Ma najniższą rezystancję. Rezystywność przewodników: miedź, aluminium, stal

Opór elektryczny -wielkość fizyczna pokazująca, jakiego rodzaju przeszkodę tworzy prąd przepływający przez przewodnik. Jednostką miary są Ohmy, na cześć Georga Ohma. W swoim prawie wyprowadził wzór na znalezienie oporu, który podano poniżej.

Rozważmy rezystancję przewodników na przykładzie metali. Metale mają strukturę wewnętrzną w postaci sieci krystalicznej. Sieć ta ma ścisły porządek, a jej węzłami są jony naładowane dodatnio. Nośniki ładunku w metalu to „wolne” elektrony, które nie należą do konkretnego atomu, ale przemieszczają się losowo pomiędzy miejscami sieci. Z fizyki kwantowej wiadomo, że ruch elektronów w metalu polega na rozchodzeniu się fali elektromagnetycznej w ciele stałym. Oznacza to, że elektron w przewodniku porusza się z prędkością światła (praktycznie) i udowodniono, że wykazuje właściwości nie tylko jako cząstka, ale także jako fala. A opór metalu powstaje w wyniku rozpraszania fal elektromagnetycznych (czyli elektronów) przez wibracje termiczne sieci i jej defektów. Kiedy elektrony zderzają się z węzłami sieci krystalicznej, część energii przekazywana jest do węzłów, w wyniku czego uwalniana jest energia. Energię tę można obliczyć przy prądzie stałym, dzięki prawu Joule'a-Lenza - Q=I 2 Rt. Jak widać, im większy opór, tym więcej uwalnianej energii.

Oporność

Istnieje tak ważne pojęcie jak rezystywność, jest to ten sam opór, tylko w jednostce długości. Każdy metal ma swój własny, na przykład dla miedzi jest to 0,0175 oma*mm2/m, dla aluminium jest to 0,0271 oma*mm2/m. Oznacza to, że pręt miedziany o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm2 będzie miał rezystancję 0,0175 oma, a ten sam pręt, ale wykonany z aluminium, będzie miał rezystancję 0,0271 oma. Okazuje się, że przewodność elektryczna miedzi jest wyższa niż aluminium. Każdy metal ma swój specyficzny opór, a opór całego przewodnika można obliczyć za pomocą wzoru

Gdzie P– rezystywność metalu, l – długość przewodu, s – pole przekroju poprzecznego.

Wartości rezystancji podano w tabela oporności metalu(20°C)

Oprócz rezystywności tabela zawiera wartości TCR; więcej o tym współczynniku nieco później.

Zależność rezystancji od odkształcenia

Podczas formowania na zimno metal ulega odkształceniu plastycznemu. Podczas odkształcenia plastycznego sieć krystaliczna ulega odkształceniu i zwiększa się liczba defektów. Wraz ze wzrostem defektów sieci krystalicznej wzrasta opór przepływu elektronów przez przewodnik, dlatego wzrasta rezystywność metalu. Przykładowo drut wytwarza się metodą ciągnienia, co oznacza, że ​​metal ulega odkształceniu plastycznemu, w wyniku czego wzrasta jego rezystywność. W praktyce wyżarzanie rekrystalizujące stosuje się w celu zmniejszenia rezystancji; jest to złożony proces technologiczny, po którym sieć krystaliczna wydaje się „prostować” i zmniejsza się liczba defektów, a co za tym idzie, również odporność metalu.

Podczas rozciągania lub ściskania metal ulega odkształceniu sprężystemu. Podczas odkształcenia sprężystego spowodowanego rozciąganiem wzrastają amplitudy drgań termicznych węzłów sieci krystalicznej, dlatego elektrony doświadczają dużych trudności, a w związku z tym wzrasta rezystywność. Podczas odkształcenia sprężystego spowodowanego ściskaniem amplitudy drgań cieplnych węzłów zmniejszają się, dlatego elektronom łatwiej się poruszać, a rezystywność maleje.

Wpływ temperatury na rezystywność

Jak już ustaliliśmy powyżej, przyczyną oporu w metalu są węzły sieci krystalicznej i ich drgania. Zatem wraz ze wzrostem temperatury zwiększają się wibracje termiczne węzłów, co oznacza, że ​​wzrasta również rezystywność. Jest taka ilość jak temperaturowy współczynnik oporu(TKS), który pokazuje, jak bardzo rezystywność metalu wzrasta lub maleje podczas ogrzewania lub chłodzenia. Na przykład współczynnik temperaturowy miedzi przy 20 stopniach Celsjusza wynosi 4.1 · 10 - 3 1/stopień. Oznacza to, że gdy np. drut miedziany zostanie podgrzany o 1 stopień Celsjusza, jego rezystywność wzrośnie o 4.1 · 10 - 3 Ohm. Rezystywność przy zmianach temperatury można obliczyć za pomocą wzoru

gdzie r to oporność po podgrzaniu, r 0 to oporność przed ogrzewaniem, a to współczynnik temperaturowy rezystancji, t 2 to temperatura przed ogrzewaniem, t 1 to temperatura po ogrzaniu.

Podstawiając nasze wartości otrzymujemy: r=0,0175*(1+0,0041*(154-20))=0,0271 Ohm*mm 2 /m. Jak widać nasz pręt miedziany o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm 2 po nagrzaniu do 154 stopni miałby taki sam opór jak ten sam pręt, tyle że wykonany z aluminium i przy temperatura 20 stopni Celsjusza.

W termometrach rezystancyjnych wykorzystuje się właściwość zmiany rezystancji wraz ze zmianami temperatury. Urządzenia te mogą mierzyć temperaturę na podstawie odczytów rezystancji. Termometry oporowe mają wysoką dokładność pomiaru, ale małe zakresy temperatur.

W praktyce właściwości przewodników uniemożliwiają przejście aktualny są bardzo szeroko stosowane. Przykładem jest lampa żarowa, w której żarnik wolframowy nagrzewa się ze względu na dużą rezystancję metalu, jego dużą długość i wąski przekrój. Lub dowolne urządzenie grzewcze, w którym cewka nagrzewa się z powodu dużej rezystancji. W elektrotechnice element, którego główną właściwością jest rezystancja, nazywany jest rezystorem. Rezystor jest używany w prawie każdym obwodzie elektrycznym.

Lub obwód elektryczny do prądu elektrycznego.

Opór elektryczny definiuje się jako współczynnik proporcjonalności R pomiędzy napięciem U i zasilanie prądem stałym I w prawie Ohma dla odcinka obwodu.

Nazywa się jednostką oporu om(Ohm) na cześć niemieckiego naukowca G. Ohma, który wprowadził tę koncepcję do fizyki. Jeden om (1 om) to rezystancja takiego przewodnika, w którym przy napięciu 1 W prąd jest równy 1 A.

Oporność.

Opór jednorodnego przewodnika o stałym przekroju zależy od materiału przewodnika, jego długości l i przekrój S i można go wyznaczyć ze wzoru:

Gdzie ρ - rezystancja właściwa substancji, z której wykonany jest przewodnik.

Specyficzna odporność substancji- jest to wielkość fizyczna, która pokazuje, jaki opór ma przewodnik wykonany z tej substancji o jednostkowej długości i jednostkowym polu przekroju poprzecznego.

Ze wzoru wynika, że

Wartość wzajemna ρ , zwany przewodność σ :

Ponieważ jednostką oporu w układzie SI jest 1 om. jednostka powierzchni to 1 m2, a jednostka długości to 1 m, wówczas jednostką rezystywności w układzie SI jest 1 om · m 2 /m lub 1 om m. Jednostką przewodności w układzie SI jest Ohm -1 m -1 .

W praktyce pole przekroju cienkich drutów często wyraża się w milimetrach kwadratowych (mm2). W tym przypadku wygodniejszą jednostką rezystywności jest om mm 2 /m. Ponieważ 1 mm 2 = 0,000001 m 2, to 1 om mm 2 /m = 10 -6 om m. Metale mają bardzo niską rezystywność - około (1,10 -2) Ohm·mm 2 /m, dielektryki - 10 15 -10 20 większą.

Zależność rezystancji od temperatury.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta odporność metali. Istnieją jednak stopy, których rezystancja prawie nie zmienia się wraz ze wzrostem temperatury (na przykład konstantan, mangan itp.). Oporność elektrolitów maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Współczynnik temperaturowy oporu przewodnika to stosunek zmiany rezystancji przewodnika po podgrzaniu o 1°C do wartości jego rezystancji w temperaturze 0°C:

.

Zależność rezystywności przewodników od temperatury wyraża się wzorem:

.

Ogólnie α zależy od temperatury, ale jeśli zakres temperatur jest mały, wówczas współczynnik temperaturowy można uznać za stały. Do czystych metali α = (1/273)K -1. Do roztworów elektrolitów α < 0 . Na przykład dla 10% roztworu soli kuchennej α = -0,02 K -1. Do Constantanu (stop miedzi i niklu) α = 10 -5 K -1.

Zależność rezystancji przewodnika od temperatury wykorzystuje się w termometry oporowe.

> Opór i oporność

Rozważać opór elektryczny przewodnika. Dowiedz się o wpływie właściwości materiału na rezystory zastępcze i rezystancyjne.

Scharakteryzuj stopień, w jakim przedmiot lub materiał utrudnia przepływ prądu elektrycznego.

Cel uczenia się

• Identyfikować właściwości materiału opisane przez rezystancję i rezystywność.

Główne punkty

• Opór obiektu zależy od jego kształtu i materiału.
• Rezystywność (p) jest nieodłączną właściwością materiału i jest wprost proporcjonalna do całkowitego oporu (R).
• Odporność różni się w zależności od materiałów. Ponadto rezystory są rozmieszczone w wielu rzędach wielkości.
• Rezystory są instalowane szeregowo lub równolegle. Równoważny opór sieci rezystorów stanowi sumę wszystkich oporów.

Warunki

• Równoległy opór zastępczy to opór sieci, w której każdy rezystor poddawany jest tej samej różnicy napięcia, co przepływający przez niego prąd. Wtedy odwrotna rezystancja zastępcza jest równa sumie rezystancji odwrotnej wszystkich rezystorów w sieci.
• Rezystancja zastępcza to rezystancja sieci rezystorów zainstalowanych w taki sposób, że napięcie w sieci jest sumą napięcia na każdym rezystorze.
• Rezystywność to stopień, w jakim materiał opiera się przepływowi prądu elektrycznego.

Opór i oporność

Opór jest właściwością elektryczną, która stwarza przeszkody w przepływie. Prąd przepływający przez drut przypomina wodę płynącą w rurze, a spadek napięcia przypomina spadek ciśnienia. Opór jest proporcjonalny do ciśnienia wymaganego do wytworzenia określonego przepływu, a przewodność jest proporcjonalna do prędkości przepływu. Przewodność i rezystancja są ze sobą powiązane.

Opór zależy od kształtu i materiału przedmiotu. Najłatwiej jest rozważyć rezystor cylindryczny i przejść od niego do złożonych form. Opór elektryczny cylindra (R) będzie wprost proporcjonalny do długości (L). Im będzie on dłuższy, tym więcej będzie zderzeń z atomami.

Pojedynczy cylinder o długości (L) i polu przekroju poprzecznego (A). Opór przepływu prądu jest podobny do oporu płynu w rurze. Im dłuższy cylinder, tym większy opór. Jednak wraz ze wzrostem pola przekroju poprzecznego opór maleje

Różne materiały zapewniają różną odporność. Wyznaczmy opór właściwy (p) substancji tak, aby opór (R) był wprost proporcjonalny do p. Jeśli opór właściwy jest właściwością integralną, to prosty opór jest zewnętrzny.

Typowy rezystor osiowy

Od czego zależy rezystywność przewodnika? Opór może się znacznie różnić w zależności od materiału. Na przykład teflon ma przewodność od 10 do 30 razy niższą niż miedź. Skąd bierze się ta różnica? Metal posiada ogromną liczbę zdelokalizowanych elektronów, które nie pozostają w konkretnym miejscu, ale swobodnie przemieszczają się na duże odległości. Jednakże w izolatorze (teflonie) elektrony są ściśle związane z atomami i do ich oderwania potrzeba dużej siły. W niektórych izolatorach ceramicznych można znaleźć rezystancję większą niż 10-12 omów. Osoba sucha ma 10 5 omów.

Różnica napięć w sieci odzwierciedla sumę wszystkich napięć, a całkowity opór wyraża się wzorem:

R eq = R 1 + R 2 + ⋯ + R N .

Rezystory w konfiguracji równoległej przechodzą przez tę samą różnicę napięcia. Dlatego możemy obliczyć zastępczą rezystancję sieci:

1/R równanie = 1/R 1 + 1/R 2 + ⋯ + 1/R N .

Równoległy opór zastępczy można przedstawić we wzorze za pomocą dwóch pionowych linii lub ukośnika (//). Na przykład:

Każdy opór R jest podawany jako R/N. Sieć rezystorów wyświetla kombinację połączeń równoległych i szeregowych. Można go rozbić na mniejsze elementy.

Ten obwód kombinowany można podzielić na elementy szeregowe i równoległe

Niektórych złożonych sieci nie można postrzegać w ten sposób. Ale niestandardową wartość rezystancji można zsyntetyzować, łącząc kilka standardowych wskaźników szeregowo i równolegle. Można to również wykorzystać do wytworzenia rezystancji o wyższej mocy znamionowej niż pojedyncze rezystory. W konkretnym przypadku wszystkie rezystory łączy się szeregowo lub równolegle, a wartość poszczególnych rezystorów mnoży się przez N.

Jedną z wielkości fizycznych stosowanych w elektrotechnice jest opór elektryczny. Rozważając rezystywność aluminium, należy pamiętać, że wartość ta charakteryzuje zdolność substancji do zapobiegania przepływowi przez nią prądu elektrycznego.

Pojęcia dotyczące rezystywności

Wartość przeciwna rezystancji właściwej nazywana jest przewodnością właściwą lub przewodnością elektryczną. Zwykły opór elektryczny jest charakterystyczny tylko dla przewodnika, a specyficzny opór elektryczny jest charakterystyczny tylko dla określonej substancji.

Z reguły wartość tę oblicza się dla przewodnika o jednorodnej strukturze. Aby określić jednorodne przewodniki elektryczne, stosuje się wzór:

Fizyczne znaczenie tej wielkości polega na pewnym oporze jednorodnego przewodnika o określonej długości jednostkowej i polu przekroju poprzecznego. Jednostką miary jest jednostka SI Om.m lub jednostka niesystemowa Om.mm2/m. Ostatnia jednostka oznacza, że ​​przewodnik wykonany z jednorodnej substancji o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm2 będzie miał rezystancję 1 oma. Zatem rezystywność dowolnej substancji można obliczyć za pomocą odcinka obwodu elektrycznego o długości 1 m, którego przekrój będzie wynosił 1 mm2.

Oporność różnych metali

Każdy metal ma swoje indywidualne cechy. Jeśli porównamy rezystywność np. aluminium z miedzią, zauważymy, że dla miedzi wartość ta wynosi 0,0175 oma.mm2/m, a dla aluminium 0,0271 oma.mm2/m. Zatem rezystywność aluminium jest znacznie wyższa niż miedzi. Wynika z tego, że przewodność elektryczna jest znacznie wyższa niż w przypadku aluminium.

Na wartość rezystywności metali wpływają pewne czynniki. Na przykład podczas odkształcania struktura sieci krystalicznej zostaje zakłócona. Z powodu powstałych defektów wzrasta opór przepływu elektronów wewnątrz przewodnika. Dlatego wzrasta rezystywność metalu.

Temperatura też ma wpływ. Po podgrzaniu węzły sieci krystalicznej zaczynają wibrować silniej, zwiększając w ten sposób rezystywność. Obecnie, ze względu na wysoką rezystywność, druty aluminiowe są powszechnie zastępowane drutami miedzianymi, które charakteryzują się wyższą przewodnością.

Specyficzny opór elektryczny, lub po prostu rezystywność substancji, to wielkość fizyczna charakteryzująca zdolność substancji do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego.

Rezystywność jest oznaczona grecką literą ρ. Odwrotność rezystywności nazywana jest przewodnością właściwą (przewodnością elektryczną). W przeciwieństwie do oporności elektrycznej, która jest właściwością przewodnika i zależy od jego materiału, kształtu i rozmiaru, oporność elektryczna jest właściwością tylko substancji.

Opór elektryczny jednorodnego przewodnika o rezystywności ρ, długości l i polu przekroju poprzecznego S można obliczyć ze wzoru (przy założeniu, że ani powierzchnia, ani kształt przekroju poprzecznego nie zmieniają się wzdłuż przewodnika). Odpowiednio dla ρ mamy

Z ostatniego wzoru wynika: fizyczne znaczenie rezystywności substancji polega na tym, że reprezentuje ona opór jednorodnego przewodnika o jednostkowej długości i jednostkowym polu przekroju poprzecznego wykonanego z tej substancji.

Jednostką rezystywności w międzynarodowym układzie jednostek (SI) jest om m.

Z zależności wynika, że ​​jednostką miary rezystywności w układzie SI jest rezystywność substancji, przy której wykonany z tej substancji jednorodny przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 m² ma rezystancja równa 1 om. Odpowiednio, rezystywność dowolnej substancji, wyrażona w jednostkach SI, jest liczbowo równa rezystancji odcinka obwodu elektrycznego wykonanego z danej substancji o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 m².

W technologii stosuje się również przestarzałą, niesystemową jednostkę Om mm²/m, równą 10 -6 z 1 Om m. Jednostka ta jest równa rezystywności substancji, przy której jednorodny przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm², wykonany z tej substancji, ma rezystancję równą 1 om. Odpowiednio, rezystywność substancji wyrażona w tych jednostkach jest liczbowo równa rezystancji odcinka obwodu elektrycznego wykonanego z tej substancji o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm².

Siła elektromotoryczna (PEM) jest skalarną wielkością fizyczną charakteryzującą działanie sił zewnętrznych, czyli wszelkich sił pochodzenia nieelektrycznego, działających w quasi-stacjonarnych obwodach prądu stałego lub przemiennego. W zamkniętym obwodzie przewodzącym pole elektromagnetyczne jest równe pracy tych sił potrzebnej do przemieszczenia pojedynczego ładunku dodatniego wzdłuż całego obwodu.

Przez analogię do natężenia pola elektrycznego wprowadza się pojęcie siły zewnętrznej, przez którą rozumie się wektorową wielkość fizyczną równą stosunkowi siły zewnętrznej działającej na testowy ładunek elektryczny do wielkości tego ładunku. Następnie w zamkniętej pętli EMF będzie równy:

gdzie jest element konturu.

Pole elektromagnetyczne, podobnie jak napięcie, mierzy się w woltach w międzynarodowym układzie jednostek (SI). O sile elektromotorycznej możemy mówić w dowolnej części obwodu. Jest to specyficzne działanie sił zewnętrznych nie na całym obwodzie, a jedynie na danym obszarze. Pole elektromagnetyczne ogniwa galwanicznego to działanie sił zewnętrznych podczas przemieszczania pojedynczego ładunku dodatniego wewnątrz elementu z jednego bieguna na drugi. Pracy sił zewnętrznych nie można wyrazić poprzez różnicę potencjałów, gdyż siły zewnętrzne są bezpotencjalne, a ich praca zależy od kształtu trajektorii. Czyli na przykład działanie sił zewnętrznych podczas przemieszczania ładunku między zaciskami prądu na zewnątrz? źródło jest zerowe.