Вопрос №3. Электрическое сопротивление и проводимость (10 мин.)

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех веществах.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.

Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники (рис. 12).

Вещества

Диэлектрики

Проводники

Полупроводники

Вещества с высокой электропроводностью

Вещества, электропроводностью которых практически равна нулю

Вещества, занимающие по своей электропроводности промежуточное положение между диэлектриками и проводниками

Металлы и их сплавы

Проводники первого

рода

Проводники второго

рода

Водные растворы кислот,

солей,

щелочей

Воздух, вакуум, газы, слюда, мрамор, пластмасса, лаки, эмали, резина, дерево, электрофарфор, стекловолокно, трансформаторное масло

Германий, кремний, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой

Рис. 12

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют молекулы и атомы этого проводника (рис. 13). Поэтому как внешний участок электрической цепи, так и внутренний (внутри самого источника электрической энергии) оказывают препятствие (сопротивление) прохождению тока.

Рис. 13. Моделирование

движения электрона в

проводнике

Электрическое сопротивление – совокупность всех препятствий, которое встречает направленное движение заряженных частиц по проводнику. Единица измерения – Ом.

где – удельное сопротивление проводника, ; l – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, мм².

Удельное сопротивление – это сопротивление металлического проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм² (табл. 3).

Таблица 3

Материал проводника	Удельное сопротивление , ;
Серебро	0,016
Медь	0,0175
Золото	0,023
Алюминий	0,0271
Свинец	0,202
Железо	0,038

Сопротивление проводников электрическому току зависит от материала, из которого они изготовлены, от длины и площади поперечного сечения проводника.

Зависимость сопротивления от длины и площади поперечного сечения проводника легче понять с помощью гидродинамической аналогии. Величиной, аналогичной электрическому заряду в гидродинамике, является масса жидкости. Сила тока подобна масса жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени.

Сопротивление, которая испытывает вода, текущая по трубе, возрастает при увеличении длины трубы и уменьшении ее сечения (рис. 14). соответственно, масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени по трубе 2, будет меньше, чем по трубе 1.

Рис. 14. Гидродинамическая аналогия электрического сопротивления

Таким образом, если сравнить два проводника из одного и того же материала, то более длинный проводник имеет большее сопротивление при равных площадях сечения, а проводник с большим поперечным сечением имеет меньшее сопротивление при равных длинах.

Сопротивление проводника зависит от температуры. Как вы думаете почему?

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры возрастает, т.к. увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов около своих средних положений. При этом увеличивается число столкновений электронов с молекулами и атомами вещества, что уменьшает время их свободного пробега. При нагревании электролитов и угля происходит обратный процесс. При повышении температуры в этих веществах увеличивается концентрация носителей зарядов, в результате чего их удельное сопротивление уменьшается.

Интересный факт. При снижении температуры ниже некоторой критической величины Т_кр, близкой к абсолютному нулю (Т₀=−273 °С = 0 К), удельное сопротивление всех металлов скачкообразно падает практически до нуля. Это явление обнаружил в 1911 г. при охлаждении ртути голландский ученый Гейке Каммерлинг-Оннес.

В общем случае, при абсолютном нуле прекращается тепловое (хаотическое) движение ионов кристаллической решетки металлов. Поэтому свободные электроны беспрепятственно движутся под действием электрического поля, не испытывая соударения.

Некоторые металлы и сплавы снижают свое удельное сопротивление до нуля при более «теплых» температурах (например, алюминий − Т_кр=1,14 К, свинец − Т_кр=7,26 К. Наилучшими сверхпроводящими свойствами в настоящее время обладают металлокерамические сплавы.

Как вы думаете, в какой области производства сверхпроводники, на ваш взгляд, должны получить наибольшее распространение? Конечно, в электроэнергетике при передаче электроэнергии на дальние расстояния.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называются резистивными, а промышленные изделия, предназначенные для выполнения роли сопротивления электрическому току, называются резисторами. Резисторы бывают регулируемые и нерегулируемые. Регулируемый резистор называется реостатом (рис. 15). Условные обозначения резисторов приведены на рис. 16.

	а б
Рис. 15. Реостат	Рис. 16. Условные обозначения резистивных элементов: а – нерегулируемого; б − регулируемого

Электрическая проводимость – величина обратная сопротивлению. Единица измерения – Сименс.

где – проводимость; R - сопротивление, Ом.

Вывод по третьему вопросу: протеканию тока в проводнике оказывают молекулы и атомы вещества, из которого он состоит. Это свойство называется электрическим сопротивлением. И, наоборот, свойство веществ проводить ток называется электропроводностью. По электропроводности различают: проводники, диэлектрики и полупроводники.