Что называют удельным сопротивлением проводника кратко
Удельное сопротивление
Что такое удельное сопротивление
Удельное сопротивление (УС) — это свойство вещества оказывать сопротивление электротоку в момент прохождения через него.
Все вещества по способности проводить электрический ток делятся на:
Как образуется в материале проводимость
Причина того, что вещества оказывают сопротивление электрическому току, кроется в том, что движению электрического тока, представляющему собой направленное движение электрических зарядов, мешают ионы кристаллической решетки вещества, движущиеся беспорядочно. Это препятствие или сопротивление электротоку влияет на его скорость — она уменьшается.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Единицы измерения
В физике символом р принято обозначать удельную проводимость вещества. Она характеризует то вещество, из которого выполнен проводник. Ее значение равняется сопротивлению проводника, длина которого составляет 1 метр, а площадь сечения — 1 \(м^2.\)
Формула расчета удельного сопротивления
Удельное сопротивление рассчитывается по формуле:
Где R — сопротивление проводника, S — площадь его поперечного сечения, l — его длина.
От чего зависит сопротивление
УС зависит от температуры в различных материалах. Но меняется оно по-разному:
Температурный коэффициент электрического сопротивления — величина, которая учитывает изменение электрического сопротивления от температуры.
Связь с удельной проводимостью
Удельной электропроводностью называют величину, обратную удельному сопротивлению. Она обозначается символом k и измеряется в сименс/м.
Взаимосвязь двух величин выражает формула:
Электрическое сопротивление является свойством проводника и зависит от материала, размеров и формы вещества.
Удельное электрическое сопротивление — это свойство только вещества.
Удельное сопротивление различных материалов
В таблице приведены значения УС некоторых веществ:
Опытным путём было установлено, что у металлов удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.
Стекло и дерево имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток и являются изоляторами.
Проводник (электрический проводник)
Что такое проводник?
Проводник — это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.
Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер. (Подробнее про строение атома).
Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух — это ядро, а овцы вокруг него — это электроны.
Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.
То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.
В результате, такие электроны могут «оторваться» от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.
Сопротивление проводника
Удельное сопротивление
И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.
Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.
Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.
Формула удельного сопротивления проводника
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Площадь поперечного сечения проводника — это что-то типа этого:
площадь поперечного сечения проводника
Формула сопротивления проводника
Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м 2
l — длина проводника, м
Длина проводника
Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.
Отсюда получаем, что
Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм 2 /м.
Проводники на печатных платах
Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье «самый простой усилитель звука«, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.
Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают «проводки», которые уже называются «печатными дорожками».
В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).
На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы
Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.
Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:
Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.
Сверхпроводимость
Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.
Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.
Удельное сопротивление
Зависимость от температуры
В номинальной таблице удельное электрическое сопротивление берется при температуре 0 градусов Цельсия. Повышение показателей данного параметра при нагреве материала обусловлено тем, что интенсивность передвижения атомов в веществе начинает возрастать. Носители электрических зарядов хаотично рассеиваются во всех направлениях, что приводит к созданию препятствий при передвижении частиц. Величина электрического потока снижается.
При уменьшении температуры условия прохождения тока становятся лучше. При достижении определенной температуры, которая для каждого металла будет отличаться, появляется сверхпроводимость, при которой рассматриваемая характеристика почти достигает нуля.
Отличия в параметрах порой достигают очень больших значений. Те материалы, которые обладают высокими показателями, могут использовать в качестве изоляторов. Они помогают защищать проводку от замыкания и ненамеренного контакта с человеком. Некоторые вещества вообще не применимы для электротехники, если у них высокое значение этого параметра. Этому могут мешать другие свойства. Например, удельная электрическая проводимость воды не будет иметь большого значения для данный сферы. Здесь приведены значения некоторых веществ с высокими показателями.
| Материалы с высоким удельным сопротивлением | ρ (Ом·м) |
| Бакелит | 1016 |
| Бензол | 1015…1016 |
| Бумага | 1015 |
| Вода дистиллированная | 104 |
| Вода морская | 0.3 |
| Дерево сухое | 1012 |
| Земля влажная | 102 |
| Кварцевое стекло | 1016 |
| Керосин | 1011 |
| Мрамор | 108 |
| Парафин | 1015 |
| Парафиновое масло | 1014 |
| Плексиглас | 1013 |
| Полистирол | 1016 |
| Полихлорвинил | 1013 |
| Полиэтилен | 1012 |
| Силиконовое масло | 1013 |
| Слюда | 1014 |
| Стекло | 1011 |
| Трансформаторное масло | 1010 |
| Фарфор | 1014 |
| Шифер | 1014 |
| Эбонит | 1016 |
| Янтарь | 1018 |
Более активно в электротехнике применяются вещества с низкими показателями. Зачастую это металлы, которые служат проводниками. В них также наблюдается много различий. Чтобы узнать удельное электрическое сопротивление меди или других материалов, стоит посмотреть в справочную таблицу.
| Материалы с низким удельным сопротивлением | ρ (Ом·м) |
| Алюминий | 2.7·10-8 |
| Вольфрам | 5.5·10-8 |
| Графит | 8.0·10-6 |
| Железо | 1.0·10-7 |
| Золото | 2.2·10-8 |
| Иридий | 4.74·10-8 |
| Константан | 5.0·10-7 |
| Литая сталь | 1.3·10-7 |
| Магний | 4.4·10-8 |
| Манганин | 4.3·10-7 |
| Медь | 1.72·10-8 |
| Молибден | 5.4·10-8 |
| Нейзильбер | 3.3·10-7 |
| Никель | 8.7·10-8 |
| Нихром | 1.12·10-6 |
| Олово | 1.2·10-7 |
| Платина | 1.07·10-7 |
| Ртуть | 9.6·10-7 |
| Свинец | 2.08·10-7 |
| Серебро | 1.6·10-8 |
| Серый чугун | 1.0·10-6 |
| Угольные щетки | 4.0·10-5 |
| Цинк | 5.9·10-8 |
| Никелин | 0,4·10-6 |
Что такое электрическое сопротивление?
Ему можно дать определение исходя из двух позиций. Первая связана с формулой для закона Ома. И звучит оно так: электрическое сопротивление — это физическая величина, которая определяется как отношение напряжения в проводнике к силе тока, протекающего в нем. Математическая запись приведена немного ниже.
Вторая основывается на свойствах тела. Электрическое сопротивление проводника — это физическая величина, которая указывает на свойство тела преобразовывать энергию электричества в тепло. Оба этих утверждения верны. Только в школьном курсе чаще всего останавливаются на запоминании первого. Обозначается изучаемая величина буквой R. Единицы, в которых измеряется электрическое сопротивление, — Ом.
Связь с удельной проводимостью
В изотропных материалах связь между удельным сопротивлением ρ <\displaystyle \rho >и удельной проводимостью σ <\displaystyle \sigma >выражается равенством
В случае анизотропных материалов связь между компонентами тензора удельного сопротивления ρij<\displaystyle \rho _
Из этого равенства и приведённого ранее соотношения для Ei(r→)<\displaystyle E_(<\vec
где det(σ) <\displaystyle \det(\sigma )>— определитель матрицы, составленной из компонент тензора σij<\displaystyle \sigma _
Таблица удельного электрического сопротивления некоторых металлов
| Вид провода | ρ при 20℃, Ом-м |
| Серебряный | 1,59×10⁻⁸ |
| Медный | 1,67×10⁻⁸ |
| Золотой | 2,35×10⁻⁸ |
| Алюминиевый | 2,65×10⁻⁸ |
| Вольфрамовый | 5,65×10⁻⁸ |
| Никелевый | 6,84×10⁻⁸ |
| Железный | 9,7×10⁻⁸ |
| Платиновый | 1,06×10⁻⁷ |
| Стальной | 1,6×10⁻⁷ |
| Свинцовый | 2,06×10⁻⁷ |
| Дюралюминиевый | 4,0×10⁻⁷ |
| Нихромовый | 1,05×10⁻⁶ |
Удельное сопротивление абсолютно независимо от формы и размеров проводника, однако варьируется в широком диапазоне при отклонении температуры от принятого за стандартное значения, равного 20 градусам Цельсия. Практическим электротехническим путем доказано, что увеличение температуры повышает сопротивляемость металлов течению тока, с обратной стороны — вместе со снижением температуры она снижается. Примерно подсчитать, насколько существенным будет изменение, можно с учетом того, что всем металлам присущ почти одинаковый уровень прироста убыли данной величины, в среднем составляющий 0,4% на 1°С.
График сопротивления
Если же данный показатель нужно определить точно, то можно воспользоваться этой формулой:
ρ = ρ0 x (1 + α x (t — t))
, где ρ и ρ0 — соответственно удельные сопротивления при температурах t и t (20°С, табличное значение), α — температурный коэффициент сопротивления.
| Вид провода | α |
| Никелевый | 0,005866 |
| Железный | 0,005671 |
| Молибденовый | 0,004579 |
| Вольфрамовый | 0,004403 |
| Алюминиевый | 0,004308 |
| Медный | 0,004041 |
| Серебряный | 0,003819 |
| Платиновый | 0,003729 |
| Золотой | 0,003715 |
| Цинковый | 0,003847 |
| Стальной | 0,003 |
| Нихромовый | 0,00017 |
Так, к примеру, найдя в таблицах удельное сопротивление меди при 20 градусах Цельсия и ее температурный коэффициент, можно вычислить, что при нагреве до 100℃ ее сопротивление вырастет на 32%. Практически то же самое будет происходить с удельным сопротивлением алюминиевого кабеля с тем же коэффициентом (0,004). А вот удельное сопротивление стали повысится менее значительно — на 24%.
Нагрев
С увеличением температуры проводник насыщается тепловой энергией, передающейся всем атомам вещества. Этим обуславливается повышение интенсивности их теплового движения. Последний фактор и приводит к повышению сопротивляемости движению свободных электронов в определенном направлении, поскольку возрастает вероятность встречи свободных электронов с атомами. Когда температура снижается, меньшее количество атомов может препятствовать направленному движению электронов, следовательно, происходит обратное. В результате колоссального спада температуры возникает интереснейшее явление, называемое «сверхпроводимостью металлов»: сопротивляемость уменьшается до нуля в условиях, близких к абсолютному нулю (-273,15℃). В таких кондициях атомы металла замирают на своих позициях, и электроны движутся без каких-либо препятствий.
Сверхпроводимость
Понятие электрического сопротивления проводника
Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.
Наглядный пример – нагрев воды кипятильником
В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:
R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).
Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.
Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).
К сведению. Количество жидкости, проходящее за единицу времени через контрольное сечение трубы, – эквивалент электрической мощности.
От чего и как зависит сопротивление?
Во-первых, от вещества, из которого изготовлен проводник. Чем больше значение, которое имеет удельное электрическое сопротивление, тем хуже он будет проводить ток.
Во-вторых, от длины провода. И здесь зависимость прямая. С увеличением длины сопротивление возрастает.
В-третьих, от толщины. Чем толще проводник, тем меньше у него сопротивление.
И наконец, в-четвертых, от температуры проводника. И здесь все не так однозначно. Если речь идет о металлах, то их электрическое сопротивление возрастает по мере нагревания. Исключение составляют некоторые специальные сплавы — их сопротивление практически не изменяется при нагревании. К ним относятся: константан, никелин и манганин. Когда же нагреваются жидкости, то их сопротивление уменьшается.
Что такое сопротивление медного провода
В металлах ток образуется при появлении электрического поля. Оно «заставляет» двигаться электроны упорядоченно, в одном направлении. Электроны дальних орбит атома, слабо удерживаемые ядром, формируют ток.
Медные провода
При прохождении отрицательных частиц сквозь кристаллическую решетку молекул меди, они сталкиваются с атомами и другими электронами. Возникает препятствие или сопротивление направленному движению частиц.
Для оценки противодействия току была введена величина «электрическое сопротивление» или «электрический импеданс». Обозначается она буквой «R» или «r». Вычисляется сопротивление по формуле Георга Ома: R=, где U — разность потенциалов или напряжение, действующее на участке цепи, I — сила тока.
Понятие сопротивления
Важно! Чем выше значение импеданса металла, тем меньший ток проходит по нему, и именно медные проводники так широко распространены в электротехнике, благодаря этому свойству. Исходя из формулы Ома, на величину тока влияет приложенное напряжение при постоянном R
Но резистентность медных проводов меняется, в зависимости от их физических характеристик и условий эксплуатации
Исходя из формулы Ома, на величину тока влияет приложенное напряжение при постоянном R. Но резистентность медных проводов меняется, в зависимости от их физических характеристик и условий эксплуатации.
Температурная зависимость ρ(Т)
Для большинства материалов проведены многочисленные эксперименты по измерению значений удельных сопротивлений. Данные по большинству проводников можно найти в справочных таблицах.
Удельное сопротивление металлов и сплавов, Ом*мм2/м