Când un circuit electric este închis, la bornele căruia există o diferență de potențial, apare un curent electric. Electronii liberi sub influența forțelor câmpului electric se deplasează de-a lungul conductorului. În mișcarea lor, electronii se ciocnesc cu atomii conductorului și le oferă o rezervă de energie cinetică. Viteza de mișcare a electronilor este în continuă schimbare: atunci când electronii se ciocnesc cu atomi, molecule și alți electroni, aceasta scade, apoi crește sub influența unui câmp electric și scade din nou cu o nouă coliziune. Ca urmare, în conductor se stabilește un flux uniform de electroni cu o viteză de câteva fracțiuni de centimetru pe secundă. În consecință, electronii care trec printr-un conductor întâmpină întotdeauna rezistență din partea sa la mișcarea lor. Când un curent electric trece printr-un conductor, acesta din urmă se încălzește.

Rezistență electrică

Rezistența electrică a conductorului, care este indicată de litera latină r, este proprietatea unui corp sau mediu de a transforma energia electrică în energie termică atunci când trece un curent electric prin el.

În diagrame, rezistența electrică este indicată așa cum se arată în Figura 1, A.

Se numește rezistență electrică variabilă, care servește la schimbarea curentului din circuit reostat. În diagrame, reostatele sunt desemnate așa cum se arată în Figura 1, b. În general, un reostat este realizat dintr-un fir de una sau alta rezistență, înfășurat pe o bază izolatoare. Glisorul sau pârghia reostatului este plasată într-o anumită poziție, în urma căreia se introduce în circuit rezistența dorită.

Un conductor lung de secțiune transversală mică creează o rezistență ridicată la curent. Conductoarele scurte de secțiune transversală mare au o rezistență mică la curent.

Dacă luăm doi conductori din materiale diferite, dar de aceeași lungime și secțiune, atunci conductorii vor conduce curentul în moduri diferite. Aceasta arată că rezistența unui conductor depinde de materialul conductorului însuși.

Temperatura unui conductor afectează și rezistența acestuia. Pe măsură ce temperatura crește, rezistența metalelor crește, iar rezistența lichidelor și a cărbunelui scade. Doar unele aliaje metalice speciale (manganină, constantan, nichelină și altele) aproape că nu își schimbă rezistența odată cu creșterea temperaturii.

Deci, vedem că rezistența electrică a conductorului depinde de: 1) lungimea conductorului, 2) secțiunea transversală a conductorului, 3) materialul conductorului, 4) temperatura conductorului.

Unitatea de rezistență este un ohm. Om este adesea notat cu litera majusculă grecească Ω (omega). Deci, în loc să scrieți „Rezistența conductorului este de 15 ohmi”, puteți scrie pur și simplu: r= 15Ω.
1000 ohmi se numesc 1 kiloohm(1kΩ sau 1kΩ),
1.000.000 de ohmi se numește 1 megaohm(1mgOhm, sau 1MΩ).

Când se compară rezistența conductorilor din diferite materiale, este necesar să se ia o anumită lungime și secțiune pentru fiecare probă. Apoi vom putea judeca ce material conduce curentul electric mai bine sau mai rău.

Video 1. Rezistența conductorului

Rezistenta electrica specifica

Se numește rezistența în ohmi a unui conductor de 1 m lungime, cu o secțiune transversală de 1 mm² rezistivitateși este notat cu litera greacă ρ (ro).

Tabelul 1 prezintă rezistențele specifice ale unor conductori.

tabelul 1

Rezistivitatea diverșilor conductori

Tabelul arată că un fir de fier cu o lungime de 1 m și o secțiune transversală de 1 mm² are o rezistență de 0,13 ohmi. Pentru a obține 1 ohm de rezistență, trebuie să luați 7,7 m dintr-un astfel de fir. Argintul are cea mai scăzută rezistivitate. 1 ohm de rezistență poate fi obținut prin luarea a 62,5 m de sârmă de argint cu o secțiune transversală de 1 mm². Argintul este cel mai bun conductor, dar costul argintului împiedică utilizarea lui pe scară largă. După argint din tabel vine cuprul: 1 m de sârmă de cupru cu o secțiune transversală de 1 mm² are o rezistență de 0,0175 ohmi. Pentru a obține o rezistență de 1 ohm, trebuie să luați 57 m dintr-un astfel de fir.

Pur din punct de vedere chimic, obținut prin rafinare, cuprul și-a găsit o utilizare pe scară largă în inginerie electrică pentru fabricarea de fire, cabluri, înfășurări ale mașinilor și aparatelor electrice. Aluminiul și fierul sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă ca conductori.

Rezistența unui conductor poate fi determinată prin formula:

Unde r- rezistenta conductorului in ohmi; ρ - rezistenta specifica a conductorului; l este lungimea conductorului în m; S– secțiunea conductorului în mm².

Exemplul 1 Determinați rezistența a 200 m de sârmă de fier cu o secțiune transversală de 5 mm².

Exemplul 2 Calculați rezistența a 2 km de sârmă de aluminiu cu o secțiune transversală de 2,5 mm².

Din formula rezistenței, puteți determina cu ușurință lungimea, rezistivitatea și secțiunea transversală a conductorului.

Exemplul 3 Pentru un receptor radio, este necesar să înfășurați o rezistență de 30 ohmi dintr-un fir de nichel cu o secțiune transversală de 0,21 mm². Determinați lungimea necesară a firului.

Exemplul 4 Determinați secțiunea transversală a 20 m de fir nicrom dacă rezistența acestuia este de 25 ohmi.

Exemplul 5 Un fir cu o secțiune transversală de 0,5 mm² și o lungime de 40 m are o rezistență de 16 ohmi. Determinați materialul firului.

Materialul unui conductor îi caracterizează rezistivitatea.

Conform tabelului de rezistivitate, constatăm că plumbul are o astfel de rezistență.

S-a afirmat mai sus că rezistența conductorilor depinde de temperatură. Să facem următorul experiment. Înfășurăm câțiva metri de sârmă subțire de metal sub formă de spirală și transformăm această spirală într-un circuit de baterie. Pentru a măsura curentul din circuit, porniți ampermetrul. Când încălziți spirala în flacăra arzătorului, puteți vedea că citirile ampermetrului vor scădea. Aceasta arată că rezistența firului metalic crește odată cu încălzirea.

Pentru unele metale, atunci când sunt încălzite cu 100 °, rezistența crește cu 40 - 50%. Există aliaje care își modifică ușor rezistența cu căldura. Unele aliaje speciale își schimbă greu rezistența cu temperatura. Rezistența conductoarelor metalice crește odată cu creșterea temperaturii, rezistența electroliților (conductoare lichide), a cărbunelui și a unor solide, dimpotrivă, scade.

Capacitatea metalelor de a-și modifica rezistența la schimbările de temperatură este folosită pentru a construi termometre de rezistență. Un astfel de termometru este un fir de platină înfășurat pe un cadru de mică. Prin plasarea unui termometru, de exemplu, într-un cuptor și măsurarea rezistenței firului de platină înainte și după încălzire, se poate determina temperatura în cuptor.

Modificarea rezistenței conductorului atunci când este încălzit, la 1 ohm de rezistență inițială și 1 ° temperatură, se numește coeficient de rezistență la temperaturăși este notat cu litera α.

Dacă la o temperatură t 0 rezistența conductorului este r 0 și la temperatură t egală r t, apoi coeficientul de temperatură al rezistenței

Notă. Această formulă poate fi calculată numai într-un anumit interval de temperatură (până la aproximativ 200°C).

Oferim valorile coeficientului de temperatură al rezistenței α pentru unele metale (tabelul 2).

masa 2

Valorile coeficientului de temperatură pentru unele metale

Din formula pentru coeficientul de temperatură al rezistenței, determinăm r t:

r t = r 0 .

Exemplul 6 Determinați rezistența unui fir de fier încălzit la 200°C dacă rezistența lui la 0°C a fost de 100 ohmi.

r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohmi.

Exemplul 7 Un termometru de rezistență realizat din sârmă de platină într-o încăpere cu o temperatură de 15°C avea o rezistență de 20 ohmi. Termometrul a fost introdus în cuptor și după un timp i s-a măsurat rezistența. S-a dovedit a fi egal cu 29,6 ohmi. Determinați temperatura în cuptor.

conductivitate electrică

Până acum am considerat rezistența conductorului drept un obstacol pe care conductorul îl asigură curentului electric. Cu toate acestea, curentul trece prin conductor. Prin urmare, pe lângă rezistență (obstacole), conductorul are și capacitatea de a conduce curentul electric, adică conductivitatea.

Cu cât un conductor are mai multă rezistență, cu atât are mai puțină conductivitate, cu atât conduce mai rău curentul electric și, invers, cu cât rezistența unui conductor este mai mică, cu atât are mai multă conductivitate, cu atât trece mai ușor curentul prin conductor. Prin urmare, rezistența și conductivitatea conductorului sunt mărimi reciproce.

Din matematică se știe că reciproca lui 5 este 1/5 și, invers, reciproca lui 1/7 este 7. Prin urmare, dacă rezistența unui conductor se notează cu litera r, atunci conductivitatea este definită ca 1/ r. Conductibilitatea este de obicei indicată cu litera g.

Conductivitatea electrică se măsoară în (1/ohm) sau siemens.

Exemplul 8 Rezistența conductorului este de 20 ohmi. Determinați-i conductivitatea.

În cazul în care un r= 20 Ohm, atunci

Exemplul 9 Conductivitatea conductorului este de 0,1 (1/ohm). Determinați-i rezistența

Dacă g \u003d 0,1 (1 / Ohm), atunci r= 1 / 0,1 = 10 (ohmi)

Majoritatea legilor fizicii se bazează pe experimente. Numele experimentatorilor sunt imortalizate în titlurile acestor legi. Unul dintre ei a fost Georg Ohm.

Experimentele lui Georg Ohm

El a stabilit în cursul experimentelor privind interacțiunea electricității cu diferite substanțe, inclusiv metale, relația fundamentală dintre densitate, puterea câmpului electric și proprietatea unei substanțe, care a fost numită „conductivitate”. Formula corespunzătoare acestui model, numită „Legea lui Ohm” este următoarea:

j= λE , în care

• j- densitatea curentului electric;
• λ — conductivitate specifică, denumită și „conductivitate electrică”;
• E- intensitatea câmpului electric.

În unele cazuri, o altă literă a alfabetului grecesc este folosită pentru a desemna conductivitatea - σ . Conductivitatea specifică depinde de unii parametri ai substanței. Valoarea acestuia este influențată de temperatură, substanțe, presiune, dacă este un gaz și, cel mai important, de structura acestei substanțe. Legea lui Ohm este respectată numai pentru substanțele omogene.

Pentru calcule mai convenabile, se folosește inversul conductivității. A fost numită „rezistivitate”, care este asociată și cu proprietățile substanței în care curge curentul electric, notate cu litera greacă. ρ și are dimensiunea de Ohm*m. Dar, deoarece diferite justificări teoretice se aplică pentru diferite fenomene fizice, formule alternative pot fi folosite pentru rezistivitate. Ele sunt o reflectare a teoriei electronice clasice a metalelor, precum și a teoriei cuantice.

Formule

În aceste formule plictisitoare, pentru cititorii obișnuiți, apar factori precum constanta lui Boltzmann, constanta lui Avogadro și constanta lui Planck. Aceste constante sunt utilizate pentru calcule care iau în considerare drumul liber al electronilor într-un conductor, viteza lor în timpul mișcării termice, gradul de ionizare, concentrația și densitatea substanței. Într-un cuvânt, totul este destul de dificil pentru un nespecialist. Pentru a nu fi nefondat, mai departe vă puteți familiariza cu cum arată totul în realitate:

Caracteristicile metalelor

Deoarece mișcarea electronilor depinde de omogenitatea substanței, curentul dintr-un conductor metalic circulă în funcție de structura acestuia, ceea ce afectează distribuția electronilor în conductor, ținând cont de neomogenitatea acestuia. Este determinată nu numai de prezența incluziunilor de impurități, ci și de defecte fizice - fisuri, goluri etc. Neomogenitatea conductorului crește rezistivitatea acestuia, care este determinată de regula Matthiesen.

Această regulă simplu de înțeles, de fapt, spune că mai multe rezistivități separate pot fi distinse într-un conductor care poartă curent. Iar valoarea rezultată va fi suma lor. Termenii vor fi rezistivitatea rețelei cristaline a metalului, impuritățile și defectele conductorului. Deoarece acest parametru depinde de natura substanței, regularitățile corespunzătoare sunt determinate pentru calculul său, inclusiv pentru substanțele amestecate.

În ciuda faptului că aliajele sunt și metale, ele sunt considerate soluții cu o structură haotică, iar pentru calcularea rezistivității contează ce metale sunt incluse în compoziția aliajului. Practic, majoritatea aliajelor cu două componente care nu aparțin metalelor de tranziție și pământuri rare se încadrează în descrierea legii lui Nodheim.

Ca subiect separat, este luată în considerare rezistivitatea filmelor subțiri metalice. Faptul că valoarea sa ar trebui să fie mai mare decât cea a unui conductor în vrac din același metal este destul de logic de presupus. Dar, în același timp, pentru film este introdusă o formulă empirică Fuchs specială, care descrie interdependența rezistivității și a grosimii filmului. Se pare că în filme, metalele prezintă proprietățile semiconductorilor.

Iar procesul de transfer al sarcinii este influențat de electroni care se mișcă în direcția grosimii filmului și interferează cu mișcarea sarcinilor „longitudinale”. În același timp, ele sunt reflectate de suprafața conductorului de film și astfel un electron oscilează pentru un timp suficient de lung între cele două suprafețe ale sale. Un alt factor semnificativ în creșterea rezistivității este temperatura conductorului. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. Dimpotrivă, cu cât temperatura este mai mică, cu atât rezistența este mai mică.

Metalele sunt substanțe cu cea mai scăzută rezistivitate la așa-numita temperatură „camere”. Singurul nemetal care justifică utilizarea sa ca conductor este carbonul. Grafitul, care este una dintre soiurile sale, este utilizat pe scară largă pentru a face contacte glisante. Are o combinație foarte reușită de proprietăți precum rezistivitatea și coeficientul de frecare de alunecare. Prin urmare, grafitul este un material indispensabil pentru periile de motor și alte contacte glisante. Valorile de rezistivitate ale principalelor substanțe utilizate în scopuri industriale sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Supraconductivitate

La temperaturi corespunzătoare lichefierii gazelor, adică până la temperatura heliului lichid, care este - 273 grade Celsius, rezistivitatea scade aproape până la dispariția completă. Și nu numai conductoare metalice bune, cum ar fi argintul, cuprul și aluminiul. Aproape toate metalele. În astfel de condiții, care se numesc supraconductivitate, structura metalică nu are efect inhibitor asupra mișcării sarcinilor sub acțiunea unui câmp electric. Prin urmare, mercurul și majoritatea metalelor devin supraconductori.

Dar, după cum sa dovedit, relativ recent, în anii 80 ai secolului XX, unele soiuri de ceramică sunt, de asemenea, capabile de supraconductivitate. Și pentru aceasta nu este nevoie să utilizați heliu lichid. Astfel de materiale sunt numite supraconductori la temperatură înaltă. Cu toate acestea, au trecut deja câteva decenii, iar gama de conductori de înaltă temperatură s-a extins semnificativ. Dar utilizarea în masă a unor astfel de elemente supraconductoare la temperatură ridicată nu este observată. În unele țări s-au realizat instalații unice cu înlocuirea conductorilor convenționali de cupru cu supraconductori de temperatură înaltă. Pentru a menține modul normal de supraconductivitate la temperatură înaltă, este necesar azotul lichid. Și aceasta se dovedește a fi o soluție tehnică prea costisitoare.

Prin urmare, valoarea scăzută a rezistivității, acordată de Natură cuprului și aluminiului, le face în continuare materiale indispensabile pentru fabricarea diverșilor conductori de curent electric.

Mulți au auzit despre legea lui Ohm, dar nu toată lumea știe ce este. Studiul începe cu un curs școlar de fizică. Mai detaliat transmiteți facultatea fizică și electrodinamica. Este puțin probabil ca aceste cunoștințe să fie utile unui profan obișnuit, dar sunt necesare pentru dezvoltarea generală și pentru cineva pentru o viitoare profesie. Pe de altă parte, cunoștințele de bază despre electricitate, structura sa, caracteristicile la domiciliu vă vor ajuta să vă avertizați împotriva problemelor. Nu e de mirare că legea lui Ohm este numită legea fundamentală a electricității. Stăpânul de acasă trebuie să aibă cunoștințe în domeniul energiei electrice pentru a preveni supratensiunea, care poate duce la creșterea sarcinii și un incendiu.

Conceptul de rezistență electrică

Relația dintre mărimile fizice de bază ale unui circuit electric - rezistență, tensiune, puterea curentului a fost descoperită de fizicianul german Georg Simon Ohm.

Rezistența electrică a unui conductor este o valoare care caracterizează rezistența acestuia la curentul electric. Cu alte cuvinte, o parte din electroni sub acțiunea unui curent electric asupra conductorului își părăsește locul în rețeaua cristalină și merge la polul pozitiv al conductorului. Unii dintre electroni rămân în rețea, continuând să se rotească în jurul atomului nucleului. Acești electroni și atomi formează o rezistență electrică care împiedică mișcarea particulelor eliberate.

Procesul de mai sus este aplicabil tuturor metalelor, dar rezistența acestora apare în moduri diferite. Acest lucru se datorează diferenței de dimensiune, formă, material din care constă conductorul. În consecință, dimensiunile rețelei cristaline au o formă inegală pentru diferite materiale, prin urmare, rezistența electrică la mișcarea curentului prin acestea nu este aceeași.

Din acest concept rezultă definiția rezistivității unei substanțe, care este un indicator individual pentru fiecare metal separat. Rezistivitatea electrică (ER) este o mărime fizică notată cu litera greacă ρ și caracterizată prin capacitatea unui metal de a împiedica trecerea electricității prin el.

Cuprul este principalul material pentru conductori

Rezistivitatea unei substanțe este calculată prin formula, în care unul dintre indicatorii importanți este coeficientul de temperatură al rezistenței electrice. Tabelul conține valorile rezistivității a trei metale cunoscute în intervalul de temperatură de la 0 la 100 ° C.

Dacă luăm indicele de rezistivitate al fierului, ca unul dintre materialele disponibile, egal cu 0,1 Ohm, atunci vor fi necesari 10 metri pentru 1 Ohm. Argintul are cea mai mică rezistență electrică; pentru indicatorul său de 1 Ohm, vor ieși 66,7 metri. O diferență semnificativă, dar argintul este un metal scump, care nu este utilizat pe scară largă. Următorul în ceea ce privește performanța este cuprul, unde 1 ohm necesită 57,14 metri. Datorită disponibilității sale, costului în comparație cu argintul, cuprul este unul dintre cele mai populare materiale pentru utilizare în rețelele electrice. Rezistivitatea scăzută a firului de cupru sau rezistența firului de cupru face posibilă utilizarea unui conductor de cupru în multe ramuri ale științei, tehnologiei, precum și în scopuri industriale și casnice.

Valoarea rezistivității

Valoarea rezistivității nu este constantă, se modifică în funcție de următorii factori:

• Marimea. Cu cât diametrul conductorului este mai mare, cu atât trece mai mulți electroni prin el însuși. Prin urmare, cu cât dimensiunea sa este mai mică, cu atât rezistivitatea este mai mare.
• Lungime. Electronii trec prin atomi, deci cu cât firul este mai lung, cu atât mai mulți electroni trebuie să călătorească prin ei. La calcul este necesar să se țină cont de lungimea, dimensiunea firului, deoarece cu cât firul este mai lung și mai subțire, cu atât rezistivitatea acestuia este mai mare și invers. Necalcularea sarcinii echipamentului utilizat poate duce la supraîncălzirea firului și la incendiu.
• Temperatura. Se știe că regimul de temperatură are o mare importanță asupra comportamentului substanțelor în diferite moduri. Metalul, ca nimic altceva, își schimbă proprietățile la diferite temperaturi. Rezistivitatea cuprului depinde direct de coeficientul de temperatură al rezistenței cuprului și crește atunci când este încălzit.
• Coroziune. Formarea coroziunii crește semnificativ sarcina. Acest lucru se întâmplă din cauza influențelor mediului, pătrunderii de umiditate, sare, murdărie etc. manifestări. Se recomandă izolarea și protejarea tuturor conexiunilor, bornelor, răsucirilor, instalarea protecției pentru echipamentele de exterior, înlocuirea în timp util a firelor deteriorate, ansamblurilor, ansamblurilor.

Calculul rezistenței

Calculele se fac la proiectarea obiectelor pentru diverse scopuri și utilizări, deoarece suportul vital al fiecăruia provine din electricitate. Totul este luat în considerare, de la corpuri de iluminat până la echipamente complexe din punct de vedere tehnic. La domiciliu, va fi de asemenea util să faceți un calcul, mai ales dacă este planificată înlocuirea cablajului. Pentru construcția de locuințe private, este necesar să se calculeze sarcina, altfel ansamblul „artizanal” al cablajului electric poate duce la un incendiu.

Scopul calculului este de a determina rezistența totală a conductoarelor tuturor dispozitivelor utilizate, ținând cont de parametrii tehnici ai acestora. Se calculează prin formula R=p*l/S , unde:

R este rezultatul calculat;

p este indicele de rezistivitate din tabel;

l este lungimea firului (conductorului);

S este diametrul secțiunii.

Unități

În sistemul internațional de unități de mărimi fizice (SI), rezistența electrică se măsoară în Ohmi (Ohm). Unitatea de măsură a rezistivității conform sistemului SI este egală cu o astfel de rezistivitate a unei substanțe la care un conductor format dintr-un material de 1 m lungime și o secțiune transversală de 1 mp. m. are o rezistenţă de 1 ohm. Utilizarea a 1 ohm / m cu privire la diferite metale este prezentată clar în tabel.

Semnificația rezistivității

Relația dintre rezistivitate și conductivitate poate fi privită ca reciproce. Cu cât indicele unui conductor este mai mare, cu atât este mai mic indicele celuilalt și invers. Prin urmare, la calcularea conductivității electrice, se utilizează calculul 1 / r, deoarece numărul reciproc cu X este 1 / X și invers. Indicatorul specific este notat cu litera g.

Beneficiile cuprului electrolitic

Rezistivitate scăzută (după argint) ca avantaj, cuprul nu este limitat. Are proprietăți unice în caracteristicile sale, și anume plasticitate, maleabilitate ridicată. Datorită acestor calități, cuprul electrolitic de înaltă puritate este produs pentru producția de cabluri care sunt utilizate în aparatele electrice, tehnologia computerelor, industria electrică și industria auto.

Dependența indicelui de rezistență de temperatură

Coeficientul de temperatură este o valoare care echivalează cu modificarea tensiunii unei părți a circuitului și a rezistivității metalului ca urmare a schimbărilor de temperatură. Majoritatea metalelor tind să crească rezistivitatea odată cu creșterea temperaturii din cauza vibrațiilor termice ale rețelei cristaline. Coeficientul de temperatură de rezistență al cuprului afectează rezistența specifică a firului de cupru și la temperaturi de la 0 la 100°C este 4,1 10−3(1/Kelvin). Pentru argint, acest indicator în aceleași condiții are o valoare de 3,8, iar pentru fier, 6,0. Acest lucru demonstrează încă o dată eficiența utilizării cuprului ca conductor.

Substanțele și materialele capabile să conducă curentul electric se numesc conductori. Restul sunt clasificate ca dielectrice. Dar nu există dielectrici puri, toți conduc și curentul, dar valoarea acestuia este foarte mică.

Dar conductorii conduc curentul diferit. Conform formulei lui George Ohm, curentul care circulă printr-un conductor este liniar proporțional cu mărimea tensiunii aplicate acestuia și invers proporțional cu o cantitate numită rezistență.

Unitatea de măsură a rezistenței a fost numită Ohm în onoarea omului de știință care a descoperit această relație. Dar s-a dovedit că conductorii din materiale diferite și care au aceleași dimensiuni geometrice au rezistență electrică diferită. Pentru a determina rezistența unui conductor de lungime și secțiune transversală cunoscute, a fost introdus conceptul de rezistivitate - un coeficient care depinde de material.

Ca urmare, rezistența unui conductor de lungime și secțiune transversală cunoscute va fi egală cu

Rezistivitatea se aplică nu numai materialelor solide, ci și lichidelor. Dar valoarea sa depinde și de impuritățile sau alte componente din materialul sursă. Apa pura nu conduce electricitatea, fiind dielectrica. Dar în natură nu există apă distilată, conține întotdeauna săruri, bacterii și alte impurități. Acest cocktail este un conductor de curent electric cu rezistență specifică.

Prin introducerea diverșilor aditivi în metale se obțin materiale noi - aliaje, a cărei rezistivitate diferă de cea a materialului original, chiar dacă adaosul procentual la acesta este nesemnificativ.

Rezistivitate față de temperatură

Rezistențele specifice ale materialelor sunt date în cărțile de referință pentru temperaturi apropiate de temperatura camerei (20 °C). Pe măsură ce temperatura crește, rezistența materialului crește. De ce se întâmplă asta?

Curentul electric din interiorul materialului este condus electroni liberi. Sub acțiunea unui câmp electric, ei se desprind de atomii lor și se deplasează între ei în direcția dată de acest câmp. Atomii unei substanțe formează o rețea cristalină, între nodurile căreia se mișcă un flux de electroni, numit și „gazul de electroni”. Sub acțiunea temperaturii, nodurile rețelei (atomii) oscilează. De asemenea, electronii înșiși nu se mișcă în linie dreaptă, ci pe o cale complicată. În același timp, ele se ciocnesc adesea de atomi, schimbând traiectoria mișcării. În unele momente, electronii se pot deplasa în direcția opusă direcției curentului electric.

Pe măsură ce temperatura crește, amplitudinea vibrațiilor atomice crește. Ciocnirea electronilor cu ei are loc mai des, mișcarea fluxului de electroni încetinește. Din punct de vedere fizic, aceasta este exprimată printr-o creștere a rezistivității.

Un exemplu de utilizare a dependenței rezistivității de temperatură este funcționarea unei lămpi cu incandescență. Filamentul de wolfram, din care este realizat filamentul, are o rezistivitate scăzută în momentul pornirii. Creșterea curentului în momentul pornirii îl încălzește rapid, rezistivitatea crește, iar curentul scade, devenind nominal.

Același proces are loc cu elementele de încălzire cu nicrom. Prin urmare, este imposibil să se calculeze modul lor de funcționare prin determinarea lungimii unui fir de nicrom cu o secțiune transversală cunoscută pentru a crea rezistența necesară. Pentru calcule, aveți nevoie de rezistența specifică a firului încălzit, iar cărțile de referință dau valori pentru temperatura camerei. Prin urmare, lungimea finală a helixului de nicrom este ajustată experimental. Calculele determină lungimea aproximativă, iar la montare, filetul este scurtat treptat secțiune cu secțiune.

Coeficient de rezistență la temperatură

Dar nu în toate dispozitivele, dependența rezistivității conductorilor de temperatură este benefică. În tehnologia de măsurare, o modificare a rezistenței elementelor circuitului duce la o eroare.

Pentru a determina cantitativ dependența rezistenței unui material de temperatură, se introduce conceptul coeficient de rezistență la temperatură (TCR). Acesta arată cât de mult se modifică rezistența unui material atunci când temperatura se schimbă cu 1°C.

Pentru fabricarea componentelor electronice - rezistențe utilizate în circuitele echipamentelor de măsură, se folosesc materiale cu un TCR scăzut. Sunt mai scumpe, dar parametrii dispozitivului nu se modifică într-o gamă largă de temperaturi ambientale.

Dar sunt utilizate și proprietățile materialelor cu TCR ridicat. Funcționarea unor senzori de temperatură se bazează pe o modificare a rezistenței materialului din care este realizat elementul de măsurare. Pentru a face acest lucru, trebuie să mențineți o tensiune de alimentare stabilă și să măsurați curentul care trece prin element. Prin calibrarea scalei aparatului care masoara curentul, dupa un termometru de referinta, se obtine un termometru electronic. Acest principiu este folosit nu numai pentru măsurători, ci și pentru senzorii de supraîncălzire. Deconectarea dispozitivului în cazul unor moduri de funcționare anormale, ducând la supraîncălzirea înfășurărilor transformatoarelor sau a elementelor semiconductoare de putere.

Folosit în inginerie electrică și elemente care își schimbă rezistența nu din temperatura ambiantă, ci din curentul prin ele - termistori. Un exemplu de utilizare a acestora sunt sistemele de demagnetizare a tuburilor catodice ale televizoarelor și monitoarelor. Când se aplică tensiune, rezistența rezistorului este minimă, curentul prin acesta trece în bobina de demagnetizare. Dar același curent încălzește materialul termistorului. Rezistența sa crește, scăzând curentul și tensiunea pe bobină. Și așa - până la dispariția sa completă. Ca urmare, bobinei i se aplică o tensiune sinusoidală cu o amplitudine care descrește ușor, creând același câmp magnetic în spațiul său. Rezultatul este că, în momentul în care filamentul tubului este încălzit, acesta este deja demagnetizat. Și circuitul de control rămâne în starea blocată până când dispozitivul este oprit. Apoi termistorii se vor răci și vor fi gata să funcționeze din nou.

Fenomenul de supraconductivitate

Ce se întâmplă dacă temperatura materialului este redusă? Rezistivitatea va scădea. Există o limită la care scade temperatura, numită zero absolut. Aceasta este - 273°C. Sub această limită de temperatură nu se întâmplă. La această valoare, rezistivitatea oricărui conductor este zero.

La zero absolut, atomii rețelei cristaline încetează să vibreze. Ca rezultat, norul de electroni se deplasează între nodurile rețelei fără a se ciocni de ele. Rezistența materialului devine egală cu zero, ceea ce deschide posibilitatea obținerii de curenți infinit de mari în conductori de secțiuni transversale mici.

Fenomenul de supraconductivitate deschide noi orizonturi pentru dezvoltarea ingineriei electrice. Dar există încă dificultăți asociate cu obținerea acasă a temperaturilor ultra-scăzute necesare pentru a crea acest efect. Când problemele vor fi rezolvate, ingineria electrică va trece la un nou nivel de dezvoltare.

Exemple de utilizare a valorilor de rezistivitate în calcule

Ne-am familiarizat deja cu principiile de calcul a lungimii firului de nicrom pentru fabricarea unui element de încălzire. Dar există și alte situații în care este nevoie de cunoașterea rezistivității materialelor.

Pentru calcul circuitele dispozitivului de împământare se folosesc coeficienţi corespunzători solurilor tipice. Dacă tipul de sol la locul buclei de pământ este necunoscut, atunci pentru calcule corecte, rezistivitatea acestuia este măsurată preliminar. Deci rezultatele calculului sunt mai precise, ceea ce elimină ajustarea parametrilor circuitului în timpul fabricării: adăugarea numărului de electrozi, ducând la creșterea dimensiunilor geometrice ale dispozitivului de împământare.

Rezistența specifică a materialelor din care sunt realizate liniile de cablu și barele colectoare este utilizată pentru a calcula rezistența lor activă. În viitor, la curentul nominal de sarcină cu acesta se calculează valoarea tensiunii la capătul liniei. Dacă valoarea sa se dovedește a fi insuficientă, atunci secțiunile transversale ale conductorilor sunt mărite în avans.

Conceptul de rezistență și conductivitate electrică

Orice corp prin care trece un curent electric are o anumită rezistență la acesta. Proprietatea unui material conductor de a împiedica trecerea curentului electric prin el se numește rezistență electrică.

Teoria electronică explică în acest fel esența rezistenței electrice a conductorilor metalici. Când se deplasează de-a lungul unui conductor, electronii liberi întâlnesc atomi și alți electroni de nenumărate ori pe drum și, interacționând cu ei, își pierd inevitabil o parte din energia lor. Electronii experimentează, parcă, rezistență la mișcarea lor. Diferiții conductori metalici cu structură atomică diferită au rezistență diferită la curentul electric.

Exact același lucru explică rezistența conductoarelor lichide și a gazelor la trecerea curentului electric. Cu toate acestea, nu trebuie uitat că în aceste substanțe, nu electronii, ci particulele încărcate de molecule întâlnesc rezistență în timpul mișcării lor.

Rezistența este indicată prin literele latine R sau r.

Ohmul este considerat unitatea de măsură a rezistenței electrice.

Ohm este rezistența unei coloane de mercur de 106,3 cm înălțime cu o secțiune transversală de 1 mm2 la o temperatură de 0 ° C.

Dacă, de exemplu, rezistența electrică a conductorului este de 4 ohmi, atunci se scrie după cum urmează: R \u003d 4 ohmi sau r \u003d 4 ohmi.

Pentru a măsura rezistența unei valori mari, se adoptă o unitate numită megaohm.

Un mega este egal cu un milion de ohmi.

Cu cât rezistența conductorului este mai mare, cu atât conduce mai rău curentul electric și, invers, cu cât rezistența conductorului este mai mică, cu atât trece mai ușor curentul electric prin acest conductor.

Prin urmare, pentru a caracteriza conductorul (în ceea ce privește trecerea curentului electric prin el), se poate lua în considerare nu numai rezistența acestuia, ci și reciproca rezistenței și se numește conductivitate.

conductivitate electrică Capacitatea unui material de a trece un curent electric prin el însuși se numește.

Deoarece conductivitatea este reciproca rezistenței, este exprimată ca 1 / R, conductivitatea este notată cu litera latină g.

Influența materialului conductor, dimensiunile acestuia și temperatura ambiantă asupra valorii rezistenței electrice

Rezistența diverșilor conductori depinde de materialul din care sunt fabricați. Pentru a caracteriza rezistența electrică a diferitelor materiale, a fost introdus conceptul de așa-numită rezistivitate.

Rezistivitate este rezistența unui conductor de 1 m lungime și cu aria secțiunii transversale de 1 mm2. Rezistivitatea este indicată de litera greacă p. Fiecare material din care este realizat conductorul are propria sa rezistivitate.

De exemplu, rezistivitatea cuprului este de 0,017, adică un conductor de cupru de 1 m lungime și 1 mm2 în secțiune transversală are o rezistență de 0,017 ohmi. Rezistivitatea aluminiului este 0,03, rezistivitatea fierului este 0,12, rezistivitatea constantanului este 0,48, rezistivitatea nicromului este 1-1,1.

Rezistența unui conductor este direct proporțională cu lungimea sa, adică cu cât conductorul este mai lung, cu atât rezistența lui electrică este mai mare.

Rezistența unui conductor este invers proporțională cu aria secțiunii sale transversale, adică cu cât conductorul este mai gros, cu atât rezistența lui este mai mică și, invers, cu cât conductorul este mai subțire, cu atât rezistența sa este mai mare.

Pentru a înțelege mai bine această relație, imaginați-vă două perechi de vase comunicante, o pereche de vase având un tub de legătură subțire, iar cealaltă având unul gros. Este clar că atunci când unul dintre vase (fiecare pereche) este umplut cu apă, trecerea lui într-un alt vas printr-un tub gros se va produce mult mai rapid decât printr-un tub subțire, adică un tub gros va oferi mai puțină rezistență la curgerea apă. La fel, un curent electric este mai ușor să treacă printr-un conductor gros decât printr-un conductor subțire, adică primul îi oferă mai puțină rezistență decât al doilea.

Rezistența electrică a unui conductor este egală cu rezistența specifică a materialului din care este realizat acest conductor, înmulțită cu lungimea conductorului și împărțită la aria ariei secțiunii transversale a conductorului.:

R = R l / S,

Unde - R - rezistența conductorului, ohm, l - lungimea conductorului în m, S - aria secțiunii transversale a conductorului, mm 2.

Aria secțiunii transversale a unui conductor rotund calculat prin formula:

S = π d 2 / 4

Unde π - valoare constantă egală cu 3,14; d este diametrul conductorului.

Și astfel se determină lungimea conductorului:

l = S R / p ,

Această formulă face posibilă determinarea lungimii conductorului, a secțiunii transversale a acestuia și a rezistivității, dacă sunt cunoscute celelalte mărimi incluse în formulă.

Dacă este necesar să se determine aria secțiunii transversale a conductorului, atunci formula se reduce la următoarea formă:

S = Rl/R

Transformând aceeași formulă și rezolvând egalitatea față de p, găsim rezistivitatea conductorului:

R = R S/l

Ultima formulă trebuie utilizată în cazurile în care rezistența și dimensiunile conductorului sunt cunoscute, iar materialul acestuia este necunoscut și, în plus, greu de determinat după aspect. Pentru a face acest lucru, este necesar să se determine rezistivitatea conductorului și, folosind tabelul, să se găsească un material care are o astfel de rezistivitate.

Un alt motiv care afectează rezistența conductorilor este temperatura.

S-a stabilit că odată cu creșterea temperaturii, rezistența conductorilor metalici crește și scade odată cu scăderea. Această creștere sau scădere a rezistenței pentru conductorii de metal pur este aproape aceeași și este în medie de 0,4% la 1°C. Rezistența conductoarelor lichide și a cărbunelui scade odată cu creșterea temperaturii.

Teoria electronică a structurii materiei oferă următoarea explicație pentru creșterea rezistenței conductoarelor metalice odată cu creșterea temperaturii. Când este încălzit, conductorul primește energie termică, care este inevitabil transferată tuturor atomilor substanței, în urma căreia intensitatea mișcării lor crește. Mișcarea crescută a atomilor creează mai multă rezistență la mișcarea dirijată a electronilor liberi, motiv pentru care rezistența conductorului crește. Odată cu scăderea temperaturii, se creează condiții mai bune pentru mișcarea dirijată a electronilor, iar rezistența conductorului scade. Aceasta explică un fenomen interesant - supraconductivitatea metalelor.

Supraconductivitate, adică o scădere a rezistenței metalelor la zero, are loc la o temperatură negativă uriașă - 273 ° C, numită zero absolut. La o temperatură de zero absolut, atomii de metal par să înghețe pe loc, fără a împiedica deloc mișcarea electronilor.