Удельное сопротивление

Это понятие используют для точной оценки пути прохождения тока через определенный материал. Удельное сопротивление не обязательно знать, чтобы рассчитать радиотехническую схему на базе типовых деталей. Однако этот параметр будет много значить при передаче электроэнергии на большие расстояния. Его учитывают для создания эффективных изоляционных слоев и в ходе решения других практических задач.

Измерение удельного электросопротивления грунта необходимо для организации качественной защиты с применением заземления

Единицы измерения

Чтобы узнать сопротивление (R) проводника, нужно учесть размеры, площадь поперечного сечения (S) и длину (L). При однородном составе вещества можно вычислить удельное значение параметра (p) по следующей формуле:

p = (R * S)/L.

Подставив базовые физические единицы, получают определение для p. В соответствии с международным стандартом СИ единичное удельное сопротивление создает образец со следующими параметрами:

• L = 1 м;
• S = 1 м кв.;
• R = 1 Ом.

Обобщение понятия удельного сопротивления

Некоторые материалы неспособны обеспечить равномерное распределение электропроводности. Для нахождения удельного сопротивления в сложных ситуациях пользуются векторным представлением основных параметров. Напряженность в определенной точке будет прямо пропорциональна плотности тока и удельному сопротивлению. Дифференциальная формула сопротивления проводника применяется для вычислений тензорных значений (pij), когда необходимо учитывать изменение свойств вещества в зависимости от направлений.

Связь с удельной проводимостью

Для оценки этого параметра (Ϭ) используют простую обратную зависимость, если речь идет об изотропных веществах:

p = 1/Ϭ.

В кристалле или другой анизотропной среде базовые соотношения сохраняются. Однако приходится делать коррекцию с учетом разной направленности векторных значений в отдельных точках. Для точных расчетов в формулу удельного сопротивления добавляют деление на определитель матрицы, которая содержит составляющие тензора проводимостей.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ

Выше показано, что рассматриваемый параметр будет зависеть от свойств определенного вещества. Для корректных вычислений следует учитывать различные характеристики полупроводника и металла, других материалов, сплавов, химических соединений в твердом и жидком состоянии.

Металлические монокристаллы

Для примера в следующем перечне приведены тензорные значения (p1=p2 в 10-8 Ом на метр) для некоторых материалов:

• цинк – 5,9;
• висмут – 109;
• олово – 9,89;
• кадмий – 6,78.

Металлы и сплавы, применяемые в электротехнике

В следующем списке представлены разные проводники, которые применяют для создания электротехнических устройств и силовых агрегатов, линий связи, передачи электроэнергии. Для удобства практических расчетов удельное электрическое сопротивление приведено в Ом*мм кв./м при поддержании постоянной температуры в процессе измерений на уровне +20°C:

• платина – 0,107:
• никель – 0,087;
• нихром – от 1,05 до 1,4;
• медь – от 0,017 до 0,018;
• сталь – от 0,1 до 0,137;
• золото – 0,023;
• железо – 0,098;
• алюминий – от 0,026 до 0,03.

Приведенные числа демонстрируют, что в сплавах проводимость существенно зависит от состава и количественного распределения составляющих. Определенное значение для металлических проводников имеет чистота материала.

Качественная электротехническая медь отличается минимальным содержанием примесей и небольшим удельным сопротивлением

Другие вещества

При той же контрольной температуре +20°C измеряются удельные сопротивления иных материалов и веществ (значения приведены в Ом*мм кв./м):

• резина – от 1016 до 1018;
• углеводородные соединения в сжиженном состоянии – 0,8*1010;
• воздух (при разном уровне относительной влажности) – от 1021 до 1032;
• древесина – от 1015 до 1016.

Тонкие плёнки

При уменьшении слоя толщиной можно пренебречь. Для расчета удельного электрического сопротивления формулу преобразуют следующим образом:

Rs = (R*W)/L,

где:

• Rs – значение сопротивления для прямоугольного участка;
• R – результат измерений;
• W (L) – ширина (длина) контрольного образца.

Определение удельной проводимости

С учетом приведенных сведений можно уточнить физические процессы и основные определения. Если к проводнику подсоединить источник тока, напряжение создаст разницу потенциалов между контрольными точками. За счет внешнего источника энергии обеспечивается движение зараженных частиц. На их перемещение оказывают влияние:

• свойства и структура вещества;
• наличие посторонних примесей;
• однородность материала;
• механические дефекты.

Базовые характеристики

Перечисленные факторы определяют удельный параметр, что будет означать эталонную величину. Чтобы найти полное собственное сопротивление, учитывают поправочный коэффициент, который обусловлен свойствами и перечисленными выше особенностями материала. Как показано на рисунке, для расчета определенного изделия надо знать его размеры. Проводимость – обратная величина.

Удельное сопротивление и температура

Из приведенных данных можно сделать правильный вывод о существенном влиянии на проводимость внешних условий. Если материал не пропускает воду и защищен слоем изоляции, влажностью можно пренебречь. Однако в любом случае придется учесть действительную температуру.

Изменение удельного сопротивления в разных температурных режимах

Явление сверхпроводимости

По мере снижения температуры уменьшается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки. Этот процесс сопровождается улучшением условий для перемещения свободных электронов. На определенном уровне возникает явление сверхпроводимости, когда сопротивление становится близким к нулю.

Формула расчета

Для вычислений берут справочное значение удельного сопротивления. Математическим преобразованием основной формулы получают следующее выражение:

R = (p*L)/S.

Формулы для расчета

Как показано на рисунке, при параллельном соединении удобнее пользоваться проводимостью для определения характеристик цепи. Сложные схемы упрощают последовательно, чтобы вычислить итоговое значение эквивалентного сопротивления участка цепи.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич