Файл: Электричество и магнетизм.doc

4. Электрическое сопротивление и проводимость.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами и атомами, из которого состоит проводник, и передают им часть своей энергии, т.е. преодолевают некоторое сопротивление движению. В результате столкновения энергия выделяется и рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Принято считать, что проводники обладают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник нагревается значительно.

За единицу сопротивления принят Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах, равной 1 В.

Проводник характеризуется не только его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — способностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости называется Сименсом (См) и обозначается буквой G.

G=1/R

Удельное электрическое сопротивление. Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. Способность веществ проводить электрический ток характеризуется их удельным электрическим сопротивлением ρ. Для проводников в виде проводов, шин или лент единицей измерения принята Ом·мм²/м (сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм²).

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь. В тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.) применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль.

Сопротивление прямолинейного проводника:

R= ρl/s

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании.

Наименование материала	Удельное сопротивление ρпри 20 ºС, Ом·мм2/м	Температурный коэффициент сопротивления α, 1 /ºС
Серебро	0,016	0,0035
Медь техническая	0,0172—0,0182	0,0041
Алюминий	0,0295	0,0040
Сталь	0,125—0,146	0,0057
Манганин*	0,40—0,52	0,00003
Константан*	0,44	0,00005
Нихром **	1,02—1,12	0,0001
Фехраль**	1,18—1,47	0,0008

* - сплавы для резисторов и измерительных приборов;

** - сплавы для электронагревательных приборов и реостатов.

Пример. Определить сопротивление контактного рельса длиной 1,5 км и площадью поперечного сечения 6 000 мм². Удельное электрическое сопротивление стали контактного рельса 0,12 Ом м/мм² при 15°.

Решение. По формуле R= ρl/s получаем:

R = 0,12·1500/6000 = 0,3 Ом.

Зависимость сопротивления от температуры. Электропроводность материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании амплитуда и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов.

В технике применяются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и другие, у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало.

О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по температурному коэффициенту сопротивления α. Он представляет собой приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В таблице приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника R_t при любой температуре t₁

R_t = R₀ [ 1 + α (t₁ – t₀ )];

где: - R₀ - сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t₀ (обычно при +20 °С);

(t₁ – t₀) - изменение температуры.

5. Электродвижущая сила и напряжение источника электрической энергии.

При соединении проводником двух разноименно заряженных тела и б ( рис.7,а), т. е. таких тел, между которыми действует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соединительном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по проводнику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными. Для того чтобы обеспечить непрерывное движение электронов по проводнику, необходимо возвращать электроны обратно на отрицательно заряженное тело, или, другими словами, поддерживать постоянными заряды этих тел. Это означает, что для прохождения постоянного тока по металлическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов. Для этого проводник надо подключить к источнику электрической энергии и создать замкнутую электрическую цепь (рис. 7,б).

В проводнике положительные заряды движутся от положительного зажима источника электрической энергии к отрицательному. Но внутри источника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с высшим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благодаря электродвижущей силе (э. д. с.), которая возбуждается в источнике. Э. д. с. (обозначается буквой Е) поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии. Эта разность потенциалов определяет собой напряжение источника электрической энергии

Э. д. с. и напряжение источника тесно связаны друг с другом. Если в источнике не возбуждается э. д. с., то будет отсутствовать и напряжение на его зажимах.

Следует отметить, что э. д. с. и напряжение источника могут существовать независимо от наличия тока в цепи. Если электрическая цепь постоянного тока разомкнута, то ток по цепи не проходит, но при работающем генераторе или аккумуляторе в них возбуждается э. д. с. и между их зажимами действует напряжение.

За единицу э. д. с., также как и напряжения, принят Вольт. В разных источниках электрической энергии э. д. с. возникает по различным физическим причинам. Например, в электрических генераторах э. д. с. получается в результате электромагнитной индукции, в химических источниках тока (аккумуляторах, гальванических элементах) — вследствие электрохимических реакций.

6. Электрическая цепь и ее элементы.

Электрическую цепь (рис. 8, а) образуют источники электрической энергии 1, ее приемники 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электрических установок (рубильники, переключатели и др.), электроизмерительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные устройства (предохранители, автоматические выключатели).

Вкачестве источников электрической энергии применяют главным образом, электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электролитические ванны и др.

Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электрической энергии, соединительных проводов и различных вспомогательных устройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутренняя цепь,— это сам источник.

Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах реальных электрических устройств отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответствии с государственными стандартами.

Направления тока, напряжения и э. д. с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой I, направленной от положительного зажима источника электрической энергии к отрицательному его зажиму (см. рис. 8, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Положительное направление напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка U направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Положительное направление э. д. с. совпадает с положительным направлением тока внутри источника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).