Электрическое сопротивление зависимость от материала. Большая энциклопедия нефти и газа. Удельная электропроводность вещества

Электричество обычно было лабораторным любопытством, но поскольку это стало повседневным удобством, стало необходимо найти материалы со специфическими свойствами в отношении потока электрического тока через эти материалы. Например, когда нам нужно передавать электроэнергию на большие расстояния через данный материал, мы должны выбрать материал с минимальными потерями энергии. Энергия в этом процессе теряется из-за нагрева Джоуля, когда тепло выделяется в окружающую среду. Кроме того, этот материал должен весить как можно меньше.

Хорошим примером является алюминий, который используется для изготовления алюминиево-проводных стальных армированных кабелей для высоковольтных линий электропередач. Как следует из названия, ядро ​​этих кабелей изготовлено из стали. Другим примером, когда требуются материалы со специальными свойствами, является производство электронагревателей. В частности, для изготовления трубчатых электронагревателей малого размера требуются материалы с относительно высоким электрическим сопротивлением и высокой устойчивостью к нагреву.

Простым примером устройства, которое требует материалов с этими типами свойств, является электрическая «горелка» бытовой плиты. Проводники, которые используются в медицине и биологии в качестве электродов, испытательных стержней и зондов, должны быть изготовлены из материалов с высокой химической стойкостью и не вызывать побочных эффектов при контакте с биологическим материалом. Они также должны иметь небольшое контактное сопротивление.

После более чем тысячи экспериментов по тестированию свойств различных материалов, которые можно использовать для накаливания лампы, Томас Эдисон создал лампу накаливания с нитью из платины. Лампы Эдисона могли длиться долго, но не были практичными из-за высокой стоимости материалов.

Методы измерения сопротивления проводников

Лампы, которые были усовершенствованы изобретателем Александром Лодыгиным, нашли широкое применение, потому что он предложил использовать вольфрам и молибден для изготовления нити. Эти металлы относительно дешевы и температура их расплавления относительно велика. Кроме того, они также обладают высоким удельным сопротивлением. Лодыгин предложил удалить воздух из трубки колбы и заменить его благородными газами. Этот прототип использовался для изготовления современных ламп накаливания.

Мы можем продолжить этот список изобретений, потому что любопытный человеческий разум всегда открывает новые пути для решения технических проблем, а иногда имеющиеся в настоящее время материалы не могут удовлетворить потребности изобретателей, поэтому необходимо изобретать новые материалы с необычными свойствами или комбинациями свойств, Мать-природа больше не может идти в ногу с нашими аппетитами, и ученые со всего мира участвуют в создании новых материалов, которые не имеют аналогов в природе.

Сопротивление является одной из важных характеристик как натуральных, так и синтетических материалов. Хорошим примером электронных компонентов, которые используют удельное сопротивление различных материалов, являются предохранители, которые защищают электронные устройства от повреждения высокими токами, которые превышают их разрывную способность.

Они также несут ответственность за пожары из-за перегретой проводки в домах и в автомобилях. То же самое касается замены плавких предохранителей в проводке здания, когда установлен плавкий предохранитель с номинальным током выше номинального. Это приводит к перегреву электрической цепи, а в некоторых случаях может привести к пожару с неудачными результатами. Это особенно характерно для деревянных каркасных домов.

Понятие удельного сопротивления было рождено благодаря усилиям известного немецкого физика Георга Ома, который объяснил теорию и экспериментально продемонстрировал связь между электрическим током, электродвижущей силой батареи и сопротивлением всех элементов электрической цепи. Эта зависимость позже была названа Законом Ома после него. Он исследовал зависимость между величиной приложенного напряжения, длиной и формой проводника и типом материала, используемого в качестве проводника.

Следует также отметить ценный вклад британского химика, физика и геолога Хамфри Дэви, который показал зависимость между электрическим сопротивлением проводника, его длиной и площадью поперечного сечения. Он также изложил зависимость между сопротивлением и температурой.

Изучая, как свойства данного материала влияют на поток электрического тока через него, Ом обнаружил, что каждый проводящий материал, который он испытывал, обладает уникальными свойствами по отношению к сопротивлению электрическому току. Следует отметить, что в то время, когда Ом работал над этим исследованием, алюминий считался драгоценным металлом, дороже золота и платины; поэтому Ом ограничил свои испытания медью, серебром, золотом, платиной, цинком, оловом, свинцом и железом.

Фрагменты из презентации

В результате этой работы Ом представил понятие удельного сопротивления как фундаментальную характеристику материала, хотя он не знал подробно, как электричество протекает через металлы, или о влиянии температуры на сопротивление. Удельное электрическое сопротивление или просто удельное сопротивление является фундаментальным физическим свойством проводящего материала, который характеризует способность материала противостоять потоку электрического тока. Он обозначается греческой буквой ρ и вычисляется по формуле, полученной эмпирически Георгом Омом.

Или формулу, полученную из этой. Значения удельного сопротивления для наиболее распространенных металлов и их сплавов можно найти в справочной литературе. В таблицах 1 и 2 приведены некоторые примеры значений удельного сопротивления для различных распространенных материалов.

Физика резистентности для разных сред

Значения удельного сопротивления различных металлов. Значения удельного сопротивления для различных распространенных сплавов.

Сопротивление металлов, их сплавов, полупроводников и диэлектриков

Учитывая то, что мы знаем сегодня о свойствах различных материалов, мы можем легко вычислить удельное сопротивление любого природного или синтетического материала в зависимости от их химического состава и состояния.

Знание удельного сопротивления различных материалов позволяет нам эффективно использовать различные свойства этих материалов, даже если эти качества уникальны или необычны. Исторически физики разделяют твердые частицы на кристаллы, поликристаллы и аморфные вещества.

Вычисление или экспериментальное обнаружение удельного сопротивления легче всего для аморфных веществ. Они не имеют фиксированной кристаллической структуры, хотя могут иметь микроскопические включения твердых тел с кристаллической решеткой. Они также являются относительно однородными, химически говорящими и обладают характерными свойствами для их конкретного химического состава.

Поведение поликристаллов, которые состоят из относительно небольших кристаллов одного и того же химического вещества, существенно не отличается от поведения аморфных веществ, поскольку удельное сопротивление обычно определяется как совокупное свойство данного материала.

Ситуация с кристаллами различна, особенно если они являются монокристаллическими твердыми веществами, которые имеют переменное удельное сопротивление и другие электрические характеристики по отношению к оси симметрии их кристаллов. Это свойство называется анизотропией кристаллов и широко используется в технике, в частности в электронных осцилляторах, где стабильность частоты определяется, в частности, генерацией резонансных частот кристаллов кварца.

Все, у кого есть компьютер, планшет, мобильный телефон, смартфон, кварцевые часы или смарт-часы, также являются владельцами небольшого кристалла кварца. Зная это, мы можем представить себе масштаб, в котором мы используем кварцевые резонаторы в электронике - их можно пересчитать в десятки миллиардов.

Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала проводника

Кроме того, удельное сопротивление многих материалов, особенно полупроводников, зависит от температуры, поэтому по этой причине информация о температуре обычно включается, когда представлены данные по удельному сопротивлению данного вещества. Платина обладает уникальными свойствами, в частности ее удельное электросопротивление сильно зависит от температуры. Можно производить платину высокой чистоты, и благодаря этому она является популярным выбором для использования в таких датчиках, как термометры сопротивления платины для широкого диапазона температур.

Диапазон значений удельного сопротивления металлов обусловлен различием в способах изготовления данного материала и их химической чистотой. Для сплавов наиболее широкий диапазон значений удельного сопротивления обусловлен тем, как образуются эти сплавы, а также из-за флуктуации консистенции сплава.

Сопротивление жидкостей

Сопротивление жидкостей зависит от теории термического разложения и подвижности катионов и анионов. Например, в наиболее распространенной жидкости на Земле вода, когда она нагревается, некоторые молекулы разлагаются на ионы, которые являются катионами Н и анионами ОН. Когда внешнее напряжение подается на электроды, погруженные в воду в нормальных условиях, электрический ток генерируется за счет ионов, о которых мы упоминали выше. Фактически, молекулярные ассоциации, также известные как кластеры, могут образовываться в воде.

Они иногда связаны с катионами Н или анионами ОН. Из-за этого явления высвобождение ионов из кластеров, когда они подвергаются электрическому напряжению, происходит следующим образом: когда кластер «принимает» ион, идущий в направлении электрического поля, который применяется к кластеру, он затем высвобождает аналогичные ион с другой стороны. При этой температуре большинство молекул воды находятся в кластерах из-за водорода и ковалентных связей.

Фактически они близки к квазикристаллическому состоянию, термическое разложение минимально, но образование кристаллов льда с меньшей плотностью, чем вода, еще не началось. Помимо воды, есть много других растворителей, которые могут создавать катионы и анионы растворенного вещества. Часто бывает полезно знать или уметь измерять удельное сопротивление растворителей различных веществ.