Электрическая проводимость и сопротивление проводников

Электрическая проводимость и сопротивление проводников

Физическая природа электрического сопротивления.При движе­нии свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами 2 (см. рис. 10, а), 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. Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают некоторое сопротивление движению, при­нято говорить, что проводники обладают электрическим сопротив­лением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник может раскалиться. Провода, подводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как их сопро­тивление мало, а спираль плитки, обладающая большим сопротив­лением, раскаляется докрасна. Еще сильнее нагревается нить электрической лампы.

За единицу сопротивления принят ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В. Эталоном сопротивления 1 Ом служит столбик ртути длиной 106,3 см и пло­щадью поперечного сечения 1 мм 2 при температуре 0 °С. На прак­тике часто сопротивления измеряют тысячами ом — килоомами

(кОм) или миллионами ом — мегаомами (МОм). Сопротивление обозначают буквой Я (г).

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). 1 См равен 1/1 Ом. Проводимость обозна­чают буквой О (§). Следовательно,

Удельное электрическое сопротивление и проводимость.Ато­мы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ про­водить электрический ток можно судить по их удельному электри­ческому сопротивлению р. За величину, характеризующую удельное сопротивление, обычно принимают сопротивление куба с ребром 1 м. Удельное электрическое сопротивление измеряют в Ом-м. Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость а=1/р. Удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м) (проводимость куба с ребром 1 м). Часто удельное электри­ческое сопротивление выражают в ом-сантиметрах (Ом • см), а удель­ную электрическую проводимость — в сименсах на сантиметр (См/см). При этом 1 Ом-см = 10

2 Ом-м, а 1 См/см = = 10 2 См/м.

Проводниковые материалы применяют, главным образом, в виде проволок, шин или лент, площадь поперечного сечения которых принято выражать в квадратных миллиметрах, а длину — в метрах. Поэтому для удельного электрического сопротивления подобных ма­териалов и удельной электрической проводимости введены и другие единицы измерения: р измеряют в Ом-мм 2 /м (сопротивление про­водника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 ), а а — в См-м/мм 2 (проводимость проводника длиной 1 м и пло­щадью поперечного сечения 1 мм 2 ).

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, так как структура их атомов позволяет легко пере­двигаться свободным электронам, затем следует золото, хром, алю­миний, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь.

Чистые металлы всегда проводят электрический ток лучше, чем их сплавы. Поэтому в электротехнике используют преимущественно очень чистую медь, содержащую только 0,05 % примесей. И наобо­рот, в тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротив­лением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.). применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фех­раль. В табл. 1 приведены значения удельного сопротивления неко­торых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании локомотивов. 16

Читайте также:  Как пересадить помидоры в грунт
Удельное сопротив- Температурный
Наименование материала ление о при 20 "С, коэффициент сопро-
Ом • мм 2 /м тивления а, 1/°С
Серебро 0,016 0,0035
Медь техническая 0,0172—0,0182 0,0041
Алюминий 0,0295 0,0040
Сталь 0,125—0,146 0,0057
Манганин | (сплавы для резисторов и изме- 0,40—0,52 0,00003
Константан Г рительных приборов) 0,44 0,00005
Нихром | (сплавы для электронагрева- 1,02—1,12 0,0001
Фехраль Г тельных приборов и реостатов) 1,18—1,47 0,0008

Следует отметить, что в технике, кроме металлических про­водников, используют и неметаллические. К таким проводникам относится, например, уголь, из которого изготовляют щетки электри­ческих машин, электроды для прожекторов и пр. Проводниками электрического тока являются толща земли, живые ткани растений, животных и человека. Проводят электрический ток сырое дерево и многие другие изоляционные материалы во влажном состоянии.

Электрическое сопротивление проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины / и площади поперечного сечения 5. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и ее длины.)

Сопротивление прямолинейного проводника

Если удельное сопротивление р выражено в Ом-мм 2 /м, то для того, чтобы получить сопротивление проводника в омах, длину его надо подставлять в формулу (5) в метрах, а площадь поперечного сечения — в квадратных миллиметрах.

Зависимость сопротивления от температуры.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: беспорядоч­ное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов пони­жается и электропроводность проводника возрастает.

В природе, однако, имеются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и др., у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Подобные сплавы применяют в технике для изготовления различных резисторов, используемых в электроизмерительных при­борах и некоторых аппаратах для компенсации влияния темпера­туры на их работу.

О степени изменения сопротивления проводников при измене­нии температуры судят по так называемому температурному ко­эффициенту сопротивления а. Этот коэффициент представляет собой относительное приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В табл. 1 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее приме­няемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника /?/ при любой тем­пературе /

Свойство металлических проводников увеличивать свое сопро­тивление при нагревании часто используют в современной технике для измерения температуры. Например, при испытаниях тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмоток опре­деляют измерением их сопротивления в холодном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного периода (обычно в течение 1 ч).

Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, ученые обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля ( — 273,16 °С) некоторые металлы почти пол­ностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся идеальными проводниками, способными длительное время пропус­кать ток по замкнутой цепи без всякого воздействия источника электрической энергии. Это явление названо сверхпроводимостью. В настоящее время созданы опытные образцы линий электропере­дачи и электрических машин, в которых используется явление 18

Читайте также:  Печи для дома постоянного проживания

сверхпроводимости. Такие машины имеют значительно меньшие мас­су и габаритные размеры по сравнению с машинами общего назна­чения и работают с очень высоким коэффициентом полезного дей­ствия. Линии электропередачи в этом случае можно выполнить из проводов с очень малой площадью поперечного сечения. В пер­спективе в электротехнике будет все больше и больше использо­ваться это явление.

Последнее изменение этой страницы: 2017-01-23; Нарушение авторского права страницы

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 мм 2 .

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 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.

Читайте также:  Маслоотделитель для компрессора холодильной установки

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.

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

Если цепь замкнута, то разделение зарядов протекает непрерывно.

Сопротивление и проводимость

Проводник оказывает противодействие электрическому току, которое характеризует электрическое сопротивление проводника.

За единицу эл. сопротивления принят Ом. Более крупными единицами электрического сопротивления являютсякОм иМом.

Устройства, имеющие сопротивления и включаемые в электрическую цель для ограничения или регулирования тока, называются резисторами иреостатами.

Сопротивление, которым обладает изготовленный из данного материала провод длиной с поперечным сечением1мм 2 при температуре 20 С, называют удельным электрическим сопротивлением.Удельное сопротивление обозначаюти выражают в.

Выясним влияние длины металлического проводника lи его сеченияSна электрическое сопротивление.

Известно, что сопротивление проводника вызвано столкновением движущихся электронов с атомами и молекулами проводника. Количество таких столкновений, а значит, и электрическое сопротивление возрастает при удлинении проводника и уменьшается с увеличением его поперечного сечения. Поэтому сопротивление проводника при температуре 20 Сопределяют по формуле:

S – площадь поперечного сечения,мм 2 .

Зависимость эл. сопротивления от температуры

Для определения сопротивления проводника при температуре, отличной от 20 С, необходимо знать его температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления при изменении температуры проводника на 1 С.

Реостаты и резисторы

Резистор – прибор, имеющий сопротивление и предназначенный для ограничения или регулирования тока в электрической цепи. Резисторы бывают регулируемые, нерегулируемые, проволочные и непроволочные. Зависимость тока резистора Iот подводимого напряженияUназывают еговольт-амперной характеристикой.

Различают линейные инелинейные сопротивления резисторов. Если сопротивление резистора не зависит от тока, его вольт-амперная характеристика представляет собой прямую, проходящую через начало координат.

Такое сопротивление называется линейным.

Нелинейные сопротивления являются функцией тока или напряжения. Вольт-амперная характеристика нелинейных резисторов отклоняется от прямой линии.

К нелинейным сопротивлениям относятся осветительные лампы с вольфрамовой и угольной нитью накаливания, вентильные элементы (селеновые, германиевые, кремниевые).

Электрические цепи, содержащие только линейные элементы, называют линейными. Если в цепи имеется хотя бы один нелинейный элемент, то вся цепь называетсянелинейной.

Величина, обратная сопротивлению называется проводимостьюи обозначаетсяg:.

Единица проводимости называется сименсом:, а величина, обратная удельному сопротивлению –удельной проводимостью: .

Если удельное сопротивление выражается в , то удельная проводимость – в.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость, и, следовательно, он лучше проводит ток.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector