Электрическое сопротивление и проводимость

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами и атомами, из которого состоит проводник, и передают им часть своей энергии, т.е. преодолевают некоторое сопротивление движению. В результате столкновения энергия выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Принято считать, что проводники обладают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник нагревается значительно.

За единицу сопротивления принят Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах, равной 1 В.

Проводник характеризуется не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости называется Сименсом (См) и обозначается буквой G.

G=1/R

Удельное электрическое сопротивление. Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. Способность веществ проводить электрический ток характеризуется их удельным электрическим сопротивлением ρ. Для проводников в виде проводов, шин или лент единицей измерения принята Ом·мм²/м (сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм²).

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь. В тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.) применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль.

Сопротивление прямолинейного проводника:

R= ρl/s

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании.

* - сплавы для резисторов и измерительных приборов;

** - сплавы для электронагревательных приборов и реостатов.

Пример. Определить сопротивление контактного рельсадлиной 1,5 км и площадью поперечного сечения 6 000 мм². Удельное электрическое сопротивление стали контактного рельса 0,12 Ом м/мм² при 15°.

Решение. По формуле R= ρl/s получаем:

R = 0,12·1500/6000 = 0,3 Ом.

Зависимость сопротивления от температуры. Электропроводность материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании амплитуда и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов.

В технике применяются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и другие, у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало.

О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по температурному коэффициенту сопротивления α. Он представляет собой приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В таблице приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника R_t при любой температуре t₁

R_t = R₀ [ 1 + α (t₁ – t₀)];

где: - R₀ - сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t₀ (обычно при +20 °С);

(t₁ – t₀) - изменение температуры.