Физические процессы в проводниках кратко

Обновлено: 02.07.2024

С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.

Электронно-дыцрочный p-n переход. Выпрямительными свойствами обладает лишь p-n переход и контакт полупроводника с другими металлами. p-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. На рисунке показан нерезкий p-n переход для разомкнутой цепи. В цепи с переменным электрическим полем p-n переход работает как выпрямитель. На рисунке показана вольт-амперная характеристика p-n перехода, которая описывается выражением

J=J_s . (e qU/kT -1) ,

где J_s - ток насыщения (при обратном включении p-n перехода этот ток равен обратному току); U - приложенное напряжение; q/kT=40 В -1 при комнатной температуре.

Эффектом Холла называется возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока.

Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной стороне скапливаются положительные заряды.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные.

Поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образующаяся разность потенциалов:

Dj = R (BI /d),

где I - сила тока; d - линейный размер образца в направлении вектора B; R - постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением Е_п = R (B · j).

Наиболее часто датчики Холла изготовляют на основе селенида и теллурида ртути (HgTe,HgSe), антимонида индия (InSb) и других полупроводниковых материалов в виде тонких пленок или пластинок. С их помощью возможно измерение магнитной индукции или напряженнности магнитного поля, силы тока и мощности, а при подведении к контактам переменных напряжений - и преобразование сигналов. По измерению ЭДС Холла можно определить знак носителей заряда, рассчитать их концентрацию и подвижность.

Эффект Ганна - относится к эффектам сильного поля и заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник электрического поля высокой напряженности.

Впервые этот эффект наблюдался на арсениде галлия GaAs и фосфиде индия InP. На основе этого эффекта разработаны приборы, генерирующие в диапазоне частот до сотен гигагерц.

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.

Эффект Зеебека.Сущность явления 3еебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. Один конец спая нагрет до температуры T₁, а другой - до Т₂, пусть Т₂ > T₁. При этом в цепи обнаруживается электродвижущая сила – термоЭДС

где a - коэффициент термоЭДС, который определяется материалами двух ветвей.

Рассмотрим процесс образования термоЭДС на примере однородного полупроводника, у которого один из концов нагрет больше, чем второй. Свободные носители заряда у горячего конца имеют более высокие энергии и скорости, чем у холодного. У горячего конца полупроводника свободных носителей больше, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. Если концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников противоположно заряжены.

В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, поток их от горячего конца к холодному больше, чем от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце накапливается

отрицательный заряд, на горячем остается нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле вызывает поток электронов от холодного конца к горячему.

Стационарное состояние устанавливается при равенстве этих потоков электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.

Эффект Пельтье.Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пельтье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте, пропорционально значению протекающего тока I:

где Q_П - теплота Пельтье; t - время прохождения тока; П - коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих материалов, температуры и направления тока.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Эффект Томпсона.Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике приводит к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля совпадает с электрическим полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним источником, часть работы совершается за счет тепловой энергии самого полупроводника, в результате чего он охлаждается. Применяются в бытовых и транспортных холодильниках, термостатах, для охлаждения и термостатирования термочувствительных элементов.

При смене направления внешнего электрического поля оно совершает дополнительную работу, что приводит к выделению теплоты дополнительно к теплоте Джоуля.

где t - коэффициент Томпсона.

Полупроводники

Термоэлектрические явления в полупроводниках. Эффекты Зеебека, Томпсона, Пельтье.

Электромагнитные явления в полупроводниках. Эффект Холла.

Вентильные свойства полупроводников. Пробой р-n перехода.

J=J_s . (e qU/kT -1) ,

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные.

Dj = R (BI /d),

где I - сила тока; d - линейный размер образца в направлении вектора B; R - постоянная Холла.

Напряженность поперечного электрического поля определяется соотношением Е_п = R (B · j).

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона.

где a - коэффициент термоЭДС, который определяется материалами двух ветвей.

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте, пропорционально значению протекающего тока I:

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы, некоторые модификации углерода. Среди металлических проводников различают материалы, обладающие высокой проводимостью и металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты (растворы кислот, щелочей, солей, расплавы ионных соединений).

Прохождение тока через электролиты связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако при напряженности поля выше критического значения, газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электро-проводностью.

2. Физическая природа электропроводности металлов

В электропроводимости металлов принимают участие электроны с энергиями близкими к энергиям Ферми. Под действием электрического поля напряженностью Е свободные электроны помимо скорости теплового движения Vт приобретают дополнительную скорость направленного движения - дрейфовую скорость Vдр.

Vдр = a×t = F×t/m* = e×t×E/m*,

где a = F/m* - ускорение электрона под действием силы электрического поля;

m* - эффективная масса электрона;

t - среднее время свободного пробега между двумя соударениями.

Скорость пропорциональна напряженности поля Е:

где m - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью носителя, см2/B.c .

При обычных условиях в металлах Vт>>Vдр и среднее время свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки будет определяться скоростью теплового движения:

где lср - средняя длина свободного пробега.

Тогда выражение для подвижности электронов приобретает вид:

Для металлов справедлива общая формула удельной электропроводимости:

где N - число электронов, участвующих в электропроводности, в единице объема.

Тогда удельная проводимость определяется выражением

s = N×e2 × lср/(m*×Vт), м2/В·с,

а удельное сопротивление:

r = 1/s = m*×Vт/(N×e2× lср), Ом×м.

Для различных проводников значения величин Vт и N приблизительно одинаковы. Следовательно подвижность электронов и величина удельного сопротивления зависят от средней длины свободного пробега в данном материале. Длина свободного пробега определяется рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решетки, рассеянием на атомах примеси, рассеянием на дефектах кристаллической структуры, рассеянием на границах вещества.

При возрастании температуры концентрация электронов в металле не изменяется, но усиливается колебание узлов кристаллической решетки и как следствие уменьшается средняя длина свободного пробега lср и соответственно подвижность электронов. Поэтому удельное сопротивление металлов с повышением температуры возрастает.

В области линейной зависимости r(T) справедливо выражение:

где r0 - удельное сопротивление при температуре T0,

- температурный коэффициент удельного сопротивления.

5. Статические испытания металла на растяжение, показатели прочности.

6. Определение твердости металлического образца.

7. Технологические свойства материалов.

8. Физические, химические свойства материалов.

9. Изучение структуры металлов, кристаллическое строение.

10. Дефекты кристаллического строения металлов.

11. Металлические сплавы. Определение фазы, компонента, сплава

12. Многокомпонентные сплавы на примере двойной металлической системы А–В, варианты их взаимодействия.

13. Механизм кристаллизации металлических сплавов, кривые кристаллизации и их характерные точки.

14. Общие принципы построения диаграмм состояния сплавов металлов

15. Диаграмма состояния I рода с описанием

16. Диаграмма состояния II рода с описанием

17. Диаграмма состояния III рода с описанием

18. Диаграмма состояния IV рода с описанием

20. Компоненты железоуглеродитых сплавов: железо

21. Компоненты железоуглеродитых сплавов. Углерод

22. Классификация сталей

23. Углеродистые стали обыкновенного качества. Свойства, применение, маркировка

24. Качественные углеродистые стали. Свойства, применение, маркировка

25. Инструментальные стали. Свойства, применение, маркировка

26. Чугун. Основные виды, свойства.

27. Серый чугун. Свойства, применение, маркировка

28. Ковкий чугун. Свойства, применение, маркировка

29. Металлургическое производство: производственные комплексы, материалы

30. Производство чугуна. Доменный процесс.

31. Производство стали мартеновским способом

32. Конверторный способ получения стали.

33. Технология выплавки сталей в электропечах

34. Основные виды термической обработки, её назначение.

35. Основные виды химико-термической обработки, её назначение.

36. Медь, наиболее распространенные её сплавы. Свойства, маркировка.

37. Алюминий, наиболее распространенные его сплавы. Свойства, маркировка.

38. Проводниковые материалы. Основные свойства

39. Припои и флюсы

40. Материалы для проводов и кабелей. Основные свойства

41. Контактные материалы. Основные свойства

42. Диэлектрические материалы. Основные свойства

43. Общая классификация диэлектриков, характеристики.

44. Полимеры: основные разновидности, их свойства

45. Полупроводниковые материалы. Классификация, свойства. Германий, кремний

46. Магнитомягкие материалы

Проводниковые материалы

Классификация проводников. Общие свойства. Физические процессы.

Проводник – это вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов. Проводниками могут быть как твердые вещества, так и жидкости и газы. Свойства материалов зависят от структуры, и на уровне молекулы они обусловлены взаимодействием элементарных частиц, из которых состоят все вещества - электронами, протонами, нейтронами. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, а электроны заполняют оболочки атома, компенсируя положительный заряд ядра. Молекулы могут содержать различное количество атомов.

В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться различные виды связей:

- ковалентная (общие электроны – хлор во всех трех агрегатных состояниях);

- ионная (притяжение между положительными и отрицательными ионами – соли щелочных металлов);

- металлическая (в узлах кристаллической решетки положительные ионы, между ними перемещаются электроны, силы взаимного притяжения – некоторые металлы);

- молекулярная (связь Ван-дер-Ваальса, обусловленная согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах - парафин).

Твердые проводники: металлы, металлические сплавы, некоторые модификации углерода и т.д.

Жидкие проводники: растворы электролитов, некоторые жидкости, расплавленные металлы, соли, щелочи и т.д. Т.к. температура плавления, как правило, металлов очень велика, то в качестве жидких проводников могут использоваться только такие металлы как ртуть и галлий.

Газообразные проводники: ионизированные газы, которые в проводящем состоянии называются плазмой.

Механизм прохождения тока в металле обусловлен движением электронов, поэтому проводимость называется электронной, а проводники – проводниками первого рода.

По характеру и природе электропроводности все проводники электрического тока подразделяются на проводники первого и второго рода.

Характерной особенностью проводников первого рода, к которым относятся металлы, сплавы, уголь и некоторые другие вещества, является наличие в них свободных электронов, представляющих собой отрицательно заряженные частицы с массой, равной 1/1840 массы атома водорода. Электрический ток в проводнике первого рода рассматривается как поток электронов, перемещающихся в электрической цепи от отрицательного полюса положительному.

К проводникам второго рода относятся соли и щелочи в кристаллическом, растворенном или расплавленном состоянии, также растворы кислот и оснований в воде и в некоторых других растворителях.Прохождение тока через такие вещества связано с переносом вместе с электрическим зарядом молекул (ионов), в результате состав электролита постепенно меняется, а на электродах постепенно выделяется продукт электролиза.

Свойства проводников:

Удельная проводимость (удельная электропроводность) – величина, обратно пропорциональная удельному сопротивлению, определяющая способность какого-либо вещества проводить электрический ток. Ее смысл (по закону Ома) объясняется как способность вещества проводить электрический ток в изотропном веществе. Величина является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

где Е - электродвижущая сила (ЭДС), J – плотность тока, А/м 2

Единица измерения γ – сименс на метр (См/м) или Ом -1 ·м -1

Удельное электрическое сопротивление – величина, характеризующая электропроводность вещества, точнее, способность этого вещества препятствовать прохождению через него электротока, одним словом, определяющая, насколько легко какой либо материал пропускает электрический заряд. Единица измерения удельного сопротивления, принятого в СИ - Ом·м:

Изменение удельного сопротивления, как правило, происходит при переходе из твердого состояния в жидкое. У некоторых металлов удельное сопротивление увеличивается (такие металлы увеличивают свой объем при плавлении, т.е. уменьшают свою плотность), у других металлов, наоборот – уменьшается (аналогично фазовому переходу льда в воду) это галлий, висмут.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металла – при увеличении температуры колебания узлов кристаллической решетки усиливаются, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, следовательно – удельное сопротивление материала увеличивается. Температурный коэффициент удельного сопротивления у металлов имеет положительное значение.

Теплопроводность металлов – осуществляется, в основном, посредством свободных электронов. Теплопроводность металлов, поэтому, намного больше, чем у диэлектриков. Чем больше проводимость материала, тем больше его теплопроводность.

Термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). При соприкосновении двух разнородных металлических проводников, между ними возникает контактное напряжение или термо-ЭДС, обусловленное различием значений работы выхода электронов в этих проводниках, и различной концентрацией электронов. Применяется это явление для изготовления термопар.

Температурный коэффициент линейного расширения проводника TK_R . Важен для работы различных материалов в единой конструкции, т.к. при несоответствии коэффициентов может возникать растрескивание, нарушение вакуумного соединения со стеклами, керамикой.

Механические свойства проводника: твердость, упругость, жесткость, хрупкость, пластичность, вязкость

Химические свойства – взаимодействие с окружающей средой с кислотами, стойкость к коррозии и т.д.

Технологические свойства – паяемость, механическая обработка.

Припои и флюсы.

Припой– это специальный сплав, применяемый при пайке. Пайку применяют для создания механически прочного (иногда герметичного) шва - электрического контакта с минимальным переходным сопротивлением. При пайке место соединения и припой нагревают до определенной температуры. Припой должен иметь температуру плавления ниже, чем соединяемые материалы (металлы), он должен плавиться, в то время как основной металл остается твердым. Припой должен иметь хорошую жидкотекучесть, механическую прочность, коррозийную стойкость, небольшой коэффициент температурного расширения, малое удельное сопротивление.

Припои условно делятся на:

Используютсядля пайки различных радиотехнических деталей.

б) твердые припои: медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСР) с добавками различных элементов:

- ПМЦ-36 и ПМЦ- 54: 36¸54% медь + % остальное цинк - для пайки стали, меди и её сплавов;

- ПСр-25 и ПСр: 26¸40% медь + 25¸70% серебро + 4¸35% цинк - пайка меди, серебра, платины, вольфрама и стали.

Флюсы – вспомогательные материалы для получения надежной пайки.

- растворять и удалять окислы с поверхности металлов;

- защищать при пайке поверхность и расплавленный припой от окисления;

- уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя;

- улучшать растекаемость припоя и смачиваемость им соединяемых поверхностей.

По действию, оказываемому на металл, флюсы делятся на:

- активные (кислотные) – на основе соляной кислоты, хлористых и фтористых соединений металлов. Растворяют оксидные пленки не поверхности металлов. Обеспечивая высокую прочность спая. Остатки флюса после пайки вызывают коррозию как метала, так и припоя, поэтому после использования, если возможна промывка и полное удаление остатков флюса. Запрещено их использование при монтажной пайке электрорадиоприборов.

- бескислотные флюсы – канифоль и флюсы на её основе, с добавлением неактивных веществ (спирт, глицерин, стеарин, нашатырь, парафин и т.д.)

- активированные – на основе канифоли с добавкой активаторов – немного солянокислого или фосфорнокислого анилина, салициловой кислоты, солянокислого диэтиламина, молочной кислоты и т.д. Высокая активность позволяет производить пайку без удаления окислов после обезжиривания.

- антикоррозийные - на основе фосфорной кислоты, плюс различные органические соединения и растворители, на основе органических кислот. Остатки этих флюсов не вызывают коррозию и их можно не удалять в процессе.

Названия полупроводник получили из-за свойства изменять уровень зоны проводимости и валентной зоны под действием электрического поля.

Влияние температуры на полупроводники изменяет их проводимость. При низкой температуре полупроводники обдают свойствами диэлектриков, и наоборот при повышении температуры их проводимость возрастает и их свойства сопоставим с проводниками.

Различаю два типа проводимости полупроводников n- полупроводник и p+ полупроводник. .

В полупроводниках n- типа основными носителями заряда являются электроны отрицательно заряженные частицы. Перенос заряда осуществляется в зоне проводимости полупроводника.

В полупроводниках p+ типа основными носителями заряда являются вакансии или "дырки" квазиположительные псевдочастицы.

Перенос заряда осуществляется в валентной зоне полупроводника.

Изменение типа проводимости добиваются путем легирования или введения примеси в собственный полупроводник

В отличии от металлов у которых электроны находятся в зоне проводимости у полупроводников носители заряда переходят из валентной зоны в зону проводимости под действием электромагнитного поля. Перейдя в зону проводимости электрон спустя короткое время возвращается в валентную зону и отдав энергию соизмеримую с величиной запрещенной зоны полупроводника полученную при переходе из валентной зоны в зону проводимости.

В приборах применяют n-p+ или p+n-. Благодаря разным типам проводимости на одном кристалле такие полупроводники обладают свойством односторонней проводимости (диод) .

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

Характеристики полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы характеризуются следующими основными электрофизическими параметрами: удельным сопротивлением, типом проводимости, шириной запрещенной зоны, концентрацией носителей заряда и их подвижностью, эффективной массой и временем жизни. Ряд характеристик полупроводниковых материалов, например, ширина запрещенной зоны и эффективная масса носителей, относительно слабо зависит от концентрации химических примесей и степени совершенства кристаллической решетки. Ранее было сказано, что свойства зависят от содержания посторонних примесей, но ещё от степени совершенства кристаллического строения. Точечные Дефекты, как собственные, так и легирующие примеси, определяют концентрацию, тип проводимости, величину удельного сопротивления.

Протекание электрического тока через проводник приводит к направленному движению свободных электронов. Наличие свободных электронов зависит от самого вещества и берется из таблицы Д. И. Менделеева , а именно из электронной конфигурации элемента. Электроны начинают ударяться о кристаллическую решетку элемента и передают энергию последней. В этом случае возникает тепловой эффект при действии тока на проводник.

При этом взаимодействии они замедляются, но затем под действием электрического поля, которое их ускоряет, начинают двигаться с той же скоростью. Электроны сталкиваются огромное количество раз. Этот процесс и называется сопротивлением проводника.

Следовательно, электрическим сопротивлением проводника считается физическая величина, характеризующая отношение напряжения к силе тока.

Что такое электрическое сопротивление: величина, указывающая на свойство физического тела преобразовывать энергию электрическую в тепловую, благодаря взаимодействию энергии электронов с кристаллической решеткой вещества. По характеру проводимости различаются:

Проводники (способны проводить электрический ток, так как присутствуют свободные электроны).
Полупроводники (могут проводить электрический ток, но при определенных условиях).
Диэлектрики или изоляторы (обладают огромным сопротивлением, отсутствуют свободные электроны, что делает их неспособными проводить ток).

Обозначается эта характеристика буквой R и измеряется в Омах (Ом). Применение этих групп веществ является очень значимым для разработки электрических принципиальных схем приборов.

Для полного понимания зависимости R от чего-либо нужно обратить особое внимание на расчет этой величины.

Физический принцип сопротивления

Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.

В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

Будет интересно➡ Что такое плотность тока?

где V — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое сопротивление участка цепи.

Сопротивление в проводнике

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = IR была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение.

Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.

Зависимость проводимости материала

Способность проводника к пропусканию электрического тока зависит от многих факторов: напряжения, тока, длины, площади поперечного сечения и материала проводника, а также от температуры окружающей среды.

В электротехнике для произведения расчетов и изготовления резисторов учитывается и геометрическая составляющая проводника.

От чего зависит сопротивление: от длины проводника — l, удельного сопротивления — p и от площади сечения (с радиусом r) — S = Пи * r * r.

Формула R проводника: R = p * l / S.

Из формулы видно, от чего зависит удельное сопротивление проводника: R, l, S. Нет необходимости его таким способом рассчитывать, потому что есть способ намного лучше. Удельное сопротивление можно найти в соответствующих справочниках для каждого типа проводника (p — это физическая величина равная R материала длиною в 1 метр и площадью сечения равной 1 м².

Однако этой формулы мало для точного расчета резистора, поэтому используют зависимость от температуры.

Влияние температуры окружающей среды

Доказано, что каждое вещество обладает удельным сопротивлением, зависящим от температуры.

Для демонстрации это можно произвести следующий опыт. Возьмите спираль из нихрома или любого проводника (обозначена на схеме в виде резистора), источник питания и обычный амперметр (его можно заменить на лампу накаливания). Соберите цепь согласно схеме 1.

Схема 1 — Электрическая цепь для проведения опыта

Необходимо запитать потребитель и внимательно следить за показаниями амперметра. Далее следует нагревать R, не отключая, и показания амперметра начнут падать при росте температуры. Прослеживается зависимость по закону Ома для участка цепи: I = U / R. В данном случае внутренним сопротивлением источника питания можно пренебречь: это не отразится на демонстрации зависимости R от температуры. Отсюда следует, что зависимость R от температуры присутствует.

Физический смысл роста значения R обусловлен влиянием температуры на амплитуду колебаний (увеличение) ионов в кристаллической решетке. В результате этого электроны чаще сталкиваются и это вызывает рост R.

Согласно формуле: R = p * l / S, находим показатель, который зависит от температуры (S и l — не зависят от температуры). Остается p проводника. Исходя из это получается формула зависимости от температуры: (R — Ro) / R = a * t, где Ro при температуре 0 градусов по Цельсию, t — температура окружающей среды и a — коэффициент пропорциональности (температурный коэффициент).

Формула нахождения p, применяемая при расчетах: p = (1 + a * t) * po, где ро — удельное значение сопротивления, взятое из справочника для конкретного проводника. В этом случае температурный коэффициент можно считать постоянным. Зависимость мощности (P) от R вытекает из формулы мощности: P = U * I = U * U / R = I * I * R. Удельное значение сопротивления еще зависит и от деформаций материала, при котором нарушается кристаллическая решетка.

Деформация и удельное сопротивление

При обработке металла в холодной среде при некотором давлении происходит пластическая деформация. При этом кристаллическая решетка искажается и растет R течения электронов. В этом случае удельное сопротивление также увеличивается. Этот процесс является обратимым и называется рекристаллическим отжигом, благодаря которому часть дефектов уменьшается.

При действии на металл сил растяжения и сжатия последний подвергается деформациям, которые называются упругими. Удельное сопротивление уменьшается при сжатии, так как происходит уменьшение амплитуды тепловых колебаний. Направленным заряженным частицам становится легче двигаться. При растяжении удельное сопротивление увеличивается из-за роста амплитуды тепловых колебаний.

Еще одним фактором, влияющим на проводимость, является вид тока, проходящего по проводнику.

Роль проводника тока

Если к веществу или материалу обладающему проводящей способностью, подключить источник ЭДС, то по нему начинает протекать электрический ток. Свободные электроны вещества при этом начинают направленное движение от отрицательного полюса к положительному, т.к они являются носителями отрицательного заряда.

Во время направленного движения электроны ударяются об атомы материала и передают им некоторую часть своей энергии, из-за этого происходит нагрев проводника по которому проходит ток. А электроны после столкновения замедляют свое движение. Но электрическое поле их опять ускоряет, поэтому они продолжают свое направленное движение к плюсу.

Этот процесс может идти практически бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле созданное источником электродвижущей силы. Получается, что чем больше препятствий попадется на пути следования электронов, тем выше значение сопротивления.

В различных веществах имеется разное количество свободных электронов, а атомы, между которыми свободные носители заряда перемещаются, обладают различным местом расположения. Поэтому сопр. проводников току зависит, в первую очередь от материала, из которого они сделаны, от площади и длины поперечного сечения.

Если сравнить два проводника сделанные из одинакового материала, то более длинный имеет большее R при равных площадях поперечных сечений, а с большим поперечным сечением имеет более низкое сопр. при равных длинах. Рассмотрим практический пример: Подключим лампочку накаливания на 60Вт в розетку с сетевым напряжением. Спираль лампочки начинает создавать потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое препятствие.

Если эта преграда на пути электронов окажется слишком маленькой лампочка перегорит. Если слишком большое – накальная нить будет гореть очень слабо. А вот если оно будет “оптимальное, тогда лампочка будет гореть нормально, выделяя при этом и тепло. Вырабатываемое тепло называют “потерянной” энергией, так как часть энергию затрагивается на никому ненужный нагрев.

Что такое электрическое удельное сопротивление? Из формулы закона Ома можно записать, что электрическое сопротивление является физической величиной, которую можно вычислить как отношение напряжения в проводнике к силе протекающего в нем тока.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Итак, исходя из опыта с лампочкой чуть выше можно сделать вывод, что электрическое сопротивление проводника является физической величиной, которая указывает на свойство вещества преобразовывать электрическую энергию в тепловую. (R= ρ × l)/S ρ — удельное сопротивление материала проводника, Ом·м, l — длина, м, и S — площадь сечения, м2. Удельное электрическое сопротивление является также физической величиной, которая равна сопротивлению метрового проводника с площадью сечения в один метр квадратный. На практике, сечение измеряют в квадратных миллиметрах.

Сопротивление различных металлов

Поэтому и удельное электрическое сопротивление проще считать в Ом × мм2 / м, а площадь подставлять в мм2. Формула выше говорит о том, что удельное сопр. прямо пропорционально удельному сопр. материала, из которого он сделан, а также его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.

Будет интересно➡ Что такое элемент Пельтье и как его сделать своими руками?

Сопр. проводников зависит также от температуры. Так у элементов из металла с повышением температуры R увеличивается. Зависимость эта сложная, но в относительно узких пределах температурного изменения (примерно до 200° Цельсия) можно условно считать, что для каждого металла существует определенный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления (альфа), который выражает определенный прирост сопротивления дельта r при изменении температуры на один градус цельсия, отнесенный к 1 ом начального значения сопротивления. Таким образом, температурный коэффициент удельного сопротивления будет равен α = r2-r1/r1(T2-T1) и прирост сопр. будет равен Δr=r2-r1=αr2(T2-T1)

Например, у медного линейного провода при температуре T1 = 15° r1 = 50 ом, а при температуре T2 = 75° — r2 — 62 ом. Поэтому, дельта при изменении температуры на 75 — 15 = 60° будет равно 62 — 50 = 12 ом. Т.е, дельта, соответствующий изменению температуры на 1°, равен: 12/60=0,2 От чего зависит удельное сопротивление.

Во-первых, от материала проводника. Чем больше значение ρ, тем хуже будет пропускная токовая способность. Во-вторых, от длины провода – с увеличением длины сопротивление увеличивается. В-третьих, от толщины. У более толстого проводника, более низкое сопротивление. И в-четвертых, от температуры проводника.

Если он из металла, то их удельное сопротивление возрастает с ростом температуры. В исключение можно поместить специальные сплавы – их электрическое удельное сопр. практически не изменяется при нагревании. Например: никелин, константан и манганин. А вот у жидкостей с нагревом, удельное сопротивление уменьшается.

Связь с удельной проводимостью в изотропных материалах, выражется формулой: ρ = 1 / σ Где σ – удельная проводимость. Явление сверхпроводимости Предположим температуру материала будем уменьшать, то удельное сопротивление при этом будет также снижаться. Есть предел, до которого можно снизить температуру – абсолютный нуль.

Проводник в разрезе

В численном выражении равен —273°С. Ниже этого значения температур просто не существует. При этом значении удельное сопротивление любого проводника будет равно нулю. так как при абсолютном нуле атомы кристаллической решетки полностью перестают колебаться. В результате электронное облако проходит между узлами решетки, не соударяясь с ними. Удельное сопр. материала становится равным нулю, что открывает возможности для получения бесконечно огромных токовых уровней в проводниках малого сечения. Явление сверхпроводимости открывает фантастические перспективы для развития электротехники и электронной техники. Но пока еще имеются некоторые сложности, связанные с получением в быту сверхмалых температурных значений, требуемых для создания нужного эффекта. Когда эти проблемы смогут преодалеть, электротехника шагнет на принципиально новый уровень развития.

Будет интересно➡ Постоянный ток — определение и параметры

Цепи переменного тока

Сопротивление в сетях с переменным током ведет себя несколько иначе, ведь закон Ома применим только для схем с постоянным напряжением. Следовательно, расчеты следует производить иначе.

Полное сопротивление обозначается буквой Z и состоит из алгебраической суммы активного, емкостного и индуктивного сопротивлений.

При подключении активного R в цепь переменного тока под воздействием разницы потенциалов начинает течь ток синусоидального вида. В этом случае формула выглядит: Iм = Uм / R, где Iм и Uм — амплитудные значения силы тока и напряжения. Формула сопротивления принимает следующий вид: Iм = Uм / ((1 + a * t) * po * l / 2 * Пи * r * r).

Емкостное сопротивление (Xc) обусловлено наличием в схемах конденсаторов. Необходимо отметить, что через конденсаторы проходит переменный ток и, следовательно, он выступает в роли проводника с емкостью.

Вычисляется Xc следующим образом: Xc = 1 / (w * C), где w — угловая частота и C — емкость конденсатора или группы конденсаторов. Угловая частота определяется следующим образом:

Измеряется частота переменного тока (как правило, 50 Гц).
Умножается на 6,283.

Индуктивное сопротивление (Xl) — подразумевает наличие индуктивности в схеме (дроссель, реле, контур, трансформатор и так далее). Рассчитывается следующим образом: Xl = wL, где L — индуктивность и w — угловая частота. Для расчета индуктивности необходимо воспользоваться специализированными онлайн-калькуляторами или справочником по физике. Итак, все величины рассчитаны по формулам и остается всего лишь записать Z: Z * Z = R * R + (Xc — Xl) * (Xc — Xl).

Для определения окончательного значения необходимо извлечь квадратный корень из выражения: R * R + (Xc — Xl) * (Xc — Xl). Из формул следует, что частота переменного тока играет большую роль, например, в схеме одного и того же исполнения при повышении частоты увеличивается и ее Z. Необходимо добавить, что в цепях с переменным напряжением Z зависит от таких показателей:

Длины проводника.
Площади сечения — S.
Температуры.
Типа материала.
Емкости.
Индуктивности.
Частоты.

Следовательно и закон Ома для участка цепи имеет совершенно другой вид: I = U / Z. Меняется и закон для полной цепи.

Читайте также: