Ha la resistività più bassa. Resistività dei conduttori: rame, alluminio, acciaio

Resistenza elettrica -una grandezza fisica che mostra quale tipo di ostacolo viene creato dalla corrente mentre attraversa il conduttore. Le unità di misura sono Ohm, in onore di Georg Ohm. Nella sua legge, ha ricavato una formula per trovare la resistenza, che è riportata di seguito.

Consideriamo come esempio la resistenza dei conduttori che utilizzano metalli. I metalli hanno una struttura interna sotto forma di reticolo cristallino. Questo reticolo ha un ordine rigoroso e i suoi nodi sono ioni caricati positivamente. I portatori di carica in un metallo sono elettroni “liberi”, che non appartengono a un atomo specifico, ma si muovono in modo casuale tra i siti del reticolo. Dalla fisica quantistica è noto che il movimento degli elettroni in un metallo è la propagazione di un'onda elettromagnetica in un solido. Cioè, un elettrone in un conduttore si muove alla velocità della luce (praticamente), ed è stato dimostrato che presenta proprietà non solo come particella, ma anche come onda. E la resistenza del metallo nasce come risultato della diffusione delle onde elettromagnetiche (cioè degli elettroni) da parte delle vibrazioni termiche del reticolo e dei suoi difetti. Quando gli elettroni entrano in collisione con i nodi del reticolo cristallino, parte dell'energia viene trasferita ai nodi, con conseguente rilascio di energia. Questa energia può essere calcolata a corrente costante, grazie alla legge di Joule-Lenz - Q=I 2 Rt. Come puoi vedere, maggiore è la resistenza, maggiore è l'energia rilasciata.

Resistività

Esiste un concetto così importante come la resistività, questa è la stessa resistenza, solo in un'unità di lunghezza. Ogni metallo ha il suo, ad esempio per il rame è 0,0175 Ohm*mm2/m, per l'alluminio è 0,0271 Ohm*mm2/m. Ciò significa che una barra di rame lunga 1 m e una sezione trasversale di 1 mm2 avrà una resistenza di 0,0175 Ohm, e la stessa barra, ma di alluminio, avrà una resistenza di 0,0271 Ohm. Risulta che la conduttività elettrica del rame è superiore a quella dell'alluminio. Ogni metallo ha la sua resistenza specifica e la resistenza dell'intero conduttore può essere calcolata utilizzando la formula

Dove P– resistività del metallo, l – lunghezza del conduttore, s – area della sezione trasversale.

Sono riportati i valori di resistività tabella della resistività dei metalli(20°C)

Oltre alla resistività, la tabella contiene i valori TCR più avanti;

Dipendenza della resistività dalla deformazione

Durante la formatura a freddo dei metalli, il metallo subisce una deformazione plastica. Durante la deformazione plastica, il reticolo cristallino si deforma e il numero dei difetti aumenta. Con un aumento dei difetti del reticolo cristallino, aumenta la resistenza al flusso di elettroni attraverso il conduttore, quindi aumenta la resistività del metallo. Ad esempio, il filo è realizzato mediante trafilatura, il che significa che il metallo subisce una deformazione plastica, a seguito della quale aumenta la resistività. In pratica, per ridurre la resistenza, si utilizza la ricottura di ricristallizzazione; si tratta di un processo tecnologico complesso, dopo il quale il reticolo cristallino sembra “raddrizzarsi” e il numero dei difetti diminuisce, e quindi anche la resistenza del metallo.

Quando allungato o compresso, il metallo subisce una deformazione elastica. Durante la deformazione elastica causata dallo stiramento, le ampiezze delle vibrazioni termiche dei nodi del reticolo cristallino aumentano, pertanto gli elettroni incontrano grandi difficoltà e, in relazione a ciò, aumenta la resistività. Durante la deformazione elastica causata dalla compressione, le ampiezze delle vibrazioni termiche dei nodi diminuiscono, quindi è più facile per gli elettroni muoversi e la resistività diminuisce.

Effetto della temperatura sulla resistività

Come abbiamo già scoperto sopra, la causa della resistenza nel metallo sono i nodi del reticolo cristallino e le loro vibrazioni. Quindi, all'aumentare della temperatura, aumentano le vibrazioni termiche dei nodi, il che significa che aumenta anche la resistività. Esiste una quantità come coefficiente di resistenza alla temperatura(TKS), che mostra quanto aumenta o diminuisce la resistività del metallo quando viene riscaldato o raffreddato. Ad esempio, il coefficiente di temperatura del rame a 20 gradi Celsius è 4.1 · 10 − 3 1/grado. Ciò significa che quando, ad esempio, il filo di rame viene riscaldato di 1 grado Celsius, la sua resistività aumenterà di 4.1 · 10 − 3 Ohm. La resistività alle variazioni di temperatura può essere calcolata utilizzando la formula

dove r è la resistività dopo il riscaldamento, r 0 è la resistività prima del riscaldamento, a è il coefficiente di temperatura della resistenza, t 2 è la temperatura prima del riscaldamento, t 1 è la temperatura dopo il riscaldamento.

Sostituendo i nostri valori, otteniamo: r=0.0175*(1+0.0041*(154-20))=0.0271 Ohm*mm 2 /m. Come puoi vedere, la nostra barra di rame con una lunghezza di 1 me una sezione trasversale di 1 mm 2, dopo aver riscaldato a 154 gradi, avrebbe la stessa resistenza della stessa barra, solo di alluminio e ad un temperatura di 20 gradi Celsius.

La proprietà di modificare la resistenza con le variazioni di temperatura viene utilizzata nei termometri a resistenza. Questi dispositivi possono misurare la temperatura in base alle letture della resistenza. I termometri a resistenza hanno un'elevata precisione di misurazione, ma intervalli di temperatura ridotti.

In pratica, la proprietà dei conduttori di impedirne il passaggio attuale sono usati molto ampiamente. Un esempio è una lampada a incandescenza, in cui un filamento di tungsteno viene riscaldato a causa dell'elevata resistenza del metallo, della sua grande lunghezza e della sezione trasversale stretta. O qualsiasi dispositivo di riscaldamento in cui la bobina si riscalda a causa dell'elevata resistenza. Nell'ingegneria elettrica, un elemento la cui proprietà principale è la resistenza è chiamato resistore. Un resistore viene utilizzato in quasi tutti i circuiti elettrici.

O un circuito elettrico a una corrente elettrica.

La resistenza elettrica è definita come coefficiente di proporzionalità R tra tensione U e alimentazione CC IO nella legge di Ohm per una sezione di un circuito.

L'unità di resistenza si chiama ohm(Ohm) in onore dello scienziato tedesco G. Ohm, che introdusse questo concetto nella fisica. Un ohm (1 Ohm) è la resistenza di un tale conduttore in cui, a tensione 1 IN la corrente è uguale a 1 UN.

Resistività.

La resistenza di un conduttore omogeneo di sezione trasversale costante dipende dal materiale del conduttore, dalla sua lunghezza l e sezione trasversale S e può essere determinato dalla formula:

Dove ρ - resistenza specifica della sostanza di cui è costituito il conduttore.

Resistenza specifica di una sostanza- questa è una quantità fisica che mostra quale resistenza ha un conduttore costituito da questa sostanza di lunghezza unitaria e area di sezione trasversale unitaria.

Dalla formula ne consegue che

Valore reciproco ρ , chiamato conduttività σ :

Poiché l'unità SI di resistenza è 1 ohm. l'unità di area è 1 m2 e l'unità di lunghezza è 1 m, quindi l'unità SI di resistività è 1 Ohm · m 2 /m, o 1 Ohm m. L'unità SI di conduttività è Ohm -1 m -1 .

In pratica, l'area della sezione trasversale dei fili sottili è spesso espressa in millimetri quadrati (mm2). In questo caso, un'unità di resistività più conveniente è Ohm mm 2 /m. Poiché 1 mm 2 = 0,000001 m 2, allora 1 Ohm mm 2 /m = 10 -6 Ohm m. I metalli hanno una resistività molto bassa - circa (1·10 -2) Ohm·mm 2 /m, i dielettrici - 10 15 -10 20 maggiore.

Dipendenza della resistenza dalla temperatura.

All’aumentare della temperatura aumenta la resistenza dei metalli. Tuttavia, esistono leghe la cui resistenza quasi non cambia con l'aumento della temperatura (ad esempio costantana, manganina, ecc.). La resistenza degli elettroliti diminuisce con l'aumentare della temperatura.

Coefficiente di temperatura della resistenza di un conduttore è il rapporto tra la variazione della resistenza del conduttore quando riscaldato di 1 °C e il valore della sua resistenza a 0 ºC:

.

La dipendenza della resistività dei conduttori dalla temperatura è espressa dalla formula:

.

Generalmente α dipende dalla temperatura, ma se l'intervallo di temperatura è piccolo, il coefficiente di temperatura può essere considerato costante. Per metalli puri α = (1/273)K -1. Per soluzioni elettrolitiche α < 0 . Ad esempio, per una soluzione al 10% di sale da cucina α = -0,02 K -1. Per costantana (lega rame-nichel) α = 10 -5 K -1.

Viene utilizzata la dipendenza della resistenza del conduttore dalla temperatura termometri a resistenza.

> Resistenza e resistività

Prendere in considerazione resistività elettrica del conduttore. Scopri l'influenza delle caratteristiche del materiale sui resistori equivalenti e di resistività.

Caratterizzare il grado in cui un oggetto o materiale ostacola il flusso di corrente elettrica.

Obiettivo di apprendimento

• Identificare le proprietà dei materiali descritte da resistenza e resistività.

Punti principali

• La resistenza di un oggetto si basa sulla sua forma e sul materiale.
• La resistività (p) è una proprietà intrinseca di un materiale ed è direttamente proporzionale alla resistenza totale (R).
• La resistenza varia a seconda dei materiali. Inoltre, i resistori sono disposti su molti ordini di grandezza.
• I resistori sono installati in serie o parallelo. La resistenza equivalente di una rete di resistori rappresenta la somma di tutte le resistenze.

Termini

• La resistenza equivalente parallela è la resistenza di una rete in cui ciascun resistore è soggetto alla stessa differenza di tensione delle correnti che lo attraversano. Quindi la resistenza equivalente inversa è uguale alla somma della resistenza inversa di tutti i resistori nella rete.
• La resistenza equivalente è la resistenza di una rete di resistori installati in modo che la tensione attraverso la rete sia la somma della tensione attraverso ciascun resistore.
• La resistività è il grado con cui un materiale resiste al flusso elettrico.

Resistenza e resistività

La resistenza è una proprietà elettrica che crea ostacoli al flusso. La corrente che si muove attraverso il filo assomiglia all'acqua che scorre in un tubo e la caduta di tensione assomiglia alla caduta di pressione. La resistenza è proporzionale alla pressione richiesta per formare un flusso particolare e la conduttività è proporzionale alla velocità del flusso. Conduttività e resistenza sono correlate.

La resistenza si basa sulla forma e sul materiale dell'oggetto. Il modo più semplice è considerare un resistore cilindrico e passare da esso a forme complesse. La resistenza elettrica del cilindro (R) sarà direttamente proporzionale alla lunghezza (L). Più lungo è, maggiori saranno le collisioni con gli atomi.

Un singolo cilindro con lunghezza (L) e area della sezione trasversale (A). La resistenza al flusso di corrente è simile alla resistenza del fluido in un tubo. Più lungo è il cilindro, maggiore è la resistenza. Ma all’aumentare dell’area della sezione trasversale, la resistenza diminuisce

Materiali diversi forniscono una resistenza diversa. Determiniamo la resistenza specifica (p) della sostanza in modo che la resistenza (R) sia direttamente proporzionale a p. Se la resistenza specifica è una proprietà integrale, allora la resistenza semplice è esterna.

Tipico resistore assiale

Cosa determina la resistività di un conduttore? La resistenza può variare notevolmente a seconda del materiale. Il Teflon, ad esempio, ha una conduttività da 10 a 30 volte inferiore a quella del rame. Da dove viene questa differenza? Il metallo ha un numero enorme di elettroni delocalizzati, che non rimangono in un luogo specifico, ma viaggiano liberamente su lunghe distanze. Tuttavia, in un isolante (Teflon), gli elettroni sono strettamente legati agli atomi e ci vuole una forza notevole per strapparli. In alcuni isolatori ceramici si può trovare una resistenza superiore a 10-12 ohm. Una persona asciutta ha 10 5 Ohm.

La differenza di tensione nella rete riflette la somma di tutte le tensioni e la resistenza totale è espressa dalla formula:

R eq = R 1 + R 2 + ⋯ + R N .

I resistori in una configurazione parallela attraversano la stessa differenza di tensione. Pertanto, possiamo calcolare la resistenza di rete equivalente:

1/R eq = 1/R 1 + 1/R 2 + ⋯ + 1/R N .

La resistenza equivalente parallela può essere rappresentata nella formula da due linee verticali o da una barra (//). Per esempio:

Ciascuna resistenza R è espressa come R/N. Una rete di resistori mostra una combinazione di connessioni parallele e serie. Può essere suddiviso in componenti più piccoli.

Questo circuito combinato può essere suddiviso in componenti in serie e in parallelo

Alcune reti complesse non possono essere visualizzate in questo modo. Ma un valore di resistenza non standard può essere sintetizzato combinando diversi indicatori standard in serie e in parallelo. Questo può anche essere utilizzato per produrre una resistenza con una potenza nominale maggiore rispetto ai singoli resistori. In un caso particolare, tutti i resistori sono collegati in serie o in parallelo e il valore di quelli singoli viene moltiplicato per N.

Una delle quantità fisiche utilizzate nell'ingegneria elettrica è la resistività elettrica. Quando si considera la resistività dell'alluminio, va ricordato che questo valore caratterizza la capacità di una sostanza di impedire il passaggio di corrente elettrica attraverso di essa.

Concetti di resistività

Il valore opposto alla resistenza specifica è chiamato conduttività specifica o conduttività elettrica. La resistenza elettrica ordinaria è caratteristica solo di un conduttore e la resistenza elettrica specifica è caratteristica solo di una particolare sostanza.

Di norma, questo valore viene calcolato per un conduttore avente una struttura omogenea. Per determinare i conduttori elettrici omogenei, viene utilizzata la formula:

Il significato fisico di questa quantità risiede in una certa resistenza di un conduttore omogeneo con una certa lunghezza unitaria e una certa area di sezione trasversale. L'unità di misura è l'unità SI Om.m oppure l'unità non di sistema Om.mm2/m. L'ultima unità significa che un conduttore costituito da una sostanza omogenea, lungo 1 m, avente una sezione trasversale di 1 mm2, avrà una resistenza di 1 Ohm. Pertanto, la resistività di qualsiasi sostanza può essere calcolata utilizzando una sezione di un circuito elettrico lunga 1 m, la cui sezione trasversale sarà 1 mm2.

Resistività di diversi metalli

Ogni metallo ha le sue caratteristiche individuali. Se confrontiamo la resistività dell'alluminio, ad esempio, con quella del rame, possiamo notare che per il rame questo valore è 0,0175 Ohm.mm2/m, e per l'alluminio è 0,0271 Ohm.mm2/m. Pertanto, la resistività dell'alluminio è significativamente superiore a quella del rame. Ne consegue che la conduttività elettrica è molto superiore a quella dell'alluminio.

Il valore di resistività dei metalli è influenzato da alcuni fattori. Ad esempio, durante la deformazione, la struttura del reticolo cristallino viene interrotta. A causa dei difetti che ne derivano, aumenta la resistenza al passaggio degli elettroni all'interno del conduttore. Pertanto, la resistività del metallo aumenta.

Anche la temperatura ha un effetto. Quando riscaldati, i nodi del reticolo cristallino iniziano a vibrare più forte, aumentando così la resistività. Attualmente, a causa dell’elevata resistività, i fili di alluminio vengono ampiamente sostituiti da fili di rame, che hanno una conduttività più elevata.

La resistenza elettrica specifica, o semplicemente la resistività di una sostanza, è una grandezza fisica che caratterizza la capacità di una sostanza di impedire il passaggio di corrente elettrica.

La resistività è indicata con la lettera greca ρ. Il reciproco della resistività è chiamato conduttività specifica (conduttività elettrica). A differenza della resistenza elettrica, che è una proprietà di un conduttore e dipende dal suo materiale, forma e dimensione, la resistività elettrica è una proprietà solo di una sostanza.

La resistenza elettrica di un conduttore omogeneo con resistività ρ, lunghezza l e area della sezione trasversale S può essere calcolata utilizzando la formula (assumendo che né l'area né la forma della sezione trasversale cambino lungo il conduttore). Di conseguenza, per ρ abbiamo

Dall'ultima formula segue: il significato fisico della resistività di una sostanza è che rappresenta la resistenza di un conduttore omogeneo di lunghezza unitaria e con area di sezione trasversale unitaria costituito da questa sostanza.

L'unità di resistività nel Sistema Internazionale di Unità (SI) è Ohm m.

Dalla relazione ne consegue che l'unità di misura della resistività nel sistema SI è uguale alla resistività di una sostanza alla quale ha un conduttore omogeneo lungo 1 m con una sezione trasversale di 1 m², costituito da questa sostanza una resistenza pari a 1 Ohm. Di conseguenza, la resistività di una sostanza arbitraria, espressa in unità SI, è numericamente uguale alla resistenza di una sezione di un circuito elettrico costituito da una determinata sostanza con una lunghezza di 1 me una sezione trasversale di 1 m².

Nella tecnologia viene utilizzata anche l'antiquata unità non sistemica Ohm mm²/m, pari a 10 −6 di 1 Ohm m. Questa unità è uguale alla resistività di una sostanza alla quale un conduttore omogeneo lungo 1 m con una sezione trasversale di 1 mm², costituito da questa sostanza, ha una resistenza pari a 1 Ohm. Di conseguenza, la resistività di una sostanza, espressa in queste unità, è numericamente uguale alla resistenza di una sezione di un circuito elettrico costituito da questa sostanza, lunga 1 me una sezione trasversale di 1 mm².

La forza elettromotrice (EMF) è una quantità fisica scalare che caratterizza il lavoro delle forze esterne, cioè qualsiasi forza di origine non elettrica che agisce in circuiti CC o CA quasi stazionari. In un circuito conduttivo chiuso, la FEM è uguale al lavoro di queste forze per spostare una singola carica positiva lungo l'intero circuito.

Per analogia con l'intensità del campo elettrico, viene introdotto il concetto di intensità di forza esterna, intesa come una quantità fisica vettoriale pari al rapporto tra la forza esterna che agisce su una carica elettrica di prova e l'entità di questa carica. Quindi in un ciclo chiuso la FEM sarà uguale a:

dov'è l'elemento di contorno.

I campi elettromagnetici, come la tensione, sono misurati in volt nel Sistema Internazionale di Unità (SI). Possiamo parlare di forza elettromotrice in qualsiasi parte del circuito. Questo è il lavoro specifico delle forze esterne non lungo l'intero circuito, ma solo in una determinata area. La forza elettromagnetica di una cella galvanica è il lavoro delle forze esterne quando si sposta una singola carica positiva all'interno dell'elemento da un polo all'altro. Il lavoro delle forze esterne non può essere espresso attraverso una differenza di potenziale, poiché le forze esterne non sono potenziali e il loro lavoro dipende dalla forma della traiettoria. Quindi, ad esempio, il lavoro delle forze esterne quando si sposta una carica tra i terminali della corrente all'esterno di se stessa? la fonte è zero.