Удельное сопротивление проводящего материала зависит от: единицы измерения, буква для обозначения

Содержание

Удельное сопротивление и сверхпроводимость

Публикации по материалам Д. Джанколи. «Физика в двух томах» 1984 г. Том 2.

На опыте установлено, что сопротивление R металлического проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади его поперечного сечения А:

R = ?L/А       (26.4)

где коэффициент ? называется удельным сопротивлением и служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник. Это соответствует здравому смыслу: сопротивление толстого провода должно быть меньше, чем тонкого, поскольку в толстом проводе электроны могут перемещаться по большей площади. И можно ожидать роста сопротивления с увеличением длины проводника, так как увеличивается количество препятствий на пути потока электронов.

Типичные значения ? для разных материалов приведены в первом столбце табл. 26.2. (Реальные значения зависят от чистоты вещества, термической обработки, температуры и других факторов.)

Таблица 26.2.
Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (при 20 °С)
Вещество Удельное сопротивление ?,Ом·м ТКС ?,°C-1
Проводники
Серебро 1,59·10-8 0,0061
Медь 1,68·10-8 0,0068
Алюминий 2,65·10-8 0,00429
Вольфрам 5,6·10-8 0,0045
Железо 9,71·10-8 0,00651
Платина 10,6·10-8 0,003927
Ртуть 98·10-8 0,0009
Нихром (сплав Ni, Fe, Сг) 100·10-8 0,0004
Полупроводники 1)
Углерод (графит) (3-60)·10-5 -0,0005
Германий (1-500)·10-5 -0,05
Кремний 0,1 — 60 -0,07
Диэлектрики
Стекло 109 — 1012
Резина твердая 1013 — 1015
1) Реальные значения сильно зависят от наличия даже малого количества примесей.

 

Самым низким удельным сопротивлением обладает серебро, которое оказывается, таким образом, наилучшим проводником; однако оно дорого. Немногим уступает серебру медь; ясно, почему провода чаще всего изготовляют из меди.

Удельное сопротивление алюминия выше, чем у меди, однако он имеет гораздо меньшую плотность, и в некоторых случаях ему отдают предпочтение (например, в линиях электропередач), поскольку сопротивление проводов из алюминия той же массы оказывается меньше, чем у медных. Часто пользуются величиной, обратной удельному сопротивлению: 

? = 1/?       (26.5)

 ? называемой удельной проводимостью. Удельная  проводимость измеряется в единицах (Ом·м) -1

Удельное сопротивление вещества зависит от  температуры. Как правило, сопротивление металлов возрастает с температурой. Этому не следует удивляться: с  повышением температуры атомы движутся быстрее, их  расположение становится менее упорядоченным, и можно ожидать, что они будут сильнее мешать движению потока электронов. В узких диапазонах изменения температуры удельное сопротивление металла увеличивается с  температурой практически линейно: 

 

 где ?T — удельное сопротивление при температуре Т?0 — удельное сопротивление при стандартной  температуре Т0, а — температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Значения а приведены в табл. 26.2. Заметим, что у полупроводников ТКС может быть отрицательным. Это очевидно, поскольку с ростом температуры увеличивается число свободных электронов и они улучшают проводящие свойства вещества. Таким образом, сопротивление  полупроводника с повышением температуры может  уменьшаться (хотя и не всегда). 

Значения а зависят от температуры, поэтому следует обращать внимание на диапазон температур, в пределах которого справедливо данное значение (например, по справочнику физических величин). Если диапазон  изменения температуры окажется широким, то линейность будет нарушаться, и вместо (26.6) надо использовать выражение, содержащее члены, которые зависят от  второй и третьей степеней температуры:

?T = ?0(1++ + 2 + 3),

где коэффициенты ? и ? обычно очень малы (мы положили Т0 = 0°С), но при больших Т вклад этих членов становится существенным. 

При очень низких температурах удельное  сопротивление некоторых металлов, а также сплавов и соединений падает в пределах точности современных измерений до нуля. Это свойство называют сверхпроводимостью;  впервые его наблюдал нидерландский физик Гейке Камер-линг-Оннес (1853-1926) в 1911 г. при охлаждении ртути ниже 4,2 К. При этой температуре электрическое  сопротивление ртути внезапно падало до нуля.  

Сверхпроводники переходят в сверхпроводящее состояние ниже  температуры перехода, составляющей обычно несколько градусов Кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Наблюдался электрический ток в сверхпроводящем кольце, который практически не ослабевал в отсутствие напряжения в течение нескольких лет.

 В последние годы сверхпроводимость интенсивно  исследуется с целью выяснить ее механизм и найти  материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высоких температурах, чтобы уменьшить стоимость и неудобства, обусловленные необходимостью охлаждения до очень низких температур. Первую успешную теорию сверхпроводимости создали Бардин, Купер и Шриффер в 1957 г. Сверхпроводники уже используются в больших  магнитах, где магнитное поле создается электрическим током (см. гл. 28), что значительно снижает расход  электроэнергии. Разумеется, для поддержания сверхпроводника при низкой температуре тоже затрачивается энергия.

Продолжение следует: Мощность.

Альтернативные статьи: Электрический ток, Закон Ома.



Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Удельное сопротивление: характеристики, особенности, материалы

Удельное сопротивление – это свойство материала, характеризующее его способность препятствовать прохождению электрического тока.

Характеристики электротехнических материалов

Главной характеристикой в электротехнике считается удельная электропроводность, измеряемая в См/м. Она служит коэффициентом пропорциональности между вектором напряжённости поля и плотностью тока. Обозначается часто греческой буквой гамма γ. Удельное сопротивление признано величиной, обратной электропроводности. В результате формула, упомянутая выше, обретает вид: плотность тока прямо пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды. Единицей измерения становится Ом м.

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд. Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине – подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано. С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

  1. У проводников – менее 1/10000 Ом м.
  2. У диэлектриков – свыше 100 млн. Ом м.
  3. Полупроводники по значениям удельного сопротивления находятся между диэлектриками и проводниками.

Эти значения характеризуют исключительно способность тела сопротивляться прохождению электрического тока и не влияют на прочие аспекты (упругость, термостойкость). К примеру, магнитные материалы бывают проводниками, диэлектриками и полупроводниками.

Как образуется в материале проводимость

В современной физике сопротивление и проводимость принято объяснять зонной теорией. Она применима для твёрдых кристаллических тел, атомы решётки которого принимаются неподвижными. Согласно указанной концепции энергия электронов и прочих типов носителей заряда определяется установленными правилами. Выделяют три основные зоны, присущие материалу:

  • Валентная зона содержит электроны, связанные с атомами. В этой области энергия электронов градируется ступенями, а число уровней ограничено. Внешняя из слоёв атома.
  • Запрещённая зона. В этой области носители заряда находиться не вправе. Служит границей раздела двух других зон. У металлов часто отсутствует.
  • Свободная зона расположена выше двух предыдущих. Здесь электроны участвуют свободно в создании электрического тока, а энергия любая. Нет уровней.

Диэлектрики характеризуются высочайшим расположением свободной зоны. При любых мыслимых на Земле естественных условиях материалы электрический ток не проводят. Велика ширина и запрещённой зоны. У металлов масса свободных электронов. А валентная зона одновременно считается областью проводимости – запрещённых состояний нет. В результате подобные материалы обладают малым удельным сопротивлением.

Расчёт уд. сопротивления

На границе контактов атомов образуются промежуточные энергетические уровни, возникают необычные эффекты, используемые физикой полупроводников. Неоднородности создаются намеренно внедрением примесей (акцепторов и доноров). В результате образуются новые энергетические состояния, проявляющие в процессе протекания электрического тока новые свойства, которыми не владел исходный материал.

У полупроводников ширина запрещённой зоны невелика. Под действием внешних сил электроны способны покидать валентную область. Причиной становится электрическое напряжение, нагрев, облучение, прочие типы воздействий. У диэлектриков и полупроводников по мере понижения температуры электроны переходят на пониженные уровни, в результате валентная зона заполняется, а зона проводимости остаётся свободна. Электрический ток не течёт. В соответствии с квантовой теорией класс полупроводников характеризуется как материалы с шириной запрещённой зоны менее 3 эВ.

Энергия Ферми

Важное место в теории проводимости, объяснениях явлений, происходящих в полупроводниках, занимает энергия Ферми. Скрытности добавляют туманную определения термина в литературе. В зарубежной литературе говорится, что уровень Ферми – некое значение в эВ, а энергия Ферми – разница между ним и наименьшим в кристалле. Приведём избранные общие и понятные предложения:

  1. Уровень Ферми – максимальный из всех, присущих электрону в металлах при температуре 0 К. Следовательно, энергией Ферми считается разница между этой цифрой и минимальным уровнем при абсолютном нуле.
  2. Энергетический уровень Ферми – вероятность нахождения электронов составляет 50% при всех температурах, кроме абсолютного нуля.

Энергия Ферми определятся исключительно для температуры 0 К, тогда как уровень существует при любых условиях. В термодинамике понятие характеризует полный химический потенциал всех электронов. Уровень Ферми определяют как работу, затраченную на дополнение объекта единственным электроном. Параметр определяет проводимость материала, помогает понять физику полупроводников.

Уровень Ферми не обязательно существует физически. Известны случаи, когда место пролегания находилось в середине запрещённой зоны. Физически уровень не существует, там нет электронов. Однако параметр заметен при помощи вольтметра: разница потенциалов между двумя точками цепи (показания на дисплее) пропорциональна разнице уровней Ферми этих точек и обратно пропорциональна заряду электрона. Простая зависимость. Допустимо увязать эти параметры с проводимостью и удельным сопротивлением, пользуясь законом Ома для участка цепи.

Материалы с низким удельным сопротивлением

К проводникам относят большинство металлов, графит, электролиты. Такие материалы обладают низким удельным сопротивлением. В металлах положительно заряженные ионы образуют узлы кристаллической решётки, окружённые облаком электронов. Их принято называть общими за вхождение в состав зоны проводимости.

Хотя не до конца понятно, что такое электрон, его принято описывать как частицу, движущуюся внутри кристалла с тепловой скоростью в сотни км/с. Это намного больше, чем нужно, чтобы вывести космический корабль на орбиту. Одновременно скорость дрейфа, образующая электрический ток под действием вектора напряжённости, едва достигает сантиметра в минуту. Поле распространяется в среде со скоростью света (100 тыс. км/ с).

В результате указанных соотношений становится возможным выразить удельную проводимость через физические величины (см. рисунок):

Формула для расчётов

  • Заряд электрона, e.
  • Концентрация свободных носителей, n.
  • Масса электрона, me.
  • Тепловая скорость носителей,
  • Длина свободного пробега электрона, l.

Уровень Ферми для металлов лежит в пределах 3 – 15 эВ, а концентрация свободных носителей почти не зависит от температуры. Поэтому удельная проводимость, а значит, и сопротивление определяется строением молекулярной решётки и её близостью к идеалу, свободой от дефектов. Параметры определяют длину свободного пробега электронов, легко найти в справочниках, если требуется произвести вычисления (к примеру, с целью определения удельного сопротивления).

Лучшей проводимостью обладают металлы с кубической решёткой. Сюда относят и медь. Переходные металлы характеризуются гораздо большим удельным сопротивлением. Проводимость падает с ростом температуры и при высоких частотах переменного тока. В последнем случае наблюдается скин-эффект. Зависимость от температуры линейная выше некого предела, носящего имя нидерландского физика Петера Дебая.

Отмечаются и не столь прямолинейные зависимости. К примеру, температурная обработка стали повышает количество дефектов, что закономерно снижает удельную проводимость материала. Исключением из правила стал отжиг. Процесс снижает плотность дефектов, что за счёт чего удельное сопротивление уменьшается. Яркое влияние оказывает деформация. Для некоторых сплавов механическая обработка приводит к заметному повышению удельного сопротивления.

Объёмное представление свойства

Материалы с высоким удельным сопротивлением

Порой требуется специально удельное сопротивление повысить. Подобная ситуация встречается в случаях с нагревательными приборами и резисторами электронных схем. Вот тогда приходит черед сплавов с высоким удельным сопротивлением (более 0,3 мкОм м). При использовании в составе измерительных приборов предъявляется требование минимального потенциала на границе стыковки с медным контактом.

Наибольшую известность получил нихром. Нередко нагревательные приборы конструируют из дешёвого фехраля (хрупкий, но дешёвый). В зависимости от назначения в сплавы входит медь, марганец и прочие металлы. Это дорогое удовольствие. К примеру, резистор из манганина стоит 30 центов на Алиэкспресс, где цены традиционно ниже магазинных. Встречается даже сплав палладия с иридием. О цене материала не следует говорить вслух.

Резисторы печатных плат часто изготавливают из чистых металлов в виде плёнок методом напыления. Массово применяются хром, тантал, вольфрам, сплавы, среди прочего, нихром.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

  1. Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
  2. Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
  3. Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.
  4. Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.

«Особенности измерения удельного и поверхностного сопротивления четырехзондовым методом»

Основные определения

Удельное электрическое сопротивление является фундаментальным параметром, который определяет способность материала препятствовать протеканию через него электрического тока. В отличие от широко известного электрического сопротивления, которое зависит от формы и площади поперечного сечения, удельное сопротивление не зависит от геометрических размеров, а характеризует исключительно электропроводящие свойства материала.

Ниже приведен закон Ома в классическом и дифференциальном видах:

где I — сила тока, U — напряжение, R — электрическое сопротивление, j ⃗ — вектор плотности тока, E ⃗ — вектор напряженности электрического поля, ρ — удельное электрическое сопротивление.

Вторая формула применима для бесконечно малого объема, а потому наиболее удобна, когда мы исследуем новые материалы (в том числе анизотропные), такие как графен, углеродные нанотрубки и т.д. Как видно, единственным параметром, который отвечает за свойства самого материала, здесь является удельное электрическое сопротивление. В случае работы с тонкими слоями в полупроводниковом производстве также вводится понятие поверхностного сопротивления, связь которого с удельным сопротивлением рассмотрена ниже.

Электрическое сопротивление однородного образца, представленного на РИС 1, определяется следующим образом:


где R — электрическое сопротивление [Ом], S — площадь поперечного сечения, d — толщина материала, w — ширина, l — длина.

Если мы возьмем квадрат поверхности материала, то есть l=w, то из выражения (3) получим соотношения для поверхностного сопротивления:


где R — поверхностное сопротивление [Ом/] (Ом на квадрат). Другими словами, поверхностное сопротивление представляет собой сопротивление квадратного участка поверхности материала толщиной d. Причем оно не зависит от величины сторон этого квадрата. Понятие поверхностного сопротивления также применимо и для неоднородно легированных слоев. С помощью данного параметра можно определить исходное качество материала, выявить проблемы технологического процесса при проведении межоперационного контроля отдельных слоев, а также осуществить выходной контроль качества материала.

Методы измерения

На сегодняшний день существуют два основных метода измерения поверхностного сопротивления:

  • четырехзондовый метод Кельвина;
  •  бесконтактный вихретоковый метод.

Вихретоковый метод предполагает взаимодействие образца с электромагнитным полем, которое формируется генератором (как правило, это индуктивная катушка). Возбуждаемые в образце вихревые токи в свою очередь создают электромагнитное поле, которое действует на индуктивную катушку, изменяя ее полное электрическое сопротивление (РИС 2). Таким образом можно определить поверхностное сопротивление образцов. Преимуществами данного метода являются отсутствие контакта с исследуемым образцом, высокая пропускная способность и высокое разрешение. В качестве недостатков можно отметить невысокую точность измерений (погрешность ~10 %) и малый диапазон измерения сопротивления — этот метод преимущественно используется для проводящих образцов.

Поэтому оборудование, построенное на данном принципе, применяется в основном для in-line контроля при больших объемах производства.

Четырехзондовый метод Кельвина предполагает использование специальной измерительной головы с четырьмя иглами (РИС 3). Через крайние иглы (1 и 4) течет измерительный ток, через иглы 2 и 3 выполняется измерение напряжения с образца. Все иглы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Данный метод позволяет значительно расширить диапазон измерения в область малых значений сопротивления за счет использования четырехпроводной схемы подключения и отсутствия падения напряжения на измерительных кабелях. Кроме того, он также может применяться для диэлектрических материалов с высоким значением сопротивления (~ МОм). Точность измерений данным методом может быть лучше ±1 %, а воспроизводимость ±0,1 %.

К основным недостаткам данного метода относятся:

  • наличие непосредственного контакта с образцом: иглы измерительной головы могут оставлять царапины или проколы измеряемого слоя;
  • нагрев образца вследствие протекания измерительного тока;
  • изменение расстояния между иглами измерительной головы вследствие её износа;
  • термо-ЭДС из-за неидеальности контактов и неоднородности образца.

Эти недостатки могут быть устранены с помощью некоторых методик, которые мы рассмотрим отдельно более подробно:

  • Повреждение образца можно минимизировать путем подбора механических параметров измерительной головы, таких как радиус закругления и усилие прижатия игл. К примеру, при измерении параметров кремниевых пластин оптимальным вариантом будет использование диаметра закругления игл 40 мкм, а усилия прижатия 200 г. Это связано с необходимостью создания надежного электрического контакта при наличии естественного слоя окисла. При проведении тестирования более мягких материалов, например ITO, желательно использовать иглы с большим радиусом закругления (500 мкм) и меньшим усилием прижатия (25 г).
  • Для уменьшения нагрева образца рекомендуется использовать импульсный режим измерения и такой уровень измерительного тока, который не позволит существенно разогреть образец за время измерения. На практике выбор величины тока обусловлен чувствительностью измерителя напряжения либо точностью источника тока. Как правило, большинство измерителей способны точно регистрировать сигналы порядка мВ. Поэтому для материалов, поверхностное сопротивление которых лежит в диапазоне от единиц Ом/ до сотен кОм/, существует эмпирическое правило устанавливать измерительный ток такой величины, которая создаст падение напряжения на внутренних иглах от 7 до 15 мВ. Однако в случае проводящих материалов (мОм/ и менее) достичь указанного падения напряжения можно только при использовании довольно большого тока, что провоцирует нагрев образца. При измерении же высокорезистивных материалов (МОм/ и более) напряжение в несколько мВ требует протекания тока величиной порядка нА, который может быть искажен внешними электромагнитными наводками. Оба пограничных варианта решаются по-разному в зависимости от тестируемого материала. Однако обобщенное правило для любого случая — это выбирать ток, который одновременно обеспечит наибольшее падение напряжения между иглами и не создаст значительного разогрева образца.
  • Для тонкого образца формула для расчета поверхностного сопротивления в общем случае выглядит следующим образом:


где V23 — напряжение между иглами 2 и 3, I14 — измерительный ток.

В данной формуле нет параметра, отвечающего за расстояние между иглами, — он сокращается, если этот параметр одинаков для всех игл. Поэтому если в ходе эксплуатации измерительной головы расстояние между иглами со временем изменяется, то это значительно влияет на результат измерения. Более того, ни один изготовитель измерительных голов не может обеспечить одинаковое расстояние между иглами с учетом того, что они являются подпружиненными, из-за чего фактическое расстояние в момент контактирования может меняться. В этом случае согласно ГОСТу 24392-80 и ASTM F84-99 необходимо провести замер реального расстояния между иглами в момент контакта. Для этого осуществляется серия контактов с образцом и проводятся замеры фактического расстояния между иглами по следам игл на поверхности образца. Полученная информация позволяет рассчитать эффективное значение межзондового расстояния и увеличить точность измерения. Такого рода измерения необходимо проводить время от времени, чтобы понимать текущее состояние измерительной головы. Более того, сама система перемещения головы должна обеспечивать строго перпендикулярное расположение игл на образце, исключая латеральное перемещение по образцу и его царапание, как показано на РИС 4в.

Для получения более достоверных результатов при измерении распределения поверхностного сопротивления по поверхности пластины часто прибегают к использованию одной из разновидностей четырехзондового метода — метода самокомпенсации геометрических эффектов (ASTM F1529). Этот метод имеет следующие преимущества:

  • снижение влияния краевых эффектов до 0,1 % по сравнению с измерениями в центре;
  • не требуется информация о диаметре образца и точных координатах размещения измерительной головы на образце: поправочный коэффициент непосредственно рассчитывается с помощью двух схем измерения, представленных на РИС 5.
  • процедуру измерения расстояния между иглами можно исключить, так как отклонения в расположении игл некритичны, как в традиционном методе измерения.

Таким образом можно нивелировать негативное влияние износа измерительной головы.

Как известно, термо-ЭДС (VTEMF) возникает при контакте двух разнородных материалов, которые имеют разную температуру. Данное явление часто наблюдается при контакте измерительной головы и исследуемого образца. Более того, сам измеритель напряжения может иметь некоторое смещение относительно нуля (Vof). Оба этих эффекта приводят к появлению ошибки при измерениях. Чтобы ее исключить, в каждой точке на образце проводят два измерения с противоположными направлениями тока: сначала измеряют сопротивления при протекании тока от первой иглы к четвертой, а затем от четвертой к первой. Полученные два значения поверхностного сопротивления используются для нахождения среднего значения, которое исключает термо-ЭДС и смещение измерителя напряжения, поскольку обе эти величины не изменяются при смене направления тока. В итоге среднее значение поверхностного сопротивления рассчитывается по формуле:


Более подробно данную методику демонстрирует РИС 6.

Поверхностное сопротивление эпитаксиальных, легированных, диффузионных или осажденных пленок позволяет определить качество технологического процесса. Однородность характеристик слоя на поверхности подложки показывает расхождение параметров конечных кристаллов, взятых в разных местах на пластине. Именно поэтому очень важно иметь возможность строить карты распределения поверхностного сопротивления по всей поверхности образца. Традиционный четырехзондовый метод и метод самокомпенсации геометрических эффектов успешно справляются с этой задачей и являются наиболее распространенными способами, которые реализованы на сегодняшний день во множестве различных установок от разных производителей. Ниже мы рассмотрим основные типы установок и важные особенности, которые позволяют провести корректные и точные измерения электрофизических параметров образцов.

Измерительные комплексы

В советское время наиболее популярным был прибор ИУС-3 (РИС 7а). Данный прибор включает в себя четырехзондовую голову, способную плавно опускаться за счет своей тяжести. Встроенный источник-измеритель проводит измерение поверхностного сопротивления, которое может быть использовано для расчета удельного сопротивления в случае однородного образца. Основным недостатком такой системы является измерительная голова, которая в силу отсутствия на тот момент технологии подпружиненных пробников была реализована на плоских пружинах (РИС 7б). Изза этого головы быстро приходили в негодность, и на данный момент такие системы требуют замены в связи с отсутствием производства расходных элементов.

Однако современные технологии позволили создать более конкурентное решение, способное выполнять порядка миллиона контактирований с воспроизводимостью 20 мкм. На сегодняшний день компания Остек-Электро освоила производство измерительных голов для измерения поверхностного и удельного сопротивления четырехзондовым методом (РИС 8). Благодаря собственному производству такие параметры головы, как усилие прижатия, расстояние между иглами и радиус закругления игл могут быть подобраны под конкретные исследуемые материалы. В качестве игл используются надежные подпружиненные пробники от немецкой компании Ingun. Технология монтажа пробников предусматривает их установку в посадочную гильзу, исключающую люфт и латеральное перемещение иглы во время контакта. Такие измерительные головы также успешно применяются в автоматических установках.

В качестве преемника установки ИУС-3 ООО «Остек-Электро» успешно поставляет собственную разработку ИУС-7 (РИС 9). Установка содержит высокоточный источник-измеритель Keithley серии 2400 с базовой погрешностью 0,012 % (внесен в Госреестр СИ), ручное контактирующее устройство с возможностью плавной регулировки усилия прижатия и быстрой замены измерительной головы, персональный компьютер с программным обеспечением «Кристалл» (РИС 10). Программное обеспечение позволяет учесть конкретные размеры образца и рассчитать необходимые поправочные коэффициенты согласно стандарту ASTM F84-99. Функция автоматического протоколирования сохраняет измеренные данные с привязкой к месту измерения на образце и выводит всю необходимую статистику в отчете. Автоматическая подстройка тока исключает инжекцию неосновных носителей заряда в образец и нагрев образца во время измерения.

При необходимости установка может быть оснащена термостабилизированным столом. Данный программно-аппаратный комплекс полностью закрывает вопрос проведения измерений в ручном режиме.

Как уже было сказано ранее, для оценки качества технологического процесса необходимо получить распределение удельного и поверхностного сопротивления на всей поверхности образца. В этом случае требуются автоматические установки, способные перемещать измерительную голову либо стол и проводить измерения по заранее созданному рецепту без участия оператора. Установка SF-P1500 (РИС 11), разработанная ООО «Остек-Электро» совместно с тайваньской компанией Pomme Technologies, способна проводить измерения распределения поверхностного и удельного сопротивления в том числе методом самокомпенсации геометрических эффектов.

Образец располагается на столе c вакуумным прижимом. Перемещение измерительной головы по поверхности образца осуществляется с помощью прецизионных приводов. Важным здесь является надежный и воспроизводимый контакт с образцом, так как это напрямую связано с точностью измерений: прохождение игл сквозь исследуемый слой вследствие чрезмерного прижатия может привести к получению ошибочных измерений и повреждению самого образца. Кроме высокоточного перемещения требуется также изолировать образец от внешних вибраций. Для этих целей используется специальное виброизоляционное основание на воздушных подушках.

Фотопроводимость и фотоэффект могут значительно влиять на результаты измерений при работе с высокорезистивными полупроводниковыми слоями. Чтобы исключить влияние этих эффектов, образец располагается внутри камеры, которая ослабляет воздействие света и внешних электромагнитных полей. Кроме того, все измерительные кабели экранированы и расположены отдельно от кабелей питания.

В программном обеспечении с русскоязычным интерфейсом оператор создает тестовый рецепт, в котором указывает необходимое количество точек на образце, величину измерительного тока, температуру стола и т. д. Затем установка в автоматическом режиме производит измерения согласно рецепту и рассчитывает удельное и поверхностное сопротивление в соответствии со стандартами ASTM и SEMI. Полученные данные подвергаются статистической обработке. Результат измерений представляется в виде таблицы или как 3D/2D-диаграмма (РИС 12).

Помимо измерения удельного и поверхностного сопротивления установка SF-P1500 имеет опцию встроенного термостатирующего стола. Температурный диапазон может быть подобран в зависимости от решаемой задачи. С помощью этой опции удается замерить не только удельное и поверхностное сопротивление, но и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который позволяет получить дополнительную информацию об образце при различных температурах.

С точки зрения метрологии как ручные, так и полуавтоматические установки являются комплексным средством измерения, которое состоит из источника-измерителя, соединительных кабелей и измерительной головы. Поэтому даже если источник-измеритель внесен в Госреестр СИ, необходимо непосредственно убедиться, что результаты измерений не искажаются наводками в кабелях или неправильным расположением игл на образце. Это возможно с помощью использования стандартных образцов. Желательно, чтобы стандартный образец как можно больше соответствовал по характеристикам реальным образцам, на которых проводятся измерения. По результатам аттестации на каждый образец выдается сертификат, который подтверждает его электрофизические параметры в течении определенного срока. После этого срока образец должен пройти периодическую аттестацию. ООО «Остек-Электро» совместно с российскими предприятиями изготавливает и проводит аттестацию стандартных образцов для установок по измерению удельного и поверхностного сопротивления. При наличии такого образца можно соотнести результаты измерения на установке с аттестационными данными и сделать выводы относительно правильности измерений. Более того, при использовании термостабилизирующего стола возникает дополнительный источник погрешности, связанный с температурой самого образца: так как образец обладает толщиной, то верхний его слой всегда будет иметь отличную от стола температуру. В этом случае используется специальный резистор, изготовленный на теплопроводящей подложке, имитирующей подложку исследуемого образца (РИС 13). Его аттестация проходит в камере тепла-холода, где исключается наличие неравномерного нагрева. После этого терморезистор располагается непосредственно на столе и производятся измерения ТКС с помощью установки. Сопоставив полученные результаты измерения ТКС в камере тепла-холода и на термостатирующем столе, можно оценить влияние градиента температуры по толщине образца и точность установки температуры стола на результаты измерения.

Выводы

Несмотря на кажущуюся простоту четырехзондового метода измерения удельного и поверхностного сопротивлений возникает множество трудностей при его реализации на практике. Мы рассмотрели основные моменты, на которые стоит обратить внимание при выборе оборудования, а также способы оценки погрешности результатов измерения. Однако при работе с определенными материалами могут возникать дополнительные нежелательные затруднения. В этом случае перед выбором конкретной установки рекомендуется провести реальные измерения, на основании которых подобрать обеспечивающую достоверные измерения конфигурацию. Такой подход позволит сэкономить и деньги, и время.

ООО «Остек-Электро» обладает многолетним опытом в поставке программно-аппаратных комплексов для измерения удельного и поверхностного сопротивлений: начиная от собственной разработки и сборки измерительных голов и заканчивая написанием программного обеспечения для автоматических установок. Компания имеет необходимое оборудование в своем демонстрационном зале, что позволяет увидеть и провести замеры на реальных образцах. Высококвалифицированные инженеры помогут подобрать необходимые опции или разработать необходимые узлы непосредственно под конкретные требования. Именно такой подход позволит безошибочно найти лучшее решение, особенно для нестандартных задач.


Материалы имеющие высокое удельное электрическое сопротивление называются. Удельные электрические сопротивления различных сред

Для каждого проводника существует понятие удельного сопротивления. Эта величина состоит из Омов, умножаемых на квадратный миллиметр, далее, делимое на один метр. Иными словами, это сопротивление проводника, длина которого составляет 1 метр, а сечение — 1 мм 2 . То же самое представляет собой и удельное сопротивление меди — уникального металла, получившего широкое распространение в электротехнике и энергетике.

Свойства меди

Благодаря своим свойствам этот металл одним из первых начал применяться в области электричества. Прежде всего, медь является ковким и пластичным материалом с отличными свойствами электропроводимости. До сих пор в энергетике нет равноценной замены этому проводнику.

Особенно ценятся свойства специальной электролитической меди, обладающей высокой чистотой. Этот материал позволил выпускать провода с минимальной толщиной в 10 микрон.

Кроме высокой электропроводности, медь очень хорошо поддается лужению и другим видам обработки.

Медь и ее удельное сопротивление

Любой проводник оказывает сопротивление, если через него пропустить электрический ток. Значение зависит от длины проводника и его сечения, а также от действия определенных температур. Поэтому, удельное сопротивление проводников зависит не только от самого материала, но и от его определенной длины и площади поперечного сечения. Чем легче материал пропускает через себя заряд, тем ниже его сопротивление. Для меди, показатель удельного сопротивления составляет 0,0171 Ом х 1 мм 2 /1 м и лишь немного уступает серебру. Однако, использование серебра в промышленных масштабах экономически невыгодно, поэтому, медь является лучшим проводником, используемым в энергетике.

Удельное сопротивление меди связано и с ее высокой проводимостью. Эти величины прямо противоположны между собой. Свойства меди, как проводника, зависят и от температурного коэффициента сопротивления. Особенно, это касается сопротивление, на которое оказывает влияние температура проводника.

Таким образом, благодаря своим свойствам, медь получила широкое распространение не только в качестве проводника . Этот металл используется в большинстве приборов, устройств и агрегатов, функционирование которых связано с электрическим током.

Электрический ток возникает в результате замыкания цепи с разностью потенциалов на зажимах. Силы поля воздействуют на свободные электроны и они перемещаются по проводнику. В процессе этого путешествия, электроны встречаются с атомами и передают им часть своей накопившейся энергии. В результате этого их скорость уменьшается. Но, из-за воздействия электрического поля, она снова набирает обороты. Таким образом, электроны постоянно испытывают на себе сопротивление, именно поэтому электрический ток нагревается.

Свойство вещества, превращать электроэнергию в тепло во время воздействия тока, и является электрическим сопротивлением и обозначается, как R, его измерительной единицей является Ом. Величина сопротивления зависит, главным образом от способности различных материалов проводить ток.
Впервые, о сопротивляемости заявил немецкий исследователь Г. Ом.

Для того, чтобы узнать зависимость силы тока от сопротивления, известный физик провел множество экспериментов. Для опытов он использовал различные проводники и получал различные показатели.
Первое, что определил Г. Ом — это то, что удельное сопротивление зависит от длинны проводника. То есть, если увеличивалась длинна проводника, сопротивление тоже увеличивалось. В результате, эта связь была определена, как прямо пропорциональная.

Вторая зависимость — это площадь поперечного сечения. Её можно было определить путем поперечного среза проводника. Площадь той фигуры, что образовалась на срезе и есть площадь поперечного сечения. Здесь связь получилась обратно пропорциональная. То есть чем больше была площадь поперечного сечения, тем меньше становилось сопротивление проводника.

И третья, важная величина, от которой зависит сопротивление, это материал. В результате того, что Ом использовал в опытах различные материалы, он обнаружил различные свойства сопротивляемости. Все эти опыты и показатели были сведены в таблицу из которой видно, различное значение удельной сопротивляемости у различных веществ.

Известно, что самые лучшие проводники — металлы. А какие из металлов лучшие проводники? В таблице показано, что наименьшей сопротивляемостью обладают медь и серебро. Медь используется чаще из-за меньшей стоимости, а серебро применяют в наиболее важных и ответственных приборах.

Вещества с высоким удельным сопротивлением в таблице, плохо проводят электрический ток, а значит могут быть прекрасными изоляционными материалами. Вещества обладающие этим свойством в наибольшей степени, это фарфор и эбонит.

Вообще, удельное электрическое сопротивление является очень важным фактором, ведь, определив его показатель, мы можем узнать из какого вещества сделан проводник. Для этого необходимо измерить площадь сечения, узнать силу тока с помощью вольтметра и амперметра, а также измерить напряжение. Таким образом мы узнаем значение удельного сопротивления и, с помощью таблицы легко выйдем на вещество. Получается, что удельное сопротивление — это в роде отпечатков пальцев вещества. Кроме этого, удельное сопротивление важно при планировании длинных электрических цепей: нам необходимо знать этот показатель, чтобы соблюдать баланс между длинной и площадью.

Есть формула, определяющая, что сопротивление равно 1 ОМ, если при напряжении 1В, его сила тока равняется 1А. То есть, сопротивление единичной площади и единичной длинны, сделанного из определенного вещества и есть удельное сопротивление.

Надо отметить также, что показатель удельного сопротивления напрямую зависит от частоты вещества. То есть от того имеет ли он примеси. Та, добавление всего одного процента марганца увеличивает сопротивляемость самого проводящего вещества — меди, в три раза.

Эта таблица демонстрирует величину удельного электрического сопротивления некоторых веществ.



Материалы с высокой проводимостью

Медь
Как мы уже говорили медь чаще всего применяется в качестве проводника. Это объясняется не только её низкой сопротивляемостью. Медь имеет такие преимущества, как высокая прочность, стойкость к коррозии, легкость в использовании и хорошая обрабатываемость. Хорошими марками меди считается М0 и М1. В них количество примесей не превышает 0,1%.

Высокая стоимость металла и его преобладающая в последнее время дефицитность побуждает производителей применять в качестве проводника алюминий. Также, используются сплавы меди с различными металлами.
Алюминий
Этот металл значительно легче меди, но алюминий обладает большими значениями теплоемкости и температуры плавления. В связи с этим для того, что довести его до расплавленного состояния требуется больше энергии, чем меди. Тем не менее нужно учитывать факт дефицитности меди.
В производстве электротехнических изделий применяется, как правило, алюминий марки А1. Он содержит не более 0,5% примесей. А металл наивысшей частоты — это алюминий марки АВ0000.
Железо
Дешевизна и доступность железа омрачается его высокой удельной сопротивляемостью. Кроме того, она быстро подвергается коррозии. По этой причине стальные проводники часто покрывают цинком. Широко используется так называемый биметалл — это сталь покрытая для защиты медью.
Натрий
Натрий, тоже доступный и перспективный материал, но его сопротивляемость почти в три раза больше меди. Кроме того, металлический натрий обладает высокой химической активностью, что обязывает покрывать такой проводник герметичной защитой. Она же должна защищать проводник от механических повреждений, так как натрий очень мягкий и достаточно непрочный материал.

Сверхпроводимость
В таблице ниже, указано удельное сопротивление веществ при температуре 20 градусов. Указание температуры неслучайно, ведь удельное сопротивление напрямую зависит от этого показателя. Это объясняется тем, что при нагревании, повышается и скорость атомов, а значит вероятность встречи их с электронами тоже увеличится.


Интересно, что происходит с сопротивляемостью в условиях охлаждения. Впервые поведение атомов при очень низких температурах заметил Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году. Он охладил ртутную проволоку до 4К и обнаружил падение её сопротивляемости до нуля. Изменение показателя удельной сопротивляемости у некоторых сплавов и металлов в условиях низкой температуры, физик назвал сверхпроводимостью.

Сверхпроводники переходят в состояние сверхпроводимости при охлаждении, и, при этом их оптические и структурные характеристики не меняются. Главное открытие состоит в том, что электрические и магнитные свойства металлов в сверхпроводящем состоянии сильно отличаются от их же свойств в обычном состоянии, а также от свойств других металлов, которые при понижении температуры не могут переходить в это состояние.
Применение сверхпроводников осуществляется, главным образом, в получении сверхсильного магнитного поля, сила которого достигает 107 А/м. Также разрабатываются системы сверхпроводящих линий электропередач.

Похожие материалы.

Что такое удельное сопротивление вещества? Чтобы ответить простыми словами на этот вопрос, нужно вспомнить курс физики и представить физическое воплощение этого определения. Через вещество пропускается электрический ток, а оно, в свою очередь, препятствует с какой-то силой прохождению тока.

Понятие удельного сопротивления вещества

Именно эта величина, которая показывает насколько сильно препятствует вещество току и есть удельное сопротивление (латинская буква «ро»). В международной системе единиц сопротивление выражается в Омах , умноженных на метр. Формула для вычисления звучит так: «Сопротивление умножается на площадь поперечного сечения и делится на длину проводника».

Возникает вопрос: «Почему при нахождении удельного сопротивления используется еще одно сопротивление?». Ответ прост, есть две разных величины — удельное сопротивление и сопротивление. Второе показывает насколько вещество способно препятствовать прохождению через него тока, а первое показывает практически то же самое, только речь идет уже не о веществе в общем смысле, а о проводнике с конкретной длиной и площадью сечения, которые выполнены из этого вещества.

Обратная величина, которая характеризует способность вещества пропускать электричество именуется удельной электрической проводимостью и формула по которой вычисляется удельная сопротивляемость напрямую связана с удельной проводимостью.

Применение меди

Понятие удельного сопротивления широко применяется в вычисление проводимости электрического тока различными металлами. На основе этих вычислений принимаются решения о целесообразности применения того или иного металла для изготовления электрических проводников, которые используются в строительстве, приборостроении и других областях.

Таблица сопротивления металлов

Существуют определенные таблицы? в которых сведены воедино имеющиеся сведения о пропускании и сопротивлении металлов, как правило, эти таблицы рассчитаны для определенных условий.

В частности, широко известна таблица сопротивления металлических монокристаллов при температуре двадцать градусов по Цельсию, а также таблица сопротивления металлов и сплавов.

Этими таблицами пользуются для вычисления различных данных в так называемых идеальных условиях, чтобы вычислить значения для конкретных целей нужно пользоваться формулами.

Медь. Ее характеристики и свойства

Описание вещества и свойства

Медь — это металл, который очень давно был открыт человечеством и также давно применяется для различных технических целей. Медь очень ковкий и пластичный металл с высокой электрической проводимостью, это делает ее очень популярной для изготовления различных проводов и проводников.

Физические свойства меди:

  • температура плавления — 1084 градусов по Цельсию;
  • температура кипения — 2560 градусов по Цельсию;
  • плотность при 20 градусах — 8890 килограмм деленный на кубический метр;
  • удельная теплоемкость при постоянном давлении и температуре 20 градусов — 385 кДж/Дж*кг
  • удельное электрическое сопротивление — 0,01724;

Марки меди

Данный металл можно разделить на несколько групп или марок, каждая из которых имеет свои свойства и свое применение в промышленности:

  1. Марки М00, М0, М1 — отлично подходят для производства кабелей и проводников, при ее переплавке исключается перенасыщение кислородом.
  2. Марки М2 и М3 — дешевые варианты, которые предназначены для мелкого проката и удовлетворяют большинству технических и промышленных задач небольшого масштаба.
  3. Марки М1, М1ф, М1р, М2р, М3р — это дорогие марки меди, которые изготавливаются для конкретного потребителя со специфическими требованиями и запросами.

Между собой марки отличаются по нескольким параметрам:

Влияние примесей на свойства меди

Примеси могут влиять на механические, технические и эксплуатационные свойства продукции.

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

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. 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.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.

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

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 и называемую, проводимостью.

Электрической проводимостью 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.

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

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. 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 мм2. 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 мм2 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.



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 площадь поперечного сечения проводника :

R = р l / S ,

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 = π d 2 / 4

Где π — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

l = S R / p ,

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:

S = р l / R

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

р = R S / l

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.

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

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.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 ом сантиметр [Ом·см] = 0,01 ом метр [Ом·м]

Исходная величина

Преобразованная величина

ом метр ом сантиметр ом дюйм микроом сантиметр микроом дюйм абом сантиметр статом на сантиметр круговой мил ом на фут ом кв. миллиметр на метр

Общие сведения

Как только электричество покинуло лаборатории учёных и стало широко внедряться в практику повседневной жизни, встал вопрос о поиске материалов, обладающих определёнными, порой совершенно противоположными, характеристиками по отношению к протеканию через них электрического тока.

Например, при передаче электрической энергии на дальнее расстояние, к материалу проводов предъявлялись требования минимизации потерь из-за джоулева нагрева в сочетании с малыми весовыми характеристиками. Примером тому являются всем знакомые высоковольтные линии электропередач, выполненные из алюминиевых проводов со стальным сердечником.

Или, наоборот, для создания компактных трубчатых электронагревателей требовались материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой термостойкостью. Простейшим примером прибора, в котором применяются материалы с подобными свойствами, может служить конфорка обыкновенной кухонной электроплиты.

От проводников, используемых в биологии и медицине в качестве электродов, зондов и щупов, требуется высокая химическая устойчивость и совместимость с биоматериалами в сочетании с малым контактным сопротивлением.

К разработке такого ныне привычного всем прибора, как лампа накаливания, свои усилия приложила целая плеяда изобретателей из разных стран: Англии, России, Германии, Венгрии и США. Томас Эдисон, проведя более тысячи опытов проверки свойств материалов, подходящих на роль нитей накала, создал лампу с платиновой спиралью. Лампы Эдисона, хотя и имели высокий срок эксплуатации, но не были практичными из-за высокой стоимости исходного материала.

Последующие работы русского изобретателя Лодыгина, предложившего использовать в качестве материалов нити относительно дешёвые тугоплавкие вольфрам и молибден с более высоким удельным сопротивлением, нашли практическое применение. К тому же Лодыгин предложил откачивать из баллонов ламп накаливания воздух, заменяя его инертными или благородными газами, что привело к созданию современных ламп накаливания. Пионером массового производства доступных и долговечных электрических ламп стала компания General Electric, которой Лодыгин переуступил права на свои патенты и далее успешно работал в лабораториях компании долгое время.

Этот перечень можно продолжать, поскольку пытливый человеческий ум настолько изобретателен, что порой для решения определённой технической задачи ему нужны материалы с невиданными доселе свойствами или с невероятными сочетаниями этих свойств. Природа уже не успевает за нашими аппетитами и учёные всех стран мира включились в гонку создания материалов, не имеющих природных аналогов.

Одной из важнейших характеристик как природных, так и синтезированных материалов является удельное электрическое сопротивление. Примером электрического прибора, в котором в чистом виде применяется это свойство, может служить плавкий предохранитель, защищающий нашу электро- и электронную аппаратуру от воздействия тока, превышающего допустимые значения.

При этом надо заметить, что именно самодельные заменители стандартных предохранителей, выполненные без знаний удельного сопротивления материала, порой служат причиной не только выгорания различных элементов электрических схем, но и возникновения пожаров в домах и возгорания проводки в автомобилях.

То же самое относится и к замене предохранителей в силовых сетях, когда вместо предохранителя меньшего номинала устанавливается предохранитель с большим номиналом тока срабатывания. Это приводит к перегреву электропроводки и даже, как следствие, к возникновению пожаров с печальными последствиями. Особенно это присуще каркасным домам.

Историческая справка

Понятие удельного электрического сопротивление появилось благодаря трудам известного немецкого физика Георга Ома, который теоретически обосновал и в ходе многочисленных экспериментов доказал связь между силой тока, электродвижущей силой батареи и сопротивлением всех частей цепи, открыв таким образом закон элементарной электрической цепи, названным затем его именем. Ом исследовал зависимость величины протекающего тока от величины приложенного напряжения, от длины и формы материала проводника, а также от рода материала, используемого в качестве проводящей среды.

При этом надо отдать должное работам сэра Гемфри Дэви, английского химика, физика и геолога, который первым установил зависимости электрического сопротивления проводника от его длины и площади поперечного сечения, а также отметил зависимость электропроводности от температуры.

Исследуя зависимости протекания электрического тока от рода материалов, Ом обнаружил, что каждый доступный ему проводящий материал обладал некоторой присущей только ему характеристикой сопротивления протеканию тока.

Надо заметить, что во времена Ома один из самых обыкновенных ныне проводников — алюминий — имел статус особо драгоценного металла, поэтому Ом ограничился опытами с медью, серебром, золотом, платиной, цинком, оловом, свинцом и железом.

В конечном итоге Ом ввёл понятие удельного электрического сопротивления материала как фундаментальной характеристики, совершенно ничего не зная ни о природе протекания тока в металлах, ни о зависимости их сопротивления от температуры.

Удельное электрическое сопротивление. Определение

Удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление — фундаментальная физическая характеристика проводящего материала, которая характеризует способность вещества препятствовать похождению электрического тока. Обозначается греческой буквой ρ (произносится как ро) и рассчитывается исходя из эмпирической формулы для расчёта сопротивления, полученной Георгом Омом.

или, отсюда

где R — сопротивление в Омах, S — площадь в м²/, L — длина в м

Размерность удельного электрического сопротивления в Международной системе единиц СИ выражается в Ом м.

Это сопротивление проводника длиной в 1 м и площадью поперечного сечения в 1 м²/ величиной в 1 Ом.

В электротехнике, для удобства расчётов, принято пользоваться производной величины удельного электрического сопротивления, выражаемой в Ом мм²/м. Значения удельного сопротивления для наиболее распространённых металлов и их сплавов можно найти в соответствующих справочниках.

В таблицах 1 и 2 приведены значения удельных сопротивлений различных наиболее распространённых материалов.

Таблица 1. Удельное сопротивление некоторых металлов

Таблица 2. Удельное сопротивление распространенных сплавов

Удельные электрические сопротивления различных сред. Физика явлений

Удельные электрические сопротивления металлов и их сплавов, полупроводников и диэлектриков

Сегодня, вооружённые знаниями, мы в состоянии заранее просчитать удельное электрическое сопротивление любого, как природного, так и синтезированного материала исходя из его химического состава и предполагаемого физического состояния.

Эти знания помогают нам лучшим образом использовать возможности материалов, порой весьма экзотические и уникальные.

В силу сложившихся представлений, с точки зрения физики твёрдые тела подразделяются на кристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.

Проще всего, в смысле технического расчёта удельного сопротивления или его измерения, дело обстоит с аморфными веществами. Они не имеют выраженной кристаллической структуры (хотя и могут иметь микроскопические включения таковых веществ), относительно однородны по химическому составу и проявляют характерные для данного материала свойства.

У поликристаллических веществ, образованных совокупностью относительно мелких кристаллов одного химического состава, поведение свойств не очень отличается от поведения аморфных веществ, поскольку удельное электрическое сопротивление, как правило, определяется как интегральное совокупное свойство данного образца материала.

Сложнее дело обстоит с кристаллическими веществами, особенно с монокристаллами, которые имеют различное удельное электрическое сопротивление и другие электрические характеристики относительно осей симметрии их кристаллов. Это свойство называется анизотропией кристалла и широко используется в технике, в частности, в радиотехнических схемах кварцевых генераторов, где стабильность частоты определяется именно генерацией частот, присущих данному кристаллу кварца.

Каждый из нас, являясь обладателем компьютера, планшета, мобильного телефона или смартфона, включая владельцев наручных электронных часов вплоть до iWatch, одновременно является обладателем кристаллика кварца. По этому можно судить о масштабах использования в электронике кварцевых резонаторов, исчисляемых десятками миллиардов.

Помимо прочего, удельное сопротивление многих материалов, особенно полупроводников, зависит от температуры, поэтому справочные данные обычно приводятся с указанием температуры измерения, обычно равной 20 °С.

Уникальные свойства платины, имеющей постоянную и хорошо изученную зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, а также возможность получения металла высокой чистоты послужили предпосылкой создания на её основе датчиков в широком диапазоне температур.

Для металлов разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и химической чистотой металла данного образца.

Для сплавов более сильный разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и непостоянством состава сплава.

Удельное электрическое сопротивление жидкостей (электролитов)

В основе понимания удельного сопротивления жидкостей лежат теории термической диссоциации и подвижности катионов и анионов. Например, в самой распространённой жидкости на Земле – обыкновенной воде, некоторая часть её молекул под воздействием температуры распадается на ионы: катионы Н+ и анионы ОН– . При подаче внешнего напряжения на электроды, погружённые в воду при обычных условиях, возникает ток, обусловленный перемещением вышеупомянутых ионов. Как выяснилось, в воде образуются целые ассоциации молекул — кластеры, порой соединяющимися с катионами Н+ или анионами ОН–. Поэтому передача ионов кластерами под воздействием электрического напряжения происходит так: принимая ион в направлении приложенного электрического поля с одной стороны, кластер «сбрасывает» аналогичный ион с другой стороны. Наличие в воде кластеров прекрасно объясняет тот научный факт, что при температуре около 4 °C вода имеет наибольшую плотность. Большая часть молекул воды при этом находится в кластерах из-за действия водородных и ковалентных связей, практически в квазикристаллическом состоянии; термодиссоциация при этом минимальна, а образование кристаллов льда, который имеет более низкую плотность (лёд плавает в воде), ещё не началось.

В целом проявляется более сильная зависимость удельного сопротивления жидкостей от температуры, поэтому эта характеристика всегда измеряется при температуре в 293 K, что соответствует температуре 20 °C.

Помимо воды имеется большое число других растворителей, способных создавать катионы и анионы растворяемых веществ. Знание и измерение удельного сопротивления таких растворов также имеет большое практическое значение.

Для водных растворов солей, кислот и щелочей существенную роль в определении удельного сопротивления раствора играет концентрация растворённого вещества. Примером может служить следующая таблица, в которой приведены значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С:

Таблица 3. Значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С

Данные таблиц взяты из Краткого физико-технического справочника, Том 1, — М.: 1960

Удельное сопротивление изоляторов

Огромное значение в отраслях электротехники, электроники, радиотехники и робототехники играет целый класс различных веществ, имеющий относительно высокое удельное сопротивление. Вне зависимости от их агрегатного состояния, будь оно твёрдое, жидкое или газообразное, такие вещества называются изоляторами. Такие материалы используются для изолирования отдельных частей электрических схем друг от друга.

Примером твёрдых изоляторов может служить всем знакомая гибкая изолента, благодаря которой мы восстанавливаем изоляцию при соединении различных проводов. Многим знакомы фарфоровые изоляторы подвески воздушных линий электропередач, текстолитовые платы с электронными компонентами, входящими в состав большинства изделий электронной техники, керамика, стекло и многие другие материалы. Современные твёрдые изоляционные материалы на базе пластмасс и эластомеров делают безопасным использование электрического тока различных напряжений в самых разнообразных устройствах и приборах.

Помимо твёрдых изоляторов широкое применение в электротехнике находят жидкие изоляторы с высоким удельным сопротивлением. В силовых трансформаторах электросетей жидкое трансформаторное масло предотвращает межвитковые пробои из-за ЭДС самоиндукции, надёжно изолируя витки обмоток. В масляных выключателях масло используется для гашения электрической дуги, которая возникает при переключении источников тока. Конденсаторное масло используется для создания компактных конденсаторов с высокими электрическими характеристиками; помимо этих масел в качестве жидких изоляторов используются природное касторовое масло и синтетические масла.

При нормальном атмосферном давлении все газы и их смеси являются с точки зрения электротехники отличными изоляторами, но благородные газы (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу их инертности обладают более высоким удельным сопротивлением, что широко используется в некоторых областях техники.

Но самым распространённым изолятором служит воздух, в основном состоящий из молекулярного азота (75% по массе), молекулярного кислорода (23,15% по массе), аргона (1,3% по массе), углекислого газа, водорода, воды и некоторой примеси различных благородных газов. Он изолирует протекание тока в обычных бытовых выключателях света, переключателях тока на основе реле, магнитных пускателях и механических рубильниках. Необходимо отметить, что снижение давления газов или их смесей ниже атмосферного приводит к росту их удельного электрического сопротивления. Идеальным изолятором в этом смысле является вакуум.

Удельное электрическое сопротивление различных грунтов

Одним из важнейших способов защиты человека от поражающего действия электрического тока при авариях электроустановок является устройство защитного заземления.

Оно представляет собой преднамеренное соединение кожуха или корпуса электроустройств с защитным заземляющим устройством. Обычно заземление выполняется в виде зарытых в землю на глубину более 2,5 метра стальных или медных полос, труб, стержней или уголков, которые в случае аварии обеспечивают протекание тока по контуру устройство — корпус или кожух — земля — нулевой провод источника переменного тока. Сопротивление этого контура должно быть не более 4 Ом. В этом случае напряжение на корпусе аварийного устройства снижается до безопасного для человека величин, а автоматические устройства защиты электрической цепи тем или иным способом производят отключение аварийного устройства.

При расчёте элементов защитного заземления существенную роль играет знание удельного сопротивления грунтов, которое может варьироваться в широких пределах.

Сообразуясь с данными справочных таблиц, выбирается площадь заземляющего устройства, по ней вычисляется количество заземляющих элементов и собственно конструкция всего устройства. Соединение элементов конструкции устройства защитного заземления производится сваркой.

Электротомография

Электроразведка изучает приповерхностную геологическую среду, применяется для поиска рудных и нерудных полезных ископаемых и других объектов на основе исследования различных искусственных электрических и электромагнитных полей. Частным случаем электроразведки является электротомография (Electrical Resistivity Tomography) — метод определения свойств горных пород по их удельному сопротивлению.

Суть метода заключается в том, что при определённом положении источника электрического поля проводятся замеры напряжения на различных зондах, затем источник поля перемещают в другое место или переключают на другой источник и повторяют измерения. Источники поля и зонды-приёмники поля размещают на поверхности и в скважинах.

Затем полученные данные обрабатываются и интерпретируются с помощью современных компьютерных методов обработки, позволяющих визуализировать информацию в виде двухмерных и трёхмерных изображений.

Являясь очень точным методом поиска, электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам.

Определение формы залегания месторождений полезных ископаемых и границ их распространения (оконтуривание) позволяет выявить залегание жильных залежей полезных ископаемых, что существенно снижает затраты на их последующую разработку.

Археологам этот метод поиска даёт ценную информацию о расположении древних захоронений и наличия в них артефактов, тем самым сокращая затраты на раскопки.

Палеозоологи с помощью электротомографии ищут окаменевшие останки древних животных; результаты их работ можно увидеть в музеях естественных наук в виде поражающих воображение реконструкций скелетов доисторической мегафауны.

Кроме того, электротомография применяется при возведении и при последующей эксплуатации инженерных сооружений: высотных зданий, плотин, дамб, насыпей и других.

Определения удельного сопротивления на практике

Порой для решения практических задач перед нами может встать задача определения состава вещества, например, проволоки для резака пенополистирола. Имеем два мотка проволоки подходящего диаметра из различных неизвестных нам материалов. Для решения задачи необходимо найти их удельное электрическое сопротивление и далее по разнице найденных значений или по справочной таблице определить материал проволоки.

Отмерим рулеткой и отрежем по 2 метра проволоки от каждого образца. Определим диаметры проволок d₁ и d₂ микрометром. Включив мультиметр на нижний предел измерения сопротивлений, измеряем сопротивление образца R₁. Повторяем процедуру для другого образца и также измеряем его сопротивление R₂.

Учтём, что площадь поперечного сечения проволок рассчитывается по формуле

S = π · d 2 /4

Теперь формула для расчёта удельного электрического сопротивления будет выглядеть следующим образом

ρ = R · π · d 2 /4 · L

Подставляя полученные значения L, d₁ и R₁ в формулу для расчёта удельного сопротивления, приведенную в статье выше, вычисляем значение ρ₁ для первого образца.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Подставляя полученные значения L, d₂ и R₂ в формулу, вычисляем значение ρ₂ для второго образца.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

Из сравнения значений ρ₁ и ρ₂ со справочными данными вышеприведенной Таблицы 2, делаем вывод, что материалом первого образца является сталь, а второго — нихром, из которого и изготовим струну резака.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Удельное сопротивление электрического тока. Удельное электрическое сопротивление. Определение

Удельное электрическое сопротивление

Величина допустимой токовой нагрузки на провода является грубой оценкой их сопротивления, основывающейся на способности тока нагревать эти провода до высокой температуры. Иногда мы сталкиваемся с такими ситуациями, в которых падение напряжения, созданное сопротивлением проводов, создает нам совершенно иные проблемы (не связанные с нагревом). Например, у нас может быть схема, для которой величина напряжения является критической, и не должна падать ниже определенного значения:

Напряжение источника питания данной схемы составляет 230 В, а для питания нагрузки требуется как минимум 220 В. Отсюда можно сделать вывод, что потери напряжения на проводах не должны превышать 10 В. Так как проводов у нас два, то делим 10 вольт на 2 и получаем по 5 вольт допустимых потерь напряжения на каждый провод. Используя Закон Ома (R = U / I), мы можем рассчитать максимально допустимое сопротивление каждого провода:

Нам известно, что длина каждого из проводов равна 70 метрам, но как мы сможем рассчитать реальное сопротивление конкретных проводов определенного размера и дины? В этом нам поможет следующая формула:

Данная формула соотносит сопротивление проводника с его удельным сопротивлением (греческая буква «ро» ρ), длиной (l) и площадью поперечного сечения (S). Из этой формулы видно, что сопротивление провода возрастет при увеличении его длины (аналогия: жидкости труднее течь по длинной трубе, чем по короткой), и уменьшится при увеличении площади поперечного сечения (аналогия: жидкости легче течь по толстой трубе, чем по тонкой). Удельное сопротивление является постоянной величиной для конкретного типа материала, из которого изготовлен провод.

Удельные сопротивления некоторых проводящих материалов можно найти в нижеприведенной таблице. Из этой таблицы видно, что хорошим проводником является медь, по проводимости она уступает только серебру.

Серебро 0,016
Медь 0,0175
Золото 0,023
Алюминий 0,0271
Иридий 0,0474
Молибден 0,054
Вольфрам 0,055
Цинк 0,059
Никель 0,087
Железо 0,098
Платина 0,107
Олово 0,12
Свинец 0,205
Титан 0,5562 — 0,7837
Висмут 1,2
Сталь 0,1400
Никелин 0,42
Константан 0,5
Манганин 0,43…0,51
Нихром 1,05…1,4
Фехраль 1,15…1,35
Хромаль 1,3…1,5
Латунь 0,07…0,08

Значения здесь даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава и могут варьироваться.

Обратите внимание на приведенную в таблице единицу измерения удельного сопротивления (Ом·мм 2 /м). Она говорит нам о том, что в формуле R=ρl/S нужно использовать длину в метрах, а площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах.

Давайте вернемся к нашему примеру, в котором мы подбираем провод, обладающий сопротивлением 0,2 Ом или менее на длине 70 метров. Предполагая, что будет использоваться медный провод (самый распространенный тип электрических проводов), можно преобразовать последнюю формулу в следующий вид:

Таким образом, в нашем случае достаточно будет медного провода сечением 6,125 мм 2 . Допустимая токовая нагрузка такого провода выше заявленных в схеме 25 А.

Как только электричество покинуло лаборатории учёных и стало широко внедряться в практику повседневной жизни, встал вопрос о поиске материалов, обладающих определёнными, порой совершенно противоположными, характеристиками по отношению к протеканию через них электрического тока.

Например, при передаче электрической энергии на дальнее расстояние, к материалу проводов предъявлялись требования минимизации потерь из-за джоулева нагрева в сочетании с малыми весовыми характеристиками. Примером тому являются всем знакомые высоковольтные линии электропередач, выполненные из алюминиевых проводов со стальным сердечником.

Или, наоборот, для создания компактных трубчатых электронагревателей требовались материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой термостойкостью. Простейшим примером прибора, в котором применяются материалы с подобными свойствами, может служить конфорка обыкновенной кухонной электроплиты.

От проводников, используемых в биологии и медицине в качестве электродов, зондов и щупов, требуется высокая химическая устойчивость и совместимость с биоматериалами в сочетании с малым контактным сопротивлением.

К разработке такого ныне привычного всем прибора, как лампа накаливания, свои усилия приложила целая плеяда изобретателей из разных стран: Англии, России, Германии, Венгрии и США. Томас Эдисон, проведя более тысячи опытов проверки свойств материалов, подходящих на роль нитей накала, создал лампу с платиновой спиралью. Лампы Эдисона, хотя и имели высокий срок эксплуатации, но не были практичными из-за высокой стоимости исходного материала.

Последующие работы русского изобретателя Лодыгина, предложившего использовать в качестве материалов нити относительно дешёвые тугоплавкие вольфрам и молибден с более высоким удельным сопротивлением, нашли практическое применение. К тому же Лодыгин предложил откачивать из баллонов ламп накаливания воздух, заменяя его инертными или благородными газами, что привело к созданию современных ламп накаливания. Пионером массового производства доступных и долговечных электрических ламп стала компания General Electric, которой Лодыгин переуступил права на свои патенты и далее успешно работал в лабораториях компании долгое время.

Этот перечень можно продолжать, поскольку пытливый человеческий ум настолько изобретателен, что порой для решения определённой технической задачи ему нужны материалы с невиданными доселе свойствами или с невероятными сочетаниями этих свойств. Природа уже не успевает за нашими аппетитами и учёные всех стран мира включились в гонку создания материалов, не имеющих природных аналогов.

Одной из важнейших характеристик как природных, так и синтезированных материалов является удельное электрическое сопротивление. Примером электрического прибора, в котором в чистом виде применяется это свойство, может служить плавкий предохранитель, защищающий нашу электро- и электронную аппаратуру от воздействия тока, превышающего допустимые значения.

При этом надо заметить, что именно самодельные заменители стандартных предохранителей, выполненные без знаний удельного сопротивления материала, порой служат причиной не только выгорания различных элементов электрических схем, но и возникновения пожаров в домах и возгорания проводки в автомобилях.

То же самое относится и к замене предохранителей в силовых сетях, когда вместо предохранителя меньшего номинала устанавливается предохранитель с большим номиналом тока срабатывания. Это приводит к перегреву электропроводки и даже, как следствие, к возникновению пожаров с печальными последствиями. Особенно это присуще каркасным домам.

Историческая справка

Понятие удельного электрического сопротивление появилось благодаря трудам известного немецкого физика Георга Ома, который теоретически обосновал и в ходе многочисленных экспериментов доказал связь между силой тока, электродвижущей силой батареи и сопротивлением всех частей цепи, открыв таким образом закон элементарной электрической цепи, названным затем его именем. Ом исследовал зависимость величины протекающего тока от величины приложенного напряжения, от длины и формы материала проводника, а также от рода материала, используемого в качестве проводящей среды.

При этом надо отдать должное работам сэра Гемфри Дэви, английского химика, физика и геолога, который первым установил зависимости электрического сопротивления проводника от его длины и площади поперечного сечения, а также отметил зависимость электропроводности от температуры.

Исследуя зависимости протекания электрического тока от рода материалов, Ом обнаружил, что каждый доступный ему проводящий материал обладал некоторой присущей только ему характеристикой сопротивления протеканию тока.

Надо заметить, что во времена Ома один из самых обыкновенных ныне проводников — алюминий — имел статус особо драгоценного металла, поэтому Ом ограничился опытами с медью, серебром, золотом, платиной, цинком, оловом, свинцом и железом.

В конечном итоге Ом ввёл понятие удельного электрического сопротивления материала как фундаментальной характеристики, совершенно ничего не зная ни о природе протекания тока в металлах, ни о зависимости их сопротивления от температуры.

Удельное электрическое сопротивление. Определение

Удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление — фундаментальная физическая характеристика проводящего материала, которая характеризует способность вещества препятствовать похождению электрического тока. Обозначается греческой буквой ρ (произносится как ро) и рассчитывается исходя из эмпирической формулы для расчёта сопротивления, полученной Георгом Омом.

или, отсюда

где R — сопротивление в Омах, S — площадь в м²/, L — длина в м

Размерность удельного электрического сопротивления в Международной системе единиц СИ выражается в Ом м.

Это сопротивление проводника длиной в 1 м и площадью поперечного сечения в 1 м²/ величиной в 1 Ом.

В электротехнике, для удобства расчётов, принято пользоваться производной величины удельного электрического сопротивления, выражаемой в Ом мм²/м. Значения удельного сопротивления для наиболее распространённых металлов и их сплавов можно найти в соответствующих справочниках.

В таблицах 1 и 2 приведены значения удельных сопротивлений различных наиболее распространённых материалов.

Таблица 1. Удельное сопротивление некоторых металлов

Таблица 2. Удельное сопротивление распространенных сплавов

Удельные электрические сопротивления различных сред. Физика явлений

Удельные электрические сопротивления металлов и их сплавов, полупроводников и диэлектриков

Сегодня, вооружённые знаниями, мы в состоянии заранее просчитать удельное электрическое сопротивление любого, как природного, так и синтезированного материала исходя из его химического состава и предполагаемого физического состояния.

Эти знания помогают нам лучшим образом использовать возможности материалов, порой весьма экзотические и уникальные.

В силу сложившихся представлений, с точки зрения физики твёрдые тела подразделяются на кристаллические, поликристаллические и аморфные вещества.

Проще всего, в смысле технического расчёта удельного сопротивления или его измерения, дело обстоит с аморфными веществами. Они не имеют выраженной кристаллической структуры (хотя и могут иметь микроскопические включения таковых веществ), относительно однородны по химическому составу и проявляют характерные для данного материала свойства.

У поликристаллических веществ, образованных совокупностью относительно мелких кристаллов одного химического состава, поведение свойств не очень отличается от поведения аморфных веществ, поскольку удельное электрическое сопротивление, как правило, определяется как интегральное совокупное свойство данного образца материала.

Сложнее дело обстоит с кристаллическими веществами, особенно с монокристаллами, которые имеют различное удельное электрическое сопротивление и другие электрические характеристики относительно осей симметрии их кристаллов. Это свойство называется анизотропией кристалла и широко используется в технике, в частности, в радиотехнических схемах кварцевых генераторов, где стабильность частоты определяется именно генерацией частот, присущих данному кристаллу кварца.

Каждый из нас, являясь обладателем компьютера, планшета, мобильного телефона или смартфона, включая владельцев наручных электронных часов вплоть до iWatch, одновременно является обладателем кристаллика кварца. По этому можно судить о масштабах использования в электронике кварцевых резонаторов, исчисляемых десятками миллиардов.

Помимо прочего, удельное сопротивление многих материалов, особенно полупроводников, зависит от температуры, поэтому справочные данные обычно приводятся с указанием температуры измерения, обычно равной 20 °С.

Уникальные свойства платины, имеющей постоянную и хорошо изученную зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, а также возможность получения металла высокой чистоты послужили предпосылкой создания на её основе датчиков в широком диапазоне температур.

Для металлов разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и химической чистотой металла данного образца.

Для сплавов более сильный разброс справочных значений удельного сопротивления обусловлен способами изготовления образцов и непостоянством состава сплава.

Удельное электрическое сопротивление жидкостей (электролитов)

В основе понимания удельного сопротивления жидкостей лежат теории термической диссоциации и подвижности катионов и анионов. Например, в самой распространённой жидкости на Земле – обыкновенной воде, некоторая часть её молекул под воздействием температуры распадается на ионы: катионы Н+ и анионы ОН– . При подаче внешнего напряжения на электроды, погружённые в воду при обычных условиях, возникает ток, обусловленный перемещением вышеупомянутых ионов. Как выяснилось, в воде образуются целые ассоциации молекул — кластеры, порой соединяющимися с катионами Н+ или анионами ОН–. Поэтому передача ионов кластерами под воздействием электрического напряжения происходит так: принимая ион в направлении приложенного электрического поля с одной стороны, кластер «сбрасывает» аналогичный ион с другой стороны. Наличие в воде кластеров прекрасно объясняет тот научный факт, что при температуре около 4 °C вода имеет наибольшую плотность. Большая часть молекул воды при этом находится в кластерах из-за действия водородных и ковалентных связей, практически в квазикристаллическом состоянии; термодиссоциация при этом минимальна, а образование кристаллов льда, который имеет более низкую плотность (лёд плавает в воде), ещё не началось.

В целом проявляется более сильная зависимость удельного сопротивления жидкостей от температуры, поэтому эта характеристика всегда измеряется при температуре в 293 K, что соответствует температуре 20 °C.

Помимо воды имеется большое число других растворителей, способных создавать катионы и анионы растворяемых веществ. Знание и измерение удельного сопротивления таких растворов также имеет большое практическое значение.

Для водных растворов солей, кислот и щелочей существенную роль в определении удельного сопротивления раствора играет концентрация растворённого вещества. Примером может служить следующая таблица, в которой приведены значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С:

Таблица 3. Значения удельных сопротивлений различных растворённых в воде веществ при температуре 18 °С

Данные таблиц взяты из Краткого физико-технического справочника, Том 1, — М.: 1960

Удельное сопротивление изоляторов

Огромное значение в отраслях электротехники, электроники, радиотехники и робототехники играет целый класс различных веществ, имеющий относительно высокое удельное сопротивление. Вне зависимости от их агрегатного состояния, будь оно твёрдое, жидкое или газообразное, такие вещества называются изоляторами. Такие материалы используются для изолирования отдельных частей электрических схем друг от друга.

Примером твёрдых изоляторов может служить всем знакомая гибкая изолента, благодаря которой мы восстанавливаем изоляцию при соединении различных проводов. Многим знакомы фарфоровые изоляторы подвески воздушных линий электропередач, текстолитовые платы с электронными компонентами, входящими в состав большинства изделий электронной техники, керамика, стекло и многие другие материалы. Современные твёрдые изоляционные материалы на базе пластмасс и эластомеров делают безопасным использование электрического тока различных напряжений в самых разнообразных устройствах и приборах.

Помимо твёрдых изоляторов широкое применение в электротехнике находят жидкие изоляторы с высоким удельным сопротивлением. В силовых трансформаторах электросетей жидкое трансформаторное масло предотвращает межвитковые пробои из-за ЭДС самоиндукции, надёжно изолируя витки обмоток. В масляных выключателях масло используется для гашения электрической дуги, которая возникает при переключении источников тока. Конденсаторное масло используется для создания компактных конденсаторов с высокими электрическими характеристиками; помимо этих масел в качестве жидких изоляторов используются природное касторовое масло и синтетические масла.

При нормальном атмосферном давлении все газы и их смеси являются с точки зрения электротехники отличными изоляторами, но благородные газы (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу их инертности обладают более высоким удельным сопротивлением, что широко используется в некоторых областях техники.

Но самым распространённым изолятором служит воздух, в основном состоящий из молекулярного азота (75% по массе), молекулярного кислорода (23,15% по массе), аргона (1,3% по массе), углекислого газа, водорода, воды и некоторой примеси различных благородных газов. Он изолирует протекание тока в обычных бытовых выключателях света, переключателях тока на основе реле, магнитных пускателях и механических рубильниках. Необходимо отметить, что снижение давления газов или их смесей ниже атмосферного приводит к росту их удельного электрического сопротивления. Идеальным изолятором в этом смысле является вакуум.

Удельное электрическое сопротивление различных грунтов

Одним из важнейших способов защиты человека от поражающего действия электрического тока при авариях электроустановок является устройство защитного заземления.

Оно представляет собой преднамеренное соединение кожуха или корпуса электроустройств с защитным заземляющим устройством. Обычно заземление выполняется в виде зарытых в землю на глубину более 2,5 метра стальных или медных полос, труб, стержней или уголков, которые в случае аварии обеспечивают протекание тока по контуру устройство — корпус или кожух — земля — нулевой провод источника переменного тока. Сопротивление этого контура должно быть не более 4 Ом. В этом случае напряжение на корпусе аварийного устройства снижается до безопасного для человека величин, а автоматические устройства защиты электрической цепи тем или иным способом производят отключение аварийного устройства.

При расчёте элементов защитного заземления существенную роль играет знание удельного сопротивления грунтов, которое может варьироваться в широких пределах.

Сообразуясь с данными справочных таблиц, выбирается площадь заземляющего устройства, по ней вычисляется количество заземляющих элементов и собственно конструкция всего устройства. Соединение элементов конструкции устройства защитного заземления производится сваркой.

Электротомография

Электроразведка изучает приповерхностную геологическую среду, применяется для поиска рудных и нерудных полезных ископаемых и других объектов на основе исследования различных искусственных электрических и электромагнитных полей. Частным случаем электроразведки является электротомография (Electrical Resistivity Tomography) — метод определения свойств горных пород по их удельному сопротивлению.

Суть метода заключается в том, что при определённом положении источника электрического поля проводятся замеры напряжения на различных зондах, затем источник поля перемещают в другое место или переключают на другой источник и повторяют измерения. Источники поля и зонды-приёмники поля размещают на поверхности и в скважинах.

Затем полученные данные обрабатываются и интерпретируются с помощью современных компьютерных методов обработки, позволяющих визуализировать информацию в виде двухмерных и трёхмерных изображений.

Являясь очень точным методом поиска, электротомография оказывает неоценимую помощь геологам, археологам и палеозоологам.

Определение формы залегания месторождений полезных ископаемых и границ их распространения (оконтуривание) позволяет выявить залегание жильных залежей полезных ископаемых, что существенно снижает затраты на их последующую разработку.

Археологам этот метод поиска даёт ценную информацию о расположении древних захоронений и наличия в них артефактов, тем самым сокращая затраты на раскопки.

Палеозоологи с помощью электротомографии ищут окаменевшие останки древних животных; результаты их работ можно увидеть в музеях естественных наук в виде поражающих воображение реконструкций скелетов доисторической мегафауны.

Кроме того, электротомография применяется при возведении и при последующей эксплуатации инженерных сооружений: высотных зданий, плотин, дамб, насыпей и других.

Определения удельного сопротивления на практике

Порой для решения практических задач перед нами может встать задача определения состава вещества, например, проволоки для резака пенополистирола. Имеем два мотка проволоки подходящего диаметра из различных неизвестных нам материалов. Для решения задачи необходимо найти их удельное электрическое сопротивление и далее по разнице найденных значений или по справочной таблице определить материал проволоки.

Отмерим рулеткой и отрежем по 2 метра проволоки от каждого образца. Определим диаметры проволок d₁ и d₂ микрометром. Включив мультиметр на нижний предел измерения сопротивлений, измеряем сопротивление образца R₁. Повторяем процедуру для другого образца и также измеряем его сопротивление R₂.

Учтём, что площадь поперечного сечения проволок рассчитывается по формуле

S = π ∙ d 2 /4

Теперь формула для расчёта удельного электрического сопротивления будет выглядеть следующим образом

ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L

Подставляя полученные значения L, d₁ и R₁ в формулу для расчёта удельного сопротивления, приведенную в статье выше, вычисляем значение ρ₁ для первого образца.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Подставляя полученные значения L, d₂ и R₂ в формулу, вычисляем значение ρ₂ для второго образца.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

Из сравнения значений ρ₁ и ρ₂ со справочными данными вышеприведенной Таблицы 2, делаем вывод, что материалом первого образца является сталь, а второго — нихром, из которого и изготовим струну резака.

Большинство законов физики основано на экспериментах. Имена экспериментаторов увековечены в названиях этих законов. Одним из них был Георг Ом.

Опыты Георга Ома

Он установил в ходе экспериментов по взаимодействию электричества с различными веществами, в том числе металлами фундаментальную взаимосвязь плотности , напряжённости электрического поля и свойства вещества, которое получило название «удельная проводимость». Формула, соответствующая этой закономерности, названная как «Закон Ома» выглядит следующим образом:

j= λE , в которой

  • j — плотность электрического тока;
  • λ — удельная проводимость, именуемая также как «электропроводность»;
  • E – напряжённость электрического поля.

В некоторых случаях для обозначения удельной проводимости используется другая буква греческого алфавита — σ . Удельная проводимость зависит от некоторых параметров вещества. На её величину оказывают влияние температура, вещества, давление, если это газ, и самое главное структура этого вещества. Закон Ома соблюдается только для однородных веществ.

Для более удобных расчётов используется величина обратная удельной проводимости. Она получила название «удельное сопротивление», что так же связано со свойствами вещества, в котором течёт электрический ток, обозначается греческой буквой ρ и имеет размерность Ом*м. Но поскольку для различных физических явлений применяются разные теоретические обоснования, для удельного сопротивления могут быть использованы альтернативные формулы. Они являются отображением классической электронной теории металлов, а также квантовой теории.

Формулы

В этих утомительных, для простых читателей, формулах появляются такие множители, как постоянная Больцмана, постоянная Авогадро и постоянная Планка. Эти постоянные применяются для расчетов, которые учитывают свободный пробег электронов в проводнике, их скорость при тепловом движении, степень ионизации, концентрацию и плотность вещества. Словом, всё довольно сложно для не специалиста. Чтобы не быть голословным далее можно ознакомиться с тем, как всё выглядит на самом деле:

Особенности металлов

Поскольку движение электронов зависит от однородности вещества, ток в металлическом проводнике течёт соответственно его структуре, которая влияет на распределение электронов в проводнике с учётом его неоднородности. Она определяется не только присутствием включений примесей, но и физическими дефектами – трещинами, пустотами и т.п. Неоднородность проводника увеличивает его удельное сопротивление, которое определяется правилом Маттисена.

Это несложное для понимания правило, по сути, говорит о том, что в проводнике с током можно выделить несколько отдельных удельных сопротивлений. А результирующим значением будет их сумма. Слагаемыми будут удельное сопротивления кристаллической решётки металла, примесей и дефектов проводника. Поскольку этот параметр зависит от природы вещества, для вычисления его определены соответствующие закономерности, в том числе и для смешанных веществ.

Несмотря на то, что сплавы это тоже металлы, они рассматриваются как растворы с хаотической структурой, причём для вычисления удельного сопротивления имеет значение, какие именно металлы входят в состав сплава. В основном большинство сплавов из двух компонентов, которые не принадлежат к переходным, а также к редкоземельным металлам попадают под описание законом Нодгейма.

Как отдельная тема рассматривается удельное сопротивление металлических тонких плёнок. То, что его величина должна быть больше чем у объёмного проводника из такого же металла вполне логично предположить. Но при этом для плёнки вводится специальная эмпирическая формула Фукса, которая описывает взаимозависимость удельного сопротивления и толщины плёнки. Оказывается, в плёнках металлы проявляют свойства полупроводников.

А на процесс переноса зарядов оказывают влияние электроны, которые перемещаются в направлении толщины плёнки и мешают перемещению «продольных» зарядов. При этом они отражаются от поверхности плёночного проводника, и таким образом один электрон достаточно долго совершает колебания между его двумя поверхностями. Другим существенным фактором увеличения удельного сопротивления является температура проводника. Чем выше температура – тем сопротивление больше. И наоборот, чем ниже температура, тем сопротивление меньше.

Металлы являются веществами с наименьшим удельным сопротивлением при так называемой «комнатной» температуре. Единственным неметаллом, который оправдывает своё применение как проводник, является углерод. Графит, являющийся одной из его разновидностей, широко используется для изготовления скользящих контактов. Он имеет очень удачное сочетание таких свойств как удельное сопротивление и коэффициент трения скольжения. Поэтому графит является незаменимым материалом для щёток электродвигателей и других скользящих контактов. Величины удельных сопротивлений основных веществ, используемых для промышленных целей, приведены в таблице далее.


Сверхпроводимость

При температурах соответствующих сжижению газов, то есть вплоть до температуры жидкого гелия, которая равна – 273 градуса по Цельсию удельное сопротивление уменьшается почти до полного исчезновения. И не только у хороших металлических проводников, таких как серебро, медь и алюминий. Практически у всех металлов. При таких условиях, которые называются сверхпроводимостью, структура металла не имеет тормозящего влияния на движение зарядов под действием электрического поля. Поэтому ртуть и большинство металлов становятся сверхпроводниками.

Но, как выяснилось, относительно недавно в 80-х годах 20-го века, некоторые разновидности керамики тоже способны к сверхпроводимости. Причём для этого не надо использовать жидкий гелий. Такие материалы назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Однако уже прошло несколько десятков лет, и ассортимент высокотемпературных проводников существенно расширился. Но массового использования таких высокотемпературных сверхпроводящих элементов не наблюдается. В некоторых странах сделаны единичные инсталляции с заменой обычных медных проводников на высокотемпературные сверхпроводники. Для поддержания нормального режима высокотемпературной сверхпроводимости необходим жидкий азот. А это получается слишком дорогим техническим решением.

Поэтому, малое значение удельного сопротивления, дарованное Природой меди и алюминию, по-прежнему делает их незаменимыми материалами для изготовления разнообразных проводников электрического тока.

Удельное сопротивление. Реостаты — урок. Физика, 8 класс.

Для рассмотрения характеристик электрических параметров рассмотрим назначение приборов:

  1. сила тока в цепи определяется амперметров, который подключается последовательно с соблюдением полярности;
  2. напряжение на участке цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно к тому участку или прибору, на котором нужно узнать разность потенциалов или напряжения;
  3. на деревянной изолирующей подставке — устройство, имеющее провода с различными значениями сопротивления;
  4. значение тока можно регулировать реостатом.

  

Рис. \(1\). Цепь с возможностью выбора проводника

 

Определим физические параметры (величины), влияющие на значение сопротивления проводника.

Эксперимент \(1\). Физическая величина — длина (прямая пропорциональность).

Эксперимент \(2\). Физическая величина — площадь поперечного сечения (обратная пропорциональность).

Эксперимент \(3\). Материал проводника, физическая величина — удельное сопротивление проводника (прямая пропорциональность).

Примечание: «эксперимент» следует понимать как включение в электрическую цепь проводников с конкретными одинаковыми и различающимися физическими параметрами и сравнение значений сопротивлений данных проводников.

 

Впервые зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, и от длины проводника обнаружил немецкий физик Георг Ом. Он установил:

Сопротивление проводника напрямую зависит от его длины и материала,  но обратным образом зависит от площади поперечного сечения проводника.

 

Обрати внимание!

Из этого можно сделать вывод: 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, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт 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.

 

Удельное сопротивление проводника зависит от строения вещества. Электроны при движении внутри металлов взаимодействуют с атомами (ионами), находящимися в узлах кристаллической решётки. Чем выше температура вещества, тем сильнее колеблются атомы и тем больше удельное сопротивление проводников.

Удельное электрическое сопротивление — физическая величина \(\rho\), характеризующая свойство материала оказывать сопротивление прохождению электрического тока:
ρ=R⋅Sl, где удельное сопротивление проводника обозначается греческой буквой \(\rho\) (ро), \(l\) — длина проводника, \(S\) — площадь его поперечного сечения.

Определим единицу удельного сопротивления. Воспользуемся формулой ρ=R⋅Sl.

Как известно, единицей электрического сопротивления является \(1\) Ом, единицей площади поперечного сечения проводника — \(1\) м², а единицей длины проводника — \(1\) м. Подставляя в формулу, получаем:

1 Ом ⋅1м21 м=1 Ом ⋅1 м, т.е. единицей удельного сопротивления будет Ом⋅м.

 

На практике (например, в магазине при продаже проводов) площадь поперечного сечения проводника измеряют в квадратных миллиметрах, В этом случае единицей удельного сопротивления будет:

1 Ом ⋅1мм21 м, т.е. Ом⋅мм2м.

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых веществ при \(20\) °С.

 

Удельное сопротивление увеличивается пропорционально температуре.

При нагревании колебания ионов металлов в узлах металлической решётки увеличиваются, поэтому свободного пространства для передвижения электронов становится меньше. Электроны чаще отбрасываются назад, поэтому значение тока уменьшается, а значение сопротивления увеличивается.

 

Обрати внимание!

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. А это значит, что медь и серебро лучше остальных проводят электрический ток.

При проводке электрических цепей, например, в квартирах не используют серебро, т.к. это дорого. Зато используют медь и алюминий, так как эти вещества обладают малым удельным сопротивлением.
Порой необходимы приборы, сопротивление которых должно быть большим. В этом случаем необходимо использовать вещество или сплав с большим удельным сопротивлением. Например, нихром.

Полиэтилен, дерево, стекло и многие другие материалы отличаются очень большим удельным сопротивлением. Поэтому они не проводят электрический ток. Такие материалы называют диэлектриками или изоляторами.

 

Очень часто нам приходится изменять силу тока в цепи. Иногда мы ее увеличиваем, иногда уменьшаем. Водитель трамвая или троллейбуса изменяет силу тока в электродвигателе, тем самым увеличивая или уменьшая скорость транспорта. 

Реостат — это резистор, значение сопротивления которого можно менять.

Реостаты используют в цепи для изменения значений силы тока и напряжения.

Реостат на рисунке состоит из провода с большим удельным сопротивлением (никелин, нихром), по которому передвигается подвижный контакт \(C\) по длине провода, плавно изменяя сопротивление реостата. Сопротивление такого реостата пропорционально длине провода между подвижным контактом \(C\) и неподвижным \(A\). Чем длиннее провод, тем больше сопротивление участка цепи и меньше сила тока. С помощью вольтметра и амперметра можно проследить эту зависимость.


 

Рис. \(2\). Реостат с подвижным контактом

 

На школьных лабораторных занятиях используют переменное сопротивление — ползунковый реостат.

 

 

Рис. \(3\). Ползунковый реостат

 

Он состоит из изолирующего керамического цилиндра, на который намотан провод с большим удельным сопротивлением. Витки проволоки должны быть изолированы друг от друга, поэтому либо проволоку обрабатывают графитом, либо оставляют на проволоке слой окалины. Сверху над проволочной обмоткой закреплен металлический стержень, по которому  перемещается ползунок. Контакты ползунка плотно прижаты в виткам и при движении изолирующий слой графиты или окалины стирается, и тогда электрический ток может проходить от витков проволоки к ползунку, через него подводиться к стержню, имеющему на конце зажим \(1\).

Для соединения реостата в цепь используют зажим \(1\) и зажим \(2\). Ток, поступая через зажим \(2\), идёт по никелиновой проволоке и через ползунок подаётся на зажим \(1\). Перемещая ползунок от \(2\) к \(1\), можно увеличивать длину провода, в котором течёт ток, а значит, и сопротивление реостата.


В электрических схемах реостат изображается следующим образом:


 

Как и любой электрический прибор, реостат имеет допустимое значение силы тока, свыше которого прибор может перегореть. Маркировка реостата содержит диапазон его сопротивления и максимальное допустимое значение силы тока.

Обрати внимание!

Сопротивление реостата нужно учитывать в параметрах электрической цепи. При минимальных значениях сопротивления ток в цепи может вывести из строя амперметр.

Существуют реостаты, в которых переключатель подключается на проводники заданной длины и сопротивления: каждая спираль реостата имеет определённое сопротивление. Поэтому плавно изменять силу тока с помощью такого прибора не получится.

 

 

Рис. \(4\). Реостат с переключением

 

Повторим формулы

Сопротивление проводника: R=ρ⋅lS

 

Из этой формулы можно выразить и другие величины:

 

l=R⋅Sρ, S=ρ⋅lR, ρ=R⋅Sl.

Источники:

Рис. 1. Цепь с возможностью выбора проводника. © ЯКласс.
Рис. 4. «File:Rheostat hg.jpg» by Hannes Grobe (talk) is licensed under CC BY 3.0

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 <0.

 

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!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

От каких факторов зависит удельное сопротивление проводника?

Автор вопроса: Элмер Кунце В.
Оценка: 4,4/5 (70 голосов)

Примечание: Удельное сопротивление проводника зависит только от трех вышеупомянутых факторов, а именно, длины, площади поперечного сечения и природы материала проводника. Кроме того, он также зависит от физических условий, таких как температура и давление, но не зависит от его формы и размера.

От каких факторов зависит удельное сопротивление проводника 10 класса?

Сопротивление проводника зависит от следующих факторов: Температура проводника . Площадь поперечного сечения проводника . Длина проводника .

От какого фактора не зависит удельное сопротивление проводника?

Удельное сопротивление является свойством материала. Это зависит только от материала проводника.От не зависит форма и размер проводника . В то время как сопротивление зависит от формы и размера проводника.

Какие факторы влияют на удельное сопротивление проводника и как?

Удельное сопротивление материала зависит от его природы и температуры проводника , но не от его формы и размера. Хороший проводник имеет меньшее удельное сопротивление, тогда как плохой проводник или изолятор имеет высокое удельное сопротивление.Удельное сопротивление полупроводников находится между сопротивлением проводников и изоляторов.

Какие факторы влияют на электрическое сопротивление?

На сопротивление влияют четыре фактора: Температура, длина провода, площадь поперечного сечения провода и природа материала .

Найдено 37 похожих вопросов

Какой металл является лучшим проводником электричества?

Проводимость серебра

«Серебро — лучший проводник электричества, поскольку оно содержит большее количество подвижных атомов (свободных электронов).Чтобы материал был хорошим проводником, электричество, проходящее через него, должно перемещать электроны; чем больше в металле свободных электронов, тем больше его проводимость.

Зависит ли удельное сопротивление от длины?

Удельное сопротивление — это свойство материала, сопротивление зависит от размера и формы. … Это зависит от удельного сопротивления, а также от длины и площади поперечного сечения материала в вопросе (так что это зависит от общего количества электронов и от того, какое расстояние им нужно пройти).

Зависит ли удельное сопротивление от температуры?

Удельное сопротивление зависит от температуры материала . … В металлических проводниках при повышении температуры ионные ядра в металле колеблются с большей амплитудой. Это препятствует потоку электронов, и удельное сопротивление увеличивается.

Что такое единица удельного сопротивления в системе СИ?

Единицей удельного электрического сопротивления в системе СИ является ом-метр (Ом⋅м) .Например, если твердый куб материала размером 1 м имеет листовые контакты на двух противоположных гранях, а сопротивление между этими контактами равно 1 Ом, то удельное сопротивление материала равно 1 Ом⋅м.

Как изменяется удельное сопротивление в зависимости от температуры?

Общее правило: удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры в проводниках и уменьшается с повышением температуры в изоляторах …. По мере повышения температуры количество фононов увеличивается, а вместе с ним и вероятность столкновения электронов и фононов. Таким образом, когда температура повышается, сопротивление увеличивается.

Почему более короткий провод имеет меньшее сопротивление?

Зависимость между сопротивлением и длиной провода пропорциональна. Сопротивление тонкого провода больше, чем сопротивление толстого провода, потому что в тонком проводе меньше электронов, чтобы нести ток .

Что означает 1 Ом?

Один ом равен сопротивлению проводника, по которому через протекает ток в один ампер при приложении к нему разности потенциалов в один вольт.

Что такое единица удельного сопротивления в системе СИ?

Единицей удельного электрического сопротивления в системе СИ является ом⋅метр (Ом⋅м) .

Что такое единица удельного сопротивления и сопротивления в системе СИ?

Единица сопротивления Ом . В системе метр-килограмм-секунда (мкс) отношение площади в квадратных метрах к длине в метрах упрощается до метров. Таким образом, в системе метр-килограмм-секунда единицей удельного сопротивления является ом-метр.

Удельное сопротивление прямо пропорционально температуре?

Удельное сопротивление косвенно пропорционально температуре .Другими словами, при повышении температуры материалов их удельное сопротивление будет уменьшаться.

Зависит ли удельное сопротивление?

Удельное сопротивление – это свойство материала, которое зависит от природы и состава материала, а на состав влияет температура. А на длину и площадь сечения влияет сопротивление, а не удельное сопротивление.Следовательно, удельное сопротивление зависит от температуры.

Почему удельное сопротивление уменьшается с температурой?

При повышении температуры запрещенная щель между двумя зонами становится очень малой, и электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости. … Таким образом, при повышении температуры в полупроводнике плотность носителей заряда также увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается.

Удельное сопротивление прямо пропорционально длине?

Сопротивление зависит от длины и площади проводника. … Сопротивление будет равно удельному сопротивлению, если длина (L) равна 1 м, а площадь (A) равна м 2 . Следовательно, удельное сопротивление равно сопротивлению проводника с единицей площади поперечного сечения и единицы длины.

Влияет ли длина провода на удельное сопротивление?

Во-первых, общая длина проводов повлияет на величину сопротивления .Чем длиннее провод, тем больше будет сопротивление. … Точно так же, чем шире провод, тем меньше сопротивление будет потоку электрического заряда.

Увеличивается ли удельное сопротивление с увеличением площади?

Удельное сопротивление проводника обратно пропорционально площади проводника .

Какие 5 хороших проводников?

Наиболее эффективными электрическими проводниками являются:

  • Серебро.
  • Золото.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Меркурий.
  • Сталь.
  • Железо.
  • Морская вода.

Какой металл является самым плохим проводником электричества?

Висмут и вольфрам — два металла, плохо проводящие электричество. Дорогой друг, вольфрам и висмут — это металлы, плохо проводящие электричество.Нержавеющая сталь является плохим проводником, поскольку имеет легированную структуру.

Какой металл является лучшим проводником электричества класса 10?

Серебро является лучшим проводником электричества, поскольку оно содержит большее количество подвижных атомов (свободных электронов) из-за того, что золоту предшествует f-орбиталь из ряда актинидов.

Сопротивление vs.Удельное сопротивление

Электрическое сопротивление электрического проводника зависит от

  • длины проводника
  • материала проводника
  • температуры материала
  • площади поперечного сечения проводника

и может быть выражено Как

R = ρ L / A (1)

, где

R = сопротивление проводника (Ом, Ом)

ρ = Удельное сопротивление проводника Материал (Ом Meter, Ω M)

L = Длина проводника (м)

A = поперечное сечение Дирижер (M 2 )

Удельное сопротивление некоторых общих проводников

9
  • Алюминий: 2.65 x 10 -8 Ω m (0.0265 μω m)
  • углерода:
  • 10 x 10 -8 Ω M (0.10 μω m)
  • Медь: 1.724 x 10 -8 Ω M (0,0174 μω m)
  • Железо: 10 x 10 -8 Ω M (0,1 μω m)
  • серебро: 1,6 х 10 -8 Ом·м (0,0265 мкОм·м)
  • Обратите внимание, что удельное сопротивление зависит от температуры .Приведенные выше значения относятся к температурам 20 o C .

    Удельное сопротивление некоторых распространенных изоляторов

    • Bakelite: 1 x 10 12 Ω M
    • Стекло: 1 x 10 10 1 x 10 11 Ω M
    • Мрамор: 1 x 10 8 Ω M
    • Mica: 0.9 x 10 13 Ω M
    • Парафиновый масло: 1 x 10 16 Ω M
    • Paraffin (Pure Pure ) : 1 x 10 16 Ω M Ω M 1
    • PlexiGlass: 1 x 10 13 Ω M
    • полистирол:
    • 9 14 Ω M
    • Фарфор: 1 х 10 12 Ω M Ω M
    • прессованные amber: 1 x 10 16 Ω M
    • Vulcanite: 1 x 10 14 Ω M
    • Вода, дистиллированные: 1 x 10 10 Ω m

    Обратите внимание, что хороший кон проводники электричества имеют низкое удельное сопротивление, а хорошие изоляторы имеют высокое удельное сопротивление.

    Пример. 8

    Ω M) (10 м) / (((1,04 мм 2 ) (10 -6 M 2 / мм 2 ))

    = 0,16 Ω

    Пример — Cross- площадь сечения и сопротивление

    Вышеуказанный медный провод уменьшен до калибра 24 и площади поперечного сечения 0.205 мм 2 . Увеличение сопротивления может быть рассчитано как 2 ))

        = 0,83 Ом

    Что такое удельное электрическое сопротивление? — Matmatch

    Удельное электрическое сопротивление — это свойство, уникальное для каждого материала, которое необходимо понимать перед созданием и проектированием электрических и электронных систем.Знание того, как материалы различаются по удельному сопротивлению, дает информацию для выбора подходящих материалов, используемых для создания двигателей, электрических цепей, диэлектриков, резистивного нагрева и сверхпроводящих приложений.

    Что такое удельное электрическое сопротивление материала?

    Удельное электрическое сопротивление, обозначаемое греческой буквой ρ (ро), является мерой сопротивления определенного материала заданного размера проводимости электрического тока, протекающего через него. Его также называют удельным электрическим сопротивлением или объемным сопротивлением [1].Единица удельного электрического сопротивления в системе СИ выражается в ом-метрах (Ом·м). Он также находится в единицах (мкОм·см). Изоляторы имеют высокие значения удельного электрического сопротивления в диапазоне 10 10 Ом·м и более, тогда как металлические проводники имеют очень малые значения удельного сопротивления в диапазоне  10 -8 Ом·м.

    Какова формула удельного электрического сопротивления?

    Удельное электрическое сопротивление (ρ) твердого объекта определяется путем пропускания электрического тока через образец и последующего измерения результирующего падения напряжения на определенной длине.Он выражается связью между электрическим полем внутри материала и протекающим электрическим током.

    Фундаментальное соотношение между сопротивлением материала потоку электронов представлено законом Ома [2]:

    где,

    В = I . Р

    В — приложенное напряжение, (вольты: В)

    Я электрика

    л расход тока (ампер: А)

    R — сопротивление материала (Ом: Ом)

    Изображение 1 Источник для справки — https://www.subsurfaceinsights.com/images/ohmslaw.png

    Разделив напряжение на длину образца L, которая дает электрическое поле E, и ток на площадь поперечного сечения A, которая дает плотность тока J, электрическое сопротивление можно описать как внутреннее свойство материала следующим образом:

    ρ — удельное электрическое сопротивление материала (Ом-метр: Ом·м)

    E — величина электрического поля в материале (вольт/метр: В/м)

    Дж — величина плотности электрического тока в материале (ампер/кв.м: А/м 2 )

     

    Для идеального резистора или проводника с однородным поперечным сечением, физическим составом и однородным током формула удельного электрического сопротивления может быть записана как:

    где,

     

     R — электрическое сопротивление однородного образца (Ом: Ом)

     A — площадь поперечного сечения образца (квадратные метры: м 2 )  

     L — длина образца (метры: м) [2]

     

    Проводимость, в отличие от удельного сопротивления, является свойством материала, которое относится к легкости, с которой электрический ток может протекать в материале.Это величина, обратная удельному сопротивлению, выражается как 1/ρ с единицей Сименс/метр (См/м). Сверхпроводник имеет практически нулевое омическое сопротивление и бесконечную проводимость [3].

    Удельное сопротивление против сопротивления

    Удельное сопротивление и сопротивление не следует путать друг с другом. Удельное сопротивление — это свойство материала, имеющее внутреннюю ценность, как и теплопроводность, а сопротивление зависит от формы, геометрии и удельного сопротивления. Рассмотрим два образца стержня из проводящего материала одинакового состава и длины, но разного диаметра.Ожидается, что удельное сопротивление будет одинаковым в обоих случаях, однако тот, у которого площадь поперечного сечения меньше, будет иметь относительно большее сопротивление. Если же диаметры были одинаковыми, а длину одного стержня увеличить, то более длинный стержень будет иметь большее сопротивление. Следовательно, можно сказать, что для проводника сопротивление пропорционально его длине (R ∝ L) [4].

    Удельное сопротивление и температура

    Удельное электрическое сопротивление зависит от температуры, и для большинства материалов табличные значения обычно приводятся при комнатной температуре (20°C).У металлических проводников удельное сопротивление обычно увеличивается пропорционально температуре, тогда как удельное сопротивление полупроводников, таких как кремний, уменьшается с повышением температуры. Это делает полупроводники идеальными для применения в электронике [2].

    Удельное сопротивление и выбор материала

    Электрические и электронные системы используют удельное электрическое сопротивление в качестве ключевого параметра при выборе материала. Это позволяет дизайнерам определить правильный материал, который будет использоваться для данного приложения.Системы распределения электроэнергии, например, полагаются на удельное электрическое сопротивление для оценки линий электропередачи, заземления и материала почвы.

    Материалы, которые служат проводниками, нуждаются в низком уровне удельного сопротивления, несмотря на то, что они вытянуты в длинные тонкие провода. Знание удельного электрического сопротивления различных материалов дает информацию о практичности их использования и позволяет исследовать подходящие альтернативы. Например, хотя серебро и золото имеют низкое удельное сопротивление и являются отличными проводниками, они дороже меди.Медь также обладает высокой пластичностью и высокой электропроводностью, поэтому она является лучшим вариантом. Удельное сопротивление также важно при определении материалов, которые должны действовать как изоляторы для размещения проводов и соединений.

    Что такое удельное сопротивление — Формула и единицы измерения » Electronics Notes

    Удельное электрическое сопротивление является ключевым параметром для любого материала, используемого в электрических цепях, электронных компонентах и ​​многих других изделиях.


    Учебное пособие по сопротивлению Включает:
    Что такое сопротивление Закон Ома Омические и неомические проводники Сопротивление лампы накаливания Удельное сопротивление Таблица удельных сопротивлений для обычных материалов Температурный коэффициент сопротивления Электрическая проводимость Последовательные и параллельные резисторы Таблица параллельных резисторов


    Удельное сопротивление — это мера сопротивления определенного размера определенного материала электропроводности.

    Удельное электрическое сопротивление может также упоминаться как удельное электрическое сопротивление или объемное удельное сопротивление, хотя эти термины менее широко используются.

    Хотя материалы сопротивляются прохождению электрического тока, некоторые лучше проводят его, чем другие.

    Удельное сопротивление — это показатель, который позволяет сравнивать, каким образом различные материалы пропускают или сопротивляются току.

    Чтобы значения удельного сопротивления были значимыми, для удельного сопротивления используются определенные единицы измерения, и существуют формулы для его расчета и соотнесения его с сопротивлением в Омах для данного размера материала.

    Материалы, которые легко проводят электрический ток, называются проводниками и имеют низкое удельное сопротивление. Те, которые плохо проводят электричество, называются изоляторами, и эти материалы имеют высокое удельное сопротивление.

    Удельное сопротивление различных материалов играет важную роль при выборе материалов, используемых для электрических проводов во многих электронных компонентах, включая резисторы, интегральные схемы и многое другое.

    Определение удельного сопротивления и единицы измерения

    Удельное электрическое сопротивление образца материала также может быть известно как его удельное электрическое сопротивление.Это мера того, насколько сильно материал сопротивляется прохождению электрического тока.

    Определение удельного сопротивления:

    Удельное сопротивление вещества есть сопротивление куба этого вещества, имеющего ребра единичной длины, при том понимании, что ток течет нормально к противоположным граням и распределяется по ним равномерно.

    Удельное электрическое сопротивление — это электрическое сопротивление на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения при заданной температуре.

    Единицей удельного электрического сопротивления в системе СИ является ом⋅метр (Ом⋅м). Обычно обозначается греческой буквой ρ, ро.

    Хотя в качестве единицы удельного сопротивления в СИ обычно используется омметр, иногда цифры описываются в омах на сантиметры, Ом⋅см.2

    Из уравнений видно, что сопротивление можно изменять, изменяя множество различных параметров.

    Например, сохраняя постоянное удельное сопротивление материала, сопротивление образца можно увеличить, увеличив длину или уменьшив площадь поперечного сечения. Из уравнений удельного сопротивления также видно, что увеличение удельного сопротивления материала увеличивает сопротивление при тех же размерах. Точно так же уменьшение удельного сопротивления уменьшит сопротивление.

    Уровни удельного сопротивления материала

    Материалы подразделяются на разные категории в зависимости от их уровня или удельного сопротивления.-8

    Полупроводники

    Переменная *

    Сверхпроводники

    0

    *   Уровень проводимости полупроводников зависит от уровня легирования. Без легирования они выглядят почти как изолятор, но с легированием доступны носители заряда, и удельное сопротивление резко падает.Точно так же и для электролитов уровень удельного сопротивления варьируется в широких пределах.

    Определение удельного сопротивления гласит, что удельное сопротивление вещества есть сопротивление куба этого вещества, имеющего ребра единичной длины, при том понимании, что ток течет нормально к противоположным граням и распределяется по ним равномерно.

    Удельное сопротивление обычно измеряется в Ом-метрах. Это означает, что удельное сопротивление измеряется для куба материала размером метр в каждом направлении.


    Практические значения удельного сопротивления

    Удельное сопротивление материалов важно, поскольку оно позволяет использовать правильные материалы в правильных местах в электрических и электронных компонентах.

    Материалы, используемые в качестве проводников, например, в электрических и общих соединительных проводах, должны иметь низкий уровень удельного сопротивления. Это означает, что для данной площади поперечного сечения сопротивление провода будет низким. Выбор правильного материала зависит от знания его свойств, одним из которых является его удельное сопротивление.

    Например, медь является хорошим проводником, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления, ее стоимость не слишком высока, а также она обеспечивает другие физические характеристики, полезные во многих электрических и электронных приложениях. Удельное сопротивление меди составляет около 1,7 x 10 90 118 -8 90 119 ом-метров (или 17, нОм·м), хотя цифры могут незначительно отличаться в зависимости от марки меди

    .

    Такие материалы, как медь и даже алюминий, обладают низким уровнем удельного сопротивления, что делает их идеальными для использования в качестве электрических проводов и кабелей, причем медь часто является фаворитом.Серебро и золото имеют очень низкие значения удельного сопротивления, но, поскольку они значительно дороже, они не используются широко. Однако серебро иногда используется для покрытия проводов, где важно его низкое удельное сопротивление, а золотое покрытие используется для сопрягаемых поверхностей многих электронных разъемов для обеспечения наилучших контактов. Золото также хорошо подходит для электрических разъемов, поскольку оно не тускнеет и не окисляется, как другие металлы.

    Многоконтактный разъем для печатных плат имеет золотое покрытие на сопряженных контактах для снижения контактного сопротивления, а также для предотвращения потускнения

    . Другие материалы должны действовать как изоляторы, проводя как можно меньший ток.Удельное сопротивление изолятора будет на много порядков выше. Одним из примеров является воздух, и его удельное сопротивление составляет более 1,5 x 10 14 , что, как видно, очень, очень много выше, чем удельное сопротивление меди.

    Удельное электрическое сопротивление важно во многих других электронных компонентах. Например, в резисторах удельное сопротивление различных материалов играет ключевую роль в обеспечении правильного сопротивления резисторов.

    Удельное сопротивление

    также имеет ключевое значение для других электронных компонентов.Для интегральных схем очень важно удельное сопротивление материалов в микросхеме. Некоторые области должны иметь очень низкое сопротивление и иметь возможность внутреннего соединения различных областей ИС, в то время как другие материалы должны изолировать различные области. Опять же, сопротивление важно, чтобы это произошло.

    Удельное сопротивление является ключевым во многих областях электронных компонентов, а также для многих электрических деталей.

    Удельное электрическое сопротивление является ключевым параметром для материалов, которые будут использоваться в электрических и электронных системах.Вещества с высоким удельным электрическим сопротивлением называются изоляторами и могут использоваться для этой цели. Они с низким уровнем удельного электрического сопротивления являются хорошими проводниками и могут использоваться во множестве приложений, от проводов до электрических соединений и многого другого.

    Дополнительные основные понятия и руководства по электронике:
    Напряжение Текущий Власть Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ-шум Сигналы
        Вернуться в меню основных понятий электроники .. .

    От чего зависит проводимость материала?

    Корпускулярно-волновой дуализм и эксперимент Дэвиссона-Гермера

    Дуальность волна-частица означает, что свет и субатомные частицы также могут вести себя как волны, отсюда и дуальность.Изучите определение корпускулярно-волнового дуализма, эксперимент Дэвиссона-Гермера, длину волны де Бройля и пример расчета.

    Пунктуационные диалоги и цитаты: урок для детей

    Узнайте, как расставлять знаки препинания при написании диалогов и цитат.Узнайте об используемых знаках препинания и правилах грамматики, определяющих, как писать диалоги, например, когда начинать новый абзац и как включать знаки препинания в кавычки.

    Энтальпия: перенос энергии в физических и химических процессах

    Когда энергия передается во время химической реакции, это называется энтальпией.Изучите происходящие изменения, взаимосвязь с энергией, теплом и температурой, экзотермическими и эндотермическими процессами, а также физические и химические изменения во время энтальпии.

    Полупроводники и сверхпроводники: определение и свойства

    Полупроводники — это материалы с проводимостью между изоляторами и проводниками, а сверхпроводники — это материалы, которые обеспечивают идеальную проводимость при определенной температуре.Узнайте, как каждый из этих материалов применяется в технике.

    Диамагнетизм и парамагнетизм: определение и объяснение

    Диамагнетизм и парамагнетизм являются важными понятиями в понимании строения атома.Узнайте об электронной конфигурации, а затем узнайте о диамагнетизме и парамагнетизме и о том, чем они отличаются друг от друга.

    Лантаниды: определение и свойства

    Лантаниды, или редкоземельные металлы, представляют собой группу из 15 химических элементов серебристого цвета, которые могут тускнеть при контакте с кислородом воздуха.Узнайте больше об определении лантаноидов, изучив их характеристики, свойства и области применения, например, для окрашивания керамики.

    Урок клетки для детей: определение и типы

    Узнайте о клетках, строительных блоках жизни.Откройте для себя различные типы клеток и то, что отличает прокариотические клетки от эукариотических клеток. Наконец, исследуйте части клеток и сколько клеток в организме.

    Список факторов, влияющих на устойчивость

    Сопротивление — это свойство материала, ограничивающее поток электронов. На сопротивление влияют четыре фактора: температура, длина провода, площадь поперечного сечения провода и природа материала.
    Когда в проводящем материале есть ток, свободные электроны движутся через материал и иногда сталкиваются с атомами. Эти столкновения заставляют электроны терять часть своей энергии, и поэтому их движение ограничивается. Это ограничение варьируется и определяется типом материала. Свойство материала, ограничивающее поток электронов, называется сопротивлением.
    Когда через любой материал, обладающий сопротивлением, проходит ток, в результате столкновений свободных электронов и атомов выделяется тепло.Следовательно, провод, который обычно имеет очень небольшое сопротивление, нагревается, когда через него проходит достаточный ток.
    См. также: Виды электрического заряда
    Что такое единица сопротивления?
    Сопротивление R выражается в омах и обозначается греческой буквой омега (Ω).
    «Сопротивление в один ом (1 Ом) существует, если в материале присутствует ток в один ампер (1 А) при приложении к материалу одного вольта (1 В)».
    Что такое проводимость?
    Обратной величиной сопротивления является проводимость, обозначенная буквой G.Это мера легкости, с которой устанавливается ток. Формула:

    Г=1/Р

    Единицей проводимости является Сименс, сокращенно S. Например, проводимость резистора 22 кОм составляет G=1/22 кОм=45,5 мкс. Иногда устаревшая единица мхо все еще используется для проводимости.
    См. также: Закон Кулона

    Список факторов, влияющих на устойчивость

    Сопротивление уменьшается с повышением температуры. Термистор представляет собой резистор, зависящий от температуры, и его сопротивление уменьшается с повышением температуры.Термистор используется в цепи, которая определяет изменение температуры. Есть четыре фактора, от которых зависит сопротивление.

    • Длина (Д)
    • это площадь поперечного сечения (А)
    • тип материала
    • природа материала

    Сопротивление провода зависит как от площади поперечного сечения и длины провода, так и от природы материала провода. Толстые провода имеют меньшее сопротивление, чем тонкие провода. Более длинные провода имеют большее сопротивление, чем короткие провода.Медная проволока имеет меньшее сопротивление, чем тонкая стальная проволока того же сечения. Электрическое сопротивление также зависит от температуры. При определенной температуре и для конкретного вещества.

    Как длина провода влияет на сопротивление?

    Сопротивление R провода прямо пропорционально длине провода:

    R α L…..(1)

    Это означает, что если мы удвоим длину провода, его сопротивление также удвоится, а если его длину уменьшим вдвое, его сопротивление станет вдвое меньше.

    Отношение сопротивления к площади:

    Сопротивление R провода обратно пропорционально площади поперечного сечения А провода как:

    Р α 1/А……(2)

    Это означает, что толстый провод будет иметь меньшее сопротивление, чем тонкий провод. После объединения уравнений (1) и (2) получаем;

    Р α Л/А

    R=ρL/A….(3)

    Где ρ — константа пропорциональности, известная как удельное сопротивление. Его значение зависит от природы проводника i.Медь, железо, олово и серебро будут иметь разные значения ρ. Из уравнения (3) имеем;

    ρ=R A /L….(4)

    Если L=1 м, A=1 м², то ρ=R. Таким образом, уравнение (4) дает определение.
    См. также: Разница между напряжением и током

    Что такое удельное сопротивление?

    Сопротивление метрового куба вещества равно его удельному сопротивлению. Единицей измерения ρ является ом-метр (Ом·м). Ниже приведена таблица некоторых металлов с удельным сопротивлением:

    Металл                                                   удельное сопротивление (10–8 Ом)
    • серебро                               1.7
    • Медь                                    1,69
    • Алюминий 2,75
    • Вольфрам                       5,25
    • Платина                      10,6
    • Железо                                   9,8
    • Нихром                      100
    • Графит                                     3500

    Что такое проводники?
    Материал или объект, который проводит тепло, электричество, свет или звук, называется проводником. Металлические провода являются хорошими проводниками электричества и оказывают меньшее сопротивление потоку тока.Почему металлы проводят электричество?… Такие металлы, как серебро и медь, имеют избыток свободных электронов, которые не удерживаются прочно ни одним конкретным атомом металла. Эти свободные электроны беспорядочно движутся во всех направлениях внутри металлов. Когда мы прикладываем внешнее поле, эти электроны могут легко двигаться в определенном направлении.
    Это движение свободных электронов в определенном направлении под действием внешнего поля вызывает протекание тока в металлических проводах.

    Как сопротивление увеличивается с температурой?

    Проводники имеют низкое значение сопротивления.Сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Это связано с увеличением числа столкновений электронов с собой и с атомами металлов. Золото, серебро, медь, алюминий и другие металлы являются хорошими примерами проводников. Земля также является очень хорошим и большим проводником.
    Что такое изоляторы?
    Материал, который плохо передает энергию, такую ​​как электрический ток или тепло, называется изолятором. почему изоляторы не проводят электричество?.Все материалы содержат электроны. Однако электроны в изоляторах, таких как резина, не могут свободно двигаться. Они прочно связаны внутри атомов. Следовательно, ток не может течь через изолятор, потому что они не являются свободными электронами для протекания тока. Изоляторы имеют очень большое значение сопротивления. Стекло, дерево, пластик, мех, шелк и др.

    Комбинации сопротивлений в электрической цепи

    Возможны две комбинации сопротивлений в электрических цепях:

    • Комбинация серии
    • Параллельная комбинация
    1. Комбинация серии

      :

    В последовательных комбинациях резисторы соединены встык, и электрический ток проходит через цепь по одному пути.Это означает, что ток, проходящий через каждый резистор, одинаков.
    Ток одинаков во всех точках последовательной цепи. Ток через каждый резистор в последовательной цепи равен току через все резисторы, включенные последовательно с ним. На приведенном выше рисунке три резистора подключены последовательно к источнику постоянного напряжения.
    В любой точке этой цепи ток в этой точке должен быть равен току из этой точки. Обратите также внимание на то, что ток, выходящий из каждого резистора, должен быть равен току в каждом резисторе, потому что нет места, где часть тока может ответвляться и идти куда-то еще.
    Следовательно, ток на каждом участке цепи такой же, как и ток на всех остальных участках. У него есть только один путь, идущий от положительной (+) стороны источника к отрицательной (_) стороне.

    Общее последовательное сопротивление:

    Общее последовательное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений каждого отдельного последовательного резистора. Когда резисторы соединены последовательно, номиналы резисторов складываются, потому что каждый резистор оказывает сопротивление току прямо пропорционально его сопротивлению.Большее количество резисторов, соединенных последовательно, создает большее сопротивление току. Большее сопротивление току подразумевает более высокое значение сопротивления. Таким образом, каждый раз, когда резистор добавляется последовательно, общее сопротивление увеличивается.
    См. также: Виды электрического заряда

    Формула полного сопротивления при последовательном соединении:

    Для любого количества отдельных резисторов, соединенных последовательно, общее сопротивление равно сумме каждого из отдельных значений.

     Rt=R1+R2+R3+R4+………..+Рн

    Где Rt — общее сопротивление, а Rn — последний резистор в последовательной цепочке. Например, если есть 3 резистора последовательно, формула общего сопротивления будет

    .

    Рт=Р1+Р2+Р3

    Если есть шесть резисторов последовательно (n=6), формула общего сопротивления будет:

    Rt=R1+R2+R3+R4+R5+R6

    2: Параллельная комбинация:

    Когда два или более резистора подключены по отдельности между одними и теми же двумя отдельными точками, они параллельны друг другу.Параллельная цепь обеспечивает более одного пути для тока.

    Каждый текущий путь называется ветвью . Параллельная цепь   — это еще одна цепь, имеющая более одной ветви. Три резистора соединены параллельно, как показано на рисунке выше. Когда резисторы соединены параллельно, ток имеет более одного пути. Количество текущих путей равно количеству параллельных ветвей.

    Формула для полного параллельного сопротивления:

    Поскольку Vs представляет собой напряжение на каждом из параллельных резисторов на приведенном выше рисунке, по закону Ома I=Vs/R :

    Вс/Rt= Вс/R1+ Вс/R2+ Вс/R3…….(1)

    Член Vs можно вынести из правой части уравнения и сократить с Vs в левой части, оставив только члены сопротивления.

    1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3……(2)

    Напомним, что величина, обратная сопротивлению (1/R), называется проводимостью , что равно   и обозначается буквой G. Единицей проводимости является Сименс (с). Уравнение (2) может быть выражено через проводимость как:

    Гт = Г1 + Г2 + Г2

    Найдите значение Rt в уравнении (2), взяв обратное значение, инвертируя обе части уравнения.

    Rt= 1/ (1/R1) + (1/R2)+ (1/R3)

    Похожие темы:

     

    сопротивление и удельное сопротивление | Физика II

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните понятие удельного сопротивления.
    • Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления определенных конфигураций материала.
    • Используйте термический коэффициент удельного сопротивления для расчета изменения сопротивления в зависимости от температуры.

    Зависимость сопротивления от материала и формы

    Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он состоит. Цилиндрический резистор на рисунке 1 легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра R прямо пропорционально его длине L , аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости.Чем длиннее цилиндр, тем больше столкновений зарядов с его атомами произойдет. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же аналогично потоку жидкости по трубе). На самом деле R обратно пропорционально площади поперечного сечения цилиндра A .

    Рис. 1. Однородный цилиндр длиной L и площадью поперечного сечения A. Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление.Чем больше его площадь поперечного сечения А, тем меньше его сопротивление.

    Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы оказывают различное сопротивление потоку заряда. Определим удельное сопротивление ρ вещества так, что сопротивление R объекта прямо пропорционально ρ . Удельное сопротивление ρ является внутренним свойством материала, не зависящим от его формы или размера.Сопротивление R однородного цилиндра длиной L , площадью поперечного сечения A , изготовленного из материала с удельным сопротивлением ρ , равно

    [латекс]R=\frac{\rho L}{A}\\[/латекс].

    В таблице 1 приведены репрезентативные значения ρ . Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельного сопротивления. Проводники имеют наименьшее удельное сопротивление, а изоляторы — наибольшее; полупроводники имеют промежуточное сопротивление.Проводники имеют разную, но большую плотность свободного заряда, в то время как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут свободно перемещаться. Полупроводники занимают промежуточное положение, имея гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладая свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников используются в современной электронике, что будет рассмотрено в последующих главах.

    Таблица 1.Удельное сопротивление ρ различных материалов при 20ºC
    Материал Удельное сопротивление ρ ( Ом ⋅ м )
    Проводники
    Серебро 1. 59 × 10 −8
    Медь 1. 72 × 10 −8
    Золото 2. 44 × 10 −8
    Алюминий 2.65 × 10 −8
    Вольфрам 5. 6 × 10 −8
    Железо 9. 71 × 10 −8
    Платина 10. 6 × 10 −8
    Сталь 20 × 10 −8
    Свинец 22 × 10 −8
    Манганин (сплав Cu, Mn, Ni) 44 × 10 −8
    Константан (сплав Cu, Ni) 49 × 10 −8
    Меркурий 96 × 10 −8
    Нихром (сплав Ni, Fe, Cr) 100 × 10 −8
    Полупроводники
    Углерод (чистый) 3.5 × 10 5
    Углерод (3,5 − 60) × 10 5
    Германий (чистый) 600 × 10 −3
    Германий (1−600) × 10 −3
    Кремний (чистый) 2300
    Кремний 0,1–2300
    Изоляторы
    Янтарный 5 × 10 14
    Стекло 10 9 − 10 14
    Люцит >10 13
    Слюда 10 11 − 10 15
    Кварц (плавленый) 75 × 10 16
    Резина (твердая) 10 13 − 10 16
    Сера 10 15
    Тефлон >10 13
    Дерево 10 8 − 10 11

    Пример 1.Расчет диаметра резистора: нить накала фары

    Нить накала автомобильной фары изготовлена ​​из вольфрама и имеет холодное сопротивление 0,350 Ом. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (можно свернуть в спираль для экономии места), то каков ее диаметр?

    Стратегия

    Мы можем преобразовать уравнение [латекс]R=\frac{\rho L}{A}\\[/latex] , чтобы найти площадь поперечного сечения A нити на основе данной информации. Тогда его диаметр можно найти, предполагая, что он имеет круглое поперечное сечение.{-5}\text{m}\end{массив}\\[/latex].

    Обсуждение

    Диаметр чуть меньше десятой доли миллиметра. Оно приводится только с двумя цифрами, потому что ρ известно только с двумя цифрами.

    Температурное изменение сопротивления

    Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые даже становятся сверхпроводниками (нулевое сопротивление) при очень низких температурах. (См. рис. 2.)

    Рис. 2. Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — это сверхпроводник примерно до 4.2 K. Выше этой критической температуры его сопротивление делает резкий скачок, а затем увеличивается почти линейно с температурой.

    И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы вибрируют быстрее и преодолевают большие расстояния при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, что фактически увеличивает удельное сопротивление. При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC или менее) удельное сопротивление ρ изменяется с изменением температуры Δ T , как выражается в следующем уравнении

    ρ = ρ 0 (1 + α Δ T ),

    , где ρ 0 — исходное удельное сопротивление, а α — температурный коэффициент удельного сопротивления .(См. значения α в Таблице 2 ниже.) При больших изменениях температуры α может варьироваться или может потребоваться нелинейное уравнение для нахождения ρ . Обратите внимание, что α положительно для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. У манганина (состоящего из меди, марганца и никеля), например, α близко к нулю (трем цифрам на шкале в табл. 2), поэтому его удельное сопротивление лишь незначительно зависит от температуры.Это полезно, например, для создания эталона сопротивления, не зависящего от температуры.

    Таблица 2. Температурные коэффициенты сопротивления α
    Материал Коэффициент (1/°C)
    Проводники
    Серебро 3,8 × 10 −3
    Медь 3,9 × 10 −3
    Золото 3.4 × 10 −3
    Алюминий 3,9 × 10 −3
    Вольфрам 4,5 × 10 −3
    Железо 5,0 × 10 −3
    Платина 3,93 × 10 −3
    Свинец 3,9 × 10 −3
    Манганин (сплав Cu, Mn, Ni) 0,000 × 10 −3
    Константан (сплав Cu, Ni) 0.002 × 10 −3
    Меркурий 0,89 × 10 −3
    Нихром (сплав Ni, Fe, Cr) 0,4 × 10 −3
    Полупроводники
    Углерод (чистый) −0,5 × 10 −3
    Германий (чистый) −50 × 10 −3
    Кремний (чистый) −70 × 10 −3

    Обратите также внимание, что α является отрицательным для полупроводников, перечисленных в Таблице 2, а это означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры.Они становятся лучшими проводниками при более высокой температуре, потому что повышенное тепловое возбуждение увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения ρ с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках. Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как R 0 прямо пропорционально ρ . Для цилиндра мы знаем R = ρL / A , и поэтому, если L и A не сильно меняются с температурой, то R будет иметь такую ​​же температурную зависимость, как ρ .(Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, и поэтому влияние температуры на L и A примерно на два порядка меньше, чем на ρ .) Таким образом,

    R = R 0 ( 1 + α Δ T )

    — температурная зависимость сопротивления объекта, где R 0 — исходное сопротивление, а R — сопротивление после изменения температуры Δ T .Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление. (См. рис. 3.) Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для получения его температуры. Устройство маленькое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

    Рис. 3. Эти знакомые термометры основаны на автоматизированном измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры.(кредит: Биол, Викисклад)

    Пример 2. Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити накала

    Хотя осторожность должна использоваться при применении ρ = ρ = ρ 0 (1 + α δ T ) и R = R 0 (1 + α Δ T ) для изменений температуры более 100ºC, для вольфрама уравнения работают достаточно хорошо при очень больших изменениях температуры. Каково же тогда сопротивление вольфрамовой нити в предыдущем примере, если ее температуру увеличить с комнатной (20°С) до типичной рабочей температуры 2850°С?

    Стратегия

    Это прямое применение R = R 0 (1 + α Δ T ), поскольку первоначальное сопротивление нити было задано равным R 0 = 90,3013 0{-3}/º\text{C}\right)\left(2830º\text{C}\right)\right]\\ & =& {4.8\Omega}\end{array}\\[/latex] .

    Обсуждение

    Это значение соответствует примеру сопротивления фары в Законе Ома: сопротивление и простые схемы.

    Исследования PhET: сопротивление в проводе

    Узнайте о физике сопротивления в проводе. Измените его удельное сопротивление, длину и площадь, чтобы увидеть, как они влияют на сопротивление провода. Размеры символов в уравнении меняются вместе со схемой провода.

    Нажмите, чтобы запустить симуляцию.

    Резюме раздела

    • Сопротивление R цилиндра длиной L и площадью поперечного сечения A равно [латекс]R=\frac{\rho L}{A}\\[/латекс], где ρ это удельное сопротивление материала.
    • Значения ρ в таблице 1 показывают, что материалы делятся на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы .
    • Температура влияет на удельное сопротивление; для относительно небольших изменений температуры Δ T удельное сопротивление равно [латекс]\rho ={\rho }_{0}\left(\text{1}+\alpha \Delta T\right)\\[/latex] , где ρ 0  – исходное удельное сопротивление, а [латекс]\текст{\альфа}[/латекс] – температурный коэффициент удельного сопротивления.
    • В таблице 2 приведены значения α , температурного коэффициента удельного сопротивления.
    • Сопротивление R объекта также зависит от температуры: [латекс]R={R}_{0}\left(\text{1}+\alpha \Delta T\right)\\[/latex], где R 0 — исходное сопротивление, а R — сопротивление после изменения температуры.

    Концептуальные вопросы

    1. В каком из трех полупроводниковых материалов, перечисленных в таблице 1, примеси создают свободные заряды? (Подсказка: изучите диапазон удельного сопротивления для каждого из них и определите, имеет ли чистый полупроводник более высокую или более низкую проводимость.)

    2. Зависит ли сопротивление объекта от пути прохождения тока через него? Рассмотрим, например, прямоугольный стержень — одинаково ли его сопротивление по длине и по ширине? (См. рис. 5.)

    Рис. 5. Встречает ли ток, проходящий двумя разными путями через один и тот же объект, разное сопротивление?

    3. Если алюминиевый и медный провода одинаковой длины имеют одинаковое сопротивление, какой из них имеет больший диаметр? Почему?

    4. Объясните, почему [латекс]R={R}_{0}\left(1+\alpha\Delta T\right)\\[/latex] для температурного изменения сопротивления R  объекта не так точно, как [латекс]\rho ={\rho }_{0}\left({1}+\alpha \Delta T\right)\\[/latex], что дает температурное изменение удельного сопротивления ρ .

    Задачи и упражнения

    1. Чему равно сопротивление отрезка медной проволоки 12-го калибра диаметром 2,053 мм длиной 20,0 м?

    2. Диаметр медной проволоки нулевого калибра составляет 8,252 мм. Найти сопротивление такого провода длиной 1,00 км, по которому осуществляется передача электроэнергии.

    3. Если вольфрамовая нить накаливания диаметром 0,100 мм в электрической лампочке должна иметь сопротивление 0,200 Ом при 20ºC, какой длины она должна быть?

    4. Найдите отношение диаметра алюминиевого провода к медному, если они имеют одинаковое сопротивление на единицу длины (как в бытовой электропроводке).

    5. Какой ток протекает через стержень из чистого кремния диаметром 2,54 см и длиной 20,0 см, если к нему приложено напряжение 1,00 × 10 3 В? (Такой стержень можно использовать, например, для изготовления детекторов ядерных частиц.)

    6. (a) До какой температуры вы должны нагреть медный провод, первоначально равный 20,0 °C, чтобы удвоить его сопротивление, не учитывая изменения размеров? (б) Происходит ли это в бытовой электропроводке при обычных обстоятельствах?

    7. Резистор из нихромовой проволоки используется там, где его сопротивление не может изменяться более чем на 1.00% от его значения при 20,0ºC. В каком диапазоне температур его можно использовать?

    8. Из какого материала изготовлен резистор, если его сопротивление при 100°С на 40,0% больше, чем при 20,0°С?

    9. Электронное устройство, предназначенное для работы при любой температуре в диапазоне от –10,0ºC до 55,0ºC, содержит резисторы из чистого углерода. Во сколько раз увеличивается их сопротивление в этом диапазоне?

    10. (а) Из какого материала сделана проволока, если она имеет длину 25,0 м, диаметр 0,100 мм и сопротивление 77 Ом.7 Ом при 20,0ºC? б) Каково его сопротивление при 150°С?

    11. При постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления, каково максимальное уменьшение сопротивления константановой проволоки в процентах, начиная с 20,0ºC?

    12. Проволоку протягивают через матрицу, растягивая ее в четыре раза по сравнению с первоначальной длиной. Во сколько раз увеличивается его сопротивление?

    13. Медный провод имеет сопротивление 0,500 Ом при 20,0ºC, а железный провод имеет сопротивление 0,525 Ом при той же температуре.При какой температуре их сопротивления равны?

    14. (a) Цифровые медицинские термометры определяют температуру путем измерения сопротивления полупроводникового устройства, называемого термистором (которое имеет α  = –0,0600/ºC), когда оно имеет ту же температуру, что и пациент. Какова температура тела пациента, если сопротивление термистора при этой температуре составляет 82,0% от его значения при 37,0°С (нормальная температура тела)? (b) Отрицательное значение для α может не поддерживаться при очень низких температурах.Обсудите, почему и так ли это, здесь. (Подсказка: сопротивление не может стать отрицательным.)

    15. Комплексные концепции  (a) Повторите упражнение 2 с учетом теплового расширения вольфрамовой нити. Вы можете принять коэффициент теплового расширения равным 12 × 10 −6 /ºC. б) На сколько процентов ваш ответ отличается от ответа в примере?

    16. Необоснованные результаты  (a) До какой температуры нужно нагреть резистор, сделанный из константана, чтобы удвоить его сопротивление при постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления? б) Разрезать пополам? в) Что неразумного в этих результатах? (d) Какие предположения неразумны, а какие предпосылки противоречивы?

    Сноски

    1. 1 Значения сильно зависят от количества и типов примесей
    2. 2 Значения при 20°C.

    Глоссарий

    Удельное сопротивление:
    внутреннее свойство материала, не зависящее от его формы или размера, прямо пропорциональное сопротивлению, обозначаемое ρ
    Температурный коэффициент удельного сопротивления:
    эмпирическая величина, обозначаемая α , которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала при изменении температуры

    Избранные решения задач и упражнений

    1.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.