Електричний опір і провідність

Фізична природа електричного опору. При русі вільних електронів в провіднику вони стикаються на своєму шляху з позитивними іонами 2 (див. Рис. 10, а), атомами і молекулами речовини, з якого виконаний провідник, і передають їм частину своєї енергії. При цьому енергія рухомих електронів в результаті зіткнення їх з атомами і молекулами частково виділяється і розсіюється у вигляді тепла, що нагріває провідник. Зважаючи на те що електрони, стикаючись з частинками провідника, долають деякий опір руху, прийнято говорити, що провідники мають електричним опором. Якщо опір провідника мало, він порівняно слабо нагрівається струмом; якщо опір велике, провідник може розжаритися. Дроти, що підводять електричний струм до електричної плитці, майже не нагріваються, так як їх опір мало, а спіраль плитки, що володіє великим опором, розжарюється до червоного. Ще сильніше нагрівається нитка електричної лампи.
За одиницю опору прийнятий ом. Опором 1 Ом володіє провідник, по якому проходить струм 1 А при різниці потенціалів на його кінцях (напрузі), рівної 1 В. Еталоном опору 1 Ом служить стовпчик ртуті довжиною 106,3 см і площею поперечного перерізу 1 мм2 при температурі 0 ° С. На практиці часто опору вимірюють тисячами му – кілоомах (кОм) або мільйонами му – мегаомах (МОм). Опір позначають буквою R (r).
Провідність. Всякий провідник можна характеризувати не тільки його опором, але й так званої провідністю – здатністю проводити електричний струм. Провідність є величина, зворотна опору. Одиниця провідності називається Сименсом (См). 1 Див дорівнює 1/1 Ом. Провідність позначають буквою G (g). Отже,

G = 1 / R (4)

Питомий електричний опір і провідність. Атоми різних речовин надають проходженню електричного струму неоднакове опір. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм можна судити по їх питомій електричному опору р. За величину, що характеризує питомий опір, зазвичай приймають опір куба з ребром 1 м. Питомий електричний опір вимірюють у Ом * м. Для судження про електропровідності матеріалів користуються також поняттям питома електрична провідність? = 1 / ?. Питома електрична провідність вимірюється в Сіменса на метр (См / м) (провідність куба з ребром 1м). Часто питомий електричний опір виражають у ом-сантиметрах (Ом * см), а питому електричну провідність – в Сіменс на сантиметр (См / см). При цьому 1 Ом * см = 10-2 Ом * м, а 1 См / см = 102 См / м.

Провідникові матеріали застосовують, головним чином, у вигляді дротів, шин або стрічок, площа поперечного перерізу яких прийнято виражати в квадратних міліметрах, а довжину – в метрах. Тому для питомого електричного опору подібних матеріалів і питомої електричної провідності введені й інші одиниці виміру:? вимірюють в Ом * мм2 / м (опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм2), а? – В См * м / мм2 (провідність провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм2).

З металів найбільш високу електропровідність володіють срібло і мідь, так як структура їх атомів дозволяє легко пересуватися вільним електронам, потім слідує золото, хром, алюміній, марганець, вольфрам і т. Д. Гірше проводять струм залізо і сталь.

Чисті метали завжди проводять електричний струм краще, ніж їх сплави. Тому в електротехніці використовують переважно дуже чисту мідь, що містить тільки 0,05% домішок. І навпаки, у тих випадках, коли необхідний матеріал з високим опором (для різних нагрівальних приладів, реостатів та ін.), Застосовують спеціальні сплави: константан, манганин, ніхром, фехраль.

Слід зазначити, що в техніці, крім металевих провідників, використовують і неметалеві. До таких провідникам відноситься, наприклад, вугілля, з якого виготовляють щітки електричних машин, електроди для прожекторів та ін. Провідниками електричного струму є товща землі, живі тканини рослин, тварин і людини. Проводять електричний струм сире дерево і багато інших ізоляційні матеріали у вологому стані.
Електричний опір провідника залежить не тільки від матеріалу провідника, але і його довжини l і площі поперечного перерізу s. (Електричний опір подібно опору, що чиниться руху води в трубі, яке залежить від площі перетину труби і її довжини.)
Опір прямолінійного провідника

R =? L / s (5)

Якщо питомий опір? виражено в Ом * мм / м, то для того щоб отримати опір провідника в Омасі, довжину його треба підставляти у формулу (5) в метрах, а площа поперечного перерізу – в квадратних міліметрах.

Залежність опору від температури. Електропровідність всіх матеріалів залежить від їх температури. У металевих провідниках при нагріванні розмах і швидкість коливань атомів у кристалічній решітці металу збільшуються, внаслідок чого зростає і опір, який вони чинять потоку електронів. При охолодженні відбувається зворотне явище: безладне коливальний рух атомів у вузлах кристалічної решітки зменшується, опір їх потоку електронів знижується і електропровідність провідника зростає.

У природі, однак, є деякі сплави: фехраль, константан, манганин та ін., У яких в певному інтервалі температур електричний опір змінюється порівняно мало. Подібні сплави застосовують в техніці для виготовлення різних резисторів, що використовуються в приладах і деяких апаратах для компенсації впливу температури на їх роботу.

Про ступінь зміни опору провідників при зміні температури судять по так званому температурному коефіцієнту опору а. Цей коефіцієнт є відносне збільшення опору провідника при збільшенні його температури на 1 ° С. У табл. 1 наведені значення температурного коефіцієнта опору для найбільш вживаних провідникових матеріалів.

Опір металевого провідника Rt при будь-якій температурі t

Rt = R0 [1 +? (T – t0)] (6)

де R0- опір провідника при деякій початковій температурі t0 (зазвичай при + 20 ° С), яке може бути підраховано за формулою (5);

t- t0 – зміна температури.

Властивість металевих провідників збільшувати свій опір при нагріванні часто використовують в сучасній техніці для вимірювання температури. Наприклад, при випробуваннях тягових двигунів після ремонту температуру нагрівання їх обмоток визначають вимірюванням їх опору в холодному стані і після роботи під навантаженням протягом встановленого періоду (зазвичай протягом 1 год).

Досліджуючи властивості металів при глибокому (дуже сильному) охолодженні, вчені виявили чудове явище: поблизу абсолютного нуля (- 273,16 ° С) деякі метали майже повністю втрачають електричний опір. Вони стають ідеальними провідниками, здатними тривалий час пропускати струм по замкнутому ланцюзі без всякого впливу джерела електричної енергії. Це явище названо надпровідністю. В даний час створені дослідні зразки ліній електропередачі та електричних машин, в яких використовується явище надпровідності. Такі машини мають значно менші масу і габаритні розміри в порівнянні з машинами загального призначення і працюють з дуже високим коефіцієнтом корисної дії. Лінії електропередачі в цьому випадку можна виконати з проводів з дуже малою площею поперечного перерізу. У перспективі в електротехніці буде все більше і більше використовуватися це явище.

Посилання на основну публікацію