Суть і визначення електричного опору провідника

Суть і визначення електричного опору провідника Фізика

Всі існуючі в природі матеріали умовно поділяють за здатністю проводити електрику. Характеристика, що описує цю можливість, називається електричним опором. Провідники – це речовини, в кристалічній решітці яких існує велика кількість вільних носіїв заряду. Завдяки їм струм проходить практично без втрат, причому його силою можна управляти.

Загальні відомості

Будова речовин в природі різниться в залежності від виду кристалічної решітки. До її складу входять атоми. Міжатомні зв’язки утворюють молекули. Своєю чергою, атоми складаються з ядра і електронів, що формують подобу Хмари. Мікроскопічна частинка, розташована в центрі, містить протони і нейтрони. Їх кількість залежить від типу матеріалу.

У звичайному стані, коли немає впливу сторонніх сил, кількість протонів відповідає числу електронів, тому енергетичний стан речовини є нейтральним. Електрони обертаються навколо ядра і утримуються на орбіталі за допомогою кулонівських сил. Щоб вони могли покинути своє становище, слід надати їм додаткову енергію.

Водночас не всі елементарні частинки утримуються зв’язками. Існують і ті, що вільно переміщаються між вузлами кристалічної решітки. Такі електрони називаються вільними. У нормальному стані їх рух хаотичне (теплове), вони можуть стикатися один з одним або іншими частинками тіла. При цьому запускаються різні механізми обміну енергією.

Як було встановлено, струм – впорядкований рух носіїв заряду. Іншими словами, коли до тіла прикладається сила, що викликає спрямоване електромагнітне поле, електрони — носії зарядів, починають переміщатися в одну сторону, передаючи тим самим енергію, що визначає силу струму.

Залежно від числа вільних електронів, матеріали поділяються на 3 класи:

  • провідники – речовини з великою кількістю вільних носіїв зарядів;
  • діелектрики – матеріали, де існує сильний зв’язок між атомами і частинками;
  • напівпровідники – займають проміжний стан між першими двома класами, характеризуються здатністю проводити електричний струм при створенні певних умов.

Фактично поділ відбувається за здатністю проводити електрику. В якості величини, що перешкоджає проходженню струму, тобто зворотної провідності, виступає опір. Існує навіть радіоелемент, що працює на цьому явищі — резистор.

Суть характеристики

Припущення про існування величини, що зменшує силу струму, висловив російський вчений Василь Петров. У своїх експериментах він спостерігав залежність електроструму від перетину використовуваного в дослідах матеріалу. Їм було встановлено, що якщо використовувати однорідний матеріал, відбувається більш сильна дія «Гальвані-вольтівської рідини» при збільшенні перетину речовини.

У 1826 році Георг Ом емпіричним шляхом відкрив взаємозв’язок між спрямованим проходженням носіїв зарядів і різницею потенціалів, що виникає в точках провідника. У кількісному вигляді свій закон фізик записав так:

I = U/R

Величиною, що зв’язує струм з напругою, якраз і стало опір.

Фізика опірності провідника електричного струму полягає в наступному: вільні електрони при русі стикаються з неоднорідностями іонної решітки (домішками, дефектами), при цьому відбувається втрата ними імпульсу. Енергія, що виділяється при цьому, перетворюється в тепло. Це призводить до нагрівання провідника. Іншими словами, частина зарядів втрачається, а значить, сила струму зменшується.

Як показали експерименти, величина провідності залежить не тільки від чистоти речовини, але і від його фізичних розмірів. Параметр, що визначає цей взаємозв’язок, був названий питомим опором. Його прийнято позначати грецькою буквою ρ.

По суті, це фізична величина, зворотна питомої провідності: ρ = 1/ σ, тобто є коефіцієнтом пропорційності між електричним полем і щільністю виникає струму. Значення питомого опору залежить від температури тіла. У провідниках воно зростає з нагріванням, а ось в діелектриках і напівпровідниках навпаки — зменшується.

Електричний опір з урахуванням геометрії матеріалу визначають за формулою:

R = (ρ * l)/s

де:

  • ρ – питомий опір;
  • L – довжина матеріалу;
  • S – площа поперечного перерізу.

З формули видно, що опірність провідника пропорційна довжині і обернено пропорційна площі. В якості одиниці виміру використовується Ом. Ідеальний провідник отримати неможливо.

Але існує надпровідність. Вона може виникати при негативній температурі рівній -273° C (абсолютний нуль). В цьому випадку атоми як би заморожуються, коливання їх припиняються, руху електронів ніщо не перешкоджає. Опір практично зменшується до нуля.

Температурний коефіцієнт

Нагрівання провідника призводить до того, що теплові коливання кристалічної решітки можуть зростати в кілька разів. Ці збурення являють собою хвилі значення, яких визначаються стаціонарним розподілом атомів або молекул. Їх амплітуда розгойдування залежить від швидкості поступального руху. Характер коливань визначається симетрією і видом концентрацій домішки. У нормальному стані рух атомів може бути представлено як суперпозиція збурень.

Передана провіднику теплова енергія призводить до збільшення опірності кристалічної решітки пропускати через себе вільні електрони. Дійсно, це явище можна спостерігати на простому досліді.

Якщо взяти лампу розжарювання і підключити її послідовно через амперметр, можна зафіксувати цікавий ефект. У початковий момент часу струм буде мати певну величину, відповідну яскравості світильника. Але через деякий час світіння зросте, сила струму зміниться незначно. Іншими словами, зміна температури впливає на опір вольфрамової нитки.

Вченими була встановлено, що залежність між провідністю і температурою обернено пропорційна. З питомим же опором ця залежність лінійна. Описати її можливо наступними формулами:

  • R = R * (1 + at0);
  • ρ = ρ * (1 + at0).

Число a називають температурним коефіцієнтом. Це таблична величина, що показує залежність електричного опору від нагрівання або охолодження. Розраховують його, як відносна зміна провідності при зростанні на один градус по кельвіну. Вимірюється температурний коефіцієнт в кельвінах, що стоять в ступені мінус один (К-1).

Питому теплопровідність, виміряну при кімнатній температурі (200°С) і залежність опору від її зміни, можна представити в таблиці:

Матеріал Питомий опір, Ом * мм2 / м Температурна залежність, К-1
Залізо 0,01 6
Нікель 0,007 6,5
Срібло 0,016 4,1
Мідь 0,017 4,3
Алюміній 0,028 4,2
Вольфрам 5,60 * 10-8 5

Потрібно відзначити, що температурний коефіцієнт електричного опору математично може бути визначений так: a = (1 / R) * (dR / dT). У більшості провідників в діапазоні від 0°C до 100°C він практично не змінюється і дорівнює (1/273)-1.

Розв’язання задачі

Одним з основних параметрів електричного кола є її опір. Знаючи цю величину, можна правильно підібрати провід, узгодити за рівнем сигнали каскадів, визначити втрати струму і падіння напруги. Завдання на знаходження опору провідника зазвичай нескладні. Але для їх вирішення необхідний невеликий досвід і знання найпростіших формул.

Ось деякі з типових завдань, з якими, можливо, доведеться зіткнутися на практиці:

Задача 1

Який опір буде у проводу, виготовленого з міді, якщо його довжина становить 30 метрів, а перетин — 1 мм2. Спочатку необхідно визначити, який буде діаметр проводу в метрах: 1 мм2 = 0,0001 м2. Тепер з таблиці потрібно взяти значення питомого опору. Для міді воно дорівнює 0,017. Даних достатньо для виконання розрахунку: R = p (L / s) = 0,017 Ом * м * (30 м / 1 * 10-4 м2) = 51 Ом.

Задача 2

Визначити, якої величини потрібно поставити резистор в ланцюг, щоб забезпечити на ньому падіння напруги 30 вольт при проходить через нього струмі 10 ампер. Це завдання на одну дію. Для її вирішення необхідно застосувати закон Ома: I = U/R. з цього виразу слід висловити опір і підставити вихідні дані в СІ: R = U / I = 30 / 10 = 3 Ом.

Задача 3

Яка напруженість поля в алюмінієвому провіднику перетином 1,4 мм2 при струмі в 1 ампер. Сила електроструму, помножена на напругу, дорівнює опору. Звідси: U = i * R. з іншого боку, R можна знайти через питомий параметр і геометричні розміри провідника. Значить, U = i * p*L/S. напруженість можна обчислити за формулою: E = U/L. З’єднавши 2 вирази в одне, вийде, що E = I * P/S = 0,02 в/м.

При визначенні опору потрібно звернути увагу, що попри зазначені за умовою одиниці виміру, в формули потрібно обов’язково підставляти значення в СІ. Це важливо, тим більше що за допомогою розмірностей можна упевнитися в правильності використовуваної формули. Крім цього, при вирішенні завдань доведеться користуватися довідником з електрофізики.

Оцініть статтю
Додати коментар