Зависимость сопротивления проводника от удельного сопротивления: Удельное сопротивление. Реостаты — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

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

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт.

Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр. Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сила тока будет зависеть от температуры проводника.

Изменение сопротивления в зависимости от температуры

Пусть при температуре 0 градусов, сопротивление проводника равняется R0, а при температуре t  сопротивление равно R, тогда относительное изменение сопротивления будет прямо пропорционально изменению температуры t:

(R-R0)/R=a*t.

В данной формуле а – коэффициент пропорциональности, который называют еще температурным коэффициентом.  Он характеризует зависимость сопротивления, которым обладает вещество, от температуры.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться. Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур.

Растворы электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается. То есть для них температурный коэффициент будет меньше нуля.

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника. Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры

Попытаемся найти зависимость удельного сопротивления проводника от температуры.

Подставим в полученную выше формулу значения сопротивлений R=p*l/S R0=p0*l/S.

Получим следующую формулу:

p=p0(1+a*t).

Температурный коэффициент можно считать постоянным, следовательно, удельное сопротивление проводника будет прямо пропорционально температуре проводника.

Данная зависимость представлена на следующем рисунке.

Попробуем разобраться, почему увеличивается сопротивление

Когда мы повышаем температуру, то увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.

Зависимость сопротивления проводника от температуры, широко используется в технике и физике. Например, в изготовлении термометров сопротивления.

Зависимость сопротивления проводника от температуры: почему увеличивается

 

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт.

Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр. Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сила тока будет зависеть от температуры проводника.

Изменение сопротивления в зависимости от температуры

Пусть при температуре 0 градусов, сопротивление проводника равняется R0, а при температуре t  сопротивление равно R, тогда относительное изменение сопротивления будет прямо пропорционально изменению температуры t:

В данной формуле а – коэффициент пропорциональности, который называют еще температурным коэффициентом.  Он характеризует зависимость сопротивления, которым обладает вещество, от температуры. 

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться. Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур.

Растворы электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается. То есть для них температурный коэффициент будет меньше нуля.

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника. Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры

Попытаемся найти зависимость удельного сопротивления проводника от температуры.

Подставим в полученную выше формулу значения сопротивлений R=p*l/S R0=p0*l/S.

Получим следующую формулу:

Температурный коэффициент можно считать постоянным, следовательно, удельное сопротивление проводника будет прямо пропорционально температуре проводника.

Данная зависимость представлена на следующем рисунке.

Попробуем разобраться, почему увеличивается сопротивление

Когда мы повышаем температуру, то увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.  

Зависимость сопротивления проводника от температуры, широко используется в технике и физике. Например, в изготовлении термометров сопротивления.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Опыт Милликена и Иоффе: суть эксперимента и как это было
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspСверхпроводимость: определение, история открытия, свойства и перспективы

Электрическое сопротивление проводника

Электрическое сопротивление — физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику. Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже. 

Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах.  При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе, благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I2Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется. 

Удельное сопротивление

Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м .  Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле   

где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)   

Вещество

p, Ом*мм2/2

α,10-3 1/K

Алюминий

0. 0271

3.8

Вольфрам

0.055

4.2

Железо

0.098

6

Золото

0.023

4

Латунь

0.025-0.06

1

Манганин

0.42-0.48

0,002-0,05

Медь

0. 0175

4.1

Никель

0.1

2.7

Константан

0.44-0.52

0.02

Нихром

1.1

0.15

Серебро

0.016

4

Цинк

0.059

2. 7

Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

Зависимость удельного сопротивления от деформаций


При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4. 1 · 10 − 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 − 3  Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле 

где r это удельное сопротивление после нагрева, r0 – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t2 – температура до нагрева, t1  — температура после нагрева. 

Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм2/м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2, после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия. 

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко.  Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор. Резистор применяется практически в любой электрической схеме. 

  • Просмотров: 11211
  • Закон Ома, сопротивление проводников

    | на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | электричество и электромагнетизм |

    Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
    в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

    Немецкий физик Г. Ом (1787;—1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

                                                                        (98.1)

    где R — электрическое сопротивление проводника. Уравнение (98.1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сала тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Формула (98.1) позволяет установить единицу сопротивления — ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Величина

    называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

    Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого проводник изготовлен. Для однородного линейного проводника сопротивление R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S:

                                                                    (98.2)

    где r — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления — ом×метр (Ом×м). Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6×10–8 Ом×м) и медь (1,7×10–8 Ом×м). На практике наряду с медными применяются алюминиевые провода. Хотя алюминий и имеет большее, чем медь, удельное сопротивление (2,6×10–8 Ом×м), но зато обладает меньшей плотностью по сравнению с медью.

    Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив выражение для сопротивления (98. 2) в закон Ома (98.1), получим

                                                         (98.3)

    где величина, обратная удельному сопротивлению,

    называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Ее единица — сименс на метр (См/м). Учитывая, что U/l = Е — напряженность электрического поля в проводнике, I/S = j — плотность тока, формулу (98.3) можно записать в виде

                                                                          (98.4)

    Так как в изотропном проводнике носители тока в каждой точке движутся в направлении вектора Е, то направления j и Е совпадают. Поэтому формулу (98.4) можно записать в виде

                                                                          (98.5)

    Выражение (98.5) — закон Ома в дифференциальном форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.

    Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а значит и сопротивления, с температурой описывается линейным законом:

    где r и r0, R и R0 соответственно удельные сопротивления и сопротивления провод­ника при t и 0°С, a температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов (при не очень низких температурах) близкий к 1/273 К–1. Следовательно, температур­ная зависимость сопротивления может быть представлена в виде

    где Т — термодинамическая температура.

    Качественный ход температурной зависимости сопротивления металла представлен на рис. 147   (кривая 1). Впоследствии было обнаружено, что сопротивление многих металлов (например, Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов при очень низких температурах TK (0,14—20 К), называемых критическими, характерных для каждого вещества, скачко­образно уменьшается до нуля (кривая 2), т. е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, обнаружено в 1911 г. Г. Камерлинг-Оннесом для ртути. Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование сверхпроводящих материалов (в обмотках сверхпроводящих магнитов, в системах памяти ЭВМ и др.) затруднено из-за их низких критических температур. В настоящее время обнаружены и активно исследуются керамические материалы, обладающие сверхпроводимостью при температуре выше 100 К.

    На зависимости электрического сопротивления металлов от температуры основано действие термометров сопротивления, которые позволяют по градуированной взаимо­связи сопротивления от температуры измерять температуру с точностью до 0,003 К. Термометры сопротивления, в которых в качестве рабочего вещества используются полупроводники, изготовленные по специальной технологии, называются термисторами. Они позволяют измерять температуры с точностью до миллионных долей кельвин.


    От чего зависит сопротивление

    Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на нем. Это значит, что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока. Однако при одинаковом напряжении, но использовании разных проводников сила тока различна. Можно сказать по-другому. Если увеличивать напряжение, то хотя сила тока и будет увеличиваться, но везде по-разному, в зависимости от свойств проводника.

    Зависимость силы тока от напряжения для данного конкретного проводника представляет собой сопротивление этого проводника. Оно обозначается R и находится по формуле R = U/I. То есть сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока. Чем больше сила тока в проводнике при данном напряжении, тем меньше его сопротивление. Чем больше напряжение при данной силе тока, тем больше сопротивление проводника.

    Формулу можно переписать по отношению к силе тока: I = U/R (закон Ома). В таком случае нагляднее, что чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.

    Можно сказать, что сопротивление как бы мешает напряжению создавать большую силу тока.

    Само сопротивление является характеристикой проводника. Оно не зависит от поданного на него напряжения. Если будет подано большое напряжение, то изменится сила тока, но не изменится отношение U/I, т. е. не изменится сопротивление.

    От чего же зависит сопротивление проводника? Оно зависти от

    • длины проводника,
    • площади его поперечного сечения,
    • вещества, из которого изготовлен проводник,
    • температуры.

    Чтобы связать вещество и его сопротивление, вводится такое понятие как удельное сопротивление вещества. Оно показывает, какое будет сопротивление в данном веществе, если проводник из него будет иметь длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2. Проводники такой длины и толщины, изготовленные из разных веществ, будут иметь разные сопротивления. Это связано с тем, что у каждого металла (чаще всего именно они являются проводниками) своя кристаллическая решетка, свое количество свободных электронов.

    Чем меньше удельное сопротивление вещества, тем лучшим проводником электрического тока оно является. Маленьким удельным сопротивлением обладают, например, серебро, медь, алюминий; куда большее у железа, вольфрама; очень большое у различных сплавов.

    Чем длиннее проводник, тем большее сопротивление он имеет. Это становится понятно, если принять во внимание, что движению электронов в металлах мешают ионы, составляющие кристаллическую решетку. Чем их больше, т. е. чем длиннее проводник, тем больше у электрона шанс замедлить свой путь.

    Однако увеличение площади поперечного сечения делает как бы дорогу шире. Электронам легче течь и не сталкиваться с узлами кристаллической решетки. Поэтому чем толще проводник, тем его сопротивление меньше.

    Таким образом, сопротивление прямо пропорционально зависит от удельного сопротивления (ρ) и длины (l) проводника и обратно пропорционально зависит от площади (S) его поперечного сечения. Получаем формулу сопротивления:

    R = ρl/S

    В этой формуле на первый взгляд не отражается зависимость сопротивления проводника от его температуры. Однако удельное сопротивление вещества меряется при определенной температуре (обычно 20 °C). Поэтому температура учитывается. Для вычислений удельные сопротивления берут из специальных таблиц.

    Для металлических проводников чем больше температура, тем сопротивление больше. Это связано с тем, что при повышении температуры ионы решетки начинают сильнее колебаться и больше мешать движению электронов. Однако в электролитах (растворах, где заряд несут ионы, а не электроны) с повышением температуры сопротивление уменьшается. Здесь это связано с тем, что чем выше температура, тем больше происходит диссоциация на ионы, и они быстрее двигаются в растворе.

    Electric Resistance — The Physics Hypertextbook

    Обсуждение

    введение

    Йех! Что за беспорядок.

    Проводимость: С. Грей, 1729 — Сопротивление: Георг Симон Ом, 1827.

    Обычная версия…

    I В

    . .
    Я = В В = ИК R = В
    р I

    Variableogy…

    • количество: сопротивление R
      единица: Ом [Ом] Георг Ом (1787–1854) Германия

    Причудливая версия (магнитогидродинамическая версия?)…

    Дж E

    .
    Дж = σ E E = ρ Дж

    Добро пожаловать в символический ад…

    Электрические свойства
    количество символ Блок СИ символ недвижимость…
    сопротивление R Ом Ом объектов
    проводимость г siemens S
    удельное сопротивление ρ Омметр Ом · м материалов
    проводимость σ сименс на метр См / м

    Закон Ома не является серьезным законом. Это непростая физика. Разумные материалы и устройства подчиняются ему, но есть множество мошенников, которые этого не делают.

    резисторы

    Плохая выпивка портит наши молодые кишки, но водка идет хорошо.

    Лучше постройте крышу над гаражом, пока фургон не намок.

    Коды маркировки резисторов и конденсаторов
    цвет цифра множитель допуск tcr (10 −6 / К)
    нет ± 20%
    розовый 10 −3
    серебро 10 −2 ± 10%
    золото 10 -1 ± 5%
    черный 0 10 0+ ± 250
    коричневый 1 10 1+ ± 1% ± 100
    красный 2 10 2+ ± 2% ± 50
    оранжевый 3 10 3+ ± 0. 05% ± 15
    желтый 4 10 4+ ± 0,02% ± 25
    зеленый 5 10 5+ ± 0,50% ± 20
    синий 6 10 6+ ± 0,25% ± 10
    фиолетовый 7 ± 0.10% ± 5 ​​
    серый 8 ± 0,01% ± 1
    белый 9

    материалы

    Сопротивление и удельное сопротивление. Факторы, влияющие на сопротивление в проводящем проводе.

    Проводники и изоляторы

    Лучшие электрические проводники: серебро, медь, золото, алюминий, кальций, бериллий, вольфрам

    Удельное сопротивление и проводимость взаимны.

    Электропроводность металлов — это статистическая / термодинамическая величина.

    Удельное сопротивление определяется рассеянием электронов. Чем больше рассеяние, тем выше сопротивление.

    где…

    σ = Электропроводность [См / м]
    n = плотность свободных электронов [э / м 3 ]
    e = заряд электрона (1,60 × 10 −19 Кл)
    м e = масса электрона (9.11 × 10 −31 кг)
    v среднеквадратичное значение = Среднеквадратичная скорость электронов [м / с]
    ℓ = средняя длина свободного пробега [м]

    Графит

    Кому принадлежит эта идея? Нихром был изобретен в 1906 году, что сделало возможным электрические тостеры.

    Полимеры электропроводящие.

    Удельное сопротивление выбранных материалов (~ 300 K)
    (Обратите внимание на разницу в единицах измерения между металлами и неметаллами. )

    металлы ρ (нОм м)
    алюминий 26,5
    латунь 64
    хром 126
    медь 17,1
    золото 22,1
    утюг 96,1
    свинец 208
    литий 92.8
    ртуть (0 ° C) 941
    марганец 1440
    нихром 1500
    никель 69,3
    палладий 105,4
    платина 105
    плутоний 1414
    серебро 15,9
    припой 150
    сталь, гладкая 180
    сталь, нержавеющая 720
    тантал 131
    банка (0 ° C) 115
    титан (0 ° C) 390
    вольфрам 52. 8
    уран (0 ° C) 280
    цинк 59
    неметаллы ρ (Ом м)
    оксид алюминия (14 ° C) 1 × 10 14
    оксид алюминия (300 ° C) 3 × 10 11
    оксид алюминия (800 ° C) 4 × 10 6
    углерод аморфный 0.35
    карбон, алмаз 2,7
    углерод, графит 650 × 10 −9
    оксид индия и олова, тонкая пленка 2000 × 10 −9
    германий 0,46
    пирекс 7740 40 000
    кварцевый 75 × 10 16
    кремний 640
    диоксид кремния (20 ° C) 1 × 10 13
    диоксид кремния (600 ° C) 70 000
    диоксид кремния (1300 ° C) 0. 004
    вода, жидкость (0 ° C) 861 900
    вода, жидкость (25 ° C) 181 800
    вода, жидкость (100 ° C) 12 740

    температура

    Общее правило — удельное сопротивление увеличивается с увеличением температуры в проводниках и уменьшается с увеличением температуры в изоляторах. К сожалению, не существует простой математической функции для описания этих отношений.

    Температурную зависимость удельного сопротивления (или обратной ему проводимости) можно понять только с помощью квантовой механики. Точно так же, как материя представляет собой совокупность микроскопических частиц, называемых атомами, а луч света — это поток микроскопических частиц, называемых фотонами, тепловые колебания в твердом теле представляют собой рой микроскопических частиц, называемых фононами . Электроны пытаются дрейфовать к положительному полюсу батареи, но фононы продолжают врезаться в них. Случайное направление этих столкновений нарушает попытку организованного движения электронов против электрического поля. Отклонение или рассеяние электронов на фононах — один из источников сопротивления. С повышением температуры количество фононов увеличивается, а вместе с ним и вероятность столкновения электронов и фононов. Таким образом, когда температура повышается, сопротивление повышается.

    Для некоторых материалов удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

    ρ = ρ 0 (1 + α ( T T 0 ))

    Удельное сопротивление проводника увеличивается с температурой.В случае меди зависимость между удельным сопротивлением и температурой примерно линейна в широком диапазоне температур.

    Для других материалов лучше работает соотношение сил.

    ρ = ρ 0 ( T / T 0 ) μ

    Удельное сопротивление проводника увеличивается с температурой. В случае вольфрама зависимость между удельным сопротивлением и температурой лучше всего описывается соотношением мощности.

    см. Также: сверхпроводимость

    разное

    магнитосопротивление

    фотопроводимость

    жидкости

    электролиты

    газы

    пробой диэлектрика

    плазма

    микрофонов

    Угольный микрофон — ничто задом наперед

    Микрофоны и принцип их работы
    тип звуков производят
    изменения в…
    , что вызывает
    изменения…
    , что приводит к изменению
    углерод Плотность гранул сопротивление напряжение
    конденсатор разделение тарелок емкость напряжение
    динамический Расположение змеевика флюс напряжение
    пьезоэлектрический сжатие поляризация напряжение

    Сопротивление и удельное сопротивление | Физика II

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните понятие удельного сопротивления.
    • Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления материалов указанной конфигурации.
    • 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 сделан. 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 , подобно сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше зарядов соударяется с его атомами. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же, как поток жидкости по трубе). Фактически, R обратно пропорционален площади поперечного сечения цилиндра A .

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

    Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы обладают разным сопротивлением потоку заряда. Мы определяем удельное сопротивление ρ вещества так, чтобы сопротивление R объекта было прямо пропорционально ρ .Удельное сопротивление ρ — это внутреннее свойство материала, независимо от его формы или размера. Сопротивление R однородного цилиндра длиной L , площадью поперечного сечения A , изготовленного из материала с удельным сопротивлением ρ , составляет

    .

    [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 удельных сопротивлений.У проводников наименьшее удельное сопротивление, а у изоляторов наибольшее; полупроводники имеют промежуточное удельное сопротивление. Проводники имеют различную, но большую плотность свободных зарядов, тогда как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут двигаться. Полупроводники являются промежуточными, имеют гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладают свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников находят применение в современной электронике, о чем мы поговорим в следующих главах.

    Таблица 1. Удельное сопротивление ρ различных материалов при 20º C
    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
    Утюг 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
    Янтарь 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 сопротивление холоду 0,350 Ом. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (ее можно свернуть в бухту для экономии места), каков ее диаметр?

    Стратегия

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

    Обсуждение

    Диаметр чуть меньше десятой миллиметра. Он состоит только из двух цифр, потому что ρ известен только из двух цифр.

    Температурное изменение сопротивления

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

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

    И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы колеблются быстрее и на больших расстояниях при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, эффективно увеличивая удельное сопротивление. При относительно небольших изменениях температуры (около 100 ° C 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 сопротивления . (См. Значения α в Таблице 2 ниже.) Для более значительных изменений температуры α может изменяться или может потребоваться нелинейное уравнение, чтобы найти ρ . Обратите внимание, что α положителен для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. Например, у манганина (который состоит из меди, марганца и никеля) α близко к нулю (до трех цифр на шкале в Таблице 2), и поэтому его удельное сопротивление незначительно меняется с температурой.Это полезно, например, для создания не зависящего от температуры эталона сопротивления.

    Таблица 2. Температурные коэффициенты удельного 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
    Утюг 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

    Отметим также, что α отрицателен для полупроводников, перечисленных в таблице 2, что означает, что их удельное сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высоких температурах, потому что повышенное тепловое перемешивание 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, поскольку R 0 прямо пропорционально ρ . Для цилиндра мы знаем, что R = ρL / A , и поэтому, если L и A не сильно изменяются с температурой, R будет иметь такую ​​же температурную зависимость, как ρ .(Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше, чем типичные температурные коэффициенты удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на L и A примерно на два порядка меньше, чем на ρ .) Таким образом,

    R = R 0 (1 + α Δ T )

    — это 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 определения его температуры. Устройство небольшое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

    Рис. 3. Эти знакомые термометры основаны на автоматическом измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры.(Источник: Biol, Wikimedia Commons)

    Пример 2. Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити

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

    Стратегия

    Это прямое применение R = R 0 (1 + α Δ T ), поскольку исходное сопротивление нити было задано равным R 0 = 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 цепи.

    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.

    Щелкните, чтобы запустить моделирование.

    Сводка раздела

    • Сопротивление R цилиндра длиной L и площадью поперечного сечения A составляет [латекс] R = \ frac {\ rho L} {A} \ [/ латекс], где ρ — удельное сопротивление материала.
    • Значения ρ в таблице 1 показывают, что материалы делятся на три группы — проводников, полупроводников и изоляторов .
    • 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] \ text {\ alpha} [/ latex] — температурный коэффициент удельного сопротивления.
    • В таблице 2 приведены значения для 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 дают свободные заряды? (Подсказка: изучите диапазон удельного сопротивления для каждого из них и определите, имеет ли чистый полупроводник большую или меньшую проводимость. )

    2. Зависит ли сопротивление объекта от пути, через который проходит ток? Рассмотрим, например, прямоугольный стержень — одинаково ли его сопротивление по длине и по ширине? (См. Рисунок 5.)

    Рис. 5. Встречается ли ток, проходящий двумя разными путями через один и тот же объект, с разным сопротивлением?

    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 равен не так точен, как [латекс] \ rho = {\ rho} _ {0} \ left ({1} + \ alpha \ Delta T \ right) \\ [/ latex], что дает температурное изменение удельного сопротивления ρ .

    Задачи и упражнения

    1. Каково сопротивление отрезка медного провода 12-го калибра длиной 20,0 м и диаметром 2,053 мм?

    2. Диаметр медного провода нулевого сечения — 8,252 мм. Найдите сопротивление такого провода длиной 1,00 км, используемого для передачи энергии.

    3. Если вольфрамовая нить диаметром 0,100 мм в лампочке должна иметь сопротивление 0,200 Ом при 20 ° C, 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 при приложении к нему 1,00 × 10 3 В? (Такой стержень можно использовать, например, для изготовления детекторов ядерных частиц.)

    6. (a) До какой температуры нужно нагреть медный провод, изначально равный 20,0 ° C, чтобы удвоить его сопротивление, не обращая внимания на любые изменения в размерах? (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 температурном диапазоне его можно использовать?

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

    9. Электронное устройство, предназначенное для работы при любой температуре в диапазоне от –10,0 ° C до 55,0 ° C, содержит резисторы из чистого углерода. В какой степени их сопротивление увеличивается в этом диапазоне?

    10. (a) Из какого материала изготовлена ​​проволока, если она имеет длину 25,0 м, диаметр 0,100 мм и сопротивление 77.7 Ом при 20,0 ° C? (б) Каково его сопротивление при 150 ° C?

    11. При условии постоянного температурного коэффициента удельного сопротивления, каков максимальный процент уменьшения сопротивления константановой проволоки, начиная с 20,0 ° C?

    12. Через матрицу протягивают проволоку, растягивая ее в четыре раза по сравнению с исходной длиной. По какому фактору увеличивается его сопротивляемость?

    13. Медный провод имеет сопротивление 0,500 Ом при 20,0 ° C, 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 прибора, называемого термистором (который имеет α = –0,0600 / ºC), когда он находится при той же температуре, что и пациент. Какова температура пациента, если сопротивление термистора при этой температуре составляет 82,0% от его значения при 37,0 ° C (нормальная температура тела)? (b) Отрицательное значение для α не может поддерживаться при очень низких температурах.Обсудите, почему и так ли здесь. (Подсказка: сопротивление не может стать отрицательным.)

    15. Integrated Concepts (a) Повторите упражнение 2 с учетом теплового расширения вольфрамовой нити. Вы можете принять коэффициент теплового расширения 12 × 10 −6 / ºC. б) На какой процент ваш ответ отличается от приведенного в примере?

    16. Необоснованные результаты (a) До какой температуры нужно нагреть резистор из константана, чтобы удвоить его сопротивление, при условии постоянного температурного коэффициента удельного сопротивления? б) разрезать пополам? (c) Что необоснованного в этих результатах? (d) Какие допущения необоснованны или какие посылки несовместимы?

    Сноски

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

    Глоссарий

    удельное сопротивление:
    внутреннее свойство материала, независимо от его формы или размера, прямо пропорциональное сопротивлению, обозначенное как ρ
    температурный коэффициент удельного сопротивления:
    эмпирическая величина, обозначенная как α , которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала при температуре

    Избранные решения проблем и упражнения

    1. 0,104 Ом

    3. 2,8 × 10 −2 м

    5. 1,10 × 10 −3 A

    7. от −5ºC до 45ºC

    9. 1.03

    11. 0,06%

    13. −17ºC

    15. (a) 4,7 Ом (всего) (b) уменьшение на 3,0%


    5.3 Удельное сопротивление и сопротивление — Введение в электричество, магнетизм и схемы

    ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

    К концу этого раздела вы сможете:
    • Разница между сопротивлением и удельным сопротивлением
    • Определите термин проводимость
    • Опишите электрический компонент, известный как резистор
    • Укажите взаимосвязь между сопротивлением резистора и его длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.
    • Укажите взаимосвязь между удельным сопротивлением и температурой

    Что движет током? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, розетки и т. Д., Которые необходимы для поддержания тока.Все такие устройства создают разность потенциалов и называются источниками напряжения. Когда источник напряжения подключен к проводнику, он создает разность потенциалов, которая создает электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на свободные заряды, вызывая ток. Величина тока зависит не только от величины напряжения, но и от характеристик материала, через который протекает ток. Материал может сопротивляться потоку зарядов, и мера того, насколько материал сопротивляется потоку зарядов, известна как удельное сопротивление .Это удельное сопротивление грубо аналогично трению между двумя материалами, которые сопротивляются движению.

    Удельное сопротивление

    Когда к проводнику прикладывается напряжение, создается электрическое поле, и заряды в проводнике ощущают силу, обусловленную электрическим полем. Плотность тока зависит от электрического поля и свойств материала. Эта зависимость может быть очень сложной. В некоторых материалах, включая металлы при данной температуре, плотность тока приблизительно пропорциональна электрическому полю. В этих случаях плотность тока можно смоделировать как

    где — электропроводность . Электропроводность аналогична теплопроводности и является мерой способности материала проводить или передавать электричество. Проводники имеют более высокую электропроводность, чем изоляторы. Поскольку удельная электропроводность равна, то единицы равны

    .

    Здесь мы определяем единицу с именем Ом с греческим символом омега в верхнем регистре,.Устройство названо в честь Георга Симона Ома, о котором мы поговорим позже в этой главе. Используется, чтобы избежать путаницы с числом. Один Ом равен одному вольту на ампер:. Таким образом, единицы электропроводности равны.

    Электропроводность — это внутреннее свойство материала. Другим неотъемлемым свойством материала является удельное сопротивление или , или удельное электрическое сопротивление. Удельное сопротивление материала — это мера того, насколько сильно материал противостоит прохождению электрического тока. Символ удельного сопротивления — строчная греческая буква ро, а удельное сопротивление — величина, обратная удельной электропроводности:

    .

    Единица измерения удельного сопротивления в единицах СИ — ом-метр. Мы можем определить удельное сопротивление через электрическое поле и плотность тока,

    (5.3.1)

    Чем больше удельное сопротивление, тем большее поле необходимо для создания заданной плотности тока. Чем ниже удельное сопротивление, тем больше плотность тока, создаваемого данным электрическим полем.Хорошие проводники обладают высокой проводимостью и низким удельным сопротивлением. Хорошие изоляторы обладают низкой проводимостью и высоким удельным сопротивлением. В таблице 5.3.1 приведены значения удельного сопротивления и проводимости для различных материалов.

    (таблица 5.3.1)

    Таблица 5.3.1 Сопротивление и удельная электропроводность различных материалов при
    [1] Значения сильно зависят от количества и типов примесей.

    Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельного сопротивления.У проводников наименьшее удельное сопротивление, а у изоляторов наибольшее; полупроводники имеют промежуточное удельное сопротивление. Проводники имеют разную, но большую плотность свободных зарядов, тогда как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут двигаться. Полупроводники являются промежуточными, имеют гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладают свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников находят применение в современной электронике, о чем мы поговорим в следующих главах.

    ПРИМЕР 5.3.1


    Плотность тока, сопротивление и электрическое поле для токоведущего провода

    Рассчитайте плотность тока, сопротивление и электрическое поле медного провода диаметром (), по которому проходит ток.

    Стратегия

    Мы можем рассчитать плотность тока, сначала найдя площадь поперечного сечения провода, а также определение плотности тока. Сопротивление можно найти, используя длину провода, площадь и удельное сопротивление меди, где.Удельное сопротивление и плотность тока можно использовать для определения электрического поля.

    Решение

    Сначала рассчитываем плотность тока:

    Сопротивление провода

    Наконец, мы можем найти электрическое поле:

    Значение

    Исходя из этих результатов, неудивительно, что медь используется для проводов, проводящих ток, потому что сопротивление довольно мало. Обратите внимание, что плотность тока и электрическое поле не зависят от длины провода, но напряжение зависит от длины.

    ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 5.5


    Медные провода обычно используются для удлинителей и домашней электропроводки по нескольким причинам. Медь имеет самый высокий рейтинг электропроводности и, следовательно, самый низкий рейтинг удельного сопротивления среди всех недрагоценных металлов. Также важна прочность на разрыв, где прочность на разрыв является мерой силы, необходимой для того, чтобы подтянуть объект к точке, где он сломается. Прочность материала на разрыв — это максимальное значение растягивающего напряжения, которое он может выдержать перед разрушением.Медь обладает высокой прочностью на разрыв. Третья важная характеристика — пластичность. Пластичность — это мера способности материала вытягиваться в проволоку и мера гибкости материала, а медь обладает высокой пластичностью. Подводя итог, можно сказать, что проводник является подходящим кандидатом для изготовления проволоки, по крайней мере, с тремя важными характеристиками: низким удельным сопротивлением, высокой прочностью на разрыв и высокой пластичностью. Какие еще материалы используются для электромонтажа и в чем преимущества и недостатки?

    Температурная зависимость удельного сопротивления

    Возвращаясь к таблице 5.3.1 вы увидите столбец «Температурный коэффициент». Удельное сопротивление некоторых материалов сильно зависит от температуры. В некоторых материалах, таких как медь, удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры. Фактически, в большинстве проводящих металлов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры. Повышение температуры вызывает повышенные колебания атомов в структуре решетки металлов, которые препятствуют движению электронов. В других материалах, таких как углерод, удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры.Во многих материалах зависимость является приблизительно линейной и может быть смоделирована с помощью линейного уравнения:

    (5.3.2)

    где — удельное сопротивление материала при температуре, — температурный коэффициент материала, а — удельное сопротивление при, обычно принимаемое равным.

    Обратите внимание, что температурный коэффициент для полупроводников, перечисленных в Таблице 5.3.1, отрицательный, что означает, что их удельное сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высоких температурах, потому что повышенное тепловое перемешивание увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока.Это свойство уменьшаться с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.

    Сопротивление

    Теперь рассмотрим сопротивление провода или компонента. Сопротивление — это мера того, насколько сложно пропустить ток через провод или компонент. Сопротивление зависит от удельного сопротивления. Удельное сопротивление является характеристикой материала, используемого для изготовления провода или другого электрического компонента, тогда как сопротивление является характеристикой провода или компонента.

    Чтобы рассчитать сопротивление, рассмотрите сечение токопроводящего провода с площадью поперечного сечения, длиной и удельным сопротивлением. Батарея подключается к проводнику, обеспечивая на нем разность потенциалов (рисунок 5.3.1). Разность потенциалов создает электрическое поле, пропорциональное плотности тока, согласно.

    (рисунок 5.3.1)

    Рисунок 5.3.1 Потенциал, обеспечиваемый батареей, прикладывается к сегменту проводника с площадью поперечного сечения и длиной.

    Величина электрического поля на участке проводника равна напряжению, деленному на длину,, а величина плотности тока равна току, деленному на площадь поперечного сечения,. Используя эту информацию и вспоминая, что электрическое поле пропорционально удельному сопротивлению и плотности тока, мы можем видеть, что напряжение пропорционально току:

    СОПРОТИВЛЕНИЕ


    Отношение напряжения к току определяется как сопротивление :

    (5.3.3)

    Сопротивление цилиндрического сегмента проводника равно удельному сопротивлению материала, умноженному на длину, деленную на площадь:

    (5.3.4)

    Единица измерения сопротивления — Ом. Для данного напряжения, чем выше сопротивление, тем ниже ток.

    Резисторы

    Обычным компонентом электронных схем является резистор. Резистор можно использовать для уменьшения протекания тока или обеспечения падения напряжения. Рисунок 5.3.2 показывает символы, используемые для резистора в принципиальных схемах цепи. Два обычно используемых стандарта для принципиальных схем предоставлены Американским национальным институтом стандартов (ANSI, произносится как «AN-см.») И Международной электротехнической комиссией (IEC). Обе системы обычно используются. Мы используем стандарт ANSI в этом тексте для его визуального распознавания, но отметим, что для более крупных и сложных схем стандарт IEC может иметь более четкое представление, что упрощает чтение.

    (рисунок 5.3.2)

    Рисунок 5.3.2 Обозначения резистора, используемого в принципиальных схемах. (а) символ ANSI; (b) символ IEC.
    Зависимость сопротивления от материала и формы

    Резистор можно смоделировать как цилиндр с площадью поперечного сечения и длиной, сделанный из материала с удельным сопротивлением (рисунок 5.3.3). Сопротивление резистора составляет.

    (рисунок 5.3.3)

    Рисунок 5.3.3 Модель резистора в виде однородного цилиндра длины и площади поперечного сечения.Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше площадь его поперечного сечения, тем меньше сопротивление.

    Наиболее распространенным материалом для изготовления резистора является углерод. Углеродная дорожка намотана на керамический сердечник, к нему прикреплены два медных провода. Второй тип резистора — это металлопленочный резистор, который также имеет керамический сердечник. Дорожка сделана из материала оксида металла, который имеет полупроводниковые свойства, аналогичные углеродным.Опять же, в концы резистора вставляются медные провода. Затем резистор окрашивается и маркируется для идентификации. Резистор имеет четыре цветные полосы, как показано на рисунке 5.3.4.

    (рисунок 5.3.4)

    Рисунок 5.3.4 Многие резисторы напоминают рисунок, показанный выше. Четыре полосы используются для идентификации резистора. Первые две цветные полосы представляют собой первые две цифры сопротивления резистора. Третий цвет — множитель. Четвертый цвет обозначает допуск резистора.Показанный резистор имеет сопротивление.

    Сопротивление может быть разным. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление или более. Сухой человек может иметь сопротивление руки к ноге, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около. Кусок медного провода большого диаметра длиной в метр может иметь сопротивление, а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления при низких температурах. Как мы видели, сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит.

    Сопротивление объекта также зависит от температуры, поскольку оно прямо пропорционально. Мы знаем, что для цилиндра, если и не сильно изменяются с температурой, имеет ту же температурную зависимость, что и. (Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше, чем типичные температурные коэффициенты удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на и примерно на два порядка меньше, чем на.) Таким образом,

    (5.3.5)

    — это температурная зависимость сопротивления объекта, где — исходное сопротивление (обычно принимаемое равным), а — сопротивление после изменения температуры. Цветовой код показывает сопротивление резистора при температуре.

    Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление (рисунок 5.3.5). Один из наиболее распространенных термометров основан на термисторе, полупроводниковом кристалле с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для определения его температуры.Устройство небольшое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

    (рисунок 5.3.5)

    Рисунок 5.3.5 Эти знакомые термометры основаны на автоматическом измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры.

    ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 5.6


    Тензодатчик — это электрическое устройство для измерения деформации, как показано ниже. Он состоит из гибкой изолирующей основы, поддерживающей рисунок из проводящей фольги.Сопротивление фольги изменяется по мере растяжения основы. Как меняется сопротивление тензодатчика? Влияет ли тензодатчик на изменение температуры?

    ПРИМЕР 5.3.3


    Сопротивление коаксиального кабеля

    Длинные кабели иногда могут действовать как антенны, улавливая электронные шумы, которые являются сигналами от другого оборудования и приборов. Коаксиальные кабели используются во многих случаях, когда требуется устранение этого шума. Например, их можно найти дома через кабельное телевидение или другие аудиовизуальные соединения.Коаксиальные кабели состоят из внутреннего проводника с радиусом, окруженного вторым, внешним концентрическим проводником с радиусом (рисунок 5.3.6). Пространство между ними обычно заполнено изолятором, например полиэтиленовым пластиком. Между двумя проводниками возникает небольшой ток радиальной утечки. Определите сопротивление коаксиального кабеля соответствующей длины.

    (рисунок 5.3.6)

    Рисунок 5.3.6 Коаксиальные кабели состоят из двух концентрических проводников, разделенных изоляцией.Они часто используются в кабельном телевидении или других аудиовизуальных средствах связи.
    Стратегия

    Мы не можем использовать уравнение напрямую. Вместо этого мы смотрим на концентрические цилиндрические оболочки с толщиной и интегрируем.

    Решение

    Сначала мы находим выражение, а затем интегрируем от до,

    Значение

    Сопротивление коаксиального кабеля зависит от его длины, внутреннего и внешнего радиусов, а также удельного сопротивления материала, разделяющего два проводника.Поскольку это сопротивление не бесконечно, между двумя проводниками возникает небольшой ток утечки. Этот ток утечки приводит к ослаблению (или ослаблению) сигнала, передаваемого по кабелю.

    ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 5.7


    Сопротивление между двумя проводниками коаксиального кабеля зависит от удельного сопротивления материала, разделяющего два проводника, длины кабеля и внутреннего и внешнего радиуса двух проводников. Если вы разрабатываете коаксиальный кабель, как сопротивление между двумя проводниками зависит от этих переменных?

    Кандела Цитаты

    Лицензионный контент CC, конкретная атрибуция

    • Загрузите бесплатно по адресу http: // cnx.org/contents/[email protected] Получено с сайта : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Атрибуция

    Температурная зависимость удельного сопротивления — Материалы исследования для IIT JEE


    Удельное сопротивление

    Удельное сопротивление известно как удельное электрическое сопротивление или объемное сопротивление. Его можно определить как внутреннее свойство данного материала, которое показывает, как он противодействует потоку тока.Его также можно определить как сопротивление проводника, имеющего единичную длину и единицу площади поперечного сечения. Таким образом, это не зависит от длины и площади поперечного сечения материала. Но сопротивление материала зависит от длины и площади поперечного сечения материала. Удельное сопротивление выражается как ρ = R A / L, где R — сопротивление в омах, A — площадь поперечного сечения в квадратных метрах, а L — длина в метрах. Единица измерения удельного сопротивления — омметр.


    Температурная зависимость удельного сопротивления

    Удельное сопротивление материалов зависит от температуры.ρ t = ρ 0 [1 + α (T — T 0 ) — это уравнение, которое показывает связь между температурой и удельным сопротивлением материала. В уравнении ρ 0 — удельное сопротивление при стандартной температуре, ρ t — удельное сопротивление при t 0 C, T 0 — эталонная температура, а α — температурный коэффициент удельного сопротивления.

    Изменение удельного сопротивления проводников

    Мы знаем, что ток — это движение свободных электронов от одного атома к другому при наличии разности потенциалов.В проводниках нет запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной. Во многих случаях обе полосы перекрывают друг друга. Валентные электроны слабо связаны с ядром в проводниках. Обычно металлы или проводники имеют низкую энергию ионизации и поэтому очень легко теряют электроны. При подаче электрического тока делокализованные электроны могут свободно перемещаться внутри структуры. Так бывает при нормальной температуре.

    При повышении температуры колебания ионов металлов в решетчатой ​​структуре возрастают.Атомы начинают вибрировать с большей амплитудой. Эти колебания, в свою очередь, вызывают частые столкновения между свободными электронами и другими электронами. Каждое столкновение истощает часть энергии свободных электронов и делает их неспособными двигаться. Таким образом, он ограничивает движение делокализованных электронов. Когда происходит столкновение, скорость дрейфа электронов уменьшается. Это означает, что удельное сопротивление металла увеличивается и, следовательно, ток в металле уменьшается. Увеличение удельного сопротивления означает, что проводимость материала снижается.

    Говорят, что для металлов или проводников они имеют положительный температурный коэффициент. Значение α положительное. Для большинства металлов удельное сопротивление линейно увеличивается с повышением температуры в диапазоне 500 К. Примеры для положительного температурного коэффициента включают серебро, медь, золото и т. Д.

    Температурная зависимость удельного сопротивления металлов


    Изменение удельного сопротивления в полупроводниках

    Кремний — полупроводник.В полупроводниках ширина запрещенной зоны между зоной проводимости и валентной зоной мала. При 0K валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости может быть пустой. Но при приложении небольшого количества энергии электроны легко перемещаются в зону проводимости. Кремний — это пример полупроводника. В нормальных условиях кремний действует как плохой проводник. Каждый атом кремния связан с 4 другими атомами кремния. Связи между этими атомами представляют собой ковалентные связи, в которых электроны находятся в фиксированных позитонах.Таким образом, при 0K электроны не перемещаются внутри структуры решетки.

    При повышении температуры запрещенная зона между двумя зонами становится очень меньше, и электроны перемещаются из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, некоторые электроны ковалентных связей между атомами Si могут свободно перемещаться внутри структуры. Это увеличивает проводимость материала. Повышение проводимости означает уменьшение удельного сопротивления. Таким образом, когда температура в полупроводнике повышается, плотность носителей заряда также увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается.Говорят, что полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент. Таким образом, значение температурного коэффициента удельного сопротивления α отрицательно.

    Кривая нелинейная в широком диапазоне температур.

    Температурная зависимость от удельного сопротивления для полупроводников


    Изменение удельного сопротивления в изоляторах

    В изоляторах большой запрещенный энергетический зазор между зоной проводимости и валентной зоной.Валентная зона полностью заполнена электронами. Запрещенная щель между двумя зонами будет больше 3 eV. Таким образом, для перехода валентного электрона в зону проводимости требуется большое количество энергии. Алмаз — это пример изолятора. Здесь все валентные электроны участвуют в образовании ковалентной связи, и проводимости не происходит. Электроны прочно связаны с ядром.

    Когда температура повышается, атомы материала колеблются, и это заставляет валентные электроны, присутствующие в валентной зоне, переходить в зону проводимости.Это, в свою очередь, увеличивает проводимость материала. Когда проводимость материала увеличивается, это означает, что удельное сопротивление уменьшается, и поэтому ток увеличивается. Таким образом, некоторые изоляторы при комнатной температуре превращаются в проводники при высокой температуре. Для изоляторов они имеют отрицательный температурный коэффициент. Таким образом, значение температурного коэффициента удельного сопротивления α отрицательно.

    Проводники и изоляторы

    Сверхпроводники

    Мы знаем, что когда электрический ток проходит по проводникам, некоторая энергия теряется в виде тепла.Количество потерь энергии зависит от сопротивления материала. В 1911 году некоторые ученые охладили образец ртути до 4,2 ° выше абсолютного нуля. Таким образом сопротивление материала изменилось до нуля. Так был открыт первый сверхпроводник. Таким образом, ученые обнаружили, что в некоторых случаях некоторые материалы не проявляют никакого сопротивления. Материалы с нулевым сопротивлением называются сверхпроводниками. При нулевом сопротивлении материалы проводят ток без потери энергии.Когда температура таких материалов снижается, свободные электроны перестают сталкиваться с положительными ионами, и, таким образом, сопротивление оказывается нулевым. Температура, при которой сопротивление падает до нуля, называется критической температурой .

    Когда сверхпроводник помещается в магнитное поле, магнитное поле огибает материал, не позволяя магнитному полю проходить через них. Когда напряженность магнитного поля увеличивается, в определенный момент поле может проникать через сверхпроводник и, таким образом, его поведение нарушается.

    Считайте, что через сверхпроводник проходит электрический ток. Предположим, что плотность тока увеличивается, при определенном значении плотности тока он теряет свою сверхпроводимость и, наконец, ведет себя как нормальный материал. Плотность тока, выше которой материал теряет сверхпроводимость, называется критической плотностью тока. Высокая температура, сильное магнитное поле и высокая плотность тока разрушают сверхпроводимость материала. Сейчас эти материалы используются в аппаратах МРТ.

    Прочие материалы

    Удельное сопротивление таких материалов, как нихром, манганин и константан, не сильно зависит от температуры и показывает очень низкую зависимость. Следовательно, эти материалы используются в проволочных стандартных резисторах, поскольку изменение значения сопротивления незначительно при изменении температуры.

    Манганин Константан


    Факторы, влияющие на удельное сопротивление

    Мы знаем, что удельное сопротивление ρ = m / ne 2 , где e — заряд электрона, ԏ — среднее время между столкновениями или время релаксации электронов, а m — масса электрона, n — плотность заряда.Таким образом, это показывает, что сопротивление зависит от ряда факторов, таких как время релаксации между столкновениями и плотность заряда. Из приведенных выше сценариев ясно, что при повышении температуры средняя скорость электронов увеличивается, и, следовательно, происходит больше столкновений. Таким образом, время релаксации между каждым столкновением уменьшается.

    В случае металлов плотность заряда в определенной степени не зависит от температуры. Таким образом, это влияет на другие факторы, такие как ԏ, что означает, что при повышении температуры среднее время между столкновениями уменьшается, что приводит к увеличению удельного сопротивления.

    Для полупроводников и изоляторов плотность заряда n увеличивается при повышении температуры. Это компенсирует уменьшение значения ԏ. Следовательно, удельное сопротивление уменьшается при понижении температуры.

    Сводка
    • Удельное сопротивление — это сопротивление проводника, имеющего единицу длины и единицу площади поперечного сечения. Единица измерения удельного сопротивления — омметр. Формула: ρ = RA / L, где R — сопротивление в омах, A — площадь поперечного сечения в квадратных метрах, а L — длина в метрах.

    • ρ t = ρ 0 [1 + α (T — T 0 ) — это уравнение, которое показывает связь между температурой и удельным сопротивлением материала. ρ 0 — удельное сопротивление при стандартной температуре, ρ t — удельное сопротивление при t 0 C, T 0 — эталонная температура, а α — температурный коэффициент удельного сопротивления.

    • Для металлов или проводников, когда температура увеличивается и удельное сопротивление металла увеличивается, и, таким образом, ток в металле уменьшается.У них положительный температурный коэффициент. Значение α положительное.

    • Для полупроводников: при повышении температуры увеличивается проводимость материала. Это означает, что удельное сопротивление материала уменьшается, и поэтому ток увеличивается. Для полупроводников они имеют отрицательный температурный коэффициент. Таким образом, значение температурного коэффициента удельного сопротивления α отрицательно.

    • Для изоляторов электропроводность материала увеличивается при повышении температуры.Когда проводимость материала увеличивается, мы знаем, что удельное сопротивление уменьшается, и, таким образом, ток увеличивается. Таким образом, некоторые изоляторы при комнатной температуре превращаются в проводники при высокой температуре. Для изоляторов они имеют отрицательный температурный коэффициент. Значение температурного коэффициента удельного сопротивления α отрицательно.

    • Материалы с нулевым сопротивлением называются сверхпроводниками. Температура, при которой сопротивление падает до нуля, называется критической температурой.Высокая температура, сильное магнитное поле и высокая плотность тока ослабят свойство сверхпроводимости материала. Меркурий — пример сверхпроводника.

    • Такие материалы, как нихром, манганин и константан, не сильно зависят от температуры. Таким образом, изменение удельного сопротивления материала при изменении температуры незначительно.


    Посмотрите это видео, чтобы получить дополнительную информацию


    Другие чтения

    Температурная зависимость удельного сопротивления

    cbse сайт для 9 класса | Онлайн-классы CBSE | CBSE онлайн-класс 12

    Сопротивление | электроника | Britannica

    Узнайте, как сопротивление влияет на поток электронов в электрической цепи

    В каждой электрической цепи есть некоторое сопротивление потоку электрического тока, даже в материалах, которые являются хорошими проводниками.

    Encyclopædia Britannica, Inc. См. Все видео по этой статье

    Сопротивление , в электричестве, свойство электрической цепи или части цепи, которая преобразует электрическую энергию в тепловую энергию в противодействии электрическому току. Сопротивление включает столкновения заряженных частиц с током с неподвижными частицами, составляющими структуру проводников. Сопротивление часто считается локализованным в таких устройствах, как лампы, нагреватели и резисторы, в которых оно преобладает, хотя оно характерно для каждой части цепи, включая соединительные провода и линии электропередачи.

    Рассеяние электрической энергии в виде тепла, даже если оно небольшое, влияет на величину электродвижущей силы или управляющего напряжения, необходимого для создания заданного тока в цепи. Фактически, электродвижущая сила В (измеренная в вольтах) в цепи, деленная на ток I (амперы), протекающий через эту цепь, количественно определяет величину электрического сопротивления R. Точнее, R = V / I. Таким образом, если 12-вольтовая батарея постоянно пропускает двухамперный ток по длине провода, провод имеет сопротивление шесть вольт на ампер или шесть Ом.Ом — это общепринятая единица электрического сопротивления, эквивалентная одному вольту на ампер и обозначаемая заглавной греческой буквой омега (Ом). Сопротивление провода прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально его площади поперечного сечения. Сопротивление также зависит от материала проводника. См. Удельное сопротивление .

    Сопротивление проводника или элемента схемы обычно увеличивается с повышением температуры. При охлаждении до крайне низких температур некоторые проводники имеют нулевое сопротивление.Токи продолжают течь в этих веществах, называемых сверхпроводниками, после снятия приложенной электродвижущей силы.

    Величина, обратная сопротивлению, 1/ R, называется проводимостью и выражается в единицах обратного сопротивления, называемых mho.

    Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Температурное сопротивление — сопротивление различных материалов

    Что такое сопротивление?

    Сопротивление — это препятствие для потока электронов в материале.Когда к проводнику прикладывается разность потенциалов, это способствует движению электронов, в то время как сопротивление препятствует движению электронов. Комбинация этих двух факторов — это скорость, с которой заряд проходит между двумя терминалами.

    Когда к веществу прикладывается напряжение, возникает электрический ток. Напряжение, приложенное к веществу, прямо пропорционально току.

    V∝I

    Константа пропорциональности называется Удельным сопротивлением металлов.

    В = RI

    Следовательно, сопротивление определяется как отношение напряжения, приложенного к веществу, к току. Сопротивление измеряется в омах (Ом).

    Единица сопротивления

    Из концепции сопротивления можно сказать, что единицей электрического сопротивления является вольт на ампер. Одна единица сопротивления — это сопротивление, которое позволяет одной единице тока протекать через себя, когда к ней приложена одна единица разности потенциалов. Единица измерения сопротивления — вольт на ампер — называется ом (Ом).

    Сопротивление различных материалов

    1. Проводники: те материалы, которые обладают очень низким сопротивлением потоку электронов. Серебро является хорошим проводником электричества, но из-за его высокой стоимости обычно не используется в электрических системах. Алюминий является хорошим проводником и широко используется в качестве проводника из-за его низкой стоимости и доступности.

    2. Полупроводники: Материал с умеренным значением сопротивления (не очень высоким и не очень низким) при комнатной температуре, известен как полупроводники.Есть несколько применений полупроводников, например, для изготовления электронных устройств. Кремний и германий — два материала, которые в основном используются для изготовления полупроводников.

    3. Изоляторы: те материалы, которые обладают очень высоким сопротивлением потоку электронов. Эти материалы являются очень плохими проводниками электричества и в основном используются в электрических системах для предотвращения утечки тока. Слюда, фарфор, бумага, сухое дерево, минеральное масло, газообразный азот, воздух и т. Д. Являются хорошими примерами изоляторов.

    Сопротивление в зависимости от температуры

    Общее правило гласит, что сопротивление в проводниках увеличивается с увеличением температуры и уменьшается с увеличением температуры в изоляторах.В случае полупроводников, как правило, сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры. Но не существует простого математического соотношения для описания этой зависимости между сопротивлением и температурой для различных материалов с помощью графиков.

    1. Для проводника: валентная зона и зона проводимости перекрываются друг с другом в случае проводника. Итак, зона проводимости содержит избыточные электроны. Поглощая энергию, при повышении температуры больше электронов перейдет из валентной зоны в зону проводимости.

    (Изображение будет добавлено в ближайшее время)

    1. Для полупроводников: проводимость полупроводникового материала увеличивается с увеличением температуры. При повышении температуры наиболее удаленные электроны приобретают энергию и, таким образом, приобретая энергию, наиболее удаленные электроны покидают оболочку атома.

    (Изображение будет добавлено в ближайшее время)

    Что такое удельное сопротивление?

    Удельное сопротивление — это в основном количественное значение сопротивления, предлагаемого любым материалом.Хотя материалы сопротивляются прохождению электрического тока, одни лучше других проводят его. Удельное сопротивление — это показатель, позволяющий сравнивать, насколько разные материалы позволяют или сопротивляются току.

    Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ — омметр (Ом · м), обычно обозначаемая греческой буквой ρ, ро.

    Удельное сопротивление материала можно определить как сопротивление (R), длину (L) и площадь материала (A).

    ρ = RA / L

    Из уравнения видно, что сопротивление можно изменять, регулируя ряд параметров.

    Зависимость сопротивления от температуры

    Удельное сопротивление материалов зависит от температуры как ρt = ρ0 [1 + α (T — T0). Это уравнение, которое показывает взаимосвязь между удельным сопротивлением и температурой.

    ρt = ρ0 [1 + α (T — T0)

    • ρ0 — удельное сопротивление при стандартной температуре

    • ρt — удельное сопротивление при t0 C

    • T0 — эталонная температура

    • α — температурный коэффициент удельного сопротивления

    Вот зависимость между удельным сопротивлением и температурой с графиками.

    1. Для проводников: Говорят, что проводники имеют положительную сопутствующую температуру, эффективную для металлов или проводников. Положительное значение — α. Для большинства металлов удельное сопротивление линейно увеличивается с увеличением температуры примерно на 500 К.

    (Изображение будет добавлено в ближайшее время)

    1. Для полупроводников: удельное сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры. Говорят, что у них отрицательный температурный коэффициент. Следовательно, температурный коэффициент удельного сопротивления α отрицателен.

    (Изображение будет добавлено в ближайшее время)

    1. Изоляторы: для изоляторов при повышении температуры увеличивается проводимость материала. Когда проводимость материала увеличивается, мы знаем, что удельное сопротивление уменьшается, и, следовательно, увеличивается ток. А некоторые изоляторы превращаются в проводники при высоких температурах при комнатной температуре. У них отрицательный температурный коэффициент.

    Интересные факты

    Определите сопротивление и удельное сопротивление Задайте физический класс 10 CBSE

    Подсказка: Сначала напишите определение и свойства сопротивления и удельного сопротивления должным образом, опишите их единицы, от каких факторов это зависит.Затем запишите соотношение между удельным сопротивлением и сопротивлением, которое на самом деле является формулой сопротивления проводника. Затем напишите зависимость сопротивления от температуры.

    Полный пошаговый ответ:
    Сопротивление — это свойство проводника, которое препятствует свободному течению электрического тока или электронов. Сопротивление также можно упростить как отношение приложенного напряжения к протекающему через него электрическому току. Сопротивление проводника обычно зависит от ряда факторов: длины, характера материала и площади поперечного сечения.Для материала проводника сопротивление материала обратно пропорционально площади поперечного сечения и прямо пропорционально длине проводника.
    Удельное сопротивление — это свойство проводника, которое определяется как сопротивление материала на единицу длины для единичного поперечного сечения. Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ — омметр. Удельное сопротивление линейно увеличивается с повышением температуры. Когда мы сравниваем удельное сопротивление изоляторов с удельным сопротивлением проводника, оно довольно низкое.Следовательно, мы можем представить это как:
    Удельное сопротивление изоляторов> Удельное сопротивление сплавов> Удельное сопротивление проводников
    Соотношение между удельным сопротивлением и сопротивлением:
    $ R = \ rho \ dfrac {l} {A} $, где $ \ rho $ — удельное сопротивление, $ l $ — длина проводника, $ A $ — площадь поперечного сечения.
    Мы знаем, что удельное сопротивление материала зависит от температуры. Удельное сопротивление уменьшается с понижением температуры и увеличивается с повышением температуры.
    Таким образом, из приведенного выше соотношения мы можем сказать, что сопротивление материала также увеличивается или уменьшается с увеличением или уменьшением температуры.

    Примечание: Не нарушайте порядок вопросов, старайтесь отвечать в том же порядке, в каком задан вопрос. Студенты обычно ошибаются в терминах, от которых зависит удельное сопротивление, подобно тому, как максимальное количество студентов пытается вывести его из сопротивления в проводнике, именно здесь они ошибаются.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *