Электропроводимость
Всякий проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью – способностью проводить электрический ток.
Проводимость есть величина, обратная сопротивлению.
Единица проводимости называется сименсом (См): 1 См = 1/Ом.
Проводимость
обозначают буквой
:
,
(См)
Для
суждения об электропроводности материалов
пользуются также понятием удельная
электрическая проводимость
.
Удельная
электрическая проводимость измеряется
в сименсах на метр (См/м) (проводимость
куба с ребром 1м).
Проводниковые
материалы применяют, главным образом,
в виде проволок, шин или лент, площадь
поперечного сечения которых принято
выражать в квадратных миллиметрах, а
длину –
в метрах. Поэтому для удельного
электрического сопротивления подобных
материалов и удельной электрической
проводимости введены и другие единицы
измерения:
измеряют в
(сопротивление проводника длиной 1 м и
площадью поперечного сечения 1
),
а
–
в
(проводимость проводника длиной 1 м и
площадью поперечного сечения 1
).
Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, так как структура их атомов позволяет легко передвигаться свободным электронам, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь.
Чистые
металлы всегда проводят электрический
ток лучше, чем их сплавы. Поэтому в
электротехнике используют преимущественно
очень чистую медь, содержащую только
примесей. И, наоборот, в тех случаях,
когда необходим материал с высоким
сопротивлением (для различных
нагревательных приборов, реостатов и
пр.), применяют специальные сплавы:
константан, манганин, нихром, фехраль.
Следует отметить, что в технике, кроме металлических проводников, используют и неметаллические. К таким проводникам относится, например, уголь, из которого изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов и пр. Проводниками электрического тока являются толща земли, живые ткани растений, животных и человека. Проводят электрический ток сырое дерево и многие другие изоляционные материалы во влажном состоянии.
Зависимость сопротивления проводников от температуры
Электрическое сопротивление проводников зависит от температуры. У металлов оно возрастает при нагревании, у электролитов – при охлаждении.
В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.
Опыт показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления от температуры выражается линейной функцией:
,
где
,
,
,
–
удельные сопротивления вещества
проводника соответственно при
и
,
–
температурный коэффициент сопротивления,
измеряемый в СИ в Кельвинах в минус
первой степени
(или
),
зависит
от материала проводника.
Зависимость сопротивления от температуры может быть представлена эмпирической формулой в виде бесконечного ряда:
(1)
где
– сопротивление при температуре
;
– сопротивление при
.
Коэффициенты
должны определяться из опыта. Опыт
показывает, что коэффициенты при высоких
значениях
малы,
например:
;
По
этой причине при малых температурах
можно ограничиться одним членом в
разложении (1): 
. (2)
Температурный коэффициент сопротивления вещества – это величина, численно равная относительному изменению удельного сопротивления проводника при его нагревании на 1 К:
,
где
.
Для
всех металлических проводников
и слабо изменяется с изменением
температуры. Для большинства металлов
в интервале температур от 0° до 100°С
коэффициент
изменяется от 3,3⋅10–3
до 6,2⋅10–3
К–1.
У
химически чистых металлов
.
Существуют
специальные сплавы, сопротивление
которых практически не изменяется при
нагревании, например, манганин
и константан.
Их температурные коэффициенты
сопротивления очень малы и равны
соответственно
и
.
Если пренебречь изменением размеров металлического проводника при нагревании, то такую же линейную зависимость от температуры будет иметь и его сопротивление:
,
где
— сопротивления проводника при
и
.
Зависимость удельного сопротивления металлических проводников от температуры изображена на рисунке 2.
И
Рис. 2.
зучение зависимости сопротивления металлов от температуры имеет для экспериментальной физики и техники большое значение. Точные измерения температуры производятся при помощи термометров сопротивления. Последние представляют собой проволочные (обычно платиновые) сопротивления, проградуированные в специальных термостатах. После такой градуировки изменение сопротивления такого термометра позволяет определить температуру среды, в которой находится термометр. Диапазон применения термометра сопротивления шире диапазона применения ртутных термометров. Так, платиновый термометр сопротивления можно применять в интервале температур от 2630 до + 10000 C.