Сопротивление проводников с точки зрения электронной теории

Название работы: Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Физика

Описание: Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости Любое тело по которому протекает электрический ток оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим с

Дата добавления: 2013-05-11

Размер файла: 36.04 KB

Работу скачали: 36 чел.

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Сопротивление обозначается латинскими буквами Rили r .

За единицу электрического сопротивления принят ом.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/ R ,обозначается проводимость латинской буквой g.

Сопротивление (R) однородного линейного проводника, его проводимость (G) и удельная электрическая проводимость вещества проводника

здесь

Пример параллельного соединения нескольких резисторов изображен на рисунке.

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.

Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.

Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.

Один мегом равен одному миллиону ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/ R , обозначается проводимость латинской буквой g.

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника :

где — R — сопротивление проводника, ом, l — длина в проводника в м, S — площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

где π — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1° C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника. С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов .

Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре — 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Закон Джоуля-Ленца в классической электронной теории

На основании классической электронной теории проводимости металлов можно объяснить закон Джоуля-Ленца.

Упорядоченное движение электронов происходит под действием сил поля. Как и выше, будем считать, что в момент соударения с положительными ионами кристаллической решётки электроны полностью передают ей свою кинетическую энергию. К концу свободного пробега скорость электрона , а кинетическая энергия

(14.9)

Мощность, выделяемая единицей объёма металла (плотность мощности), равна произведению энергии одного электрона на число соударений в секундуи на концентрациюn электронов:

(14.10)

Учитывая (14.7), имеем

— закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Если нас интересует энергия, выделяемая проводником длиной ℓ, площадью поперечного сечения S за промежуток времени dt, то выражение (14.10) нужно умножить на объём проводника V=St и время dt:

Учитывая, что (гдеR– сопротивление проводника), получаем закон Джоуля-Ленца в виде

§ 14.3 Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость. Закон Видемана-Франца

Удельное сопротивление зависит не только от рода вещества, но и от его состояния, в частности, от температуры. Зависимость удельного сопротивления от температуры можно охарактеризовать, задавая температурный коэффициент сопротивления данного вещества:

(14.11)

Он даёт относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на один градус.

Температурный коэффициент сопротивления для данного вещества различен при разных температурах. Это показывает, что удельное сопротивление изменяется с температурой не по линейному закону, а зависит от неё более сложным образом.

где ρ – удельное сопротивление при 0ºС, ρ – его значение при температуре tºС.

Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным. У всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры, а следовательно для металлов

α >0. У всех электролитов в отличии от металлов сопротивление при нагревании всегда уменьшается. Сопротивление графита с повышением температуры также уменьшается. Для таких веществ α , т.е. чем больше , тем меньшую помеху для упорядоченного движения электронов представляют соударения. Электропроводимость обратно пропорциональна средней тепловой скорости . Тепловая скорость при повышении температуры возрастает пропорционально , что приводит к уменьшению электропроводимости и увеличению удельного сопротивления проводников. Анализируя формулу (14.7), можно, кроме того, объяснить зависимость γ и ρ от рода проводника.

При очень низких температурах порядка 1-8ºК сопротивление некоторых веществ резко падает в миллиарды раз и практически становится равным нулю.

Это явление, впервые открыто голландским физиком Г.Камерлинг-Оннесом в 1911 г.. называется сверхпроводимостью. В настоящее время сверхпроводимость установлена у целого ряда чистых элементов (свинца, олова, цинка, ртути, алюминия и др), а также у большого числа сплавов этих элементов друг с другом и с другими элементами. На рис. 14.3 схематически показана зависимость сопротивления сверхпроводников от температуры.

Теория сверхпроводимости была создана в 1958 г. Н.Н. Боголюбовым. Согласно этой теории, сверхпроводимость – это движение электронов в кристаллической решётке без соударений друг с другом и с атомами решётки. Все электроны проводимости движутся как один поток невязкой идеальной жидкости, не взаимодействуя между собой и с решёткой, т.е. не испытывая трения. Поэтому сопротивление сверхпроводников равно нулю. Сильное магнитное поле, проникая в сверхпроводник, отклоняет электроны, и, нарушая «ламинарное течение» электронного потока, вызывает соударение электронов с решёткой, т.е. возникает сопротивление.

В сверхпроводящем состоянии между электронами происходит обмен квантами энергии, что приводит к созданию между электронами сил притяжения, которые больше кулоновских сил отталкивания. При этом образуются пары электронов (куперовские пары) с взаимно скомпенсированными магнитными и механическими моментами. Такие пары электронов движутся в кристаллической решётке без сопротивления.

Одним из важнейших практических применений сверхпроводимости является применение её в электромагнитах со сверхпроводящей обмоткой. Если бы не существовало критического магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость, то с помощью таких электромагнитов можно было бы получать магнитные поля в десятки и сотни миллионов ампер на сантиметр. Получать такие большие постоянные поля с помощью обычных электромагнитов невозможно, так как для этого потребовались бы колоссальные мощности, и был бы практически невозможен отвод тепла, выделяемого при поглощении обмоткой столь больших мощностей. В сверхпроводящем электромагните расход мощности источника тока ничтожен, а расход мощности на охлаждение обмотки до гелиевой температуре (4,2ºК) на четыре порядка ниже, чем в обычном электромагните, создающем такие же поля. Сверхпроводимость применяется и для создания систем памяти электронных математических машин (криотронные элементы памяти).

В 1853 г. Видеман и Франц опытным путём установили, что отношение теплопроводности λ к электропроводности γ для всех метал лов при одной и той же температуре одинаково и пропорционально их термодинамической температуре.

Это заставляет предполагать, что теплопроводность в металлах, так же как и электропроводность, обусловлена движением свободных электронов. Будем считать, что электроны подобны одноатомному газу, коэффициент теплопроводности которого, согласно кинетической теории газов, равен

(14.13)

(n – концентрация атомов, m -масса атома, -средняя длина свободного пробега электрона, c_V-удельная теплоёмкость).

Для одноатомного газа

(k -постоянная Больцмана, М –молярная масса).

(14.14)

Из уравнений (14.7) и (14.14) находим отношение теплопроводности и электропроводности металла:

(14.15)

Из кинетической теории газов известно, что , тогда

(14.16)

( k и е – постоянные величины).

Поэтому отношение теплопроводности и электропроводности металла пропорционально термодинамической температуре, что и было установлено законом Видемана-Франца. Так как k =1,38∙10 -23 Дж/К; е = 1,6∙10 -19 Кл, то

(14.17)

Закон Видемана-Франца для большинства металлов выполняется при температуре 100-400 К, но при низкой температуре закон существенно нарушается. Имеются металлы (бериллий, марганец) которые совсем не подчиняются закону Видемана-Франца. Выход из непреодолимых противоречий был найден в квантовой электронной теории металлов.

С точки зрения электронной теории Друде электрическое сопротивление металлов обусловлено соударениями электронов с ионами кристаллической решётки.

Из-за торможения со стороны кристаллической решётки электроны движутся под действием электрического поля с постоянной средней скоростью, которая пропорциональна напряжённости поля в проводнике.

Зависимость сопротивления металлического проводника от температуры

С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается.

Яркость свечения лампы, включенной последовательно со стальной спиралью, уменьшается при нагревании спирали и увеличивается при её охлаждении.

Чем выше температура, тем интенсивнее колебания ионов кристаллической решётки и тем чаще электроны сталкиваются с ними. Движение электронов в кристаллической решётке затрудняется, и сопротивление их упорядоченному движению возрастает.

– сопротивление при температуре

– сопротивление при температуре

– температурный коэффициент сопротивления

Температурные коэффициенты сопротивления чистых металлов мало отличаются друг от друга и примерно равны . Температурные коэффициенты сопротивления сплавов могут быть меньше и больше, чем у чистых металлов.

При нагревании проводника его геометрические размеры (длина и сечение) меняются, но незначительно по сравнению с изменением удельного сопротивления.

Таким образом, сопротивление проводника меняется в основном за счёт изменения удельного сопротивления.

Удельное сопротивление пропорционально частоте столкновений электронов с ионами.

Сверхпроводимость

Гейке Камерлинг-Оннес (1911г.)провёл эксперимент и обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии её сопротивление сначала менялось постепенно, а затем при температуре 4,15 К резко падало до нуля.

Дата добавления: 2017-05-02 ; просмотров: 1279 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Электрическое сопротивление и проводимость

Дата публикации: 26 марта 2013 .
Категория: Электротехника.

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическое сопротивление

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а.

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом. На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б. В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.

Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Видео 1. Сопротивление проводников

Удельное электрическое сопротивление

Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).

В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.

Удельные сопротивления различных проводников

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. 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.

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм².

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм².

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм². Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм² и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 – 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

Изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α.

Если при температуре t сопротивление проводника равно r, а при температуре t равно r_t, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим r_t:

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.

Электрическая проводимость

До сих пор мы рассматривали сопротивление проводника как препятствие, которое оказывает проводник электрическому току. Но все же ток по проводнику проходит. Следовательно, кроме сопротивления (препятствия), проводник обладает также способностью проводить электрический ток, то есть проводимостью.

Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем большей проводимостью он обладает, тем легче току пройти по проводнику. Поэтому сопротивление и проводимость проводника есть величины обратные.

Из математики известно, что число, обратное 5, есть 1/5 и, наоборот, число, обратное 1/7, есть 7. Следовательно, если сопротивление проводника обозначается буквой r, то проводимость определяется как 1/r. Обычно проводимость обозначается буквой g.

Электрическая проводимость измеряется в (1/Ом) или в сименсах.

Пример 8. Сопротивление проводника равно 20 Ом. Определить его проводимость.

Если r = 20 Ом, то

Пример 9. Проводимость проводника равна 0,1 (1/Ом). Определить его сопротивление,

Если g = 0,1 (1/Ом), то r = 1 / 0,1 = 10 (Ом)

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» – 9-е издание, исправленное – Москва: Высшая школа, 1964 – 560с.

Электрическое сопротивление проводника

Электрическое сопротивление — физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику. Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже.

Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе, благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I ₂ Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется.

Удельное сопротивление

Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м . Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле

где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)

Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

Зависимость удельного сопротивления от деформаций

При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4.1 · 10 − 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 − 3 Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле

где r это удельное сопротивление после нагрева, r – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t₂ – температура до нагрева, t₁ — температура после нагрева.

Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм 2 /м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 , после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия.

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко. Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор. Резистор применяется практически в любой электрической схеме.

Объясните механизм проводимости в металлах с точки зрения электронной теории

С точки зрения классической электронной теории металлов при образовании кристаллической решетки от атомов отщепляются некоторые, слабее всего связанные с ними электроны (валентные). Отщепленные электроны становятся общими для всех атомов и могут свободно перемещаться в кристалле. Именно эти электроны, в отличие от электронов,

заполняющих внутренние электронные оболочки атомов, обеспечивают электропроводность металлов. Поэтому их называют электронами проводимости. Следует отметить, что электроны проводимости в металлах не являются, вообще говоря, абсолютно свободными и испытывают взаимодействие с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Однако в первом приближении этим взаимодействием можно пренебречь. Справедливость такого подхода подтверждается, в частности, высокой проводимостью металлов, что может иметь место только в случае достаточно свободного движения электронов внутри проводника. Таким образом, в проводниках можно рассматривать идеальный газ свободных электронов или электронный газ.

2. Почему сопротивление металлов увеличивается с возрастанием температуры?

С повышение температуры увеличивается амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллических решетках металлов, в результате чего возрастает вероятность столкновения свободных электронов с ними. Соответственно при одном и том же токе протекающем через проводник, требуются различные величины Э.Д.С приложенные к нему.

3. У всех ли проводников сопротивление увеличивается с возрастанием температуры?

Нет. Среди проводников есть исключения с отрицательным ТКС, в частности, это жидкие проводники и уголь.

4. Что называется температурным коэффициентом сопротивления?

Температурный коэффициент электрического сопротивления, это величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу.

ТКС характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры и измеряется в кельвинах в минус первой степени (К -1 ).

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

Сопротивление проводника

Сопротивление проводника – способность материала препятствовать протеканию электрического тока. Включая случай скин-эффекта переменных высокочастотных напряжений.

Физические определения

Материалы делятся классами согласно удельному сопротивлению. Рассматриваемая величина – сопротивление – считается ключевой, позволит выполнить градацию всех веществ, встречающихся в природе:

1. Проводники – материалы с удельным сопротивлением до 10 мкОм м. Касается большинства металлов, графита.
2. Диэлектрики – удельное сопротивление 100 МОм м — 10 ПОм м. Приставка Пета используется в контексте пятнадцатой степени десятки.
3. Полупроводники – группа электротехнических материалов с удельным сопротивлением в диапазоне от проводников до диэлектриков.

Удельным сопротивление называется, позволяя охарактеризовать параметры отреза провода длиной 1 метр, площадью 1 квадратный метр. Чаще цифрами пользоваться неудобно. Сечение реального кабеля намного меньше. К примеру, для ПВ-3 площадь составляет десятки миллиметров. Расчет упрощается, если пользоваться единицами Ом кв.мм/м (см. рис.).

Удельное сопротивление металлов

Удельное сопротивление обозначается греческой буквой «ро», для получения показателя сопротивления величину домножим на длину, разделив на площадь образца. Перевод меж стандартными единицами измерения Ом м чаще используемыми для расчета показывает: взаимосвязь устанавливается через шестую степень десятки. Иногда удастся найти среди табличных значениях сведения, касающиеся удельного сопротивления меди:

• 168 мкОм м;
• 0,00175 Ом кв. мм / м.

Легко убедиться, цифры расходятся примерно на 4%, убедитесь, выполнив приведение единиц. Значит, цифры приводятся сортамента меди. При необходимости точных вычислений вопрос уточняется дополнительно, отдельно. Сведения об удельном сопротивлении образца получают чисто опытным путем. Отрез провода с известными сечением, длиной подсоединяется к контактам мультиметра. Для получения ответа требуется показания разделить на протяженность образца, домножить площадью сечения. В тестах полагается выбирать образец подлиннее, сократив до минимума погрешность. Значительная часть тестеров наделена недостаточной точностью для получения годных значений.

Итак, боящимся физиков, отчаявшимся освоить китайские мультиметры работать с удельным сопротивлением неудобно. Гораздо проще взять готовый отрез (большей длины), оценить параметр полного куска. На практике доли Ома играют малую роль, указанные действия выполняются для оценки потерь. Напрямую определены активным сопротивлением участка цепи и квадратично зависят от тока. Учитывая сказанное, отметим: проводники в электротехнике принято делить на две категории по применяемости:

1. Материалы высокой проводимости, высокого сопротивления. Первые применяются для создания кабелей, вторые – сопротивлений (резисторов). В таблицах не бывает четкого разграничения, учитывается практичность. Серебро с низким сопротивлением для создания проводов не применяют вовсе, для контактов приборов – редко. По очевидным причинам.
2. Сплавы с высокой упругостью применяются для создания гибких токонесущих частей: пружин, рабочих частей контакторов. Сопротивление обычно должно быть минимальным. Понятно, для этих целей в корне непригодна обычная медь, которой присуща большая степень пластичности.
3. Сплавы с высоким или низким температурным коэффициентом расширения. Первые служат основой создания биметаллических пластин, структурно служащих основой тепловых и пускозащитных реле. Вторые образуют группу инварных сплавов. Часто требуются, где важна геометрическая форма. У держателей нити накала в обыкновенной лампочке (замена дорогостоящему вольфраму) и вакуумплотных спаев на стыке со стеклом. Но еще чаще инварные сплавы никакого отношения к электричеству не имеют, используются в составе станков, приборов.

Формула связи удельного сопротивления с омическим

Физические основы электропроводности

Сопротивление проводника признано величиной, обратной электропроводности. В современной теории не установлено досконально, как происходит процесс образования тока. Физики часто упирались в стену, наблюдая явление, которое никак не могло быть объяснено с точки позиций ранее выдвигавшихся концепций. Сегодня доминирующей считается зонная теория. Требуется привести краткий экскурс развития представлений о строении вещества.

Изначально предполагалось: вещество представлено субстанцией, заряженной положительно, в ней плавают электроны. Так считал небезызвестный лорд Кельвин (урожденный Томсон), в честь которого названа единица измерения абсолютной температуры. Впервые сделал предположение о планетарной структуре атомов Резерфорд. Теория, выдвинутая в 1911 году, была сооружена на факте отклонения альфа-излучения веществами с большой дисперсией (отдельные частицы изменяли угол полета на весьма значительную величину). На основе существующих предпосылок автор заключил: положительный заряд атома сосредоточен внутри малой области пространства, которую назвали ядром. Факт отдельных случаев сильного отклонения угла полета вызван тем, что путь частицы пролегал в непосредственной близости от ядра.

Так установлены пределы геометрических размеров отдельных элементов и для разных веществ. Заключили, что диаметр ядра золота укладывается областью 3 пм (пико – приставка к отрицательной двенадцатой степени десятки). Дальнейшее развитие теории строения веществ выполнил Бор в 1913 году. На основе наблюдения поведения ионов водорода сделал вывод: заряд атома составляет единицу, была определена масса, составившая примерно одну шестнадцатую веса кислорода. Бор предположил: электрон удерживается силами притяжения, определенными Кулоном. Следовательно, что-то удерживает от падения на ядро. Бор предположил, виновата центробежная сила, возникающая при вращении частицы по орбите.

Важную поправку к макету внес Зоммерфельд. Допустил эллиптичность орбит, ввел два квантовых числа, описывающих траекторию – n и k. Бор заметил: теория Максвелла для модели терпит крах. Движущаяся частица обязана порождать в пространстве магнитное поле, тогда постепенно электрон упал бы на ядро. Следовательно, приходится допустить: существуют орбиты, на которых излучения энергии в пространство не происходит. Легко заметить: предположения противоречат друг другу, лишний раз напоминая: сопротивление проводника, как физическую величину, сегодня неспособны объяснить физики.

Почему? Зонная теория выбрала базисом постулаты Бора, гласящие: положения орбит дискретны, вычисляются заранее, геометрические параметры связаны некоторыми соотношениями. Выводы ученого пришлось дополнить волновой механикой, поскольку сделанные математические модели бессильны оказались объяснить некоторые явления. Современная теория говорит: для каждого вещества предусмотрено в состоянии электронов три зоны:

1. Валентная зона электронов, прочно связанных с атомами. Требуется большая энергия — разорвать связь. Электроны валентной зоны в проводимости не участвуют.
2. Зона проводимости, электроны при возникновении в веществе напряженности поля образуют электрический ток (упорядоченное движение носителей заряда).
3. Запрещенная зона – область энергетических состояний, где электроны в нормальных условиях находиться не могут.

Необъяснимый опыт Юнга

Согласно зонной теории, у проводника зона проводимости перекрывается валентной. Образуется электронное облако, легко увлекаемое напряженностью электрического поля, образуя ток. По этой причине сопротивление проводника имеет столь малое значение. Причем ученые прилагают бесполезные усилия объяснить, что представляет собой электрон. Известно только: элементарная частица проявляет волновые и корпускулярные свойства. Принцип неопределенности Гейзенберга ставит факты на места: нельзя с вероятностью 100% одновременно определить местоположение электрона и энергию.

Что касается эмпирической части, учеными подмечено: опыт Юнга, проделанный с электронами, дает любопытный результат. Ученый пропускал поток фотонов через две близкие щели щита, получалась интерференционная картина, составленная рядом полос. Предложили проделать тест с электронами, случился коллапс:

1. Если электроны проходят пучком, минуя две щели, образуется интерференционная картина. Происходит, будто движутся фотоны.
2. Если электроны выстреливать по одному, ничего не меняется. Следовательно… одна частица отражается сама от себя, существует сразу в нескольких местах?
3. Тогда стали пытаться зафиксировать момент прохождения электроном плоскости щита. И… интерференционная картина пропала. Остались два пятна напротив щелей.

Эффект бессильны объяснить с научной точки зрения. Получается, электроны «догадываются» о проводимом наблюдении, перестают проявлять волновые свойства. Показывает ограниченность современных представлений физики. Хорошо, если бы этим можно было удовольствоваться! Очередной муж науки предложил вести наблюдение за частицами, когда они уже прошли сквозь щель (летели в определенном направлении). И что же? Снова электроны перестали проявлять волновые свойства.

Получается, элементарные частицы вернулись обратно во времени. В тот момент, когда проходили щель. Проникли в тайну будущего, узнав, будет ли вестись наблюдение. В зависимости от факта скорректировали поведение. Понятно, ответ не может быть попаданием в яблочко. Загадка ждет разрешения по сей день. Кстати, теория Эйнштейна, выдвинутая в начале XX века, теперь опровергнута: найдены частицы, скорость которых превышает световую.

Как образуется сопротивление проводников

Современные воззрения говорят: свободные электроны перемещаются по проводнику со скоростью порядка 100 км/с. Под действием возникающего внутри поля дрейф упорядочивается. Скорость перемещения носителей вдоль линий напряженности мала, составляет единицы сантиметров в минуту. В ходе движения электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки, некая доля энергии переходит в тепло. И меру этого преобразования принято называть сопротивлением проводника. Чем выше, тем больше электрической энергии переходит в тепло. На этом основан принцип действия обогревателей.

Параллельно контексту идет численное выражение проводимости материала, которое можно увидеть на рисунке. Для получения сопротивления полагается единицу разделить на указанное число. Ход дальнейших преобразований рассмотрен выше. Видно, что сопротивление зависит от параметров — температурное движение электронов и длина их свободного пробега, что прямо приводит к строению кристаллической решётки вещества. Объяснение — сопротивление проводников отличается. У меди меньше алюминия.