Почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала кратко

Обновлено: 05.07.2024

Закон Ома для участка цепи связывает три величины: $I = \frac$. Эти величины: сила тока, напряжение и сопротивление. Сила тока в проводнике и напряжение на его концах могут изменяться. Они прямо пропорциональны друг другу. Также вы знаете, что сила тока в проводнике и сопротивление связаны между собой обратной пропорциональностью.

Но дело в том, что электрическое сопротивление — величина в законе Ома постоянная. При изменениях силы тока или напряжениях она не изменяется. Сопротивление зависит исключительно от свойств проводника.

Опыты по установлению величин, от которых зависит сопротивление

Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии электронов с ионами кристаллической решетки металла. Логично предположить, что сопротивление будет зависеть от рода вещества, из которого он состоит. Также мы предположим, что есть некоторая зависимость от длины проводника и площади его поперечного сечения.

Теперь давайте проведем опыты, которые подтвердят или опровергнут наши предположения.

Соберем электрическую цепь из источника тока, ключа, амперметра и реостата. Реостат — это прибор, который позволит нам изменять силу тока в цепи. Подробнее о нем вы узнаете в отдельном уроке.

В эту цепь мы будем поочередно подключать различные проводники. К ним же параллельно подсоединим вольтметр (рисунок 1).

Какие проводники мы будем подключать в цепь?

Вариантов может быть огромное множество. Мы рассмотрим следующие:

Никелиновые проволоки одинаковой толщины (с одинаковой площадью поперечных сечений), но разной длины
Такие же никелиновые проволоки, но теперь одинаковой длины и разной толщины (с различной площадью поперечных сечений)
Никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины

Каждый раз мы будем фиксировать значения силы тока в цепи, показанные амперметром. Вольтметр даст нам значения напряжения на концах каждого проводника.

Далее, используя закон Ома для участка цепи, мы сможем рассчитать сопротивление каждого проводника по формуле $I = \frac$.

Результаты опытов

Какие выводы мы сможем сделать после всех расчетов?

Из двух никелиновых проволок с одинаковой толщиной большее сопротивление имеет более длинная проволока
Большее сопротивление имеет та никелиновая проволока, у которой поперечное сечение меньше. При этом длина проволок была одинаковой
Никелиновая и нихромовая проволоки имеют разное сопротивление при одинаковых размерах

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого он состоит

Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?

Подобные опыты впервые проводил уже известный нам Георг Ом. Именно он установил следующие зависимости.

Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Удельное сопротивление

Если с длиной и толщиной проводника все просто и понятно, то что с веществом, из которого он состоит? Как учесть эту зависимость значения сопротивления? Для этого нужно вычислить удельное сопротивление вещества (проводника).

Что называется удельным сопротивлением проводника?

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной $1 \space м$ и площадью поперечного сечения $1 \space м^2$.

Обозначается удельное сопротивление буквой $\rho$.

Не путать с плотностью вещества! Обращайте внимание на единицы измерения, чтобы не запутаться. Плотность в СИ измеряется в $\frac$, а про единицу измерения удельного сопротивления мы поговорим чуть ниже.

По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?

Используя новую величину, теперь мы можем вычислить сопротивление любого проводника.

$R = \frac$,
где $\rho$ — удельное сопротивление проводника, $l$ — длина проводника, $S$ — площадь его поперечного сечения.

Из этой формулы для расчетов мы можем выразить и другие величины:

Единица удельного сопротивления

Чтобы определить единицу измерения удельного сопротивления обратимся к формуле $\rho = \frac$.

Единица сопротивления — $1 \space Ом$, площади поперечного сечения — $1 \space м^2$, длины — $1 \space м$.

Подставим все это в формулу:

Площадь поперечного сечения проводника обычно небольшая, поэтому ее удобно выражать в $мм^2$. Поэтому часто удельное сопротивление проводника измеряют в $\frac$.

Значения удельных сопротивлений некоторых веществ

В таблице 1 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ.

Вещество	$\rho$, $\frac$	Вещество	$\rho$, $\frac$
Серебро	$0.016$	Манганин (сплав)	$0.43$
Медь	$0.017$	Константан (сплав)	$0.50$
Золото	$0.024$	Ртуть	$0.96$
Алюминий	$0.028$	Нихром (сплав)	$1.1$
Вольфрам	$0.055$	Фехраль (сплав)	$1.3$
Железо	$0.10$	Графит	$13$
Свинец	$0.21$	Фарфор	$10^$
Никелин (сплав)	$0.40$	Эбонит	$10^$

Таблица 1. Удельное сопротивление некоторых веществ (при $t = 20 \space \degree C$)

Обратите внимание, что эти значения актуальны при температуре $20 \space \degree C$.

Удельное сопротивление вещества зависит от температуры.

Опыты показали, что при определенной температуре для каждого вещества диэлектрик может стать проводником (полупроводник). Также экспериментально доказано, что с повышением температуры удельное сопротивление металлов увеличивается.

Использование веществ для изготовления проводников и изолятов

У каких веществ самые большие значения удельного сопротивления? Конечно, у диэлектриков. Например, эбонит и фарфор практически не проводят электрический ток. Поэтому их и используют в качестве изоляторов.

Самое меньшее удельное сопротивление имеют чистые металлы. Серебро и медь — лучшие проводники электричества.

Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике? Чаще всего для проводки электрических цепей используют медные, алюминиевые и железные провода.

В таблице 1 вы также могли обратить внимание на значения удельных сопротивлений для сплавов нескольких веществ. Они имеют достаточно большие значения. Зачем? Обычно их используют для изготовления приборов, которым необходимо для нормального функционирования иметь большое сопротивление, но все-таки пропускать ток.

Если речь идет о твердом (металлическом) проводнике, то в первом приближении металл считается состоящим из положительно заряженных ионов кристаллической решетки и свободных электронов проводимости, которые похожи на идеальный газ. Грубо говоря, электрическое сопротивление обусловлено неупругими столкновениями упорядоченно движущихся электронов с ионами кристаллической решетки.
Естественно, что у каждого проводящего вещества (металла) своя кристаллическая структура и своя концентрация свободных электронов, что и обусловливает зависимость удельного сопротивления от рода вещества.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление. У каждого материала удельное сопротивление, как и проводимость разные. По таблице удельных сопротивлений определяется материал

Из-за строения вещества.

Чем ближе друг к другу молекулы данного вещества, тем сложнее электрону пройти путь по данному проводнику

Для каждого материала характерно свое собственное удельное сопротивление. Но это сопротивление разниться от рода этого материала и его плотности. Каждый материал имеет свое сопротивление. Нету двух абсолютно одинаковых значений сопротивления. Значение сопротивления вы можете найти в таблицах с соответствующим названием. Из этой таблицы мы и можем понять, что сопротивление зависит от рода материала и его плотности.

Как написать хороший ответ? Как написать хороший ответ?

Написать правильный и достоверный ответ;
Отвечать подробно и ясно, чтобы ответ принес наибольшую пользу;
Писать грамотно, поскольку ответы без грамматических, орфографических и пунктуационных ошибок лучше воспринимаются.

Мореплаватель — имя существительное, употребляется в мужском роде. К нему может быть несколько синонимов.
1. Моряк. Старый моряк смотрел вдаль, думая о предстоящем опасном путешествии;
2. Аргонавт. На аргонавте были старые потертые штаны, а его рубашка пропиталась запахом моря и соли;
3. Мореход. Опытный мореход знал, что на этом месте погибло уже много кораблей, ведь под водой скрывались острые скалы;
4. Морской волк. Старый морской волк был рад, ведь ему предстояло отчалить в долгое плавание.

От чего зависит удельное сопротивление проводника

Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.

Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.

Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.

Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.

Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.

Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.

Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.

Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.

Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.

Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.

Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.

Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).

Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.

Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.

Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.

Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.

Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ

Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.

У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.

При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.

У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.

Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.

Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.

Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.

В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.

Эксперимент $3$. Материал проводника, физическая величина — удельное сопротивление проводника (прямая пропорциональность).

Впервые зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, и от длины проводника обнаружил немецкий физик Георг Ом. Он установил:

Сопротивление проводника напрямую зависит от его длины и материала, но обратным образом зависит от площади поперечного сечения проводника.

Из этого можно сделать вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т.е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт гораздо быстрее, чем по тонкой, т.е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т.е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Удельное сопротивление проводника зависит от строения вещества. Электроны при движении внутри металлов взаимодействуют с атомами (ионами), находящимися в узлах кристаллической решётки. Чем выше температура вещества, тем сильнее колеблются атомы и тем больше удельное сопротивление проводников.

Удельное электрическое сопротивление — физическая величина $\rho$, характеризующая свойство материала оказывать сопротивление прохождению электрического тока:
ρ = R ⋅ S l , где удельное сопротивление проводника обозначается греческой буквой $\rho$ (ро), $l$ — длина проводника, $S$ — площадь его поперечного сечения.

Как известно, единицей электрического сопротивления является $1$ Ом, единицей площади поперечного сечения проводника — $1$ м², а единицей длины проводника — $1$ м. Подставляя в формулу, получаем:

На практике (например, в магазине при продаже проводов) площадь поперечного сечения проводника измеряют в квадратных миллиметрах, В этом случае единицей удельного сопротивления будет:

При нагревании колебания ионов металлов в узлах металлической решётки увеличиваются, поэтому свободного пространства для передвижения электронов становится меньше. Электроны чаще отбрасываются назад, поэтому значение тока уменьшается, а значение сопротивления увеличивается.

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. А это значит, что медь и серебро лучше остальных проводят электрический ток.

При проводке электрических цепей, например, в квартирах не используют серебро, т.к. это дорого. Зато используют медь и алюминий, так как эти вещества обладают малым удельным сопротивлением.
Порой необходимы приборы, сопротивление которых должно быть большим. В этом случаем необходимо использовать вещество или сплав с большим удельным сопротивлением. Например, нихром.

Полиэтилен, дерево, стекло и многие другие материалы отличаются очень большим удельным сопротивлением. Поэтому они не проводят электрический ток. Такие материалы называют диэлектриками или изоляторами .

Очень часто нам приходится изменять силу тока в цепи. Иногда мы ее увеличиваем, иногда уменьшаем. Водитель трамвая или троллейбуса изменяет силу тока в электродвигателе, тем самым увеличивая или уменьшая скорость транспорта.

Реостат на рисунке состоит из провода с большим удельным сопротивлением (никелин, нихром), по которому передвигается подвижный контакт $C$ по длине провода, плавно изменяя сопротивление реостата. Сопротивление такого реостата пропорционально длине провода между подвижным контактом $C$ и неподвижным $A$. Чем длиннее провод, тем больше сопротивление участка цепи и меньше сила тока. С помощью вольтметра и амперметра можно проследить эту зависимость.

Он состоит из изолирующего керамического цилиндра, на который намотан провод с большим удельным сопротивлением. Витки проволоки должны быть изолированы друг от друга, поэтому либо проволоку обрабатывают графитом, либо оставляют на проволоке слой окалины. Сверху над проволочной обмоткой закреплен металлический стержень, по которому перемещается ползунок. Контакты ползунка плотно прижаты в виткам и при движении изолирующий слой графиты или окалины стирается, и тогда электрический ток может проходить от витков проволоки к ползунку, через него подводиться к стержню, имеющему на конце зажим $1$.

Для соединения реостата в цепь используют зажим $1$ и зажим $2$. Ток, поступая через зажим $2$, идёт по никелиновой проволоке и через ползунок подаётся на зажим $1$. Перемещая ползунок от $2$ к $1$, можно увеличивать длину провода, в котором течёт ток, а значит, и сопротивление реостата.

Как и любой электрический прибор, реостат имеет допустимое значение силы тока, свыше которого прибор может перегореть. Маркировка реостата содержит диапазон его сопротивления и максимальное допустимое значение силы тока.

Сопротивление реостата нужно учитывать в параметрах электрической цепи. При минимальных значениях сопротивления ток в цепи может вывести из строя амперметр.

Существуют реостаты, в которых переключатель подключается на проводники заданной длины и сопротивления: каждая спираль реостата имеет определённое сопротивление. Поэтому плавно изменять силу тока с помощью такого прибора не получится.

Читайте также: