Специфична устойчивост на цинк. Електрическо съпротивление на метали и техните сплави, полупроводници и диелектрици. Специфично съпротивление на изолатори

Веднага след като електричеството напусна лабораториите на учените и започна да се въвежда широко в практиката Ежедневието, възникна въпросът за търсене на материали, които имат определени, понякога напълно противоположни характеристики по отношение на потока през тях електрически ток.

Например при прехвърляне електрическа енергияна дълги разстояния материалът на проводника беше предмет на изисквания за минимизиране на загубите, дължащи се на нагряване на Джаул в комбинация с характеристики с ниско тегло. Пример за това са познатите електропроводи за високо напрежение, направени от алуминиеви проводницисъс стоманена сърцевина.

Или, обратно, за създаване на компактни тръбни електрически нагреватели са необходими материали с относително високо електрическо съпротивление и висока термична стабилност. Най-простият пример за устройство, което използва материали с подобни свойства, е горелката на обикновена кухненска електрическа печка.

Проводниците, използвани в биологията и медицината като електроди, сонди и сонди, изискват висока химическа устойчивост и съвместимост с биоматериали, съчетани с ниско контактно съпротивление.

Цяла плеяда изобретатели от различни страни: Англия, Русия, Германия, Унгария и САЩ. Томас Едисън, след като проведе повече от хиляда експеримента, тествайки свойствата на материалите, подходящи за ролята на нишки, създаде лампа с платинена спирала. Лампите на Едисон, въпреки че имаха дълъг експлоатационен живот, не бяха практични поради висока ценаизходен материал.

Последвалата работа на руския изобретател Лодигин, който предложи използването на сравнително евтин, огнеупорен волфрам и молибден с по-високо съпротивление като нишковидни материали, установи практическа употреба. Освен това Лодигин предложи изпомпване на въздух от цилиндрите на лампата с нажежаема жичка, замяната му с инертни или благородни газове, което доведе до създаването модерни лампис нажежаема жичка Пионер в масовото производство на достъпни и издръжливи електрически лампистава компанията General Electric, на която Лодигин преотстъпва правата върху своите патенти и след това дълго време успешно работи в лабораториите на компанията.

Този списък може да бъде продължен, тъй като любознателният човешки ум е толкова изобретателен, че понякога, за да реши даден технически проблем, се нуждае от материали с невиждани досега свойства или с невероятни комбинации от тези свойства. Природата вече не може да се справи с нашите апетити и учени от цял ​​свят се включиха в надпреварата за създаване на материали, които нямат естествени аналози.

Един от най-важните характеристикикакто на естествени, така и на синтезирани материали е специфичното електрическо съпротивление. Пример електрически уред, в който това свойство се използва в чист вид, може да служи като предпазител, който предпазва нашето електрическо и електронно оборудване от излагане на ток, надвишаващ допустимите стойности.

Трябва да се отбележи, че домашните заместители на стандартните предпазители, направени без познаване на съпротивлението на материала, понякога причиняват не само изгаряне различни елементи електрически схеми, но също и пожари в къщи и пожари в окабеляване в автомобили.

Същото се отнася и за подмяна на предпазители в електрическите мрежи, когато вместо предпазител с по-нисък номинал се монтира предпазител с по-висок номинален работен ток. Това води до прегряване на електрическата инсталация и дори, като следствие, до пожари с тежки последици. Това важи особено за рамковите къщи.

Историческа справка

Концепцията за електрическо съпротивление се появи благодарение на трудовете на известния немски физик Георг Ом, който теоретично обоснова и чрез множество експерименти доказа връзката между силата на тока, електродвижеща силабатерии и съпротивлението на всички части на веригата, като по този начин открива закона на елементарното електрическа верига, по-късно кръстен на него. Ом изследва зависимостта на големината на протичащия ток от величината на приложеното напрежение, от дължината и формата на материала на проводника, както и от вида на материала, използван като проводяща среда.

В същото време трябва да отдадем почит на работата на сър Хъмфри Дейви, английски химик, физик и геолог, който пръв установява зависимостта на електрическото съпротивление на проводник от неговата дължина и напречно сечение и също отбеляза зависимостта на електрическата проводимост от температурата.

Изучавайки зависимостта на потока от електрически ток от вида на материалите, Ом откри, че всеки проводящ материал, който му е на разположение, има някаква характерна характеристика на устойчивост на потока от ток, присъщ само на него.

Трябва да се отбележи, че по времето на Ом един от най-разпространените днес проводници - алуминият - имаше статут на особено благороден метал, така че Ом се ограничи до експерименти с мед, сребро, злато, платина, цинк, калай, олово и желязо .

В крайна сметка Ом въвежда концепцията за електрическото съпротивление на материала като фундаментална характеристика, без да знае абсолютно нищо за естеството на протичащия ток в металите или зависимостта на тяхното съпротивление от температурата.

Специфично електрическо съпротивление. Определение

Електрическо съпротивление или просто съпротивление - основно физическа характеристикапроводящ материал, който характеризира способността на веществото да предотвратява протичането на електрически ток. Означава се с гръцката буква ρ (произнася се ро) и се изчислява въз основа на емпиричната формула за изчисляване на съпротивлението, получена от Георг Ом.

или от тук

където R е съпротивление в ома, S е площ в m²/, L е дължина в m

Размерът на електрическото съпротивление в Международната система от единици (SI) се изразява в Ohm m.

Това е съпротивлението на проводник с дължина 1 m и площ на напречното сечение 1 m² / 1 ом.

В електротехниката, за удобство на изчисленията, е обичайно да се използва производната на стойността на електрическото съпротивление, изразена в Ohm mm²/m. Стойностите на съпротивлението за най-често срещаните метали и техните сплави могат да бъдат намерени в съответните справочници.

Таблици 1 и 2 показват стойностите на съпротивлението на различни най-често срещани материали.

Маса 1. Съпротивлениенякои метали

Таблица 2. Съпротивление на обикновени сплави

Специфични електрически съпротивления на различни среди. Физика на явленията

Електрическо съпротивление на метали и техните сплави, полупроводници и диелектрици

Днес, въоръжени със знания, ние сме в състояние предварително да изчислим електрическото съпротивление на всеки материал, както естествен, така и синтезиран, въз основа на химичен състави очакваното физическо състояние.

Това знание ни помага по възможно най-добрия начинизползвайте възможностите на материалите, понякога много екзотични и уникални.

Поради преобладаващите идеи, от гледна точка на физиката твърди веществасе делят на кристални, поликристални и аморфни вещества.

Най-лесният начин, в смисъл на техническо изчисляване на съпротивлението или неговото измерване, е с аморфни вещества. Те нямат ясно изразена кристална структура (въпреки че могат да имат микроскопични включвания на такива вещества), са относително хомогенни по химичен състав и проявяват свойства, характерни за даден материал.

В поликристалните вещества, образувани от съвкупност от относително малки кристали с еднакъв химичен състав, поведението на свойствата не се различава много от поведението аморфни вещества, тъй като електрическото съпротивление обикновено се определя като интегрално кумулативно свойство на дадена проба от материал.

Ситуацията е по-сложна с кристални вещества, особено с единични кристали, които имат различно електрическо съпротивление и други електрически характеристики по отношение на осите на симетрия на техните кристали. Това свойство се нарича кристална анизотропия и се използва широко в техниката, по-специално в радиосхемите на кварцови осцилатори, където стабилността на честотата се определя именно от генерирането на честоти, присъщи на даден кварцов кристал.

Всеки от нас, като собственик на компютър, таблет, мобилен телефонили смартфон, включително собственици на ръчни часовници електронен часовникдо iWatch, в същото време е собственик на кварцов кристал. От това можем да съдим за мащаба на използване на кварцови резонатори в електрониката, възлизащ на десетки милиарди.

Освен това съпротивлението на много материали, особено на полупроводниците, зависи от температурата, така че референтните данни обикновено се дават при температурата на измерване, обикновено 20°C.

Уникалните свойства на платината, която има постоянна и добре проучена зависимост на електрическото съпротивление от температурата, както и възможността за получаване на метал с висока чистота, послужиха като предпоставка за създаването на сензори на нейна основа в широк температурен диапазон. диапазон.

За металите разпространението на референтните стойности на съпротивлението се определя от методите за приготвяне на проби и химическата чистота на метала на дадена проба.

За сплавите по-голямото разсейване в референтните стойности на съпротивлението се дължи на методите за приготвяне на проби и променливостта на състава на сплавта.

Специфично електрическо съпротивление на течности (електролити)

Разбирането за съпротивлението на течностите се основава на теориите за термична дисоциация и подвижността на катиони и аниони. Например в най-разпространената течност на Земята - обикновената вода, някои от нейните молекули под въздействието на температурата се разпадат на йони: Н+ катиони и ОН– аниони. Когато се приложи външно напрежение към електроди, потопени във вода при нормални условия, възниква ток поради движението на гореспоменатите йони. Както се оказа, във водата се образуват цели асоциации от молекули - клъстери, понякога комбинирани с H+ катиони или OH– аниони. Следователно преносът на йони от клъстери под влияние електрическо напрежениестава по следния начин: приемане на йона по посока на приложеното електрическо полеот една страна, клъстерът „изпуска“ подобен йон от другата страна. Наличието на клъстери във водата идеално обяснява научния факт, че при температура от около 4 °C водата има най-висока плътност. Повечето отводните молекули са разположени в клъстери поради действието на водорода и ковалентни връзки, практически в квазикристално състояние; термичната дисоциация е минимална и все още не е започнало образуването на ледени кристали, които имат по-ниска плътност (ледът плува във водата).

Като цяло съпротивлението на течностите е по-зависимо от температурата, така че тази характеристика винаги се измерва при температура от 293 K, което съответства на температура от 20 °C.

В допълнение към водата има голямо числодруги разтворители, способни да създават катиони и аниони на разтворими вещества. Познаването и измерването на съпротивлението на такива разтвори също е от голямо практическо значение.

За водни разтвори на соли, киселини и алкали концентрацията на разтвореното вещество играе важна роля при определяне на съпротивлението на разтвора. Пример е следната таблица, която показва стойностите на съпротивлението на различни вещества, разтворени във вода при температура 18 °C:

Таблица 3. Стойности на съпротивлението на различни вещества, разтворени във вода при температура 18 ° C

Данните в таблицата са взети от Краткия физико-технически справочник, том 1, - М.: 1960 г.

Специфично съпротивление на изолатори

Цял клас различни вещества, които имат относително високо съпротивление, са от голямо значение в областта на електротехниката, електрониката, радиотехниката и роботиката. Независимо от техните агрегатно състояние, независимо дали е твърдо, течно или газообразно, такива вещества се наричат ​​изолатори. Такива материали се използват за изолация отделни частиелектрически вериги една от друга.

Пример за твърди изолатори е познатата гъвкава електрическа лента, благодарение на която възстановяваме изолацията при свързване различни проводници. Много хора са запознати с порцелановите изолатори за окачване. въздушни линииелектропреносна, текстолитни плоскости с електронни компонентивключени в повечето продукти електронна технология, керамика, стъкло и много други материали. Модерен масив изолационни материалиизработени на базата на пластмаси и еластомери безопасно за използванеелектрически ток с различни напрежения в голямо разнообразие от устройства и инструменти.

В допълнение към твърдите изолатори в електротехниката широко се използват течни изолатори с високо съпротивление. IN силови трансформаторитечност за електрически мрежи трансформаторно маслопредотвратява междувиткови аварии поради Самоиндуцирана емф, надеждно изолиращи завоите на намотките. IN маслени превключвателимасло се използва за гасене на електрическата дъга, която възниква при превключване на източници на ток. Кондензаторното масло се използва за създаване на компактни кондензатори с висока Електрически характеристики; В допълнение към тези масла като течни изолатори се използват натурално рициново масло и синтетични масла.

При нормални условия атмосферно наляганеВсички газове и техните смеси са отлични изолатори от гледна точка на електротехниката, но благородните газове (ксенон, аргон, неон, криптон), поради своята инертност, имат по-високо съпротивление, което се използва широко в някои области на техниката.

Но най-често срещаният изолатор е въздухът, състоящ се главно от молекулярен азот (75% от теглото), молекулярен кислород (23,15% от теглото), аргон (1,3% от теглото), въглероден двуокис, водород, вода и някои примеси от различни благородни газове. Той изолира протичането на ток в обикновения битови ключовесветлини, релейни токови превключватели, магнитни стартерии механични превключватели. Трябва да се отбележи, че намаляването на налягането на газовете или техните смеси под атмосферното налягане води до увеличаване на тяхното електрическо съпротивление. Идеалният изолатор в този смисъл е вакуумът.

Електрическо съпротивление на различни почви

Един от най-важните начинизащита на човек от вредното въздействие на електрически ток по време на аварии в електрическата инсталация е устройство защитно заземяване.

Това е умишленото свързване на корпуса или корпуса на електрически устройства към защитно заземително устройство. Обикновено заземяването се извършва под формата на стоманени или медни ленти, тръби, пръти или ъгли, заровени в земята на дълбочина повече от 2,5 метра, които в случай на авария осигуряват протичането на ток по веригата - корпус или корпус - земя - неутрален проводникизточник променлив ток. Съпротивлението на тази верига трябва да бъде не повече от 4 ома. В този случай напрежението върху тялото на аварийното устройство се намалява до стойности, безопасни за хората, и автоматични устройствазащитата на електрическата верига по един или друг начин изключва аварийното устройство.

При изчисляването на защитните заземителни елементи важна роля играе познаването на съпротивлението на почвите, което може да варира в широки граници.

В съответствие с данните в референтните таблици се избира площта на заземяващото устройство, от него се изчислява броят на заземяващите елементи и действителният дизайн на цялото устройство. Конструктивните елементи на защитното заземително устройство са свързани чрез заваряване.

Електрическа томография

Електроразведката изучава близката до повърхността геоложка среда и се използва за търсене на рудни и неметални полезни изкопаеми и други обекти въз основа на изследването на различни изкуствени електрически и електромагнитни полета. Специален случай на електропроучване е електрорезистивната томография – метод за определяне на свойствата скалиспоред тяхната специфична устойчивост.

Същността на метода е, че при определено положение на източника на електрическо поле се правят измервания на напрежението на различни сонди, след което източникът на поле се премества на друго място или се превключва към друг източник и измерванията се повтарят. Полеви източници и полеви приемни сонди се поставят на повърхността и в кладенци.

След това получените данни се обработват и интерпретират с помощта на съвременни компютърни методи за обработка, които позволяват визуализирането на информация под формата на двуизмерни и триизмерни изображения.

Като много прецизен методтърсене, електрическата томография предоставя безценна помощ на геолози, археолози и палеозоолози.

Определянето на формата на поява на минерални находища и границите на тяхното разпространение (контуриране) дава възможност да се идентифицира появата на венозни находища на минерали, което значително намалява разходите за последващото им развитие.

За археолозите този метод на търсене предоставя ценна информация за местоположението на древните погребения и наличието на артефакти в тях, като по този начин намалява разходите за разкопки.

Палеозоолозите използват електрическа томография, за да търсят вкаменени останки от древни животни; резултатите от тяхната работа могат да се видят в природонаучните музеи под формата на зашеметяващи реконструкции на скелети на праисторическа мегафауна.

В допълнение, електрическата томография се използва по време на строителството и последващата експлоатация. инженерни конструкции: високи сгради, язовири, диги, насипи и други.

Дефиниции на съпротивлението в практиката

Понякога за решение практически проблемиМоже да се сблъскаме със задачата да определим състава на вещество, например тел за рязане на полистиролова пяна. Имаме две намотки тел с подходящ диаметър от различни непознати за нас материали. За да се реши проблемът, е необходимо да се намери тяхното електрическо съпротивление и след това, като се използва разликата в намерените стойности или с помощта на справочна таблица, да се определи материалът на проводника.

Измерваме с ролетка и отрязваме 2 метра тел от всяка проба. Нека определим диаметрите на проводниците d₁ и d₂ с микрометър. След като включим мултиметъра до долната граница на измерване на съпротивлението, измерваме съпротивлението на пробата R₁. Повтаряме процедурата за друг образец и също измерваме неговото съпротивление R₂.

Нека вземем предвид, че площта на напречното сечение на проводниците се изчислява по формулата

S = π ∙ d 2 /4

Сега формулата за изчисляване на електрическото съпротивление ще изглежда така:

ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L

Замествайки получените стойности на L, d₁ и R₁ във формулата за изчисляване на съпротивлението, дадена в статията по-горе, изчисляваме стойността на ρ₁ за първата проба.

ρ 1 = 0,12 ома mm 2 /m

Замествайки получените стойности на L, d₂ и R₂ във формулата, изчисляваме стойността на ρ₂ за втората проба.

ρ 2 = 1,2 ома mm 2 /m

От сравнение на стойностите на ρ₁ и ρ₂ с референтните данни в таблица 2 по-горе, заключаваме, че материалът на първата проба е стомана, а втората е нихром, от който ще направим режещата струна.

Те наричат ​​способността на метала да пропуска зареден ток през себе си. От своя страна устойчивостта е една от характеристиките на материала. Колкото по-голямо е електрическото съпротивление при дадено напрежение, толкова по-малко ще бъде.Той характеризира силата на съпротивление на проводника към движението на заредени електрони, насочени по него. Тъй като свойството за предаване на електричество е реципрочното на съпротивлението, това означава, че то ще бъде изразено под формата на формули като съотношението 1/R.

Съпротивлението винаги зависи от качеството на материала, използван при производството на устройства. Измерва се въз основа на параметрите на проводник с дължина 1 метър и площ на напречното сечение 1 квадратен милиметър. Например специфичното свойство на съпротивление за мед винаги е равно на 0,0175 Ohm, за алуминий - 0,029, желязо - 0,135, константан - 0,48, нихром - 1-1,1. Съпротивлението на стоманата е равно на числото 2*10-7 Ohm.m

Съпротивлението на тока е право пропорционално на дължината на проводника, по който се движи. Колкото по-дълго е устройството, толкова по-голямо е съпротивлението. Ще бъде по-лесно да разберете тази връзка, ако си представите две въображаеми двойки съдове, комуникиращи един с друг. Нека свързващата тръба остане по-тънка за едната двойка устройства и по-дебела за другата. Когато и двете двойки са пълни с вода, прехвърлянето на течност през дебела тръба ще бъде много по-бързо, тъй като ще има по-малко съпротивление на потока вода. По тази аналогия за него е по-лесно да премине по дебел проводник, отколкото по тънък.

Съпротивлението, като единица SI, се измерва с Ohm.m. Проводимостта зависи от средната дължина на свободния полет на заредените частици, която се характеризира със структурата на материала. Метали без примеси, които имат най-правилно най-малки стойностипротиводействие. Обратно, примесите изкривяват решетката, като по този начин повишават нейната производителност. Съпротивлението на металите се намира в тесен диапазон от стойности при нормални температури: от сребро от 0,016 до 10 μΩm (сплави на желязо и хром с алуминий).

За характеристиките на движението на заредените

електроните в проводник се влияят от температурата, тъй като с нейното увеличаване амплитудата на вълновите трептения на съществуващите йони и атоми се увеличава. В резултат на това остават по-малко електрони свободно пространствоза нормално бягане кристална решетка. Това означава, че препятствието за организирано движение се увеличава. Съпротивлението на всеки проводник, както обикновено, нараства линейно с повишаване на температурата. Полупроводниците, напротив, се характеризират с намаляване с увеличаване на градуса, тъй като това води до освобождаване на много заряди, които директно създават електрически ток.

Процесът на охлаждане на някои метални проводници е известен желаната температурадовежда тяхното съпротивление до рязко състояние и пада до нула. Това явление е открито през 1911 г. и е наречено свръхпроводимост.

Съпротивлението на металите е тяхната способност да устояват на преминаващия през тях електрически ток. Мерната единица за това количество е Ohm*m (ом-метър). Символът се използва гръцка букваρ (ро). Високите показания на съпротивление означават лоша проводимост електрически зарядедин или друг материал.

Спецификации на стоманата

Преди да разгледате подробно съпротивлението на стоманата, трябва да се запознаете с нейните основни физични и механични свойства. Благодарение на своите качества този материал намира широко приложение в производствен сектори други области от живота и дейността на хората.

Стоманата е сплав от желязо и въглерод, съдържащи се в количество не повече от 1,7%. В допълнение към въглерода, стоманата съдържа известно количество примеси - силиций, манган, сяра и фосфор. По своите качества е значително по-добре от чугун, може лесно да се закалява, кова, валцува и други видове обработка. Всички видове стомани се характеризират с висока якост и пластичност.

Според предназначението си стоманата се разделя на конструктивна, инструментална, а също и на специална физични свойства. Всеки от тях съдържа различно количество въглерод, благодарение на което материалът придобива определени специфични качества, например устойчивост на топлина, устойчивост на топлина, устойчивост на ръжда и корозия.

Специално място заемат електротехническите стомани, произведени в листов формат и използвани в производството на електротехнически продукти. За да се получи този материал, силицийът е легиран, което може да подобри неговите магнитни и електрически свойства.

За да придобие електротехническата стомана необходимите характеристики, трябва да бъдат изпълнени определени изисквания и условия. Материалът трябва лесно да се магнетизира и ремагнетизира, тоест да има висока магнитна пропускливост. Такива стомани имат добри , а обръщането на намагнитването им се извършва с минимални загуби.

Размерите и теглото на магнитопроводите и намотките, както и коефициентът, зависят от съответствието с тези изисквания. полезно действиетрансформатори и тяхната работна температура. Изпълнението на условията се влияе от много фактори, включително съпротивлението на стоманата.

Съпротивление и други показатели

Стойността на електрическото съпротивление е съотношението на силата на електрическото поле в метала и плътността на тока, протичащ в него. За практически изчисления се използва формулата: в която ρ е съпротивлението на метала (Ohm*m), д- напрегнатост на електрическото поле (V/m), и Дж- плътност на електрическия ток в метала (A/m2). При много висока напрегнатост на електрическото поле и ниска плътност на тока съпротивлението на метала ще бъде високо.

Има още една величина, наречена електропроводимост, реципрочната стойност на съпротивлението, показваща степента на проводимост на електрически ток от определен материал. Определя се по формулата и се изразява в единици S/m - сименс на метър.

Съпротивлението е тясно свързано с електрическото съпротивление. Те обаче имат различия помежду си. В първия случай това е свойство на материала, включително стоманата, а във втория случай се определя свойството на целия обект. Качеството на резистора се влияе от комбинация от няколко фактора, предимно формата и съпротивлението на материала, от който е направен. Например, ако тънка и дълга жица е била използвана за направата на резистор, навит с тел, тогава нейното съпротивление ще бъде по-голямо от това на резистор, направен от дебела и къса жица от същия метал.

Друг пример са резистори, направени от жици със същия диаметър и дължина. Въпреки това, ако в един от тях материалът има високо съпротивление, а в другия е ниско, тогава съответно електрическото съпротивление в първия резистор ще бъде по-високо, отколкото във втория.

Познавайки основните свойства на материала, можете да използвате съпротивлението на стоманата, за да определите стойността на съпротивлението на стоманен проводник. За изчисления, в допълнение към електрическото съпротивление, ще ви трябва диаметърът и дължината на самия проводник. Изчисленията се извършват по следната формула: , в която Ре (ом), ρ - съпротивление на стомана (Ohm*m), Л- съответства на дължината на проводника, А- неговата площ на напречното сечение.

Съществува зависимост на съпротивлението на стоманата и другите метали от температурата. Повечето изчисления използват стайна температура- 20 0 C. Всички промени под въздействието на този фактор се вземат предвид с помощта на температурния коефициент.