Specifični električni otpor, ili jednostavno otpornost supstance - fizička količina karakterizira sposobnost tvari da spriječi prolaz električne struje.
Otpornost se označava grčkim slovom ρ. Recipročna vrijednost otpora naziva se specifična provodljivost (električna provodljivost). Za razliku od električnog otpora, koji je svojstvo vodiča i ovisi o njegovom materijalu, obliku i veličini, električna otpornost je svojstvo samo tvari.
Električni otpor homogeni provodnik otpornosti ρ, dužine l i površine presjek S se može izračunati pomoću formule (pod pretpostavkom da se ni površina ni oblik poprečnog presjeka ne mijenjaju duž provodnika). Prema tome, za ρ imamo
Iz posljednje formule slijedi: fizičko značenje Otpornost tvari je da ona predstavlja otpor homogenog vodiča jedinične dužine i jedinične površine poprečnog presjeka napravljenog od ove tvari.
Jedinica otpornosti u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) je Ohm m.
Iz odnosa proizilazi da je jedinica mjere otpornosti u SI sistemu jednaka otpornosti tvari pri kojoj homogeni provodnik dužine 1 m površine poprečnog presjeka 1 m², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak 1 Ohm. Prema tome, otpor proizvoljne tvari, izražen u SI jedinicama, brojčano je jednak otporu dijela električnog kruga napravljenog od date tvari dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 m².
U tehnologiji se također koristi zastarjela nesistemska jedinica Ohm mm²/m, jednaka 10 −6 od 1 Ohm m. Ova jedinica jednaka je otporu tvari pri kojoj homogeni vodič dužine 1 m s površinom poprečnog presjeka od 1 mm², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak 1 Ohm. Prema tome, otpornost bilo koje tvari, izražena u ovim jedinicama, numerički je jednaka otporu presjeka električni krug, napravljen od ove supstance, dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm².
Elektromotorna sila (EMS) je skalarna fizička veličina koja karakterizira rad vanjskih sila, odnosno bilo koje sile neelektričnog porijekla koje djeluju u kvazistacionarnim krugovima konstantnih ili naizmjenična struja. U zatvorenom provodnom kolu, EMF je jednak radu ovih sila za pomicanje jednog pozitivnog naboja duž cijelog kruga.
Po analogiji sa tenzijom električno polje uvesti koncept napetosti vanjskih sila, koji se podrazumijeva kao vektorska fizička veličina, jednak omjeru vanjska sila koja djeluje na test električni naboj, na veličinu ovog naboja. Tada će u zatvorenoj petlji EMF biti jednak:
gdje je element konture.
EMF se, kao i napon, mjeri u voltima u Međunarodnom sistemu jedinica (SI). Možemo govoriti o elektromotornoj sili na bilo kojem dijelu kola. To je specifičan rad vanjskih sila ne u cijelom krugu, već samo u datom području. EMF galvanske ćelije je rad vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja unutar elementa s jednog pola na drugi. Rad vanjskih sila ne može se izraziti kroz razliku potencijala, jer su vanjske sile nepotencijalne i njihov rad ovisi o obliku putanje. Dakle, na primjer, rad vanjskih sila pri pomicanju naboja između terminala struje izvan sebe? izvor je nula.
Stoga je važno znati parametre svih elemenata i materijala koji se koriste. I ne samo električni, već i mehanički. I imajte na raspolaganju neke zgodne referentni materijali, što vam omogućava da uporedite karakteristike različitih materijala i odaberete za dizajn i rad upravo ono što će biti optimalno konkretnu situaciju.
U energetskim dalekovodima, gdje se zadatak postavlja najproduktivnije, tj visoka efikasnost, da bi se energija dovela do potrošača, uzimaju se u obzir i ekonomika gubitaka i mehanika samih vodova. Konačna ekonomska efikasnost vodova zavisi od mehanike - odnosno uređaja i rasporeda provodnika, izolatora, nosača, step-up/step-down transformatora, težine i čvrstoće svih konstrukcija, uključujući žice razvučene na velike udaljenosti, kao i materijali odabrani za svaki element konstrukcije, njegov rad i operativni troškovi. Osim toga, kod vodova koji prenose električnu energiju postoje veći zahtjevi za osiguranje sigurnosti kako samih vodova tako i svega oko njih gdje prolaze. A to dodaje troškove kako za obezbjeđivanje električnih instalacija tako i za dodatnu marginu sigurnosti svih konstrukcija.
Radi poređenja, podaci se obično svode na jednu, uporedivu formu. Često se takvim karakteristikama dodaje epitet "specifičan", a same vrijednosti se smatraju na osnovu određenih standarda ujedinjenih fizičkim parametrima. Na primjer, električna otpornost je otpor (om) vodiča napravljenog od nekog metala (bakar, aluminij, čelik, volfram, zlato) koji ima jediničnu dužinu i jedinični poprečni presjek u sistemu mjernih jedinica koje se koriste (obično SI ). Osim toga, navedena je temperatura, jer kada se zagriju, otpor vodiča može se ponašati drugačije. Kao osnova uzimaju se normalni prosječni radni uvjeti - na 20 stepeni Celzijusa. A tamo gdje su svojstva važna kada se mijenjaju parametri okoline (temperatura, pritisak), uvode se koeficijenti i sastavljaju dodatne tabele i grafovi zavisnosti.
Vrste otpornosti
Pošto se otpor dešava:
- aktivni - ili omski, otporni - koji nastaje kao rezultat utroška električne energije na zagrijavanje vodiča (metala) kada električna struja prolazi kroz njega, i
- reaktivni - kapacitivni ili induktivni - koji nastaju zbog neizbježnih gubitaka zbog stvaranja bilo kakve promjene struje koja prolazi kroz provodnik električnih polja, tada otpor provodnika dolazi u dvije varijante:
- Specifični električni otpor na istosmjernu struju (otporne prirode) i
- Specifični električni otpor naizmjenične struje (reaktivne prirode).
Ovdje je otpornost tipa 2 složena vrijednost, sastoji se od dvije TC komponente - aktivne i reaktivne, budući da otpornost uvijek postoji kada struja prođe, bez obzira na njenu prirodu, a reaktivni otpor se javlja samo sa bilo kojom promjenom struje u krugovima. U lancima jednosmerna struja reaktancija se javlja samo tokom prelaznih procesa koji su povezani sa uključivanjem struje (promena struje od 0 do nominalne) ili gašenjem (razlika od nominalne do 0). I obično se uzimaju u obzir samo pri projektovanju zaštite od preopterećenja.
U krugovima naizmjenične struje, pojave povezane s reaktancijom su mnogo raznovrsnije. One zavise ne samo od stvarnog prolaska struje kroz određeni poprečni presjek, već i od oblika vodiča, a ovisnost nije linearna.
Činjenica je da naizmjenična struja inducira električno polje kako oko provodnika kroz koji teče, tako i u samom provodniku. I iz ovog polja nastaju vrtložne struje koje daju efekat „guranja“ stvarnog glavnog kretanja naelektrisanja, iz dubine čitavog poprečnog preseka provodnika na njegovu površinu, tzv. „efekat kože“ (od koža - koža). Ispostavilo se da vrtložne struje kao da "kradu" njegov poprečni presjek od vodiča. Struja teče u određenom sloju blizu površine, preostala debljina vodiča ostaje neiskorištena, ne smanjuje njegov otpor i jednostavno nema smisla povećavati debljinu vodiča. Posebno na visokim frekvencijama. Stoga se za naizmjeničnu struju otpor mjeri u takvim presjecima vodiča gdje se cijeli njegov presjek može smatrati blizu površine. Takva žica se naziva tanka, njena debljina je jednaka dvostrukoj dubini ovog površinskog sloja, gdje vrtložne struje istiskuju korisnu glavnu struju koja teče u vodiču.
Naravno, smanjenje debljine žica okruglog presjeka nije ograničeno na efektivna implementacija naizmjenična struja. Provodnik se može istanjiti, ali istovremeno učiniti ravnim u obliku trake, tada će poprečni presjek biti veći od okrugle žice, a samim tim i otpor će biti manji. Osim toga, jednostavno povećanje površine imat će učinak povećanja efektivnog poprečnog presjeka. Isto se može postići upotrebom nasukana žica umesto jednojezgrenog, štaviše, višejezgarni je superiorniji u fleksibilnosti u odnosu na single-core, što je često takođe vredno. S druge strane, uzimajući u obzir skin efekat u žicama, moguće je žice napraviti kompozitnim izradom jezgra od metala koji ima dobre karakteristike čvrstoće, na primjer čelik, ali niske električne karakteristike. U ovom slučaju se preko čelika izrađuje aluminijska pletenica, koja ima manji otpor.
Osim skin efekta, na tok naizmjenične struje u provodnicima utiče i pobuda vrtložnih struja u okolnim provodnicima. Takve struje se nazivaju indukcijske struje, a induciraju se kako u metalima koji ne igraju ulogu ožičenja (nosivi strukturni elementi), tako i u žicama cijelog vodljivog kompleksa - igrajući ulogu žica drugih faza, neutralnih , uzemljenje.
Svi ovi fenomeni se javljaju u svim električnim strukturama, što čini još važnijim imati sveobuhvatnu referencu za širok spektar materijala.
Otpor provodnika se mjeri vrlo osjetljivim i preciznim instrumentima, jer se za ožičenje biraju metali sa najmanjim otporom - reda veličine oma * 10 -6 po metru dužine i kvadratnom metru. mm. sekcije. Da biste izmjerili otpornost izolacije, potrebni su vam instrumenti, naprotiv, koji imaju raspon vrlo velikih vrijednosti otpora - obično megohma. Jasno je da provodnici moraju dobro provoditi, a izolatori moraju dobro izolirati.
Table
| Tabela otpornosti provodnika (metala i legura) |
||||
| Materijal provodnika | Sastav (za legure) | Otpornost ρ mΩ × mm 2/m |
||
| bakar, cink, kalaj, nikl, olovo, mangan, gvožđe itd. | ||||
| Aluminijum | ||||
| Tungsten | ||||
| molibden | ||||
| bakar, kalaj, aluminijum, silicijum, berilijum, olovo, itd. (osim cinka) | ||||
| gvožđe, ugljenik | ||||
| bakar, nikl, cink | ||||
| Manganin | bakar, nikl, mangan | |||
| Constantan | bakar, nikl, aluminijum | |||
| nikl, hrom, gvožđe, mangan | ||||
| gvožđe, hrom, aluminijum, silicijum, mangan | ||||
Gvožđe kao provodnik u elektrotehnici
Gvožđe je najčešći metal u prirodi i tehnologiji (posle vodonika, koji je takođe metal). Najjeftiniji je i ima odlične karakteristike čvrstoće, pa se svuda koristi kao osnova za snagu. razni dizajni.
U elektrotehnici se željezo koristi kao provodnik u obliku fleksibilnih čeličnih žica gdje je potrebna fizička čvrstoća i fleksibilnost, a odgovarajućim poprečnim presjekom može se postići potreban otpor.
Imati tablicu otpornosti razni metali i legure, možete izračunati poprečne presjeke žica napravljenih od različitih vodiča.
Kao primjer, pokušajmo pronaći električni ekvivalentni poprečni presjek vodiča izrađenih od različitih materijala: bakrene, volframove, nikalne i željezne žice. Uzmimo aluminijsku žicu poprečnog presjeka 2,5 mm kao početnu.
Trebamo da na dužini od 1 m otpor žice napravljene od svih ovih metala bude jednak otporu originalne. Otpor aluminijuma po 1 m dužine i preseku 2,5 mm biće jednak
Gdje R- otpor, ρ – otpornost metala iz tabele, S- površina poprečnog presjeka, L- dužina.
Zamjenom originalnih vrijednosti, dobivamo otpor metar dugog komada aluminijske žice u omima.
Nakon ovoga, riješimo formulu za S
Zamijenit ćemo vrijednosti iz tabele i dobiti površine poprečnog presjeka za različite metale.
Pošto se otpor u tabeli mjeri na žici dužine 1 m, u mikroomima po presjeku od 1 mm 2, onda smo ga dobili u mikroomima. Da biste ga dobili u omima, trebate pomnožiti vrijednost sa 10 -6. Ali ne moramo nužno dobiti broj ohma sa 6 nula nakon decimalnog zareza, jer još uvijek nalazimo konačni rezultat u mm2.
Kao što vidite, otpor gvožđa je prilično visok, žica je debela.
Ali postoje materijali za koje je još veći, na primjer, nikal ili konstantan.
Električna otpornost, ili jednostavno otpornost tvar - fizička veličina koja karakterizira sposobnost tvari da spriječi prolaz električne struje.
Otpornost se označava grčkim slovom ρ. Recipročna vrijednost otpora naziva se specifična provodljivost (električna provodljivost). Za razliku od električnog otpora, koji je svojstvo kondukter a ovisno o njegovom materijalu, obliku i veličini, električna otpornost je samo svojstvo supstance.
Električni otpor homogenog vodiča otpornosti ρ, dužina l i površinu poprečnog presjeka S može se izračunati pomoću formule R = ρ ⋅ l S (\displaystyle R=(\frac (\rho \cdot l)(S)))(pretpostavlja se da se ni površina ni oblik poprečnog presjeka ne mijenjaju duž provodnika). Prema tome, za ρ imamo ρ = R ⋅ S l . (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l)).)
Iz posljednje formule slijedi: fizičko značenje otpornosti tvari je da ona predstavlja otpor homogenog provodnika jedinične dužine i jedinične površine poprečnog presjeka napravljenog od ove tvari.
Enciklopedijski YouTube
-
1 / 5
Jedinica otpora u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) je Ohm · . Iz odnosa ρ = R ⋅ S l (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l))) Iz toga proizilazi da je jedinica mjere otpornosti u SI sistemu jednaka otpornosti tvari pri kojoj homogeni provodnik dužine 1 m sa površinom poprečnog presjeka od 1 m², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak do 1 Ohm. Prema tome, otpor proizvoljne tvari, izražen u SI jedinicama, brojčano je jednak otporu dijela električnog kruga napravljenog od date tvari dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 m².
U tehnologiji se također koristi zastarjela nesistemska jedinica Ohm mm²/m, jednaka 10 −6 od 1 Ohm m. Ova jedinica jednaka je otporu tvari pri kojoj homogeni vodič dužine 1 m s površinom poprečnog presjeka od 1 mm², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak 1 Ohm. Prema tome, otpornost tvari, izražena u ovim jedinicama, brojčano je jednaka otporu dijela električnog kruga napravljenog od ove tvari, dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm².
Generalizacija koncepta otpornosti
Otpornost se također može odrediti za neujednačen materijal čija svojstva variraju od tačke do tačke. U ovom slučaju to nije konstanta, već skalarna funkcija koordinata - koeficijent koji povezuje jačinu električnog polja E → (r →) (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))) i gustina struje J → (r →) (\displaystyle (\vec (J))((\vec (r)))) na ovom mjestu r → (\displaystyle (\vec (r))). Ovaj odnos je izražen Omovim zakonom u diferencijalnom obliku:
E → (r →) = ρ (r →) J → (r →) . (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))=\rho ((\vec (r)))(\vec (J))((\vec (r))).)Ova formula vrijedi za heterogenu, ali izotropnu supstancu. Supstanca može biti i anizotropna (većina kristala, magnetizirana plazma, itd.), odnosno njena svojstva mogu ovisiti o smjeru. U ovom slučaju, otpornost je koordinatno ovisan tenzor drugog ranga, koji sadrži devet komponenti. U anizotropnoj tvari, vektori gustoće struje i jakosti električnog polja u svakoj datoj tački supstance nisu kousmjereni; veza između njih izražena je relacijom
E i (r →) = ∑ j = 1 3 ρ i j (r →) J j (r →) . (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))=\suma _(j=1)^(3)\rho _(ij)((\vec (r)))J_(j)(( \vec (r))).)U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) ne zavisi od koordinata.
Tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) simetrično, odnosno za bilo koje i (\displaystyle i) I j (\displaystyle j) izvedeno ρ i j = ρ j i (\displaystyle \rho _(ij)=\rho _(ji)).
Kao i za bilo koji simetrični tenzor, za ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) možete odabrati ortogonalni sistem kartezijanskih koordinata u kojem je matrica ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) postaje dijagonala, odnosno poprima oblik u kojem od devet komponenti ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) Samo tri nisu nula: ρ 11 (\displaystyle \rho _(11)), ρ 22 (\displaystyle \rho _(22)) I ρ 33 (\displaystyle \rho _(33)). U ovom slučaju, označavanje ρ i i (\displaystyle \rho _(ii)) kako umjesto prethodne formule dobijamo jednostavniju
E i = ρ i J i . (\displaystyle E_(i)=\rho _(i)J_(i).)Količine ρ i (\displaystyle \rho _(i)) pozvao glavne vrednosti tenzor otpornosti.
Odnos prema provodljivosti
U izotropnim materijalima, odnos između otpornosti ρ (\displaystyle \rho ) i specifična provodljivost σ (\displaystyle \sigma ) izraženo jednakošću
ρ = 1 σ. (\displaystyle \rho =(\frac (1)(\sigma)).)U slučaju anizotropnih materijala, odnos između komponenti tenzora otpornosti ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) a tenzor provodljivosti je složeniji. Zaista, Ohmov zakon u diferencijalnom obliku za anizotropne materijale ima oblik:
J i (r →) = ∑ j = 1 3 σ i j (r →) E j (r →) . (\displaystyle J_(i)((\vec (r)))=\suma _(j=1)^(3)\sigma _(ij)((\vec (r)))E_(j)(( \vec (r))).)Iz ove jednakosti i prethodno date relacije za E i (r →) (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))) slijedi da je tenzor otpornosti inverzan tenzoru provodljivosti. Uzimajući ovo u obzir, za komponente tenzora otpornosti vrijedi sljedeće:
ρ 11 = 1 det (σ) [ σ 22 σ 33 − σ 23 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(11)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 22)\sigma _(33)-\sigma _(23)\sigma _(32)],) ρ 12 = 1 det (σ) [ σ 33 σ 12 − σ 13 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(12)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 33)\sigma _(12)-\sigma _(13)\sigma _(32)],)Gdje det (σ) (\displaystyle \det(\sigma)) je determinanta matrice sastavljene od tenzorskih komponenti σ i j (\displaystyle \sigma _(ij)). Preostale komponente tenzora otpornosti su dobijene iz gornjih jednadžbi kao rezultat cikličkog preuređivanja indeksa 1 , 2 I 3 .
Električna otpornost nekih tvari
Metalni monokristali
U tabeli su prikazane glavne vrijednosti tenzora otpornosti monokristala na temperaturi od 20 °C.
Crystal ρ 1 =ρ 2, 10 −8 Ohm m ρ 3, 10 −8 Ohm m Tin 9,9 14,3 Bizmut 109 138 Kadmijum 6,8 8,3 Cink 5,91 6,13 - provodnici;
- dielektrici (sa izolacijskim svojstvima);
- poluprovodnici.
Elektroni i struja
Savremeni koncept električne struje zasniva se na pretpostavci da se ona sastoji od materijalnih čestica - naelektrisanja. Ali različite fizičke i hemijski eksperimenti daju osnovu za tvrdnju da ovi nosioci naboja mogu biti razne vrste u istom provodniku. I ova heterogenost čestica utiče na gustinu struje. Za proračune koji se odnose na parametre električne struje koriste se određene fizičke veličine. Među njima važno mjesto zauzimaju provodljivost zajedno sa otporom.
- Provodljivost je povezana sa međusobnim otporom inverzni odnos.
Poznato je da kada postoji određeni napon primijenjen na električno kolo, a struja, čija je vrijednost povezana sa vodljivošću ovog kola. Ovo fundamentalno otkriće svojevremeno je napravio njemački fizičar Georg Ohm. Od tada je u upotrebi zakon koji se zove Ohmov zakon. Postoji za različite opcije lancima. Stoga se formule za njih mogu razlikovati jedna od druge, jer odgovaraju potpuno različitim uvjetima.
Svako električno kolo ima provodnik. Ako se u njemu nalazi jedna vrsta čestice nosioca naboja, struja u vodiču je slična protoku tekućine, koja ima određenu gustoću. Određuje se sljedećom formulom:
Većina metala odgovara istoj vrsti nabijenih čestica, zahvaljujući kojima postoji električna struja. Za metale, specifična električna provodljivost se izračunava pomoću sljedeće formule:
Budući da se provodljivost može izračunati, određivanje električne otpornosti je sada jednostavno. Gore je već spomenuto da je otpor provodnika recipročna provodljivost. dakle,
U ovoj formuli, slovo grčke abecede ρ (rho) se koristi za predstavljanje električne otpornosti. Ova oznaka se najčešće koristi u tehničkoj literaturi. Međutim, možete pronaći i malo drugačije formule koje se koriste za izračunavanje otpornosti vodiča. Ako koristimo za proračune klasična teorija metala i elektronske provodljivosti u njima, otpornost se izračunava pomoću sljedeće formule:
Međutim, postoji jedno „ali“. Na stanje atoma u metalnom provodniku utječe trajanje procesa ionizacije, koji se provodi električnim poljem. Sa jednim ionizirajućim djelovanjem na provodnik, atomi u njemu će dobiti jednu ionizaciju, što će stvoriti ravnotežu između koncentracije atoma i slobodnih elektrona. I vrijednosti ovih koncentracija će biti jednake. U ovom slučaju se javljaju sljedeće zavisnosti i formule:
Odstupanja provodljivosti i otpora
Zatim ćemo razmotriti od čega zavisi specifična provodljivost, koja je obrnuto povezana sa otpornošću. Otpornost supstance je prilično apstraktna fizička veličina. Svaki provodnik postoji u obliku specifičnog uzorka. Karakterizira ga prisustvo raznih nečistoća i nedostataka u unutrašnjoj strukturi. Oni se uzimaju u obzir kao zasebni termini izraza koji određuje otpornost u skladu sa Matthiessenovim pravilom. Ovo pravilo također uzima u obzir raspršivanje pokretnog toka elektrona na čvorovima koji fluktuiraju ovisno o temperaturi kristalna rešetka uzorak.
Prisutnost unutrašnjih defekata, kao što su inkluzije raznih nečistoća i mikroskopske šupljine, također povećava otpornost. Da bi se odredila količina nečistoća u uzorcima, otpornost materijala se mjeri za dvije temperature materijala uzorka. Jedna temperaturna vrijednost je sobna temperatura, a druga odgovara tekućem heliju. U odnosu na rezultat mjerenja na sobnoj temperaturi na rezultat na temperaturi tekućeg helijuma dobija se koeficijent koji ilustruje strukturno savršenstvo materijala i njegovu hemijsku čistoću. Koeficijent je označen slovom β.
Ako se legura metala sa strukturom čvrstog rastvora koja je neuređena smatra provodnikom električne struje, vrednost zaostalog otpora može biti znatno veća od otpornosti. Ovo svojstvo metalnih legura od dvije komponente koje se ne odnose na elemente retkih zemalja, kao i na prelazne elemente, obuhvaćeno je posebnim zakonom. Zove se Nordheimov zakon.
Moderne tehnologije u elektronici sve se više kreću ka minijaturizaciji. I to toliko da će se uskoro umjesto mikrokolo pojaviti riječ "nanokolo". Provodnici u takvim uređajima su toliko tanki da bi bilo ispravno nazvati ih metalnim filmovima. Sasvim je jasno da će se uzorak filma po svojoj otpornosti u većoj mjeri razlikovati od većeg vodiča. Mala debljina metala u filmu dovodi do pojave poluvodičkih svojstava u njemu.
Proporcionalnost između debljine metala i slobodnog puta elektrona u ovom materijalu počinje da se pojavljuje. Ostalo je malo prostora za kretanje elektrona. Stoga počinju uredno ometati jedni druge u kretanju, što dovodi do povećanja otpora. Za metalne filmove, otpornost se izračunava pomoću posebne formule dobivene na temelju eksperimenata. Formula je dobila ime po Fuchsu, naučniku koji je proučavao otpornost filmova.
Filmovi su veoma specifične formacije, koje je teško ponoviti tako da su svojstva nekoliko uzoraka ista. Za prihvatljivu točnost u ocjenjivanju filmova koristi se poseban parametar - specifična površinska otpornost.
Otpornici se formiraju od metalnih filmova na podlozi mikrokola. Iz tog razloga, proračuni otpornosti su vrlo tražen zadatak u mikroelektronici. Na vrijednost otpornosti očito utiče temperatura i povezana je s njom direktnom proporcionalnošću. Za većinu metala ova zavisnost ima neki linearni dio u određenom temperaturni raspon. U ovom slučaju, otpornost se određuje formulom:
U metalima se električna struja javlja zbog velikog broja slobodnih elektrona čija je koncentracija relativno visoka. Štaviše, elektroni određuju i veću toplotnu provodljivost metala. Zbog toga je posebnim zakonom uspostavljena veza između električne provodljivosti i toplotne provodljivosti, što je eksperimentalno opravdano. Ovaj Wiedemann-Franz zakon karakteriziraju sljedeće formule:
Zanimljivi izgledi supravodljivosti
Međutim, najnevjerovatniji procesi se dešavaju na minimalnoj tehnički dostižnoj temperaturi tekućeg helijuma. U takvim uslovima hlađenja svi metali praktično gube otpornost. Bakarne žice, ohlađene na temperaturu tečnog helijuma, sposobne su da provode struje mnogo puta veće nego u normalnim uslovima. Kada bi to bilo moguće u praksi, ekonomski efekat ispalo bi neprocenjivo veliko.
Još je više iznenađujuće otkriće provodnika visoke temperature. Ove vrste keramike normalnim uslovima bili veoma udaljeni od metala po svojoj otpornosti. Ali na temperaturama oko tri desetine stepeni iznad tečnog helijuma, postali su superprovodnici. Otkriće ovakvog ponašanja nemetalnih materijala dalo je snažan poticaj za istraživanje. Zbog najvećih ekonomskih posljedica praktična primjena superprovodljivosti, uloženi su veoma značajni napori u tom pravcu finansijskih sredstava, započela su velika istraživanja.
Ali za sada, kako kažu, "stvari su još tu"... Keramički materijali pokazalo se neprikladnim za praktičnu upotrebu. Uslovi za održavanje stanja supravodljivosti zahtijevali su tako velike troškove da su sve koristi od njegove upotrebe bile uništene. Ali eksperimenti sa supravodljivošću se nastavljaju. Postoji napredak. Superprovodljivost je već postignuta na temperaturi od 165 stepeni Kelvina, ali to zahteva visokog pritiska. Stvaranje i održavanje takvih posebnim uslovima ponovo negira komercijalnu upotrebu ovoga tehničko rješenje.
Dodatni uticajni faktori
Trenutno sve ide svojim tokom, a za bakar, aluminij i neke druge metale otpornost i dalje osigurava njihovu industrijsku upotrebu za proizvodnju žica i kablova. U zaključku, vrijedi dodati još malo informacija da ne samo otpor materijala vodiča i temperatura okruženje utiču na gubitke u njemu tokom prolaska električne struje. Geometrija provodnika je veoma važna kada se koristi na visokim frekvencijama napona i velikim strujama.
U ovim uslovima, elektroni teže da se koncentrišu blizu površine žice, a njena debljina kao provodnika gubi smisao. Stoga je moguće opravdano smanjiti količinu bakra u žici tako što će se od nje napraviti samo vanjski dio provodnika. Drugi faktor u povećanju otpornosti provodnika je deformacija. Stoga, unatoč visokim performansama nekih električno provodljivih materijala, pod određenim uvjetima se možda neće pojaviti. Za specifične zadatke treba odabrati ispravne provodnike. Tablice prikazane u nastavku pomoći će u tome.
Kada je električni krug zatvoren, na čijim stezaljkama postoji razlika potencijala, nastaje električna struja. Slobodni elektroni pod uticajem električne sile polja se kreću duž provodnika. U svom kretanju, elektroni se sudaraju s atomima provodnika i daju im zalihu svoje kinetičke energije. Brzina kretanja elektrona se kontinuirano mijenja: kada se elektroni sudare s atomima, molekulama i drugim elektronima, ona se smanjuje, a zatim pod utjecajem električnog polja raste i opet opada pri novom sudaru. Kao rezultat toga, u vodiču se uspostavlja ravnomjeran tok elektrona brzinom od nekoliko djelića centimetra u sekundi. Posljedično, elektroni koji prolaze kroz provodnik uvijek nailaze na otpor svom kretanju sa njegove strane. Kada električna struja prolazi kroz provodnik, potonji se zagrijava.
Električni otpor
Električni otpor vodiča, koji je označen latiničnim slovom r, je svojstvo tijela ili medija da se transformira električna energija u toplotu kada električna struja prođe kroz njega.
Na dijagramima je električni otpor prikazan kao što je prikazano na slici 1, A.
Promjenjivi električni otpor, koji služi za promjenu struje u kolu, naziva se reostat. Na dijagramima su reostati označeni kao što je prikazano na slici 1, b. IN opšti pogled Reostat je napravljen od žice jednog ili drugog otpora, namotane na izolacijsku podlogu. Poluga klizača ili reostata postavlja se u određeni položaj, zbog čega se u krug uvodi potreban otpor.
Dugačak provodnik s malim poprečnim presjekom stvara veliki otpor struji. Kratki provodnici velikog poprečnog presjeka pružaju mali otpor struji.
Ako uzmemo dva provodnika iz različitih materijala, ali iste dužine i poprečnog presjeka, onda će provodnici različito provoditi struju. Ovo pokazuje da otpor provodnika zavisi od materijala samog vodiča.
Temperatura provodnika takođe utiče na njegov otpor. Kako temperatura raste, otpor metala raste, a otpor tekućina i uglja opada. Samo neke posebne legure metala (manganin, konstantan, nikl i druge) jedva mijenjaju svoju otpornost s povećanjem temperature.
Dakle, vidimo da električni otpor provodnika zavisi od: 1) dužine provodnika, 2) poprečnog preseka provodnika, 3) materijala provodnika, 4) temperature provodnika.
Jedinica otpora je jedan ohm. Om se često označava na grčkom veliko slovoΩ (omega). Stoga, umjesto da napišete "Otpor provodnika je 15 oma", možete jednostavno napisati: r= 15 Ω.
1.000 oma se zove 1 kiloohma(1kOhm, ili 1kΩ),
1.000.000 oma se naziva 1 megaohm(1mOhm, ili 1MΩ).Kada se poredi otpor provodnika iz razni materijali Za svaki uzorak potrebno je uzeti određenu dužinu i poprečni presjek. Tada ćemo moći procijeniti koji materijal provodi električnu struju bolje ili lošije.
Video 1. Otpor provodnika
Električna otpornost
Otpor u omima provodnika dužine 1 m, poprečnog presjeka od 1 mm² naziva se otpornost i označava se grčkim slovom ρ (ro).
Tabela 1 prikazuje otpore nekih provodnika.
Tabela 1
Otpornosti različitih provodnika
Tabela pokazuje da željezna žica dužine 1 m i poprečnog presjeka 1 mm² ima otpor od 0,13 Ohma. Da biste dobili 1 Ohm otpora, potrebno je uzeti 7,7 m takve žice. Srebro ima najmanju otpornost. Otpor od 1 oma može se dobiti uzimanjem 62,5 m srebrne žice poprečnog presjeka od 1 mm². Srebro je najbolji provodnik, ali cijena srebra isključuje mogućnost njegove masovne upotrebe. Nakon srebra u tabeli dolazi bakar: 1 m bakarne žice poprečnog presjeka 1 mm² ima otpor od 0,0175 Ohma. Da biste dobili otpor od 1 ohma, potrebno je uzeti 57 m takve žice.
Hemijski čisti bakar dobijen rafiniranjem našao je široku upotrebu u elektrotehnici za proizvodnju žica, kablova i namotaja. električne mašine i uređaja. Aluminij i željezo se također široko koriste kao provodnici.
Otpor vodiča može se odrediti po formuli:
Gdje r– otpor provodnika u omima; ρ – specifični otpor provodnika; l– dužina provodnika u m; S– poprečni presjek provodnika u mm².
Primjer 1. Odrediti otpor 200 m željezne žice poprečnog presjeka 5 mm².
Primjer 2. Izračunajte otpor 2 km aluminijske žice poprečnog presjeka 2,5 mm².
Iz formule otpora možete lako odrediti dužinu, otpornost i poprečni presjek vodiča.
Primjer 3. Za radio prijemnik potrebno je namotati otpor od 30 Ohma od nikalne žice poprečnog presjeka od 0,21 mm². Odredite potrebnu dužinu žice.
Primjer 4. Odrediti poprečni presjek 20 m nihrom žice, ako je njegov otpor 25 Ohma.
Primjer 5.Žica poprečnog presjeka od 0,5 mm² i dužine 40 m ima otpor od 16 Ohma. Odredite materijal žice.
Materijal vodiča karakteriše njegovu otpornost.
Na osnovu tabele otpornosti, nalazimo da olovo ima ovaj otpor.
Gore je navedeno da otpor provodnika zavisi od temperature. Hajde da uradimo sledeći eksperiment. Namotamo nekoliko metara tanke metalne žice u obliku spirale i spojimo ovu spiralu na krug baterije. Da bismo izmjerili struju, povezujemo ampermetar u krug. Kada se zavojnica zagrije u plamenu plamenika, primijetit ćete da će se očitanja ampermetra smanjiti. Ovo pokazuje da otpor metalne žice raste sa zagrijavanjem.
Za neke metale, kada se zagreju za 100°, otpor se povećava za 40-50%. Postoje legure koje malo mijenjaju otpor zagrijavanjem. Neke specijalne legure ne pokazuju praktički nikakvu promjenu otpora pri promjenama temperature. Otpor metalnih provodnika raste sa porastom temperature, otpor elektrolita (tečnih provodnika), uglja i nekih čvrste materije, naprotiv, opada.
Sposobnost metala da mijenjaju svoj otpor s promjenama temperature koristi se za konstruiranje otpornih termometara. Ovaj termometar je platinasta žica namotana na okvir od liskuna. Postavljanjem termometra, na primjer, u peć i mjerenjem otpora platinaste žice prije i nakon zagrijavanja, može se odrediti temperatura u peći.
Promjena otpora provodnika kada se zagrije na 1 om početnog otpora i na temperaturu od 1° naziva se temperaturni koeficijent otpora i označava se slovom α.
Ako na temperaturi t 0 otpor provodnika je r 0 i na temperaturi t jednaki r t, zatim temperaturni koeficijent otpora
Bilješka. Izračun pomoću ove formule može se izvršiti samo u određenom temperaturnom rasponu (do približno 200°C).
Predstavljamo vrijednosti temperaturnog koeficijenta otpora α za neke metale (tabela 2).
tabela 2
Vrijednosti temperaturnog koeficijenta za neke metale
Iz formule za temperaturni koeficijent otpora određujemo r t:
r t = r 0 .
Primjer 6. Odredite otpor gvozdene žice zagrijane na 200°C ako je njen otpor na 0°C bio 100 Ohma.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 oma.
Primjer 7. Otporni termometar od platinaste žice imao je otpor od 20 oma u prostoriji na 15°C. Termometar je stavljen u pećnicu i nakon nekog vremena izmjeren mu je otpor. Ispostavilo se da je jednako 29,6 Ohma. Odredite temperaturu u rerni.
Električna provodljivost
Do sada smo smatrali otpor provodnika kao prepreku koju provodnik pruža električnoj struji. Ali ipak, struja teče kroz provodnik. Dakle, osim otpora (prepreke), provodnik ima i sposobnost da provodi električnu struju, odnosno provodljivost.
Što je otpor provodnika veći, to ima manju vodljivost, lošije provodi električnu struju, i obrnuto, što je otpor provodnika manji, što ima veću provodljivost, struja lakše prolazi kroz provodnik. . Dakle, otpor i provodljivost provodnika su recipročne veličine.
Iz matematike je poznato da je inverz od 5 1/5 i obrnuto, inverz od 1/7 je 7. Dakle, ako je otpor provodnika označen slovom r, tada je provodljivost definirana kao 1/ r. Provodljivost se obično označava slovom g.
Električna provodljivost se mjeri u (1/Ohm) ili u simensu.
Primjer 8. Otpor provodnika je 20 oma. Odredite njegovu provodljivost.
Ako r= 20 Ohm, dakle
Primjer 9. Provodljivost provodnika je 0,1 (1/Ohm). Odredite njegov otpor
Ako je g = 0,1 (1/Ohm), onda r= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)