• провідники;
• діелектрики (з ізоляційними властивостями);
• напівпровідники.

Електрони та струм

В основі сучасного уявлення про електричний струм лежить припущення, що він складається з матеріальних частинок - зарядів. Але різні фізичні та хімічні досліди дають підстави стверджувати, що ці носії заряду можуть бути різного типу в тому самому провіднику. І це неоднорідність частинок впливає щільність струму. Для обчислень, які пов'язані з параметрами електроструму, використовуються певні фізичні величини. Серед них важливе місце займають провідність разом із опором.

• Провідність пов'язана з опором взаємної зворотної залежності.

Відомо, що при існуванні деякої напруги, прикладеної до електричного ланцюга, в ній з'являється струм, величина якого пов'язана з провідністю цього ланцюга. Це фундаментальне відкриття зробив свого часу німецький фізик Георг Ом. З того часу в ході закон, званий законом Ома. Він існує для різних варіантів кіл. Тому формули для них можуть бути несхожими одна на одну, оскільки відповідають зовсім різним умовам.

У будь-якому електричному ланцюзі є провідник. Якщо в ньому знаходиться один тип частинок-носіїв заряду, струм у провіднику подібний до потоку рідини, який має певну щільність. Вона визначається за такою формулою:

Більшість металів відповідають однотипності заряджених частинок, завдяки яким існує електричний струм. Для металів обчислення питомої електричної провідності проводиться за такою формулою:

Оскільки можна обчислити провідність, визначити питомий електричний опір тепер не складе. Вище вже було згадано, що питомий опір провідника – це величина, обернена до провідності. Отже,

У цій формулі літера грецького алфавіту ρ (ро) використовується для позначення питомого електричного опору. Таке позначення найчастіше використовується у технічній літературі. Однак можна зустріти і дещо інші формули, за допомогою яких обчислюється питомий опір провідників. Якщо для розрахунків застосовувати класичну теорію металів та електронну провідність у них, питомий опір обчислюється за такою формулою:

Проте є одне «але». На стан атомів у металевому провіднику впливає тривалість процесу іонізації, що здійснюється електричним полем. При одноразовому іонізуючому вплив на провідник атоми в ньому отримають одноразову іонізацію, яка створить баланс між концентрацією атомів та вільних електронів. І величини цих концентрацій вийдуть рівними. У цьому випадку мають місце такі залежності та формули:

Девіації питомих провідностей та опорів

Далі розглянемо, чого залежить питома провідність, пов'язана зворотної залежністю з питомим опором. Питомий опір речовини - це абстрактна фізична величина. Кожен провідник існує як конкретного зразка. Для нього характерна наявність різних домішок та дефектів внутрішньої структури. Вони враховуються як окремі доданки вирази, що визначає питомий опір відповідно до правила Маттіссена. Це правило також враховує розсіювання рухомого потоку електронів на вузлах кристалічних решітки зразка, що коливаються в залежності від температури.

Наявність внутрішніх дефектів, таких як вкраплення різних домішок та мікроскопічні порожнечі, також збільшує питомий опір. Для визначення кількості домішок у зразках питомий опір матеріалів вимірюється для двох значень температури зразкового матеріалу. Одна температурна величина – кімнатна, а інша відповідає рідкому гелію. По відношенню результату вимірювання при кімнатній температурі результату при температурі рідкого гелію отримують коефіцієнт, який ілюструє структурну досконалість матеріалу та його хімічну чистоту. Коефіцієнт позначається літерою β.

Якщо як провідник електричного струму розглядається металевий сплав зі структурою твердого розчину, яка невпорядкована, величина залишкового питомого опору може бути істотно більшою за питому опір. Така особливість металевих сплавів із двох складових, що не належать до рідкісноземельних елементів, так само, як і до перехідних елементів, охоплюється спеціальним законом. Його називають законом Нордгейму.

Сучасні технології в електроніці дедалі більше прагнуть у бік мініатюризації. Причому настільки, що незабаром з'явиться слово "наносхема" замість мікросхеми. Провідники в таких пристроях настільки тонкі, що правильним називатиме їх плівками з металу. Цілком зрозуміло те, що плівковий зразок своїм питомим опором відрізнятиметься у більшу сторону від більшого провідника. Мінімальна товщина металу в плівці призводить до появи в ньому властивостей напівпровідників.

Починає проявлятися пропорційність товщини металу з вільним пробігом електронів у цьому матеріалі. Місця для руху електронів мало. Тому вони починають заважати один одному рухатися впорядковано, що призводить до збільшення питомого опору. Для плівок із металу питомий опір розраховують за спеціальною формулою, отриманою на основі експериментів. Формула названа ім'ям Фукса – вченого, який вивчав питомий опір плівок.

Плівки - це дуже специфічні освіти, які складно повторити те щоб властивості кількох зразків були однаковими. Для прийнятної точності в оцінці плівок застосовують спеціальний параметр – питомий поверхневий опір.

З металевих плівок підкладці мікросхем формуються резистори. Тому розрахунки питомого опору - це дуже затребуване завдання в мікроелектроніці. Величина питомого опору, очевидно, має вплив із боку температури пов'язана із нею залежністю прямої пропорційності. Для більшості металів ця залежність має деяку лінійну ділянку у певному температурному діапазоні. У такому разі питомий опір визначається формулою:

У металах електрострум виникає через велику кількість вільних електронів, концентрація яких відносно велика. Причому електрони також визначають і велику теплопровідність металів. З цієї причини між питомою електричною провідністю та питомою теплопровідністю встановлено зв'язок особливим законом, який був обґрунтований експериментальним шляхом. Цей закон Відемана-Франца характерний такими формулами:

Привабливі перспективи надпровідності

Однак найдивовижніші процеси відбуваються за мінімальної технічно досяжної температури рідкого гелію. За таких умов охолодження всі метали практично втрачають свій питомий опір. Проводи з міді, охолоджені до температури рідкого гелію, виявляються здатними проводити струми багаторазово більші порівняно із звичайними умовами. Якби на практиці таке стало можливим, економічний ефект вийшов би неоціненним.

Ще більш дивним виявилося відкриття високотемпературних провідників. Ці різновиди кераміки за звичайних умов були дуже далекі за своїм питомим опором від металів. Але при температурі приблизно на три десятки градусів вище рідкого гелію вони ставали надпровідниками. Відкриття такої поведінки неметалевих матеріалів стало сильним стимулом для досліджень. Через найбільші економічні наслідки практичного застосування надпровідності на цей напрямок були кинуті дуже значні фінансові ресурси, почалися масштабні дослідження.

Але поки що, як-то кажуть, «воз і нині там»... Керамічні матеріали виявилися непридатними для практичного застосування. Умови підтримки стану надпровідності вимагали таких великих витрат, що знищувалася вся вигода від її використання. Але експерименти з надпровідністю продовжуються. Прогрес очевидний. Вже отримана надпровідність за температури 165 градусів Кельвіна, проте для цього потрібен високий тиск. Створення та підтримання таких особливих умов знов-таки заперечує комерційне використання цього технічного рішення.

Додаткові фактори впливу

В даний час все продовжує йти своїм шляхом, і для міді, алюмінію та деяких інших металів питомий опір продовжує забезпечувати їхнє промислове використання для виготовлення проводів та кабелів. Насамкінець варто додати ще трохи інформації про те, що не тільки питомий опір матеріалу провідника і температура навколишнього середовища впливають на втрати в ньому під час проходження електроструму. Дуже значуща геометрія провідника при використанні його на підвищеній частоті напруги та при великій силі струму.

У умовах електрони прагнуть зосереджуватися поблизу поверхні дроти, та її товщина як провідника втрачає сенс. Тому можна виправдано зменшити у дроті кількість міді, виготовивши із неї лише зовнішню частину провідника. Ще одним фактором збільшення питомого опору провідника є деформація. Тому, незважаючи на високі показники деяких електропровідних матеріалів, за певних умов вони можуть не виявитися. Потрібно правильно підбирати провідники для конкретних завдань. У цьому вся допоможуть таблиці, показані далі.

Питомий опірметалів є мірою їхньої властивості протидіяти проходженню електричного струму. Ця величина виражається в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, що означає питомий опір, є грецька літера ρ (ро). Висока питома опір означає, що матеріал погано проводить електричний заряд.

Питомий опір

Питома електрична опір визначається як відношення між напруженістю електричного поля всередині металу до щільності струму в ньому:

де:
ρ — питомий опір металу (Ом⋅м),
Е - напруженість електричного поля (В/м),
J - величина щільності електричного струму в металі (А/м2)

Якщо напруженість електричного поля (Е) у металі дуже велика, а щільність струму (J) дуже маленька, це означає, що метал має високий питомий опір.

Зворотною величиною питомого опору є питома електропровідність, що вказує, наскільки добре матеріал проводить електричний струм:

σ - провідність матеріалу, виражена в сименс на метр (см/м).

Електричний опір

Електричний опір, одне із складових , виявляється у омах (Ом). Слід зазначити, що електричний опір та питомий опір – це не те саме. Питомий опір є властивістю матеріалу, тоді як електричний опір – це властивість об'єкта.

Електричний опір резистора визначається поєднанням форми та питомим опором матеріалу, з якого він виготовлений.

Наприклад, дротяний, виготовлений з довгого та тонкого дроту має більший опір, ніж резистор, виготовлений з короткого та товстого дроту того ж металу.

У той же час дротяний резистор, виготовлений з матеріалу з високим питомим опором, має більший електричний опір, ніж резистор, зроблений з матеріалу з низьким питомим опором. І все це незважаючи на те, що обидва резистори зроблені з дроту однакової довжини та діаметра.

Як наочність можна провести аналогію з гідравлічною системою, де вода прокачується через труби.

• Чим довша і тонша труба, тим більше буде чинити опір воді.
• Труба, заповнена піском, більше чинитиме опір воді, ніж труба без піску

Опір дроту

Величина опору дроту залежить від трьох параметрів: питомого опору металу, довжини та діаметра самого дроту. Формула для розрахунку опору дроту:

Де:
R - опір дроту (Ом)
ρ - питомий опір металу (Ом.m)
L - Довжина дроту (м)
А - площа поперечного перерізу дроту (м2)

Як приклад розглянемо дротяний резистор з ніхрому з питомим опором 1.10×10-6 Ом.м. Дріт має довжину 1500 мм та діаметр 0,5 мм. На основі цих трьох параметрів розрахуємо опір дроту з ніхрому:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Ніхром і константан часто використовують як матеріал для опорів. Нижче в таблиці ви можете подивитися питомий опір деяких металів, що найчастіше використовуються.

Поверхневий опір

Величина поверхневого опору розраховується так само, як і опір проводу. В даному випадку площа перерізу можна представити у вигляді добутку w і t:

Для деяких матеріалів, таких як тонкі плівки, співвідношення між питомим опором та товщиною плівки називається поверхневий опір шару RS:

де RS вимірюється в омах. При цьому розрахунку товщина плівки має бути постійною.

Часто виробники резисторів для збільшення опору вирізають у плівці доріжки, щоб збільшити шлях електричного струму.

Властивості резистивних матеріалів

Питомий опір металу залежить від температури. Їх значення наводиться, зазвичай, для кімнатної температури (20°С). Зміна питомого опору внаслідок зміни температури характеризується температурним коефіцієнтом.

Наприклад, у термісторах (терморезисторах) ця властивість використовується для вимірювання температури. З іншого боку, у точній електроніці це досить небажаний ефект.
Металоплівкові резистори мають відмінні властивості температурної стабільності. Це досягається не тільки за рахунок низького питомого опору матеріалу, а й за рахунок механічної конструкції самого резистора.

Багато різних матеріалів та сплавів використовуються у виробництві резисторів. Ніхром (сплав нікелю та хрому), через його високий питомий опір і стійкість до окислення при високих температурах, часто використовують як матеріал для виготовлення дротяних резисторів. Недоліком його є те, що його неможливо паяти. Константан, ще один популярний матеріал, легко паяється і має нижчий температурний коефіцієнт.

Про закон Ома багато хто чув, але не всі знають, що це таке. Вивчення розпочинається зі шкільного курсу фізики. Докладніше проходять на фізфаку та електродинаміці. Пересічному обивателю ці знання малоймовірно стануть у нагоді, але вони необхідні для загального розвитку, а комусь для майбутньої професії. З іншого боку, елементарні знання про електрику, його влаштування, особливості в домашніх умовах допоможуть застерегти себе від лиха. Недарма закон Ома називають основним законом електрики. Домашній майстер повинен мати знання в області електрики, щоб не допустити перенапруги, що може спричинити збільшення навантаження і виникнення пожежі.

Поняття електричного опору

Залежність між основними фізичними величинами електричного кола – опором, напругою, силою струму відкрив німецький фізик Георг Сімон Ом.

Електроопір провідника це величина, що характеризує його протистояння електричному струму.Іншими словами, частина електронів під дією електричного струму на провідник залишає своє місце в кристалічній решітці і прямує до позитивного полюса провідника. Частина електронів залишається у ґратах, продовжуючи обертатися навколо атома ядра. Дані електрони і атоми утворюють електроопір, що перешкоджає просуванню частинок, що звільнилися.

Вищеописаний процес застосовується до всіх металів, але опір у яких відбувається по-різному. Це з різницею розмірів, форм, матеріалу, у тому числі складається провідник. Відповідно розміри кристалічної решітки мають неоднакову форму у різних матеріалів, отже, електроопір просуванню по них струму відбувається не однаково.

З цього поняття випливає визначення питомого опору речовини, що є індивідуальним показником кожного металу окремо. Питомий електричний опір (УЕС) це фізична величина, що позначається грецькою літерою і характеризується здатністю металу перешкодити проходженню електрики через нього.

Мідь – основний матеріал для провідників

УЕС речовини розраховується за такою формулою, де однією з важливих показників є температурний коефіцієнт електроопору. Таблиця містить значення УЕС відомих трьох металів в діапазоні температур від 0 до 100°C.

Якщо взяти показник УЕС заліза як одного з доступних матеріалів, що дорівнює 0,1 Ом, то для 1 Ом знадобиться 10 метрів. Найнижчий електроопір має срібло, для його показника 1 Ом вийде 66,7 метрів. Значна різниця, але срібло є дорогим металом, використання якого повсюдно є недоцільним. Наступним за показниками йде мідь, де на 1 Ом потрібно 57,14 метра. У зв'язку з доступністю, вартістю порівняно із сріблом, мідь є одним із популярних матеріалів для використання її в електричних мережах. Низький питомий опір мідного дроту або опір мідного дроту дає можливість використовувати мідний провідник у багатьох галузях науки, техніки, а також у промисловому та побутовому призначенні.

Величина питомого опору

УЕС величина непостійна, вона змінюється в залежності від наступних факторів:

• Розмір. Чим більший діаметр провідника, тим більше електронів він через себе пропускає. Отже, чим його розмір менший, тим більший УЕС.
• довжина. Електрони проходять через атоми тому що довше дріт, то більше доводиться долати через них електронам. При розрахунках необхідно враховувати довжину, розмір дроту, тому що чим довше, тонше провід, тим його УЕС більше і навпаки. Не розрахувавши навантаження обладнання, що використовується, можна привести до перегрівання дроту та займання.
• Температура. Відомо, що температурний режим має значення на поведінку речовин по-різному. Метал, як ніщо інше, змінює свої властивості за різних температур. Питомий опір міді залежить від температурного коефіцієнта опору міді і при нагріванні збільшується.
• Корозія. Утворення корозії значно збільшує навантаження. Відбувається це через вплив довкілля, попадання вологи, солі, бруду, тощо проявів. Рекомендується ізолювати, оберігати всі з'єднання, клеми, скручування, встановлювати захист для обладнання, що знаходиться на вулиці, своєчасно проводити заміну пошкоджених проводів, вузлів, агрегатів.

Розрахунок опору

Розрахунки здійснюються під час проектування об'єктів різного призначення та використання, адже життєзабезпечення кожного відбувається за рахунок електрики. Враховується все, починаючи з освітлювальних приладів, до технічно складного обладнання. У домашніх умовах також буде не зайвим зробити розрахунок, особливо якщо передбачається заміна електропроводки. Для приватного будинку необхідно розрахувати навантаження, інакше «кустарне» складання електропроводки може призвести до займання.

Метою розрахунку є визначення загального опору провідників всіх пристроїв, враховуючи їх технічні параметри. Воно обчислюється за формулою R=p*l/S де:

R - обчислюваний результат;

p – показник УЕС із таблиці;

l – довжина дроту (провідника);

S – діаметр перерізу.

Одиниці виміру

У міжнародній системі одиниць фізичних величин (СІ) електричний опір вимірюється в Омах (Ом). Одиниця виміру УЕС згідно з системою СІ дорівнює такій УЕС речовини, при якій провідник з одного матеріалу довжиною 1 м з перетином 1 кв. м. має опір 1 Ом. Наочно застосування 1 ом/м щодо різних металів наведено в таблиці.

Значимість питомого опору

Зв'язок питомого опору та провідності можна розглядати як обернені величини. Чим більший показник одного провідника, тим нижчий показник іншого та навпаки. Тому при обчисленні електропровідності використовується розрахунок 1/r, тому що число обернене до Х, є 1/Х і навпаки. Питомий показник позначається літерою g.

Переваги електролітичної міді

Низьким показником УЕС (після срібла) як перевагою мідь не обмежується. Вона має унікальні за своїми характеристиками властивості, а саме пластичність, високу ковкість. Завдяки таким якостям виготовляється високого ступеня чистоти електролітична мідь для виробництва кабелів, що використовуються в електроприладах, комп'ютерній техніці, електроіндустрії та автомобілебудуванні.

Залежність показника опору від температури

Температурний коефіцієнт є величиною, яка дорівнює зміні напруги частини ланцюга та УЕС металу внаслідок змін температури. Більшість металів схильна до зростання УЕС зі збільшенням температури через теплові коливання кристалічних ґрат. Температурний коефіцієнт опору міді впливає на питомий опір мідного дроту і за температури від 0 до 100°C становить 4,1·10− 3(1/Кельвін). У срібла даний показник за тих же умов має значення 3,8 а у заліза 6,0. Це ще раз доводить ефективність використання міді як провідника.

Речовини та матеріали, здатні проводити електричний струм, називають провідниками. Інші відносять до діелектриків. Але чистих діелектриків немає, всі вони теж проводять струм, та його величина дуже мала.

Але й провідники по-різному проводять струм. Згідно з формулою Георга Ома, струм, що протікає через провідник, лінійно пропорційний величині прикладеної до нього напруги, і обернено пропорційний величині, званої опором.

Одиницю виміру опору назвали Омом на вшанування вченого, який відкрив цю залежність. Але з'ясувалося, що провідники, виготовлені з різних матеріалів і мають однакові геометричні розміри, мають різний електричний опір. Щоб визначити опір провідника відомого довжини та перерізу, запровадили поняття питомого опору – коефіцієнта, що залежить від матеріалу.

У результаті опір провідника відомої довжини та перерізу буде рівним

Питомий опір застосовується не тільки до твердих матеріалів, але і рідин. Але його величина залежить і від домішок чи інших компонентів у вихідному матеріалі. Чиста вода не проводить електричний струм, як діелектрик. Але у природі дистильованої води немає, у ній завжди зустрічаються солі, бактерії та інші домішки. Цей коктейль - провідник електричного струму, що має питомий опір.

Впроваджуючи до металів різні добавки, отримують нові матеріали – сплави, питомий опір яких відрізняється від того, що було у вихідного матеріалу, навіть якщо добавка до нього у відсотковому співвідношенні незначна.

Залежність питомого опору від температури

Питомий опір матеріалів наводяться в довідниках для температури, близької до кімнатної (20 °С). При збільшенні температури збільшується опір матеріалу. Чому так відбувається?

Електричного струму всередині матеріалу проводять вільні електрони. Вони під впливом електричного поля відриваються від своїх атомів і переміщаються з-поміж них у напрямі, заданим цим полем. Атоми речовини утворюють кристалічну решітку, між вузлами якої рухається потік електронів, званий ще «електронним газом». Під дією температури вузли ґрат (атоми) коливаються. Самі електрони теж рухаються не прямою, а заплутаною траєкторією. При цьому часто стикаються з атомами, змінюючи траєкторію руху. У деякі моменти часу електрони можуть рухатися у бік, зворотну напрямку електричного струму.

Зі збільшенням температури амплітуда коливань атомів збільшується. Зіткнення електронів з ними відбувається частіше, рух потоку електронів уповільнюється. Фізично це виявляється у збільшенні питомого опору.

Прикладом використання залежності питомого опору від температури є робота лампи розжарювання. Вольфрамова спіраль, з якої зроблена нитка розжарення, в момент включення має мале питоме опір. Кидок струму в момент включення швидко розігріває, питомий опір збільшується, а струм - зменшується, стаючи номінальним.

Той самий процес відбувається і з нагрівальними елементами з ніхрому. Тому і розрахувати їхній робочий режим, визначивши довжину ніхромового дроту відомого перерізу для створення необхідного опору, не виходить. Для розрахунків потрібний питомий опір нагрітого дроту, а у довідниках наведено значення для кімнатної температури. Тому підсумкову довжину спіралі з ніхрому підганяють експериментально. Розрахунками ж визначають зразкову довжину, а при припасуванні потроху вкорочують нитку ділянку за ділянкою.

Температурний коефіцієнт опору

Але не у всіх пристроях наявність залежності питомого опору провідників від температури приносить користь. У вимірювальної техніки зміна опору елементів схеми призводить до появи похибки.

Для кількісного визначення залежності опору матеріалу від температури запроваджено поняття температурного коефіцієнта опору (ТКС). Він показує, наскільки змінюється опір матеріалу за зміни температури на 1°С.

Для виготовлення електронних компонентів – резисторів, які використовуються у схемах вимірювальної апаратури, застосовуються матеріали з низьким ТКС. Вони коштують дорожче, але параметри пристрою не змінюються в широкому діапазоні температур навколишнього середовища.

Але властивості матеріалів із високим ТКС також використовуються. Робота деяких датчиків температури ґрунтується на зміні опору матеріалу, з якого виготовлений вимірювальний елемент. Для цього потрібно підтримувати стабільну напругу живлення та вимірювати струм, що проходить через елемент. Відкалібрувавши шкалу приладу, що вимірює струм, за зразковим термометром, отримують електронний вимірювач температури. Цей принцип використовується як для вимірювань, але й датчиків перегріву. Вимикають пристрій у разі виникнення ненормальних режимів роботи, що призводять до перегріву обмоток трансформаторів або силових напівпровідникових елементів.

Використовуються в електротехніці та елементи, що змінюють свій опір не від температури навколишнього середовища, а від струму через них – терморезистори. Приклад їх використання – системи розмагнічування електронно-променевих трубок телевізорів та моніторів. При подачі напруги опір резистора мінімальний, струм через нього проходить в котушку розмагнічування. Але цей струм нагріває матеріал терморезистора. Його опір збільшується, зменшуючи струм та напругу на котушці. І так – до повного його зникнення. У результаті на котушку подається синусоїдальна напруга з амплітудою, що плавно зменшується, що створює в її просторі таке ж магнітне поле. Результат - до моменту розігріву нитки розжарення трубки вона вже розмагнічена. А схема управління залишається в замкненому стані, доки апарат не вимкнуть. Тоді терморезистори охолонуть і готові до роботи знову.

Явище надпровідності

А що буде, якщо температуру зменшувати? Питомий опір зменшуватиметься. Є межа, до якої зменшується температура, яка називається абсолютним нулем. Це - 273°С. Нижче цієї межі температур немає. У цьому значенні питомий опір будь-якого провідника дорівнює нулю.

При абсолютному нулі атоми кристалічних ґрат перестають коливатися. У результаті електронна хмара рухається між вузлами ґрат, не стикаючись з ними. Опір матеріалу стає рівним нулю, що відкриває можливості для отримання нескінченно великих струмів у провідниках невеликих перерізів.

Явище надпровідності відкриває нові горизонти у розвиток електротехніки. Але поки що існують складнощі, пов'язані з отриманням у побутових умовах наднизьких температур, необхідних створення цього ефекту. Коли проблеми буде вирішено, електротехніка перейде на новий рівень розвитку.

Приклади використання значень питомого опору під час розрахунків

Ми вже познайомилися із принципами розрахунку довжини ніхромового дроту для виготовлення нагрівального елемента. Але є й інші ситуації, коли потрібні знання питомих опорів матеріалів.

Для розрахунку контурів заземлювальних пристроїввикористовуються коефіцієнти, що відповідають типовим ґрунтам. Якщо ж тип грунту на місці пристрою контуру заземлення невідомий, то правильних розрахунків попередньо вимірюють його питомий опір. Так результати розрахунків виявляються точніше, що виключає припасування параметрів контуру при виготовленні: додавання числа електродів, що призводить до збільшення геометричних розмірів заземлювального пристрою.

Питомий опір матеріалів, з яких виготовлені кабельні лінії та шинопроводи, використовується для розрахунків їхнього активного опору. Надалі при номінальному струмі навантаження за його допомогою розраховується величина напруги в кінці лінії. Якщо його величина виявиться недостатньою, то заздалегідь збільшують переріз струмопроводів.

Конвертер довжини і відстані Конвертер маси Конвертер мір об'єму сипких продуктів і продуктів харчування Конвертер площі Конвертер об'єму та одиниць вимірювання в кулінарних рецептах Конвертер температури Конвертер тиску, механічної напруги, модуля Юнга Конвертер енергії та роботи Конвертер сили Конвертер сили Конвертер часу Конвертер ліній теплової ефективності та паливної економічності Конвертер чисел у різних системах числення Конвертер одиниць вимірювання кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічого одягу та взуття Конвертер кутової швидкості та частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискорення Конвертер щільності Конвертер питомого об'єму Конвертер Конвертер крутного моменту Конвертер питомої теплоти згоряння (за масою) Конвертер щільності енергії та питомої теплоти згоряння палива (за обсягом) Конвертер різниці температур Конвертер коефіцієнта енту теплового розширення Конвертер термічного опору Конвертер питомої теплопровідності Конвертер питомої теплоємності Конвертер енергетичної експозиції та потужності теплового випромінювання Конвертер щільності теплового потоку Конвертер коефіцієнта тепловіддачі Конвертер масової витрати Конвертер масової витрати Конвертер концентрації Конвертер абсолютної) в'язкості Конвертер кінематичної в'язкості Конвертер поверхневого натягу Конвертер паропроникності Конвертер щільності потоку водяної пари Конвертер рівня звуку Конвертер чутливості мікрофонів Конвертер рівня звукового тиску (SPL) Конвертер рівня звукового тиску з можливістю вибору опорного тиску Конвертер яскравості Конвертер яскравості Конвертер Конвертер частоти та довжини хвилі Оптична сила в діоптріях та фокусне відстань Оптична сила в діоптріях і збільшення лінзи (×) Конвертер електричного заряду Конвертер лінійної щільності заряду Конвертер поверхневої щільності струму Конвертер електричного струму Конвертер електричного струму Конвертер електричного струму Конвертер питомого електричного опору Конвертер електричної провідності Конвертер питомої електричної провідності Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін. одиницях Конвертер магнітно-рухової сили Конвертер напруженості магнітного поля Конвертер магнітного потоку Конвертер магнітної індукції Радіація. Конвертер потужності поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Конвертер радіоактивного розпаду Радіація. Конвертер експозиційної дози. Конвертер поглиненої дози Конвертер десяткових приставок Передача даних Конвертер одиниць типографіки та обробки зображень Конвертер одиниць вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної маси Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва

1 ом сантиметр [Ом·см] = 0,01 ом метр [Ом·м]

Вихідна величина

Перетворена величина

ом метром сантиметр ом дюйм мікроом сантиметр мікроом дюйм абом сантиметр статом на сантиметр круговий милим на фут ом кв. міліметр на метр

Докладніше про питомий електричний опір

Загальні відомості

Як тільки електрика покинула лабораторії вчених і стала широко впроваджуватися в практику повсякденного життя, постало питання про пошук матеріалів, що володіють певними, часом протилежними, характеристиками щодо протікання через них електричного струму.

Наприклад, при передачі електричної енергії на дальню відстань, до матеріалу проводів пред'являлися вимоги мінімізації втрат через джоулів нагріву в поєднанні з малими ваговими характеристиками. Прикладом є всім знайомі високовольтні лінії електропередач, виконані з алюмінієвих проводів зі сталевим сердечником.

Або, навпаки, для створення компактних трубчастих електронагрівачів були потрібні матеріали з відносно високим електричним опором та високою термостійкістю. Найпростішим прикладом приладу, в якому застосовуються матеріали з подібними властивостями, може бути конфорка звичайної кухонної електроплити.

Від провідників, що використовуються в біології та медицині як електроди, зонди та щупи, потрібна висока хімічна стійкість і сумісність з біоматеріалами у поєднанні з малим контактним опором.

До розробки такого нині звичного приладу, як лампа розжарювання, свої зусилля доклала ціла плеяда винахідників з різних країн: Англії, Росії, Німеччини, Угорщини та США. Томас Едісон, провівши більше тисячі досвідів перевірки властивостей матеріалів, що підходять на роль ниток розжарення, створив лампу з платиновою спіраллю. Лампи Едісона, хоч і мали високий термін експлуатації, але не були практичними через високу вартість вихідного матеріалу.

Наступні роботи російського винахідника Лодигіна, який запропонував використовувати як матеріали нитки щодо дешеві тугоплавкі вольфрам і молібден з більш високим питомим опором, знайшли практичне застосування. До того ж Лодигін запропонував відкачувати з балонів лампи розжарювання повітря, замінюючи його інертними або благородними газами, що призвело до створення сучасних ламп розжарювання. Піонером масового виробництва доступних та довговічних електричних ламп стала компанія General Electric, якій Лодигін переуступив права на свої патенти і надалі успішно працював у лабораторіях компанії довгий час.

Цей перелік можна продовжувати, оскільки допитливий людський розум настільки винахідливий, що часом для вирішення певного технічного завдання йому потрібні матеріали з небаченими досі властивостями або з неймовірними поєднаннями цих властивостей. Природа вже не встигає за нашими апетитами і вчені всіх країн світу долучилися до гонки створення матеріалів, які не мають природних аналогів.

Однією з найважливіших характеристик як природних, і синтезованих матеріалів є питомий електричний опір. Прикладом електричного приладу, в якому в чистому вигляді застосовується ця властивість, може бути плавкий запобіжник, що захищає нашу електро- та електронну апаратуру від впливу струму, що перевищує допустимі значення.

При цьому слід зазначити, що саме саморобні замінники стандартних запобіжників, виконані без знань питомого опору матеріалу, часом спричиняють не тільки вигоряння різних елементів електричних схем, а й виникнення пожеж у будинках та загоряння проводки в автомобілях.

Те саме стосується і заміни запобіжників у силових мережах, коли замість запобіжника меншого номіналу встановлюється запобіжник з великим номіналом струму спрацьовування. Це призводить до перегріву електропроводки і навіть, як наслідок, виникнення пожеж із сумними наслідками. Особливо це притаманне каркасним будинкам.

Історична довідка

Поняття питомого електричного спротиву з'явилося завдяки працям відомого німецького фізика Георга Ома, який теоретично обґрунтував і в ході численних експериментів довів зв'язок між силою струму, електрорушійною силою батареї та опором всіх частин ланцюга, відкривши таким чином закон елементарного електричного ланцюга, названий потім його ім'ям. Ом досліджував залежність величини струму, що протікає, від величини прикладеної напруги, від довжини і форми матеріалу провідника, а також від роду матеріалу, що використовується як провідне середовище.

При цьому треба віддати належне роботам сера Гемфрі Деві, англійського хіміка, фізика та геолога, який першим встановив залежності електричного опору провідника від його довжини та площі поперечного перерізу, а також відзначив залежність електропровідності від температури.

Досліджуючи залежності протікання електричного струму від роду матеріалів, Ом виявив, що кожен доступний йому провідний матеріал мав деяку властиву тільки йому характеристику опору перебігу струму.

Треба зауважити, що в часи Ома один із звичайнісіньких нині провідників - алюміній - мав статус особливо дорогоцінного металу, тому Ом обмежився дослідами з міддю, сріблом, золотом, платиною, цинком, оловом, свинцем та залізом.

Зрештою Ом ввів поняття питомого електричного опору матеріалу як фундаментальної характеристики, абсолютно нічого не знаючи ні про природу перебігу струму в металах, ні про залежність їхнього опору від температури.

Питомий електричний опір. Визначення

Питомий електричний опір або просто питомий опір - фундаментальна фізична характеристика провідного матеріалу, що характеризує здатність речовини перешкоджати пригоді електричного струму. Позначається грецькою літерою ρ (вимовляється як ро) і розраховується, виходячи з емпіричної формули для розрахунку опору, отриманої Георгом Омом.

або, звідси

де R – опір в Омах, S – площа в м²/, L – довжина в м

Розмірність питомого електричного опору у Міжнародній системі одиниць СІ виражається в Ом.

Це опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м²/ величиною 1 Ом.

В електротехніці, для зручності розрахунків, прийнято користуватися похідною величини питомого електричного опору, що виражається в мм мм²/м. Значення питомого опору найбільш поширених металів та його сплавів можна знайти у відповідних довідниках.

У таблицях 1 і 2 наведено значення питомих опорів різних найпоширеніших матеріалів.

Таблиця 1. Питомий опір деяких металів

Таблиця 2. Питомий опір поширених металів

Питомі електричні опори різних середовищ. Фізика явищ

Питомі електричні опори металів та їх сплавів, напівпровідників та діелектриків

Сьогодні, озброєні знаннями, ми можемо заздалегідь прорахувати питомий електричний опір будь-якого, як природного, і синтезованого матеріалу з його хімічного складу і передбачуваного фізичного стану.

Ці знання допомагають нам найкращим чином використати можливості матеріалів, часом дуже екзотичні та унікальні.

У силу сформованих уявлень, з погляду фізики тверді тіла поділяються на кристалічні, полікристалічні та аморфні речовини.

Найпростіше, у сенсі технічного розрахунку питомого опору або його виміру, справа з аморфними речовинами. Вони мають вираженої кристалічної структури (хоч і можуть мати мікроскопічні включення таких речовин), відносно однорідні за хімічним складом і виявляють характерні для даного матеріалу характеристики.

У полікристалічних речовин, утворених сукупністю щодо дрібних кристалів одного хімічного складу, поведінка властивостей не дуже відрізняється від поведінки аморфних речовин, оскільки питомий електричний опір зазвичай визначається як інтегральна сукупна властивість даного зразка матеріалу.

Складніша справа з кристалічними речовинами, особливо з монокристалами, які мають різний питомий електричний опір та інші електричні характеристики щодо осей симетрії їх кристалів. Ця властивість називається анізотропією кристала і широко використовується в техніці, зокрема, радіотехнічних схемах кварцових генераторів, де стабільність частоти визначається саме генерацією частот, властивих даному кристалу кварцу.

Кожен з нас, будучи власником комп'ютера, планшета, мобільного телефону або смартфона, включаючи власників наручного електронного годинника аж до iWatch, одночасно є володарем кристаліка кварцу. Тому можна судити про масштаби використання в електроніці кварцових резонаторів, що обчислюються десятками мільярдів.

Крім іншого, питомий опір багатьох матеріалів, особливо напівпровідників, залежить від температури, тому довідкові дані зазвичай наводяться із зазначенням температури вимірювання, що дорівнює 20 °С.

Унікальні властивості платини, що має постійну і добре вивчену залежність питомого електричного опору від температури, а також можливість отримання високої чистоти металу послужили передумовою створення на її основі датчиків у широкому діапазоні температур.

Для металів розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків та хімічною чистотою металу даного зразка.

Для сплавів сильніший розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків та мінливістю складу металу.

Питомий електричний опір рідин (електролітів)

В основі розуміння питомого опору рідин лежать теорії термічної дисоціації та рухливості катіонів та аніонів. Наприклад, у найпоширенішій рідини Землі – звичайній воді, деяка частина її молекул під впливом температури розпадається на іони: катіони Н+ і аніони ОН– . При подачі зовнішньої напруги на електроди, занурені у воду за звичайних умов, виникає струм, зумовлений переміщенням вищезгаданих іонів. Як з'ясувалося, у воді утворюються цілі асоціації молекул - кластери, які іноді з'єднуються з катіонами Н+ або аніонами ОН–. Тому передача іонів кластерами під впливом електричної напруги відбувається так: приймаючи іон у напрямку прикладеного електричного поля з одного боку, кластер «скидає» аналогічний іон з іншого боку. Наявність у воді кластерів чудово пояснює той науковий факт, що за температури близько 4 °C вода має найбільшу щільність. Більшість молекул води при цьому знаходиться в кластерах через дію водневих і ковалентних зв'язків, практично в квазікристалічному стані; термодисоціація при цьому мінімальна, а утворення кристалів льоду, який має нижчу щільність (лід плаває у воді), ще не почалося.

В цілому проявляється сильніша залежність питомого опору рідин від температури, тому ця характеристика завжди вимірюється при температурі 293 K, що відповідає температурі 20 °C.

Крім води є велика кількість інших розчинників, здатних створювати катіони і аніони розчинних речовин. Знання та вимірювання питомого опору таких розчинів також має велике практичне значення.

Для водних розчинів солей, кислот і лугів істотну роль визначенні питомого опору розчину грає концентрація розчиненої речовини. Прикладом може бути наступна таблиця, в якій наведено значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин при температурі 18 °С:

Таблиця 3. Значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин за температури 18 °С

Дані таблиць взяті з Короткого фізико-технічного довідника, Том 1 - М.: 1960

Питомий опір ізоляторів

Велике значення у галузях електротехніки, електроніки, радіотехніки та робототехніки відіграє цілий клас різних речовин, що має відносно високий питомий опір. Незалежно від їхнього агрегатного стану, будь він твердий, рідкий або газоподібний, такі речовини називаються ізоляторами. Такі матеріали застосовуються для ізолювання окремих елементів електричних схем друг від друга.

Прикладом твердих ізоляторів може бути всім знайома гнучка ізолента, завдяки якій ми відновлюємо ізоляцію при з'єднанні різних дротів. Багатьом знайомі фарфорові ізолятори підвіски повітряних ліній електропередач, текстолітові плати з електронними компонентами, що входять до складу більшості виробів електронної техніки, кераміка, скло та багато інших матеріалів. Сучасні тверді ізоляційні матеріали на базі пластмас та еластомерів роблять безпечним використання електричного струму різних напруг у найрізноманітніших пристроях та приладах.

Крім твердих ізоляторів, широке застосування в електротехніці знаходять рідкі ізолятори з високим питомим опором. У силових трансформаторах електромереж рідка трансформаторна олія запобігає міжвитковим пробоїм через ЕРС самоіндукції, надійно ізолюючи витки обмоток. У масляних вимикачах олія використовується для гасіння електричної дуги, що виникає при перемиканні джерел струму. Конденсаторна олія використовується для створення компактних конденсаторів із високими електричними характеристиками; крім цих масел як рідкі ізолятори використовуються природне касторове масло і синтетичні масла.

При нормальному атмосферному тиску всі гази та їх суміші є з погляду електротехніки відмінними ізоляторами, але благородні гази (ксенон, аргон, неон, криптон) через їх інертність мають більш високий питомий опір, що широко використовується в деяких областях техніки.

Але найпоширенішим ізолятором служить повітря, що в основному складається з молекулярного азоту (75% за масою), молекулярного кисню (23,15% за масою), аргону (1,3% за масою), вуглекислого газу, водню, води та деякої домішки. різних шляхетних газів. Він ізолює протікання струму у звичайних побутових вимикачах світла, перемикачах струму на основі реле, магнітних пускачах та механічних рубильниках. Необхідно відзначити, що зниження тиску газів або їх сумішей нижче атмосферного призводить до зростання їх питомого електричного опору. Ідеальним ізолятором у сенсі є вакуум.

Питомий електричний опір різних ґрунтів

Одним із найважливіших способів захисту людини від вражаючої дії електричного струму при аваріях електроустановок є влаштування захисного заземлення.

Воно є навмисним з'єднанням кожуха або корпусу електропристроїв із захисним заземлюючим пристроєм. Зазвичай заземлення виконується у вигляді закопаних у землю на глибину більше 2,5 метра сталевих або мідних смуг, труб, стрижнів або куточків, які у разі аварії забезпечують протікання струму по контуру. Опір цього контуру має бути не більше 4 Ом. У цьому випадку напруга на корпусі аварійного пристрою знижується до безпечного для людини величин, а автоматичні пристрої захисту електричного кола тим чи іншим способом виключають аварійний пристрій.

При розрахунку елементів захисного заземлення істотну роль грає знання питомого опору ґрунтів, що може змінюватись у широких межах.

Відповідно до даних довідкових таблиць, вибирається площа заземлювального пристрою, по ній обчислюється кількість заземлювальних елементів і власне конструкція всього пристрою. З'єднання елементів конструкції захисного заземлення проводиться зварюванням.

Електротомографія

Електророзвідка вивчає приповерхневе геологічне середовище, застосовується для пошуку рудних та нерудних корисних копалин та інших об'єктів на основі дослідження різних штучних електричних та електромагнітних полів. Приватним випадком електророзвідки є електротомографії (Electrical Resistivity Tomography) - метод визначення властивостей гірських порід з їхнього питомого опору.

Суть методу у тому, що з певному становищі джерела електричного поля проводяться виміри напруги різних зондах, потім джерело поля переміщають інше місце чи переключають інше джерело і повторюють виміри. Джерела поля та зонди-приймачі поля розміщують на поверхні та у свердловинах.

Потім отримані дані обробляються та інтерпретуються за допомогою сучасних комп'ютерних методів обробки, що дозволяють візуалізувати інформацію у вигляді двовимірних та тривимірних зображень.

Будучи дуже точним шляхом пошуку, електротомографія надає неоціненну допомогу геологам, археологам і палеозоологам.

Визначення форми залягання родовищ корисних копалин та меж їх поширення (оконтурювання) дозволяє виявити залягання жильних покладів корисних копалин, що суттєво знижує витрати на їх подальшу розробку.

Археологам цей метод пошуку дає цінну інформацію про розташування стародавніх поховань та наявність у них артефактів, тим самим скорочуючи витрати на розкопки.

Палеозоологи за допомогою електротомографії шукають скам'янілі залишки стародавніх тварин; результати їх робіт можна побачити в музеях природничих наук у вигляді вражаючих уяву реконструкцій скелетів доісторичної мегафауни.

Крім того, електротомографія застосовується при зведенні та при подальшій експлуатації інженерних споруд: висотних будівель, гребель, гребель, насипів та інших.

Визначення питомого опору практично

Іноді для вирішення практичних завдань перед нами може стати завдання визначення складу речовини, наприклад, дроту для різака пінополістиролу. Маємо два мотки дроту відповідного діаметра з різних невідомих нам матеріалів. Для вирішення задачі необхідно знайти їх питомий електричний опір і далі за різницею знайдених значень або по довідковій таблиці визначити матеріал дроту.

Відміряємо рулеткою і відріжемо по 2 метри дроту від кожного зразка. Визначимо діаметри дротів d₁ та d₂ мікрометром. Увімкнувши мультиметр на нижню межу вимірювання опорів, вимірюємо опір зразка R₁. Повторюємо процедуру іншого зразка і також вимірюємо його опір R₂.

Врахуємо, що площа поперечного перерізу дротів розраховується за формулою

S = π · d 2 /4

Тепер формула для розрахунку питомого електричного опору буде виглядати так

ρ = R · π · d 2 /4 · L

Підставляючи отримані значення L, d₁ та R₁ у формулу для розрахунку питомого опору, наведену у статті вище, обчислюємо значення ρ₁ для першого зразка.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Підставляючи отримані значення L, d₂ та R₂ у формулу, обчислюємо значення ρ₂ для другого зразка.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

З порівняння значень ρ₁ і ρ₂ з довідковими даними наведеної вище Таблиці 2, робимо висновок, що матеріалом першого зразка є сталь, а другого - ніхром, з якого і виготовимо струну різака.

Ви вагаєтесь у перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові допомогти вам. Опублікуйте питання у TCTermsі протягом кількох хвилин ви отримаєте відповідь.