Электрическое сопротивление и проводимостЬ.
При прохождении электрического тока по проводнику движущиеся свободные электроны (ионы), сталкиваясь с атомами или молекулами проводника, испытывают при этом противодействие своему движению, которое характеризует сопротивление проводника. Сопротивление оценивают отношением напряжения, приложенного к концам проводника, к силе тока в нем, т. е. сопротивление:
Единицей измерения сопротивления в системе СИ служит ом (Ом):
Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А.
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью:
Единицей проводимости является сименс:
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением р, т. е.
Удельное сопротивление, так же как и удельная проводимость, зависит от свойств материала и его температуры.
Заменив удельную проводимость удельным сопротивлением, получим:
откуда удельное сопротивление:
Единицей удельного сопротивления в системе СИ является Ом•м, так как:
Удельные сопротивления для металлов при такой единице измерения выражаются очень малыми числами, что неудобно. Поэтому единицу удельного сопротивления определяют, измеряя длину провода в метрах, а сечение — в квадратных миллиметрах. При этих условиях единица удельного сопротивления:
причем единица удельной проводимости:
или в системе СИ:
Классификация веществ по степени электропроводности.
Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость).
Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.
В электротехнике важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.
Законы Ома.
В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току. Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:
I = U/R
Закон Ома для участка цепи.
Согласно обобщенному закону Ома для некоторого участка цепи, сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению.
I = U/ R
Где U – напряжение концов участка, I– сила тока, R– сопротивление проводника. Беря во внимание вышеприведенную формулу, есть возможность найти неизвестные значения U и R, сделав несложные математические операции.
U = I*R или R = U / I
Закон Ома для замкнутой цепи.
Сила тока полной цепи равна ЭДС, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи. Замкнутая сеть имеет одновременно сопротивления внутреннего и внешнего характера. Поэтому формулы отношения будут уже другими.
I = E/ Rвн+r
Где E – электродвижущая сила (ЭДС), R- внешнее сопротивление источника, r-внутреннее сопротивление источника.
Закон Ома для неоднородного участка цепи.
Замкнутая электрическая сеть содержит участки линейного и нелинейного характера. Участки, не имеющие источника тока и не зависящие от стороннего воздействия являются линейными, а участки, содержащие источник – нелинейными.
Закон Ома для участка сети однородного характера был изложен выше. Закон на нелинейном участке будет иметь следующий вид:
I = U/ R =( f1 – f2 + E)/ R
Где f1 – f2 – разница потенциалов на конечных точках рассматриваемого участка сети. R – общее сопротивление нелинейного участка цепи.
ЭДС нелинейного участка цепи бывает больше нуля или меньше. Если направление движения тока, идущего из источника, совпадает с движением тока в электрической сети, будет преобладать движение зарядов положительного характера и ЭДС будет положительная. В случае же несовпадения направлений, в сети будет увеличено движение отрицательных зарядов, создаваемых ЭДС, и эдс будет отрицательная.
Закон Ома для переменного тока.
При имеющейся в сети емкости или инертности, необходимо учитывать при проводимых вычислениях, что они выдают свое сопротивление, от действия которого ток приобретает переменный характер.
I = U/ Z
где Z – сопротивление по всей длине электрической сети. Его еще называют импеданс. Импеданс составляют сопротивления активного и реактивного характера.