Quando um circuito elétrico é fechado, nos terminais dos quais existe uma diferença de potencial, surge uma corrente elétrica. Os elétrons livres sob a influência das forças do campo elétrico se movem ao longo do condutor. Em seu movimento, os elétrons colidem com os átomos do condutor e lhes dão uma reserva de sua energia cinética. A velocidade de movimento dos elétrons está mudando constantemente: quando os elétrons colidem com átomos, moléculas e outros elétrons, diminui, depois aumenta sob a influência de um campo elétrico e diminui novamente com uma nova colisão. Como resultado, um fluxo uniforme de elétrons é estabelecido no condutor a uma velocidade de várias frações de centímetro por segundo. Consequentemente, os elétrons que passam por um condutor sempre encontram resistência de seu lado ao seu movimento. Quando uma corrente elétrica passa por um condutor, este se aquece.
Resistência elétrica
A resistência elétrica do condutor, que é indicada pela letra latina r, é a propriedade de um corpo ou meio de converter energia elétrica em energia térmica quando uma corrente elétrica passa por ele.
Nos diagramas, a resistência elétrica é indicada como mostrado na Figura 1, uma.
A resistência elétrica variável, que serve para alterar a corrente no circuito, é chamada de reostato. Nos diagramas, os reostatos são designados conforme mostrado na Figura 1, b. Em geral, um reostato é feito de um fio de uma ou outra resistência, enrolado em uma base isolante. O controle deslizante ou alavanca do reostato é colocado em uma determinada posição, como resultado da introdução da resistência desejada no circuito.
Um condutor longo de pequena seção transversal cria uma alta resistência à corrente. Condutores curtos de grande seção transversal têm pouca resistência à corrente.
Se pegarmos dois condutores de materiais diferentes, mas com o mesmo comprimento e seção, os condutores conduzirão a corrente de maneiras diferentes. Isso mostra que a resistência de um condutor depende do material do próprio condutor.
A temperatura de um condutor também afeta sua resistência. À medida que a temperatura aumenta, a resistência dos metais aumenta e a resistência dos líquidos e do carvão diminui. Apenas algumas ligas metálicas especiais (manganina, constantan, níquel e outras) quase não alteram sua resistência com o aumento da temperatura.
Assim, vemos que a resistência elétrica do condutor depende: 1) do comprimento do condutor, 2) da seção transversal do condutor, 3) do material do condutor, 4) da temperatura do condutor.
A unidade de resistência é um ohm. Om é muitas vezes denotado pela letra maiúscula grega Ω (omega). Então, em vez de escrever "A resistência do condutor é 15 ohms", você pode simplesmente escrever: r= 15Ω.
1000 ohms é chamado 1 quiloohm(1kΩ, ou 1kΩ),
1.000.000 ohms é chamado 1 megaohm(1mgOhm ou 1MΩ).
Ao comparar a resistência de condutores de diferentes materiais, é necessário tomar um certo comprimento e seção para cada amostra. Então poderemos julgar qual material conduz corrente elétrica melhor ou pior.
Vídeo 1. Resistência do condutor
Resistência elétrica específica
A resistência em ohms de um condutor de 1 m de comprimento, com seção transversal de 1 mm² é chamada de resistividade e é indicado pela letra grega ρ (ro).
A Tabela 1 apresenta as resistências específicas de alguns condutores.
tabela 1
Resistividade de vários condutores
A tabela mostra que um fio de ferro com comprimento de 1 m e seção transversal de 1 mm² tem uma resistência de 0,13 ohms. Para obter 1 ohm de resistência, você precisa levar 7,7 m desse fio. A prata tem a menor resistividade. 1 ohm de resistência pode ser obtido tomando 62,5 m de fio de prata com seção transversal de 1 mm². A prata é o melhor condutor, mas o custo da prata impede seu uso generalizado. Depois da prata na mesa vem o cobre: 1 m de fio de cobre com seção transversal de 1 mm² tem uma resistência de 0,0175 ohms. Para obter uma resistência de 1 ohm, você precisa levar 57 m desse fio.
Quimicamente puro, obtido por refino, o cobre tem encontrado amplo uso na engenharia elétrica para a fabricação de fios, cabos, enrolamentos de máquinas e aparelhos elétricos. Alumínio e ferro também são amplamente utilizados como condutores.
A resistência de um condutor pode ser determinada pela fórmula:
Onde r- resistência do condutor em ohms; ρ - resistência específica do condutor; eué o comprimento do condutor em m; S– seção transversal do condutor em mm².
Exemplo 1 Determine a resistência de 200 m de fio de ferro com seção transversal de 5 mm².
Exemplo 2 Calcule a resistência de 2 km de fio de alumínio com seção transversal de 2,5 mm².
A partir da fórmula de resistência, você pode determinar facilmente o comprimento, a resistividade e a seção transversal do condutor.
Exemplo 3 Para um receptor de rádio, é necessário enrolar uma resistência de 30 ohms de fio de níquel com seção transversal de 0,21 mm². Determine o comprimento de fio necessário.
Exemplo 4 Determine a seção transversal de 20 m de fio de nicromo se sua resistência for 25 ohms.
Exemplo 5 Um fio com seção transversal de 0,5 mm² e comprimento de 40 m tem uma resistência de 16 ohms. Determine o material do fio.
O material de um condutor caracteriza sua resistividade.
De acordo com a tabela de resistividade, descobrimos que o chumbo tem essa resistência.
Foi afirmado acima que a resistência dos condutores depende da temperatura. Vamos fazer o seguinte experimento. Enrolamos vários metros de fio de metal fino na forma de uma espiral e transformamos essa espiral em um circuito de bateria. Para medir a corrente no circuito, ligue o amperímetro. Ao aquecer a espiral na chama do queimador, você pode ver que as leituras do amperímetro diminuirão. Isso mostra que a resistência do fio metálico aumenta com o aquecimento.
Para alguns metais, quando aquecidos em 100 °, a resistência aumenta em 40 a 50%. Existem ligas que mudam ligeiramente sua resistência com o calor. Algumas ligas especiais dificilmente mudam a resistência com a temperatura. A resistência dos condutores metálicos aumenta com o aumento da temperatura, a resistência dos eletrólitos (condutores líquidos), carvão e alguns sólidos, pelo contrário, diminui.
A capacidade dos metais de alterar sua resistência com as mudanças de temperatura é usada para construir termômetros de resistência. Tal termômetro é um fio de platina enrolado em uma armação de mica. Colocando um termômetro, por exemplo, em um forno e medindo a resistência do fio de platina antes e depois do aquecimento, a temperatura no forno pode ser determinada.
A mudança na resistência do condutor quando aquecido, por 1 ohm da resistência inicial e 1 ° de temperatura, é chamada coeficiente de resistência de temperatura e é denotado pela letra α.
Se a uma temperatura t 0 resistência do condutor é r 0 e à temperatura té igual a r t, então o coeficiente de temperatura de resistência
Observação. Esta fórmula só pode ser calculada dentro de uma determinada faixa de temperatura (até cerca de 200°C).
Damos os valores do coeficiente de temperatura de resistência α para alguns metais (tabela 2).
mesa 2
Valores do coeficiente de temperatura para alguns metais
A partir da fórmula para o coeficiente de resistência da temperatura, determinamos r t:
r t = r 0 .
Exemplo 6 Determine a resistência de um fio de ferro aquecido a 200°C se sua resistência a 0°C for 100 ohms.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohms.
Exemplo 7 Um termômetro de resistência feito de fio de platina em uma sala com temperatura de 15°C tinha uma resistência de 20 ohms. O termômetro foi colocado no forno e depois de um tempo sua resistência foi medida. Acabou sendo igual a 29,6 ohms. Determine a temperatura no forno.
condutividade elétrica
Até agora, consideramos a resistência do condutor como um obstáculo que o condutor fornece à corrente elétrica. No entanto, a corrente flui através do condutor. Portanto, além da resistência (obstáculos), o condutor também tem a capacidade de conduzir corrente elétrica, ou seja, condutividade.
Quanto mais resistência um condutor tem, menos condutividade ele tem, pior ele conduz a corrente elétrica e, inversamente, quanto menor a resistência de um condutor, mais condutividade ele tem, mais fácil é para a corrente passar pelo condutor. Portanto, a resistência e a condutividade do condutor são quantidades recíprocas.
Sabe-se da matemática que a recíproca de 5 é 1/5 e, inversamente, a recíproca de 1/7 é 7. Portanto, se a resistência de um condutor é denotada pela letra r, então a condutividade é definida como 1/ r. A condutividade é geralmente indicada pela letra g.
A condutividade elétrica é medida em (1/ohm) ou siemens.
Exemplo 8 A resistência do condutor é de 20 ohms. Determine sua condutividade.
Se um r= 20 Ohms, então
Exemplo 9 A condutividade do condutor é 0,1 (1/ohm). Determine sua resistência
Se g \u003d 0,1 (1 / Ohm), então r= 1 / 0,1 = 10 (ohm)
A maioria das leis da física são baseadas em experimentos. Os nomes dos experimentadores estão imortalizados nos títulos dessas leis. Um deles foi Georg Ohm.
Experiências de Georg Ohm
Ele estabeleceu no curso de experimentos sobre a interação da eletricidade com várias substâncias, incluindo metais, a relação fundamental entre densidade, força do campo elétrico e a propriedade de uma substância, que foi chamada de "condutividade". A fórmula correspondente a este padrão, chamada "Lei de Ohm" é a seguinte:
j= λE , em que
- j- densidade de corrente elétrica;
- λ — condutividade específica, também chamada de "condutividade elétrica";
- E- intensidade do campo elétrico.
Em alguns casos, outra letra do alfabeto grego é usada para denotar condutividade - σ . A condutividade específica depende de alguns parâmetros da substância. Seu valor é influenciado pela temperatura, substâncias, pressão, se for um gás e, o mais importante, a estrutura dessa substância. A lei de Ohm é observada apenas para substâncias homogêneas.
Para cálculos mais convenientes, o recíproco da condutividade é usado. Foi chamado de "resistividade", que também está associada às propriedades da substância na qual a corrente elétrica flui, denotada pela letra grega ρ e tem a dimensão de Ohm*m. Mas como diferentes justificativas teóricas se aplicam a diferentes fenômenos físicos, fórmulas alternativas podem ser usadas para resistividade. Eles são um reflexo da teoria eletrônica clássica dos metais, bem como da teoria quântica.
Fórmulas
Nessas fórmulas tediosas, para leitores comuns, aparecem fatores como a constante de Boltzmann, a constante de Avogadro e a constante de Planck. Essas constantes são usadas para cálculos que levam em conta o caminho livre dos elétrons em um condutor, sua velocidade durante o movimento térmico, o grau de ionização, a concentração e a densidade da substância. Em uma palavra, tudo é bastante difícil para um não especialista. Para não ser infundado, você pode se familiarizar com a aparência de tudo na realidade:
Características dos metais
Como o movimento dos elétrons depende da homogeneidade da substância, a corrente em um condutor metálico flui de acordo com sua estrutura, o que afeta a distribuição de elétrons no condutor, levando em consideração sua não homogeneidade. É determinado não apenas pela presença de inclusões de impurezas, mas também por defeitos físicos - rachaduras, vazios, etc. A falta de homogeneidade do condutor aumenta sua resistividade, que é determinada pela regra de Matthiesen.
Essa regra simples de entender, de fato, diz que várias resistividades separadas podem ser distinguidas em um condutor de corrente. E o valor resultante será a soma deles. Os termos serão a resistividade da rede cristalina do metal, impurezas e defeitos do condutor. Como esse parâmetro depende da natureza da substância, são determinadas as regularidades correspondentes para seu cálculo, inclusive para substâncias mistas.
Apesar de as ligas também serem metais, elas são consideradas soluções com estrutura caótica, e para o cálculo da resistividade importa quais metais estão incluídos na composição da liga. Basicamente, a maioria das ligas de dois componentes que não pertencem aos metais de transição e terras raras se enquadram na descrição da lei de Nodheim.
Como um tópico separado, a resistividade de filmes finos metálicos é considerada. O fato de que seu valor deve ser maior que o de um condutor maciço feito do mesmo metal é bastante lógico supor. Mas, ao mesmo tempo, uma fórmula empírica especial de Fuchs é introduzida para o filme, que descreve a interdependência da resistividade e da espessura do filme. Acontece que nos filmes, os metais exibem as propriedades dos semicondutores.
E o processo de transferência de carga é influenciado por elétrons que se movem na direção da espessura do filme e interferem no movimento das cargas “longitudinais”. Ao mesmo tempo, eles são refletidos da superfície do filme condutor e, assim, um elétron oscila por um tempo suficientemente longo entre suas duas superfícies. Outro fator significativo no aumento da resistividade é a temperatura do condutor. Quanto maior a temperatura, maior a resistência. Por outro lado, quanto menor a temperatura, menor a resistência.
Os metais são substâncias com a menor resistividade na chamada temperatura "ambiente". O único não metal que justifica seu uso como condutor é o carbono. O grafite, que é uma de suas variedades, é amplamente utilizado para fazer contatos deslizantes. Tem uma combinação muito bem sucedida de propriedades como resistividade e coeficiente de atrito deslizante. Portanto, o grafite é um material indispensável para escovas de motor e outros contatos deslizantes. Os valores de resistividade das principais substâncias utilizadas para fins industriais são mostrados na tabela abaixo.
Supercondutividade
Em temperaturas correspondentes à liquefação dos gases, ou seja, até a temperatura do hélio líquido, que é - 273 graus Celsius, a resistividade diminui quase até o desaparecimento completo. E não só bons condutores metálicos como prata, cobre e alumínio. Quase todos os metais. Sob tais condições, que são chamadas de supercondutividade, a estrutura metálica não tem efeito inibitório sobre o movimento de cargas sob a ação de um campo elétrico. Portanto, o mercúrio e a maioria dos metais tornam-se supercondutores.
Mas, como se viu, há relativamente pouco tempo, nos anos 80 do século 20, algumas variedades de cerâmica também são capazes de supercondutividade. E para isso você não precisa usar hélio líquido. Esses materiais são chamados de supercondutores de alta temperatura. No entanto, várias décadas já se passaram e a gama de condutores de alta temperatura se expandiu significativamente. Mas o uso em massa de tais elementos supercondutores de alta temperatura não é observado. Em alguns países, foram feitas instalações simples com a substituição de condutores de cobre convencionais por supercondutores de alta temperatura. Para manter o modo normal de supercondutividade de alta temperatura, o nitrogênio líquido é necessário. E isso acaba sendo uma solução técnica muito cara.
Portanto, o baixo valor de resistividade, conferido pela Natureza ao cobre e ao alumínio, ainda os torna materiais indispensáveis para a fabricação de diversos condutores de corrente elétrica.
Muitos já ouviram falar da lei de Ohm, mas nem todos sabem o que é. O estudo começa com um curso escolar de física. Mais detalhadamente passe a faculdade física e a eletrodinâmica. É improvável que esse conhecimento seja útil para um leigo comum, mas é necessário para o desenvolvimento geral e para alguém para uma futura profissão. Por outro lado, o conhecimento básico sobre eletricidade, sua estrutura, recursos em casa ajudará a se prevenir contra problemas. Não é à toa que a lei de Ohm é chamada de lei fundamental da eletricidade. O mestre da casa precisa ter conhecimento na área de eletricidade para evitar sobretensão, o que pode levar a um aumento de carga e um incêndio.
O conceito de resistência elétrica
A relação entre as grandezas físicas básicas de um circuito elétrico - resistência, tensão, intensidade da corrente foi descoberta pelo físico alemão Georg Simon Ohm.
A resistência elétrica de um condutor é um valor que caracteriza sua resistência à corrente elétrica. Em outras palavras, parte dos elétrons sob a ação de uma corrente elétrica sobre o condutor deixa seu lugar na rede cristalina e vai para o polo positivo do condutor. Alguns dos elétrons permanecem na rede, continuando a girar em torno do átomo do núcleo. Esses elétrons e átomos formam uma resistência elétrica que impede o movimento das partículas liberadas.
O processo acima é aplicável a todos os metais, mas a resistência neles ocorre de maneiras diferentes. Isso se deve à diferença de tamanho, forma, material de que consiste o condutor. Assim, as dimensões da rede cristalina têm uma forma desigual para diferentes materiais, portanto, a resistência elétrica ao movimento da corrente através deles não é a mesma.
Deste conceito segue a definição da resistividade de uma substância, que é um indicador individual para cada metal separadamente. A resistividade elétrica (ER) é uma grandeza física denotada pela letra grega ρ e caracterizada pela capacidade de um metal impedir a passagem de eletricidade através dele.
O cobre é o principal material para condutores
A resistividade de uma substância é calculada pela fórmula, onde um dos indicadores importantes é o coeficiente de temperatura da resistência elétrica. A tabela contém os valores de resistividade de três metais conhecidos na faixa de temperatura de 0 a 100°C.
Se tomarmos o índice de resistividade do ferro, como um dos materiais disponíveis, igual a 0,1 Ohm, serão necessários 10 metros para 1 Ohm. A prata tem a menor resistência elétrica; para seu indicador de 1 Ohm, sairão 66,7 metros. Uma diferença significativa, mas a prata é um metal caro que não é amplamente utilizado. O próximo em termos de desempenho é o cobre, onde 1 ohm requer 57,14 metros. Devido à sua disponibilidade, custo em relação à prata, o cobre é um dos materiais mais populares para uso em redes elétricas. A baixa resistividade do fio de cobre ou a resistência do fio de cobre possibilita o uso de um condutor de cobre em muitos ramos da ciência, tecnologia, bem como em fins industriais e domésticos.
Valor de resistividade
O valor da resistividade não é constante, varia de acordo com os seguintes fatores:
- O tamanho. Quanto maior o diâmetro do condutor, mais elétrons ele passa por si mesmo. Portanto, quanto menor seu tamanho, maior a resistividade.
- Comprimento. Os elétrons passam através dos átomos, então quanto mais longo o fio, mais elétrons têm que viajar através deles. Ao calcular, é necessário levar em consideração o comprimento, o tamanho do fio, pois quanto mais longo e mais fino for o fio, maior será sua resistividade e vice-versa. A falta de cálculo da carga do equipamento utilizado pode levar ao superaquecimento do fio e incêndio.
- Temperatura. Sabe-se que o regime de temperatura é de grande importância no comportamento das substâncias de diferentes maneiras. O metal, como nada mais, muda suas propriedades em diferentes temperaturas. A resistividade do cobre depende diretamente do coeficiente de resistência da temperatura do cobre e aumenta quando aquecido.
- Corrosão. A formação de corrosão aumenta significativamente a carga. Isso acontece devido a influências ambientais, entrada de umidade, sal, sujeira, manifestações etc. Recomenda-se isolar e proteger todas as conexões, terminais, torções, instalar proteção para equipamentos externos, substituir oportunamente fios danificados, conjuntos, conjuntos.
Cálculo de resistência
Os cálculos são feitos ao projetar objetos para diversos fins e usos, pois o suporte de vida de cada um vem da eletricidade. Tudo é levado em consideração, desde luminárias a equipamentos tecnicamente complexos. Em casa, também será útil fazer um cálculo, especialmente se estiver planejado substituir a fiação. Para a construção de moradias particulares, é necessário calcular a carga, caso contrário, a montagem “artesanal” da fiação elétrica pode levar a um incêndio.
O objetivo do cálculo é determinar a resistência total dos condutores de todos os dispositivos utilizados, levando em consideração seus parâmetros técnicos. É calculado pela fórmula R=p*l/S , onde:
R é o resultado calculado;
p é o índice de resistividade da tabela;
l é o comprimento do fio (condutor);
S é o diâmetro da seção.
Unidades
No sistema internacional de unidades de grandezas físicas (SI), a resistência elétrica é medida em Ohms (Ohm). A unidade de medida de resistividade de acordo com o sistema SI é igual a tal resistividade de uma substância na qual um condutor feito de um material de 1 m de comprimento com uma seção transversal de 1 sq. m. tem uma resistência de 1 ohm. O uso de 1 ohm / m em relação a diferentes metais é claramente mostrado na tabela.
Significado da resistividade
A relação entre resistividade e condutividade pode ser vista como recíproca. Quanto maior o índice de um condutor, menor o índice do outro e vice-versa. Portanto, ao calcular a condutividade elétrica, utiliza-se o cálculo 1/r, pois o número recíproco a X é 1/X e vice-versa. O indicador específico é indicado pela letra g.
Benefícios do cobre eletrolítico
Baixa resistividade (depois da prata) como vantagem, o cobre não é limitado. Possui propriedades únicas nas suas características, nomeadamente plasticidade, alta maleabilidade. Graças a essas qualidades, o cobre eletrolítico de alta pureza é produzido para a produção de cabos utilizados em eletrodomésticos, informática, indústria elétrica e indústria automotiva.
A dependência do índice de resistência na temperatura
O coeficiente de temperatura é um valor que iguala a mudança na tensão de uma parte do circuito e a resistividade do metal como resultado de mudanças na temperatura. A maioria dos metais tende a aumentar a resistividade com o aumento da temperatura devido às vibrações térmicas da rede cristalina. O coeficiente de temperatura de resistência do cobre afeta a resistência específica do fio de cobre e em temperaturas de 0 a 100°C é 4,1 10−3(1/Kelvin). Para a prata, esse indicador nas mesmas condições tem um valor de 3,8 e para o ferro, 6,0. Isso mais uma vez comprova a eficácia do uso do cobre como condutor.
Substâncias e materiais capazes de conduzir corrente elétrica são chamados de condutores. Os demais são classificados como dielétricos. Mas não há dielétricos puros, todos eles também conduzem corrente, mas seu valor é muito pequeno.
Mas os condutores conduzem a corrente de maneira diferente. De acordo com a fórmula de George Ohm, a corrente que flui através de um condutor é linearmente proporcional à magnitude da tensão aplicada a ele e inversamente proporcional a uma quantidade chamada resistência.
A unidade de medida de resistência recebeu o nome de Ohm em homenagem ao cientista que descobriu essa relação. Mas descobriu-se que condutores feitos de materiais diferentes e com as mesmas dimensões geométricas têm resistência elétrica diferente. Para determinar a resistência de um condutor de comprimento e seção transversal conhecidos, foi introduzido o conceito de resistividade - um coeficiente que depende do material.
Como resultado, a resistência de um condutor de comprimento e seção transversal conhecidos será igual a
A resistividade se aplica não apenas a materiais sólidos, mas também a líquidos. Mas seu valor também depende de impurezas ou outros componentes no material de origem. A água pura não conduz eletricidade, sendo um dielétrico. Mas na natureza não há água destilada, ela sempre contém sais, bactérias e outras impurezas. Este coquetel é um condutor de corrente elétrica com resistência específica.
Ao introduzir vários aditivos em metais, novos materiais são obtidos - ligas, cuja resistividade difere daquela do material original, mesmo que a porcentagem de adição seja insignificante.
Resistividade versus temperatura
As resistências específicas dos materiais são indicadas em livros de referência para temperaturas próximas da temperatura ambiente (20 °C). À medida que a temperatura aumenta, a resistência do material aumenta. Por que isso está acontecendo?
A corrente elétrica no interior do material é conduzida elétrons livres. Sob a ação de um campo elétrico, eles se separam de seus átomos e se movem entre eles na direção dada por esse campo. Os átomos de uma substância formam uma rede cristalina, entre os nós dos quais se move um fluxo de elétrons, também chamado de "gás de elétrons". Sob a ação da temperatura, os nós da rede (átomos) oscilam. Os próprios elétrons também não se movem em linha reta, mas ao longo de um caminho intrincado. Ao mesmo tempo, muitas vezes colidem com átomos, alterando a trajetória do movimento. Em alguns momentos no tempo, os elétrons podem se mover na direção oposta à direção da corrente elétrica.
À medida que a temperatura aumenta, a amplitude das vibrações atômicas aumenta. A colisão de elétrons com eles ocorre com mais frequência, o movimento do fluxo de elétrons diminui. Fisicamente, isso é expresso em um aumento na resistividade.
Um exemplo de uso da dependência da resistividade da temperatura é o funcionamento de uma lâmpada incandescente. O filamento de tungstênio, do qual é feito o filamento, tem uma baixa resistividade no momento da ligação. O surto de corrente no momento de ligar rapidamente o aquece, a resistividade aumenta e a corrente diminui, tornando-se nominal.
O mesmo processo ocorre com elementos de aquecimento de nicromo. Portanto, é impossível calcular seu modo de operação determinando o comprimento de um fio de nicromo de uma seção transversal conhecida para criar a resistência necessária. Para cálculos, você precisa da resistência específica do fio aquecido e os livros de referência fornecem valores para a temperatura ambiente. Portanto, o comprimento final da hélice de nicromo é ajustado experimentalmente. Os cálculos determinam o comprimento aproximado e, ao encaixar, a rosca é gradualmente encurtada seção por seção.
Coeficiente de resistência de temperatura
Mas não em todos os dispositivos, a dependência da resistividade dos condutores na temperatura é benéfica. Na tecnologia de medição, uma mudança na resistência dos elementos do circuito leva a um erro.
Para determinar quantitativamente a dependência da resistência de um material em relação à temperatura, o conceito é introduzido coeficiente de resistência de temperatura (TCR). Mostra o quanto a resistência de um material muda quando a temperatura muda em 1°C.
Para a fabricação de componentes eletrônicos - resistores usados nos circuitos de equipamentos de medição, são utilizados materiais com baixo TCR. Eles são mais caros, mas os parâmetros do dispositivo não mudam em uma ampla faixa de temperaturas ambientes.
Mas as propriedades de materiais com alto TCR também são usadas. A operação de alguns sensores de temperatura é baseada em uma mudança na resistência do material do qual o elemento de medição é feito. Para fazer isso, você precisa manter uma tensão de alimentação estável e medir a corrente que passa pelo elemento. Ao calibrar a escala do aparelho que mede a corrente, segundo um termômetro de referência, obtém-se um medidor eletrônico de temperatura. Este princípio é usado não apenas para medições, mas também para sensores de superaquecimento. Desconexão do dispositivo em caso de modos de operação anormais, levando ao superaquecimento dos enrolamentos dos transformadores ou elementos semicondutores de potência.
Usado em engenharia elétrica e elementos que mudam sua resistência não da temperatura ambiente, mas da corrente através deles - termistores. Um exemplo de seu uso são os sistemas de desmagnetização de tubos de raios catódicos de TVs e monitores. Quando a tensão é aplicada, a resistência do resistor é mínima, a corrente através dele passa para a bobina de desmagnetização. Mas a mesma corrente aquece o material do termistor. Sua resistência aumenta, diminuindo a corrente e a tensão na bobina. E assim - até o seu completo desaparecimento. Como resultado, uma tensão senoidal com amplitude suavemente decrescente é aplicada à bobina, criando o mesmo campo magnético em seu espaço. O resultado é que quando o filamento do tubo é aquecido, ele já está desmagnetizado. E o circuito de controle permanece no estado bloqueado até que o dispositivo seja desligado. Em seguida, os termistores esfriarão e estarão prontos para funcionar novamente.
O fenômeno da supercondutividade
O que acontece se a temperatura do material for reduzida? A resistividade diminuirá. Existe um limite para o qual a temperatura diminui, chamado zero absoluto. Isto - 273°C. Abaixo deste limite de temperatura não acontece. Nesse valor, a resistividade de qualquer condutor é zero.
No zero absoluto, os átomos da rede cristalina param de vibrar. Como resultado, a nuvem de elétrons se move entre os nós da rede sem colidir com eles. A resistência do material torna-se igual a zero, o que abre a possibilidade de obter correntes infinitamente grandes em condutores de pequenas seções transversais.
O fenômeno da supercondutividade abre novos horizontes para o desenvolvimento da engenharia elétrica. Mas ainda há dificuldades associadas à obtenção em casa das temperaturas ultrabaixas necessárias para criar esse efeito. Quando os problemas forem resolvidos, a engenharia elétrica passará para um novo nível de desenvolvimento.
Exemplos de uso de valores de resistividade em cálculos
Já nos familiarizamos com os princípios de cálculo do comprimento do fio de nicromo para a fabricação de um elemento de aquecimento. Mas existem outras situações em que é necessário o conhecimento da resistividade dos materiais.
Para cálculo circuitos de dispositivos de aterramento são utilizados coeficientes correspondentes a solos típicos. Se o tipo de solo no local do loop de terra for desconhecido, para cálculos corretos, sua resistividade é medida preliminarmente. Assim, os resultados do cálculo são mais precisos, o que elimina o ajuste dos parâmetros do circuito durante a fabricação: somando o número de eletrodos, levando a um aumento nas dimensões geométricas do dispositivo de aterramento.
A resistência específica dos materiais de que são feitos os cabos e os barramentos é usada para calcular sua resistência ativa. No futuro, na corrente de carga nominal com ele o valor da tensão no final da linha é calculado. Se seu valor for insuficiente, as seções transversais dos condutores serão aumentadas antecipadamente.
O conceito de resistência elétrica e condutividade
Qualquer corpo através do qual uma corrente elétrica flui, tem uma certa resistência a ela. A propriedade de um material condutor de impedir a passagem de corrente elétrica através dele é chamada de resistência elétrica.
A teoria eletrônica explica a essência da resistência elétrica dos condutores metálicos dessa maneira. Ao se mover ao longo de um condutor, elétrons livres encontram átomos e outros elétrons inúmeras vezes em seu caminho e, interagindo com eles, inevitavelmente perdem parte de sua energia. Os elétrons experimentam, por assim dizer, resistência ao seu movimento. Diferentes condutores metálicos com estrutura atômica diferente têm resistência diferente à corrente elétrica.
Exatamente o mesmo explica a resistência de condutores líquidos e gases à passagem de corrente elétrica. No entanto, não se deve esquecer que nessas substâncias, não os elétrons, mas as partículas carregadas das moléculas encontram resistência durante seu movimento.
A resistência é indicada pelas letras latinas R ou r.
O ohm é tomado como a unidade de resistência elétrica.
Ohm é a resistência de uma coluna de mercúrio de 106,3 cm de altura com seção transversal de 1 mm2 a uma temperatura de 0°C.
Se, por exemplo, a resistência elétrica do condutor for 4 ohms, então se escreve da seguinte forma: R = 4 ohms ou r = 4 ohms.
Para medir a resistência de um grande valor, uma unidade chamada megohm é adotada.
Um mega é igual a um milhão de ohms.
Quanto maior a resistência do condutor, pior ele conduz a corrente elétrica e, inversamente, quanto menor a resistência do condutor, mais fácil é a passagem da corrente elétrica por esse condutor.
Portanto, para caracterizar o condutor (em termos da passagem de corrente elétrica por ele), pode-se considerar não apenas sua resistência, mas também a recíproca da resistência e é chamada de condutividade.
condutividade elétrica A capacidade de um material de passar uma corrente elétrica através de si mesmo é chamada.
Como a condutividade é o recíproco da resistência, é expressa como 1 / R, a condutividade é denotada pela letra latina g.
Influência do material condutor, suas dimensões e temperatura ambiente no valor da resistência elétrica
A resistência de vários condutores depende do material de que são feitos. Para caracterizar a resistência elétrica de vários materiais, foi introduzido o conceito da chamada resistividade.
Resistividadeé a resistência de um condutor de 1 m de comprimento e com área de seção transversal de 1 mm2. A resistividade é denotada pela letra grega p. Cada material do qual o condutor é feito tem sua própria resistividade.
Por exemplo, a resistividade do cobre é 0,017, ou seja, um condutor de cobre com 1 m de comprimento e 1 mm2 de seção transversal tem uma resistência de 0,017 ohms. A resistividade do alumínio é 0,03, a resistividade do ferro é 0,12, a resistividade do constantan é 0,48, a resistividade do nicromo é 1-1,1.
A resistência de um condutor é diretamente proporcional ao seu comprimento, ou seja, quanto maior o condutor, maior sua resistência elétrica.
A resistência de um condutor é inversamente proporcional à sua área de seção transversal, ou seja, quanto mais espesso o condutor, menor sua resistência e, inversamente, quanto mais fino o condutor, maior sua resistência.
Para entender melhor essa relação, imagine dois pares de vasos comunicantes, com um par de vasos tendo um tubo conector fino e o outro um tubo grosso. É claro que quando um dos vasos (cada par) é preenchido com água, sua transição para outro vaso através de um tubo grosso ocorrerá muito mais rapidamente do que através de um tubo fino, ou seja, um tubo grosso oferecerá menos resistência ao fluxo de água. agua. Da mesma forma, é mais fácil uma corrente elétrica passar por um condutor grosso do que por um fino, ou seja, o primeiro lhe oferece menos resistência que o segundo.
A resistência elétrica de um condutor é igual à resistência específica do material do qual esse condutor é feito, multiplicada pelo comprimento do condutor e dividida pela área da seção transversal do condutor:
R = Rl/S,
Onde - R é a resistência do condutor, ohm, l é o comprimento do condutor em m, S é a área da seção transversal do condutor, mm 2.
Área da seção transversal de um condutor redondo calculado pela fórmula:
S = π d 2 / 4
Onde π - valor constante igual a 3,14; d é o diâmetro do condutor.
E assim o comprimento do condutor é determinado:
l = S R / p ,
Esta fórmula permite determinar o comprimento do condutor, sua seção transversal e resistividade, se as outras grandezas incluídas na fórmula forem conhecidas.
Se for necessário determinar a área da seção transversal do condutor, a fórmula é reduzida para a seguinte forma:
S = R l / R
Transformando a mesma fórmula e resolvendo a igualdade em relação a p, encontramos a resistividade do condutor:
R = R S / l
A última fórmula deve ser usada nos casos em que a resistência e as dimensões do condutor são conhecidas e seu material é desconhecido e, além disso, difícil de determinar pela aparência. Para fazer isso, é necessário determinar a resistividade do condutor e, usando a tabela, encontrar um material com tal resistividade.
Outra razão que afeta a resistência dos condutores é a temperatura.
Foi estabelecido que com o aumento da temperatura, a resistência dos condutores metálicos aumenta e diminui com a diminuição. Este aumento ou diminuição da resistência para condutores de metal puro é quase o mesmo e tem uma média de 0,4% por 1°C. A resistência dos condutores líquidos e do carvão diminui com o aumento da temperatura.
A teoria eletrônica da estrutura da matéria dá a seguinte explicação para o aumento da resistência dos condutores metálicos com o aumento da temperatura. Quando aquecido, o condutor recebe energia térmica, que é inevitavelmente transferida para todos os átomos da substância, o que aumenta a intensidade de seu movimento. O aumento do movimento dos átomos cria mais resistência ao movimento direcionado dos elétrons livres, razão pela qual a resistência do condutor aumenta. Com a diminuição da temperatura, são criadas melhores condições para o movimento direcionado dos elétrons e a resistência do condutor diminui. Isso explica um fenômeno interessante - supercondutividade de metais.
Supercondutividade, ou seja, uma diminuição na resistência dos metais a zero, ocorre a uma enorme temperatura negativa - 273 ° C, chamada zero absoluto. A uma temperatura de zero absoluto, os átomos de metal parecem congelar no lugar, sem impedir o movimento dos elétrons.
