Главная | Обратная связь

Електропровідність і опір провідників

Електропровідність.Інтенсивність, густина або величи­на струму в електричному колі пропорційна напруженості електричного поля (Е) і залежить від властивостей провід­ника, через який проходить струм.

Показник провідника, який визначає густину струму в даному електричному полі, називають електропровід­ністю і позначають буквою v: j= vE.

Щоб визначити фізичну суть електропровідності, розглянемо відрізок провідника l з поперечним перерізом S при напрузі U і напруженості електричного поля Е. Згідно з формулою: U=El, звiдки E=U/l

Тоді j=I/S= vS/l, I= vSU/l.

Поділивши на U, дістанемо: I/U= vS/l=G

Відношення величини струму I до напруги джерела енергії U називають провідністю, або активною провідністю і позначають буквою G.

Провідність залежить від електропровідності провідника v, його поперечного перерізу S i довжини l; вона визначає величину утворюваного струму при заданих розмірах і властивостях провідника, якщо напруга на його кінцях дорівнює 1 В. Часто використовують такий запис: G=I/U.

Одиницею провідності е ампер на вольт (А/В) або сименс (См). А/В (См) = А/В.

Електропровідність провідника з поперечним перерізом один квадратний міліметр і довжиною один метр визначає питома електропровідність, яку позначають буквою у. Одиницею питомої електропровідності є сименс на метр (См/м).

Надпровідність.На початку XX ст. вченими було вияв­лено, що при температурах, близьких до абсолютного нуля (—273,16 °С або 0 К), деякі провідники втрачають власти­вості опору електричного струму. Це явище назвали надпровідністю.

Оскільки надпровідність може дати великий економіч­ний ефект, то почалися роботи над тим, щоб дістати над­провідність при більш високих, або критичних, температу­рах Tк, коли провідник стає надпровідником. Якщо в 1911 р. для ртуті Tк = 4,1 К, то в 1965 р. було одержано сплави, критична температура яких 20,4 К.

У 1086 р. Швейцарські фізики одержали керамічний матеріал, Tк якого була близько З0 К, а в 1987 р. з'явилися матеріали з властивостями надпровідності при Тк = 100 К.

Фізичні явища надпровідності розглядаються в спеці­альній літературі. Подамо напрями застосування надпро­відників.

Надпровідники можуть застосовуватися:

при передачі електроенергії, де в звичайних лініях втрати становлять близько 10 %. Проте, не дивлячись на дешевиз­ну рідкого азоту, надпровідниковий матеріал дуже доро­гий, крім того, на квадратний сантиметр він може пропусти­ти лише тисячі ампер;

як сильні електромагніти. Надпровідники можуть мати велике магнітне поле у поїздах на магнітних подушках, швидкість таких поїздів — 500 км/год. Проте тут виника­ють питання про залізничне полотно і вплив магнітного поля на пасажирів;

для накопичення енергії. У катушках з надпровідників струм може циркулювати вічно, але якщо треба, то про­ходження його можна припинити. Проте магнітне поле буде розпирати таку катушку сильніше, ніж порохові гази в стволі гармати у момент розстрілу і витримувати це не долі секунд, а постійно. Матеріалів, що витримали б такий тиск немає;

у ЕОМ. Вони знижують виділення тепла схемою, сприя­ють підвищенню швидкості обчислення та ін.

Електричний опір. Електричний опір — це величина, що характеризує протидію електричного кола електричним зарядам, які рухаються.

Електричний опір є величиною, оберненою до провід­ності: R=1/G.

На підставі формули можна записати: R=U/I, I=U/R, U=IR.

Одиницею електричного опору є 0м. Це опір такого провідника, в якому при різниці потенціалів на його кін­цях в І В встановлюється струм в І А:

Ом = В/А.

У техніці застосовуються елементи електричних кіл, які включаються для електричного опору і називаються резисторами.

Опір провідника залежить від матеріалу, з якого він зроблений, від розмірів (довжини та поперечного перерізу) і від температури. В електричному колі опір залежить і від надійного з'єднання провідників і елементів кола між со­бою та затискачами.

Залежність опору від матеріалу і розмірів провідника визначається формулою:

R=rl/S,

де R — опір, 0м; r — питомий опір, 0м • м; l — довжина, м; S — площа поперечного перерізу, м².

Питомим опором називається опір провідника довжиною 1 м з площею поперечного перерізу 1 м² при температурі 20 °С. Наприклад, r алюмінію — 0,029 х 10^(-6) 0м·м, нікеліну —0,4. 10^(-6) 0м·м. Питомий опір діелектриків дуже великий; так, для скла—5 х 10¹¹ 0м . м, ебоніту — 10¹⁰ 0м·м, слюди — 5 х 10¹⁴ 0м·м. З формули (2.9) маємо: r=RS/l

Звідси одиницею питомого опору є ом на метр (0м·м).

Питомий опір провідника можна визначити через питому електропровідність як обернену до неї величину: r_n=1/ v,

де r — питомий опір, a v — питома електропровідність про­відника.

Якщо провідники з металів і сплавів нагрівати, то в них зростає рух вільних електронів, збільшується число зітк­нень з іншими частинками і між собою), а отже, зменшується впорядкований рух електронів. Внаслідок цього опір провідника збільшується.

Величина, яка характеризує зміну одного ома опору провідника при зміні температури на 1 °С, називається температурним коефіцієнтом і позначається a. У широкому діапазоні зміни температури провідників з металів та сплавів їх опір визначається за формулою R₂=R₁(1+a(t₂-t₁)), де R₁ —опір провідника при температурі t₁, 0м; R₂— опір провідника при температурі t₂, 0м; a — температурний коефіцієнт, °С^(-1) Наприклад, температурний коефі­цієнт алюмінію — 0,0042 °С^(-1) латуні — 0,002 °С^(-1) сріб­ла—0,004 °С^(-1).

У деяких провідників з підвищенням температури число вільних зарядів збільшується, що приводить до зменшення опору. Такі провідники мають від'ємний температур­ний коефіцієнт. Наприклад, вугілля —0,0005 °С^(-1), елект­роліти—0,025 °С^(-1).