox {SO}} _ {4} ^ {2-}}

e a condutividade iônica equivalente do íon na concentração considerada (este valor de fato depende da concentração). O termo "equivalente" indica que a condutividade está relacionada a uma carga (1+ ou 1-), daí a necessidade de multiplicá-la pelo número de cargas . A condutividade iônica equivalente é expressa em Sm 2 .eq -1 , ao contrário da condutividade iônica molar (ver abaixo), que é expressa em Sm 2 .mol -1 . λeu{\ displaystyle \ lambda _ {i}}zeu{\ displaystyle z_ {i}}

Se a solução não for muito concentrada, as condutividades iônicas equivalentes são consideradas iguais às condutividades iônicas equivalentes na diluição infinita observada . Esses valores são tabulados. Se a solução não for concentrada, as condutividades iônicas geralmente não são conhecidas. λeu{\ displaystyle \ lambda _ {i}}λeu0{\ displaystyle \ lambda _ {i} ^ {0}}

A condutividade da solução, então, assume a seguinte forma geral:

σ=∑euzeu⋅λeu⋅VSeu{\ displaystyle \ sigma = \ sum _ {i} {z_ {i} \ cdot \ lambda _ {i} \ cdot C_ {i}}}

Lei de Kohlrausch e concentração molar

A lei de Kohlrausch também é expressa da seguinte forma:

σeu=λeu⋅VSeu,{\ displaystyle \ sigma _ {i} = \ lambda _ {i} \ cdot C_ {i},}

onde este tempo é a condutividade molar iônica do íon na concentração considerada. λeu{\ displaystyle \ lambda _ {i}}

A condutividade iônica molar é uma quantidade característica de um íon , é a contribuição do íon para a condutividade elétrica da solução. Depende em particular da concentração, da temperatura, da carga e do tamanho do íon. Para uma solução fracamente concentrada, as condutividades dos diferentes íons em solução são adicionadas: λeu{\ displaystyle \ lambda _ {i}}

σ=∑euσeu{\ displaystyle \ sigma = \ sum _ {i} {\ sigma _ {i}}},

e a condutividade assume a seguinte forma geral:

σ=∑euλeu⋅VSeu{\ displaystyle \ sigma = \ sum _ {i} {\ lambda _ {i} \ cdot C_ {i}}}

Notas e referências

1. Definições lexicográficas e etimológicas de “Condutividade” do tesouro informatizado de língua francesa , no site do Centro Nacional de Recursos Textuais e Lexicais , consultado em 20 de julho de 2015
2. 1 mS.cm -1 = 0,1 Sm -1

Veja também

Bibliografia

• International Electrotechnical Commission , “Electromagnetism - Electromagnetic properties of materials” , in IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary ( leia online ) , p.  121-12-03 "condutividade"
• Richard Taillet , Loïc Villain e Pascal Febvre , Dicionário de Física , Bruxelas, De Boeck,2013, p.  133 "condutividade"

Artigos relacionados

• Condutimetria (soluções iônicas)
• Condutividade por salto de faixa variável
• Condução elétrica em óxidos cristalinos
• Eletricidade
• Lei de Nernst-Einstein
• Lei de Ohm
• Resistividade
• Semicondutor
• Supercondutividade

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