Электрическое сопротивление и проводимость — Electrical resistance and conductance — Wikipedia

Содержание

• 1 Вступление
• 2 Проводники и резисторы
• 3 Закон Ома
• 4 Связь с удельным сопротивлением и проводимостью
• 5 Измерение сопротивления
• 6 Типичные сопротивления
• 7 Статическое и дифференциальное сопротивление
• 8 Цепи переменного тока 8.1 Импеданс и допуск
• 8.2 Частотная зависимость сопротивления

Электрический ток, электрическое сопротивление и проводимость

2>

Электрический ток. В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения эле­ментарных носителей электричества — электронов или ионов. Дви­жение этих электрически заряженных частиц материи называют электрическим током.

За единицу силы тока принят ампер (А). Это такой ток, при кото­ром через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл.

, [А];

Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными.Т оки, значение и направление которых не остаются постоянными, называют переменными.

Количество электричества, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение одной секунды, называется величиной токаи обозначается буквой I:

; ; ;

Ток в цепи измеряется электрическим прибором – амперметром.

Амперметр включают последовательно, т. е. разрывают цепь в каком-либо месте и образовавшиеся концы подключают к зажимам прибора.

Для того чтобы постоянно протекал ток по проводнику необходимо разность потенциалов на его концах.

Электропроводность. Свойство вещества проводить электричес­кий ток под действием электрического поля называют электропро­водностью

. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропро­водность данного вещества. Все вещества в зависимости от электро­проводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.

Электрическое сопротивление.При движе­нии свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами, атомами и молекулами вещества, из которого выполнен проводник, и пере­дают им часть своей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и молекулами частично выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник.

Проводники обладают электрическим сопротивлением – способностью проводника препятствовать прохождению тока.

,

где с – удельное сопротивление проводников в;

l – длинна проводника в м;

S – площадь поперечного сечения проводника в мм .

За единицу сопротивления принят Ом.

Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник , по которому проходит ток в 1 А при разности потенциала на его концах, равной 1 В.

Проводимость. Всякий проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости назы­вается сименсом (См).

О способности проводить электрический ток различных материалов можно судить по их удельному электрическому сопротивлению (ро) – сопротивление проводника длиной 1м, сечением 1 мм .

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.

Для металлов зависимость сопротивления от температуры выражается формулой:

где — при начальной температуре;

— изменение температур;

— температурный коэффициент, какая доля соответствует изменению сопротивления проводника от начальной величины при изменении температуры на 1°С.

При увеличении температуры сопротивление проводников увеличивается.

2>

Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 2126; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Узнать еще:

Проводники и резисторы

75 Ом резистор, как это определено электронный цветовой код (фиолетовый – зеленый – черный – золотой – красный). An омметр можно использовать для проверки этого значения.
Вещества, в которых может течь электричество, называются проводники. Кусок проводящего материала с определенным сопротивлением, предназначенный для использования в цепи, называется резистор. Проводники изготавливаются из высоко-проводимость материалы, такие как металлы, в частности медь и алюминий. С другой стороны, резисторы изготавливаются из самых разных материалов в зависимости от таких факторов, как желаемое сопротивление, количество энергии, которое необходимо рассеять, точность и стоимость.

Удельное сопротивление различных материалов

Говорить об удельном сопротивлении можно только при наличии элементов, проводящих ток, так как диэлектрики обладают бесконечным или близким к нему электросопротивлением. В отличие от них, металлы — очень хорошие проводники тока. Измерить электросопротивление металлического проводника можно с помощью прибора миллиомметра, или еще более точного — микроомметра. Значение измеряется между их щупами, приложенными к участку проводника. Они позволяют проверить цепи, проводку, обмотки двигателей и генераторов.

Металлы разнятся между собой по способности проводить ток. Удельное сопротивление различных металлов — параметр, характеризующий это отличие. Данные приведены при температуре материала 20 градусов по шкале Цельсия:

• Серебро (ρ = 0,01498 Ом•мм2/м);
• Алюминий (ρ = 0,027);

• Читайте также:  Реле времени своими руками: обзор 3-х вариантов самоделок
• Ртуть (ρ = 0,94);
• Золото (ρ = 0,023);
• Железо (ρ = 0,1);
• Вольфрам (ρ = 0,0551);
• Латунь (ρ = 0,026…0,109);
• Бронза (ρ = 0,095);
• Сталь (ρ = 0,103…0,14);
• Сплав никеля, марганца, железа и хрома — нихром (ρ = 1,051…1,398).

Параметр ρ показывает, каким сопротивлением будет обладать метровый проводник с сечением 1 мм2. Чем больше это значение, тем больше электросопротивление будет у нужного провода определенной длины. Наименьшее ρ, как видно из списка, у серебра, сопротивление одного метра из этого материала будет равно всего 0,015 Ом, но это слишком дорогой металл для использования его в промышленных масштабах. Следующим идет медь, которая в природе встречается гораздо чаще (не драгоценный, а цветной металл). Поэтому медная проводка очень распространена.

Закон Ома

Основная статья: Закон Ома

В вольт-амперные характеристики из четырех устройств: два резисторы, а диод, а аккумулятор. Горизонтальная ось — падение напряжения, вертикальная ось — Текущий. Закон Ома выполняется, когда график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Следовательно, два резистора
омический
, а вот диода и батареи нет.

Для многих материалов текущий я

через материал пропорционально напряжению
V
применяется по нему:
я ∝ V { Displaystyle I propto V}
в широком диапазоне напряжений и токов. Следовательно, сопротивление и проводимость объектов или электронных компонентов, изготовленных из этих материалов, постоянны. Это отношение называется Закон Ома, а материалы, которые ему подчиняются, называются омический

материалы. Примерами омических компонентов являются провода и резисторы. В график ток – напряжение омического устройства состоит из прямой линии через начало координат с положительным склон.

Другие компоненты и материалы, используемые в электронике, не подчиняются закону Ома; ток не пропорционален напряжению, поэтому сопротивление зависит от напряжения и тока через них. Они называются нелинейный

или же
неомический
. Примеры включают диоды и флюоресцентные лампы. Вольт-амперная кривая безомного устройства представляет собой изогнутую линию.

Электрическое сопротивление, проводимость и особенности этих понятий

По смыслу понятия электрическое сопротивление проводника — это состояние тела, среды, при которой переводит объемы электрической энергии к тепловой за время прохождения внутри него электрических зарядов. Для изменения тока внутри цепи применяют реостат, который служит электрическим сопротивлением. Устройство представляет собой намотку проволоки на изолирующую основу. За счет длинного проводника с небольшим поперечным сечением ток получает эффективное сопротивление.

При совмещении проводников разных материалов одинаковой длины и сечения проводимость тока будет разной. Соответственно, плотность, консистенция изделия имеет первостепенное значение для проводника. Также показатель может изменяться из-за температуры. У металлов эта величина увеличивается прямо пропорционально повышению градусов. Исключение составляют некоторые виды сплавов, у которых уровень сопротивляемости остается прежним.

Измерение выполняется в Омах. Чтобы сравнивать какие-либо виды материалов на предмет сопротивляемости, используют стандартную длину и величину сечения. Можно наглядно изучить процесс сопротивления. Для этого достаточно использовать два обычных лезвия для станков старого образца, подключить их к сети питания при помощи проводов и погрузить металлические части в емкость с водой. За счет сопротивления, образованного в проводниках, происходит нагрев металлических пластин, и вода постепенно закипает.

Объяснить этот процесс с точки зрения электротехнической теории можно так. Движение свободных электронов внутри проводника происходит одновременно со столкновением на их пути атомов, других электронов. При встрече этих элементов происходит взаимодействие, из-за которого заряженные частицы оставляют свою энергию.

Если уровень сопротивления проводника увеличивается, то проводимость электрического тока снижается. Исходя из этого вытекает следующее понятие — проводимость. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению, потому он выражает показатель способности проводника пропуск электрического тока. Чтобы получить эту величину, достаточно единицу поделить на сопротивление. Измеряют проводимость величиной, называемой сименс.

Познавая основы электротехники еще в школе, можно научиться правильно применять те или иные материалы на практике, что благоприятно сказывается на развитии техники. Так, одним из достижений электротехники стало появление такого устройства как тиристорный привод.

Подготовлено

Связь с удельным сопротивлением и проводимостью

Основная статья: Удельное электрическое сопротивление и проводимость

Кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах.

Сопротивление данного объекта зависит в первую очередь от двух факторов: из какого материала он сделан и его формы. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения; например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем идентичный во всем остальном тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный во всем остальном короткий медный провод. Сопротивление р и проводимость грамм проводника с однородным поперечным сечением, следовательно, можно рассчитать как

р = ρ ℓ А , грамм = σ А ℓ . { displaystyle { begin {align} R & = rho { frac { ell} {A}}, [5pt] G & = sigma { frac {A} { ell}}. end {выровнено }}}

куда ℓ { displaystyle ell} длина проводника, измеренная в метры (м), А

это площадь поперечного сечения проводника, измеренная в квадратные метры (м2), σ (сигма) это электрическая проводимость измеряется в Сименс на метр (См · м−1) и ρ () это удельное электрическое сопротивление (также называемый
удельное электрическое сопротивление
) материала, измеряемого в ом-метрах (Ом · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и поэтому зависят только от материала, из которого сделан провод, а не от его геометрии. Удельное сопротивление и проводимость взаимные: ρ = 1 / σ { Displaystyle rho = 1 / sigma} . Удельное сопротивление — это мера способности материала противостоять электрическому току.

Эта формула не точна, так как предполагает плотность тока полностью однороден в проводнике, что не всегда верно в практических ситуациях. Однако эта формула по-прежнему дает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.

Другая ситуация, для которой эта формула не точна, связана с переменный ток (AC), потому что скин эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. По этой причине геометрический

поперечное сечение отличается от
эффективный
поперечное сечение, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Точно так же, если два проводника рядом друг с другом пропускают переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффект близости. В промышленная частота сети, эти эффекты значительны для больших проводников, по которым проходят большие токи, такие как шины в электрическая подстанция,[3] или большие силовые кабели, выдерживающие более нескольких сотен ампер.

Удельное сопротивление разных материалов сильно различается: например, проводимость тефлон около 1030 в разы ниже, чем проводимость меди. Грубо говоря, это связано с тем, что металлы имеют большое количество «делокализованных» электронов, которые не застревают ни в одном месте, поэтому они могут свободно перемещаться на большие расстояния. В изоляторе, таком как тефлон, каждый электрон прочно связан с одной молекулой, поэтому требуется большая сила, чтобы отвести его. Полупроводники лежат между этими двумя крайностями. Подробнее читайте в статье: Удельное электрическое сопротивление и проводимость. В случае электролит решения см. в статье: Электропроводность (электролитическая).

Удельное сопротивление зависит от температуры. В полупроводниках удельное сопротивление также изменяется под воздействием света. Видеть ниже.

Электрический ток, проводимость, сопротивление

Электрический ток

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов в веществе

или в вакууме под воздействием электрического поля.

Носителями зарядов, движение которых создаёт электрический ток, служат:

— в металлах — свободные электроны;

— в жидкостях и газах — ионы.

Сила токаопределяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени:

где: I — сила тока (А)

Q = — количество электричества (Кл)

е

— заряд одного электрона

n — количество электронов

t — время (с)

Плотность токапредставляет собой отношение тока к площади поперечного сечения проводника:

где: J — плотность тока (А\мм2илиА\м2)

I — сила тока (А) S — площадь поперечного сечения проводника ).

Постояннымназывается электрический ток, величина и направление которого не

меняются в зависимости от времени.

Переменнымназывается ток, который периодически изменяется как по величине,

так и по знаку.

Непосредственно наблюдать электрический ток человек не может , о наличии тока судят по сопровождающим его явлениям. Действия тока: тепловое (световое), химическое,

электродинамическое, магнитное.

Человек ощущает ток начиная с 5 мА, при возрастании до 50 мА он становится опасным для

жизни. Для примера: ток ламп накаливания 0,1 — 1 А, электрической плитки 1,5 — 5 А, электродвигателей средней мощности 5-25 А, , в металлургических установках 50 кА.

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)

Еп — напряжённость поля (В\м)

J- плотность тока (А\м2)

Общее сопротивлениепроводника или резистора определяется по формуле:

где: R — электрическое сопротивление (Ом) — удельное сопротивление (Ом\м)

l — длина проводника (м)

S — площадь сечения проводника (м2)

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):

g=1\R

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью:

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов в веществе или в вакууме под воздействием электрического поля.

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.

Типичные сопротивления

Смотрите также: Удельное электрическое сопротивление элементов (страница данных) и Удельное электрическое сопротивление и проводимость

Комплексное сопротивление и проводимость цепи

При расчете цели комплексным метолом вводится понятие комплексного сопротивления (проводимости).

Комплексным сопротивлением Z называется отношение комплексного напряжения к комплексному току, вызванному этим напряжением:

Применяют три формы записи комплексное сопротивления:

где — полное сопротивление току; — активное сопротивление; — реактивное сопротивление; — разность фаз напряжения и тока.

Комплексной проводимостью называется отношение комплексного тока к комплексному напряжению

На основании выражения (1.9)

где —полная проводимость; —активная проводимость; — реактивная проводимость.

Составляющие сопротивления и проводимости связаны между собой следующими соотношениями:

Примечание. Понятия комплексное сопротивление и комплексная проводимость могут относиться ко всей цепи, к части цепи или к ее отдельным элементам.

Цепи переменного тока

Импеданс и допуск

Основные статьи: Электрический импеданс и Прием

Когда через цепь протекает переменный ток, соотношение между током и напряжением на элементе схемы характеризуется не только соотношением их величин, но и разницей в их величинах. фазы. Например, в идеальном резисторе в момент, когда напряжение достигает своего максимума, ток также достигает своего максимума (ток и напряжение колеблются синфазно). Но для конденсатор или же индуктор, максимальный ток возникает, когда напряжение проходит через ноль и наоборот (ток и напряжение колеблются на 90 ° не в фазе, см. изображение ниже). Сложные числа используются для отслеживания фазы и величины тока и напряжения:

ты ( т ) = р е ( U 0 ⋅ е j ω т ) , я ( т ) = р е ( я 0 ⋅ е j ( ω т + φ ) ) , Z _ = U _ я _ , Y _ = я _ U _ { Displaystyle и (т) = { mathfrak {Re}} left (U_ {0} cdot e ^ {j omega t} right), quad i (t) = { mathfrak {Re}} left (I_ {0} cdot e ^ {j ( omega t + varphi)} right), quad { underline {Z}} = { frac { underline {U}} { underline {I }}}, quad { underline {Y}} = { frac { underline {I}} { underline {U}}}} Напряжение (красный) и ток (синий) в зависимости от времени (горизонтальная ось) для конденсатор (вверху) и индуктор (Нижний). Поскольку амплитуда тока и напряжения синусоиды такие же, абсолютная величина из сопротивление равно 1 как для конденсатора, так и для катушки индуктивности (в любых единицах измерения на графике). С другой стороны, разность фаз между током и напряжением -90 ° для конденсатора; Следовательно сложная фаза из сопротивление конденсатора составляет -90 °. Точно так же разность фаз между током и напряжением + 90 ° для индуктора; следовательно, комплексная фаза полного сопротивления катушки индуктивности составляет + 90 °.

куда:

• т
  время,
• u (t)
  и
  Это)
  — соответственно напряжение и ток как функция времени,
• U0
  и
  я0
  указать амплитуду напряжения соответствующего тока,
• ω { displaystyle omega} это угловая частота переменного тока,
• φ { displaystyle varphi} угол смещения,
• U
  ,
  я
  ,
  Z
  , и
  Y
  комплексные числа,
• Z
  называется сопротивление,
• Y
  называется допуск,
• Re указывает реальная часть,
• j = − 1 { displaystyle j = { sqrt {-1}}} это мнимая единица.

Импеданс и проводимость могут быть выражены как комплексные числа, которые можно разбить на действительную и мнимую части:

Z _ = р + j Икс , Y _ = грамм + j B { displaystyle { underline {Z}} = R + jX, quad { underline {Y}} = G + jB}

куда р

и
грамм
сопротивление и проводимость соответственно,
Икс
является реактивное сопротивление, и
B
является восприимчивость. Для идеальных резисторов
Z
и
Y
сократить до
р
и
грамм
соответственно, но для сетей переменного тока, содержащих конденсаторы и индукторы,
Икс
и
B
ненулевые.

Z _ = 1 / Y _ { displaystyle { underline {Z}} = 1 / { underline {Y}}} для цепей переменного тока, как и р = 1 / грамм { Displaystyle R = 1 / G} для цепей постоянного тока.

Частотная зависимость сопротивления

Ключевой особенностью цепей переменного тока является то, что сопротивление и проводимость могут зависеть от частоты, это явление известно как универсальный диэлектрический отклик.[8] Одна из причин, упомянутых выше, — это скин эффект (и связанные эффект близости). Другая причина заключается в том, что само сопротивление может зависеть от частоты (см. Модель Друде, ловушки глубокого уровня, резонансная частота, Отношения Крамерса – Кронига, так далее.)

Сопротивление и проводимость

Стр 1 из 12Следующая ⇒

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют его молекулы и атомы. Величина, характеризующая противодействие электрической цепи прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением (сопротивлением).

Сопротивление обозначается буквой R, единица измерения 1 Ом.

Для оценки электрических свойств материала проводника служит удельное сопротивление ρ – это сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2.

Сопротивление проводника зависит от материала (удельного сопротивления), длины Lи поперечного сечения S, а также температуры. В металлических проводниках с ростом температуры сопротивление увеличивается.

Электропроводность вещества (проводимость) – это свойство вещества проводить электрический ток. Это величина обратная сопротивлению, обозначается g, измеряется в сименсах, См.

В зависимости от электропроводности все вещества делятся на:

— проводники (хорошо проводят электрический ток) – металлы, растворы солей, кислот, щелочей, уголь, графит. В электротехнике для изготовления проводов используют алюминий и медь;

— диэлектрики (изоляторы) – практически не проводят электрический ток. к ним относятся: воздух, газы, слюда, пластмассы, фарфор, лаки, эмали, каучук и т.д.

— полупроводники – по проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (кремний, германий)

Закон Ома

Закон Ома выражает соотношение между ЭДС (напряжением), сопротивлением и силой тока.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке электрической цепи равна напряжению на зажимах этого участка, деленному на его сопротивление.

Закон Ома для электрической цепи (замкнутой)

Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Полное сопротивление равно сумме внешнего R и внутреннего r сопротивлений. Внутреннее сопротивление – это сопротивление источника электрического тока.

Для измерения силы тока в цепи используется амперметр, он включается в цепь последовательно (цепь тока разрывается и в месте разрыва концы проводов присоединяются к зажимам амперметра).

Для измерения напряжения применяют вольтметр, он включается параллельно.

Схема включения амперметра и вольтметра

Работа и мощность электрического тока

Проходя по проводнику, электрический ток совершает работу, которую обычно называют электрической энергией.

Электрическая энергия (W) или работа (A), совершаемая электрическим током, равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения.

Работа измеряется в джоулях, Дж, электрическую энергию обычно измеряют в киловатт-часах, кВт*ч, т.к. джоуль очень маленькая единица измерения.

1 кВт*ч=3600000 Дж

Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду.

Мощность обозначается буквой Р и измеряется в ваттах, Вт.

Для измерения мощности применяются ваттметры, а для измерения электрической энергии – электрические счетчики.

Тепловое действие тока. Закон Джоуля — Ленца.

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновения с атомами проводник нагревается. Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля – Ленца.

Количество выделенного тепла Q, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Количество тепла измеряется в джоулях, Дж.

Закон Кирхгофа

Сумма токов, входящих в узел равна сумме токов, выходящих из узла.

Узел – это точка. в которой соединяются три и более проводов.

Термины применяемые в электроэнергетике

1Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Рассеяние энергии и джоулев нагрев

Основная статья: Джоулевое нагревание

Пропускание тока через материал с сопротивлением вызывает нагревание в явлении, называемом Джоулевое нагревание. На этой картинке патронный нагреватель, нагретая джоулевым нагревом, пылающий докрасна.

Резисторы (и другие элементы с сопротивлением) препятствуют прохождению электрического тока; следовательно, для проталкивания тока через сопротивление требуется электрическая энергия. Эта электрическая энергия рассеивается, нагревая при этом резистор. Это называется Джоулевое нагревание

(после Джеймс Прескотт Джоуль), также называемый
омический нагрев
или же
резистивный нагрев
.

Рассеивание электрической энергии часто нежелательно, особенно в случае потери при передаче в линии электропередач. Передача высокого напряжения помогает снизить потери за счет уменьшения тока для заданной мощности.

С другой стороны, джоулева нагревание иногда полезно, например, в электрические плиты и другие электрические обогреватели (также называемый резистивные нагреватели

). Другой пример: лампы накаливания полагаются на джоулев нагрев: нить накаливания нагревается до такой высокой температуры, что она светится добела тепловое излучение (также называемый накал).

Формула для джоулева нагрева:

п = я 2 р { displaystyle P = I ^ {2} R}

куда п

это мощность (энергия в единицу времени) преобразованная из электрической энергии в тепловую,
р
сопротивление, а
я
ток через резистор.

Зависимость сопротивления от других условий

Температурная зависимость

Основная статья: Удельное электрическое сопротивление и проводимость § Температурная зависимость

Вблизи комнатной температуры удельное сопротивление металлов обычно увеличивается с повышением температуры, тогда как удельное сопротивление полупроводников обычно уменьшается с повышением температуры. Удельное сопротивление изоляторов и электролитов может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от системы. Подробное описание поведения и объяснение см. Удельное электрическое сопротивление и проводимость.

Как следствие, сопротивление проводов, резисторов и других компонентов часто изменяется с температурой. Этот эффект может быть нежелательным и вызывать сбои в работе электронной схемы при экстремальных температурах. Однако в некоторых случаях эффект находит хорошее применение. Когда термозависимое сопротивление компонента используется целенаправленно, компонент называется термометр сопротивления или же термистор. (Термометр сопротивления изготовлен из металла, обычно платины, а термистор — из керамики или полимера.)

Термометры сопротивления и термисторы обычно используются двумя способами. Во-первых, их можно использовать как термометры: Измеряя сопротивление, можно определить температуру окружающей среды. Во-вторых, их можно использовать вместе с Джоулевое нагревание (также называемый самонагревом): если через резистор проходит большой ток, температура резистора повышается, и, следовательно, его сопротивление изменяется. Следовательно, эти компоненты могут использоваться в роли защиты цепей, аналогичной предохранители, или для Обратная связь в схемах или для многих других целей. Как правило, самонагрев может превратить резистор в нелинейный и гистерезисный элемент схемы. Подробнее см. Термистор # Эффекты самонагрева.

Если температура Т

не сильно различается, линейное приближение обычно используется:
р ( Т ) = р 0 [ 1 + α ( Т − Т 0 ) ] { Displaystyle R (T) = R_ {0} [1+ альфа (T-T_ {0})]}
куда α { displaystyle alpha} называется температурный коэффициент сопротивления

, Т 0 { displaystyle T_ {0}} — фиксированная эталонная температура (обычно комнатная), и р 0 { displaystyle R_ {0}} сопротивление при температуре Т 0 { displaystyle T_ {0}} . Параметр α { displaystyle alpha} — эмпирический параметр, подобранный на основе данных измерений. Поскольку линейное приближение — это только приближение, α { displaystyle alpha} отличается для разных эталонных температур. По этой причине обычно указывается температура, при которой α { displaystyle alpha} был измерен с суффиксом, например α 15 { displaystyle alpha _ {15}} , и эта связь сохраняется только в диапазоне температур вокруг эталона.[9]

Температурный коэффициент α { displaystyle alpha} обычно + 3 × 10−3 K−1 до + 6 × 10−3 K−1 для металлов близкой к комнатной температуре. Для полупроводников и диэлектриков он обычно отрицательный и имеет очень различную величину.[e]

Зависимость от деформации

Основная статья: Тензодатчик

Подобно тому, как сопротивление проводника зависит от температуры, сопротивление проводника зависит от напряжение. Поместив проводник под напряжение (форма стресс что приводит к деформации в виде растяжения проводника), длина растянутого участка проводника увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается.Оба эти эффекта способствуют увеличению сопротивления напряженного участка проводника. Под сжатие (деформации в обратном направлении) сопротивление деформированного участка проводника уменьшается. См. Обсуждение на тензодатчики для получения подробной информации об устройствах, созданных для использования этого эффекта.

Зависимость от освещенности

Основные статьи: Фоторезистор и Фотопроводимость

Некоторые резисторы, особенно изготовленные из полупроводники, выставка фотопроводимость

, что означает, что их сопротивление изменяется, когда на них светит свет. Поэтому их называют
фоторезисторы
(или же
светозависимые резисторы
). Это распространенный тип детектор света.

Электрическое сопротивление и проводимость. Единицы измерений

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом. В общем виде 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 также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω. 1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ), 1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления 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.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Электрическая проводимость или, иначе, электропроводность является обратной величиной по отношению к сопротивлению. Обозначается проводимость буквой G.

G = 1/R

В системе СИ электропроводность измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). В гауссовой системе и в СГСЭ используют статсименс, а СГСМ — абсименс.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога — все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью — материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника — основателя фирмы Siemens — Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом. В общем виде 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 также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω. 1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ), 1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления 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.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Электрическая проводимость или, иначе, электропроводность является обратной величиной по отношению к сопротивлению. Обозначается проводимость буквой G.

G = 1/R

В системе СИ электропроводность измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). В гауссовой системе и в СГСЭ используют статсименс, а СГСМ — абсименс.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога — все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью — материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника — основателя фирмы Siemens — Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Сверхпроводимость

Основная статья: Сверхпроводимость

Сверхпроводники являются материалами, которые имеют точно нулевое сопротивление и бесконечную проводимость, потому что они могут иметь V = 0 и I 0. Это также означает, что нет джоулевое нагревание, или другими словами нет рассеяние электроэнергии. Следовательно, если сверхпроводящий провод превратить в замкнутый контур, ток будет течь по нему бесконечно. Сверхпроводники требуют охлаждения до температур около 4 K с жидкий гелий для большинства металлических сверхпроводников, таких как ниобий-олово сплавы, или охлаждение до температуры около 77 K с жидкий азот для дорогой, хрупкой и нежной керамики высокотемпературные сверхпроводники. Тем не менее, есть много технологические приложения сверхпроводимости, включая сверхпроводящие магниты.

Основные законы токопрохождения в линейных электрических цепях

Закон Ома: Определяет связь между током, напряжением и сопротивлением пассивного элемента (ветви, участка цепи, цепи). Вещественная форма закона применима только для сопротивления:

Закон Ома в комплексной форме справедлив для любого пассивного элемента:

Первый закон Кирхгофа: Определяет баланс токов в любом узле электрической цепи. Его можно представить о вещественной

или в комплексной форме

где — число ветвей, соединенных в данном узле.

Второй закон Кирхгофа. Определяет баланс напряжений в любом замкнутом контуре цепи:

где — число пассивных элементов в замкнутом контуре: —число источников, включенных в данный контур.

Связь между синусоидальными током и напряжением в пассивных элементах

В сопротивлении вещественная форма записи связи между током и напряжением определяется по закону Ома:

В комплексной форме (изображения) определяются выражениями:

В сопротивлении ток и напряжение всегда синфазны, т. е.

В индуктивности напряжение и ток связаны соотношениями:

Запишем эти выражения в комплексной форме:

где — комплексное сопротивление индуктивности; — индуктивное сопротивление;

— комплексная проводимость индуктивности;— индуктивная проводимость.

Из формул (1.20) и (1.21) видно, что ток в индуктивности отстает по фазе от приложенного напряжения на угол .

В емкости напряжение и ток связаны соотношениями:

В комплексной форме выражения (1.22) принимают вид:

где — комплексное сопротивление емкости; — емкостное сопротивление; — комплексная проводимость емкости; — емкостная проводимость.

Из формул (1.22) и (1.23) видно, что ток в емкости опережает по фазе приложенное напряжение на угол .

Диаграммы токов и напряжений

Для большей наглядности при анализе процессов и расчете пеней используют временные и векторные диаграммы.

Временной диаграммой называют графики мгновенных значений токов и напряжений на координатной плоскости вдоль вещественной оси времени (рис. 1.4). Начальная фаза отчитывается ох нуля синусоиды (или от максимума косинусоиды) к началу координат. Начальная фаза положительная, если направление отсчета совпадает с направлением оси времени.

Фазовый сдвиг напряжения и тока отсчитывается по направлению от нуля напряжения к нулю тока. Если это направление совпадает с направлением оси времени, то фазовый сдвиг положительный.

Векторной диаграммой называют совокупность векторов, построенных на комплексной плоскости с соблюдением взаимной ориентации по фазе. Длина вектора пропорциональна aмплетуде колебания.

Все векторы во времени вращаются против часовой стрелки со скоростью . На рис.1.5 показана векторная диаграмма, соответствующая временной диаграмме, приведенной на рис. 1.4.

Начальная фаза отсчитывается от вещественной оси к вектору. Фазовый сдвиг отсчитывается от вектора тока к вектору напряжения. Начальная фаза и фазовый сдвиг положительны, если направление их отсчета совпадает с направлением вращения вектора (против часовой стрелки).

Смотрите также

• Электронный портал

• Квант проводимости Постоянная фон Клитцинга (его обратное)

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

• ρ — это удельное сопротивление материала;
• R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
• S — поперечное сечение;
• l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм 2 /м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм 2 ). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Сноски

1. Удельное сопротивление меди около 1,7 × 10−8 Ωm. Видеть
   Риттер (2004).[4]
2. Для новой щелочной батареи Energizer E91 AA внутреннее сопротивление изменяется от 0,9 Ом при –40 ° C до 0,1 Ом при +40 ° C.[6]
3. Лампочка на 60 Вт (в США — на 120 В сети электроэнергии) потребляет среднеквадратичный ток 60 Вт/120 В = 500 мА, поэтому его сопротивление 120 В/500 мА = 240 Ом. Сопротивление лампочки 60 Вт в Европе (сеть 230 В) составляет 900 Ом. Сопротивление нити накала зависит от температуры; Эти значения относятся к тому моменту, когда нить накала уже нагрета и свет уже горит.
4. 100000 Ом для контакта с сухой кожей, 1000 Ом для контакта с влажной или поврежденной кожей. Высокое напряжение разрушает кожу, снижая сопротивление до 500 Ом. Также важны другие факторы и условия. Подробнее см. поражение электрическим током статья, и NIOSH 98-131.[7]
5. Видеть Удельное электрическое сопротивление и проводимость для стола. Температурный коэффициент удельного сопротивления аналогичен температурному коэффициенту сопротивления, но не идентичен ему. Небольшая разница связана с тепловое расширение изменение габаритов резистора.

Зависимость от других условий [ править ]

Температурная зависимость [ править ]

Основная статья: Удельное электрическое сопротивление и проводимость § Температурная зависимость

Вблизи комнатной температуры удельное сопротивление металлов обычно увеличивается с повышением температуры, в то время как удельное сопротивление полупроводников обычно уменьшается с повышением температуры. Удельное сопротивление изоляторов и электролитов может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от системы. Подробное описание поведения и объяснение см. В разделе Электрическое сопротивление и проводимость .

Как следствие, сопротивление проводов, резисторов и других компонентов часто изменяется с температурой. Этот эффект может быть нежелательным и вызывать сбои в работе электронной схемы при экстремальных температурах. Однако в некоторых случаях эффект находит хорошее применение. Когда термозависимое сопротивление компонента используется целенаправленно, компонент называется термометром сопротивления или термистором . (Термометр сопротивления изготовлен из металла, обычно платины, а термистор — из керамики или полимера.)

Термометры сопротивления и термисторы обычно используются двумя способами. Во-первых, их можно использовать в качестве термометров : измеряя сопротивление, можно определить температуру окружающей среды. Во-вторых, они могут использоваться в сочетании с джоулевым нагревом (также называемым самонагревом): если через резистор проходит большой ток, температура резистора повышается и, следовательно, его сопротивление изменяется. Следовательно, эти компоненты могут использоваться для защиты цепей, как предохранители , или для обратной связи в цепях, или для многих других целей. Как правило, самонагрев может превратить резистор в нелинейный и гистерезисный элемент схемы. Подробнее см.Термистор # Эффекты самонагрева .

Если температура T

не меняется слишком сильно, обычно используется линейное приближение :
R ( T ) = R 0 [ 1 + α ( T − T 0 ) ] {\displaystyle R(T)=R_{0}[1+\alpha (T-T_{0})]}
где называется температурным коэффициентом сопротивления

, — фиксированная эталонная температура (обычно комнатная температура) и — сопротивление при температуре . Параметр представляет собой эмпирический параметр, подобранный на основе данных измерений. Поскольку линейное приближение — это только приближение, оно отличается для разных эталонных температур. По этой причине обычно указывается температура, которая была измерена при помощи суффикса, например , и соотношение сохраняется только в диапазоне температур вокруг эталона. [9] α {\displaystyle \alpha } T 0 {\displaystyle T_{0}} R 0 {\displaystyle R_{0}} T 0 {\displaystyle T_{0}} α {\displaystyle \alpha } α {\displaystyle \alpha } α {\displaystyle \alpha } α 15 {\displaystyle \alpha _{15}}

Температурный коэффициент обычно составляет от + 3 × 10 −3 K −1 до + 6 × 10 −3 K −1 для металлов, близких к комнатной температуре. Для полупроводников и диэлектриков он обычно отрицательный и имеет очень различную величину. [e] α {\displaystyle \alpha }

Зависимость от деформации [ править ]

Основная статья: тензодатчик

Подобно тому, как сопротивление проводника зависит от температуры, сопротивление проводника зависит от деформации . Помещая проводник под натяжение (форма напряжения, которая приводит к деформации в виде растяжения проводника), длина растянутого участка проводника увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается. Оба эти эффекта способствуют увеличению сопротивления напряженного участка проводника. При сжатии (деформации в обратном направлении) сопротивление деформированного участка проводника уменьшается. См. Обсуждение тензодатчиков для получения подробной информации об устройствах, созданных для использования этого эффекта.

Зависимость от освещенности [ править ]

Основные статьи: Фоторезистор и фотопроводимость

Некоторые резисторы, особенно изготовленные из полупроводников , обладают фотопроводимостью

, что означает, что их сопротивление изменяется, когда на них попадает свет. Поэтому их называют
фоторезисторами
(или
светозависимыми резисторами
). Это распространенный тип световых детекторов .

Рекомендации

1. ^ аб
   Браун, Форбс Т. (2006).
   Динамика инженерных систем
   . CRC Press. п. 43. ISBN 978-0-8493-9648-9 .
2. ^ аб
   Кайзер, Кеннет Л. (2004).
   Справочник по электромагнитной совместимости
   . CRC Press. С. 13–52. ISBN 978-0-8493-2087-3 .
3. Финк и Бити (1923). «Стандартное руководство для инженеров-электриков». Природа
   (11-е изд.).
   111
   (2788): 17–19. Bibcode:1923Натура.111..458R. Дои:10.1038 / 111458a0. HDL:2027 / mdp.39015065357108. S2CID 26358546.
4. Риттер, Бриджит. «Факты 2004». hypertextbook.com
   .
5. Макдональд, Джон Д. (2016). Проектирование электрических подстанций
   (Второе изд.). CRC Press. стр. 363ff. ISBN 978-1-4200-0731-2 .
6. Внутреннее сопротивление батареи (PDF) (Отчет). Energizer Corp.
7. «Смерть рабочих от электрического тока» (PDF). Национальный институт охраны труда и здоровья. Публикация № 98-131. Получено 2 ноября 2014.
8. Чжай, Чунпу; Гань, Исян; Ханаор, Дориан; Пруст, Гвеналль (2018). «Электротранспорт в зависимости от напряжения и его универсальное масштабирование в сыпучих материалах». Письма об экстремальной механике
   .
   22
   : 83–88. arXiv:1712.05938. Дои:10.1016 / j.eml.2018.05.005. S2CID 51912472.
9. Уорд, М.Р. (1971). Электротехника
   . Макгроу-Хилл. С. 36–40.