Электрическое сопротивление и проводимость
При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами и атомами, из которого состоит проводник, и передают им часть своей энергии, т.е. преодолевают некоторое сопротивление движению. В результате столкновения энергия выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Принято считать, что проводники обладают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник нагревается значительно.
За единицу сопротивления принят Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах, равной 1 В.
Проводник характеризуется не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости называется Сименсом (См) и обозначается буквой G.
G=1/R
Удельное электрическое сопротивление. Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. Способность веществ проводить электрический ток характеризуется их удельным электрическим сопротивлением ρ. Для проводников в виде проводов, шин или лент единицей измерения принята Ом·мм2/м (сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2).
Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь. В тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.) применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль.
Сопротивление прямолинейного проводника:
R= ρl/s
В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании.
| Наименование материала | Удельное сопротивление ρ при 20 ºС, Ом·мм2/м | Температурный коэффициент сопротивления α, 1 /ºС |
| 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* | 0,40—0,52 | 0,00003 |
| Константан* | 0,44 | 0,00005 |
| Нихром ** | 1,02—1,12 | 0,0001 |
| Фехраль** | 1,18—1,47 | 0,0008 |
* - сплавы для резисторов и измерительных приборов;
** - сплавы для электронагревательных приборов и реостатов.
Пример. Определить сопротивление контактного рельсадлиной 1,5 км и площадью поперечного сечения 6 000 мм2. Удельное электрическое сопротивление стали контактного рельса 0,12 Ом м/мм2 при 15°.
Решение. По формуле R= ρl/s получаем:
R = 0,12·1500/6000 = 0,3 Ом.
Зависимость сопротивления от температуры. Электропроводность материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании амплитуда и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов.
В технике применяются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и другие, у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало.
О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по температурному коэффициенту сопротивления α. Он представляет собой приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В таблице приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.
Сопротивление металлического проводника Rt при любой температуре t1
Rt = R0 [ 1 + α (t1 – t0 )];
где: - R0 - сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t0 (обычно при +20 °С);
(t1 – t0) - изменение температуры.