Электрическое (омическое) сопротивление

При движении свободные электроны в проводнике сталкиваются на своем пути с атомами и ионами вещества, из которого выполнен проводник, и передают им часть своей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и ионами частично рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник.

Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, пре­одолевают некоторое сопротивление движению, принято говорить, что про­водники обладают электрическим (омическим) сопротивлением. Если сопро­тивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если же сопротивление велико, проводник может раскалиться.

За единицу сопротивления принято сопротивление в один Ом. Сопро­тивлением в 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток в 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В. На практике часто сопротивления измеряют тысячами омов – килоомами (кОм) или мил­лионами омов – мегомами (МОм). Сопротивление обозначается буквой r или R.

Проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью – способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению, т. е. она равна . Единица проводимости называется сименсом (См); . Проводи­мость обозначают буквой g или G.

Электропроводность различных материалов. Атомы разных веществ оказывают неодинаковое сопротивление прохождению электрического тока; поэтому различные материалы обладают неодинаковой электропроводно­стью.

О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ. Удельное электрическое сопротивление определяется сопротивлением куба со стороной ребра в 1 м. Удельное электрическое сопротивление измеряют в Ом·м. Часто удельное электрическое сопротивление выражают в Ом·см.

Проводниковые материалы применяют главным образом в виде прово­лок, шин или лент, поперечное сечение которых принято выражать в квад­ратных миллиметрах, а длину – в метрах. Поэтому удельное электрическое сопротивление подобных материалов измеряют также в Ом·мм²/м (сопротив­ление проводника длиной 1 м и сечением 1 мм²). Например, удельное сопро­тивление проволоки из серебра при 20° С составляет 0,016, меди – 0,0172-0,0182, алюминия – 0,0295, стали – 0,1250-0,146 Ом·мм²/м.

Для суждения об электропроводности различных материалов пользу­ются понятием удельной электрической проводимости Ее измеряют в См/м, См/см, а для проводниковых материалов – в См·м/мм².

В электротехнике в качестве проводниковых материалов используют главным образом медь и алюминий, имеющие сравнительно малое удельное сопротивление. В случаях же, когда необходим материал с высоким ее сопро­тивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.), при­меняют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль и др., удельное сопротивление их составляет 0,4-1,12 Ом·мм²/м.

Кроме металлических проводников, используются и неметаллические, например, уголь, из которого изготовляют щетки электрических машин, элек­троды для прожекторов и пр. Проводниками электрического тока являются толща земли, живые ткани растений, животных и человека. Проводят элек­трический ток сырое дерево и многие другие увлажненные изоляционные материалы.

Электрическое сопротивление проводника зависит не только от мате­риала, но и от его длины l и поперечного сечения s. Для прямолинейного про­водника постоянного сечения

(5)

Если удельное сопротивление выражено в Ом·мм²/м, то, для того чтобы получить сопротивление проводника по формуле (5) в омах, длину его надо выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квадратных миллиметрах.

Электропроводность металлических проводников зависит от их темпе­ратуры. При нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристалличе­ской решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопро­тивление, которое они оказывают электронному потоку.

О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по так называемому температурному коэффициенту сопротивления α. Этот коэффициент показывает, какую долю составляет изменение сопротив­ления проводника от начальной его величины при изменении температуры на 1º С;.значение α для меди и алюминия при температуре от 0 до 100° С равно 0,004, для константана – 0,000005. Сопротивление металлического провод­ника r_t при заданном интервале температур можно определить по формуле

(6)

где r₀ – сопротивление проводника при некоторой начальной темпера­туре t₀ (обычно при температуре + 20° С); t-t₀ – изменение температуры.

Свойство металлических проводников увеличивать свое сопротивле­ние при нагревании часто используется в современной технике для измерения температуры. Так, например, при испытаниях электрических машин темпера­туру нагрева их обмоток определяют измерением их сопротивления в холод­ном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного вре­мени. По такому же принципу устроены так называемые термометры сопро­тивления, которые выполнены в виде тонких проволочек, закладываемых в различные части машин, нагревательных устройств и пр. По изменению со­противления этих проволочек судят об изменении температуры частей машин и устройств в процессе работы. В ряде случаев используются некоторые сплавы, у которых в определенном интервале температур электрическое со­противление меняется сравнительно мало; к ним относятся константан, ни­хром и фехраль.

Некоторые неметаллические проводники, как, например, уголь и гра­фит уменьшают свое сопротивление при повышении температуры; эти мате­риалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Уменьшают свое сопротивление с ростом температуры также электролиты, полупроводники и диэлектрики. При этом сопротивление изменяется у них заметнее, чем у металлов. Многие полупроводники и изоляционные мате­риалы при нагреве на несколько десятков или сотен градусов изменяют свое сопротивление в сотни тысяч и миллионы раз. Вблизи абсолютного нуля (- 273,16° С) некоторые металлы почти полностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся «идеальными проводниками», способными длительное время пропускать ток по замкнутой цепи без воздействия источ­ника электрической энергии. Это явление названо сверхпроводимостью. Оно наблюдается у алюминия, цинка, олова, свинца и других металлов.