Удельное электрическое сопротивление

Направленному движению свободных электрических зарядов в абсолютно любом проводнике препятствуют атомы молекулы и этого токопроводящего вещества. Так как внешний участок цепи, так же как и внутренний (расположен внутри самого источника энергии) оказывают препятствие протеканию тока. Величина, характеризующая противодействие электрической цепи свободному прохождению тока, называется электрическим сопротивлением. Источник энергии, включенный в замкнутую цепь, расходует энергию на преодоление препятствия внешней и внутренней цепи.

Простым языком - Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым генерирует электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно детской игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше за единицу времени. Но если открыть кран еще больше, возрастет давление (это эквивалентно повышению напряжения), и поток воды увеличится, даже если шланг останется сжатым в той же степени. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию садового шланга

Удельное сопротивление проводника зависит от материала вещества и его геометрических размеров. Если проводник обладает удельным сопротивлением в 1 Ом, тогда при разности потенциалов в 1 вольт сила тока в нем будет 1 Ампер.

Единицей измерения этой физической величины является ом. Омом называется электрическое сопротивление такого линейного проводника, в котором при постоянной разности потенциалов в один вольт идет ток силой в один ампер.

При измерении больших значений применяют единицы в тысячу и в миллион раз больше ома. Они называются килоомом (кОм), мегомом (Мом), и гигаом (гОм) 1 ком = 1000 ом; 1 Мом = 1 000 000 ом.

Что происходит в проводнике, когда по нему идет ток?

Если к веществу или материалу обладающему проводящей способностью, подключить источник ЭДС, то по нему начинает протекать электрический ток. Свободные электроны вещества при этом начинают направленное движение от отрицательного полюса к положительному, т.к они являются носителями отрицательного заряда. Во время направленного движения электроны ударяются об атомы материала и передают им некоторую часть своей энергии, из-за этого происходит нагрев проводника по которому проходит ток. А электроны после столкновения замедляют свое движение. Но электрическое поле их опять ускоряет, поэтому они продолжают свое направленное движение к плюсу. Этот процесс может идти практически бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле созданное источником электродвижущей силы. Получается, что чем больше препятствий попадется на пути следования электронов, тем выше значение сопротивления.

В различных веществах имеется разное количество свободных электронов, а атомы, между которыми свободные носители заряда перемещаются, обладают различным местом расположения. Поэтому сопр. проводников току зависит, в первую очередь от материала, из которого они сделаны, от площади и длины поперечного сечения. Если сравнить два проводника сделанные из одинакового материала, то более длинный имеет большее R при равных площадях поперечных сечений, а с большим поперечным сечением имеет более низкое сопр. при равных длинах.

Рассмотрим практический пример: Подключим лампочку накаливания на 60Вт в розетку с сетевым напряжением. Спираль лампочки начинает создавать потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое препятствие. Если эта преграда на пути электронов окажется слишком маленькой лампочка перегорит. Если слишком большое - накальная нить будет гореть очень слабо. А вот если оно будет "оптимальное, тогда лампочка будет гореть нормально, выделяя при этом и тепло.

Вырабатываемое тепло называют "потерянной" энергией, так как часть энергию затрагивается на никому ненужный нагрев.

Что такое электрическое удельное сопротивление?

Из формулы закона Ома можно записать, что электрическое сопротивление является физической величиной, которую можно вычислить как отношение напряжения в проводнике к силе протекающего в нем тока.

Итак, исходя из опыта с лампочкой чуть выше можно сделать вывод, что электрическое сопротивление проводника является физической величиной, которая указывает на свойство вещества преобразовывать электрическую энергию в тепловую.

Удельное электрическое сопротивление является также физической величиной, которая равна сопротивлению метрового проводника с площадью сечения в один метр квадратный. На практике, сечение измеряют в квадратных миллиметрах. Поэтому и удельное электрическое сопротивление проще считать в Ом × мм² / м, а площадь подставлять в мм².

Формула выше говорит о том, что удельное сопр. прямо пропорционально удельному сопр. материала, из которого он сделан, а также его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Сопр. проводников зависит также от температуры. Так у элементов из металла с повышением температуры R увеличивается. Зависимость эта сложная, но в относительно узких пределах температурного изменения (примерно до 200° Цельсия) можно условно считать, что для каждого металла существует определенный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления (альфа), который выражает определенный прирост сопротивления дельта r при изменении температуры на один градус цельсия, отнесенный к 1 ом начального значения сопротивления.

Таким образом, температурный коэффициент удельного сопротивления будет равен

и прирост сопр. будет равен

Например, у медного линейного провода при температуре T₁ = 15° r1 = 50 ом, а при температуре T2 = 75° — r2 — 62 ом. Поэтому, дельта при изменении температуры на 75 — 15 = 60° будет равно 62 — 50 = 12 ом. Т.е, дельта, соответствующий изменению температуры на 1°, равен: 12/60=0,2

От чего зависит удельное сопротивление

Во-первых, от материала проводника. Чем больше значение ρ, тем хуже будет пропускная токовая способность. Во-вторых, от длины провода - с увеличением длины сопротивление увеличивается. В-третьих, от толщины. У более толстого проводника, более низкое сопротивление.

И в-четвертых, от температуры проводника. Если он из металла, то их удельное сопротивление возрастает с ростом температуры. В исключение можно поместить специальные сплавы - их электрическое удельное сопр. практически не изменяется при нагревании. Например: никелин, константан и манганин. А вот у жидкостей с нагревом, удельное сопротивление уменьшается.

Связь с удельной проводимостью в изотропных материалах, выражется формулой:

Где σ - удельная проводимость.

Явление сверхпроводимости

Предположим температуру материала будем уменьшать, то удельное сопротивление при этом будет также снижаться. Есть предел, до которого можно снизить температуру - абсолютный нуль. В численном выражении равен —273°С. Ниже этого значения температур просто не существует. При этом значении удельное сопротивление любого проводника будет равно нулю.

так как при абсолютном нуле атомы кристаллической решетки полностью перестают колебаться. В результате электронное облако проходит между узлами решетки, не соударяясь с ними. Удельное сопр. материала становится равным нулю, что открывает возможности для получения бесконечно огромных токовых уровней в проводниках малого сечения.

Явление сверхпроводимости открывает фантастические перспективы для развития электротехники и электронной техники. Но пока еще имеются некоторые сложности, связанные с получением в быту сверхмалых температурных значений, требуемых для создания нужного эффекта. Когда эти проблемы смогут преодалеть, электротехника шагнет на принципиально новый уровень развития.

Что такое резисторы

Резистор используется в электрических схемах как элемент оказывающий препятствие свободному протеканию тока. Резисторы бывают постоянные, переменные и подстроечные. В общем случае резистор состоит из резисторного элемента и выводов. По конструктивным признакам резисторы можно разделить на объемные, с пленочным поверхностным слоем и с проволочным резистивным слоем.