Później ustalono, że odporność wykresu zależy od jego cech geometrycznych w następujący sposób: R = ρl / S,
gdzie l jest długością przewodu, S jest obszarem jego przekroju poprzecznego, a ρ jest pewnym współczynnikiem proporcjonalności.
Zatem rezystancja jest określona przez geometrię przewodnika, jak również przez parametr, taki jak rezystywność (dalej określana, C.), ten współczynnik nazywa się tak. Jeśli weźmiesz dwa przewody o tym samym przekroju i długości i po kolei wprowadzisz je do obwodu, wówczas, mierząc aktualną siłę i opór, zobaczysz, że w dwóch przypadkach liczby te będą różne. Zatem rezystywność elektryczna jest cechą materiału, z którego wykonany jest przewodnik, a jeszcze dokładniej, substancji.
Przewodność i opór
Ws pokazuje zdolność substancji do zapobiegania przepływowi prądu. Ale w fizyce występuje również wzajemność - przewodność. Pokazuje zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. Wygląda to tak:
σ = 1 / ρ, gdzie ρ jest rezystywnością substancji.
Jeśli mówimy o przewodności, to zależy od charakterystyki nośników ładunku w tej substancji. Tak więc w metalach istnieją wolne elektrony. Na zewnętrznej powłoce jest ich nie więcej niż trzy i bardziej opłaca się atomowi „oddać je”, co zdarza się podczas reakcji chemicznych z substancjami z prawej strony układu okresowego. W sytuacji, gdy mamy czysty metal, ma on strukturę krystaliczną, w której te zewnętrzne elektrony są powszechne. Niosą ładunek, jeśli do metalu zostanie przyłożone pole elektryczne.
W roztworach nośnikami ładunku są jony.
Jeśli mówimy o substancjach, takich jak krzem, to po jego właściwościach jest to półprzewodnik i działa nieco inaczej, ale o tym później. Na razie zrozumiemy, że takie klasy substancji różnią się, jak:
- Przewodniki;
- Półprzewodniki;
- Dielektryki.
Przewodniki i dielektryki
Istnieją substancje, które prawie nie przewodzą prądu. Nazywa się je dielektrykami. Takie substancje są zdolne do polaryzacji w polu elektrycznym, to znaczy, że ich cząsteczki mogą obracać się w tym polu w zależności od tego, w jaki sposób rozmieszczone są w nich elektrony . Ale ponieważ te elektrony nie są wolne, ale służą do wiązania między atomami, nie przewodzą prądu.
Przewodność dielektryków jest prawie zerowa, chociaż nie ma wśród nich idealnych (jest to ta sama abstrakcja, co ciało czarne lub gaz idealny).
Warunkowa granica pojęcia „przewodnik” to ρ <10 -5 omów, a dolny próg dielektryka to 10 8 omów.
Pomiędzy tymi dwiema klasami występują substancje zwane półprzewodnikami. Ale ich izolacja w oddzielnej grupie substancji jest związana nie tyle z ich stanem pośrednim w linii „odporność na przewodnictwo”, co z osobliwościami tej przewodności w różnych warunkach.
Zależność od czynników środowiskowych
Przewodnictwo nie jest całkiem stałe. Dane w tabelach, z których ρ jest pobierane do obliczeń, istnieją dla normalnych warunków środowiskowych, to jest dla temperatury 20 stopni. W rzeczywistości trudno jest znaleźć takie idealne warunki do działania obwodu; właściwie ws (a zatem przewodność) zależy od następujących czynników:
- temperatura;
- ciśnienie;
- obecność pól magnetycznych;
- światło;
- stan agregacyjny.
Różne substancje mają swój własny harmonogram zmiany tego parametru w różnych warunkach. Zatem ferromagnetyki (żelazo i nikiel) zwiększają go, gdy kierunek prądu pokrywa się z kierunkiem linii pola magnetycznego. Jeśli chodzi o temperaturę, zależność tutaj jest prawie liniowa (istnieje nawet pojęcie współczynnika temperaturowego oporu, a to jest również wartość tabelaryczna). Ale kierunek tej zależności jest inny: dla metali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a dla pierwiastków ziem rzadkich i roztworów elektrolitów wzrasta - i to w tym samym stanie agregacyjnym.
W półprzewodnikach zależność od temperatury nie jest liniowa, ale hiperboliczna i odwrotna: wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ich przewodność. To jakościowo odróżnia przewodniki od półprzewodników. Oto zależność ρ od temperatury przewodników:
Oto rezystywność miedzi, platyny i żelaza. Niektóre metale mają nieco inny wykres, na przykład rtęć - gdy temperatura spada do 4 K, traci ona prawie całkowicie (zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem).
A dla półprzewodników ta zależność będzie wyglądać mniej więcej tak:
Podczas przejścia do stanu ciekłego, ρ metalu wzrasta, ale potem wszystkie zachowują się inaczej. Na przykład w stopionym bizmucie jest niższy niż w temperaturze pokojowej, aw miedzi jest 10 razy wyższy niż normalnie. Nikiel opuszcza wykres liniowy przy 400 stopniach, po czym ρ spada.
Jednak zależność od temperatury wolframu jest tak wysoka, że powoduje wypalenie się żarówek. Po włączeniu prąd ogrzewa spiralę, a jej opór zwiększa się kilka razy.
Też mam. c. stopy zależą od technologii ich produkcji. Tak więc, jeśli mamy do czynienia z prostą mieszanką mechaniczną, to odporność takiej substancji można obliczyć na podstawie średniej, ale stop zastępczy (to znaczy, gdy dwa lub więcej elementów jest umieszczonych w jednej sieci krystalicznej) będzie z reguły znacznie większy. Na przykład, nichrom, z którego powstają spirale dla pieców elektrycznych, ma taką wartość tego parametru, że po podłączeniu do obwodu, przewód ten nagrzewa się do zaczerwienienia (dlatego właśnie jest używany).
Oto charakterystyczny ρ stali węglowej:
Jak widać, gdy zbliża się do temperatury topnienia, stabilizuje się.
Rezystywność różnych przewodników
Tak czy inaczej, w obliczeniach ρ jest używane w normalnych warunkach. Podajemy tabelę, dzięki której można porównać tę charakterystykę z różnymi metalami:
| metal | rezystywność, Ohm · m | współczynnik temperaturowy, 1 / ° С * 10 -3 |
| miedź | 1, 68 * 10 -8 | 3.9 |
| aluminium | 2, 82 * 10 -8 | 3.9 |
| żelazo | 1 * 10 -7 | 5 |
| srebrny | 1, 59 * 10 -8 | 3.8 |
| złoto | 2, 44 * 10 -8 | 3.4 |
| magnez | 4, 4 * 10 -8 | 3.9 |
| cyna | 1, 09 * 10 -7 | 4.5 |
| prowadzić | 2, 2 * 10 -7 | 3.9 |
| cynk | 5, 9 * 10 -8 | 3.7 |
Jak pokazuje tabela, najlepszym przewodnikiem jest srebro. I tylko jego koszt uniemożliwia masowe zastosowanie go w produkcji kabli. Ws Aluminium jest również małe, ale mniej niż złoto. Z tabeli staje się jasne, dlaczego okablowanie w domach jest miedziane lub aluminiowe.
Tabela nie zawiera niklu, który, jak powiedzieliśmy, ma nieco nietypowy wykres zależności y. c. na temperaturę. Rezystywność niklu po wzroście do 400 stopni nie zaczyna rosnąć, ale spada. Co ciekawe, zachowuje się w innych stopach zastępczych. Tak zachowuje się stop miedzi i niklu, w zależności od procentu tych dwóch:
Ten interesujący wykres pokazuje odporność stopów cynkowo-magnezowych:
Jako materiały do produkcji reostatów należy stosować stopy o wysokiej wytrzymałości, oto ich cechy:
| stop | oporność |
| manganina | 4, 82 * 10 -7 |
| stałej | 4, 9 * 10 -7 |
| nichrom | 1, 1 * 10 -6 |
| fechral | 1, 2 * 10 -6 |
| chromal | 1, 2 * 10 -6 |
Są to złożone stopy składające się z żelaza, aluminium, chromu, manganu i niklu.
W przypadku stali węglowych wynosi ona około 1, 7 * 10 -7 Ohm · m.
Różnica między y. c. różne przewodniki określają ich zastosowanie. Tak więc miedź i aluminium są szeroko stosowane w produkcji kabli, a złoto i srebro - jako kontakty w wielu produktach radiotechnicznych. Przewodniki o wysokiej odporności znalazły swoje miejsce wśród producentów urządzeń elektrycznych (dokładniej, zostały do tego stworzone).
Zmienność tego parametru w zależności od warunków środowiskowych stanowiła podstawę takich urządzeń, jak czujniki pola magnetycznego, termistory, tensometry, fotorezystory.