От чего зависит сопротивление проводника

В радиотехнике есть такое понятие, как электрическое сопротивление. Но что это такое, от чего зависит сопротивление проводника? Чтобы разобраться в таком непростом вопросе, следует сначала окунуться в область химии, а точнее, в строение атома. Именно там можно понять, что мешает электрическому току свободно перемещаться по электрической цепи.

Понятие электрического сопротивления

Любое вещество состоит из молекул, а те, в свою очередь, из атомов. Атом представляет собой ядро, вокруг которого вращаются электроны. Те электроны, которые находятся на внешней оболочке, меньше притягиваются ядром, чем те, что расположены ближе к нему.

Кроме того, чем больше электронов находится на одной орбитали, тем сильнее взаимное притяжение. Металлы на своих внешних орбиталях имеют мало электронов, поэтому они могут отрываться от своего атома и дрейфовать по материалу.

Чтобы электроны двигались в одном направлении и совершали работу, к концам проводника прикладывается некое электрическое поле. После чего электроны начинают двигаться в одном направлении, если это однонаправленный ток, либо поочередно меняя направление в случае с переменным током. Вот здесь и начинается самое интересное. Рассмотрим однонаправленный ток, как более простую схему.

Для опыта потребуется:

  • источник питания, напряжение можно выбрать в пределах 1-1,5 В, лучше взять аккумулятор или батарейку для более точного эксперимента;
  • резистор на сопротивление 5 Ом, можно и другое значение, но не меньше 2 Ом, чтобы не перегружать питание;
  • амперметр или мультиметр, способный измерять ток до 5А;
  • любую катушку (намотанный на каркас медный или алюминиевый провод).

Собираем электрическую цепь, включая последовательно:

  • клемма источника питания (полярность не имеет значения);
  • резистор;
  • щуп прибора (здесь важно соблюсти полярность подключения);
  • вторая клемма источника питания.

Удобнее один вывод резистора припаять к клемме источника питания, а щупами прибора только касаться вывода резистора и питания. Настраиваем прибор и производим измерение тока, записываем показания. Далее подключаем к резистору катушку.

Также один вывод катушки лучше припаять к свободному выводу резистора. Снова производим измерение тока. Сравнив показания, увидим, что они отличаются.

Как известно, катушка имеет индуктивное сопротивление только на переменном токе, вот почему в качестве источника питания лучше брать постоянный (не выпрямленный!) ток. Почему при подключении катушки ток уменьшился?

Ответ один – увеличилось электрическое сопротивление. По определению электрическое сопротивление – это противодействие материала прохождению через него электрического тока. Рассмотрим, от чего зависит сопротивление проводника?

Чем вызвано электрическое сопротивление

Перед этим мы разобрали, как появляется электрический ток, сейчас попробуем понять, от чего зависит электрическое сопротивление. Проводник – это провод, выполненный из однородного материала.

Для передачи электроэнергии от электростанций до потребителя и разводки сети по дому используют медь и алюминий. Однако при выплавке этих металлов в них обязательно присутствуют примеси, иначе стоили бы такие провода намного дороже, так как очистка требует дополнительных затрат.

Что происходит, когда на пути электрона встречается такая примесь? Это инородное тело представляет для электрона препятствие. Это как на дороге попадаются большие выемки, заставляющие водителей объезжать их. Электроны делать этого не могут, поэтому они врезаются в них и меняют свою траекторию, мешая, в свою очередь, другим электронам.

Кроме того, в самом материале встречаются механические дефекты, которые также увеличивают сопротивление проводника. Сами молекулярные решетки в силу своих особенностей или внешних факторов могут иметь повреждения, что также уменьшает скорость движения электронов.

Это лишь некоторые причины, вызывающие электрическое сопротивление. Однако для проводов существуют дополнительные условия, увеличивающие либо уменьшающие его сопротивление.

Зависимость электрического сопротивления

Трудность определения сопротивления проводника определяется не только его материалом. Провода и кабели эксплуатируются в различных условиях, они имеют различные геометрические размеры и длину. Если все это учесть, то можно составить список зависимости сопротивления проводника:

  • площадь поперечного сечения;
  • длина;
  • температура проводника.

Зависимость электрического сопротивления

Даже незначительное изменение одного из условий может значительно сказаться на общем сопротивлении. Разберем каждое из них подробнее.

Сечение

Провода, как правило, имеют круглую форму, хотя в кабелях могут применяться жилы полукруглые и секторные. Чтобы определить сечение провода, необходимо узнать площадь его поперечного среза – торца.

Если это круг, можно воспользоваться формулой S= π×R2, или S=π/4×D2. Где π – отношение длины окружности к ее диаметру, равное примерно 3,14; r – радиус; D – диаметр провода. Если провод имеет форму другой фигуры, определяют сечение по соответствующей формуле.

Почему важно знать сечение провода, кабеля? В зависимости от того, какое сечение имеет проводник, будет зависеть какой ток можно через него пропустить. Это примерно как ширина дороги влияет на пропускную способность машин. Чем шире дорога, тем больше машин могут по ней проехать.

А что произойдет, если пустить больший ток, чем тот, на который рассчитан провод? Электроны не машины, поэтому они смогут и в более тесной компании двигаться по проводу. Однако чрезмерное увеличение плотности тока приведет к тому, что он начнет греться, а это приведет к оплавлению изоляции и замыканию. Снова войдем в мир молекул и посмотрим, что там будет происходить.

Как уже было сказано, материал имеет различные дефекты, уменьшающие проводимость токопровода. Кроме того, чем больше электронов находится на одном отрезке, тем сильнее они мешают друг другу, наталкиваясь не только на препятствия, но и друг на друга. Поэтому существуют таблицы, регламентирующие токовую нагрузку в зависимости от сечения проводника.

Длина проводника

Второе, от чего зависит сопротивление проводника, это его длина. Это и понятно, чем длиннее проводник, тем больший путь необходимо проделать электронам. Но, кроме протяженности, встречаются и другие препятствия, увеличивающие сопротивление проводника. Главной причиной является соединение. Есть несколько способов соединения, для этого могут использоваться:

  • скрутка;
  • болт;
  • плашка;
  • зажим;
  • пайка, сварка.

Скрутка редко используется, но имеет место на существование. При этом способе оба провода обвиваются один вокруг другого. В многопроволочных алюминиевых проводах каждая жила обвивается вокруг другого провода и скрутка получается нисходящая. При болтовом соединении провода зажимаются между болтом и гайкой. При этом если провода изготовлены из разного материала, между ними ставится шайба.

Плашки имеют две выемки, в которые закладываются провода. Состоят они из двух половинок, которые зажимаются болтом. Также производители выпускают различные зажимы, позволяющие быстро и надежно закрепить провод. Некоторые дают возможность впоследствии освобождать провод, другие нет.

Любое такое соединение имеет существенный недостаток – нарушение контакта. Из-за этого сопротивление соединения резко увеличивается. Поэтому пайка и сварка более предпочтительны, но и более трудоемки.

Температура проводника

И последняя основная причина, от чего зависит электрическое сопротивление – изменение температуры. Почему температура оказывает влияние на проводник? Металлы, проводящие электрический ток, состоят из кристаллических решеток.

То есть атомы расположены не в одной плоскости, а располагаются объемно. При максимально низких температурах они как бы заморожены, оставаясь на одном месте. Электроны, пролетающие мимо, свободно лавируют между ними, практически не встречая никакого сопротивления.

от чего зависит сопротивление проводника

зависимость сопротивления проводника от температуры

Но что происходит, когда температура поднимается? Устойчивость решетки нарушается, атомы начинают раскачиваться, вставая на пути электронов.

Хотя скорость электронов и небольшая, всего несколько миллиметров в секунду, но из-за малого размера атомов на этом отрезке достаточно много, что сказывается на сопротивлении проводника. Однако когда температура металла становится близка к плавлению, электропроводность резко возрастает.

Интересно. В отличие от металлов у полупроводников наблюдается обратная зависимость: при увеличении температуры сопротивление уменьшается.

Расчёт сопротивления проводника - формула

Каждый радиоэлектронный элемент имеет свое сопротивление, которое легко можно измерить с помощью приборов. Но как измерить сопротивление линии, если ее протяженность составляет десятки, а то и сотни или даже тысячи километров?

Для этого вводится такое понятие, как удельное сопротивление. Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 метр и с площадью поперечного сечения 1м2. Также может применяться устаревшая единица, где площадь сечения составляет 1 мм2. Значение удельного сопротивления можно узнать из таблиц.

удельное сопротивление материалов

Чтобы произвести расчет сопротивления проводника, применяют формулу: R=ρ×L/S. Где R – сопротивление в Ом; ρ – удельное сопротивление материала, Ом×м; L – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения.

формула расчета сопротивления

При этом стоит помнить, что эта формула предполагает применение однородного материала как по составу, так и по геометрическим показателям.

Похожие материалы на сайте: