2.2. Падение напряжения. Электрическое сопротивление и проводимость

Одним из главных элементов электрической цепи является приемник электрической энергии.

Электроприем­ники служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии: механическую (электродвигатели, электромагниты), тепловую (нагревательные приборы, сварочные аппараты, промышленные печи), световую (лампы электроосвещения), химическую (электролитиче­ские ванны) и т.д.

Эти энергетические преобразования (как и любые дру­гие) происходят лишь при условии, что на их пути имеется сопротивление (электрическое сопротивление).

Ранее отмечалось, что ток в электрической цепи создается электрическим полем. Электрическое поле в про­воднике при постоянном токе называется стационарным электрическим полем.

Стационарное электрическое поле, как и электроста­тическое поле, характеризуется напряженностью, потен­циалом и разностью потенциалов.

Так как перемещение зарядов по проводнику сопро­вождается затратой энергии (электроны, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, возбуждая их к теп­ловому движению, теряют энергию), то в соответствии с положением (6) § 1.1- на концах проводника имеется разность потенциалов, т. е. напряжение или падение напряжения.

Таким образом, падение напряжения является коли­чественной оценкой энергетических преобразований в цепи (1).

На схемах электрических цепей напряжение обозна­чают стрелкой в направлении от большего потенциала к меньшему.

На схемах принято показывать направление напряже­ния в ту же сторону, что и направление тока, внутри участка цепи, как на рис. 2.12. Однако следует помнить, что вне участка цепи падение напряжения на нем на­правлено навстречу току, оказывая ему противодействие (сопротивление). Это видно из рис. 2.5.

Таким образом, ток создает падение напряжения в проводнике, которое оказывает противодействие току.

Сравнивая падения напряжений на участках неразветвленной цепи при одинаковом токе, можно оценить, какой участок оказывает большее сопротивление току.

Падение напряжения на проводнике зависит от тока, поэтому не может быть характеристикой проводника. Способность проводников сопротивляться току оценива­ется падением напряжения, приходящимся на единицу тока, которое называется электрическим сопро­тивлением, обозначается R(r) и является параметром проводника:

R = U/I. (2.6)

Электрическое сопротивление проводника (электро­приемника) численно равно падению напряжения на нем, созданному током, 1 А и оказывающему противодействие этому току (2).

За единицу сопротивления ом (Ом) принято сопро­тивление такого проводника, на котором при токе 1А падает напряжение 1В:

1Ом = 1 В/1 А. Применяют также 1 килоом (кОм) = 10³ Ом и

1 мегаом (МОм) = 10⁶ Ом.

Рассматривая сопротивление проводника, важно по­нимать, от каких факторов оно зависит.

Экспериментально установлено, что падение напря­жения на проводнике (электроприемнике) прямо пропор­ционально току (3). Эта закономерность называется законом Ома для участка цепи:

U = IR, I = U/R. (2.7)

Графическим выражением закона Ома является так называемая вольт-амперная характеристика проводника (рис. 2.6).

Из закона Ома следует, что сопротивление не зави­сит от тока. Однако это справедливо лишь в случае, если не изменяется температура проводника.

Для металлов зависимость сопротивления от темпе­ратуры выражается формулой

R₂=R₁ [1+α(t₂ –t₁)],

где R₁ , R₂ — сопротивления провода при начальной t₁ и конечной t₂ температурах; α — температурный коэф­фициент сопротивления, 1/°С.

Из физики известно, что

R = pL/S,

где р — удельное сопротивле­ние проводника, Ом·м, L- длина, S – площадь поперечного

сечения.

Величина, обратная сопро­тивлению, называется элек­трической проводимостью.

Единица проводимости — сименс (См),

Значения токов, напряжений, мощностей, сопротивле­ний и проводим остей, находятся во взаимосвязи. Исполь­зуя формулы (1.4), (2.1), (2.4) и закон Ома, получаем; P = A/t = Uq/t =UIt =U

P =IU=Il R= I ² R ; (2.10)

P= UI =UU/R =U²/R =U²g (2.11)

В электротехнике и электронике для преднамеренного создания сопротивления электрическому току применяют резисторы (рис. 2.7), которые характеризуются двумя параметрами: номинальным значением сопро­тивления (с определенным допуском в процентах) и максимальным значением мощности рассеяния. Указанные параметры приводятся на корпусе резистора. Для различных целей изготавливают резисторы в огромном диапазоне сопротивлений: oт сотых долей ома до десят­ков и сотен мегаом.

Для изготовления токоведущих элементов электриче­ских устройств используются проводниковые материалы (в основном металлы и их сплавь). Различают проводниковые материалы с малым удельным сопротивле­нием, большим удельным сопротивлением и сверхпро­водники.

Из материалов с малым удельным сопротивлением наиболее широкое применение получили медь и алюминий (для изготовления проводов, кабелей, обмоток машин и аппаратов и т.д.). Применяются также сплавы меди (бронза, латунь) и сталь.Из материалов с большим удельным сопротивлением, отметим металлические сплавы: нихром (сплав никеля, хрома, железа) и фехраль (сплав железа, хрома, алю­миния), применяемые в электронагревательных приборах, а также манганин (медно-марганцевый сплав) и констан­тан (медно-никелевый сплав) Важным достоинством манганина и константана является то, что их сопротив­ления практически не зависят от температуры. Это обусловило их применение при изготовлении обмоток измерительных приборов (манганин), образцовых сопро­тивлений и резисторов (константан),

В электротехнике применяют также угольные мате­риалы (щетки электрических машин), металлокерамику (для контактов выключателей), припои и др.

При глубоком охлаждении некоторых металлов и материалов (ниобия, свинца, ртути, алюминия и др.) до температур, близких к абсолютному нулю (О К или — 273 °С), они переходят в состояние сверхпрово­димости, с наступлением которого их сопротивление скачком уменьшается до нуля. Температура, при кото­рой материал переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической. Например, для алюминия критическая температура 1,2 К.

В настоящее время найдены материалы (сплавы и химические соединения), критическая температура которых выше 100 К. Их можно использовать в элект­ронике, в частности в электронно-вычислительных маши­нах (ЭВМ), что позволит уменьшить габариты и стоимость ЭВМ. Возможно, в ближайшем будущем будут созданы сверхпроводники, критическая температура которых бу­дет близкой к температуре окружающей среды.

Перспективными проводниками являются электропро­водящие пластики. Обычно пластик является электроизоляционным материалом. Однако ученые нашли такие сорта пластиков, которые при соответствующей обра­ботке меняют свои электрофизические свойства и про­водят электрический ток не хуже меди. Изготовленные из такого материала провода значительно дешевле мед­ных и прочнее их.