От чего зависит сопротивление проводника
Содержание
Подключив источник тока к проводящей цепи, с применением мультиметра измеряют разницу потенциалов (напряжение) в контрольных точках. Опытным путем несложно установить, что электрические параметры меняются при использовании резистора, изготовленного из разных материалов. Аналогичные результаты получают, экспериментируя с различными поперечными сечениями. С помощью этой статьи можно узнать, от чего зависит сопротивление проводника. Полученные знания пригодятся для создания функциональных электрических схем. Они нужны для корректного ремонта и модернизации радиотехнических устройств, обеспечения личной безопасности в ходе выполнения отдельных рабочих операций.
В ходе эксперимента несложно установить зависимость измеряемых величин от параметров проводника
Понятие электрического сопротивления проводника
Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.
Наглядный пример – нагрев воды кипятильником
В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:
R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).
Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.
Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).
Зависимость от свойств материала
Для стандартизации приняли единицу измерения 1 Ом. Это сопротивление создает столбик из ртути толщиной 1 кв. мм, высотой – 1063 мм. Измерения выполняются при поддержании нулевой температуры.
Чтобы упростить расчеты, применяют удельное значение сопротивления Rуд, которое создают проводники из других материалов (Длина Х Площадь сечения = 1 000 мм х 1 кв. мм).
Удельное сопротивление (проводимость)
На рисунке обозначено Rуд (серебра) = 0,016. Это значит, что метровый проводник с нормированной площадью сечения 1 мм кв. создает электрическое сопротивление 0,016 Ом. Сведения о других материалах можно взять из справочника.
Зависимость от свойств напряжения
После простого преобразования основной формулы можно составить корректное выражения для напряжения:
U = I * R.
Источник тока генерирует электричество. Подключенный резистор потребляет энергию с трансформацией в тепло. Для подержания определенной силы тока необходимо установить соответствующее напряжение.
Измерительная схема, графики
На графиках показаны вольтамперные характеристики разных приборов. Первые два демонстрируют линейные зависимости, в которых изменяется только угол наклона прямой линии (зависимость от электрического сопротивления резистора).
Если подключить полупроводниковый диод, график существенно изменится. По рисунку можно определить малое сопротивление в области положительных значений U. Однако после изменения полярности увеличение отрицательного напряжения не сопровождается аналогичным изменением силы тока. Одностороннюю проводимость, в частности, используют для выпрямления сигналов.
На последнем графике сдвинутая точка перехода нулевого значения силы тока обозначает ЭДС источника питания. Как и в предыдущем примере, небольшой угол по отношению к вертикали показывает малое внутреннее сопротивление АКБ.
Зависимость от геометрии
Из раздела с описанием удельных параметров понятно, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины. Если взять образец из серебра (площадь нормированного сечения 1 кв. мм) при длине 6,8 м, несложно вычислить значение R = 6,8 * 0,016 = 0,1088 Ом.
Аналогичным образом решают иные практические задачи. Чтобы создать провод с электросопротивлением 100 Ом понадобится серебряная жила длиной 6 250 м = 100/ 0,016. Если применить металлический проводник из железа, длина составит 833 м = 100/0,12.
Следующий решающий фактор – площадь поперечного сечения. Для наглядности можно использовать пример с перекачиванием жидкости из основного бака в две разные емкости. Создать необходимый напор несложно поднятием главного резервуара на небольшую высоту. Применив трубки с разным диаметром протоков, можно увидеть разницу в скорости заполнения контрольных объемов. Если показания будут измеряться при желании несложно составить пропорциональные зависимости с учетом исходных геометрических параметров транспортных каналов.
Размерность проводников также имеет значение. Электрическое сопротивление (R) равно удельному значению для определенного материала (Rуд), умноженному на длину (L) и деленому на соответствующее поперечное сечение (S). Если известен только диаметр, то для круглой жилы можно применить классическую формулу из школьного курса геометрии:
S = (π * d2)/4 = (3,14 * d2)/4.
Длину вычисляют по преобразованному выражению:
L = S * (R/ Rуд).
Эти пропорции демонстрируют, от чего зависит сопротивление.
Расчёт сопротивления проводника
Выше были рассмотрены упрощенные методики, которые надо корректировать с учетом реальных условий. Так, существенное влияние на проводимость материалов оказывает температура. В серийных проводниках (медь, алюминий) значение данного параметра увеличивается в пропорции 0,3-0,5% на каждый градус. В составах на основе угля и электролитах наблюдается обратный эффект – уменьшение сопротивления.
Без удерживающих струн и других приспособлений для фокусов обеспечивается настоящая левитация с применением сверхпроводимости
Показанный на рисунке эксперимент можно воспроизвести, понизив температуру металла до «абсолютного нуля» (-273°C). При таком экстремальном охлаждении атомарная решетка фиксируется в стабильном положении.
Это состояние создает идеальные условия для перемещения электронов. Отсутствие препятствий сопровождается минимальными потерями, что объясняет перспективность направления для создания эффективных линий передачи энергии. Пример на рисунке демонстрирует улучшенные эксплуатационные параметры транспортных коммуникаций. В данном случае можно исключить силы трения.
Комбинация трубы с безвоздушным пространством и сверхпроводимости улучшает характеристики перспективных транспортных систем
Понятно, что для улучшения экономических показателей необходимо повысить рабочую температуру при сохранении хорошей проводимости. Однако новейшие научные достижения в соответствующей области позволяют рассчитывать на положительный результат в близком будущем.
Однако при необходимости нетрудно вывести удельный показатель:
Rуд = R * S /L.
Геометрические параметры измеряют стандартными инструментами (линейкой, штангенциркулем). По типовой схеме измерений с помощью мультиметра уточняют электрическое сопротивление. Для вычисления Rуд пользуются представленной выше формулой. В справочнике выбирают позицию, соответствующую результату расчета. По такой же методике можно определить иные неизвестные значения, например, длину кабеля в подземной трассе.
В реальных расчетах для повышения точности учитывают реактивные компоненты проводников. Например, индуктивность длинной прямой линии определяют по формуле:
И = (m0/2π) * L *(mc * ln(L/r) +1/4m,
где:
- m – магнитная проницаемость материала (о – постоянная, с – окружающей среды);
- r и L – радиус и длина проводника, соответственно.
При повышении частоты приходится учитывать растекание тока в поверхностной зоне и вихревые изменения.
Представленные теоретические знания пригодятся для расчета и создания реостата – прибора с регулируемым сопротивлением. Они нужны для предотвращения электротравм с применением точного расчета защитных цепей и специализированных автоматов (предохранителей).
