Что называют удельным сопротивлением удельной электропроводностью проводника
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.
| Удельное сопротивление | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
,
| Материал | Удельное сопротивление, ρ (Ом · м) |
|---|---|
| Сверхпроводники | 0 |
| Металлы | 10 −8 |
| Полупроводники | Переменная |
| Электролиты | Переменная |
| Изоляторы | 10 16 |
| Суперизоляторы | ∞ |
10 −13
От 10 −15 до 10 −9
Металлические вещества отличаются от всех других материалов тем, что внешние оболочки их атомов связаны довольно непрочно и часто позволяют одному из своих электронов выходить на свободу. Таким образом, внутренняя часть металла заполнена большим количеством непривязанных электронов, которые бесцельно путешествуют, как толпа перемещенных лиц. Когда на металлическую проволоку действует электрическая сила, приложенная к ее противоположным концам, эти свободные электроны устремляются в направлении силы, образуя то, что мы называем электрическим током.
С технической точки зрения, модель свободных электронов дает базовое описание электронного потока в металлах.
Температурная зависимость
Линейное приближение
Удельное электрическое сопротивление большинства материалов изменяется с температурой. Если температура T не меняется слишком сильно, обычно используется линейное приближение :
Металлы
В общем, удельное электрическое сопротивление металлов увеличивается с температурой. Электрон- фононные взаимодействия могут играть ключевую роль. При высоких температурах сопротивление металла линейно увеличивается с температурой. Когда температура металла понижается, температурная зависимость удельного сопротивления подчиняется степенной функции температуры. Математически температурная зависимость удельного сопротивления металла ρ может быть аппроксимирована формулой Блоха – Грюнайзена:
Закон Видемана – Франца
Закон Видемана – Франца гласит, что коэффициент электропроводности металлов при нормальных температурах обратно пропорционален температуре:
При высоких температурах металла закон Видемана-Франца выполняется:
Полупроводники
Еще лучшее приближение температурной зависимости удельного сопротивления полупроводника дается уравнением Стейнхарта – Харта :
Внешние (легированные) полупроводники имеют гораздо более сложный температурный профиль. При повышении температуры, начиная с абсолютного нуля, их сопротивление сначала резко уменьшается, поскольку носители покидают доноры или акцепторы. После того, как большинство доноров или акцепторов потеряли своих носителей, сопротивление снова начинает немного увеличиваться из-за уменьшения подвижности носителей (как в металле). При более высоких температурах они ведут себя как собственные полупроводники, поскольку носители от доноров / акцепторов становятся незначительными по сравнению с носителями, генерируемыми термически.
В некристаллических полупроводниках проводимость может происходить за счет квантового туннелирования зарядов из одного локализованного участка в другой. Это известно как скачкообразное изменение диапазона и имеет характерную форму
где n = 2, 3, 4, в зависимости от размерности системы.
Комплексное сопротивление и проводимость
Сопротивление в зависимости от удельного сопротивления в сложной геометрии
В таких случаях формулы
должен быть заменен на
Произведение удельное сопротивление-плотность
Серебро, хотя и является наименее резистивным из известных металлов, имеет высокую плотность и по своим характеристикам аналогично меди, но намного дороже. Кальций и щелочные металлы имеют лучшие произведения удельного сопротивления, но редко используются для проводников из-за их высокой реакционной способности с водой и кислородом (и отсутствия физической прочности). Алюминий гораздо более устойчив. Токсичность исключает выбор бериллия. (Чистый бериллий также является хрупким.) Таким образом, алюминий обычно является предпочтительным металлом, когда решающим фактором является вес или стоимость проводника.
Удельная проводимость
Удельная проводимость
Уде́льная проводи́мость (уде́льная электропрово́дность) — мера способности вещества проводить электрический ток. (Точнее следует говорить об электропроводности среды, т.к. не имеется в виду обязательно химически чистое вещество; эта величина различна для разных веществ или смесей, сплавов и т.п.). В линейном изотропном веществе плотность возникающего тока прямо пропорциональна электрическому полю (см. Закон Ома) Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению.
В неоднородной среде σ может зависеть (и в общем случае зависит) от координат, т.е. не совпадает в различных точках проводника.
В анизотропных средах формула остаётся той же, но σ является тензором 2 ранга, и векторы плотности тока и напряжённости поля, вообще говоря, не коллинеарны.
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.
Удельная проводимость некоторых веществ
Удельной проводимостью называют величину, обратную удельному сопротивлению. (см. удельное сопротивление).
Удельная проводимость при температуре 20 °C:
| вещество | См/м |
|---|---|
| платина | 5 800 000 |
| золото | 43 470 000 |
| серебро | 62 500 000 |
| медь | 58 800 000 |
| алюминий | 36 000 000 |
| иридий | 21 090 000 |
| молибден | 18 500 000 |
| вольфрам | 18 180 000 |
| цинк | 16 940 000 |
| никель | 11 500 000 |
| железо чистое | 10 000 000 |
| иридий | 9 350 000 |
| олово | 8 330 000 |
| сталь литая | 7 690 000 |
| свинец | 4 810 000 |
| нейзильбер | 3 030 000 |
| константан | 2 000 000 |
| манганин | 2 330 000 |
| ртуть | 1 040 000 |
| нихром | 893 000 |
| графит | 125 000 |
| вода морская | 3 |
| земля влажная | 10 −2 |
| вода дистилл. | 10 −4 |
| мрамор | 10 −8 |
| Сжиженные углеводородные газы | 1.2*10 −10 |
| стекло | 10 −11 |
| фарфор | 10 −14 |
| кварцевое стекло | 10 −16 |
| янтарь | 10 −18 |
Источник данных: Кухлинг Х. Справочник по физике. Пер. с нем., М.: Мир, 1982, стр. 475 (табл. 39); значения удельной проводимости вычислены из удельного сопротивления и округлены до 3 значащих цифр.
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