Przewodność elektryczna

Przewodność elektryczna (σ), czyli przewodność właściwa lub konduktywność, to odwrotność rezystywności i miara zdolności materiału do przewodzenia prądu. Wyraża się ją w simensach na metr (S/m); im jest większa, tym łatwiej prąd płynie przez materiał.

---

Czym jest przewodność elektryczna i czym różni się od konduktancji?

Nazwa „przewodność elektryczna” ma dwa znaczenia. W znaczeniu materiałowym oznacza przewodność właściwą σ, czyli konduktywność, którą podajesz w S/m. Opisuje ona sam materiał, więc ma tę samą wartość dla krótkiego i długiego kawałka miedzi. W znaczeniu elementowym to konduktancja G w simensach (S), opisująca konkretny przewód albo odbiornik i zależna od jego wymiarów.

Wielkość	Symbol i jednostka	Czego dotyczy	Wielkość odwrotna
Przewodność elektryczna właściwa (konduktywność)	σ [S/m]	materiału	rezystywność ρ
Konduktancja	G [S]	elementu, na przykład odcinka przewodu	rezystancja R

Jednostka simens pochodzi od nazwiska Wernera Siemensa, niemieckiego konstruktora i wynalazcy. Po stronie oporu odpowiadają im rezystywność materiału i rezystancja elementu, a w każdej parze wielkości są wzajemnie odwrotne.

Jak obliczyć przewodność elektryczną?

Przewodność właściwą otrzymasz z rezystywności:

σ = 1 / ρ

• σ – przewodność elektryczna właściwa [S/m]
• ρ – rezystywność [Ω·m]

Do obliczeń przewodów wygodnie jest podawać σ w m/(Ω·mm²). Liczbowo jest to milion razy mniej niż w S/m, więc 58 000 000 S/m odpowiada 58 m/(Ω·mm²). Rezystancję odcinka przewodu wyznaczysz wtedy ze wzoru:

R = l / (σ · S)

• R – rezystancja przewodu [Ω]
• l – długość przewodu [m]
• σ – przewodność właściwa materiału [m/(Ω·mm²)]
• S – przekrój żyły [mm²]

Przykład: żyła aluminiowa o przekroju 16 mm² i długości 100 m, przy σ ≈ 35,5 m/(Ω·mm²), ma rezystancję 100 / (35,5 · 16) ≈ 0,176 Ω. Żyła miedziana tego samego przekroju, przy σ ≈ 58, ma około 0,108 Ω.

Który materiał przewodzi prąd najlepiej?

Z rezystywności w 20 °C wynikają przybliżone wartości przewodności: srebro 62,9 MS/m (milionów simensów na metr), miedź techniczna 58,1 MS/m, złoto 41,0 MS/m, aluminium 35,5 MS/m i stal węglowa około 7 MS/m. Miedź czysta przewodzi jeszcze odrobinę lepiej, 59,5 MS/m.

Żeby żyła aluminiowa miała taką samą rezystancję jak miedziana, jej przekrój musi być około 1,6 raza większy. Aluminium nadrabia to małą masą i ceną, dlatego buduje się z niego linie napowietrzne, a miedź zostaje w instalacjach wewnątrz budynków.

Największa przewodność nie zawsze decyduje o wyborze materiału. Złoto przewodzi gorzej niż miedź, ale nie koroduje, więc trafia na styki w układach elektronicznych, a srebro wybiera się do styków łączników mimo wysokiej ceny.

Od czego zależy przewodność elektryczna?

W metalach przewodność maleje ze wzrostem temperatury, bo rośnie rezystywność. Obniżają ją też zanieczyszczenia i utlenianie: srebro pokryte tlenkami przewodzi gorzej niż czyste. Przy prądzie przemiennym o wysokiej częstotliwości prąd spychany jest ku powierzchni przewodnika, co nazywa się efektem naskórkowym i nie występuje przy prądzie stałym. W nadprzewodnikach poniżej temperatury krytycznej opór znika, a prąd może krążyć w pętli bez zasilania.

Przewodność zależy od liczby nośników ładunku i od tego, jak łatwo się poruszają: im ich więcej i im mniejsze przeszkody napotykają, tym większa przewodność.

Inaczej zachowuje się półprzewodnik samoistny: jego przewodność rośnie wykładniczo z temperaturą, bo przybywa nośników ładunku.

W roztworach elektrolitów prąd przenoszą jony, więc o przewodności decyduje ich stężenie. Dlatego przewodność wody służy do oceny zasolenia, mierzy się ją konduktometrem i podaje w µS/cm; 1 S/m to 10 000 µS/cm. Przepisy o jakości wody pitnej dopuszczają przewodność do 2500 µS/cm (w 20 °C), a po odwróconej osmozie można ją obniżyć nawet do 0,5 µS/cm.

Jak mierzy się przewodność elektryczną?

Przewodność wody i roztworów mierzy się konduktometrem, czyli sondą z elektrodami zanurzoną w cieczy. Przewodność metalu wyznaczasz pośrednio: mierzysz rezystancję odcinka o znanej długości i przekroju, a wzór R = l / (σ · S) przekształcasz do postaci σ = l / (R · S). Dla cienkich warstw i półprzewodników stosuje się metodę czterech sond, w której prąd płynie przez dwie sondy, a dwie pozostałe mierzą napięcie.

Gdzie spotkasz przewodność elektryczną w instalacji 230/400 V i na egzaminie SEP?

Przewodność materiału stoi za wyborem miedzi i aluminium na przewody. Im jest większa, tym cieńsza żyła wystarczy, żeby spadek napięcia i nagrzewanie pozostały w dopuszczalnych granicach. Przekroje dobiera się według normy PN-HD 60364-5-52.

Liczy się też przewodność połączeń. Skorodowany albo poluzowany zacisk przewodzi gorzej, grzeje się pod obciążeniem i podnosi rezystancję obwodu. Ciągłość przewodów ochronnych sprawdza się pomiarem opisanym w haśle pomiar ciągłości przewodów ochronnych.

Na egzaminie SEP grupy 1 możesz usłyszeć pytanie o przewodność. Poprawna odpowiedź mówi, że przewodność właściwa to odwrotność rezystywności, oznacza się ją σ i mierzy w S/m, a dla elementu odpowiednikiem jest konduktancja G w S.

Najczęściej zadawane pytania