От чего зависит сопротивление металла

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

где ρ и ρ₀, R и R₀ — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.

С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления — α

Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

От чего зависит удельное сопротивление проводника

Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая характеризует способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Удельное сопротивление зависит от температуры, длины и площади поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление различных проводников может сильно отличаться. Например, у серебра, которое является самым лучшим проводником, удельное сопротивление равно 0,015 Ом·мм 2 /м, а у ртути, которая является самым плохим проводником, удельное сопротивление равно 0,94 Ом·мм 2 /м. В таблице ниже приведены значения удельных сопротивлений некоторых металлов при температуре 20 °C.

Металл	Удельное сопротивление, Ом·мм 2 /м
Серебро	0,015
Медь	0,0175
Золото	0,023
Алюминий	0,028
Магний	0,045
Цинк	0,054
Молибден	0,059
Вольфрам	0,05
Платина	0,107
Железо	0,1

Удельное сопротивление проводников меняется с температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов усиливает рассеяние электронов.

Для некоторых сплавов, таких как константан и манганин, удельное сопротивление практически не зависит от температуры, поэтому они используются для изготовления точных резисторов и термопар.

Для полупроводников и диэлектриков удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов увеличивает количество свободных носителей заряда.

Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.

Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.

Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.

Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.

Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.

Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.

Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.

Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.

Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.

Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.

Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.

Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).

Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.

Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.

Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.

Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.

Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ

Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.

У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.

При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.

У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.

Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.

Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.

Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.

В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Как сопротивление зависит от температуры

Многие металлы, например, такие как медь, алюминий, серебро обладают свойством проводимости электрического тока за счет наличия в их структуре свободных электронов. Также, металлы имеют некоторое сопротивление току, и у каждого оно свое. Сопротивление металла сильно зависит от его температуры.

Понять, как зависит сопротивление металла от температуры можно, если увеличивать температуру проводника, к примеру, на участке от 0 до t2 °С. С увеличением температуры проводника, его сопротивление также увеличивается. Причем эта зависимость имеет практически линейный характер.

С физической точки зрения увеличение сопротивления с ростом температуры можно объяснить увеличением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки, что в свою очередь затрудняет прохождение электронов, то есть увеличивается сопротивление электрическому току.

Глядя на график можно увидеть, что при t1 металл имеет сопротивление намного меньше, чем, например при t2. При дальнейшем снижении температуры можно прийти в точку t0, где сопротивление проводника будет практически равно нулю. Конечно, его сопротивление равно нулю быть не может, а лишь стремится к нему. В этой точке проводник становится сверхпроводником. Сверхпроводники используются в сильных магнитах в качестве обмотки. На практике данная точка лежит намного дальше, в районе абсолютного нуля, и определить её по данному графику невозможно.

Для данного графика можно записать уравнение

Воспользовавшись данным уравнением можно найти сопротивление проводника при любой температуре. Здесь нам понадобиться точка t0 полученная ранее на графике. Зная значение температуры в этой точке для конкретного материала, и температуры t1 и t2 можем найти сопротивления.

Изменение сопротивления с температурой используется в любой электрической машине, где прямой доступ к обмотке невозможен. К примеру, в асинхронном двигателе достаточно знать сопротивление статора в начальный момент времени и в момент, когда двигатель работает. Путём несложных расчётов, можно определить температуру двигателя, что на производстве делается в автоматическом режиме.

СИБЭЛЕКТРОТЕХНИК

ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И МЕХАНИЗМОВ, РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ НЕСТАНДАРТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Сопротивление проводников

Зависимость сопротивления от физических условий.

Сопротивление проводников (или обратная величина — их проводимость) не есть величина постоянная, а может меняться в зависимости от физических условий, в которых находятся эти проводники, и прежде всего (для большинства проводников) — от температуры.
Сопротивление некоторых тел изменяется от воздействия магнитного поля, от механических воздействий, от действия световых лучей и т. п.
Сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры; сопротивление угля, металлических земель и электролитов с повышением температуры уменьшается.
С достаточным приближением в каком-нибудь интервале температур сопротивление металлического проводника может быть выражено через

а в первом приближении в пределах небольших изменений температур от 0 до 100 градусов Цельсия через
Таблица проводимости материалов

Температурный коэффициент удельного сопротивления, а для всех чистых металлов имеет величину, приблизительно равную тепловому коэффициенту расширения идеальных газов:

Это обстоятельство можно было бы формулировать и таким образом, что сопротивление проводника пропорционально его абсолютной температуре (измеряемой в градусах Кельвина). Действительно,

Особый интерес представляют сплавы. Если металлы, входящие в сплав, не растворяются друг в друге, т. е. если сплавы состоят из обособленных кристаллов этих металлов, то проводимость и коэффициент проводимости могут быть подсчитаны по правилу смешения (например, кадмий — цинк). Если же составные металлы растворяются друг в друге в любом соотношении, то сплавы имеют более высокие удельные сопротивления, чем их компоненты и очень низкий температурный коэффициент. Этим свойством пользуются при изготовлении материалов с высоким удельным сопротивлением, например, никелина, нихрома, манганина, константана и т. д. (см. таблицу проводимости материалов) для реостатов, эталонов сопротивления и т. п.
Пониженная проводимость получается также от прибавления к меди фосфора или силиция, что делается для достижения большей механической прочности меди, например, при изготовлении телеграфных и телефонных проводов для воздушных линий.
При переходе из одного агрегатного состояния в другое, например, при плавлении, удельное сопротивление почти всех металлов и их температурный коэффициент увеличиваются (для сурьмы и висмута имеет место обратное явление).
В металлах, подверженных внешнему давлению, сопротивление с повышением давления за весьма малыми исключениями уменьшается. То же, но в значительно большей степени, наблюдается для порошкообразных тел, например, для металлических или угольных порошков. Последним свойством пользуются в так называемых угольных микрофонах, где мембрана, колеблясь под действием звуков, давит на порошок и изменяет его сопротивление.
В отношении влияния магнитного поля на электрическое сопротивление металлов следует указать, что для так называемых ферромагнитных тел (железа, никеля, кобальта) наблюдается увеличение сопротивления, когда направление поля совпадает с направлением тока, и уменьшение сопротивления, когда магнитное поле перпендикулярно к направлению тока. Для диамагнитных тел, наиболее характерным из которых является висмут, при помещении их в магнитное поле имеет место весьма значительное повышение сопротивления (при увеличении напряженности поля) от 0 до 12500 А/см сопротивление висмута увеличивается на 75%. Этим свойством пользуются для измерения сильных магнитных полей

Проводимость в некоторых случаях зависит также от световых лучей, падающих на проводник. В этом отношении особенно выделяется так называемый серый селен, который может быть получен или в кристаллической модификации при медленном остывании (от 200 градусов Цельсия) или в металлической модификации при быстром охлаждении. Первая модификация наиболее светочувствительна. Чем сильнее освещать селен, тем больше падает его сопротивление. На этом влиянии световых лучей на селен, которое более всего проявляет в красной и жёлтой частях спектра, построены так называемые световые реле, которые, однако, обладают тем недостатком, что изменение проводимости наступает с некоторым запозданием и затем при длительном действии света, селен перестает реагировать на изменение силы света.

НАШИ ОСНОВНЫЕ ПОЗИЦИИ

• ТИРИСТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
• ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
• ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
• ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ
• ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
• НЕСТАНДАРТНОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
• РЕГУЛЯТОРЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ РВТ10 и РВТ63
• ПЛАТЫ ПУ129 и ПС305
• КОНТАКТОР ТИРИСТОРНЫЙ
• ТРАНСФОРМАТОРЫ