Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления
Что такое электрическая проводимость
23/10/2022
Микросети — что это такое и как они работают
27/10/2022Величина тока, текущего через проводник, прямо пропорциональна напряжению на его концах. Значит чем больше напряжение на концах проводника — тем больше при этом ток в данном проводнике. Но при одном и том же напряжении на разных проводниках, изготовленных из различных материалов, величина тока будет различной. То есть если напряжение на разных проводниках увеличивать одинаково, то рост величины тока будет происходить в разных проводниках по-разному, и это зависит от свойств конкретного проводника.
Для любого проводника зависимость величины тока от приложенного напряжения индивидуальна, и называется эта зависимость электрическим сопротивлением проводника R. Сопротивление в общем виде можно найти по формуле R=U/I, то есть как отношение приложенного к проводнику напряжения к величине тока, который при этом напряжении в данном проводнике возникает.
Чем большей величины ток возникает в проводнике при данном напряжении, тем меньше его сопротивление, и чем большее напряжение необходимо приложить к проводнику для получения данного тока, тем значит больше сопротивление проводника.
Из формулы для нахождения сопротивления можно выразить ток I=U/R, это выражение называется законом Ома. Из него видно, что чем больше сопротивление проводника — тем меньше ток.
Сопротивление как-бы препятствует прохождению тока, мешает электрическом напряжению (электрическому полю в проводнике) создавать еще больший ток. Таким образом сопротивление характеризует конкретный проводник и не зависит от приложенного к проводнику напряжения. Когда напряжение подано большее, ток будет больше, но отношение U/I, то есть сопротивление R, не изменится.
Фактически сопротивление проводника зависит от длины проводника, от площади его поперечного сечения, от вещества проводника и его текущей температуры. Вещество проводника связано с его электрическим сопротивлением через величину так называемого удельного сопротивления.
Именно удельное сопротивление характеризует материал проводника, показывая, какой величины будет сопротивление проводника, изготовленного из данного вещества, если такой проводник будет иметь площадь поперечного сечения 1 кв.м и длину 1 метр. Проводники длиной 1 метр и сечением 1 кв.м, состоящие из различных веществ, будут обладать отличными друг от друга электрическими сопротивлениями.
Суть в том, что для каждого вещества (обычно имеются введу металлы, ведь проводники зачастую изготавливаются именно из металлов) характерна своя атомарная и молекулярная структура. Касательно металлов можно говорить о структуре кристаллической решетки и о количестве свободных электронов, у разных металлов оно разное. Чем удельное сопротивление вещества меньше — тем лучше изготовленный из него проводник проводит электрический ток, то есть лучше пропускает через себя электроны.
Серебро, медь и алюминий обладают небольшими удельными сопротивлениями. Железо и вольфрам — значительно большими, не говоря о сплавах, удельные сопротивления некоторых из которых превосходят чистые металлы по данному показателю в сотни раз. Концентрация свободных носителей заряда в проводниках существенно выше, чем в диэлектриках, поэтому удельные сопротивления проводников всегда выше.
Как было отмечено выше, способность всех веществ пропускать ток связана с наличием в них носителей тока (носителей заряда) — подвижных заряженных частиц (электронов, ионов) или квазичастиц (например, дырок в полупроводнике), способных перемещаться в данном веществе на большое расстояние, упрощенно можно сказать, что имеется в виду что такая частица или квазичастица должна быть способна пройти в данном веществе сколь угодно большое, по крайней мере макроскопическое, расстояние.
Так как плотность тока тем выше, чем больше концентрация свободных носителей заряда и чем выше их средняя скорость движения, то важное значение имеет и подвижность, зависящая от вида носителя тока в данной конкретной среде. Чем больше подвижность носителей заряда — тем меньше удельное сопротивление этой среды.
Более протяженный проводник имеет большее электрическое сопротивление. Ведь чем длиннее проводник, тем больше на пути электронов, образующих ток, встречается ионов кристаллической решетки. И значит чем больше таких препятствий встречается у электронов на пути — тем более они замедляются, а значит уменьшается величина тока.
Проводник обладающий большим поперечным сечением предоставляет больше свободы электронам, они словно движутся не по узкой трубе, а по широкой дороге. Электронам в более просторных условиях легче двигаться образуя ток, ведь они реже сталкиваются с узлами кристаллической решетки. Вот почему более толстый по сечению проводник обладает меньшим электрическим сопротивлением.
В результате, сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника, удельному сопротивлению вещества, из которого он изготовлен, и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Итоговая формула сопротивления включает три этих параметра.
Но в приведенной формуле отсутствует температура. А между тем известно, что сопротивление проводника сильно зависит и от его температуры. Дело в том, что справочная величина удельного сопротивления веществ измеряется обычно при температуре +20°C. Поэтому температура все же здесь учитывается. Есть справочные таблицы удельных сопротивлений для разных температур того или иного вещества.
Для металлов характерно увеличение удельного сопротивления с ростом их температуры.
Так происходит потому, что с повышением температуры ионы кристаллической решетки начинают все сильнее колебаться, и все существеннее мешают движению электронов. А вот в электролитах заряд несут ионы, поэтому с повышением температуры электролита удельное сопротивление наоборот уменьшается, потому что диссоциация на ионы ускоряется и они движутся быстрее.
В полупроводниках и диэлектриках удельное электрическое сопротивление с ростом температуры уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением температуры увеличивается концентрация основных носителей заряда. Величина, учитывающая изменение удельного электрического сопротивление в зависимости от температуры, называется температурным коэффициентом удельного сопротивления.
