Какое явление приводит к увеличению сопротивления металлического проводника

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

где ρ и ρ₀, R и R₀ — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.

С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления — α

Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Электрическое сопротивление проводников

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии.

Движущиеся электроны (от положительного полюса источника к отрицательному) ударяются о колеблющиеся ионы кристаллической решетки в проводнике и замедляют их движение

Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Омметр — прибор для измерения электрического сопротивления

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом в честь Георга Симона Ома (1784–1854), немецкого физика, изучавшего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм 2 при температуре 0° С.

Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.

Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.

Один мегом равен одному миллиону ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению.

Обратной величиной электрического сопротивления является физическая величина, называемая электропроводностью.

Медные токоведущие шины в распределительном устройстве

Электрической проводимостью (электропроводностью) называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/ R , обозначается проводимость латинской буквой g.

Единицей электрической проводимости является сименс. Она была так названа в честь немецкого ученого Вернера Сименса (1816 — 1892).

Слово сопротивление также относится к пассивному электрическому компоненту, правильное название которого — резистор, характеризующийся одним свойством — электрическим сопротивлением.

Причина включения резистора в электрическую цепь обычно состоит в том, чтобы уменьшить величину электрического тока или получить определенное падение напряжения. Резистор часто неправильно называют сопротивлением и это может привести к двусмысленности . Величину сопротивления резисторов обозначают либо написанием числа на резисторе, либо, что чаще, цветными полосками.

Резисторы для электронных схем

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления.

Величина электрического сопротивления определяется материалом, формой и температурой проводника. Величина сопротивления зависит от длины проводника (прямопропорционально), от содержания в поперечном сечении проводника (обратно пропорционально), от материала проводника (удельное электрическое сопротивление) и от температуры.

Так как сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, то для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 . Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.

Вещества, обладающие высоким удельным сопротивлением, являются изоляторами. Наиболее совершенным изолятором является янтарь, а также в качестве изоляторов применяют ПВХ, слюду, стекло, фарфор и т. д.

Хорошие проводники, такие как серебро, медь и алюминий, имеют самое низкое удельное сопротивление

Электрический провод с медной жилой

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь поперечного сечения проводника :

где — R — сопротивление проводника, ом, l — длина в проводника в м, S — площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

S = ( Пи х d 2 )/ 4

где Пи — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Поперечный разрез силового кабеля на 400 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена и медной жилой. Сечение кабеля — 1600 мм 2 . Такой кабель используется в воздушно-кабельной линии электропередачи 380 кВ в Берлине. Линия протяженностью 34 км построена в 2000-м году.

Это нужно запомнить:

1. Если к одному и тому же источнику электрического напряжения последовательно подключить проводники из разных материалов, но одинаковой длины и одинакового сечения, то мы будем измерять амперметром, что по каждому проводнику протекает электрический ток разной величины. Каждый материал оказывает различное сопротивление прохождению тока.

2. Если мы используем для измерения проводники из одного и того же материала, которые будут иметь одинаковый диаметр, но всегда разную длину, то амперметр будет определять разный проходящий ток для каждой длины проводника. Наибольший ток будет течь по самому короткому проводу.

3. Если мы используем для измерения проводники из одного материала одинаковой длины, но разного сечения, то мы будем измерять разные значения тока для каждого проводника с разным сечением. Наибольший ток будет течь по проводу с наибольшим сечением.

Медные клеммные колодки для соединения жил проводов и кабелей в электрощитах

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .

Сопротивление проводников и полупроводников зависит от температуры. Сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры (положительный температурный коэффициент электрического сопротивления), а сопротивление полупроводников, углерода и некоторых специальных сплавов металлов с повышением температуры уменьшается (отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления). Электрическое сопротивление всегда имеет положительное значение. Хорошие проводники имеют малое сопротивление, плохие — высокое.

Различные проводники имеют разное сопротивление. Соединительные провода в электрической цепи имеют низкое сопротивление, чтобы как можно меньше уменьшить ток, проходящий через цепь. С другой стороны, резистивные проводники, используемые в нагревательных кабелях и электрических нагревательных приборах и резистивные нити накаливания лампочек имеют относительно высокое сопротивление, которые значительно нагреваются из-за своего высокого сопротивления при достаточном напряжении.

Нагревательный элемент для электрической плиты

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1° C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры.

При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника.

С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов .

Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре — 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Новый сверхпроводящий материал, который был открыт в 2021 году, зажатый между алмазами, может проводить электричество без электрического сопротивления при комнатной температуре

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, колебательное движение молекул настолько мало, что свободные электроны движутся в них без всякого сопротивления. Ток, введенный в такой сильно охлаждаемый проводник, протекает непрерывно и без малейших потерь.

Постепенно охлаждая образцы платины и золота, голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес (1853 — 1926) обнаружил, что их электрическое сопротивление уменьшается. Когда он проделал свой опыт с ртутью, то при температуре около 4,27 К ее сопротивление стало резко падать, а при температуре около 4,22 К полностью исчезло. В последующие годы он открыл сверхпроводимость и в других металлах.

В 2015 году физик Института химии им. Макса Планка Михаил Еремец и его команда сжали водород и серу для достижения сверхпроводимости при -70°C. Спустя несколько лет две исследовательские группы экспериментировали с соединениями лантана и водорода при высоком давлении. Эксперименты показали, что сверхпроводимость возможна при более высоких температурах, таких как -23°C и -13°C, но некоторые эксперименты были успешными и при 7°C.

Что еще почитать:

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Физика. 10 класс

§ 34. Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость

Зависимость сопротивления металлов от температуры. При изучении физики в 8-м классе вы узнали, что сопротивление металлических проводников зависит от рода вещества (удельного сопротивления ρ) и их геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения S):

А зависит ли сопротивление от температуры проводника?

Проведём опыт. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и гальванометра ( рис. 197 ). Из опыта следует, что при нагревании спирали показания гальванометра уменьшаются. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и частоты их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия.

В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры. Однако частота столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

При описании температурной зависимости удельного сопротивления проводника вводят температурный коэффициент сопротивления α, численно равный относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при приращении его температуры на 1 К:

где ρ ₀ и ρ — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при температуре T₀ = 273 К (0 °С) и данной температуре Т .

Из формулы (1) следует, что

где ΔT = T — T₀ — приращение абсолютной температуры проводника, которое совпадает с приращением температуры по шкале Цельсия ΔT = Δt . Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

График этой зависимости представлен на рисунке 197.1.

Поскольку сопротивление проводника , то, пренебрегая незначительной температурной зависимостью отношения , можно записать:

где R₀ и R — сопротивления проводника соответственно при температуре T₀ = 273 К (0 °С) и данной температуре T(t).

Для металлических проводников эти формулы применимы при температурах T > 140 К . У всех металлов при повышении температуры сопротивление возрастает, т. е. температурный коэффициент сопротивления α — величина положительная. Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 °С среднее значение температурного коэффициента сопротивления .

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления ( рис. 198 ).

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) ( рис. 199 ).Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 °С, медные — от –50 до 180 °С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин. Температурный коэффициент у константана в 820 раз, а у манганина в 510 раз меньше, чем у серебра.

Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры

Любой элемент или участок электрической цепи с точки зрения электромагнитного процесса, происходящего в нем прежде всего характеризуется способностью проводить ток или препятствовать прохождению тока. Это свойство элементов цепи оценивается их электрической проводимостью или величиной, обратной проводимости — электрическим сопротивлением.

Большинство электротехнических устройств состоит из токопроводящих частей, выполненных из металлических проводников, снабженных обычно изоляционным покрытием или оболочкой. Электрическое сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров и свойств материала. Величина электрического сопротивления равна:

где l — длина проводника, м; s — площадь поперечного сечения проводника, мм2; ρ — удельное сопротивление проводника, ом·мм2/м; γ — удельная проводимость, м/ом·мм.

Удельное электрическое сопротивление

Удельное сопротивление и удельная проводимость учитывают свойства материала проводника и дают значения сопротивления и проводимости проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2.

По величине удельного сопротивления ρ все материалы можно разделить на три группы:

• проводники — металлы и их сплавы (ρ от 0,015 до 1,2 ом·мм2/м);
• электролиты и полупроводники (ρ от 102 до 206 ом·мм2/м);
• диэлектрики, или изоляторы (ρ от 1010 до 2011 ом·мм2/м).

Другие устройства, наоборот, должны иметь значительные сопротивления (электрические лампы накаливания, нагрева тельные приборы и т. д.), поэтому их токоведущие элементы следует выполнять из материалов с большим удельным сопротивлением ρ, обычно представляющих собой сплавы металлов. К ним относятся, например, манганин, константан, нихром, которые имеют значения ρ от 0,1 до 1,2.

Зависимость электрического сопротивления от температуры

Величина электрического сопротивления зависит также от температуры проводника, которая может изменяться вследствие нагревания проводника электрическим током или вследствие изменения температуры внешней среды. При изменении температуры проводника изменяется величина его удельного сопротивления. Приведенные выше значения р для некоторых материалов справедливы при температуре.

Независимость сопротивления от температуры приближенно выражается так:

Rto — сопротивление проводника при температуре to, R20о— то же при температуре 20°С, ом; α — температурный коэффициент электрического сопротивления, показывающий относительное изменение сопротивления проводин ка при нагревании его на 1°С.

Из этого выражения величина α равна:

α = (Rto — R20о)/(R20о·(to-20°)).

Для большинства металлов и их сплавов величина α > 0, т. е. при нагревании сопротивление их увеличивается и наоборот.

Для проводков из чистых металлов значения, а колеблются в пределах от 0,0037 до 0,0065 на 1°С. Для сплавов высокого сопротивления α имеет весьма малые значения, в десятки и сотни раз меньшие, чем у проводников из чистых металлов. Так, например, для манганина α = 0,000015 на °С.

Значения α для полупроводников электролитов отрицательны, порядка 0,02. Температурный коэффициент электрического сопротивления также отрицателен и по своему абсолютному значению в десятки раз превышает α для металлов.

Зависимость сопротивления от температуры широко используется в технике для измерения температур при помощи так называемых термометров сопротивления, у которых α должен быть большим. В ряде приборов, наоборот, применяются материалы с малым значением α для того, чтобы исключить влияние колебаний температуры на показания этих приборов.

Сопротивление переменного тока

Сопротивление одного и того же проводника для переменного тока будет больше, чем для постоянного. Это объясняется явлением так называемого поверхностного эффекта, заключающегося в том, что переменный ток вытесняется от центральной части проводника к периферийным слоям. В результате плотность тока во внутренних слоях будет меньше, чем в наружных.

Таким образом, при переменном токе сечение проводника используется как бы неполностью. Однако при частоте 50 гц различие в сопротивлениях постоянному и переменному токам незначительно и практически им можно пренебречь.

Сопротивление проводника постоянному току называют омическим, а переменному току — активным сопротивлением. Омическое и активное сопротивления зависят от материала (внутренней структуры), геометрических размеров и температуры проводника. Кроме того, в катушках со стальным сердечником на величину активного сопротивления влияют потери в стали.К активным сопротивлениям относят электрические лампы накаливания, электрические печи сопротивления, различные нагревательные приборы, реостаты и провода, где электрическая энергия практически почти целиком превращается в тепловую.

Кроме активного сопротивления в цепях переменного тока есть индуктивное и емкостное сопротивления.

Сопротивление изоляции

Надежность работы электрической сети и аппаратуры в значительной степени зависит от качества изоляции между токоведущими частями различных фаз, а также между токоведущими частями и землей.

Качество изоляции характеризуется величиной ее сопротивления. Определением этой величины обычно ограничиваются при контрольных испытаниях сетей и установок с напряжением меньше 1000 В. Для установок более высокого напряжения дополнительно определяются электрическая прочность и диэлектрические потери.

В зависимости от состояния сети (сеть с выключенными или включенными приемниками энергии, находящаяся или не находящаяся под напряжением) применяют различные схемы включения измерительных приборов и способы подсчета величины сопротивления изоляции. Наиболее широко для этой цели используются мегаомметры и вольтметры.

Для чего нужен расчет проводов на нагрев

Электрическое сопротивление влияет на нагрев проводов и кабелей. Провода, соединяющие источник энергии с приемниками, должны обеспечить питание приемников с малой потерей напряжения и энергии, но при этом они не должны нагреваться проходящим по ним током выше допустимой температуры.

Превышение допустимых значений температуры приводит к повреждению изоляции проводов и, как следствие этого, к короткому замыканию, т. е. резкому повышению величины тока в цепи. Поэтому расчет проводов позволяет определить площадь их поперечного сечения, при которой потеря напряжения и нагревание проводов будут в пределах нормы.

Обычно сечение проводов и кабелей на нагрев проверяется по таблицам допустимых токовых нагрузок из ПУЭ. Если сечение не подходит по условиям нагрева, следует выбрать большее сечение, которое удовлетворяет этим требованиям.

Установки нагрева сопротивлением

Основными элементами электропечей являются электрические нагревательные элементы и теплоизоляционное устройство, предотвращающее потери тепла в окружающее пространство. В качестве материала для электрических нагревательных элементов используются жароупорные неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением (уголь, графит, карборунд) и металлические материалы (нихром, константан, фехраль и т. п.).

Применение материалов с высоким удельным сопротивлением ρ позволяет конструировать нагревательные элементы с большой площадью поперечного сечения и поверхности, а выбор материалов, обладающих небольшим коэффициентом расширения α, обеспечивает неизменяемость геометрических размеров элемента при нагреве.

Нагревательные элементы из материалов типа графита изготавливаются в виде стержней с трубчатым или сплошным сечением. Металлические нагревательные элементы изготовляются в виде проволоки или ленты.

Использование плавких предохранителей

Для защиты проводов электрической цепи от токов, превышающих допустимые значения, применяются автоматические выключатели и плавкие предохранители различных типов. В принципе плавкий предохранитель представляет собой участок электрической цепи с малой термической устойчивостью.

Плавкую вставку предохранителя обычно выполняют в виде короткого проводника малого сечения из материала с хорошей проводимостью (медь, серебро) или проводника с относительно высоким удельным сопротивлением (свинец, олово). При увеличении тока сверх значения, на которое рассчитана плавкая вставка, последняя перегорает и отключает защищаемый ею участок цепи или токоприемник.