Что такое сопротивление проводника проводимость проводника
Электрическое сопротивление и проводимость.
При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами и атомами, из которого состоит проводник, и передают им часть своей энергии, т.е. преодолевают некоторое сопротивление движению. В результате столкновения энергия выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Принято считать, что проводники обладают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник нагревается значительно.
За единицу сопротивления принят Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах, равной 1 В.
Проводник характеризуется не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости называется Сименсом (См) и обозначается буквой G.
Удельное электрическое сопротивление. Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. Способность веществ проводить электрический ток характеризуется их удельным электрическим сопротивлением ρ. Для проводников в виде проводов, шин или лент единицей измерения принята Ом·мм 2 /м (сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 ).
Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь. В тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.) применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль.
Сопротивление прямолинейного проводника:
R= ρl/s
В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании.
| Наименование материала | Удельное сопротивление ρ при 20 ºС, Ом·мм 2 /м | Температурный коэффициент сопротивления α, 1 /ºС |
| Серебро | 0,016 | 0,0035 |
| Медь техническая | 0,0172—0,0182 | 0,0041 |
| Алюминий | 0,0295 | 0,0040 |
| Сталь | 0,125—0,146 | 0,0057 |
| Манганин* | 0,40—0,52 | 0,00003 |
| Константан* | 0,44 | 0,00005 |
| Нихром ** | 1,02—1,12 | 0,0001 |
| Фехраль** | 1,18—1,47 | 0,0008 |
Решение. По формуле R= ρl/s получаем:
R = 0,12·1500/6000 = 0,3 Ом.
Зависимость сопротивления от температуры. Электропроводность материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании амплитуда и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов.
В технике применяются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и другие, у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало.
О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по температурному коэффициенту сопротивления α. Он представляет собой приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В таблице приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.
Сопротивление металлического проводника Rt при любой температуре t1
(t1 – t0) — изменение температуры.
Электрический ток, проводимость, сопротивление
Электрический ток
или в вакууме под воздействием электрического поля.
Носителями зарядов, движение которых создаёт электрический ток, служат:
Сила токаопределяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени:
Q = 
— количество электричества (Кл)
Плотность токапредставляет собой отношение тока к площади поперечного
сечения проводника:
Постояннымназывается электрический ток, величина и направление которого не
меняются в зависимости от времени.
Переменнымназывается ток, который периодически изменяется как по величине,
Человек ощущает ток начиная с 5 мА, при возрастании до 50 мА он становится опасным для
Сопротивление, проводимость
Электрическое сопротивление— это способность элемента электрической цепи
противодействовать прохождению по нему электрического тока. Природу
сопротивления объясняют столкновением носителей заряда с узлами
кристаллической решётки материала, что вызывает его нагрев.
Сопротивление обозначается буквой R,r и измеряется в омах (Ом). 1 Ом равен сопротивлению
проводника с током в 1 А при напряжении на концах проводника 1 В.
Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его
электрического сопротивления, называется резистором.
Резистор нерегулируемый. Резистор регулируемый. Резистор регулируемый (потенциометр).
Отношение напряжённости электрического поля к плотности тока в проводнике
является постоянной величиной для каждого материала и называется удельным
электрическим сопротивлением:
где: 
— удельное сопротивление (Ом\м)
J- плотность тока (А\м 2 )
Общее сопротивлениепроводника или резистора определяется по формуле:
Количественную зависимость между током, напряжением и сопротивлением
выражает закон Ома для участка цепи:
I= U/R
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью и измеряется в сименсах (См):
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью:
Согласны ли вы с утверждениями:
2. В жидкостях и газах носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы.
3. Плотность тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение
проводника за единицу времени.
4. Постоянным называется электрический ток, величина и направление которого меняются в
зависимости от времени.
5. Химическое действие тока можно наблюдать в электролитической ванне.
6. Электрический ток, начиная со значения 5мА, опасен для жизни человека.
7. Электрическое сопротивление объясняется столкновением носителей заряда с узлами
кристаллической решётки материала проводника.
8. Удельное электрическое сопротивление проводника обратно пропорционально плотности тока в нём
9. Общее сопротивление проводника тем больше, чем больше его длина.
10. Ток на участке цепи тем больше, чем больше сопротивление этого участка.
Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 1932 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Что такое сопротивление проводника проводимость проводника
§ 9. Сопротивление и проводимость проводников. Зависимость сопротивления проводников от физических условий
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии.
Таким образом, электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.
Электрическим сопротивлением проводника (оно обозначается латинской буквой r) обусловлено явление преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока по проводнику. На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рис. 18.
Рис. 18. Условные обозначения постоянного (а) и переменного (б) электрического сопротивлений
За единицу сопротивления принят 1 ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому, вместо того чтобы писать: «Сопротивление проводника равно 15 ом», можно написать просто: r = 15Ω.
Прибор, обладающий переменным электрическим сопротивлением и служащий для изменения тока в цепи, называется реостатом. На схемах реостаты обозначаются, как показано на рис. 18. Как правило, реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.
Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.
Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.
Температура проводника тоже оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, константан, никелин и др.) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.
Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины проводника, поперечного сечения проводника, материала проводника, температуры проводника.
При сравнении сопротивлений проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную Длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.
Сопротивление (в омах) проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ(ро).
Сопротивление проводника можно определить по формуле
Из указанной формулы получаем размерность для удельного сопротивления
В табл. 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.
Таблица 1. Удельные сопротивления различных проводников
Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.
Подробная характеристика металлов и сплавов приведена в табл. 2.
Таблица 2. Основные характеристики металлов и сплавов
Примечание. Большие значения плотности, предела прочности и удельного электрического сопротивления относятся к твердотянутым металлам; меньшие значения этих характеристик относятся к отожженным металлам.
Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм 2 :
Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм 2 :
Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.
Пример 4. Определить сечение нихромовой проволоки длиной 20 м, если сопротивление ее равно 25 ом:
Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм 2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 ом. Определить материал проволоки.
Материал проводника характеризует его удельное сопротивление
По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.
Ранее было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включен амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.
У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40-50%. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.
Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.
Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α (альфа).
Если при температуре t0 сопротивление проводника равно r0, а при температуре t равно rt, то температурный коэффициент сопротивления
Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°С).
В табл. 3 приводим значения температурного коэффициента сопротивления а для некоторых металлов.
Таблица 3. Значения температурного коэффициента для некоторых металлов
Из формулы для температурного коэффициента сопротивления определим ri:
Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°, если сопротивление ее при 0° было 100 ом:
Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15° имел сопротивление 20 ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 ом. Определить температуру печи:
Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и наоборот. Поэтому сопротивление и проводимость проводника являются обратными величинами.
Если сопротивление проводника обозначается буквой r, то проводимость определяется как 1 /r. Обычно проводимость обозначается буквой g.
Электрическая проводимость измеряется в 1 /ом (или в сименсах).
Пример 8. Сопротивление проводника равно 20 ом. Определить его проводимость.
Пример 9. Проводимость проводника равна 0,1 1 /ом. Определить его сопротивление.
Что такое электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление – величина электротехническая, характеризующая степень препятствования свободному протеканию электронов по проводнику. Некоторые материалы могут иметь нулевое сопротивление, а некоторые наоборот, имеют высокое, такие материалы называются диэлектриками. Есть другая противоположность – сверхпроводники.
Измеряется сопротивление в Омах, в честь своего первооткрывателя. Есть производные единицы – килоОмы, мегаОмы и даже гигаОмы. Проводимость – величина обратная сопротивлению. В данной статье рассказано все о таком физическом явлении, как сопротивление, как его измерять и рассчитать. В качестве дополнения, материал содержит два ролика и один скачиваемый файл.
Электрическое сопротивление проводников
Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников.
Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении. Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r. За единицу электрического сопротивления принят ом.
Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С. Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4ом. Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом. Один мегом равен одному миллиону ом.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник. Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.
Физический принцип сопротивления
Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.
В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:
где V — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое сопротивление участка цепи.
Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.
Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = IR была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение.
Роль проводника тока
Если к веществу или материалу обладающему проводящей способностью, подключить источник ЭДС, то по нему начинает протекать электрический ток. Свободные электроны вещества при этом начинают направленное движение от отрицательного полюса к положительному, т.к они являются носителями отрицательного заряда.
Во время направленного движения электроны ударяются об атомы материала и передают им некоторую часть своей энергии, из-за этого происходит нагрев проводника по которому проходит ток. А электроны после столкновения замедляют свое движение. Но электрическое поле их опять ускоряет, поэтому они продолжают свое направленное движение к плюсу.
Этот процесс может идти практически бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле созданное источником электродвижущей силы. Получается, что чем больше препятствий попадется на пути следования электронов, тем выше значение сопротивления.
В различных веществах имеется разное количество свободных электронов, а атомы, между которыми свободные носители заряда перемещаются, обладают различным местом расположения. Поэтому сопр. проводников току зависит, в первую очередь от материала, из которого они сделаны, от площади и длины поперечного сечения.
Если сравнить два проводника сделанные из одинакового материала, то более длинный имеет большее R при равных площадях поперечных сечений, а с большим поперечным сечением имеет более низкое сопр. при равных длинах. Рассмотрим практический пример: Подключим лампочку накаливания на 60Вт в розетку с сетевым напряжением. Спираль лампочки начинает создавать потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое препятствие.
Если эта преграда на пути электронов окажется слишком маленькой лампочка перегорит. Если слишком большое – накальная нить будет гореть очень слабо. А вот если оно будет “оптимальное, тогда лампочка будет гореть нормально, выделяя при этом и тепло. Вырабатываемое тепло называют “потерянной” энергией, так как часть энергию затрагивается на никому ненужный нагрев.
Что такое электрическое удельное сопротивление? Из формулы закона Ома можно записать, что электрическое сопротивление является физической величиной, которую можно вычислить как отношение напряжения в проводнике к силе протекающего в нем тока.
Итак, исходя из опыта с лампочкой чуть выше можно сделать вывод, что электрическое сопротивление проводника является физической величиной, которая указывает на свойство вещества преобразовывать электрическую энергию в тепловую. (R= ρ × l)/S ρ — удельное сопротивление материала проводника, Ом·м, l — длина, м, и S — площадь сечения, м2. Удельное электрическое сопротивление является также физической величиной, которая равна сопротивлению метрового проводника с площадью сечения в один метр квадратный. На практике, сечение измеряют в квадратных миллиметрах.
Поэтому и удельное электрическое сопротивление проще считать в Ом × мм2 / м, а площадь подставлять в мм2. Формула выше говорит о том, что удельное сопр. прямо пропорционально удельному сопр. материала, из которого он сделан, а также его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.
Сопр. проводников зависит также от температуры. Так у элементов из металла с повышением температуры R увеличивается. Зависимость эта сложная, но в относительно узких пределах температурного изменения (примерно до 200° Цельсия) можно условно считать, что для каждого металла существует определенный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления (альфа), который выражает определенный прирост сопротивления дельта r при изменении температуры на один градус цельсия, отнесенный к 1 ом начального значения сопротивления. Таким образом, температурный коэффициент удельного сопротивления будет равен α = r2-r1/r1(T2-T1) и прирост сопр. будет равен Δr=r2-r1=αr2(T2-T1)
Во-первых, от материала проводника. Чем больше значение ρ, тем хуже будет пропускная токовая способность. Во-вторых, от длины провода – с увеличением длины сопротивление увеличивается. В-третьих, от толщины. У более толстого проводника, более низкое сопротивление. И в-четвертых, от температуры проводника.
Если он из металла, то их удельное сопротивление возрастает с ростом температуры. В исключение можно поместить специальные сплавы – их электрическое удельное сопр. практически не изменяется при нагревании. Например: никелин, константан и манганин. А вот у жидкостей с нагревом, удельное сопротивление уменьшается.
Связь с удельной проводимостью в изотропных материалах, выражется формулой: ρ = 1 / σ Где σ – удельная проводимость. Явление сверхпроводимости Предположим температуру материала будем уменьшать, то удельное сопротивление при этом будет также снижаться. Есть предел, до которого можно снизить температуру – абсолютный нуль.
В численном выражении равен —273°С. Ниже этого значения температур просто не существует. При этом значении удельное сопротивление любого проводника будет равно нулю. так как при абсолютном нуле атомы кристаллической решетки полностью перестают колебаться. В результате электронное облако проходит между узлами решетки, не соударяясь с ними. Удельное сопр. материала становится равным нулю, что открывает возможности для получения бесконечно огромных токовых уровней в проводниках малого сечения. Явление сверхпроводимости открывает фантастические перспективы для развития электротехники и электронной техники. Но пока еще имеются некоторые сложности, связанные с получением в быту сверхмалых температурных значений, требуемых для создания нужного эффекта. Когда эти проблемы смогут преодалеть, электротехника шагнет на принципиально новый уровень развития.
Зависимость сопротивления от температуры
Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.
В природе, однако, имеются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и др., у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Подобные сплавы применяют в технике для изготовления различных резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.
О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по так называемому температурному коэффициенту сопротивления а. Этот коэффициент представляет собой относительное приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В табл. 1 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.
Сопротивление металлического проводника Rt при любой температуре t
где R — сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t (обычно при + 20 °С), которое может быть подсчитано по формуле (5);
t— t — изменение температуры.
Свойство металлических проводников увеличивать свое сопротивление при нагревании часто используют в современной технике для измерения температуры. Например, при испытаниях тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмоток определяют измерением их сопротивления в холодном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного периода (обычно в течение 1 ч).
Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, ученые обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля (— 273,16 °С) некоторые металлы почти полностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся идеальными проводниками, способными длительное время пропускать ток по замкнутой цепи без всякого воздействия источника электрической энергии.
Это явление названо сверхпроводимостью. В настоящее время созданы опытные образцы линий электропередачи и электрических машин, в которых используется явление сверхпроводимости. Такие машины имеют значительно меньшие массу и габаритные размеры по сравнению с машинами общего назначения и работают с очень высоким коэффициентом полезного действия.