Струм у металах

Виникає питання: якщо електрон в електричному полі повинен рухатися з прискоренням, як будь-яка частка в силовому полі, тоді чому електричний струм в проводі не росте до нескінченності? Справа в тому, що струм в металах не схожий на струм в вакуумі. У вакуумі електрони, злегка розштовхуючи один одного своїми мікрополями, летять, як годиться, з прискоренням назустріч зовнішньому полю. Це схоже на масовий забіг спортсменів в день фізкультурника. У товщі металу спостерігається інша картина. Тут вже є пов’язані електрони, утримувані протонами в ядрах атомів металу. Ці пов’язані електрони притягуються і до сусідніх ядер, утворюючи витягнуті електронні оболонки, між якими залишається небагато незайнятого простору. Під дією прикладеного до провідника зовнішнього поля вільні електрони летять, натикаються на електронні оболонки, відскакують назад, потім все ж прослизають в щілини між ними. Це нагадує гру в регбі, коли атакуючі налітають на захисників противника, зупиняються, часом відступають, але потім, приловчившись, пробігають крізь діри в обороні і мчать вперед, до залікової лінії. В електротехніці цей ефект називають опором провідника електричного струму, або просто опором. Опір позначають буквою R. Таким чином, струм в провіднику існує у вигляді якогось середнього переміщення електронів через поперечний переріз проводу уздовж його осі.
Дослідами встановлено, що сила струму в металах пропорційна напрузі U на ділянці кола і обернено пропорційна опору R ділянки. Цю залежність можна записати у вигляді рівняння: I = U / R (27.1). Це рівняння є найважливішим в теорії електрики. Його відкрив Георг Ом. На його честь рівняння (27.1) називають законом Ома. Якщо (27.1) переписати як: R = U / I і прийняти U = 1 В, а I = 1 А, то опору R буде равно1 Ом. Значить, 1 Ом = В / А.
Очевидно, чим довше дріт, тим більше його опір. З іншого боку, чим більше площа його перетину, тим більше «щілин» між електронними оболонками, тим менше опір. Нарешті, опір залежить від виду металу дроти. Ці технічні параметри, загалом, уже визначають опір R дроти за формулою:
R = ρ l / S (27.2),
де l = довжина дроту, S – площа його перетину, ρ – питомий опір даного металу (береться з довідника). Наприклад, мідний дріт довжиною 1 м і перетином 1 мм2 має опір близько 0,02 Ом. Стовпчик ртуті довжиною 1 м і перетином 1 мм2 має опір майже 0,96 Ом. Вказуючи перетин в мм2, а не в м2, ми трохи відійшли від системи СІ заради здорового глузду, так як дроти з перетином жили 1 м2 в житті не зустрічаються.
Завдання. Корпус верстата заземлений (з’єднаний із землею) алюмінієвим дротом діаметром 2 мм і довжиною 15 м.
Знайти опір заземлення.
Рішення: S = π D2 / 4 = 3,14 х 22/4 = 3,14 (мм2). У довіднику знаходимо для алюмінію значення ρ = 0,028. Підставляючи в формулу (27.2) отримуємо: R = 0,028 х 15 / 3.14 = 0,134 (Ом).
Опір металів збільшується з ростом температури t. Пояснюють це тим, що з підвищенням температури ядра у вузлах кристалічної решітки речовини коливаються швидше і щілини між їх електронними оболонками перекриваються частіше. Залежність опору металу від температури прийнято записувати у вигляді: ρ = ρ0 (1 + α t), (27.3), де ρ0 – питомий опір металу при t = 0, α – температурний коефіцієнт опору даного металу. Його значення теж беруть з довідника.

Посилання на основну публікацію