Электрическое сопротивление и проводимость

Физическая природа электрического сопротивления. При движе­нии свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами 2 (см. рис. 10, а), атомами и молекулами вещества, из которого выполнен проводник, и пере­дают им часть своей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и молекулами частично выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают некоторое сопротивление движению, при­нято говорить, что проводники обладают электрическим сопротив­лением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник может раскалиться. Провода, подводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как их сопро­тивление мало, а спираль плитки, обладающая большим сопротив­лением, раскаляется докрасна. Еще сильнее нагревается нить электрической лампы.

За единицу сопротивления принят ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В. Эталоном сопротивления 1 Ом служит столбик ртути длиной 106,3 см и пло­щадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 0 °С. На прак­тике часто сопротивления измеряют тысячами ом — килоомами

(кОм) или миллионами ом — мегаомами (МОм). Сопротивление обозначают буквой Я ( г).

Проводимость. Всякий проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости назы­вается сименсом (См). 1 См равен 1/1 Ом. Проводимость обозна­чают буквой О (§). Следовательно,

Удельное электрическое сопротивление и проводимость. Ато­мы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ про­водить электрический ток можно судить по их удельному электри­ческому сопротивлению р. За величину, характеризующую удельное сопротивление, обычно принимают сопротивление куба с ребром 1 м. Удельное электрическое сопротивление измеряют в Ом-м. Для суждения об электропроводности материалов пользуются также понятием удельная электрическая проводимость а=1/р. Удельная электрическая проводимость измеряется в сименсах на метр (См/м) (проводимость куба с ребром 1 м). Часто удельное электри­ческое сопротивление выражают в ом-сантиметрах (Ом • см), а удель­ную электрическую проводимость — в сименсах на сантиметр (См/см). При этом 1 Ом-см = 10~~² Ом-м, а 1 См/см = = 10² См/м.

Проводниковые материалы применяют, главным образом, в виде проволок, шин или лент, площадь поперечного сечения которых принято выражать в квадратных миллиметрах, а длину — в метрах. Поэтому для удельного электрического сопротивления подобных ма­териалов и удельной электрической проводимости введены и другие единицы измерения: р измеряют в Ом-мм²/м (сопротивление про­водника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм²), а а — в См-м/мм² (проводимость проводника длиной 1 м и пло­щадью поперечного сечения 1 мм²).

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, так как структура их атомов позволяет легко пере­двигаться свободным электронам, затем следует золото, хром, алю­миний, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь.

Чистые металлы всегда проводят электрический ток лучше, чем их сплавы. Поэтому в электротехнике используют преимущественно очень чистую медь, содержащую только 0,05 % примесей. И наобо­рот, в тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротив­лением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.). применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фех­раль. В табл. 1 приведены значения удельного сопротивления неко­торых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании локомотивов. 16

Таблица 1

 

	Удельное сопротив-	Температурный
Наименование материала	ление о при 20 "С,	коэффициент сопро-
	Ом • мм^2/м	тивления а, 1/°С
Серебро	0,016	0,0035
Медь техническая	0,0172—0,0182	0,0041
Алюминий	0,0295	0,0040
Сталь	0,125—0,146	0,0057
Манганин | (сплавы для резисторов и изме-	0,40—0,52	0,00003
Константан Г рительных приборов)	0,44	0,00005
Нихром | (сплавы для электронагрева-	1,02—1,12	0,0001
Фехраль Г тельных приборов и реостатов)	1,18—1,47	0,0008

Следует отметить, что в технике, кроме металлических про­водников, используют и неметаллические. К таким проводникам относится, например, уголь, из которого изготовляют щетки электри­ческих машин, электроды для прожекторов и пр. Проводниками электрического тока являются толща земли, живые ткани растений, животных и человека. Проводят электрический ток сырое дерево и многие другие изоляционные материалы во влажном состоянии.

Электрическое сопротивление проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины / и площади поперечного сечения 5. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и ее длины.)

Сопротивление прямолинейного проводника

Если удельное сопротивление р выражено в Ом-мм²/м, то для того, чтобы получить сопротивление проводника в омах, длину его надо подставлять в формулу (5) в метрах, а площадь поперечного сечения — в квадратных миллиметрах.

Зависимость сопротивления от температуры. Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электро­нов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядоч­ное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов пони­жается и электропроводность проводника возрастает.

В природе, однако, имеются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и др., у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Подобные сплавы применяют в технике для изготовления различных резисторов, используемых в электроизмерительных при­борах и некоторых аппаратах для компенсации влияния темпера­туры на их работу.

О степени изменения сопротивления проводников при измене­нии температуры судят по так называемому температурному ко­эффициенту сопротивления а. Этот коэффициент представляет собой относительное приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В табл. 1 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее приме­няемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника /?/ при любой тем­пературе /

Свойство металлических проводников увеличивать свое сопро­тивление при нагревании часто используют в современной технике для измерения температуры. Например, при испытаниях тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмоток опре­деляют измерением их сопротивления в холодном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного периода (обычно в течение 1 ч).

Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, ученые обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля (— 273,16 °С) некоторые металлы почти пол­ностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся идеальными проводниками, способными длительное время пропус­кать ток по замкнутой цепи без всякого воздействия источника электрической энергии. Это явление названо сверхпроводимостью. В настоящее время созданы опытные образцы линий электропере­дачи и электрических машин, в которых используется явление 18

сверхпроводимости. Такие машины имеют значительно меньшие мас­су и габаритные размеры по сравнению с машинами общего назна­чения и работают с очень высоким коэффициентом полезного дей­ствия. Линии электропередачи в этом случае можно выполнить из проводов с очень малой площадью поперечного сечения. В пер­спективе в электротехнике будет все больше и больше использо­ваться это явление.