Измерение сопротивлений и определение удельных сопротивлений проводников
Цель работы:В учебных целях определить материал проводника путем измерения его сопротивления и вычисления удельного сопротивления
Общие сведения:
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Таким образом, электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.
Электрическим сопротивлением проводника обусловлено явление преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока по проводнику.
Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление. Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника. Температура проводника тоже оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, константан, никелин и др.) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.
Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины проводника, поперечного сечения проводника, материала проводника, температуры проводника.
При сравнении сопротивлений проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.
Сопротивление (в омах) проводника длиной 1 м, сечением 1 мм2 называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).
Удельное сопротивление проводника можно определить по формуле:
(3.1)
где R – сопротивление проводника измеренное при температуре 200С, Ом;
S- постоянное поперечное сечение проводника, мм2;
l- длина в м.
Вместо единицы Ом·мм2/м предпочтительно применять равную ей по размеру единицу СИ мкОм∙м. Связь между названными единицами удельного сопротивления:
1 Ом∙м=106 мкОм·м=106 Ом∙мм2/м
В качестве основных проводниковых материалов применяют:
1) материалы высокой проводимости, используемые для изготовления всевозможных обмоток электрических машин, аппаратов и приборов и передачи электрической энергии; от этих материалов требуется, возможно, меньшая величина электрического сопротивления;
2) сплавы высокого сопротивления, используемые для изготовления всевозможных сопротивлений, нагревательных приборов, термопар и др.
К материалам высокой проводимости предъявляют следующие требования: возможно большая проводимость (возможно меньшее удельное сопротивление); возможно меньший температурный коэффициент удельного сопротивления; достаточно высокие механическая прочность, в частности предел прочности при растяжении и удлинение при разрыве; способность легко обрабатываться прокаткой и волочением для изготовления проводов; способность хорошо свариваться и спаиваться, создавая при этом надежные соединения с малым электрическим сопротивлением; достаточная коррозионная устойчивость. Для разных случаев применения эти требования в той или иной степени варьируют. Например, для большинства обмоток электрических машин, аппаратов и проводов выгодней иметь, возможно, меньшее удельное сопротивление, даже если за счет его снижения несколько снизится и предел прочности при растяжении; для троллейных (контактных) воздушных проводов, работающих на разрыв и на истирание, особое значение приобретают повышенные предел прочности при растяжении, твердость, стойкость против истирания.
Значения удельного сопротивления ρ некоторых металлов приведенные в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Удельное сопротивление некоторых металлов
| Металл | Удельное сопротивление мкОм∙м | ТКρ ×104 К-1 |
| Олово | 0,076 | |
| Кадмий | 0,210 | |
| Свинец | 0,059 | - |
| Цинк | 0,045 | |
| Алюминий | 0,5 | |
| Серебро | 0,024 | |
| Медь | 0,04 | |
| Железо | 0,110 | - |
| Никель | 0,062 |
Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси, металлические и неметаллические, повышают удельное сопротивление. Даже примесь металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем данный повышает его сопротивление, если металлы образуют друг с другом твердый раствор. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси.
Перечень аппаратуры