En düşük dirence sahiptir. İletkenlerin direnci: bakır, alüminyum, çelik

Elektrik direnci -akımın iletkenden geçerken ne tür bir engel oluşturduğunu gösteren fiziksel bir nicelik. Ölçü birimleri Georg Ohm'un onuruna Ohm'dur. Yasasında direnci bulmak için aşağıda verilen bir formül türetmiştir.

Örnek olarak metal kullanan iletkenlerin direncini ele alalım. Metaller kristal kafes şeklinde bir iç yapıya sahiptir. Bu kafesin katı bir düzeni vardır ve düğümleri pozitif yüklü iyonlardır. Bir metaldeki yük taşıyıcıları, belirli bir atoma ait olmayan ancak kafes bölgeleri arasında rastgele hareket eden "serbest" elektronlardır. Kuantum fiziğinden, bir metaldeki elektronların hareketinin, bir katıdaki elektromanyetik dalganın yayılması olduğu bilinmektedir. Yani bir iletkenin içindeki elektron ışık hızında (pratik olarak) hareket eder ve onun sadece parçacık olarak değil dalga olarak da özellikler gösterdiği kanıtlanmıştır. Ve metalin direnci, elektromanyetik dalgaların (yani elektronların) kafesin termal titreşimleri ve kusurları ile saçılması sonucu ortaya çıkar. Elektronlar kristal kafesin düğümleriyle çarpıştığında, enerjinin bir kısmı düğümlere aktarılır ve bunun sonucunda enerji açığa çıkar. Bu enerji Joule-Lenz yasası - Q=I 2 Rt sayesinde sabit akımda hesaplanabilir. Gördüğünüz gibi direnç ne kadar büyük olursa o kadar fazla enerji açığa çıkar.

Direnç

Direnç diye çok önemli bir kavram var, bu aynı dirençtir, sadece bir birim uzunluktadır. Her metalin kendine ait bir değeri vardır; örneğin bakır için bu değer 0,0175 Ohm*mm2/m, alüminyum için ise 0,0271 Ohm*mm2/m'dir. Bu, 1 m uzunluğunda ve 1 mm2 kesit alanına sahip bir bakır çubuğun 0,0175 Ohm dirence sahip olacağı ve aynı ancak alüminyumdan yapılmış çubuğun 0,0271 Ohm dirence sahip olacağı anlamına gelir. Bakırın elektriksel iletkenliğinin alüminyumdan daha yüksek olduğu ortaya çıktı. Her metalin kendine özgü direnci vardır ve tüm iletkenin direnci formül kullanılarak hesaplanabilir.

Nerede P– metal direnci, l – iletken uzunluğu, s – kesit alanı.

Direnç değerleri verilmiştir metal direnç tablosu(20°C)

Tabloda dirençliliğin yanı sıra TCR değerleri de yer almaktadır; bu katsayı hakkında daha fazla bilgi biraz sonra verilecektir.

Direncin deformasyona bağımlılığı

Metallerin soğuk şekillendirilmesi sırasında metal plastik deformasyona uğrar. Plastik deformasyon sırasında kristal kafes bozulur ve kusur sayısı artar. Kristal kafes kusurlarının artmasıyla birlikte, iletken boyunca elektronların akışına karşı direnç artar, dolayısıyla metalin direnci artar. Örneğin tel çekilerek yapılır, bu da metalin plastik deformasyona uğradığı ve bunun sonucunda direncin arttığı anlamına gelir. Uygulamada, yeniden kristalleştirme tavlaması direnci azaltmak için kullanılır; bu, kristal kafesin "düzeldiği" ve kusurların sayısının ve dolayısıyla metalin direncinin de azaldığı karmaşık bir teknolojik süreçtir.

Gerildiğinde veya sıkıştırıldığında metal elastik deformasyona uğrar. Gerilmeden kaynaklanan elastik deformasyon sırasında kristal kafes düğümlerinin termal titreşimlerinin genlikleri artar, dolayısıyla elektronlar büyük zorluk yaşar ve buna bağlı olarak direnç artar. Sıkıştırmanın neden olduğu elastik deformasyon sırasında düğümlerin termal titreşimlerinin genlikleri azalır, dolayısıyla elektronların hareketi daha kolay olur ve direnç azalır.

Sıcaklığın özdirenç üzerindeki etkisi

Yukarıda da belirttiğimiz gibi, metaldeki direncin nedeni kristal kafesin düğümleri ve bunların titreşimleridir. Yani sıcaklık arttıkça düğümlerin termal titreşimleri artar, bu da özdirencin de arttığı anlamına gelir. Öyle bir miktar var ki sıcaklık direnci katsayısı(TKS), ısıtıldığında veya soğutulduğunda metalin direncinin ne kadar arttığını veya azaldığını gösterir. Örneğin bakırın 20 santigrat derecedeki sıcaklık katsayısı 4.1 · 10 − 3 1/derece. Bu, örneğin bakır tel 1 santigrat derece ısıtıldığında direncinin şu kadar artacağı anlamına gelir: 4.1 · 10 − 3 Ohm. Sıcaklık değişikliklerine bağlı direnç aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

burada r ısıtmadan sonraki dirençtir, r 0 ısıtmadan önceki dirençtir, a direncin sıcaklık katsayısıdır, t 2 ısıtmadan önceki sıcaklıktır, t 1 ısıtmadan sonraki sıcaklıktır.

Değerlerimizi yerine koyarsak şunu elde ederiz: r=0,0175*(1+0,0041*(154-20))=0,0271 Ohm*mm2 /m. Gördüğünüz gibi 1 m uzunluğunda ve 1 mm 2 kesit alanına sahip bakır çubuğumuz, 154 dereceye kadar ısıtıldıktan sonra, sadece alüminyumdan yapılmış ve aynı çubukla aynı dirence sahip olacaktır. sıcaklık 20 santigrat derece.

Direnç termometrelerinde sıcaklık değişimiyle direncin değişmesi özelliği kullanılmaktadır. Bu cihazlar direnç okumalarına göre sıcaklığı ölçebilir. Direnç termometreleri yüksek ölçüm doğruluğuna sahiptir ancak sıcaklık aralıkları küçüktür.

Uygulamada iletkenlerin geçişini engelleyen özellikleri akım çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir örnek, metalin yüksek direnci, büyük uzunluğu ve dar kesiti nedeniyle bir tungsten filamanın ısıtıldığı akkor lambadır. Veya bobinin yüksek direnç nedeniyle ısındığı herhangi bir ısıtma cihazı. Elektrik mühendisliğinde ana özelliği direnç olan bir elemana direnç denir. Hemen hemen her elektrik devresinde bir direnç kullanılır.

Veya bir elektrik akımına giden bir elektrik devresi.

Elektriksel direnç orantı katsayısı olarak tanımlanır R gerilim arasında sen ve DC gücü BEN Ohm yasasında devrenin bir bölümü için.

Direnç birimine denir ohm(Ohm) bu kavramı fiziğe tanıtan Alman bilim adamı G. Ohm'un onuruna. Bir ohm (1 Ohm), voltaj altında böyle bir iletkenin direncidir. 1 İÇİNDE akım eşittir 1 A.

Direnç.

Sabit kesitli homojen bir iletkenin direnci iletkenin malzemesine, uzunluğuna bağlıdır ben ve kesit S ve aşağıdaki formülle belirlenebilir:

Nerede ρ - iletkenin yapıldığı maddenin spesifik direnci.

Bir maddenin spesifik direnci- birim uzunluk ve birim kesit alanına sahip bu maddeden yapılmış bir iletkenin ne kadar dirence sahip olduğunu gösteren fiziksel bir niceliktir.

Formülden şu çıkıyor

Karşılıklı değer ρ , isminde iletkenlik σ :

SI direnç birimi 1 ohm olduğundan. alan birimi 1 m 2 ve uzunluk birimi 1 m ise, SI'daki direnç birimi 1 Ohm olacaktır. · m 2 /m veya 1 Ohm m. SI iletkenlik birimi Ohm -1 m -1'dir.

Uygulamada ince tellerin kesit alanı genellikle milimetre kare (mm2) cinsinden ifade edilir. Bu durumda daha uygun bir direnç birimi Ohm mm2 /m'dir. 1 mm2 = 0,000001 m2 olduğuna göre 1 Ohm mm2 /m = 10-6 Ohm m. Metallerin direnci çok düşüktür - yaklaşık (1·10 -2) Ohm·mm 2 /m, dielektrikler - 10 15 -10 20 daha fazladır.

Direncin sıcaklığa bağımlılığı.

Sıcaklık arttıkça metallerin direnci artar. Bununla birlikte, artan sıcaklıkla direnci neredeyse değişmeyen alaşımlar da vardır (örneğin, konstantan, manganin vb.). Elektrolitlerin direnci sıcaklık arttıkça azalır.

Sıcaklık direnci katsayısı Bir iletkenin değeri, iletkenin 1 °C ısıtıldığında direncindeki değişimin, 0 °C'deki direnç değerine oranıdır:

.

İletkenlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı aşağıdaki formülle ifade edilir:

.

Genel olarak α sıcaklığa bağlıdır, ancak sıcaklık aralığı küçükse sıcaklık katsayısı sabit kabul edilebilir. Saf metaller için α = (1/273)K -1. Elektrolit çözeltileri için α < 0 . Örneğin %10’luk sofra tuzu çözeltisi için α = -0,02 K -1. Köstence için (bakır-nikel alaşımı) α = 10 -5 K -1.

İletken direncinin sıcaklığa bağımlılığı dirençli termometreler.

> Direnç ve direnç

Dikkate almak iletken elektrik direnci. Malzeme özelliklerinin eşdeğer ve dirençli dirençler üzerindeki etkisi hakkında bilgi edinin.

Bir nesnenin veya malzemenin elektrik akımı akışını engelleme derecesini karakterize edin.

Öğrenme Hedefi

• Direnç ve dirençle tanımlanan malzeme özelliklerini tanımlayın.

Ana noktaları

• Bir nesnenin direnci şekline ve malzemesine bağlıdır.
• Direnç (p), bir malzemenin doğal bir özelliğidir ve toplam direnç (R) ile doğru orantılıdır.
• Direnç malzemeye bağlı olarak farklılık gösterir. Ayrıca dirençler birçok büyüklük sırasına göre düzenlenmiştir.
• Dirençler seri veya paralel olarak monte edilir. Bir direnç ağının eşdeğer direnci, tüm direncin toplamını temsil eder.

Şartlar

• Paralel eşdeğer direnç, her bir direncin içinden geçen akımlarla aynı voltaj farkına maruz kaldığı bir ağın direncidir. Daha sonra ters eşdeğer direnç, ağdaki tüm dirençlerin ters direncinin toplamına eşittir.
• Eşdeğer direnç, ağdaki voltaj her bir dirençteki voltajın toplamı olacak şekilde kurulan dirençler ağının direncidir.
• Direnç, bir malzemenin elektrik akışına direnme derecesidir.

Direnç ve direnç

Direnç, akışı engelleyen elektriksel bir özelliktir. Telin içinden geçen akım, bir borunun içinde akan suya, voltaj düşüşü ise basınç düşüşüne benzemektedir. Direnç, belirli bir akışı oluşturmak için gereken basınçla orantılıdır ve iletkenlik, akış hızıyla orantılıdır. İletkenlik ve direnç ilişkilidir.

Direnç nesnenin şekline ve malzemesine bağlıdır. En kolay yol, silindirik bir direnci düşünmek ve ondan karmaşık formlara geçmektir. Silindirin (R) elektrik direnci uzunluğu (L) ile doğru orantılı olacaktır. Ne kadar uzun olursa atomlarla o kadar fazla çarpışma meydana gelir.

Uzunluğu (L) ve kesit alanı (A) olan tek bir silindir. Akım akışına karşı direnç, bir borudaki sıvının direncine benzer. Silindir ne kadar uzun olursa direnç o kadar büyük olur. Ancak kesit alanı arttıkça direnç azalır

Farklı malzemeler farklı direnç sağlar. Maddenin özgül direncini (p) direnç (R) p ile doğru orantılı olacak şekilde belirleyelim. Özgül direnç integral bir özellikse, basit direnç dışsaldır.

Tipik eksenel direnç

Bir iletkenin direncini ne belirler? Direnç malzemeye bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. Örneğin Teflon bakırınkinden 10 ila 30 kat daha düşük bir iletkenliğe sahiptir. Bu fark nereden geliyor? Metal, belirli bir yerde kalmayan, uzun mesafelerde serbestçe seyahat eden çok sayıda lokalize elektrona sahiptir. Ancak bir yalıtkanda (Teflon) elektronlar atomlara sıkı sıkıya bağlıdır ve onları koparmak ciddi bir kuvvet gerektirir. Bazı seramik izolatörlerde 10 12 ohm'dan fazla direnç bulabilirsiniz. Kuru bir insanın 10 5 Ohm'u vardır.

Ağdaki voltaj farkı tüm voltajların toplamını yansıtır ve toplam direnç aşağıdaki formülle ifade edilir:

Req = R 1 + R 2 + ⋯ + R N .

Paralel konfigürasyondaki dirençler aynı voltaj farkından geçer. Bu nedenle eşdeğer ağ direncini hesaplayabiliriz:

1/R eq = 1/R 1 + 1/R 2 + ⋯ + 1/R N .

Paralel eşdeğer direnç formülde iki dikey çizgi veya eğik çizgi (//) ile temsil edilebilir. Örneğin:

Her direnç R, R/N olarak verilir. Bir direnç ağı, paralel ve seri bağlantıların bir kombinasyonunu görüntüler. Daha küçük bileşenlere bölünebilir.

Bu kombinasyon devresi seri ve paralel bileşenlere ayrılabilir

Bazı karmaşık ağlar bu şekilde görüntülenemez. Ancak birkaç standart göstergenin seri ve paralel olarak birleştirilmesiyle standart dışı bir direnç değeri sentezlenebilir. Bu aynı zamanda bireysel dirençlerden daha yüksek güç derecesine sahip bir direnç üretmek için de kullanılabilir. Özel bir durumda, tüm dirençler seri veya paralel olarak bağlanır ve her birinin değeri N ile çarpılır.

Elektrik mühendisliğinde kullanılan fiziksel niceliklerden biri elektriksel dirençtir. Alüminyumun direnci göz önüne alındığında, bu değerin, bir maddenin içinden elektrik akımının geçişini önleme yeteneğini karakterize ettiği unutulmamalıdır.

Direnç Kavramları

Özgül direncin karşısındaki değere özgül iletkenlik veya elektrik iletkenliği denir. Sıradan elektrik direnci yalnızca bir iletkenin karakteristiğidir ve spesifik elektrik direnci yalnızca belirli bir maddenin karakteristiğidir.

Kural olarak bu değer homojen yapıya sahip bir iletken için hesaplanır. Elektriksel homojen iletkenleri belirlemek için formül kullanılır:

Bu miktarın fiziksel anlamı, belirli birim uzunluk ve kesit alanına sahip homojen bir iletkenin belirli bir direncinde yatmaktadır. Ölçü birimi SI birimi Om.m veya sistem dışı birim Om.mm2/m'dir. Son birim, 1 m uzunluğunda, 1 mm2 kesit alanına sahip, homojen bir maddeden yapılmış bir iletkenin 1 Ohm dirence sahip olacağı anlamına gelir. Böylece herhangi bir maddenin direnci, kesiti 1 mm2 olacak olan 1 m uzunluğunda bir elektrik devresinin bir bölümü kullanılarak hesaplanabilir.

Farklı metallerin direnci

Her metalin kendine has özellikleri vardır. Örneğin alüminyumun direncini bakırla karşılaştırırsak bakır için bu değerin 0,0175 Ohm.mm2/m, alüminyum için ise 0,0271 Ohm.mm2/m olduğunu not edebiliriz. Bu nedenle alüminyumun direnci bakırınkinden önemli ölçüde daha yüksektir. Bundan, elektrik iletkenliğinin alüminyumdan çok daha yüksek olduğu sonucu çıkar.

Metallerin direnç değeri bazı faktörlerden etkilenir. Örneğin deformasyon sırasında kristal kafesin yapısı bozulur. Ortaya çıkan kusurlardan dolayı iletken içindeki elektronların geçişine karşı direnç artar. Bu nedenle metalin direnci artar.

Sıcaklığın da etkisi vardır. Isıtıldığında kristal kafesin düğümleri daha güçlü titremeye başlar, böylece direnç artar. Şu anda, yüksek direnç nedeniyle, alüminyum tellerin yerini yaygın olarak daha yüksek iletkenliğe sahip bakır teller almaktadır.

Spesifik elektriksel direnç veya basitçe bir maddenin direnci, bir maddenin elektrik akımının geçişini önleme yeteneğini karakterize eden fiziksel bir niceliktir.

Direnç Yunan harfi ρ ile gösterilir. Direncin karşılığına spesifik iletkenlik (elektriksel iletkenlik) denir. Bir iletkenin özelliği olan ve malzemesine, şekline ve boyutuna bağlı olan elektrik direncinin aksine, elektriksel direnç yalnızca maddenin bir özelliğidir.

Direnci ρ, uzunluğu l ve kesit alanı S olan homojen bir iletkenin elektrik direnci aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir (iletken boyunca ne alanın ne de kesit şeklinin değişmediği varsayılarak). Buna göre, ρ için elimizde

Son formülden şu sonuç çıkıyor: Bir maddenin özdirencinin fiziksel anlamı, bu maddeden yapılmış birim uzunlukta ve birim kesit alanına sahip homojen bir iletkenin direncini temsil etmesidir.

Uluslararası Birim Sisteminde (SI) direnç birimi Ohm m'dir.

İlişkiden, SI sistemindeki direnç ölçüm biriminin, bu maddeden yapılmış 1 m² kesit alanına sahip 1 m uzunluğunda homojen bir iletkenin bulunduğu bir maddenin direncine eşit olduğu anlaşılmaktadır. 1 Ohm'a eşit bir direnç. Buna göre, SI birimlerinde ifade edilen keyfi bir maddenin direnci, 1 m uzunluğunda ve 1 m² kesit alanına sahip belirli bir maddeden yapılmış bir elektrik devresinin bir bölümünün direncine sayısal olarak eşittir.

Teknolojide, 1 Ohm m'nin 10 −6'sına eşit olan eski sistemik olmayan birim Ohm mm²/m de kullanılmaktadır. Bu birim, bu maddeden yapılmış, 1 m uzunluğunda ve 1 mm² kesit alanına sahip homojen bir iletkenin 1 Ohm'a eşit bir dirence sahip olduğu bir maddenin direncine eşittir. Buna göre, bir maddenin bu birimlerle ifade edilen direnci, bu maddeden yapılmış bir elektrik devresinin 1 m uzunluğunda ve 1 mm² kesit alanına sahip bir bölümünün direncine sayısal olarak eşittir.

Elektromotor kuvveti (EMF), dış kuvvetlerin, yani yarı sabit DC veya AC devrelerinde etki eden elektrik kökenli olmayan herhangi bir kuvvetin çalışmasını karakterize eden skaler bir fiziksel niceliktir. Kapalı bir iletken devrede EMF, tek bir pozitif yükü tüm devre boyunca hareket ettirmek için bu kuvvetlerin yaptığı işe eşittir.

Elektrik alan kuvvetine benzetilerek, bir test elektrik yüküne etki eden dış kuvvetin bu yükün büyüklüğüne oranına eşit bir vektör fiziksel miktarı olarak anlaşılan dış kuvvet kuvveti kavramı tanıtılmıştır. Daha sonra kapalı bir döngüde EMF şuna eşit olacaktır:

kontur elemanı nerede.

EMF, voltaj gibi, Uluslararası Birim Sisteminde (SI) volt cinsinden ölçülür. Devrenin herhangi bir yerinde elektromotor kuvvetten bahsedebiliriz. Bu, tüm devre boyunca değil, yalnızca belirli bir alanda dış kuvvetlerin spesifik çalışmasıdır. Galvanik bir hücrenin EMF'si, elemanın içindeki tek bir pozitif yükü bir kutuptan diğerine hareket ettirirken dış kuvvetlerin işidir. Dış kuvvetlerin işi potansiyel farkla ifade edilemez çünkü dış kuvvetler potansiyel değildir ve işleri yörüngenin şekline bağlıdır. Yani, örneğin, bir yükü kendi dışındaki akımın terminalleri arasında hareket ettirirken dış kuvvetlerin çalışması? Kaynak sıfırdır.