Электрическое сопротивление проводников. Единицы сопротивления

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 79.

4.6

Средняя оценка: 4.6

Всего получено оценок: 79.

Сопротивление проводника ограничивает величину тока в электрической цепи. Чем больше величина сопротивление, тем меньше ток. Расчет сопротивления проводника можно произвести двумя способами: первый способ заключается в использовании формулы закона Ома, а второй вариант расчета подразумевает знание геометрических размеров проводника и удельного сопротивления вещества, из которого он сделан.

Содержание

Различные вещества имеют разную проводимость. Мы уже говорили о существовании проводников, полупроводников и диэлектриках. Среди проводников электричества мы выделили металлы — они имеют лучшую проводимость, так как содержат в себе большое количество свободных электронов. Эти заряженные частицы под действием сил электрического поля приходят в движение. Так возникает такое явление, как электрический ток.

Но даже среди металлов можно выделить те, которые лучше проводят ток. Значит, есть и те металлы, которые проводят ток хуже. Как же сравнивать эту способность веществ? Так мы подходим к введению новой характеристики проводников.

Называется эта характеристика «электрическое сопротивление«. В данном уроке мы рассмотрим ее связь с проводимостью различный веществ, узнаем причины ее возникновения и разберемся, от каких других величин и свойств она зависит.

Проводимость и удельное сопротивление

Предполагая , что константа пропорциональности σ, электрическое поле в этом месте равно E

, а плотность тока равна
j
,
Дж знак равно о Е {\ displaystyle {\ boldsymbol {\ mathit {j}}} = \ sigma {\ boldsymbol {\ mathit {E}}}}
Будет. σ – постоянная материала , которую называют проводимостью

(электропроводностью ) или
электропроводностью
(электропроводимостью). Обратное этому, 1 ⁄ σ , называется удельным электрическим
сопротивлением
(удельное электрическое сопротивление) или просто
удельным
электрическим сопротивлением (разряд ) или удельным электрическим
сопротивлением
(удельным электрическим сопротивлением), и может использоваться ρ.

Зависимость показаний амперметра и вольтметра от используемого проводника в цепи

Для начала проведем интересный опыт. Соберем электрическую цепь из источника тока, ключа, амперметра и вольтметра. Также мы будем включать в эту цепь проводники из различных материалов. Они закреплены на специальной панели. К этим же проводникам мы будем параллельно подключать вольтметр (рисунок 1).

Проводники у нас обозначены следующим образом: AB — железная проволока, CD — никелиновая проволока, EF — медная проволока.

Эти проводники имеют одинаковую длину и сечение.

Рисунок 1. Зависимость силы тока от используемого в цепи проводника

Сначала подключим в цепь железную проволоку AB. Зафиксируем показания амперметра и вольтметра после замыкания ключа.

Теперь переключимся на никелиновую проволоку CD. Мы заметим, что сила тока в цепи уменьшилась.

Испробуем третий проводник: медную проволоку EF. Теперь сила тока значительно увеличилась.

Вы не забыли, что в нашем опыте был еще и вольтметр? Мы поочередно подключали его к каждому из проводников.

Каждый раз мы получали одинаковое значение напряжения. Оно не изменялось.

Упрощенная ленточная теория

Запрещенная зона велика для непроводников.
Согласно квантовой механике, электроны в атоме не могут принимать никакого значения энергии. Существует несколько фиксированных энергетических уровней, которые может занимать электрон, и между ними невозможно занять промежуточное состояние. Эти энергетические уровни делятся на две зоны: «валентную зону» и «зону проводимости», причем последняя имеет более высокую энергию, чем первая. Электроны в зоне проводимости могут свободно перемещаться внутри объекта, если присутствует электрическое поле.

В непроводниках и полупроводниках существует запрещенная зона между зоной проводимости и валентной зоной, которая представляет собой область энергетического уровня, которую электроны не могут занимать. Чтобы пропустить электрический ток, необходимо сообщить относительно большое количество энергии, чтобы заставить электроны перепрыгнуть через эту запрещенную зону. Следовательно, даже если приложено высокое напряжение, протекает только относительно небольшой ток.

Зависимость силы тока от свойств проводников

Вы уже знаете, что сила тока зависит от напряжения. Ведь напряжение является характеристикой электрического поля.

Но в нашем опыте напряжение оставалось постоянным. Значит, сила тока имеет еще одну зависимость.

Сила тока в цепи зависит от свойств проводников, включенных в электрическую цепь.

Постоянный ток

Господа, и снова всем здрастье! Мы с вами уже обсудили ток. Обсудили и напряжение. Осталась последняя сторона бермудского треугольника. Как многие уже догадались, речь сегодня пойдет про электрическое сопротивление. Что же это такое? От чего зависит? Как его рассчитать? Обо всем этом речь пойдет в сегодняшней статье!

А начиналось все это достаточно давно. В далекие и лихие 1800-е уважаемый господин Георг Ом игрался в своей лаборатории с напряжением и током, пропуская его через различные штуки, какие только могли его проводить. Будучи человеком наблюдательным, он установил одну интересную зависимость. А именно, что если взять один и тот же проводник, то сила тока в нем прямо пропорциональна приложенному напряжению. Ну, то есть если увеличить приложенное напряжение в два раза, то в два раза возрастет и сила тока. Соответственно, никто не мешает взять и ввести какой-нибудь коэффициент пропорциональности:

Где G – это и есть коэффициент, который называется проводимостью проводника. На практике же чаще люди оперируют с величиной, обратной проводимости. Она называется как раз-таки электрическое сопротивление и обозначается буковкой R:

Для случая электрического сопротивления, зависимость, полученная Георгом Омом выглядит так:

Господа, по большому секрету, мы только что написали закон Ома. Но не будем пока на этом концентрироваться. Для него у меня уже практически готова отдельная статья, в ней и поговорим об этом. Сейчас же более подробно остановимся именно на третьей составляющей этого выражения – на сопротивлении.

Во первых, это характеристика проводника. Сопротивление не зависит от тока с напряжением, кроме отдельных случаев типа нелинейных устройств. До них обязательно доберемся, но позже, господа. Сейчас мы рассматриваем обычные металлы и прочие милые и простые – линейные – штуки.

Измеряется сопротивление в Омах. Вполне логично – кто открыл, тот и назвал в честь себя. Отличный стимул для открытий, господа! Но помните, мы начали с проводимости? Которая у нас обозначается буковкой G? Так вот, она тоже имеет свою размерность – Сименсы. Но обычно на это всем пофиг, с ними почти никто не работает.

Пытливый ум непременно задастся вопросом – сопротивление, это конечно здорово, а от чего оно, собственно говоря, зависит? Ответы имеются. Давайте по пунктам. Опыт показывает, что сопротивление зависит по крайней мере от:

• геометрических размеров и формы проводника;
• материала;
• температуры проводника.

А теперь давайте подробнее по каждому из пунктов.

Господа, опыт показывает, что при постоянной температуре сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Ну, то есть чем проводник толще и короче, тем меньше его сопротивление. И наоборот, длинные и тонкие проводники имеют относительно высокое сопротивление. Это иллюстрирует рисунок 1. Данное утверждение понятно и по уже приводимой ранее аналогии электрического тока и водопровода: через толстую короткую трубу воде течь легче, чем через тонкую и длинную и возможна передача больших объемов жидкости за то же самое время.

Рисунок 1 – Толстый и тонкий проводники

Выразим это математическими формулами:

Здесь R – сопротивление, l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения.

Когда мы говорим, что кто-то кому-то пропорционален, всегда можно ввести коэффициент и заменить значок пропорциональности на значок равенства:

Как видим, здесь у нас появился новый коэффициент . Он называется удельным сопротивлением проводника.

Что же это такое? Господа, очевидно, что это то значение сопротивления, которое будет иметь проводник длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м2. А что там с его размерностью? Выразим из формулы:

Величина это табличная и она зависит от материала проводника.

Таким макаром мы плавно перешли ко второму пункту нашего перечня. Да, два проводника одинаковой формы и размеров, но из разного материала будут иметь разное сопротивление. И обусловлено это исключительно тем, что у них будет разное удельное сопротивление проводника. Приведем табличку со значением удельного сопротивления ρ для некоторых широко распространенных материалов.

Теперь, используя приведенную мною табличку (или гугл, если там нет нужного материала) вы легко сможете рассчитать себе провод с необходимым сопротивлением или же оценить, какое сопротивление будет у вашего провода с заданными площадью сечения и длиной.

Помнится, в моей инженерной практике был один подобный случай. Мы делали мощную установку для питания лампы накачки лазера. Мощности там были какие-то просто сумасшедшие. И для поглощения всей этой мощности на случай «если что-то пойдет не так », было принято решение изготовить резистор сопротивлением 1 Ом из какой-нибудь надежной проволоки. Почему именно 1 Ом и куда именно он устанавливался, мы сейчас не будем рассматривать. Это разговор для совсем другой статьи. Достаточно знать, что этот резистор должен был в случае чего принять в себя десятки мегаватт мощности и десятки килоджоулей энергии и желательно остаться при этом живым. Проштудировав списки доступных материалов, я выбрал два: нихром и фехраль. Они были жаростойкими, выдерживали высокие температуры, а кроме того обладали относительно высоким удельным электрическим сопротивлением, что позволяло с одной стороны брать не очень тонкие (они сразу перегорят) и не очень длинные (надо было влезть в разумные габариты) провода, а с другой – получить требуемые 1 Ом. В результате итеративных расчетов и анализа предложений рынка проволочной промышленности России (вот так термин), я-таки остановился на фехрали. Получилось, что проволока должна иметь диаметр несколько миллиметров и длиной в единицы метров. Точные цифры называть не буду, они мало кому из вас будут интересны, а мне лень искать эти выкладки в недрах архива. Был также рассчитан перегрев проволоки на случай (по формулам термодинамики), если действительно через нее пропустить десятки килоджоулей энергии. Он получился пара сотен градусов, что нас устраивало.

В заключении скажу, что данные самодельные резисторы были изготовлены и успешно прошли испытания, что подтверждает правильность приведенной формулы.

Однако мы слишком увлеклись лирическими отступлениями о случаях из жизни, совершенно забыв, что нам надо еще рассмотреть зависимость электрического сопротивления от температуры.

Давайте порассуждаем – а как теоретически может зависеть сопротивление проводника от температуры? Что нам известно про повышением температуры? Как минимум два факта.

Первое: с ростом температуры все атомы вещества начинают быстрее колебаться и с большей амплитудой. Это приводит к тому, что направленный поток заряженных частиц чаще и сильнее сталкивается с неподвижными частицами. Одно дело пробраться через толпу людей, где все стоят, и совсем другое – через такую, где все бегают, как сумасшедшие. Из-за этого средняя скорость направленного движения уменьшается, что эквивалентно уменьшению силы тока. Ну, то есть к росту сопротивления проводника току.

Второе: с ростом температуры увеличивается число свободных заряженных частиц в единице объема. Из-за большей амплитуды тепловых колебаний атомы легче ионизируются. Больше свободных частиц – больше сила тока. То есть сопротивление падает.

Итого в веществах с ростом температуры борются два процесса: первый и второй. Вопрос в том, кто победит. Практика показывает, что в металлах чаще победу одерживает первый процесс, а в электролитах – второй. Ну, то есть у металла сопротивление с ростом температуры растет. А если взять электролит (например, водичку с раствором медного купороса), то в нем сопротивление уменьшается при росте температуры.

Возможны случаи, когда первый и второй процессы полностью уравновешивают друг друга и сопротивление практически не зависит от температуры.

Итак, сопротивление имеет свойство меняться в зависимости от температуры. Пусть при температуре t1, было сопротивление R1. А при температуре t2 стало R2. Тогда что для первого случая, что для второго, можно записать следующее выражение:

Величина α, господа, называется температурным коэффициентом сопротивления. Этот коэффициент показывает относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 градус. Например, если сопротивление какого-либо проводника при 10 градусах равно 1000 Ом, а при 11 градусах – 1001 Ом, то в этом случае

Величина это табличная. Ну то есть зависит от того, что именно за материал перед нами. Для железа, например, будет одно значение , а для меди – другое. Ясно, что для случая металлов (сопротивление с ростом температуры растет) α>0, а для случая электролитов (сопротивление с ростом температуры падает) α<0.

Господа, у нас за сегодняшний урок есть уже аж две величины, которые влияют на результирующее сопротивление проводника и при этом зависят от того, что же это за материал перед нами. Это ρ, которое удельное сопротивление проводника и α, которое температурный коэффициент сопротивления. Логично попытаться их свести между собой. Так и сделали! Что же в итоге получилось? А вот это:

Величина ρ0 не совсем однозначная. Это значение удельного сопротивления проводника при Δt=0. А поскольку не привязана ни к каким конкретным цифрам, а целиком и полностью определяется нами – пользователями – то и ρ получается тоже относительная величина. Оно равно значению удельного сопротивления проводника при некоторой температуре, которую мы примем за нулевую точку отсчета.

Господа, возникает вопрос – а где сие использовать? А, например, в термометрах. Например, есть такие платиновые термометры сопротивления. Принцип работы заключается в том, что мы измеряем сопротивление платиновой проволоки (оно, как мы сейчас выяснили, зависит от температуры). Эта проволока является датчиком температуры. И на основании измеренного сопротивления мы можем сделать вывод о том, какая температура окружающей среды. Эти термометры хороши тем, что позволяют работать в очень широком диапазоне температур. Скажем, при температурах в несколько сотен градусов. Мало какие термометры там еще смогут работать.

И просто как интересный факт – обычная лампа накаливания имеет в выключенном состоянии значение сопротивления гораздо меньшее, чем при работе. Скажем, у обычной 100-вт лампы сопротивление нити в холодном состоянии может быть примерно 50 – 100 Ом. Тогда как при штатной работе оно вырастает до величин порядка 500 Ом. Сопротивление вырастает почти в 10 раз! Но и нагрев тут в районе 2000 градусов! Кстати, вы можете на основании приведенных формул и измерения тока в сети попробовать более точно оценить температуру нити. Как? Подумайте сами . То есть при включении лампы через нее сначала течет ток, в несколько раз превышающий рабочий, особенно если момент включении попадет на пик синуса в розетке. Правда сопротивление мало весьма недолго, пока лампа не разогреется. Потом все выходит в режим и ток становится штатным. Однако такие броски тока являются одной из причин, почему лампы часто перегорают именно при включении.

На этом предлагаю закончить, господа. Статья получилась чуть больше, чем обычно. Надеюсь, вы не очень устали . Огромной вам всем удачи и до новых встреч!

Вступайте в нашу группу Вконтакте

Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Social button for Joomla

Причины электрического сопротивления

В чем же причина сопротивления?

Вспомните урок «Электрический ток в металлах«. Электроны, двигаясь под действием электрического поля, обретают некоторое направление. Но при этом хаотичность их движения сохраняется. Мы еще сравнивали такое движение со стайкой мошкары, которую относит ветром.

Итак, электроны приведены в упорядоченное движение электрическим полем. При этом они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки. Что при этом происходит? Упорядоченное движение замедляется. Теперь меньшее число электронов проходит через поперечное сечение проводника за $1 \space с$. Значит, уменьшается сила тока.

Сделаем вывод из наших рассуждений.

Причина сопротивления — это взаимосвязь движущихся электронов с ионами кристаллической решетки.

Логично, что разные проводники будут обладать разными значениями сопротивления. Все дело будет в различиях строения их кристаллической решетки. Кроме того, значение будут иметь длина проводника и площадь его поперечного сечения. Об этом мы поговорим в следующих уроках.

Физический смысл активного сопротивления (Z)

Понятие Z цепи немного отличается от понятия Омического R. В цепи тока может происходить преобразование электрической энергии в механическую. Например, при работе электродвигателя или химическую, при заряде аккумулятора.

В цепи переменного тока может иметь место поглощение электромагнитной энергии в сердечнике катушки. Энергия может передаваться из одной цепи в другую.

В случае переменного тока, его плотность в проводах убывает, поэтому рабочее сечение провода оказывается меньше геометрического размера. Действующее активное R возрастает по сравнению со значением сопротивления, определенного по удельному типу. В результате, при использовании переменного тока, проводник нагревается сильнее, чем при постоянном.

Поэтому в радиотехнике высокой частоты, проводники делают рубчатыми, а поверхность покрывают серебром или золотом, что предотвращает окисление.

Формула активного R: Z=U*I.

Упражнения

Упражнение №1

Начертите схему цепи, изображённой на рисунке 1, и объясните опыт, проведённый по данному рисунку.
Схема электрической цепи изображена на рисунке 2. Проводник обозначен прямоугольником.

Рисунок 2. Схема электрической цепи для проведенного опыта

В ходе этого опыта используют различные проводники. При этом фиксируют значения приборов. Сила тока изменяется в зависимости от того, какой проводник включен в цепь. Напряжение же на концах разных проводников все время остается постоянным.

Этот опыт доказывает связь силы тока и свойства проводника, называемого электрическим сопротивлением.

Упражнение №2

Выразите в омах значения следующих сопротивлений: $100 \space мОм$; $0.7 \space кОм$; $20 \space МОм$.
Дано: $I_1 = 100 \space мОм$ $I_2 = 0.7 \space кОм$ $I_3 = 20 \space МОм$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

$I_1 = 100 \space мОм = 100 \cdot 0.001 \space Ом = 0.1 \space Ом$, $I_2 = 0.7 \space кОм = 0.7 \cdot 1000 \space Ом = 700 \space Ом$, $I_3 = 20 \space МОм = 20 \cdot 1 \space 000 \space 000 \space Ом = 20 \space 000 \space 000 \space Ом$.

Ответ: $I_1 = 0.1 \space Ом$, $I_2 = 700 \space Ом$, $I_3 = 20 \space 000 \space 000 \space Ом$.

Сноски/Источники

1. Электропроводность и сверхпроводимость
2. Форбс Т. Браун (2006). Динамика инженерных систем . КПР Пресс. п. 43. ISBN 9780849396489. https://books.google.com/books?id=UzqX4j9VZWcC&pg=PA43&dq=%22chordal+resistance%22&as_brr=3&ei=Z0x0Se2yNZHGlQSpjMyvDg
3. Кеннет Л. Кайзер (2004). Справочник по электромагнитной совместимости . КПР Пресс. стр. 13–52. ISBN 9780849320873 . https://books.google.com/books?id=nZzOAsroBIEC&pg=PT1031&dq=%22static+resistance%22+%22dynamic+resistance%22+nonlinear&lr=&as_brr=3&ei=Kk50Ser1MJeOkAS9wNTwDg#PPT1031,M1
4. « Рассеяние из-за вибрации решетки ». Www.px.tsukuba.ac.jp
   . Проверено 28 июня 2022 г ..
5. Финк и Бити, Стандартный справочник для инженеров-электриков, 11-е издание
   , стр. 17-19.
6. Уорд, М.Р., Наука в области электротехники
   , стр. 36–40, McGraw-Hill, 1971.
7. А. Маттиссен, британский член палаты представителей. Жопа. 32, 144 (1862 г.)
8. А. Маттиссен, Progg. Аналлен, 122, 47 (1864 г.)
9. Сеймур Дж., Физическая электроника
   , глава 2, Питман, 1972 г.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Чем оно выше, тем меньшую мощность выдаёт источник при подключении нагрузки. Определить мощность в нагрузке можно по формуле:

PR = E2/(r+R)2*R,

где:

• E – напряжение ЭДС;
• R – сопротивление нагрузки;
• r – активное внутреннее сопротивление двухполюсника.

Формула применима к двухполюсникам, не отдающим энергию.

К сведению. Когда величина внутреннего сопротивления двухполюсника приближается по своему значению к сопротивлению нагрузки, передача мощности достигает максимума.

Полное сопротивление цепи при параллельном соединении активного и реактивного элемента.

Для того чтобы вычислить полное сопротивление цепи, составленной из активного и индуктивного сопротивлений, соединенных между собой параллельно(рис. 5,а), нужно сначала вычислить проводимость каждой из параллельных ветвей, потом определить полную проводимость всей цепи между точками А и В и затем вычислить полное сопротивление цепи между этими точками.

Рисунок 5. Полное сопротивление цепи при параллельном соединении активного и реактивных элементов. а) – параллельное соединение R и L; б) – параллельное соединение R и C.

Проводимость активной ветви, как известно, равна 1/R, аналогично проводимость индуктивной ветви равна 1/ωL , а полная проводимость равна 1/Z

Полная проводимость равна корню квадратному из суммы квадратов активной и реактивной проводимости, т. е.

(7)

Приводя к общему знаменателю подкоренное выражение, получим:

(8)

откуда:

(9)

Формула (9) служит для вычисления полного сопротивления цепи, изображенной на рис. 5а.

Нахождение полного сопротивления для этого случая может быть произведено и геометрическим путем. Для этого нужно построить в соответствующем масштабе треугольник сопротивлений, и затем произведение длин катетов разделить на длину гипотенузы. Полученный результат и будет соответствовать полному сопротивлению.

Аналогично случаю, рассмотренному выше, полное сопротивление при параллельном соединении R и С будет равно:

(10)

Полное сопротивление может быть найдено также и в этом случае путем построения треугольника сопротивлений.

В радиотехнике наиболее часто встречается случай па¬раллельного соединения индуктивности и емкости, например колебательный контур для настройки приемников и передатчиков. Так как катушка индуктивности всегда обладает кроме индуктивного еще и активным сопротивлением, то эквивалентная (равноценная) схема колебательного контура будет содержать в индуктивной ветви активное сопротивление (рис 7).

Рисунок 6. Эквивалентная схема колебательного контура.

Формула полного сопротивления для этого случая будет:

Будет интересно➡ Какие виды релейной защиты существуют?

(11)

Так как обычно активное сопротивление катушки (R) бывает очень мало по сравнению с ее индуктивным сопротивлением (ωL), то мы имеем право формулу (11) переписать в следующем виде:

(12)

В колебательном контуре обычно подбирают величины L и С таким образом, чтобы индуктивное сопротивление равнялось емкостному, т. е. чтобы соблюдалось условие

(13)

При соблюдении этого условия полное сопротивление колебательного контура будет равно:

(14)

где L—индуктивность катушки в Гн;

С—емкость конденсатора в Ф;

R—активное сопротивление катушки в Ом.