Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления
Величина 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.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
От чего зависит удельное сопротивление проводника
Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая характеризует способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Удельное сопротивление зависит от температуры, длины и площади поперечного сечения проводника.
Удельное сопротивление различных проводников может сильно отличаться. Например, у серебра, которое является самым лучшим проводником, удельное сопротивление равно 0,015 Ом·мм 2 /м, а у ртути, которая является самым плохим проводником, удельное сопротивление равно 0,94 Ом·мм 2 /м. В таблице ниже приведены значения удельных сопротивлений некоторых металлов при температуре 20 °C.
| Металл | Удельное сопротивление, Ом·мм 2 /м |
| Серебро | 0,015 |
| Медь | 0,0175 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,028 |
| Магний | 0,045 |
| Цинк | 0,054 |
| Молибден | 0,059 |
| Вольфрам | 0,05 |
| Платина | 0,107 |
| Железо | 0,1 |
Удельное сопротивление проводников меняется с температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов усиливает рассеяние электронов.
Для некоторых сплавов, таких как константан и манганин, удельное сопротивление практически не зависит от температуры, поэтому они используются для изготовления точных резисторов и термопар.
Для полупроводников и диэлектриков удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов увеличивает количество свободных носителей заряда.
Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.
Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.
Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.
Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.
Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.
Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.
Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.
Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.
Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.
Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.
Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.
Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).
Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.
Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.
Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.
Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.
Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ
Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.
У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.
При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.
У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.
Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.
Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.
Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.
В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Ответы с Ириными дополнениями, страница 10
Документ из архива «Ответы с Ириными дополнениями», который расположен в категории » «. Всё это находится в предмете «материалы и элементы электронной техники» из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «к экзамену/зачёту», в предмете «материалы и элементы электронной техники» в общих файлах.
Онлайн просмотр документа «Ответы с Ириными дополнениями»
Текст 10 страницы из документа «Ответы с Ириными дополнениями»
У металлов, объем которых при плавлении уменьшается, удельное сопротивление уменьшается также скачкообразно (ветвь г; табл-12.2). У большинства металлов в расплавленном состоянии ТКр положительный (ветви д, е) и лишь у немногих ТКр отрицательный (ветвьж,г) 17. Зависимость удельного электрического сопротивления металлических проводниковых материалов от их строения и внешних факторов. Влияние частоты напряжения на сопротивление металлических проводников. Скин-эффект. Влияние примеси на удельное сопротивление Чистые отожженные металлы имеют менее деформированную кристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, растворенные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызывают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ металлов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых.
Рис. 12.4. Удельное сопротивление ρ меди в зависимости от концентрации N различной примеси в долях процента Влияниедеформациинаудельноесопротивление Большое влияние на удельное сопротивление и механические свойства оказывают дефекты кристаллической решетки, возникшие при холодной обработке металлов давлением (ОМД). В результате пластической деформации, вызванной холодной ОМД, зерна (и блоки в них) удлиняются и измельчаются, возрастает деформация кристаллической решетки и увеличиваются в ней дефекты: возрастает плотность дислокаций и концентрация вакансий, что приводит к улучшению механических свойств — увеличивается твердость и предел прочности на разрыв. Однако удельное сопротивлениепри этом также увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов, подвергнутых холодной ОМД, зерна (и блоки в них) будут округляться и укрупняться, кристаллическая решетка выпрямляться, а концентрация дефектов в ней будет уменьшаться. Удельное сопротивление при этом может понизиться до первоначального значения. Одновременно понизится твердость и предел прочности на разрыв. При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиться, так и уменьшиться. При упругой деформации, вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличатся, в результате уменьшится λ, и возрастет ρ. При упругой деформации, вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, наоборот, уменьшатся, в результате λ возрастет, а ρ снизится. Влияниеразмеровпроводниканаудельноесопротивления В металлических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее дефектной частью зерна является его поверхность. С уменьшением размера зерна увеличивается дефектность структуры металла и, следовательно, возрастает его удельное сопротивление р. Для тонких пленок, полученных методом термического напыления в вакууме или химического осаждения, увеличение р наблюдается при уменьшении толщины δ, начиная примерно с δ = 0,1—0,01 мкм. Увеличение удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллизации металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возрастает. При дальнейшем уменьшении толщины δ пленки удельное сопротивление δ продолжает расти (рис. 12.6, а). Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких металлических пленок принято сопротивление квадрата RD, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности RD = ρδ /δ, (12.9) где ρδ — удельное (объемное) сопротивление пленки толщиной δ. Температурный коэффициент удельного сопротивления тонких металлических пленок ТКρδ может быть как положительным, так и отрицательным (см. рис. 12.6, б). При увеличении толщины пленки αρδ (ТК ρδ) стремится к значению αρ (ТКр) данного материала в толстых слоях. Рис. 12.6. Зависимость удельного сопротивления ρδ (а) и температурного коэффициента удельного сопротивления αρδ (б) металлической пленки от ее толщины δ
ВлияниечастотынапряжениянасопротивлениеметаллическипроводниковВихревые токи (токи Фуко), возникающие в металлических проводниках, по которым течет переменный ток, направлены таким образом, что ослабевают ток внутри проводника и усиливают его вблизи поверхности. В результате высокочастотный ток оказывается распределенным по сечению проводника неравномерно — большая его часть сосредоточивается у поверхности проводника. Это явление называют скин-эффектом. Из-за скин-эффекта внутренняя часть проводников в высокочастотных цепях оказывается бесполезной. Поэтому в высокочастотных цепях проводники могут быть полыми. Скин-эффект характеризуется глубиной проникновения электромагнитного поля в металлический проводник: чем выше частотаполя, тем на меньшую глубину оно проникает в проводник. С увеличением глубины проникновения поля плотность тока уменьшаетсяпо экспоненте. Глубину, на которой амплитуда электромагнитной волны затухает в е раз (до -37%), называют глубиной проникновенияполя ∆. Величина ∆ зависит от частоты напряжения ω, удельной электропроводности γ и магнитной проницаемости μ: ∆ = 1/a = √ 2/ωγμoμ = 1/ √ƒπγμoμ, (12.10) где а — коэффициент затухания электромагнитной волны; μo — магнитная постоянная. Сопротивление проводника, вызванное скин-эффектом, можно оценить сопротивлением квадрата его поверхности Rs, Ом, аналогично рассчитываемому R□ по формуле (12.9), заменив δ на ∆: Rs = 1/γ∆ . (12.11) Из выражения (12.11) следует, что сопротивление Rs плоского проводника при скин-эффекте равно сопротивлению плоского проводника толщиной ∆ при постоянном токе. Зависимость Rs и ∆от частоты поля для. некоторых важнейших металлов и сплавов высокой проводимости приведены на рис. 12.7. 
Рис. 12.7. Зависимость сопротивления при скин-эффекте Rs и глубины проникновения поля ∆ от частоты для плоских проводников. Значения Rs и ∆ по нижней шкале частоты отсчитываются непосредственно; по верхней шкале частоты значение Rs умножается на 10 —2 , а ∆ — 10 —2 18. Высокоомные сплавы и их свойства. Удельное сопротивление металлических сплавов.Удельноесопротивлениеметаллическихсплавов У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов друг с другом (от соотношения размеров их атомов и электрохимических констант) могут образовываться следующие основные типы сплавов:
- гетерогенныеструктуры (механические смеси),
- твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии,
- химические(интерметаллические)соединения.
Рассмотрим диаграммы состояния каждого из перечисленных типов сплавов и характер зависимости удельного сопротивления и механических свойств от состава сплавов.
В электро- и радиотехнике большой интерес представляют
сплавы, образующие твердые растворы; их широко применяют в производстве проволочных резисторов, реостатов, термопар и др.
При образовании сплава твердый раствор постоянная кристаллической решетки металла-растворителя изменяется, атомы компонентов распределяются по ее узлам беспорядочно. В результате кристаллическая решетка существенно деформируется, что приводит к сильному рассеянию электронов проводимости и увеличению удельного сопротивления. Чем больше разница в значениях валентности металла-растворителя и растворенного металла и в размерах их атомов, тем больше увеличивается удельное сопротивление. Зависимость ρ от состава сплавов, образующих твердые растворы проходит через максимум (см. рис. 10.9, б).
Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых максимально деформирована. При этом могут наблюдаться два типа максимума. Если сплавляемые металлы, образующие твердые растворы, принадлежат к одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то зависимость р от состава сплавов обычно имеет примерно симметричный максимум. Если оба сплавляемых металла принадлежат к разным группам периодической системы элементов, то максимум зависимости р от состава имеет несимметричную форму и сдвинут от середины диаграммы в сторону металла, удельное сопротивление которого при комнатной температуре больше.
19. Влияние примеси на удельное сопротивление. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление. (Пленочные проводники в микросхемах).
Влияние примеси на удельное сопротивление
Ч истые отожженные металлы имеют менее деформированную кристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, растворенные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызывают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ металлов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых металлов. У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. Гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых максимально деформирована.
Влияние размеров проводника на удельное сопротивления
В металлических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее дефектной частью зерна является его поверхность. Увеличение удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллизации металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возрастает. Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких металлических пленок принято сопротивление квадрата RD, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности RD = ρδ /δ.
Терморезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5. +70)%. Материал для создания терморезисторов должен удовлетворять следующим требованиям:
Почему различные металлы имеют разные удельные сопротивления?
Всё упирается в строение (атомарное) кристаллической решётки каждого металла.
Потому что молекулярная структура (структура молекулярной кристаллической решетки) у них разная, а соответственно и проводимость (обратно пропорциональная сопротивлению) разная.
Из-за разницы молекулярной структуры. Даже температура металла влияет на удельное сопротивление.
Потому что каждый металл имеет свои свойства например плотность
Как это почему. факторов уйма. размер атомов, количество электронов на внешнем уровне, строение кристаллической решётки, активность металлов и т. д. В результате различная плотность электронного газа в металлической решётке а отсюда и вытекает различная проводимость, удельное сопротивление и т. д.
Похожие вопросы