Подключив источник тока к проводящей цепи, с применением мультиметра измеряют разницу потенциалов (напряжение) в контрольных точках. Опытным путем несложно установить, что электрические параметры меняются при использовании резистора, изготовленного из разных материалов. Аналогичные результаты получают, экспериментируя с различными поперечными сечениями. С помощью этой статьи можно узнать, от чего зависит сопротивление проводника. Полученные знания пригодятся для создания функциональных электрических схем. Они нужны для корректного ремонта и модернизации радиотехнических устройств, обеспечения личной безопасности в ходе выполнения отдельных рабочих операций.
В ходе эксперимента несложно установить зависимость измеряемых величин от параметров проводника
Понятие электрического сопротивления проводника
Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.
Наглядный пример – нагрев воды кипятильником
В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:
R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).
Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.
Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).
К сведению. Количество жидкости, проходящее за единицу времени через контрольное сечение трубы, – эквивалент электрической мощности.
Определение резистивной составляющей
Электросопротивление материала – это соотношение величины протекающего тока и приложенного к нему напряжения. Для каждого конкретного элемента это соотношение своё. Для обозначения данной физической величины используют букву R. При определении её используют формулу закона Ома для участка цепи:
R=U/I.
Из представленного выражения видно, что резистивная составляющая – это отношение потенциала на проводнике к силе тока на нём же. Таким образом, чем выше величина тока, тем слабее резистивная составляющая у проводника, при большем напряжении – большая.
Дополнительная информация. Часто в обиходе говорят, что резистивная величина «мешает» напряжению бесконечно наращивать силу тока.
У любого резистора, выпускаемого в промышленных условиях, существует порядка десяти параметров, на которые необходимо обращать внимание при его выборе. Главный его параметр – сопротивление. Это статическая характеристика для любого проводника, заданная при его производстве. Т.е. при подаче большего потенциала на проводящий элемент изменится только ток, проходящий сквозь него, но не его резистивная составляющая. Т.е. соотношение U/I остаётся неизменным.
Зависимость от свойств материала
От чего зависит индуктивность
Для стандартизации приняли единицу измерения 1 Ом. Это сопротивление создает столбик из ртути толщиной 1 кв. мм, высотой – 1063 мм. Измерения выполняются при поддержании нулевой температуры.
Чтобы упростить расчеты, применяют удельное значение сопротивления Rуд, которое создают проводники из других материалов (Длина Х Площадь сечения = 1 000 мм х 1 кв. мм).
Удельное сопротивление (проводимость)
На рисунке обозначено Rуд (серебра) = 0,016. Это значит, что метровый проводник с нормированной площадью сечения 1 мм кв. создает электрическое сопротивление 0,016 Ом. Сведения о других материалах можно взять из справочника.
Зависимость от свойств напряжения
Удельное сопротивление
После простого преобразования основной формулы можно составить корректное выражения для напряжения:
U = I * R.
Источник тока генерирует электричество. Подключенный резистор потребляет энергию с трансформацией в тепло. Для подержания определенной силы тока необходимо установить соответствующее напряжение.
Измерительная схема, графики
На графиках показаны вольтамперные характеристики разных приборов. Первые два демонстрируют линейные зависимости, в которых изменяется только угол наклона прямой линии (зависимость от электрического сопротивления резистора).
Если подключить полупроводниковый диод, график существенно изменится. По рисунку можно определить малое сопротивление в области положительных значений U. Однако после изменения полярности увеличение отрицательного напряжения не сопровождается аналогичным изменением силы тока. Одностороннюю проводимость, в частности, используют для выпрямления сигналов.
На последнем графике сдвинутая точка перехода нулевого значения силы тока обозначает ЭДС источника питания. Как и в предыдущем примере, небольшой угол по отношению к вертикали показывает малое внутреннее сопротивление АКБ.
Электрический ток в полупроводниках
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению. Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает. При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами. Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать. При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле. При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация. Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I
в полупроводнике складывается из электронного
In
и дырочного
Ip
токов.
К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Зависимость от геометрии
Индуктивность проводника
Из раздела с описанием удельных параметров понятно, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины. Если взять образец из серебра (площадь нормированного сечения 1 кв. мм) при длине 6,8 м, несложно вычислить значение R = 6,8 * 0,016 = 0,1088 Ом.
Аналогичным образом решают иные практические задачи. Чтобы создать провод с электросопротивлением 100 Ом понадобится серебряная жила длиной 6 250 м = 100/ 0,016. Если применить металлический проводник из железа, длина составит 833 м = 100/0,12.
Следующий решающий фактор – площадь поперечного сечения. Для наглядности можно использовать пример с перекачиванием жидкости из основного бака в две разные емкости. Создать необходимый напор несложно поднятием главного резервуара на небольшую высоту. Применив трубки с разным диаметром протоков, можно увидеть разницу в скорости заполнения контрольных объемов. Если показания будут измеряться при желании несложно составить пропорциональные зависимости с учетом исходных геометрических параметров транспортных каналов.
Размерность проводников также имеет значение. Электрическое сопротивление (R) равно удельному значению для определенного материала (Rуд), умноженному на длину (L) и деленому на соответствующее поперечное сечение (S). Если известен только диаметр, то для круглой жилы можно применить классическую формулу из школьного курса геометрии:
S = (π * d2)/4 = (3,14 * d2)/4.
Длину вычисляют по преобразованному выражению:
L = S * (R/ Rуд).
Эти пропорции демонстрируют, от чего зависит сопротивление.
Как найти сопротивление в цепи?
Его можно узнать из закона Ома, который связывает силу тока, напряжение и сопротивление. В этом случае, оно рассчитывается по формуле
формула сопротивления через закон Ома
R – сопротивление, Ом
U – напряжение на концах проводника, Вольты
I – сила тока, текущая через проводник, Амперы
То есть нам достаточно замерить напряжение на концах какого-либо проводника и измерить силу тока, проходящую через него. После применить формулу и рассчитать сопротивление проводника. Давайте для закрепления решим простую задачу.
Задача
Рассчитать сопротивление проводника, если известно, что на него подают напряжение 5 Вольт и сила тока, проходящая через него 0,1 Ампер.
Решение
В электронике и электротехнике используют специальные радиоэлементы, которые обладают сопротивлением электрическому току – резисторы. Более подробно про них можно прочитать в этой статье.
постоянные резисторы
Также вот вам видео, где очень умный преподаватель объясняет, что такое сопротивление
Близкие темы к этой статье
Источник
Расчёт сопротивления проводника
Выше были рассмотрены упрощенные методики, которые надо корректировать с учетом реальных условий. Так, существенное влияние на проводимость материалов оказывает температура. В серийных проводниках (медь, алюминий) значение данного параметра увеличивается в пропорции 0,3-0,5% на каждый градус. В составах на основе угля и электролитах наблюдается обратный эффект – уменьшение сопротивления.
Без удерживающих струн и других приспособлений для фокусов обеспечивается настоящая левитация с применением сверхпроводимости
Показанный на рисунке эксперимент можно воспроизвести, понизив температуру металла до «абсолютного нуля» (-273°C). При таком экстремальном охлаждении атомарная решетка фиксируется в стабильном положении.
Это состояние создает идеальные условия для перемещения электронов. Отсутствие препятствий сопровождается минимальными потерями, что объясняет перспективность направления для создания эффективных линий передачи энергии. Пример на рисунке демонстрирует улучшенные эксплуатационные параметры транспортных коммуникаций. В данном случае можно исключить силы трения.
Комбинация трубы с безвоздушным пространством и сверхпроводимости улучшает характеристики перспективных транспортных систем
Понятно, что для улучшения экономических показателей необходимо повысить рабочую температуру при сохранении хорошей проводимости. Однако новейшие научные достижения в соответствующей области позволяют рассчитывать на положительный результат в близком будущем.
Следует подчеркнуть! На практике могут понадобится разные технологии вычислений. Например, материал неизвестен. Сложно идентифицировать его по внешним признакам. Для качественного химического лабораторного анализа, кроме соответствующих навыков, необходимо специальное оснащение.
Однако при необходимости нетрудно вывести удельный показатель:
Rуд = R * S /L.
Геометрические параметры измеряют стандартными инструментами (линейкой, штангенциркулем). По типовой схеме измерений с помощью мультиметра уточняют электрическое сопротивление. Для вычисления Rуд пользуются представленной выше формулой. В справочнике выбирают позицию, соответствующую результату расчета. По такой же методике можно определить иные неизвестные значения, например, длину кабеля в подземной трассе.
В реальных расчетах для повышения точности учитывают реактивные компоненты проводников. Например, индуктивность длинной прямой линии определяют по формуле:
И = (m0/2π) * L *(mc * ln(L/r) +1/4m,
где:
- m – магнитная проницаемость материала (о – постоянная, с – окружающей среды);
- r и L – радиус и длина проводника, соответственно.
При повышении частоты приходится учитывать растекание тока в поверхностной зоне и вихревые изменения.
Представленные теоретические знания пригодятся для расчета и создания реостата – прибора с регулируемым сопротивлением. Они нужны для предотвращения электротравм с применением точного расчета защитных цепей и специализированных автоматов (предохранителей).
Свойства проводников
Основными характеристиками проводников электричества являются:
- сопротивление,
- электропроводность.
При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления.
Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества.
Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах, См.
В зависимости от носителей заряда, электропроводность может быть:
- электронной,
- ионной,
- дырочной.
Проводник с электронной проводимостью
Обратите внимание! Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, соответственно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость – свойство наилучшего проводника
Выбор проводящих материалов должен осуществляться в соответствии с их свойствами:
- Электрическими (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
- Физическими (градус плавления, плотность);
- Механическими (устойчивость к растяжению, изгибанию, возможность обработки на станках);
- Химическими (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).
Малым удельным сопротивлением обладают металлы без примесей. У сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление возрастает и с повышением температуры.
Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство носит название сверхпроводимости
При выборе проводников для электроустановок, линий питания, защитного заземления и других сфер применения важно учитывать все качества материалов
Видео
Кофе капсульный Nescafe Dolce Gusto Капучино, 3 упаковки по 16 капсул
1305 ₽ Подробнее
Кофе в капсулах Nescafe Dolce Gusto Cappuccino, 8 порций (16 капсул)
435 ₽ Подробнее
Powerline адаптеры
