Удельное сопротивление проводников

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

  • Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
  • Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Электрическое сопротивление 1 метра провода (в Ом), сечением 1 мм², при температуре 20 С°. Формула: ρ = Ом · мм²/м.

Материал проводника Удельное сопротивление ρ в Ом
Серебро 0.015
Медь 0.0175
Золото 0.023
Латунь 0,025… 0,108
Хром 0,027
Алюминий 0.028
Натрий 0.047
Иридий 0.0474
Вольфрам 0.05
Цинк 0.054
Молибден 0.059
Никель 0.087
Бронза 0,095… 0,1
Железо 0.1
Сталь 0,103… 0,137
Олово 0.12
Свинец 0.22
Никелин (сплав меди, никеля и цинка) 0.42
Манганин (сплав меди, никеля и марганца) 0,43… 0,51
Константан (сплав меди, никеля и алюминия) 0,44-0,52
Копель ( медно-никелевый сплав с 43% никеля и 0,5% марганца) 0.5
Титан 0.6
Ртуть 0.94
Хромель (хром 8,7—10 %; никель 89—91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси) 1.01
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) 1,05… 1,4
Фехраль 1,15… 1,35
Висмут 1.2
Хромаль (Сплав 4.5 – 6% алюминия, 17%-30% хрома, остальное железо) 1,3… 1,5

Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм².

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

ρ = R * S / l, где:

  • ρ — это удельное сопротивление материала;
  • R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
  • S — поперечное сечение;
  • l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм2/м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм2). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Удельное сопротивление различных материалов

Говорить об удельном сопротивлении можно только при наличии элементов, проводящих ток, так как диэлектрики обладают бесконечным или близким к нему электросопротивлением. В отличие от них, металлы — очень хорошие проводники тока. Измерить электросопротивление металлического проводника можно с помощью прибора миллиомметра, или еще более точного — микроомметра. Значение измеряется между их щупами, приложенными к участку проводника. Они позволяют проверить цепи, проводку, обмотки двигателей и генераторов.

Металлы разнятся между собой по способности проводить ток. Удельное сопротивление различных металлов — параметр, характеризующий это отличие. Данные приведены при температуре материала 20 градусов по шкале Цельсия:

  • Серебро (ρ = 0,01498 Ом•мм2/м);
  • Алюминий (ρ = 0,027);
  • Медь (ρ = 0,01721);
  • Ртуть (ρ = 0,94);
  • Золото (ρ = 0,023);
  • Железо (ρ = 0,1);
  • Вольфрам (ρ = 0,0551);
  • Латунь (ρ = 0,026…0,109);
  • Бронза (ρ = 0,095);
  • Сталь (ρ = 0,103…0,14);
  • Сплав никеля, марганца, железа и хрома — нихром (ρ = 1,051…1,398).

Параметр ρ показывает, каким сопротивлением будет обладать метровый проводник с сечением 1 мм2. Чем больше это значение, тем больше электросопротивление будет у нужного провода определенной длины. Наименьшее ρ, как видно из списка, у серебра, сопротивление одного метра из этого материала будет равно всего 0,015 Ом, но это слишком дорогой металл для использования его в промышленных масштабах. Следующим идет медь, которая в природе встречается гораздо чаще (не драгоценный, а цветной металл). Поэтому медная проводка очень распространена.

Зависимость электропроводности от температуры

Проводники электрического тока бывают первого и второго рода. Проводники первого рода — это металлы. Проводники второго рода- это проводящие растворы жидкостей. Ток в первых переносят электроны, а переносчики тока в проводниках второго рода —ионы, заряженные частицы электролитической жидкости.

Говорить о проводимости материалов можно только в контексте температуры окружающей среды. При более высокой температуре проводники первого рода увеличивают свое электросопротивление, а второго, напротив, уменьшают. Соответственно, существует температурный коэффициент сопротивления материалов. Удельное сопротивление меди Ом м возрастает при увеличении нагрева. Температурный коэффициент α тоже зависит только от материала, эта величина не имеет размерности и для разных металлов и сплавов равна следующим показателям:

  • Серебро — 0,0035;
  • Железо — 0,0066;
  • Платина — 0,0032;
  • Медь — 0,0040;
  • Вольфрам — 0,0045;
  • Ртуть — 0,0090;
  • Константан — 0,000005;
  • Никелин — 0,0003;
  • Нихром — 0,00016.

Определение величины электросопротивления участка проводника при повышенной температуре R (t), вычисляется по формуле:

R (t) = R (0) · , где:

  • R (0) — сопротивление при начальной температуре;
  • α — температурный коэффициент;
  • t — t (0) — разность температур.

Например, зная электросопротивление меди при 20 градусах Цельсия, можно вычислить, чему оно будет равно при 170 градусах, то есть при нагреве на 150 градусов. Исходное сопротивление увеличится в раз, то есть в 1,6 раз.

При увеличении температуры проводимость материалов, напротив, уменьшается. Так как это величина, обратная электросопротивлению, то и уменьшается она ровно во столько же раз. Например, удельная электропроводность меди при нагреве материала на 150 градусов уменьшится в 1,6 раз.

Существуют сплавы, которые практически не изменяют своего электросопротивления при изменении температуры. Таков, к примеру, константан. При изменении температуры на сто градусов его сопротивление увеличивается всего на 0,5%.

Если проводимость материалов ухудшается с нагревом, она улучшается с понижением температуры. С этим связано такое явление, как сверхпроводимость. Если понизить температуру проводника ниже -253 градусов Цельсия, его электросопротивление резко уменьшится: практически до нуля. В связи с этим падают затраты на передачу электрической энергии. Единственной проблемой оставалось охлаждение проводников до таких температур. Однако в связи с недавними открытиями высокотемпературных сверхпроводников на базе оксидов меди, охлаждать материалы приходится уже до приемлемых значений.

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

На предыдущих уроках мы уже поднимали вопрос о том, каким образом электрическое сопротивление влияет на силу тока в цепи, но не обсуждали, от каких же конкретно факторов зависит сопротивление проводника. На сегодняшнем уроке мы узнаем о параметрах проводника, которые определяют его сопротивление, и узнаем, каким образом Георг Ом в своих экспериментах исследовал сопротивление проводников.

Для сравнения двух используемых единиц, обратите внимание, что это. Что касается тел, обозначенных обычно как изоляторы, их удельное сопротивление таково, что их можно измерить в тысячах и миллионных мегамметрах; но не дает точных цифр, поскольку он чрезвычайно изменчив в зависимости от обстоятельств.

Что касается вариаций сопротивления температуре, вспомним сказанное ранее. В обычном температурном диапазоне образец удельного сопротивления эмпирически выражается формулой. Обычно третий член пренебрежимо мал, так как β имеет очень мало значения. При очень низких температурах сопротивление всех чистых металлов значительно уменьшается; р. например, чистой ртути, которая составляет 94 микрометров. при 0 °, достигает 2, 2 для твердой ртути при -50 ° и падает до 0, 7 при -200 °.

Для получения зависимости силы тока в цепи от сопротивления Ому пришлось провести огромное количество экспериментов, в которых необходимо было изменять сопротивление проводника. В связи с этим он столкнулся с проблемой изучения сопротивления проводника в зависимости от его отдельно взятых параметров. В первую очередь, Георг Ом обратил внимание на зависимость сопротивления проводника от его длины, о которой уже вскользь шла речь на предыдущих уроках. Он сделал вывод, что при увеличении длины проводника прямо пропорционально увеличивается и его сопротивление. Кроме того, было выяснено, что на сопротивление влияет еще и сечение проводника, т. е. площадь фигуры, которая получается при поперечном разрезе. При этом, чем площадь сечения больше, тем сопротивление меньше. Из этого можно сделать вывод, что чем провод толще, тем его сопротивление меньше. Все эти факты были получены опытным путем.

Что касается предсказания того, что удельное сопротивление чистого металла стремится к нулю, когда температура падает до абсолютного нуля, оно выполняется только примерно: для некоторых металлов оно имеет тенденцию к крошечным, но не аномальным значениям, но для других оно происходит на несколько градусов выше абсолютного нуля, резкое нисходящее сопротивление к чрезвычайно малой, почти неоценимой величине.

Физическая теория электрического сопротивления. — Явление гальванического поведения, то есть прохождение электричества в металлы и другие первоклассные проводники, хотя и феноменологически достаточно простые, представлено в его интимном механизме столь же сложным, как и описание намагничивания материальных тел. принятые были бы суммированы в широких линиях, таких как: в этих проводящих телах некоторые периферийные электроны расцепляются или почти из атомов или молекул, что, грубо говоря, ведет себя как своего рода электронное облако, окружающее материальные гранулы, которые положительно заряжены.

Кроме геометрических параметров на сопротивление проводника влияет еще и величина, описывающая род вещества, из которого состоит проводник. В своих опытах Ом использовал проводники, изготовленные из различных материалов. При использовании медных проводов сопротивление было каким-то одним, серебряных — другим, железных — третьим и т. д. Величину, которая характеризует род вещества в таком случае, называют удельным сопротивлением .

Под действием разности потенциалов эти электроны, которые являются отрицательными, будут мигрировать в противоположном направлении к тому, что мы называем смыслом тока; и, когда цепь закрыта, такая миграция происходит циклически без электронного содержимого какой-либо схемы, которая подвергается изменениям.

Проводимые электроны вместе должны рассматриваться как газ и подчиняться тем же законам. Эта теория наносила ущерб несколько лет назад против «главного возражения», поскольку электронный газ способствовал бы удельному тепловому излучению металла, что на самом деле не Это происходит. Вопреки классическим гипотезам теория Ферми утверждает, что в общем газе не могут быть две разные молекулы, которые имеют одинаковые квантовые числа, одинаковые. Применяя его к изучению электронного металлического газа и принимая во внимание тот факт, что для определенных регионов указанный электронный газ находится в том особом условии, в котором физика дает название «вырождение», мы получаем неожиданное объяснение фактов, которые другими средствами остаются темно.

Таким образом, можно получить следующие зависимости для сопротивления проводника (рис. 1):

1. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника , которую в СИ измеряют в м;

2. Сопротивление обратно пропорционально площади сечения проводника , которую мы будем измерять в мм 2 из-за малости;

3. Сопротивление зависит от удельного сопротивления вещества (читается «ро»), которое является табличной величиной и измеряется обыкновенно в .

В частности, при низких температурах удельная теплота газа должна быть пропорциональна температуре и массе частиц; и в связи с дегенерацией вклад в теплоемкость металла из-за электронного облака должен быть неприемлем. Из теории Ферми мы все еще можем найти объяснение закона Видемана и Франца о том, что связь между электропроводностью и теплопроводностью металла должна быть пропорциональна абсолютной температуре: и получается коэффициент пропорциональности, что согласуется с данными, предоставленными экспериментом.

Из этих выводов можно сделать вывод, что фундаментальные основы физической теории металлической проводимости, таким образом, выбрасываются. Но чтобы получить объяснение всех известных фактов, законов зависимости между проводимостью и температурой, несоответствующего поведения металлов и их сплавов, предсказать, почему некоторые сплавы имеют нулевой температурный коэффициент, объясняют в своих особенностях явление сверхпроводимости и т.д. подразумевает проведение большого и сложного теоретического построения.

Рис. 1. Проводник

Для примера приведем таблицу значений удельных сопротивлений некоторых металлов, которые получены опытным путем:

Удельное сопротивление ,

Стоит отметить, что среди хороших проводников, которыми являются металлы, наилучшими являются драгоценные металлы, при этом серебро считается самым лучшим проводником, т. к. у него наименьшее малое удельное сопротивление. Этим объясняется использование драгоценных металлов при пайке особо важных элементов в электротехнике. Из значений удельных сопротивлений веществ можно делать выводы об их практическом применении — вещества с большим удельным сопротивлением подойдут для изготовления изоляционных материалов, а с небольшим — для проводников.

В лаборатории могут быть получены два провода проводящего материала одинаковой длины и сечения, но из другого материала, например из стали, а другой из постоянного. Мы можем подключить проводящие провода к батарее, обеспечивающей разность потенциалов 1 В и измерьте ток, протекающий через провод через амперметр.

Электроны проходят через амперметр, который измеряет текущее значение на основе его магнитного эффекта. В настоящее время мы не учитываем возмущение из-за наличия измерительного прибора. С этими 2 м длинными проводами и секцией 1 мм 2 мы получаем эти экспериментальные результаты.

Замечание. Во многих таблицах удельное сопротивление измеряют в , что связано с измерением площади в м 2 в СИ.

Физический смысл удельного сопротивления — сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 .

Формула для вычисления электрического сопротивления проводника, исходя из указанных выше рассуждений, выглядит следующим образом:

Можно видеть, что ток, полученный со стальной проволокой, больше, чем ток, полученный с постоянной: говорят, что сталь является лучшим проводником, чем постоянная, или которая противостоит меньшей устойчивости к прохождению тока. Завершите предыдущую таблицу с указанием соответствующих резисторов двух проводников.

Чем выше сопротивление проводника, тем меньше ток будет протекать через него. На сопротивление проводника влияет не только материал, который он состоит, но и геометрические характеристики проводника. Как вы зависите от силы потока по длине и сектору резьбы?

Если обратить внимание на эту формулу, то можно сделать вывод, что из нее выражается удельное сопротивление проводника, т. е., определив силу тока и напряжение на проводнике и измерив его длину с площадью поперечного сечения, можно с помощью закона Ома и указанной формулы вычислить удельное сопротивление. Затем, его значение можно сверить с данными таблицы и определить, из какого вещества изготовлен проводник.

  • Сопротивление увеличивается с длиной и секцией.
  • Сопротивление уменьшается с длиной и секцией.
  • Сопротивление увеличивается с увеличением длины и уменьшается с помощью сечения.
  • Сопротивление уменьшается с увеличением длины и увеличивается с помощью секции.

Микроскопически сопротивление связано с взаимодействиями, которые проводящие электроны имеют с ионами решетки: чем длиннее провод, тем больше будет сопротивление. С другой стороны, более крупный провод обеспечивает меньшее сопротивление току, поскольку вода течет более легко в более крупный секционный трубопровод.

Все параметры, которые влияют на сопротивление проводников, необходимо учитывать при конструировании сложных электрических цепей, таких как линии электропередач, например. В таких проектах важно сбалансированно подобрать соотношения длин, сечений и материалов проводников для эффективного компенсирования теплового действия тока.

Где ρ — коэффициент, называемый удельным сопротивлением или удельной прочностью, который зависит от материала. Металлические проводники характеризуются очень малым значением удельного сопротивления. Заметим, что для эксперимента мы выбрали металлы с более высоким сопротивлением, чтобы не получить слишком высокие токи, которые могут перегреться проволокой.

Ток порядка некоторого мА, который пересекает человеческий организм, вызывает сильные мышечные сокращения, которые могут препятствовать прикосновению электрического провода. Вы также можете заметить, что существует большая разница между порядком величины удельного сопротивления металлического проводника и других материалов.

На следующем уроке будет рассмотрено устройство и принцип работы прибора, называющегося реостат, основной характеристикой которого является сопротивление.

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. — М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. — М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. — М.: Просвещение.
  1. Интернет-портал Exir.ru ().
  2. Классная физика ().

Домашнее задание

Совершенный изолятор должен иметь бесконечное сопротивление, но ни один материал не является идеальным изолятором. Диэлектрическая жесткость представляет собой максимальное значение электрического поля, допускаемого изоляционной средой. Если электрическое поле превышает значение диэлектрической жесткости, изолятор разрушается и становится проводником.

Сопротивление зависит, в свою очередь, от температуры: проводимость проводников возрастает с температурой, потому что повышенное нарушение электрона электронов препятствует упорядоченному течению тока. В предыдущей таблице приведены значения удельного сопротивления при комнатной температуре.

  1. Стр. 103-106: вопросы № 1-6. Перышкин А.В. Физика 8. — М.: Дрофа, 2010.
  2. Длина и площадь поперечного сечения алюминиевого и железного проводов одинаковые. Какой из проводников имеет большее сопротивление?
  3. Какое сопротивление имеет медный провод длиной 10 м и площадью поперечного сечения 0,17 мм 2 ?
  4. Какой из сплошных железных стержней разного диаметра имеет большее электрическое сопротивление? Массы стержней одинаковые.

Ом экспериментально установил закон, согласно которому сила тока, текущего по однородному (в смысле отсутствия сторонних сил) металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения V на проводнике:

С законом Ом мы вычисляем величину тока, и мы обнаруживаем, что во втором случае ток в два раза меньше, а сопротивление проводника вдвое больше. Мы вычисляем величину тока и находим, что во втором случае ток в два раза больше. Из закона Ома следует, что сопротивление в два раза меньше. Мы измеряем величину тока, протекающего через провода с одинаковой длиной и одинаковым поперечным сечением, что дает им одинаковое напряжение.

Мы находим, что величина тока различна. Вывод: сопротивление проводника зависит от вещества, из которого оно изготовлено. Сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он изготовлен. Величина р называется удельным сопротивлением. Он характеризует вещество проводника и не зависит от его размера. Длина проводов обычно выражается в метрах и их сечениями в квадратных миллиметрах.

Напомним, что в случае однородного проводника напряжение U совпадает с разностью потенциалов (см. (33.6)).

Обозначенная в формуле (34.1) буквой R величина называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей сопротивления служит равный сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении в 1 В течет ток силой 1 А.

Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилиндрического проводника

Определение: удельное сопротивление вещества равно сопротивлению проводника из этого вещества длиной 1 м и поперечным сечением 1 мм. Чем меньше удельный импеданс вещества, тем лучше проводник тока. Хорошие провода — медь и алюминий, поэтому они используются для изготовления силовых линий и соединительных проводов.

В каждой электрической плите, фен, бойлер и т.д. есть нагревательный элемент, изготовленный из специального сплава — например, локоть, никель, удельное сопротивление которого довольно велико. Тепло генерируется, когда ток течет к этому элементу. Резисторы называются проводниками с точно определенными резисторами. Они используются в электронике — в телевизорах, компьютерах, радио и т.д. они поддерживают такие токи и напряжения, которые необходимы для нормальной работы других элементов в устройстве.

где l — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, — зависящий от свойств материала коэффициент, называемый удельным электрическим сопротивлением вещества. Если то R численно равно . В СИ измеряется в ом-метрах (Ом-м).

Найдем связь между векторами j и Е в одной и той же точке проводника. В изотропном проводнике упорядоченное движение носителей тока происходит в направлении вектора Е.

Радиаторы, телевизоры и другие устройства используют переменные резисторы — вращением ручки изменяется их сопротивление. Большие токи регулируются другими переменными резисторами — реостатами. Реостаты меняют скорость трамваев, троллейбусов и многое другое.

Вопросы, связанные с электропроводностью воды в аквариумизме, стали актуальными, особенно в течение последних нескольких лет, когда наблюдалось заметное снижение цен на электрические ячейки, и, следовательно, цена нуждающихся измерительных приборов, называемых счетчиками проводимости, была уменьшена. Однако для получения достоверных результатов необходимо не только соблюдать правильное поведение, но и уделять пристальное внимание контролю и обслуживанию санитарного объекта. Электропроводность является основным аддитивным свойством раствора электролита, то есть ячеек, из которых диссоциированы электрически заряженные ионы.

Поэтому на правления векторов j и Е совпадают Выделим мысленно в окрестности некоторой точки элементарный цилиндрический объем с образующими, параллельными векторам j и Е (рис. 34.1). Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой . Напряжение, приложенное к цилиндру, равно , где Е — напряженность поля в данном месте. Наконец, сопротивление цилиндра, согласно формуле (34.2), равно . Подставив эти значения в формулу (34.1), придем к соотношению

Ионы, возникающие в результате диссоциации электролитов в растворе, позволяют протекать через электрический ток. Электропроводность раствора электролита зависит от количества ионов, содержащихся в данном растворе, т.е. от их концентрации, далее от размера ионного заряда, температуры раствора и так называемых движений ионов в электрическом поле, т.е. как быстро ион в электрическом поле перемещается. По этим причинам электропроводность различных растворов не сопоставима. Чтобы сравнить проводимость различных электролитов, была введена так называемая «поперечная проводимость», и мы ссылаемся на нее с небольшой серой буквой гамма-общей размерности, которая определяется соотношением.

Воспользовавшись тем, что векторы j и Е имеют одинаковое направление, можно написать

Эта формула выражает закон Ома в дифференциальной форме.

Фигурирующая в (34.3) обратная величина называется удельной электрической проводимостью материала. Единица, обратная ому, называется сименсом (См). Соответственно единицей о является сименс на метр (См/м).

Допустим для простоты, что в проводнике имеются носители лишь одного знака. Согласно формуле (31.5) плотность тока в этом случае равна

Сравнение этого выражения с формулой (34.3) приводит к выводу, что скорость упорядоченного движения носителей тока пропорциональна напряженности поля Е, т. е. силе, сообщающей носителям упорядоченное движение. Пропорциональность скорости приложенной к телу силе наблюдается в тех случаях, когда кроме силы, вызвавшей движение, на тело действует сила сопротивления среды. Эта сила вызывается взаимодействием носителей тока с частицами, из которых построено вещество проводника. Наличие силы сопротивления упорядоченному движению носителей тока обусловливает электрическое сопротивление проводника.

Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его удельным сопротивлением либо удельной проводимостью .

Их величина определяется химической природой вещества и условиями, в частности температурой, при которых оно находится.

Для большинства металлов при температурах, близких к комнатной, изменяется пропорционально абсолютной температуре Т:

При низких температурах наблюдаются отступления от этой закономерности (рис. 34.2). В большинстве случаев зависимость от Т следует кривой. Величина остаточного сопротивления рост в сильной степени зависит от чистоты материала и наличия остаточных механических напряжений в образце. Поэтому после отжига рост заметно уменьшается. У абсолютно чистого металла с идеально правильной кристаллической решеткой при абсолютном нуле

У большой группы металлов и сплавов при температуре порядка нескольких кельвинов сопротивление скачков обращается в нуль (кривая 2 на рис. 34.2). Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, было обнаружено в 1911 г. Камерлинг-Оннесом для ртути. В дальнейшем сверхпроводимость была обнаружена у свинца, олова, цинка, алюминия и других металлов, а также у ряда сплавов. Для каждого сверхпроводника имеется своя критическая температура Т при которой он переходит в сверхпроводящее состояние. При действии на сверхпроводник магнитного поля сверхпроводящее состояние нарушается. Величина критического поля разрушающего сверхпроводимость, равна нулю при и растет с понижением температуры.

Полное теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано академиком Н. Н. Боголюбовым и независимо от него Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (см. § 56 тома 3).

Зависимость электрического сопротивления от температуры положена в основу термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой металлическую (обычно платиновую) проволочку, намотанную на фарфоровый или слюдяной каркас. Проградуированный по постоянным температурным точкам термометр сопротивления позволяет измерять с погрешностью порядка несколько сотых градуса как низкие, так и высокие температуры. В последнее время все большее применение находят термометры сопротивления из полупроводников.

Удельное электрическое сопротивление

Удельное электрическое сопротивление

ρ {\displaystyle \rho }

Размерность

СИ:L3MT-3I-2
СГС:T

Единицы измерения

СИ

Ом·м

СГС

с

Уде́льное электри́ческое сопротивле́ние (удельное сопротивление) — физическая величина, характеризующая способность материала препятствовать прохождению электрического тока, выражается в Ом·м. Удельное электрическое сопротивление принято обозначать греческой буквой ρ. Значение удельного сопротивления зависит от температуры в различных материалах по-разному: в проводниках, удельное электрическое сопротивление с повышением температуры возрастает, а в полупроводниках и диэлектриках — наоборот, уменьшается. Величина, учитывающая изменение электрического сопротивления от температуры называется температурный коэффициент удельного сопротивления. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью (удельной электропроводностью). В отличие от электрического сопротивления, являющегося свойством проводника и зависящего от его материала, формы и размеров, удельное электрическое сопротивление является свойством только вещества.

Электрическое сопротивление однородного проводника с удельным сопротивлением ρ, длиной l и площадью поперечного сечения S может быть рассчитано по формуле R = ρ ⋅ l S {\displaystyle R={\frac {\rho \cdot l}{S}}} (при этом предполагается, что ни площадь, ни форма поперечного сечения не меняются вдоль проводника). Соответственно, для ρ выполняется ρ = R ⋅ S l . {\displaystyle \rho ={\frac {R\cdot S}{l}}.}

Из последней формулы следует: физический смысл удельного сопротивления вещества заключается в том, что оно представляет собой сопротивление изготовленного из этого вещества однородного проводника единичной длины и с единичной площадью поперечного сечения.

Единицы измерения

Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м. Из соотношения ρ = R ⋅ S l {\displaystyle \rho ={\frac {R\cdot S}{l}}} следует, что единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м², изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м².

В технике также применяется устаревшая внесистемная единица Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м. Данная единица равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 мм², изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление какого-либо вещества, выраженное в этих единицах, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм².

Обобщение понятия удельного сопротивления

Кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах

Удельное сопротивление можно определить также для неоднородного материала, свойства которого меняются от точки к точке. В этом случае оно является не константой, а скалярной функцией координат — коэффициентом, связывающим напряжённость электрического поля E → ( r → ) {\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})} и плотность тока J → ( r → ) {\displaystyle {\vec {J}}({\vec {r}})} в данной точке r → {\displaystyle {\vec {r}}} . Указанная связь выражается законом Ома в дифференциальной форме:

E → ( r → ) = ρ ( r → ) J → ( r → ) . {\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})=\rho ({\vec {r}}){\vec {J}}({\vec {r}}).}

Эта формула справедлива для неоднородного, но изотропного вещества. Вещество может быть и анизотропно (большинство кристаллов, намагниченная плазма и т. д.), то есть его свойства могут зависеть от направления. В этом случае удельное сопротивление является зависящим от координат тензором второго ранга, содержащим девять компонент ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} . В анизотропном веществе векторы плотности тока и напряжённости электрического поля в каждой данной точке вещества не сонаправлены; связь между ними выражается соотношением

E i ( r → ) = ∑ j = 1 3 ρ i j ( r → ) J j ( r → ) . {\displaystyle E_{i}({\vec {r}})=\sum _{j=1}^{3}\rho _{ij}({\vec {r}})J_{j}({\vec {r}}).}

В анизотропном, но однородном веществе тензор ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} от координат не зависит.

Тензор ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} симметричен, то есть для любых i {\displaystyle i} и j {\displaystyle j} выполняется ρ i j = ρ j i {\displaystyle \rho _{ij}=\rho _{ji}} .

Как и для всякого симметричного тензора, для ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} можно выбрать ортогональную систему декартовых координат, в которых матрица ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} отличными от нуля являются лишь три: ρ 11 {\displaystyle \rho _{11}} , ρ 22 {\displaystyle \rho _{22}} и ρ 33 {\displaystyle \rho _{33}} . В этом случае, обозначив ρ i i {\displaystyle \rho _{ii}} как ρ i {\displaystyle \rho _{i}} , вместо предыдущей формулы получаем более простую

E i = ρ i J i . {\displaystyle E_{i}=\rho _{i}J_{i}.}

Величины ρ i {\displaystyle \rho _{i}} называют главными значениями тензора удельного сопротивления.

Связь с удельной проводимостью

В изотропных материалах связь между удельным сопротивлением ρ {\displaystyle \rho } и удельной проводимостью σ {\displaystyle \sigma } выражается равенством

ρ = 1 σ . {\displaystyle \rho ={\frac {1}{\sigma }}.}

В случае анизотропных материалов связь между компонентами тензора удельного сопротивления ρ i j {\displaystyle \rho _{ij}} и тензора удельной проводимости σ i j {\displaystyle \sigma _{ij}} имеет более сложный характер. Действительно, закон Ома в дифференциальной форме для анизотропных материалов имеет вид:

J i ( r → ) = ∑ j = 1 3 σ i j ( r → ) E j ( r → ) . {\displaystyle J_{i}({\vec {r}})=\sum _{j=1}^{3}\sigma _{ij}({\vec {r}})E_{j}({\vec {r}}).}

Из этого равенства и приведённого ранее соотношения для E i ( r → ) {\displaystyle E_{i}({\vec {r}})} следует, что тензор удельного сопротивления является обратным тензору удельной проводимости. С учётом этого для компонент тензора удельного сопротивления выполняется:

ρ 11 = 1 det ( σ ) , {\displaystyle \rho _{11}={\frac {1}{\det(\sigma )}},} ρ 12 = 1 det ( σ ) , {\displaystyle \rho _{12}={\frac {1}{\det(\sigma )}},}

где det ( σ ) {\displaystyle \det(\sigma )} — определитель матрицы, составленной из компонент тензора σ i j {\displaystyle \sigma _{ij}} . Остальные компоненты тензора удельного сопротивления получаются из приведённых уравнений в результате циклической перестановки индексов 1, 2 и 3.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ

Металлические монокристаллы

В таблице приведены главные значения тензора удельного сопротивления монокристаллов при температуре 20 °C.

Кристалл ρ1=ρ2, 10−8 Ом·м ρ3, 10−8 Ом·м
Олово 9,9 14,3
Висмут 109 138
Кадмий 6,8 8,3
Цинк 5,91 6,13
Теллур 2,90·109 5,9·109

Металлы и сплавы, применяемые в электротехнике

Разброс значений обусловлен разной химической чистотой металлов, способов изготовления образцов, изученных разными учеными и непостоянством состава сплавов.

Металл ρ, Ом·мм²/м
Серебро 0,015…0,0162
Медь 0,01724…0,018
Золото 0,023
Алюминий 0,0262…0,0295
Иридий 0,0474
Молибден 0,054
Вольфрам 0,053…0,055
Цинк 0,059
Никель 0,087
Железо 0,098
Платина 0,107
Олово 0,12
Свинец 0,217…0,227
Титан 0,5562…0,7837
Висмут 1,2
Сплав ρ, Ом·мм²/м
Сталь 0,103…0,137
Никелин 0,42
Константан 0,5
Манганин 0,43…0,51
Нихром 1,05…1,4
Фехраль 1,15…1,35
Хромаль 1,3…1,5
Латунь 0,025…0,108
Бронза 0,095…0,1

Значения даны при температуре t = 20 °C. Сопротивления сплавов зависят от их химического состава и могут варьироваться. Для чистых веществ колебания численных значений удельного сопротивления обусловлены различными методами механической и термической обработки, например, отжигом проволоки после волочения.

Другие вещества

Вещество ρ, Ом·мм²/м
Сжиженные углеводородные газы 0,84⋅1010

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *