4. Электрическое сопротивление

Понятие «электрическое сопротивление» имеет в электротехнике два значения:

• физическое свойство электропроводности материалов;

• деталь, применяемая в электротехнике и электронике.

Электрическое сопротивление материалов

При приложении напряжения к электрическому проводнику электроны не могут течь беспрепятственно. Сопротивление потоку электронов называется электрическим сопротивлением R.

Электрическое сопротивление R представляет собой сопротивление электрическому току в проводнике. Оно указывается в омах (Ом).

Удельное электрическое сопротивление . Каждый проводниковый материал имеет типичное для него удельное электрическое сопротивление . Так, например, медь при длине проводника 1 м (1 м) и площади его поперечного сечения 1 мм² (1 мм²) имеет сопротивление 0,0178 Ом.

Удельное электрическое сопротивление – это сопротивление проводника с площадью поперечного сечения 1 мм² и длиной 1 м.

В электротехнике вместо удельного электрического сопротивления часто указывается электрическая проводимость х). Она представляет собой величину, обратную удельному электрическому сопротивлению.

Так, значение электрической проводимости меди составляет 56, алюминия 36. Это означает, что при равных габаритных размерах проводника медь проводит электрический ток приблизительно в 1,5 раза лучше, чем алюминий (56 : 36 ≈ 1,5).

Сопротивление проводника R. Сопротивление проводника R тем выше, чем больше удельное электрическое сопротивление и длина этого проводника и чем меньше площадь его поперечного сечения A.

Сопротивление и температура

Величина сопротивления проводникового материала зависит от температуры. В зависимости от его состава величина сопротивления при увеличении температуры может как возрастать (у позисторов), так и уменьшаться (у термисторов).

Позисторы. Проводят электрический ток в холодном состоянии лучше, чем в горячем, т.е. при увеличении температуры их сопротивление возрастает. Эти материалы называются резисторами с положительным ТКС (PTC-резисторы), так как они обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC)³ (рис. 1). Большинство металлов являются позисторами.

Сопротивление позисторов возрастает при увеличении температуры.

Причиной возрастания сопротивления позисторов является увеличение температурных колебаний атомов и молекул в проводниковом материале. При этом уменьшается электрическая проводимость материалов, т.е. увеличивается сопротивление потоку электронов.

Термисторы. Проводят электрический ток при увеличении температуры лучше, чем при её уменьшении. Эти материалы называются резисторами с отрицательным ТКС (NTC-резисторы), так как они обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC)⁴ (рис. 1). Уголь, некоторые сплавы металлов и большинство полупроводниковых материалов являются термисторами.

Сопротивление термисторов уменьшается при увеличении температуры.

Причиной уменьшения сопротивления термисторов является усиленное освобождение электронов от их атомных и молекулярных связей. При этом появляется большее количество свободных электронов для обеспечения электрической проводимости. В результате возрастает электрическая проводимость материала, т.е. уменьшается сопротивление потоку электронов.

Условные

схематические обозначения

Термистор (NTC-резистор)

Позистор (PTC-резистор)

Температура  ( устар.: )

Рис. 1. Зависимость температуры от сопротивления

³⁾ PTC = положительный температурный коэффициент (англ.)

⁴⁾ NTC = отрицательный температурный коэффициент (англ.)

Резисторы

Различаются постоянные резисторы и переменные резисторы. На рис. 1 показаны условные схематические обозначения важнейших типов резисторов.

Рис. 1. Условное схематическое обозначение резисторов

Постоянные резисторы. Величина их сопротивления задается в процессе изготовления. Отклонение от величины сопротивления может быть достигнуто путем комбинации различных резисторов с использованием схемы последовательного включения, параллельного включения или смешанного типа включения.

Переменные резисторы. Соответствующая величина их сопротивления может быть установлена с помощью скользящего контакта или отводов. Переменные резисторы часто подключаются к нагрузке последовательно с целью согласования рабочего напряжения.

Потенциометры (рис. 2). Полное сопротивление резистивной дорожки – это сопротивление между выводами A (начало) и E (конец). С помощью скользящего контакта (вывод S) величина сопротивления может бесступенчато регулироваться между выводами S и E в диапазоне от нуля до полного сопротивления.

При подаче напряжения U на выводы A и E с выводов S и E можно снять напряжение U₂. Посредством скользящего контакта можно отрегулировать напряжение U₂ в диапазоне от нуля до величины поданного напряжения U.

Рис. 2. Потенциометры

Отношение полного напряжения U к напряжению U₂ равняется отношению полного сопротивления (R₁ + R₂) к частичному сопротивлению R₂.

В автомобильной технике потенциометры часто применяются для определения углов поворота механических частей, например, потенциометр на дроссельной заслонке электронной педали газа (датчик положения дроссельной заслонки). При этом угол поворота ползунка скользящего контакта преобразуется в напряжение соответствующей величины и подается на блок управления.

Электрическая характеристика материалов

По своей электрической характеристике материалы можно разделить на следующие группы:

• проводниковые материалы, например, медь, алюминий;

• изоляционные материалы, например, пластмассы, фарфор;

• полупроводниковые материалы, например, кремний, селен.

Металлические проводниковые материалы. Очень хорошо проводят электрический ток, так как содержат очень большое количество свободных электронов. Они оказывают лишь незначительное сопротивление протекающему по ним току.

Изоляционные материалы. Это – материалы, которые почти не проводят электрический ток. Они оказывают очень большое сопротивление электрическому току, т.е. обладают электрической проводимостью, стремящейся к нулю. К изоляционным характеристикам материала относятся:

• объемное сопротивление (сопротивление изоляции);

• прочность на пробой.

Полупроводниковые материалы. По своей электрической проводимости существенно уступает проводникам электричества, но значительно превосходит диэлектрики. Их электрическое сопротивление сильно понижается при температурах выше комнатной температуры.

ВОПРОСЫ НА ПОВТОРЕНИЕ

1. Назовите буквенные обозначения и единицы измерения напряжения, силы тока и плотности тока!

2. Что понимается под электрическим напряжением?

3. Чем отличается постоянный ток от переменного тока?

4. Каково предназначение предохранителей?

5. Что понимается под плотностью тока?

6. Каковы последствия слишком высокой плотности тока в электрическом проводе?

7. Каково определение удельного электрического сопротивления?

8. Как изменяется сопротивление позисторов при увеличении температуры?