Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления
Величина тока, текущего через проводник, прямо пропорциональна напряжению на его концах. Значит чем больше напряжение на концах проводника — тем больше при этом ток в данном проводнике. Но при одном и том же напряжении на разных проводниках, изготовленных из различных материалов, величина тока будет различной. То есть если напряжение на разных проводниках увеличивать одинаково, то рост величины тока будет происходить в разных проводниках по-разному, и это зависит от свойств конкретного проводника.
Для любого проводника зависимость величины тока от приложенного напряжения индивидуальна, и называется эта зависимость электрическим сопротивлением проводника R. Сопротивление в общем виде можно найти по формуле R=U/I, то есть как отношение приложенного к проводнику напряжения к величине тока, который при этом напряжении в данном проводнике возникает.
Чем большей величины ток возникает в проводнике при данном напряжении, тем меньше его сопротивление, и чем большее напряжение необходимо приложить к проводнику для получения данного тока, тем значит больше сопротивление проводника.
Из формулы для нахождения сопротивления можно выразить ток I=U/R, это выражение называется законом Ома. Из него видно, что чем больше сопротивление проводника — тем меньше ток.
Сопротивление как-бы препятствует прохождению тока, мешает электрическом напряжению (электрическому полю в проводнике) создавать еще больший ток. Таким образом сопротивление характеризует конкретный проводник и не зависит от приложенного к проводнику напряжения. Когда напряжение подано большее, ток будет больше, но отношение U/I, то есть сопротивление R, не изменится.
Фактически сопротивление проводника зависит от длины проводника, от площади его поперечного сечения, от вещества проводника и его текущей температуры. Вещество проводника связано с его электрическим сопротивлением через величину так называемого удельного сопротивления.
Именно удельное сопротивление характеризует материал проводника, показывая, какой величины будет сопротивление проводника, изготовленного из данного вещества, если такой проводник будет иметь площадь поперечного сечения 1 кв.м и длину 1 метр. Проводники длиной 1 метр и сечением 1 кв.м, состоящие из различных веществ, будут обладать отличными друг от друга электрическими сопротивлениями.
Суть в том, что для каждого вещества (обычно имеются введу металлы, ведь проводники зачастую изготавливаются именно из металлов) характерна своя атомарная и молекулярная структура. Касательно металлов можно говорить о структуре кристаллической решетки и о количестве свободных электронов, у разных металлов оно разное. Чем удельное сопротивление вещества меньше — тем лучше изготовленный из него проводник проводит электрический ток, то есть лучше пропускает через себя электроны.
Серебро, медь и алюминий обладают небольшими удельными сопротивлениями. Железо и вольфрам — значительно большими, не говоря о сплавах, удельные сопротивления некоторых из которых превосходят чистые металлы по данному показателю в сотни раз. Концентрация свободных носителей заряда в проводниках существенно выше, чем в диэлектриках, поэтому удельные сопротивления проводников всегда выше.
Как было отмечено выше, способность всех веществ пропускать ток связана с наличием в них носителей тока (носителей заряда) — подвижных заряженных частиц (электронов, ионов) или квазичастиц (например, дырок в полупроводнике), способных перемещаться в данном веществе на большое расстояние, упрощенно можно сказать, что имеется в виду что такая частица или квазичастица должна быть способна пройти в данном веществе сколь угодно большое, по крайней мере макроскопическое, расстояние.
Так как плотность тока тем выше, чем больше концентрация свободных носителей заряда и чем выше их средняя скорость движения, то важное значение имеет и подвижность, зависящая от вида носителя тока в данной конкретной среде. Чем больше подвижность носителей заряда — тем меньше удельное сопротивление этой среды.
Более протяженный проводник имеет большее электрическое сопротивление. Ведь чем длиннее проводник, тем больше на пути электронов, образующих ток, встречается ионов кристаллической решетки. И значит чем больше таких препятствий встречается у электронов на пути — тем более они замедляются, а значит уменьшается величина тока.
Проводник обладающий большим поперечным сечением предоставляет больше свободы электронам, они словно движутся не по узкой трубе, а по широкой дороге. Электронам в более просторных условиях легче двигаться образуя ток, ведь они реже сталкиваются с узлами кристаллической решетки. Вот почему более толстый по сечению проводник обладает меньшим электрическим сопротивлением.
В результате, сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника, удельному сопротивлению вещества, из которого он изготовлен, и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Итоговая формула сопротивления включает три этих параметра.
Но в приведенной формуле отсутствует температура. А между тем известно, что сопротивление проводника сильно зависит и от его температуры. Дело в том, что справочная величина удельного сопротивления веществ измеряется обычно при температуре +20°C. Поэтому температура все же здесь учитывается. Есть справочные таблицы удельных сопротивлений для разных температур того или иного вещества.
Для металлов характерно увеличение удельного сопротивления с ростом их температуры.
Так происходит потому, что с повышением температуры ионы кристаллической решетки начинают все сильнее колебаться, и все существеннее мешают движению электронов. А вот в электролитах заряд несут ионы, поэтому с повышением температуры электролита удельное сопротивление наоборот уменьшается, потому что диссоциация на ионы ускоряется и они движутся быстрее.
В полупроводниках и диэлектриках удельное электрическое сопротивление с ростом температуры уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением температуры увеличивается концентрация основных носителей заряда. Величина, учитывающая изменение удельного электрического сопротивление в зависимости от температуры, называется температурным коэффициентом удельного сопротивления.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Почему проводник препятствует (сопротивляется) электрическому току?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,708
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление – величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Сопротивление является отношением напряжения на концах проводника к силе тока. Сопротивление выражается законом Ома:
здесь R –сопротивления (Ом), U –напряжения, или разности потенциалов на краях проводника (В), I – сила тока, протекающая по проводнику под действием разности потенциалов (А).
Физическая основа процесса
Электропроводность проводников связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока. Носителями тока являются электроны проводимости, образующихся из валентных электронов атомов проводника. Под действием электрического поля возникает упорядоченное движение электронов, которое называется электрический ток.Движущиеся под действием электрического поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решетки. Неоднородности ионной решетки возникают из-за различных примесей, нарушений периодичности структуры из-за тепловых колебаний и прочее. При этом электроны теряют импульс, а кинетическая энергия движения электронов преобразуется в тепловую внутреннюю энергию проводника. Таким образом, при прохождении тока проводник нагревается. Сопротивление прямо пропорционально зависит от температуры проводников. В физике процесса возможны изменения, зависящие от структуры проводников.
Удельное сопротивление – величина, численно равная сопротивлению цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения. Является характеристикой проводника, не зависящей от геометрии.
Волновое электрическое сопротивление
Волновое электрическое сопротивление — отношение амплитуды напряжения волны к амплитуде силы тока бегущей волны. Зависит от емкости, диэлектрической проницаемости проводника, индуктивности, сопротивления. Измеряется в Ом. Таким образом, волновое сопротивление зависит от геометрии проводника, что используется при локации импульсным рефлектометром при поисках дефектов в трубопроводах с установленной системой ОДК.
От чего зависит сопротивление проводника
В радиотехнике есть такое понятие, как электрическое сопротивление. Но что это такое, от чего зависит сопротивление проводника? Чтобы разобраться в таком непростом вопросе, следует сначала окунуться в область химии, а точнее, в строение атома. Именно там можно понять, что мешает электрическому току свободно перемещаться по электрической цепи.
Понятие электрического сопротивления
Любое вещество состоит из молекул, а те, в свою очередь, из атомов. Атом представляет собой ядро, вокруг которого вращаются электроны. Те электроны, которые находятся на внешней оболочке, меньше притягиваются ядром, чем те, что расположены ближе к нему.
Кроме того, чем больше электронов находится на одной орбитали, тем сильнее взаимное притяжение. Металлы на своих внешних орбиталях имеют мало электронов, поэтому они могут отрываться от своего атома и дрейфовать по материалу.
Чтобы электроны двигались в одном направлении и совершали работу, к концам проводника прикладывается некое электрическое поле. После чего электроны начинают двигаться в одном направлении, если это однонаправленный ток, либо поочередно меняя направление в случае с переменным током. Вот здесь и начинается самое интересное. Рассмотрим однонаправленный ток, как более простую схему.
Для опыта потребуется:
- источник питания, напряжение можно выбрать в пределах 1-1,5 В, лучше взять аккумулятор или батарейку для более точного эксперимента;
- резистор на сопротивление 5 Ом, можно и другое значение, но не меньше 2 Ом, чтобы не перегружать питание;
- амперметр или мультиметр, способный измерять ток до 5А;
- любую катушку (намотанный на каркас медный или алюминиевый провод).
Собираем электрическую цепь, включая последовательно:
- клемма источника питания (полярность не имеет значения);
- резистор;
- щуп прибора (здесь важно соблюсти полярность подключения);
- вторая клемма источника питания.
Удобнее один вывод резистора припаять к клемме источника питания, а щупами прибора только касаться вывода резистора и питания. Настраиваем прибор и производим измерение тока, записываем показания. Далее подключаем к резистору катушку.
Также один вывод катушки лучше припаять к свободному выводу резистора. Снова производим измерение тока. Сравнив показания, увидим, что они отличаются.
Как известно, катушка имеет индуктивное сопротивление только на переменном токе, вот почему в качестве источника питания лучше брать постоянный (не выпрямленный!) ток. Почему при подключении катушки ток уменьшился?
Ответ один – увеличилось электрическое сопротивление. По определению электрическое сопротивление – это противодействие материала прохождению через него электрического тока. Рассмотрим, от чего зависит сопротивление проводника?
Чем вызвано электрическое сопротивление
Перед этим мы разобрали, как появляется электрический ток, сейчас попробуем понять, от чего зависит электрическое сопротивление. Проводник – это провод, выполненный из однородного материала.
Для передачи электроэнергии от электростанций до потребителя и разводки сети по дому используют медь и алюминий. Однако при выплавке этих металлов в них обязательно присутствуют примеси, иначе стоили бы такие провода намного дороже, так как очистка требует дополнительных затрат.
Что происходит, когда на пути электрона встречается такая примесь? Это инородное тело представляет для электрона препятствие. Это как на дороге попадаются большие выемки, заставляющие водителей объезжать их. Электроны делать этого не могут, поэтому они врезаются в них и меняют свою траекторию, мешая, в свою очередь, другим электронам.
Кроме того, в самом материале встречаются механические дефекты, которые также увеличивают сопротивление проводника. Сами молекулярные решетки в силу своих особенностей или внешних факторов могут иметь повреждения, что также уменьшает скорость движения электронов.
Это лишь некоторые причины, вызывающие электрическое сопротивление. Однако для проводов существуют дополнительные условия, увеличивающие либо уменьшающие его сопротивление.
Зависимость электрического сопротивления
Трудность определения сопротивления проводника определяется не только его материалом. Провода и кабели эксплуатируются в различных условиях, они имеют различные геометрические размеры и длину. Если все это учесть, то можно составить список зависимости сопротивления проводника:
- площадь поперечного сечения;
- длина;
- температура проводника.
Даже незначительное изменение одного из условий может значительно сказаться на общем сопротивлении. Разберем каждое из них подробнее.
Сечение
Провода, как правило, имеют круглую форму, хотя в кабелях могут применяться жилы полукруглые и секторные. Чтобы определить сечение провода, необходимо узнать площадь его поперечного среза – торца.
Если это круг, можно воспользоваться формулой S= π×R 2 , или S=π/4×D 2 . Где π – отношение длины окружности к ее диаметру, равное примерно 3,14; r – радиус; D – диаметр провода. Если провод имеет форму другой фигуры, определяют сечение по соответствующей формуле.
Почему важно знать сечение провода, кабеля? В зависимости от того, какое сечение имеет проводник, будет зависеть какой ток можно через него пропустить. Это примерно как ширина дороги влияет на пропускную способность машин. Чем шире дорога, тем больше машин могут по ней проехать.
А что произойдет, если пустить больший ток, чем тот, на который рассчитан провод? Электроны не машины, поэтому они смогут и в более тесной компании двигаться по проводу. Однако чрезмерное увеличение плотности тока приведет к тому, что он начнет греться, а это приведет к оплавлению изоляции и замыканию. Снова войдем в мир молекул и посмотрим, что там будет происходить.
Как уже было сказано, материал имеет различные дефекты, уменьшающие проводимость токопровода. Кроме того, чем больше электронов находится на одном отрезке, тем сильнее они мешают друг другу, наталкиваясь не только на препятствия, но и друг на друга. Поэтому существуют таблицы, регламентирующие токовую нагрузку в зависимости от сечения проводника.
Длина проводника
Второе, от чего зависит сопротивление проводника, это его длина. Это и понятно, чем длиннее проводник, тем больший путь необходимо проделать электронам. Но, кроме протяженности, встречаются и другие препятствия, увеличивающие сопротивление проводника. Главной причиной является соединение. Есть несколько способов соединения, для этого могут использоваться:
- скрутка;
- болт;
- плашка;
- зажим;
- пайка, сварка.
Скрутка редко используется, но имеет место на существование. При этом способе оба провода обвиваются один вокруг другого. В многопроволочных алюминиевых проводах каждая жила обвивается вокруг другого провода и скрутка получается нисходящая. При болтовом соединении провода зажимаются между болтом и гайкой. При этом если провода изготовлены из разного материала, между ними ставится шайба.
Плашки имеют две выемки, в которые закладываются провода. Состоят они из двух половинок, которые зажимаются болтом. Также производители выпускают различные зажимы, позволяющие быстро и надежно закрепить провод. Некоторые дают возможность впоследствии освобождать провод, другие нет.
Любое такое соединение имеет существенный недостаток – нарушение контакта. Из-за этого сопротивление соединения резко увеличивается. Поэтому пайка и сварка более предпочтительны, но и более трудоемки.
Температура проводника
И последняя основная причина, от чего зависит электрическое сопротивление – изменение температуры. Почему температура оказывает влияние на проводник? Металлы, проводящие электрический ток, состоят из кристаллических решеток.
То есть атомы расположены не в одной плоскости, а располагаются объемно. При максимально низких температурах они как бы заморожены, оставаясь на одном месте. Электроны, пролетающие мимо, свободно лавируют между ними, практически не встречая никакого сопротивления.
Но что происходит, когда температура поднимается? Устойчивость решетки нарушается, атомы начинают раскачиваться, вставая на пути электронов.
Хотя скорость электронов и небольшая, всего несколько миллиметров в секунду, но из-за малого размера атомов на этом отрезке достаточно много, что сказывается на сопротивлении проводника. Однако когда температура металла становится близка к плавлению, электропроводность резко возрастает.
Интересно. В отличие от металлов у полупроводников наблюдается обратная зависимость: при увеличении температуры сопротивление уменьшается. |
Расчёт сопротивления проводника — формула
Каждый радиоэлектронный элемент имеет свое сопротивление, которое легко можно измерить с помощью приборов. Но как измерить сопротивление линии, если ее протяженность составляет десятки, а то и сотни или даже тысячи километров?
Для этого вводится такое понятие, как удельное сопротивление. Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 метр и с площадью поперечного сечения 1м2. Также может применяться устаревшая единица, где площадь сечения составляет 1 мм2. Значение удельного сопротивления можно узнать из таблиц.
Чтобы произвести расчет сопротивления проводника, применяют формулу: R=ρ×L/S. Где R – сопротивление в Ом; ρ – удельное сопротивление материала, Ом×м; L – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения.
При этом стоит помнить, что эта формула предполагает применение однородного материала как по составу, так и по геометрическим показателям.