+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Электрическое сопротивление проводника. Электрическая проводимость

  

Всякое тело оказывает прохождению электрического тока определенное противодействие. Например, при движении электронов по проводнику они будут сталкиваться с атомами и молекулами вещества, отдавая, им часть своей энергии. Чем больше таких столкновений, тем больше величина противодействия, оказываемого телом движению электрона, и, следовательно, тем меньше ток в проводнике.

Определение: Свойство проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением, или сопротивлением..

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.

За единицу сопротивления принят ом (сокращенно обозначается Ом или Ω).

Сопротивление проводника равно одному ому, если при напряжении на его концах в один вольт в нем устанавливается ток в один ампер.

В практике сопротивления часто измеряются в килоомах (сокращенно обозначается кОм или кΩ) и мегомах (сокращенно— МОм или МΩ).

1 кОм = 1000 Ом;

1 МОм = 1000 кОм = 1 000 000 Ом.

Для характеристики электрических свойств проводников часто используется величина, обратная сопротивлению, называемая проводимостью.

Определение: Электрической проводимостью (или проводимостью) называется способность вещества пропускать через себя электрический ток.

Чем больше сопротивление проводника, тем меньше его проводимость, и наоборот. Проводимость обозначается латинской буквой G. За единицу проводимости принята проводимость проводника с сопротивлением в 1 ом. Эта единица называется сименс (сим).

Понятия сопротивления и проводимости имеют очень большое значение в электротехнике. Если вещество обладает небольшим сопротивлением (большой проводимостью), то оно называется

проводником электрического тока, или проводником. К проводникам относятся большинство металлов (серебро, медь, алюминий, железо, никель, свинец, ртуть), а также сплавы металлов, морская вода, растворы солей и кислот и т. д. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро и медь (обладают наилучшей проводимостью). Проводники используются для соединения отдельных элементов электрических схем.

Но есть вещества, которые очень плохо проводят электрический ток, т. е. имеют очень большое сопротивление. Такие вещества называются непроводниками электрического тока, или изоляторами. К изоляторам относятся фарфор, стекло, шерсть, смола, резина, эбонит, слюда, воск, парафин и т. д. Изоляторы широко применяются в электротехнике. Без них нельзя осуществить ни одной электрической цепи.

Следует помнить, что обычно сопротивление изолятора больше сопротивления проводника в несколько миллионов раз.

Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют так называемые полупроводники электрического тока. Их проводимость больше, чем изоляторов, но меньше, чем проводников. К полупроводникам относятся: германий, кремний, селен, теллур, многие окислы, карбиды, сульфиды, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) и т. д.

Характерная особенность полупроводников состоит в том, что их сопротивление в широких пределах изменяется под действием света, электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения и от посторонних примесей.

Из некоторых полупроводников изготовляются термисторы (резисторы, величина которых резко изменяется с изменением температуры) и фоторезисторы (величина их сопротивления зависит от освещенности) .

Полупроводники применяются для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных схем. 

Возможность использования полупроводников для усиления и генерации колебаний была открыта в 1922 г. сотрудником Нижегородской радиолаборатории имени В. И. Ленина радиолюбителем О. В. Лосевым, который назвал изобретенный им прибор кристадином.

 

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Электрическое сопротивление и проводимость — Electrical resistance and conductance

Противодействие прохождению электрического тока

В электронике и электромагнетизма , то электрическое сопротивление объекта является мерой его оппозиции к потоку электрического тока . Обратная величина электрическая проводимость , и это легкость, с которой проходит электрический ток. Электрическое сопротивление имеет некоторые концептуальные параллели с понятием механического трения . СИ Единица измерения электрического сопротивления в Оме ( Ом ), то время как электрическая проводимость измеряется в сименсах (S) (прежнее название «мксит» ы а затем представлены ℧ ).

Сопротивление объекта во многом зависит от материала, из которого он сделан. Объекты, изготовленные из электрических изоляторов, таких как резина, обычно имеют очень высокое сопротивление и низкую проводимость, в то время как объекты, сделанные из электрических проводников, таких как металлы, имеют очень низкое сопротивление и высокую проводимость. Это соотношение количественно выражается удельным сопротивлением или проводимостью . Однако природа материала — не единственный фактор сопротивления и проводимости; это также зависит от размера и формы объекта, потому что эти свойства скорее экстенсивные, чем интенсивные . Например, сопротивление проволоки выше, если она длинная и тонкая, и ниже, если она короткая и толстая. Все объекты сопротивляются электрическому току, кроме сверхпроводников , сопротивление которых равно нулю.

Сопротивление R объекта определяется как отношение напряжения V на нем к току I через него, а проводимость G обратно пропорциональна :

р знак равно V я , грамм знак равно я V знак равно 1 р {\ displaystyle R = {V \ over I}, \ qquad G = {I \ over V} = {\ frac {1} {R}}}

Для самых разных материалов и условий V и I прямо пропорциональны друг другу, поэтому R и G являются константами (хотя они будут зависеть от размера и формы объекта, материала, из которого он сделан, и других факторов. как температура или напряжение ). Эта пропорциональность называется законом Ома , а материалы, которые ему удовлетворяют, называются омическими материалами.

В других случаях, таких как трансформатор , диод или батарея , V и I не прямо пропорциональны. Соотношение V / я иногда по-прежнему полезен и называется сопротивлением хорды или статическим сопротивлением

, поскольку соответствует обратному наклону хорды между началом координат и кривой ВАХ . В других ситуациях производная может быть наиболее полезной; это называется дифференциальным сопротивлением . d V d я {\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} \, V} {\ mathrm {d} \, I}} \, \!}

Вступление

Гидравлическая аналогия сравнивает электрический ток , протекающий через схемы для воды , протекающей через трубу. Когда труба (слева) заполнена волосами (справа), требуется большее давление для достижения того же потока воды. Проталкивание электрического тока через большое сопротивление похоже на проталкивание воды по трубе, забитой волосами: требуется больший толчок ( электродвижущая сила ), чтобы запустить тот же поток ( электрический ток ).

В гидравлической аналогии ток, протекающий через провод (или резистор ), подобен воде, протекающей по трубе, а падение напряжения на проводе подобно перепаду давления, которое проталкивает воду через трубу. Электропроводность пропорциональна тому, сколько потока возникает при заданном давлении, а сопротивление пропорционально тому, сколько давления требуется для достижения данного потока. (Проводимость и сопротивление взаимны .)

Падение напряжения (то есть, разница между напряжениями на одной стороне резистора и другой), а не напряжение сам по себе, обеспечивает движущую силу , толкающую ток через резистор. В гидравлике это похоже: разница давлений между двумя сторонами трубы, а не само давление определяет поток через нее.

Например, над трубой может быть большое давление воды, которое пытается протолкнуть воду вниз по трубе. Но под трубой может быть такое же большое давление воды, которое пытается протолкнуть воду обратно по трубе. Если эти давления равны, вода не течет. (На изображении справа давление воды под трубой равно нулю.)

Сопротивление и проводимость провода, резистора или другого элемента в основном определяется двумя свойствами:

  • геометрия (форма) и
  • материал

Геометрия важна, потому что по длинной узкой трубе труднее протолкнуть воду, чем по широкой короткой трубе. Точно так же длинный тонкий медный провод имеет более высокое сопротивление (более низкую проводимость), чем короткий толстый медный провод.

Материалы тоже важны. Труба, заполненная волосами, ограничивает поток воды больше, чем чистая труба той же формы и размера. Точно так же электроны могут свободно и легко течь через медную проволоку, но не могут так же легко течь через стальную проволоку той же формы и размера, и они, по сути, вообще не могут проходить через изолятор, такой как резина , независимо от его формы.

Разница между медью, сталью и резиной связана с их микроскопической структурой и электронной конфигурацией и количественно определяется свойством, называемым удельным сопротивлением .

Помимо геометрии и материала, на сопротивление и проводимость влияют различные другие факторы, такие как температура; см. ниже .

Проводники и резисторы

Вещества, в которых может течь электричество, называются проводниками . Кусок проводящего материала с определенным сопротивлением, предназначенный для использования в цепи, называется резистором . Проводники изготовлены из материалов с высокой проводимостью, таких как металлы, в частности, медь и алюминий. С другой стороны, резисторы изготавливаются из самых разных материалов в зависимости от таких факторов, как желаемое сопротивление, количество энергии, которое необходимо рассеять, точность и стоимость.

Закон Ома

Для многих материалов ток I через материал пропорционален приложенному к нему напряжению V :

я ∝ V {\ Displaystyle I \ propto V}

в широком диапазоне напряжений и токов. Следовательно, сопротивление и проводимость объектов или электронных компонентов, изготовленных из этих материалов, постоянны. Это соотношение называется законом Ома , а материалы, которые ему подчиняются, называются

омическими материалами. Примеры омических компонентов — провода и резисторы . График вольт-амперной омического устройства состоит из прямой линии , проходящей через начало координат с положительным наклоном .

Другие компоненты и материалы, используемые в электронике, не подчиняются закону Ома; ток не пропорционален напряжению, поэтому сопротивление зависит от напряжения и тока через них. Их называют нелинейными или неомическими . Примеры включают диоды и люминесцентные лампы . Вольт-амперная кривая безомного устройства представляет собой изогнутую линию.

Связь с удельным сопротивлением и проводимостью

Кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах.

Сопротивление данного объекта зависит в первую очередь от двух факторов: из какого материала он сделан и его формы. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения; например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем идентичный во всем остальном тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный во всем остальном короткий медный провод. Следовательно, сопротивление R и проводимость G проводника равномерного поперечного сечения можно рассчитать как

р знак равно ρ ℓ А , грамм знак равно σ А ℓ . {\ displaystyle {\ begin {align} R & = \ rho {\ frac {\ ell} {A}}, \\ [5pt] G & = \ sigma {\ frac {A} {\ ell}}. \ end {выровнено }}}

где — длина проводника, измеренная в метрах (м), A — площадь поперечного сечения проводника, измеренная в квадратных метрах (м 2 ), σ ( сигма ) — электрическая проводимость, измеренная в сименсах на метр (S · м -1 ), а ρ ( rho ) — удельное электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением ) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и поэтому зависят только от материала, из которого сделан провод, а не от его геометрии. Удельное сопротивление и проводимость являются обратными : . Удельное сопротивление — это мера способности материала противостоять электрическому току. ℓ {\ displaystyle \ ell} ρ знак равно 1 / σ {\ displaystyle \ rho = 1 / \ sigma}

Эта формула не точна, поскольку предполагает, что плотность тока в проводнике полностью однородна, что не всегда верно в практических ситуациях. Однако эта формула по-прежнему дает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.

Другая ситуация, для которой эта формула не точна, — это переменный ток (AC), потому что скин-эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. По этой причине геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором на самом деле протекает ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Точно так же, если два проводника рядом друг с другом пропускают переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффекта близости . На промышленной частоте эти эффекты значительны для больших проводников, по которым проходят большие токи, таких как шины на электрической подстанции , или большие силовые кабели, несущие более нескольких сотен ампер.

Удельное сопротивление различных материалов сильно различается: например, проводимость тефлона примерно в 10–30 раз ниже, чем проводимость меди. Грубо говоря, это происходит потому, что металлы имеют большое количество «делокализованных» электронов, которые не застревают ни в одном месте, поэтому они могут свободно перемещаться на большие расстояния. В изоляторе, таком как тефлон, каждый электрон прочно связан с одной молекулой, поэтому требуется большая сила, чтобы отвести его. Полупроводники находятся между этими двумя крайностями. Более подробную информацию можно найти в статье: Удельное электрическое сопротивление и проводимость . В случае растворов электролитов см. Статью: Электропроводность (электролитическая) .

Удельное сопротивление зависит от температуры. В полупроводниках удельное сопротивление также изменяется под воздействием света. См. Ниже .

Измерение

Прибор для измерения сопротивления называется омметром . Простые омметры не могут точно измерять низкие сопротивления, поскольку сопротивление их измерительных проводов вызывает падение напряжения, которое мешает измерению, поэтому более точные устройства используют четырехконтактное измерение .

Типичные значения

Статическое и дифференциальное сопротивление

Многие электрические элементы, такие как диоды и батареи , не удовлетворяют закону Ома . Они называются неомическими или нелинейными , и их вольт-амперные кривые не являются прямыми линиями, проходящими через начало координат.

Сопротивление и проводимость все еще можно определить для неомических элементов. Однако, в отличие от омического сопротивления, нелинейное сопротивление не является постоянным, а зависит от напряжения или тока, протекающего через устройство; т.е. его рабочая точка . Есть два типа сопротивления:

Статическое сопротивление (также называемое хордальным сопротивлением или сопротивлением постоянному току )
Это соответствует обычному определению сопротивления; напряжение деленное на ток
р s т а т я c знак равно   U   я {\ Displaystyle R _ {\ mathrm {static}} = {\ frac {~ U ~} {I}} \,} .
Это наклон линии ( хорды ) от начала координат до точки на кривой. Статическое сопротивление определяет рассеиваемую мощность в электрическом компоненте. Точки на вольтамперной кривой, расположенные во 2-м или 4-м квадрантах, для которых наклон хордовой линии отрицательный, имеют отрицательное статическое сопротивление . Пассивные устройства, не имеющие источника энергии, не могут иметь отрицательное статическое сопротивление. Однако активные устройства, такие как транзисторы или операционные усилители, могут синтезировать отрицательное статическое сопротивление с обратной связью, и оно используется в некоторых схемах, таких как гираторы .
Дифференциальное сопротивление (также называемое динамическим , инкрементным или малосигнальным сопротивлением )
Дифференциальное сопротивление — это производная напряжения по току; наклон кривой вольт-амперной в точке
р d я ж ж знак равно   d U   d я {\ displaystyle R _ {\ mathrm {diff}} = {\ frac {~ {\ mathrm {d}} \, U ~} {{\ mathrm {d}} \, I}} \,} .
Если вольт-амперная кривая немонотонна (с пиками и впадинами), кривая имеет отрицательный наклон в некоторых областях, поэтому в этих областях устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление . Устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением могут усиливать подаваемый на них сигнал и используются для создания усилителей и генераторов. К ним относятся туннельные диоды , диоды Ганна , IMPATT-диоды , магнетронные лампы и однопереходные транзисторы .

Цепи переменного тока

Импеданс и допуск

Когда через цепь протекает переменный ток, соотношение между током и напряжением на элементе схемы характеризуется не только соотношением их величин, но и разностью их фаз . Например, в идеальном резисторе в момент, когда напряжение достигает своего максимума, ток также достигает своего максимума (ток и напряжение колеблются синфазно). Но для конденсатора или катушки индуктивности максимальный ток протекает, когда напряжение проходит через ноль и наоборот (ток и напряжение колеблются на 90 ° не в фазе, см. Изображение ниже). Комплексные числа используются для отслеживания фазы и величины тока и напряжения:

ты ( т ) знак равно р е ( U 0 ⋅ е j ω т ) , я ( т ) знак равно р е ( я 0 ⋅ е j ( ω т + φ ) ) , Z _ знак равно U _ я _ , Y _ знак равно я _ U _ {\ Displaystyle и (т) = {\ mathfrak {Re}} \ left (U_ {0} \ cdot e ^ {j \ omega t} \ right), \ quad i (t) = {\ mathfrak {Re}} \ left (I_ {0} \ cdot e ^ {j (\ omega t + \ varphi)} \ right), \ quad {\ underline {Z}} = {\ frac {\ underline {U}} {\ underline {I }}}, \ quad {\ underline {Y}} = {\ frac {\ underline {I}} {\ underline {U}}}}

куда:

  • т время,
  • u (t) и i (t) — соответственно напряжение и ток как функция времени,
  • U 0 и I 0 указывают амплитуду напряжения соответствующего тока,
  • ω {\ displaystyle \ omega} — угловая частота переменного тока,
  • φ {\ displaystyle \ varphi} угол смещения,
  • U , I , Z и Y — комплексные числа,
  • Z называется импедансом ,
  • Y называется допуском ,
  • Re указывает на настоящую часть ,
  • j знак равно — 1 {\ displaystyle j = {\ sqrt {-1}}} это мнимая единица .

Импеданс и проводимость могут быть выражены как комплексные числа, которые можно разбить на действительную и мнимую части:

Z _ знак равно р + j Икс , Y _ знак равно грамм + j B {\ displaystyle {\ underline {Z}} = R + jX, \ quad {\ underline {Y}} = G + jB}

где R и G — сопротивление и проводимость соответственно, X — реактивное сопротивление , а B — проводимость . Для идеальных резисторов Z и Y уменьшаются до R и G соответственно, но для сетей переменного тока, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности , X и B отличны от нуля.

Z _ знак равно 1 / Y _ {\ displaystyle {\ underline {Z}} = 1 / {\ underline {Y}}} для цепей переменного тока, как и для цепей постоянного тока. р знак равно 1 / грамм {\ Displaystyle R = 1 / G}

Частотная зависимость

Ключевой особенностью цепей переменного тока является то, что сопротивление и проводимость могут зависеть от частоты, это явление известно как универсальный диэлектрический отклик . Одна из причин, упомянутых выше, — это скин-эффект (и связанный с ним эффект близости ). Другая причина заключается в том, что само сопротивление может зависеть от частоты (см. Модель Друде , ловушки на глубоких уровнях , резонансная частота , соотношения Крамерса – Кронига и т. Д.)

Рассеяние энергии и джоулев нагрев

Резисторы (и другие элементы с сопротивлением) препятствуют прохождению электрического тока; следовательно, для проталкивания тока через сопротивление требуется электрическая энергия. Эта электрическая энергия рассеивается, нагревая при этом резистор. Это называется джоулевым нагревом (в честь Джеймса Прескотта Джоуля ), также называемым омическим нагревом или резистивным нагревом .

Рассеивание электрической энергии часто нежелательно, особенно в случае потерь при передаче в линиях электропередач . Передача высокого напряжения помогает снизить потери за счет уменьшения тока для заданной мощности. {2} R}

где P — мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую, R — сопротивление, а I — ток через резистор.

Зависимость от других условий

Температурная зависимость

Вблизи комнатной температуры удельное сопротивление металлов обычно увеличивается при повышении температуры, тогда как удельное сопротивление полупроводников обычно уменьшается при повышении температуры. Удельное сопротивление изоляторов и электролитов может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от системы. Подробное описание поведения и объяснение см. В разделе Удельное электрическое сопротивление и проводимость .

Как следствие, сопротивление проводов, резисторов и других компонентов часто изменяется с температурой. Этот эффект может быть нежелательным и вызывать сбои в работе электронной схемы при экстремальных температурах. Однако в некоторых случаях эффект находит хорошее применение. Когда термозависимое сопротивление компонента используется целенаправленно, компонент называется термометром сопротивления или термистором . (Термометр сопротивления изготовлен из металла, обычно платины, а термистор — из керамики или полимера.)

Термометры сопротивления и термисторы обычно используются двумя способами. Во-первых, их можно использовать в качестве термометров : измеряя сопротивление, можно определить температуру окружающей среды. Во-вторых, они могут использоваться в сочетании с джоулевым нагревом (также называемым самонагревом): если через резистор проходит большой ток, температура резистора повышается и, следовательно, его сопротивление изменяется. Следовательно, эти компоненты могут использоваться для защиты цепей, как предохранители , или для обратной связи в цепях, или для многих других целей. Как правило, самонагрев может превратить резистор в нелинейный и гистерезисный элемент схемы. Подробнее см. Термистор # Эффекты самонагрева .

Если температура T не меняется слишком сильно, обычно используется линейное приближение :

р ( Т ) знак равно р 0 [ 1 + α ( Т — Т 0 ) ] {\ Displaystyle R (T) = R_ {0} [1+ \ альфа (T-T_ {0})]}

где называется температурным коэффициентом сопротивления , — фиксированная эталонная температура (обычно комнатная температура) и — сопротивление при температуре . Параметр представляет собой эмпирический параметр, подобранный на основе данных измерений. Поскольку линейное приближение — это только приближение, оно отличается для разных эталонных температур. По этой причине принято указывать температуру, которая была измерена при помощи суффикса, например , и соотношение сохраняется только в диапазоне температур вокруг эталона. α {\ displaystyle \ alpha} Т 0 {\ displaystyle T_ {0}} р 0 {\ displaystyle R_ {0}} Т 0 {\ displaystyle T_ {0}} α {\ displaystyle \ alpha} α {\ displaystyle \ alpha} α {\ displaystyle \ alpha} α 15 {\ displaystyle \ alpha _ {15}}

Температурный коэффициент обычно составляет от + 3 · 10 −3 K −1 до + 6 · 10 −3 K −1 для металлов, близких к комнатной температуре. Для полупроводников и диэлектриков он обычно отрицательный и имеет очень различную величину. α {\ displaystyle \ alpha}

Зависимость от деформации

Подобно тому, как сопротивление проводника зависит от температуры, сопротивление проводника зависит от деформации . Помещая проводник под растяжение (форма напряжения, которая приводит к деформации в виде растяжения проводника), длина растягиваемого участка проводника увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается. Оба эти эффекта способствуют увеличению сопротивления напряженного участка проводника. При сжатии (деформации в обратном направлении) сопротивление деформированного участка проводника уменьшается. См. Обсуждение тензодатчиков для получения подробной информации об устройствах, созданных для использования этого эффекта.

Зависимость от освещенности

Некоторые резисторы, особенно изготовленные из полупроводников , обладают фотопроводимостью , а это означает, что их сопротивление изменяется, когда на них падает свет. Поэтому их называют фоторезисторами (или светозависимыми резисторами ). Это распространенный тип световых детекторов .

Сверхпроводимость

Сверхпроводники — это материалы, которые имеют точно нулевое сопротивление и бесконечную проводимость, потому что они могут иметь V = 0 и I 0. Это также означает, что нет джоулева нагрева или, другими словами, нет рассеивания электрической энергии. Следовательно, если сверхпроводящий провод превратить в замкнутый контур, ток будет течь по нему бесконечно. Сверхпроводники требуют охлаждения до температур около 4   К с помощью жидкого гелия для большинства металлических сверхпроводников, таких как сплавы ниобий-олово , или охлаждения до температур около 77   К с помощью жидкого азота для дорогих, хрупких и хрупких керамических высокотемпературных сверхпроводников . Тем не менее, существует множество технологических применений сверхпроводимости , включая сверхпроводящие магниты .

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Вопрос №3. Электрическое сопротивление и проводимость (10 мин.)

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех веществах.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.

Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники (рис. 12).

Вещества

Диэлектрики

Проводники

Полупроводники

Вещества с высокой электропроводностью

Вещества, электропроводностью которых практически равна нулю

Вещества, занимающие по своей электропроводности промежуточное положение между диэлектриками и проводниками

Металлы и их сплавы

Проводники первого

рода

Проводники второго

рода

Водные растворы кислот,

солей,

щелочей

Воздух, вакуум, газы, слюда, мрамор, пластмасса, лаки, эмали, резина, дерево, электрофарфор, стекловолокно, трансформаторное масло

Германий, кремний, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой

Рис. 12

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют молекулы и атомы этого проводника (рис. 13). Поэтому как внешний участок электрической цепи, так и внутренний (внутри самого источника электрической энергии) оказывают препятствие (сопротивление) прохождению тока.

Рис. 13. Моделирование

движения электрона в

проводнике

Электрическое сопротивление – совокупность всех препятствий, которое встречает направленное движение заряженных частиц по проводнику. Единица измерения – Ом.

где – удельное сопротивление проводника, ; l – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, мм2.

Удельное сопротивление – это сопротивление металлического проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 (табл. 3).

Таблица 3

Материал проводника

Удельное сопротивление , ;

Серебро

0,016

Медь

0,0175

Золото

0,023

Алюминий

0,0271

Свинец

0,202

Железо

0,038

Сопротивление проводников электрическому току зависит от материала, из которого они изготовлены, от длины и площади поперечного сечения проводника.

Зависимость сопротивления от длины и площади поперечного сечения проводника легче понять с помощью гидродинамической аналогии. Величиной, аналогичной электрическому заряду в гидродинамике, является масса жидкости. Сила тока подобна масса жидкости, перекачиваемой насосом в единицу времени.

Сопротивление, которая испытывает вода, текущая по трубе, возрастает при увеличении длины трубы и уменьшении ее сечения (рис. 14). соответственно, масса жидкости, перекачиваемая насосом в единицу времени по трубе 2, будет меньше, чем по трубе 1.

Рис. 14. Гидродинамическая аналогия электрического сопротивления

Таким образом, если сравнить два проводника из одного и того же материала, то более длинный проводник имеет большее сопротивление при равных площадях сечения, а проводник с большим поперечным сечением имеет меньшее сопротивление при равных длинах.

Сопротивление проводника зависит от температуры. Как вы думаете почему?

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры возрастает, т.к. увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов около своих средних положений. При этом увеличивается число столкновений электронов с молекулами и атомами вещества, что уменьшает время их свободного пробега. При нагревании электролитов и угля происходит обратный процесс. При повышении температуры в этих веществах увеличивается концентрация носителей зарядов, в результате чего их удельное сопротивление уменьшается.

Интересный факт. При снижении температуры ниже некоторой критической величины Ткр, близкой к абсолютному нулю (Т0=−273 °С = 0 К), удельное сопротивление всех металлов скачкообразно падает практически до нуля. Это явление обнаружил в 1911 г. при охлаждении ртути голландский ученый Гейке Каммерлинг-Оннес.

В общем случае, при абсолютном нуле прекращается тепловое (хаотическое) движение ионов кристаллической решетки металлов. Поэтому свободные электроны беспрепятственно движутся под действием электрического поля, не испытывая соударения.

Некоторые металлы и сплавы снижают свое удельное сопротивление до нуля при более «теплых» температурах (например, алюминий − Ткр=1,14 К, свинец − Ткр=7,26 К. Наилучшими сверхпроводящими свойствами в настоящее время обладают металлокерамические сплавы.

Как вы думаете, в какой области производства сверхпроводники, на ваш взгляд, должны получить наибольшее распространение? Конечно, в электроэнергетике при передаче электроэнергии на дальние расстояния.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называются резистивными, а промышленные изделия, предназначенные для выполнения роли сопротивления электрическому току, называются резисторами. Резисторы бывают регулируемые и нерегулируемые. Регулируемый резистор называется реостатом (рис. 15). Условные обозначения резисторов приведены на рис. 16.

а б

Рис. 15. Реостат

Рис. 16. Условные обозначения резистивных

элементов: а – нерегулируемого; б − регулируемого

Электрическая проводимость величина обратная сопротивлению. Единица измерения – Сименс.

где – проводимость; R — сопротивление, Ом.

Вывод по третьему вопросу: протеканию тока в проводнике оказывают молекулы и атомы вещества, из которого он состоит. Это свойство называется электрическим сопротивлением. И, наоборот, свойство веществ проводить ток называется электропроводностью. По электропроводности различают: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Электрическое сопротивление, проводимость и особенности этих понятий

По смыслу понятия электрическое сопротивление проводника — это состояние тела, среды, при которой переводит объемы электрической энергии к тепловой за время прохождения внутри него электрических зарядов. Для изменения тока внутри цепи применяют реостат, который служит электрическим сопротивлением. Устройство представляет собой намотку проволоки на изолирующую основу. За счет длинного проводника с небольшим поперечным сечением ток получает эффективное сопротивление.

При совмещении проводников разных материалов одинаковой длины и сечения проводимость тока будет разной. Соответственно, плотность, консистенция изделия имеет первостепенное значение для проводника. Также показатель может изменяться из-за температуры. У металлов эта величина увеличивается прямо пропорционально повышению градусов. Исключение составляют некоторые виды сплавов, у которых уровень сопротивляемости остается прежним.

Измерение выполняется в Омах. Чтобы сравнивать какие-либо виды материалов на предмет сопротивляемости, используют стандартную длину и величину сечения. Можно наглядно изучить процесс сопротивления. Для этого достаточно использовать два обычных лезвия для станков старого образца, подключить их к сети питания при помощи проводов и погрузить металлические части в емкость с водой. За счет сопротивления, образованного в проводниках, происходит нагрев металлических пластин, и вода постепенно закипает.

Объяснить этот процесс с точки зрения электротехнической теории можно так. Движение свободных электронов внутри проводника происходит одновременно со столкновением на их пути атомов, других электронов. При встрече этих элементов происходит взаимодействие, из-за которого заряженные частицы оставляют свою энергию.

Если уровень сопротивления проводника увеличивается, то проводимость электрического тока снижается. Исходя из этого вытекает следующее понятие — проводимость. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению, потому он выражает показатель способности проводника пропуск электрического тока. Чтобы получить эту величину, достаточно единицу поделить на сопротивление. Измеряют проводимость величиной, называемой сименс.

Познавая основы электротехники еще в школе, можно научиться правильно применять те или иные материалы на практике, что благоприятно сказывается на развитии техники. Так, одним из достижений электротехники стало появление такого устройства как тиристорный привод.

Подготовлено компанией «Звезда-Электроника»

Электрическое сопротивление и проводимость. Единицы измерений — Студопедия

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом. В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.

Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.

Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.

Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.


Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).

При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток. Электрическая проводимость или, иначе, электропроводность является обратной величиной по отношению к сопротивлению. Обозначается проводимость буквой G.

G = 1/R

В системе СИ электропроводность измеряется в сименсах (1 См = 1 Ом⁻¹). В гауссовой системе и в СГСЭ используют статсименс, а СГСМ — абсименс.

Проводимость, наравне с сопротивлением, играет большую роль в электротехнике и других технических науках. Её физический смысл интуитивно понятен из ее гидравлического аналога — все понимают, что у широкого шланга сопротивление потоку воды ниже, и, соответственно, он лучше пропускает воду, чем тонкий. Также и с электропроводимостью — материя с более низким сопротивлением лучше проводит электричество.

Единица электропроводности названа в честь известного немецкого инженера, изобретателя, учёного и промышленника — основателя фирмы Siemens — Эрнста Вернера фон Сименса (Werner Ernst von Siemens). Между прочим, именно он предложил ртутную единицу сопротивления, которая несколько отличается от современного ома. Сименс определил единицу сопротивления как сопротивление столба ртути высотой 100 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0° С.

Удельное сопротивление воды

Вода в природных водоемах пребывает в непрерывном взаимодействии с воздухом, минералами земной коры и представляет собой сложный раствор, обогащенный неорганическими веществами, растворенными газами и соединениями органической природы. Химический состав воды влияет на его основные физические показатели, по которым определяют пригодность воды для определенных технологических процессов, питьевого водоснабжения, хозяйственно-бытового использования. Удельное сопротивление воды, показывающее диэлектрические способности жидкости, — один из основных параметров, помогающих определить такой важный показатель качества воды как минерализация.

Сопротивление воды — что это такое

Электропроводность — это количественное выражение возможности проводить электрический ток водным раствором. Ее величина определяется общей концентрацией присутствующих в растворе диссоциированных ионов щелочей, солей и кислот. Солесодержание или общая концентрация всех диссоциированных анионов и катионов оценивается в пределах от сотых мг до десятков гр на кг. При этом полностью очищенная от примесей вода будет отличным диэлектриком.

Электрическое сопротивление воды — это величина, обратная электропроводимости. Удельное сопротивление воды находится в зависимости от суммарного солесодержания и температуры. Минеральную часть водного раствора составляют катионы магния, кальция, натрия, калия и сульфат, хлорид, карбонат-анионы. Концентрация этих ионов формирует электропроводность в воде любого источника. Остальные ионы, такие как марганец, железо, алюминий, фосфат и нитрат-анионы не оказывают заметного влияния на удельное электрическое сопротивление воды. Гидроксил-ионы и H+ в стандартных концентрационных пределах нахождения в природных источниках мало изменяют показатель солесодержания, как и растворенные газы.

Приблизительно оценить степень минерализации водного раствора можно путем измерения сопротивления воды. С помощью него вычисляют электрическую проводимость, значение которой для поверхностных вод стандартно находится в диапазоне от 40 до 9000 мкСм/см. Наполненность воды минералами значительно повышает ее электропроводимость, а очищенная вода плохо проводит электричество. Удельная электропроводность дистиллированной воды составляет всего 5 мкСм/см согласно ГОСТ 6709-72. При измерении удельного электрического сопротивления воды невозможно учесть присутствующие в растворе неионогенные органические соединения, нейтральные взвешенные частицы, газы.

Чему равно сопротивление воды

Электропроводность и обратное ей удельное сопротивление воды характеризуют минерализацию растворов только в количественном отношении, не по качественному составу присутствия катионов и анионов. Электрическая проводимость рассчитывается путем сопоставления ее с величиной сопротивления воды электротоку, пропускаемому через водный раствор.

L = 1 / R

В международной системе СИ электропроводность измеряется в мкСм/см или может быть выражено в Ом-1. Показатель электрического сопротивления воды в Ом остается постоянным в рамках 10% допустимой погрешности при присутствии в воде природных источников органических коллоидных и растворенных примесей до 150 мг/дм3 и взвешенных частиц до 500 мг/дм3. Предельное значение удельного сопротивления, равное 18,2 МОм•см при 20°С соответствует величине 0,055 мкСм/см электрической проводимости воды.

Измеряют в ходе исследования с помощью кондуктометра, какое электрическое сопротивление у воды. На основании эмпирических формул и заранее определенной величины удельной электропроводности откалиброванных растворов CaCl2 производят расчет проводимости тока водой. Результаты замеров электрического сопротивления дистиллированной воды и расчетов дают показатели электропроводности 2 — 5 мкСм/м, для атмосферных осадков 5 — 35 и выше мкСм/м, в пресных водах рек и озер в областях с повышенной загрязненностью воздуха значение электропроводимости воды достигает 25 — 85 мкСм/см.

От чего зависит электрическое сопротивление воды

Вода — универсальный растворитель. Способность растворять вещества и степень диссоциации молекул возрастает при нагревании. Проводимость тока водным раствором и сопротивление воды зависят от температуры. Прибавление к температуре особо чистой воды каждого °С увеличивает проводимость тока на 6%.

Расчетным путем найти соответствие между величиной удельного сопротивления воды и сухим остатком невозможно, поскольку в природных источниках ионы имеют разную электропроводность. Она находится в параллельной зависимости от температуры и минерализации раствора. Чтобы найти такую зависимость, нужно несколько раз в году экспериментальным путем устанавливать соотношение между этими величинами для каждого конкретного объекта. Для разных сезонов и географического расположения удельное электрическое сопротивление воды различно и варьируется от 5 до 300 Ом•м.

Практические измерения сопротивления и электрической проводимости воды приводятся к 20°С. В современных кондуктометрах функция пересчета происходит в автоматическом режиме. В целях получения максимально точных результатов и для уменьшения влияния температуры на результаты эксперимента параллельно с электрической проводимостью меряют температуру водного раствора.

При определении удельного электрического сопротивления воды с высоким содержанием взвешенных примесей, взвеси и коллоидные частицы могут осаждаться на измерительных электродах, образовывать пленку, увеличивающую электросопротивление и погрешность измерения. В таком случае необходимо проводить очистку электродов, а для повышения чистоты эксперимента использовать вспомогательные электроды.

Как измерить сопротивление воды

Деионизованная вода обладает большим удельным электрическим сопротивлением, уменьшающимся с повышением температуры. Любые растворенные соли повышают электропроводность воды. Когда вода содержит катионы и анионы разных солей одновременно, практически невозможно установить взаимосвязь между ее электрическим сопротивлением и солесодержанием. Такая возможность присутствует только при измерении удельного сопротивления деминерализованной воды, которая содержит только диссоциированные соли Na.

Для относительной оценки минерализации есть эмпирически высчитанное соотношение между удельной электропроводностью и общим содержанием солей в водном растворе:

L (мкСм/cм) = минерализация (мг/л) / 0,65

Суммарное количество солей в водном растворе можно найти делением величины электрической проводимости на корректирующий коэффициент. Его значение меняется в зависимости от вида вод в диапазоне 0,55 — 0,75.

Измерение удельного сопротивления воды и электропроводности проводят методом кондуктометрии при температуре воды 20°С. Принцип работы кондуктометра основан на прямой зависимости электропроводимости воды от концентрации диссоциированных в водном растворе электролитов. Через электроды попускают переменный ток частотой от 60 Гц в низко минерализованной воде до 1500 Гц в соленых растворах. Кондуктометр фиксирует значение электрического сопротивления воды. Современные приборы могут измерять электросопротивление и ультрачистой воды, и насыщенных солевых растворов с высокой электропроводимостью.

Можно использовать менее точные приборы, но простые и недорогостоящие. Для проведения замеров необходим прямоугольный сосуд с электроизоляцией, две пластины электродов из стали или меди, закрепленных на внутренних торцах емкости, зонды из проволоки 1 мм в диаметре, расположенные перпендикулярно плоскости электродов на небольшом удалении от них. Переменный ток подают на электродные пластины, замеряют его силу и изменение напряжения у зондов.

Способы повышения электрического сопротивления воды

Изменение электросопротивления воды в сторону повышения связано с применением способов профессиональной очистки при водоподготовке. Выбор метода обуславливает концентрация солей и цели предстоящего использования воды.

  • При суммарном солесодержании 2 — 20 мг/л рекомендуется применять ионообменный метод для увеличения сопротивления воды или технологию электродеионизации;
  • от 20 мг/л до 10 г/л — обратный осмос;
  • более 10 г/л — электродиализ.

Обратный осмос — эффективный и удобный в применении метод уменьшения электропроводности воды. Водный раствор проходит через полупроницаемые мембраны, оставляя на них практически все растворенные вещества. Обратноосмотические установки отличаются простотой обслуживания, хорошей производительностью и экономичностью.

Фильтрование ионообменным способом основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы — иониты. Объединение в одном фильтре смешанного действия анионита и катионита оптимизирует показатели чистоты получаемого раствора.

Электродеионизационные установки незаменимы, когда нужно получить воду глубокой очистки, используя постоянное электрическое поле. В нем непрерывно протекают процессы электродиализа и ионного обмена, растворенные соли связываются и отводятся через селективную мембрану в концентрационные элементы. Под действием электрического тока диссоциированная вода одновременно восстанавливает обменную способность смол.

Чем полезно измерение сопротивления воды

Величина сопротивления и электропроводности воды помогает оценить степень солесодержания в воде и сравнить полученные значения с ГОСТ. Такие измерения могут быть предварительным шагом перед проведением анализа воды для подбора очистительных установок. Зная численное значение сопротивления, можно приблизительно оценить концентрацию солей и затраты на необходимую систему очистки. Если у вас уже стоит фильтрующая система, замер и расчет удельного сопротивления воды поможет оценить качество обессоливания и предупредить о необходимости замены или регенерации очистительных элементов.

Электрическое сопротивление проводника, проводимость материалов


Электрическое сопротивление проводника возникает при протекании по проводнику электрического тока. Т.е., когда при движении по проводнику электронов, происходит столкновение этих электронов с атомами проводника. При таком столкновении движущийся электрон выбивает из атома один из его свободных электронов и становится на его место, а часть энергии, полученной электроном от источника Э.Д.С., превращается в тепло, которое нагревает проводник. Выбитый электрон обладает уже меньшей энергией и с меньшей силой ударяет в следующий атом. Подобные столкновения испытывают многие, движущиеся по проводнику электроны, вследствие чего скорость их движения уменьшается и через поперечное сечение проводника будет протекать меньшее количество электронов (сила тока в цепи уменьшается). Можно сказать, что проводник оказывает противодействие протекающему по нему электрическому току. Такое свойство проводника и носит название электрического сопротивления проводника.

Чем длиннее проводник, меньше его поперечное сечение и больше его удельное сопротивление, тем больше сопротивление данного проводника.

R = Lρп / Sп

где:
R — сопротивление проводника;
L — длина проводника;
ρп — удельное сопротивление материала проводника, т.е. сопротивление 1 см3;
Sп — площадь поперечного сечения проводника.

Для измерения величины сопротивления введена единица измерения, которая носит название ом. Сопротивлением в 1 ом обладает ртутный столбик высотой в 106 см и поперечным сечением 1 мм2 при температуре 20° С (международный эталон).

Следует подчеркнуть, что под термином «сопротивление» понимают определённое свойство материала, провода или прибора. В этом смысле, например, говорят: лампа накаливания обладает сопротивлением 150 ом или провод имеет сопротивление 7 ом. Если же говорят об устройстве, предназначенном для включения в электрическую цепь с целью регулирования, уменьшения или ограничения тока цепи, то иногда под термином «сопротивление» подразумевают резистор.

Проводимость материалов

Иногда электропроводящие свойства проводника характеризуют не сопротивлением, а величиной, ему обратной. Эта величина носит название проводимости материалов

G = 1 / R


6.8A: Электропроводность и удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление и проводимость являются важными характеристиками материалов. У разных материалов разная проводимость и удельное сопротивление. Электропроводность основана на свойствах электрического переноса. Их можно измерить несколькими методами, используя различные инструменты. Если электричество легко проходит через материал, этот материал имеет высокую проводимость. Некоторые материалы с высокой проводимостью включают медь и алюминий.Электропроводность — это мера того, насколько легко электричество проходит через материал.

Зависимость проводимости от удельного сопротивления

Электропроводность и удельное сопротивление обратно пропорциональны друг другу. Когда проводимость низкая, сопротивление высокое. Когда удельное сопротивление низкое, проводимость высокая. Уравнение выглядит следующим образом:

\ [\ rho = \ dfrac {1} {\ sigma} \]

где

  • Удельное сопротивление обозначается как \ (\ rho \) и измеряется в Ом-метрах (\ (Ом · м \)),
  • Электропроводность обозначается как \ (\ sigma \) и измеряется в Siemens (\ (1 / Ом · м \)).

Поскольку проводимость является мерой того, насколько легко течет электричество, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько материал сопротивляется потоку электричества.

Свойства электротранспорта

Проще говоря, электричество — это движение электронов в материале. Когда электроны движутся через материал, он вступает в контакт с атомами материала. Столкновения замедляют электроны. Каждое столкновение увеличивает удельное сопротивление материала. Чем легче электроны проходят через материал, тем меньше происходит столкновений и тем выше проводимость.

При повышении температуры проводимость металлов обычно уменьшается, а проводимость полупроводников увеличивается. Это, конечно, предполагает, что материал однороден, что не всегда так. Вы можете рассчитать удельное сопротивление, используя следующее уравнение

\ [\ dfrac {E} {J} = ρ \]

Как вы уже читали, ρ — это символ удельного сопротивления. \ (E \) — электрическое поле, его единицы измерения — вольт на метр (В / м). J — плотность тока, выраженная в амперах на квадратный метр (А / м2).Электрическое поле рассчитывается путем деления напряжения на длину l, к которой приложено это напряжение.

\ [E = \ dfrac {V} {l} \]

Плотность тока рассчитывается по формуле ниже

\ [J = \ dfrac {I} {A} \]

I — это ток, деленный на площадь поперечного сечения A, по которой течет ток.

Сопротивление против сопротивления

Удельное сопротивление и сопротивление — разные вещи. Удельное сопротивление не зависит от размера или формы.Однако сопротивление есть. Вы можете рассчитать сопротивление с помощью приведенного ниже уравнения.

\ [R = \ dfrac {V} {I} \]

R относится к сопротивлению и измеряется в Ом. \ (V \) — напряжение, измеряемое в вольтах. Я измеряю ток, и его единица измерения — амперы (А).

Список литературы

  1. Электропроводность и удельное сопротивление, Хини, Майкл, Электрические измерения, обработка сигналов и дисплеи. Июль 2003 г.

  2. Леви, Питер М., и Шуфэн Чжан. «Электропроводность магнитных многослойных структур». Physical Review Letters 65.13 (1990): 1643-646. Распечатать.

Проблемы

  1. Какова плотность тока материала с удельным сопротивлением 12 Ом · м и электрическим полем 64 В / м?
  2. Если напряжение 6 В проходит через вещество радиусом 2 м и длиной 3 м, что такое электрическое поле?
  3. Каково электрическое поле материала, когда ток равен 25 А, измеренное сопротивление составляет 78 Ом, плотность тока равна 24 А / м2, а длина протекает ток 100 м?
  4. Материал имеет напряжение 150 В и ширину 24 м. Материал также имеет ток 62 А и проходит расстояние 5 м. Какая проводимость?
  5. Металл изначально имеет электрон, сталкивающийся с каждым пятым атомом, и температура повышается с 6K до 100K. Полупроводник изначально имеет электрон, сталкивающийся с каждым пятым атомом, и температура повышается с 6K до 100K. Какой материал будет иметь большее удельное сопротивление? Почему?

Ответов на проблемы:

1. E / J = ρ —> J = E / ρ = 64 В / м / 12 Ом · м = 5.33А / м 2

2. E = V / l = 6V / 3m = 2V / m

3. E = V / l

В = ИК —> E = ИК / l = 25 А x 78 Ом / 100 м = 19,5 В / м

4. E / J = ρ

E = об / л

Дж = I / A —> ρ = (В / л) / (I / A) = (150 В / 5 м) / (62 A / (24 м x 5 м) = 58 Ом

ρ = 1 / σ —> 1 / ρ = σ = 1/58 Ом · м

5. Материал, имеющий наибольшее удельное сопротивление, — это металл, потому что с повышением температуры у металлов более вероятно увеличение удельного сопротивления, а у полупроводников обычно уменьшается удельное сопротивление при повышении температуры.

Авторы и авторство

  • Майкл Форд (UCD) и Александра Кристман (UCD)

Удельное сопротивление и проводимость: определение, причины, формула и единицы (с диаграммой)

Удельное сопротивление и проводимость — две стороны одной медали, но оба являются ключевыми понятиями, которые нужно понять, когда вы изучаете электронику. По сути, это два разных способа описания одного и того же фундаментального физического свойства: насколько хорошо электрический ток течет через материал.

Удельное электрическое сопротивление — это свойство материала, которое показывает, насколько он сопротивляется прохождению электрического тока, а проводимость количественно определяет, насколько легко ток течет. Они очень тесно связаны между собой: электропроводность является обратной величине удельного сопротивления, но детальное понимание того и другого важно для решения проблем физики электроники.

Удельное электрическое сопротивление

Удельное сопротивление материала является ключевым фактором при определении электрического сопротивления проводника, и это часть уравнения сопротивления, которая учитывает различные характеристики различных материалов.

Само электрическое сопротивление можно понять с помощью простой аналогии. Представьте, что поток электронов (носителей электрического тока) по проводу представлен шариками, стекающими по пандусу: вы получите сопротивление, если поместите препятствия на пути пандуса. Когда мрамор натыкается на барьеры, они теряют часть своей энергии из-за препятствий, и общий поток шариков по рампе замедляется.

Другая аналогия, которая может помочь вам понять, как сопротивление влияет на ток, — это влияние, которое прохождение через гребное колесо оказывает на скорость потока воды.Опять же, энергия передается лопастному колесу, в результате чего вода движется медленнее.

Реальность протекания тока через проводник ближе к примеру с мрамором, потому что электроны протекают через материал, но решетчатая структура ядер атомов препятствует этому потоку, который замедляет электроны.

Электрическое сопротивление проводника определяется как:

R = \ frac {ρL} {A}

Где ρ (rho) — удельное сопротивление материала (которое зависит от его состава), длина L — длина проводника, а A — площадь поперечного сечения материала (в квадратных метрах). Уравнение показывает, что более длинный проводник имеет более высокое электрическое сопротивление, а провод с большей площадью поперечного сечения имеет меньшее сопротивление.

Единицей измерения сопротивления в системе СИ является ом (Ом), где 1 Ом = 1 кг · м 2 с −3 A −2 , а единицей измерения удельного сопротивления в системе СИ является ом-метр (Ом · м). . У разных материалов разное удельное сопротивление, и вы можете посмотреть значения удельного сопротивления материала, который вы используете в расчетах, в таблице (см. Ресурсы).

Электропроводность

Электропроводность определяется просто как величина, обратная удельному сопротивлению, поэтому высокое удельное сопротивление означает низкую проводимость, а низкое удельное сопротивление означает высокую проводимость. Математически проводимость материала представлена ​​как:

σ = \ frac {1} {ρ}

Где σ — проводимость, а ρ — удельное сопротивление, как и раньше. Конечно, вы можете переставить уравнение для сопротивления в предыдущем разделе, чтобы выразить это в терминах сопротивления, R , площади поперечного сечения A, проводника и длины L . , В зависимости от того, какую проблему вы решаете.

Единицы измерения проводимости в системе СИ являются обратными единицам удельного сопротивления, что составляет их Ω −1 м −1 ; однако обычно оно выражается в сименсах на метр (См / м), где 1 S = 1 Ом −1 .

Расчет удельного сопротивления и проводимости

Учитывая определения удельного электрического сопротивления и проводимости, просмотр примера расчета поможет закрепить идеи, представленные до сих пор. Для отрезка медного провода длиной L = 0.1 м и площадью поперечного сечения A = 5,31 × 10 −6 м 2 и сопротивлением R = 3,16 × 10 −4 Ом, что такое удельное сопротивление ρ меди? Во-первых, вам нужно перестроить уравнение для сопротивления, чтобы получить выражение для удельного сопротивления ρ следующим образом:

R = \ frac {ρL} {A}

ρ = \ frac {RA} {L }

Теперь вы можете вставить значения, чтобы найти результат:

\ begin {align} ρ & = \ frac {3. 7 \ text {s / m} \ end {align}

Очень низкое удельное сопротивление и высокая проводимость объясняют, почему именно такой медный провод, вероятно, используется в вашем доме для подачи электричества.

Температурная зависимость

Все значения удельного сопротивления различных материалов, которые вы найдете в таблице, будут значениями при определенной температуре (обычно выбираемой равной комнатной температуре), поскольку удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры для большинства материалов.

Хотя для некоторых материалов (например, полупроводников, таких как кремний) удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, увеличение с температурой является общим правилом.Это легко понять, если вернуться к аналогии с мрамором: когда барьеры вибрируют вокруг (в результате повышенной температуры и, следовательно, внутренней энергии), они с большей вероятностью заблокируют мрамор, чем если бы они были полностью неподвижны. .

Удельное сопротивление при температуре T определяется соотношением:

ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T — T_0))

Где альфа ( α ) — температурный коэффициент удельного сопротивления, T — это температура, при которой вы рассчитываете удельное сопротивление, T 0 — эталонная температура (обычно принимаемая как 293 K, примерно комнатная температура) и ρ 0 — удельное сопротивление при эталонной температуре.Все температуры в этом уравнении выражены в кельвинах (K), а единицей СИ для температурного коэффициента является 1 / K. Температурный коэффициент удельного сопротивления обычно имеет то же значение, что и температурный коэффициент сопротивления, и имеет тенденцию быть порядка 10 -3 или ниже.

Если вам нужно рассчитать температурную зависимость для различных материалов, вам просто нужно найти значение соответствующего температурного коэффициента и обработать уравнение с эталонной температурой T 0 = 293 K (если поскольку она соответствует температуре, используемой для эталонного значения удельного сопротивления). {- 1} \\ \ hline \ text {Silver} & 1.{-23} & \\ \ hdashline \ end {array}

Обратите внимание, что изоляторы в списке не имеют установленных значений для их температурных коэффициентов, но они включены, чтобы показать полный диапазон значений удельного сопротивления и проводимости.

Расчет удельного сопротивления при различных температурах

Хотя теория о том, что удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, имеет смысл, стоит взглянуть на расчет, чтобы подчеркнуть влияние, которое повышение температуры может оказать на проводимость и удельное сопротивление материала.В качестве примера расчета рассмотрим, что происходит с удельным сопротивлением и проводимостью никеля при нагревании от 293 K до 343 K. Еще раз взглянув на уравнение:

ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T — T_0))

Вы можете видеть, что значения, необходимые для расчета нового удельного сопротивления, приведены в таблице выше, где удельное сопротивление ρ 0 = 6,99 × 10 −8 Ом · м, а температурный коэффициент α = 0,006. Вставка этих значений в приведенное выше уравнение позволяет легко вычислить новое удельное сопротивление:

\ begin {align} ρ (T) & = 6.{−8} \ text {Ω m} \ end {align}

Расчет показывает, что довольно существенное повышение температуры на 50 K приводит только к 30-процентному увеличению значения удельного сопротивления и, следовательно, к 30-процентному увеличению в сопротивлении данного количества материала. Конечно, затем вы можете продолжить и вычислить новое значение проводимости на основе этого результата.

Влияние повышения температуры на удельное сопротивление и проводимость определяется величиной температурного коэффициента, при этом более высокие значения означают большее изменение температуры, а более низкие значения означают меньшее изменение.

Сверхпроводники

Голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес исследовал свойства различных материалов при очень низких температурах в 1911 году и обнаружил, что ниже 4,2 К (т. Е. −268,95 ° C) ртуть полностью теряет сопротивление протекает электрический ток, поэтому его удельное сопротивление становится равным нулю.

В результате этого (и взаимосвязи между удельным сопротивлением и проводимостью) их проводимость становится бесконечной, и они могут проводить ток неограниченное время без потери энергии.Позже ученые обнаружили, что многие другие элементы проявляют такое поведение при охлаждении ниже определенной «критической температуры» и называются «сверхпроводниками».

В течение долгого времени физика не предлагала реального объяснения сверхпроводников, но в 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер разработали теорию сверхпроводимости «БКШ». Это утверждает, что электроны в материале группируются в «куперовские пары» в результате взаимодействий с положительными ионами, составляющими решеточную структуру материала, и эти пары могут перемещаться через материал без каких-либо препятствий.

Когда электрон движется через охлаждаемый материал, положительные ионы, образующие решетку, притягиваются к ним и слегка меняют свое положение. Однако это движение создает в материале положительно заряженную область, которая притягивает другой электрон, и процесс начинается снова.

Сверхпроводники обладают многими потенциальными и уже реализованными применениями благодаря их способности переносить токи без сопротивления. Одно из наиболее распространенных применений, с которым вы, скорее всего, знакомы, — это магнитно-резонансная томография (МРТ) в медицинских учреждениях.

Тем не менее, сверхпроводимость также используется для таких вещей, как поезда на маглеве, которые работают за счет магнитной левитации и нацелены на устранение трения между поездом и рельсами, и ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, где сверхпроводящие магниты используются для ускорять частицы со скоростью, приближающейся к скорости света. В будущем сверхпроводники могут быть использованы для повышения эффективности производства электроэнергии и увеличения скорости компьютеров.

Медь

Расчет сопротивления

Сопротивление проводника (например,грамм.

медный провод)

Сопротивление R медного провода длиной l можно рассчитать по следующей формуле:

где
R — сопротивление проводника в Ом
l — длина проводника в метрах
ρ — удельное электрическое сопротивление (также известное как удельное электрическое сопротивление) проводника.
A — площадь поперечного сечения, измеренная в квадратных миллиметрах
π — математическая константа
d — номинальный диаметр проволоки в миллиметрах

Удельное сопротивление ρ

Удельное электрическое сопротивление (также известное как удельное электрическое сопротивление) — это мера того, насколько сильно провод противодействует электрическому току.Низкое удельное сопротивление указывает на провод, который легко допускает движение электрического заряда. Медь имеет удельное сопротивление 0,0171 Ом · мм² / м и поэтому является одним из лучших проводников электрического тока (немного уступая чистому серебру).

Проводимость γ

Электропроводность или удельная проводимость — это мера способности материала проводить электрический ток. Это величина, обратная величине удельного электрического сопротивления. Отожженная медная проволока имеет минимальную проводимость 58 См * м / мм², что эквивалентно 100% IACS (Международный стандарт отожженной меди), фактические значения обычно достигают 58,5-59 См * м / мм².

Термический коэффициент электрического сопротивления

Электрическое сопротивление зависит от температуры, которой подвергается провод.Это соотношение между сопротивлением и температурой выражается термическим коэффициентом сопротивления α . Для расчета сопротивления катушки или провода при температуре Т можно использовать следующую формулу:

, где
α — тепловой коэффициент сопротивления
R T — сопротивление катушки при температуре T
R 20 — сопротивление катушки при 20 ° C

Что такое электропроводность? — Matmatch

Электропроводность — это показатель того, насколько легко материал позволяет электрическому току проходить через него. И наоборот, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько сильно материал сопротивляется прохождению электрического тока. Эти два свойства полностью противоположны друг другу. Электропроводность обозначается греческой буквой σ , а удельное электрическое сопротивление обозначается греческой буквой ρ .

Материалы часто выбираются или выбрасываются для применения из-за их электропроводности, когда прохождение электрического тока имеет решающее значение для функциональности их применения.Металлы обычно являются лучшими проводниками электричества, а полимеры — наименее проводниками электричества. Серебро — лучший проводник электричества, но оно редко используется для этой функции из-за его редкости и, как следствие, непомерно высокой стоимости.

Из этой статьи вы узнаете о:

  • Какая электрическая проводимость
  • Измерение электропроводности
  • Применения электропроводности
  • Материалы будущего и применение

Сечение подземного электрического кабеля.

Что такое электропроводность?

Хорошие проводники электричества также часто являются хорошими проводниками тепла, что проявляется в большинстве металлов. Температура материала может повлиять на его проводимость не так просто. Для материалов, известных как проводники, повышение температуры обычно снижает их проводимость и наоборот. Но для изоляторов все обстоит наоборот: повышение температуры на увеличивает их проводимость.Это соотношение между температурой и электропроводностью полезно при создании сверхпроводников. Сверхпроводник — это материал, который почти идеально проводит электричество, практически не имея никакого сопротивления. Пока что всем известным сверхпроводникам требуются чрезвычайно низкие температуры (до -234 o C), чтобы проявлять это свойство.

Электропроводность материала определяется по формуле

`\ sigma = \ frac {1} {\ rho}`

Где ρ — удельное сопротивление материала.

Удельное сопротивление измеряется в Ом · метрах (Ом · м), а проводимость измеряется в Сименсах на метр (См / м) , что является обратной величиной единицы удельного сопротивления. Электропроводность или удельное сопротивление материала — неизменное свойство, которое не изменяется в зависимости от размера или формы материала.

Электропроводность материала зависит от температуры, но может также меняться в зависимости от приложенного магнитного поля. До сих пор мы предполагали, что все материалы однородны и изотропны; однородный означает, что свойства материала одинаковы независимо от того, откуда взят образец, а изотропный означает, что эти свойства имеют одинаковую ценность независимо от того, в каком направлении они измеряются.Однако это не всегда так, особенно для полупроводников, которые представляют собой особые материалы, демонстрирующие разную проводимость в разных направлениях. Кроме того, проводимость и сопротивление не следует принимать за проводимость или удельное сопротивление соответственно. Хотя они связаны, это не одно и то же, и они не взаимозаменяемы. Электропроводность и сопротивление изменяются в зависимости от размера рассматриваемого материала, а проводимость и удельное сопротивление — нет. .

Таблица 1. Удельное сопротивление и проводимость обычных материалов при 20 ° C [1]

Материал

Удельное сопротивление ρ (Ом.м) при 20 ° C

Электропроводность σ (См / м) при 20 ° C

Серебро

1,59 × 10 −8

6,30 × 10 7

Медь

1.68 × 10 −8

5,96 × 10 7

Золото

2,44 × 10 −8

4,10 × 10 7

Алюминий

2,82 × 10 −8

3,5 × 10 7

Кальций

3,36 × 10 −8

2. 98 × 10 7

Вольфрам

5,60 × 10 −8

1,79 × 10 7

цинк

5,90 × 10 −8

1,69 × 10 7

Никель

6,99 × 10 −8

1,43 × 10 7

Литий

9.28 × 10 −8

1,08 × 10 7

Утюг

1,0 × 10 −7

1,00 × 10 7

Платина

1,06 × 10 −7

9,43 × 10 6

Олово

1,09 × 10 −7

9.17 × 10 6

Углеродистая сталь

-1010

1,43 × 10 −7

Свинец

2,2 × 10 −7

4,55 × 10 6

Титан

4,20 × 10 −7

2,38 × 10 6

Константан

4. 9 × 10 −7

2,04 × 10 6

Нержавеющая сталь

6,9 × 10 −7

1,45 × 10 6

Меркурий

9,8 × 10 −7

1,02 × 10 6

Углерод (аморфный)

5 × 10 −4 — 8 × 10 −4

1.25 — 2 × 10 3

Карбон (алмаз)

1 × 10 12

~ 10 −13

Кремний

6,40 × 10 2

1,56 × 10 −3

Стекло

10 × 10 10 — 10 × 10 14

10 −11 -10 −15

Твердая резина

1 × 10 13

10 −14

тефлон

10 × 10 22 — 10 × 10 24

10 −25 — 10 −23

Измерение электропроводности

Двухточечный и четырехточечный методы — два наиболее распространенных метода измерения электропроводности [2].

Двухточечная техника

Этот метод включает пропускание тока (через источник напряжения) через образец (прямоугольный стержень) материала. Этот ток подается через два медных узла, которые прикреплены к обоим концам шины (отсюда и название двухточечной техники). Измеряется сила тока, протекающего через стержень, и, поскольку напряжение уже известно, сопротивление рассчитывается по формуле ниже

.

`R = \ frac {V} {I}`

Где R = сопротивление в Ом, В = напряжение в вольтах и ​​ I = ток в амперах.

Электропроводность стержня можно рассчитать как

`\ sigma = \ frac {l} {Rwh}`

Где σ — проводимость в См / м, R — измеренное сопротивление в Ом, а w , h и l — ширина, высота и длина стержня образца соответственно.

Четырехточечная техника

Двухточечный метод изначально подвержен ошибкам, поскольку измерительное оборудование эффективно обладает свойствами, которые также измеряются одновременно с тестовым образцом. {1}} {Vwh}`

Где σ — проводимость, измеренная в См / м, I — ток, измеренный амперметром в амперах, В — напряжение, измеренное вольтметром в вольтах, l 1 — длина между две точки, в которых измеряется напряжение, w и h — это ширина и высота полосы образца соответственно.

Приложения и материалы

Электропроводность находит применение в различных отраслях промышленности, от передачи энергии до электроники. Вот несколько примеров общих приложений принципа проводимости [3].

  • Воздушные линии электропередачи, которые используются для передачи электроэнергии, обычно изготавливаются из алюминия, поскольку он очень хорошо проводит электричество. Точно так же большинство изоляторов изготовлено из полимера с очень низкой проводимостью, чтобы защитить людей от поражения электрическим током.
  • Чтобы избежать электростатического разряда (ESD), электропроводящие пластмассы и композиты спроектированы для рассеивания статического электричества. Это важно в электронике, где пластмассы используются для изготовления корпусов и других приложений, где электростатический разряд может вызвать воспламенение горючего газа или жидкости.
  • Датчик может использовать электрическую проводимость для определения границы раздела двух жидкостей, если они имеют значительную разницу в проводимости. Это может быть полезно при химической переработке и производстве продуктов питания и напитков.
  • При опреснении морской воды используется электропроводность, чтобы контролировать, насколько хорошо растворенные ионные твердые частицы были удалены из воды, и, таким образом, дает представление о полноте процесса очистки.

Будущие материалы и приложения

Редкость определенных материалов, стоимость их производства и другие факторы означают, что не всегда всегда выбирается лучший материал для определенного применения с точки зрения электропроводности.Серебро, известное как лучший металлический проводник, идеально подошло бы для применения в интегральных схемах, поскольку оно инертно. Золото, хотя и менее проводящее, будет лучше, чем серебро, когда важна защита от излучения. Алмаз, наименее проводящий материал, о котором мы говорили до сих пор, может быть единственным вариантом при высоком давлении. Наконец, сверхпроводники — почти идеальные материалы, но для их функционирования требуется температура, близкая к абсолютному нулю. Квантовые суперкомпьютеры проектируются таким образом, чтобы потребовались сверхпроводники, поскольку их расчеты основаны на точном количестве электронных разрядов, чтобы работать с их скоростью и точностью [4].

Линии электропередачи требуют комбинации материалов, обладающих свойствами как электропроводности, так и удельного электрического сопротивления.

[1] А. Хельменстин, «Таблица удельного электрического сопротивления и проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://sciencenotes.org/table-of-electrical-resistivity-and-conductivity/, 2019.

[2] Хини, Майкл Б. «Электропроводность и удельное сопротивление». Электрические измерения, обработка сигналов и дисплеи .Эд. Джон Г. Вебстер. CRC Press, 2003.

[3] «Теория и применение проводимости», Emerson Process Management [Онлайн] Доступно по адресу: https://www.emerson.com/documents/automation/application-data-sheet-theory-application-of-conductivity -rosemount-en-68442.pdf

[4] Дж. Маглионе, «Изучение области проводимости», [онлайн] Доступно по адресу: https://ysjournal.com/exploring-the-realm-of-conductivity/

resisistance | Определение, символ и факты

Удельное сопротивление , электрическое сопротивление проводника единичной площади поперечного сечения и единичной длины.Удельное сопротивление, характерное свойство каждого материала, полезно при сравнении различных материалов на основе их способности проводить электрические токи. Высокое сопротивление указывает на плохие проводники.

Подробнее по этой теме

Кристалл

: удельное сопротивление

Немецкий физик Георг Симон Ом открыл основной закон электропроводности, который теперь называется законом Ома. Его закон связывает …

Удельное сопротивление, обычно обозначаемое греческой буквой ро, ρ , количественно равно сопротивлению R образца, такого как провод, умноженному на его площадь поперечного сечения A, и разделенному на его длину l; ρ = RA / л. Единицей измерения сопротивления является ом. В системе метр-килограмм-секунда (мкс) отношение площади в квадратных метрах к длине в метрах упрощается до простых метров. Таким образом, в системе метр-килограмм-секунда единицей удельного сопротивления является ом-метр.Если длина измеряется в сантиметрах, удельное сопротивление может быть выражено в единицах ом-сантиметр.

Удельное сопротивление исключительно хорошего электрического проводника, такого как жестко вытянутая медь, при 20 ° C (68 ° F) составляет 1,77 × 10 8 Ом-метр, или 1,77 × 10 6 Ом-сантиметр. С другой стороны, электрические изоляторы имеют удельное сопротивление в диапазоне от 10 1 2 до 10 2 0 Ом-метров.

Значение удельного сопротивления зависит также от температуры материала; в таблицах удельных сопротивлений обычно указаны значения при 20 ° C.Сопротивление металлических проводников обычно увеличивается с повышением температуры; но удельное сопротивление полупроводников, таких как углерод и кремний, обычно уменьшается с повышением температуры.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Электропроводность — это величина, обратная сопротивлению, и она также характеризует материалы на основе того, насколько хорошо в них протекает электрический ток. Единица измерения проводимости метр-килограмм-секунда — это mho на метр или ампер на вольт-метр.Хорошие электрические проводники имеют высокую проводимость и низкое удельное сопротивление. Хорошие изоляторы или диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление и низкую проводимость. У полупроводников оба промежуточных значения.

Библиотека TLP Введение в термическую и электрическую проводимость

Щелкните здесь для просмотра актуальных (непечатаемых) страниц TLP.

Примечание. Пакеты обучения и обучения DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. Д.) Печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

Содержание

  • Цели
  • Перед тем, как начать
  • Введение
  • Введение в проводимость
  • Металлы: модель электропроводности Друде
  • Факторы, влияющие на электрическую проводимость
  • Металлы теплопроводные
  • Электропроводность: неметаллы
  • Неметаллы: тепловые фононы
  • Приложения
  • Сводка
  • Вопросы
  • Дальше

Цели

По завершении этого пакета TLP вам необходимо:

  • Понимать основные механизмы и модели теплопроводности и теплопроводности металлов и неметаллов.
  • Помните о некоторых факторах, которые влияют на оба типа проводимости.
  • Знайте некоторые области применения обоих типов проводников и изоляторов.

Перед тем, как начать

Этот TLP является введением, поэтому никаких специальных знаний не требуется. Однако есть и другие TLP, которые охватывают более сложные темы, такие как полупроводники, ссылки на которые приведены в разделе для дальнейшего чтения.

Введение

Электропроводность охватывает невероятно большой порядок величин (30!) От изоляторов до металлов и даже может быть бесконечным в сверхпроводниках.Знание того, как управлять им, привело к компьютерной революции и постоянно увеличивающейся миниатюризации

Теплопроводность, хотя для известных материалов она составляет всего около 10 порядков величины, по-прежнему имеет решающее значение для многих важных технологических достижений, от реактивных турбин и космических путешествий до USB-холодильников для напитков.

Чтобы по-настоящему оценить эти достижения, важно понимать, как возникает проводимость в материалах. Существуют простые модели, которые можно использовать для прогнозирования поведения многих материалов; между теплопроводностью и электропроводностью в металлах существуют близкие параллели, в то время как механизмы проводимости в неметаллах совершенно разные.

Введение в проводимость

Электропроводность

Важно не запутаться в проводимости, проводимости, сопротивлении и удельном сопротивлении.

Свойства материалов: электропроводность σ и удельное электрическое сопротивление ρ

Электропроводность материала определяется как количество электрического заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади под действием единичного градиента потенциала: J = σ E

где J — плотность тока (ток на единицу площади), а E — градиент потенциала.Это еще один способ выражения закона Ома, который чаще выражается как \ (V = I R \).

Для изотропного материала:

\ [\ sigma = \ frac 1 \ rho \]

Единицами измерения удельного электрического сопротивления являются омметр ( Ом · м ), а для проводимости — обратная величина ( Ом -1 м -1 ). Для фактического образца длиной l и площадью поперечного сечения A сопротивление R рассчитывается по формуле:

\ [R = \ rho \ frac l A \]

Электрические сигналы распространяются со скоростью, близкой к скорости света, хотя , а не означает, что сами электроны движутся так быстро.Вместо этого типичная дрейфовая скорость электронов (их средняя скорость) намного ниже: менее 1 мм с -1 . Это подробно описано в разделе моделей Друде.

Еще одно уместное напоминание о потенциале и токе: ток — это поток электронов, а потенциал — это движущая сила, заставляющая их течь. Обладая достаточным потенциалом, электроны могут переносить заряд через любой материал, включая вакуум (см. ЭЛТ), хотя они бессильны без какого-либо чистого тока.

Лучшие электрические проводники (кроме сверхпроводников) — это чистая медь и чистое серебро с удельным сопротивлением 16,78 и 15,87 нОм соответственно. Для сравнения, полистирол имеет удельное сопротивление до 10 28 нОм, что на 27 порядков отличается!

Теплопроводность:

Чтобы понять теплопроводность материалов, важно знать концепцию теплопередачи, которая представляет собой движение тепловой энергии от более горячего тела к более холодному.Это происходит при нескольких обстоятельствах:

  • Когда объект имеет температуру, отличную от окружающей его температуры;
  • Когда объект имеет температуру, отличную от температуры другого объекта, контактирующего с ним;
  • Когда существует температурный градиент внутри объекта.

Направление теплопередачи определяется вторым законом термодинамики, который гласит, что энтропия изолированной системы, которая не находится в тепловом равновесии, будет со временем увеличиваться, приближаясь к максимальному значению в состоянии равновесия.Это означает, что передача тепла всегда происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой и будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Передача тепловой энергии происходит только через 3 режима: теплопроводность, конвекция и излучение. Каждый режим имеет свой механизм и скорость передачи тепла, и, таким образом, в любой конкретной ситуации скорость передачи тепла зависит от того, насколько преобладает определенный режим.

Проводимость включает в себя передачу тепловой энергии за счет комбинации диффузии электронов и фононных колебаний — применимо к твердым телам.

Конвекция включает передачу тепловой энергии в движущейся среде — горячий газ / жидкость движется через более холодную среду (обычно из-за разницы в плотности).

Излучение включает передачу тепловой энергии электромагнитным излучением. Солнце — хороший пример передачи энергии через (близкий) вакуум.

Этот TLP фокусируется на проводимости в кристаллических твердых телах.

Теплопроводность, Κ, — это свойство материала, которое указывает на способность проводить тепло.Согласно первому закону Фурье тепловой поток пропорционален разности температур, площади поверхности и длине образца:

\ [H = \ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} = \ kappa A \ frac {\ Delta T} {l} \]

где ΔQ / Δt — скорость теплопередачи, A — площадь поверхности, l — длина.

Лучшие металлические теплопроводники — это чистая медь и серебро. При комнатной температуре технически чистая медь обычно имеет проводимость около 360 Вт · м -1 K -1 (хотя теплопроводность монокристалла меди была измерена при 12 200 Вт · м -1 K -1 при температура 20.8 К). В металлах движение электронов преобладает над теплопроводностью.

Основной материал с самой высокой теплопроводностью (помимо сверхтекучего гелия II), что, возможно, удивительно, является неметаллом: чистый монокристаллический алмаз, который имеет теплопроводность при комнатной температуре около 2200 Вт · м -1 K -1 . Высокая проводимость используется даже для проверки подлинности алмаза. Сильные ковалентные связи внутри молекулы ответственны за высокую проводимость, хотя свободных электронов нет, тепло передается фононами.Большинство природных алмазов также содержат атомы бора, которые заменяют атомы углерода в кристаллической матрице, которые также обладают высокой теплопроводностью.

Металлы: модель электропроводности Друде

Из-за квантово-механической природы электронов полное моделирование движения электронов в твердом теле (т. Е. Проводимости) потребует рассмотрения не только всех остовов положительных ионов, взаимодействующих с каждым электроном, , но также каждого электрона с каждым другим электроном .Даже с продвинутыми моделями это быстро становится слишком сложным для адекватного моделирования материала макроскопического масштаба.

Модель Друде значительно упрощает ситуацию за счет использования классической механики и рассматривает твердое тело как фиксированный массив ядер в «море» несвязанных электронов. Кроме того, электроны движутся по прямым линиям, не взаимодействуют друг с другом и случайным образом рассеиваются ядрами.

Вместо моделирования всей решетки используются два статистически полученных числа:
τ , среднее время между столкновениями (время рассеяния , ) и
l , среднее расстояние, пройденное между столкновениями (среднее свободное расстояние ). путь )

Под действием поля E электроны испытывают силу –e E, и, таким образом, ускорение от F = m a

Для электрона, выходящего из столкновения со скоростью v 0 , скорость по истечении времени t определяется как:

\ [v = v_ {0} — \ frac {eEt} {m} \]

Конечно, если электроны рассеиваются случайным образом при каждом столкновении, v 0 будет равно нулю.{2} \ tau E} {m} \]

Проводимость σ = n e μ, где μ — подвижность , которая определяется как

\ [\ mu = \ frac {| v |} {E} = \ frac {eE \ tau} {mE} = \ frac {e \ tau} {m} \]

Конечный результат всей этой математики — разумное приближение проводимости ряда одновалентных металлов. При комнатной температуре, используя кинетическую теорию газов для оценки скорости дрейфа, модель Друде дает σ ~ 10 6 Ом -1 м -1 .Это примерно правильный порядок величины для многих одновалентных металлов, таких как натрий ( σ ~ 2,13 × 10 5 Ом -1 м -1 ).

Модель Друде можно визуализировать с помощью следующего моделирования. В отсутствие приложенного поля видно, что электроны движутся беспорядочно. Используйте ползунок, чтобы применить поле, чтобы увидеть его влияние на движение электронов.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Однако важно отметить, что для неметаллов, многовалентных металлов и полупроводников модель Друде с треском проваливается. Чтобы иметь возможность более точно предсказать проводимость этих материалов, требуются квантово-механические модели, такие как модель почти свободных электронов. Это выходит за рамки настоящего TLP

. Сверхпроводники

также не объясняются такими простыми моделями, хотя дополнительную информацию можно найти на сайте Superconductivity TLP.

Факторы, влияющие на электрическую проводимость

Электропроводность большинства металлических проводников (не полупроводников!) Легко определить.Есть три важных случая:

Чистые и почти чистые металлы

Для чистых металлов при температуре около комнатной удельное сопротивление линейно зависит от температуры.

\ [\ rho_2 = \ rho_1 [1 + \ alpha (T_2 — T_1)] \]

Однако при низких температурах проводимость перестает быть линейной (сверхпроводники рассматриваются отдельно), а удельное сопротивление связано с температурой по правилу Маттизена:

\ [\ rho (T) = {\ rho _ {{\ rm {defect}}}} + {\ rho _ {{\ rm {Thermal}}}} \]

Низкотемпературное удельное сопротивление (\ ({\ rho _ {{\ rm {defect}}}} \)) зависит от концентрации дефектов решетки, таких как дислокации, границы зерен, вакансии и межузельные атомы.Следовательно, оно ниже в отожженных металлических образцах с крупными кристаллами и выше в сплавах и закаленных металлах. Вы можете подумать, что при более высоких температурах электроны будут иметь больше энергии, чтобы двигаться через материал, поэтому, возможно, довольно удивительно, что удельное сопротивление увеличивается (а, следовательно, и проводимость уменьшается) с увеличением температуры. Причина этого в том, что с повышением температуры электроны чаще рассеиваются на колебаниях решетки или фононах, что приводит к увеличению удельного сопротивления.Этот вклад в удельное сопротивление описывается ρ термическим .

Температурная зависимость проводимости чистых металлов схематично проиллюстрирована в следующем моделировании. Используйте ползунок, чтобы изменить температуру, чтобы увидеть, как это влияет на движение электронов через решетку. Вы также можете ввести межузельные атомы, щелкнув мышью внутри решетки.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Сплавы — твердый раствор

Как и раньше, добавление примеси (в данном случае другого элемента) снижает проводимость. Для твердого раствора изменение удельного сопротивления в зависимости от состава определяется правилом Нордхейма:

\ [\ rho = \ chi _ {\ alpha} \ rho _ {\ alpha} + \ chi _ {\ beta} \ rho _ {\ beta} + C \ chi _ {\ alpha} \ chi _ {\ beta} \]

, где C — константа, CA и CB — атомные доли металлов A и B, удельные сопротивления которых равны ρA и ρB соответственно.2 \]

, где ΔZ — разность валентностей растворенного вещества и растворителя.

Таким образом, растворенные атомы с более высоким (или более низким) зарядом, чем решетка, будут иметь большее влияние на удельное сопротивление.

Сплавы — многофазные

Для сплава, в котором есть две или более различных фаз, вклады просто линейно влияют на общее удельное сопротивление (хотя влияние многих границ зерен немного увеличивает удельное сопротивление).

\ [\ rho = \ chi_ \ alpha \ rho_ \ alpha + \ chi_ \ beta \ rho_ \ beta \]

Следующая анимация иллюстрирует правило Маттейзена, правило Нордхейма и правило смешения.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 8 и более поздних версий, который можно скачать здесь.

Металлы теплопроводности

Металлы обычно имеют относительно высокую концентрацию свободных электронов проводимости, и они могут передавать тепло при движении через решетку. Фононная проводимость также имеет место, но эффект перекрывается электронной проводимостью.

Следующая симуляция показывает, как электроны могут проводить тепло, сталкиваясь с ядрами и передавая тепловую энергию.Нажмите кнопку «источник», чтобы приложить источник тепла к одной стороне образца. График покажет температурный градиент внутри образца, и вы также можете применить радиатор к противоположной стороне образца, используя кнопку «сток».

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Закон Видеманна-Франца

Так как преобладающий метод теплопроводности у металлов одинаковый для теплопроводности и электропроводности (т.{- 2}} \]

Этот закон можно объяснить тем фактом, что свободные электроны в металле участвуют в механизмах переноса тепла и электричества. Теплопроводность увеличивается со средней скоростью электронов, так как это увеличивает прямой перенос энергии. Однако электропроводность уменьшается с увеличением скорости частиц, поскольку столкновения отвлекают электроны от прямого переноса заряда.

Электропроводность: неметаллы

Хотя модель Друде достаточно хорошо работает для одновалентных металлов, она не предсказывает свойства полупроводников, сверхпроводников или неметаллических проводников.

Сверхпроводники и полупроводники лучше всего объясняются в их собственных TLP.

Ионная проводимость

Для некоторых материалов нет чистого движения электронов, но они по-прежнему проводят электричество.

Это механизм ионной проводимости, при котором некоторые заряженные ионы могут перемещаться через объемную решетку (с помощью обычных механизмов диффузии, за исключением движущей силы электрического поля).

Такие ионные проводники используются в твердооксидных топливных элементах, хотя, например, для оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YZT), рабочие температуры составляют от 500 до 1000 градусов C.Поскольку они действуют по механизму, подобному диффузии, более высокие температуры приводят к более высокой проводимости, что противоположно тому, что предсказывала бы простая модель Друде.

Напряжение пробоя

Существует важный и потенциально смертельный механизм, благодаря которому изолятор может стать проводящим. В воздухе — это молния. Следует отметить, что механизм может ионизировать «изолятор», делая его временно более проводящим.

Газы обычно ионизируются в бытовых осветительных приборах.Наиболее распространены люминесцентные лампы и неоновые лампы.

Для первоначального возбуждения паров ртути в свете люминесцентной лампы необходим всплеск напряжения, превышающий напряжение пробоя. Это можно заметить при включении такой лампы, как внезапное возгорание с соответствующим всплеском радиопомех. Неисправная трубка может не полностью ионизироваться, что приводит к слабому свечению на концах.

Под высоким напряжением может проводиться даже оргстекло. Временно ионизированный путь непрозрачен при охлаждении, что дает в данном случае фигуру Лихтенберга. Изображение «Фигура Лихтенберга» от Берт Хикман

Более подробная информация доступна на странице Dielectrics TLP в разделе

.

Неметаллы: тепловые фононы

Как упоминалось ранее, металлы имеют два режима теплопроводности: на основе электронов и на основе фононов. Для неметаллов имеется относительно мало свободных электронов, поэтому преобладает фононный метод.

Тепло можно рассматривать как меру энергии колебаний атомов в материале.Как и все вещи в атомном масштабе, здесь есть квантово-механические соображения; энергия каждой вибрации квантована (и пропорциональна частоте). Фонон — это квант колебательной энергии, и за счет комбинации (суперпозиции) многих фононов тепло наблюдается макроскопически.

Энергия данного колебания решетки в жесткой кристаллической решетке квантована в квазичастицу, называемую фононом . Это аналог фотона в электромагнитной волне; тепловые колебания в кристаллах можно описать как термически возбужденные фононы, которые можно отнести к термически возбужденным фотонам.Фононы являются основным фактором, определяющим электрическую и теплопроводность материала.

Фонон — это квантово-механическая адаптация нормальных модальных колебаний в классической механике. Ключевым свойством фононов является дуальность волна-частица; нормальные моды имеют волновые явления в классической механике, но приобретают поведение, подобное частицам, в квантовой механике.

Энергия фонона пропорциональна его угловой частоте ω:

\ [\ varepsilon = (n + \ frac {1} {2}) \ hbar \ omega \]

с квантовым числом n .Член \ (\ frac {1} {2} \ hbar \ omega \) — это энергия нулевой точки моды. Это определяется как минимально возможная энергия, которой обладает система, и является энергией основного состояния.

Если твердое тело имеет более одного типа атомов в элементарной ячейке, будет два возможных типа фононов: «акустические» и «оптические» фононы. Частота акустических фононов примерно равна частоте звука, а частота оптических фононов близка к частоте инфракрасного света. Их называют оптическими, поскольку в ионных кристаллах они легко возбуждаются электромагнитным излучением.

Если кристаллическая решетка имеет нулевую температуру, она находится в основном состоянии и не содержит фононов. Когда решетка нагревается и поддерживается при ненулевой температуре, ее энергия не постоянна, а колеблется случайным образом около некоторого среднего значения. Эти флуктуации энергии вызваны случайными колебаниями решетки, которую можно рассматривать как газ фононов. Поскольку температура решетки порождает эти фононы, их иногда называют тепловыми фононами . Тепловые фононы могут создаваться или разрушаться случайными колебаниями энергии.

Принято считать, что фононы тоже имеют импульс и, следовательно, могут проводить энергию через решетку. В отличие от электронов, существует чистое движение фононов — от более горячей части решетки к более холодной, где они разрушаются. Электроны должны сохранять нейтральность заряда в решетке, поэтому нет чистого движения электронов во время теплопроводности.

Следующая симуляция показывает схематические оптические и акустические фононы в двумерной решетке и дает возможность анимировать двумерный волновой вектор, определяемый щелчком внутри зеленого поля.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Рассеяние Umklapp

Когда два фонона сталкиваются, образующийся фонон имеет векторную сумму их импульсов. Способ обработки частиц, движущихся в решетке квантово-механическим способом в рамках схемы редуцированных зон (которая выходит за рамки данной TLP, но более подробно исследуется в TLP зон Бриллюэна), приводит к концептуально странному эффекту. Если импульс слишком велик (за пределами первой зоны Бриллюэна), то образующийся фонон движется почти в противоположном направлении.Это Umklapp scattering , оно преобладает при более высоких температурах, снижая теплопроводность при повышении температуры.

Приложения

Кремниевые чипы

Поскольку электрические свойства меняются в зависимости от микроструктуры, был разработан тип компьютерной памяти, называемый памятью с произвольным доступом с фазовым переходом (PC-RAM). Используемый материал представляет собой халькогенид, обозначаемый как GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 ).

Аморфное состояние является полупроводником, а в (поли) кристаллической форме — металлическим.Нагревание выше точки стеклования, но ниже точки плавления приводит к кристаллизации ранее полупроводниковой аморфной ячейки. Точно так же, полностью расплавившись, а затем быстро охлаждая клетку, она остается в металлическом кристаллическом состоянии.

Это изменение удельного сопротивления в зависимости от микроструктуры имеет решающее значение для работы таких устройств. Варьируя условия нагрева, различная пропорция каждой ячейки GST может быть кристаллической и аморфной — правило смеси применяется, поскольку фактически это две фазы.Это позволяет использовать несколько различимых уровней сопротивления для каждой ячейки, увеличивая плотность хранения и снижая стоимость мегабайта.

Наиболее распространенной проблемой кремниевых устройств является рассеивание тепла.

Современный процессор имеет расчетную тепловую мощность более 70 Вт (Intel i7 3770, процесс 22 нм). Охладитель должен отводить указанное количество тепла с поверхности кристалла, которое обычно составляет менее 10 см. 2 . Обычно радиаторы имеют медный блок, прикрепленный к корпусу микропроцессора с помощью термопасты и давления.Основная часть радиатора обычно делается из гораздо более дешевого алюминия, хотя для интерфейса необходима высокая теплопроводность меди. Термопаста, хотя и является лучшим проводником тепла, чем воздух, намного хуже, чем большинство металлов, поэтому ее используют только в качестве тонкого слоя для замены воздушных зазоров.

Электропроводность — не самый эффективный метод отвода тепла к отдельному радиатору, поэтому можно использовать конвекцию и скрытую теплоту испарения. Тепловые трубки, обычно сделанные из меди, заполнены жидкостью с низкой температурой кипения, которая кипит на горячем конце и конденсируется на холодном конце трубы.Это гораздо более быстрый способ передачи тепла на большие расстояния.

Космос

Теплоизоляторы находят множество применений, разработка которых связана с попытками улучшить объемные механические свойства при сохранении изоляционных свойств (т. Е. Не пропускает тепло, но не плавится)

Особенно известное применение теплоизоляции — это (ныне снятые с производства) плитки космических челноков, которые отвечают за защиту челнока во время повторного входа в атмосферу.Они такие хорошие изоляторы, что снаружи они могут раскалиться докрасна, а внутри шаттла астронавты еще живы.

Одним из лучших теплоизоляторов является кремнеземный аэрогель.

Аэрогель — это твердотельный материал с чрезвычайно низкой плотностью, сделанный из геля, в котором жидкая фаза геля заменена газом. В результате получается твердое тело с чрезвычайно низкой плотностью, что делает его эффективным теплоизолятором.

Одно применение аэрогелей — это легкий коллектор микрометеоритов, использовался аэрогель.Хотя он чрезвычайно легкий, он достаточно силен, чтобы улавливать микрометеоры.

Спички остаются холодными в миллиметрах от паяльной лампы, большой массив аэрогелевых кирпичей готов к запуску в космос, а образовавшаяся космическая пыль фотографируется по возвращении на Землю

Aerogels могут изготавливаться из различных материалов, но имеют универсальную структуру. (аморфные «нано-пены» с открытыми ячейками). Однако обычно используется силикат. Аэрогели кремнезема были впервые открыты в 1931 году.

Аэрогели обладают экстремальной структурой и экстремальными физическими свойствами. Высокопористая природа структуры аэрогеля обеспечивает низкую плотность. Процент открытого пространства в структуре аэрогеля составляет около 94% для геля плотностью 100 кг / м 3 .

Аэрогели являются хорошими теплоизоляторами, поскольку они исключают три метода передачи тепла (конвекцию, теплопроводность и излучение). Они являются хорошими конвективными изоляторами благодаря тому, что воздух не может циркулировать по решетке.Кремнеземный аэрогель является особенно хорошим проводящим изолятором, потому что кремнезем плохо проводит тепло — металлический аэрогель, с другой стороны, был бы менее эффективным изолятором. Углеродный аэрогель является эффективным радиационным изолятором, поскольку углерод способен поглощать инфракрасное излучение, которое передает тепло. Следовательно, для максимальной теплоизоляции лучший аэрогель — это кремнезем, легированный углеродом.

Трансмиссия

Одно из самых масштабных применений электрических проводников — передача энергии.

К сожалению, свойства, которые желательны для прочного кабеля, кажутся противоположными свойствам хорошего проводника.

Алюминиевые сплавы могут быть очень прочными из-за своей плотности, но, согласно правилу Нордхейма, они намного хуже проводят.

Существует огромное множество сталей, но, опять же, межузельные атомы углерода увеличивают сопротивление по сравнению с чистым железом. Это означает, что необходим кабель большего диаметра, который из-за плотности стали оказывается очень тяжелым и дорогим.Более тяжелый кабель также означает, что мы должны построить дополнительные пилоны, что составляет большую часть стоимости.

Медь, хотя и подходит для домашней электропроводки, является плотной и все более дорогой.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Для большинства воздушных силовых кабелей решением является использование двух материалов — стальной жилы, окруженной множеством отдельных алюминиевых жил. Это позволяет получить легкие, высокопрочные кабели с приемлемой проводимостью.

Сверхпроводники

были испытаны для передачи энергии, но только под землей, и при значительно более высокой стоимости (и эффективности!).

Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне устройства разная температура. Он также может работать «в обратном направлении», поэтому, когда на него подается напряжение, создается разница температур.Этот эффект можно использовать для выработки электричества, измерения температуры, охлаждения объектов или их нагрева. Поскольку знак приложенного напряжения определяет направление нагрева и охлаждения, термоэлектрические устройства представляют собой очень удобные регуляторы температуры.

Эффект Пельтье заключается в том, что когда (постоянный) ток течет через переход металл-полупроводник, тепло либо поглощается, либо выделяется. Это связано с тем, что средняя энергия электронов в двух материалах различается, и это различие компенсируется теплом.

Для более полного понимания требуется знание зонной структуры, более подробно рассмотренной в TLP по полупроводникам.

Примечание. Для этой анимации требуется Adobe Flash Player 10 и более поздних версий, который можно загрузить здесь.

Сводка

Мы рассмотрели основы электрической и теплопроводности, а также некоторые из наиболее распространенных приложений. Вы должны понимать роль электронов и фононов в теплопроводности, а также то, как взаимодействия между ними приводят к изменению электропроводности с температурой.Вы должны понимать, что металлы имеют больше механизмов теплопередачи, чем их неметаллические аналоги, что объясняет, почему они имеют более высокую теплопроводность. Кроме того, этот TLP должен был затронуть некоторые из основных применений тепловых и электрических проводников и изоляторов. Наконец, связь между теплопроводностью и электропроводностью металлов была установлена, включая закон Видемана-Франца.

Суммируя факторы, влияющие на проводимость:

  • Температура — при повышении температуры увеличивается средняя энергия, приходящаяся на один фонон, и благодаря механизму перебросного рассеяния теплопроводность уменьшается.Фононы также больше рассеивают электроны.
  • Плотность электронов (в металлах) — если электроны являются проводниками, большее количество (валентных) электронов обычно приводит к лучшей проводимости.
  • Легирование — межузельные частицы рассеивают электроны и уменьшают проводимость. Фазовые границы, примеси, дислокации и т. Д. Снижают проводимость даже при низкой температуре.

Вопросы

Быстрые вопросы

Вы сможете без особого труда ответить на эти вопросы после изучения данного TLP.Если нет, то вам следует пройти через это еще раз!

  1. Для фононов нормальные моды

  2. Каким образом кристаллические решетки влияют на электроны, исходя из предположений модели свободных электронов?

  3. Разброс Umklapp:

  4. Что из следующего верно согласно закону Видемана-Франца?

  5. Какие из следующих утверждений об электропроводности почти чистых материалов верны?

  6. Какой из них является правильным с точки зрения электропроводности от лучшей к худшей (предполагается, что это чистые материалы)?

    Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K.
    b Ag при 300K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 4K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
    с Nb 3 Sn при 4K, Ag при 300K, Cu при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 300K.
    d Nb 3 Sn при 300K, Cu при 300K, Ag при 300K, Au при 300K, Nb 3 Sn при 4K.
    e Nb 3 Sn при 4K, Cu при 300K, Nb 3 Sn при 300K, Ag при 300K, Au при 300K.

Далее

Книги

Курс химии A NST IB и / или курс физики NST IB также более подробно рассматривают проведение.

Сайты

Академический консультант: Джесс Гвинн (Кембриджский университет)
Разработка контента: Эндрю Витти
Фотография и видео:
Веб-разработка: Лианн Сэллоус и Дэвид Брук

DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материаловедения и кафедра материаловедения и металлургии, Кембриджский университет


Объемное сопротивление: удельное электрическое сопротивление пластика


Объемное сопротивление полимерного материала измеряет, насколько сильно пластиковый материал противостоит прохождению электрического тока через объем кубического образца.Чем ниже удельное сопротивление, тем выше проводимость (электрические заряды имеют слабое сопротивление циркуляции).

Он также известен как удельное электрическое сопротивление, объемное сопротивление, удельное электрическое сопротивление, удельное объемное сопротивление или просто удельное сопротивление.

Объемное сопротивление измеряется в единицах: ом — метр (Ом-м или Ом-см).

»Ниже 10 5 Ом.см материал считается проводящим.
»Свыше 10 9 Ом.см материал рассматривается как электроизолятор.

Узнайте больше об объемном сопротивлении:

»Значения объемного сопротивления некоторых пластмасс
» Важность объемного сопротивления
»Как измерить объемное сопротивление?
»Объемное сопротивление относительно поверхностного сопротивления
» Факторы, влияющие на сопротивление изоляции

Важность объемного сопротивления


Удельное сопротивление объемов можно использовать в качестве вспомогательного средства при проектировании изолятора для конкретного применения.Изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры и влажности может быть значительным и должно быть известно при проектировании для рабочих условий.

Определение объемного удельного сопротивления часто используется для проверки однородности изоляционного материала в отношении:

»Обработка или
» Обнаружение проводящих примесей, влияющих на качество материала

Объемное удельное сопротивление выше 10 21 Ом · См (10 19 Ом · м), рассчитанные на основе данных, полученных на образцах, испытанных в обычных лабораторных условиях, имеют сомнительную достоверность, учитывая ограничения обычно используемого измерительного оборудования.

Области применения:
»Разработка изолятора для конкретного применения
» Экранирование проводящих паст
»Определение приложений для проводящих композитов

Как измерить объемное удельное сопротивление?


Наиболее распространенными методами испытаний для определения объемного удельного сопротивления пластмасс являются ASTM D257, ASTM D4496-04, ASTM D991-89 (2005) или IEC 60093 (конечно, существуют и другие методы!)

В обычном испытании Образец стандартного размера помещается между двумя электродами.В течение шестидесяти секунд подается напряжение и измеряется сопротивление. Затем рассчитывается объемное удельное сопротивление и дается кажущееся значение для времени электризации 60 секунд. В качестве образца для испытания предпочтительнее использовать 4-дюймовый диск.

Объемное удельное сопротивление по отношению к удельному сопротивлению поверхности


Сопротивление, оказываемое изоляционным материалом электрическому току, представляет собой сложный эффект объемного и поверхностного сопротивлений, которые всегда действуют параллельно.
  • Объемное сопротивление — это сопротивление утечке, если электрический ток проходит через тело материала.
    • Это во многом зависит от материала

  • С другой стороны, поверхностное сопротивление, то есть сопротивление утечке по поверхности материала, в значительной степени зависит от качества поверхности и чистоты.
    • Сопротивление поверхности снижается из-за масла или влаги на поверхности, а также из-за шероховатости поверхности
    • А, очень гладкая или полированная поверхность дает большее поверхностное сопротивление

Сопротивление изоляции диэлектрика выражается его «объемным удельным сопротивлением» и «поверхностным сопротивлением».

Диапазон объемных удельных сопротивлений различных материалов показан ниже в «Спектре удельного сопротивления»

.

Источник: Руководство по технологиям пластмасс, пятое издание


Значения для пластмасс обычно находятся в диапазоне от 10 10 Ом-см для ацетата целлюлозы до примерно 10 19 Ом-см для высокопроизводительного полистирола.

Факторы, влияющие на сопротивление изоляции


Сопротивление изоляции большинства пластиков зависит от температуры и относительной влажности атмосферы

Сопротивление изоляции заметно падает с повышением температуры или влажности


Даже PS, который имеет очень высокое сопротивление изоляции при комнатной температуре, обычно становится неудовлетворительным при температуре выше 80 ° C (176 ° F).В этих условиях больше подходят полимеры, такие как PTFE и PCTFE.

Пластмассы, обладающие высокой водостойкостью, относительно меньше подвержены влиянию высокой влажности.

Чем дольше подается напряжение (больше время электризации), тем выше измеряемое объемное удельное сопротивление.

Присутствие наполнителей в полимере влияет на объемное удельное сопротивление. Тип и количество наполнителя изменяют объемное удельное сопротивление.

Найдите товарные марки, соответствующие вашей цели, используя фильтр « Property Search — Объемное удельное сопротивление » в базе данных Omnexus Plastics:


Значения объемного удельного сопротивления некоторых пластмасс


Щелкните, чтобы найти полимер, который вы ищете:
A-C | E-M | PA-PC | PE-PL | ПМ-ПП | PS-X
Название полимера Мин. Значение (10 15 Ом.см) Макс.значение (10 15 Ом · см)
ABS — Акрилонитрилбутадиенстирол 14,0 16,0
ABS огнестойкий 14,0 15,0
ABS High Heat 16,0 16,0
АБС ударопрочный 16,0 16,0
Смесь АБС / ПК — Смесь акрилонитрилбутадиенстирола / поликарбоната 14.0 17,0
Смесь АБС / ПК, 20% стекловолокна 16,0 17,0
ABS / PC огнестойкий 16,0 17,0
ASA — Акрилонитрил-стиролакрилат 14,0 15,0
Смесь ASA / PC — Смесь акрилонитрил-стиролакрилата / поликарбоната 13,05 15,0
ASA / PC огнестойкий 14.0 14,0
CA — Ацетат целлюлозы 12,0 12,0
CAB — бутират ацетата целлюлозы 13,0 13,0
CP — пропионат целлюлозы 11,0 11,0
COC — Циклический олефиновый сополимер 14,0 15,0
ХПВХ — хлорированный поливинилхлорид 15,0 16.0
ECTFE — этиленхлортрифторэтилен 16,0 16,0
ETFE — этилентетрафторэтилен 15,0 17,0
EVA — этиленвинилацетат 15,0 15,0
EVOH — Этиленвиниловый спирт 12,0 13,0
FEP — фторированный этиленпропилен 17,0 18.0
HDPE — полиэтилен высокой плотности 16,0 18,0
HIPS — ударопрочный полистирол 16,0 16,0
HIPS огнестойкий V0 15,0 16,0
Иономер (сополимер этилена и метилакрилата) 16,0 16,0
LCP — Жидкокристаллический полимер 16,0 16,0
LCP, армированный углеродным волокном -1.0 -8,0
LCP армированный стекловолокном 15,0 15,0
LCP Минеральное наполнение 12,0 16,0
LDPE — полиэтилен низкой плотности 0,917 0,940
LLDPE — линейный полиэтилен низкой плотности 16,0 18,0
MABS — Прозрачный акрилонитрилбутадиенстирол 13.0 14,0
PA 46 — Полиамид 46 15,0 15,0
PA 46, 30% стекловолокно 10,0 13,0
PA 6 — Полиамид 6 14,0 14,0
PA 6-10 — Полиамид 6-10 14,0 14,0
PA 66 — Полиамид 6-6 14,0 14,0
PA 66, 30% стекловолокно 13.0 13,0
PA 66, 30% Минеральное наполнение 12,0 15,0
PA 66, ударно-модифицированная, 15-30% стекловолокна 12,0 13,0
PA 66, модифицированный при ударе 11,0 15,0
PAI — Полиамид-имид 12,0 17,0
PAI, 30% стекловолокно 14,0 17,0
PAR — Полиарилат 16.0 17,0
PARA (Полиариламид), 30-60% стекловолокна 15,0 15,0
PBT — полибутилентерефталат 14,0 17,0
PBT, 30% стекловолокно 16,0 16,0
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно 15,0 16,0
ПК (поликарбонат) 20-40% стекловолокно огнестойкое 15.0 17,0
PC — Поликарбонат, жаропрочный 15,0 16,0
Смесь ПК / ПБТ — Смесь поликарбоната / полибутилентерефталата 16,0 17,0
Смесь ПК / ПБТ, со стеклянным наполнением 15,0 16,0
PCTFE — Полимонохлортрифторэтилен 14,0 15,0
PE — Полиэтилен 30% стекловолокно 16.0 16,0
PEEK — Полиэфирэфиркетон 16,0 17,0
PEEK, армированный 30% углеродным волокном 1,0 8,0
PEEK, армированный 30% стекловолокном 15,0 16,0
PEI — полиэфиримид 5,0 18,0
PEI, 30% армированный стекловолокном 15,0 16,0
PEKK (Полиэфиркетонекетон), с низкой степенью кристалличности 1.0 1,0
PESU — Полиэфирсульфон 15,0 17,0
PESU 10-30% стекловолокно 15,0 16,0
ПЭТ — полиэтилентерефталат 16,0 16,0
ПЭТ, 30% армированный стекловолокном 15,0 16,0
ПЭТ, армированный стекловолокном на 30/35%, модифицированный при ударе 0,0 2.0
PFA — перфторалкокси 16,0 18,0
PGA — Полигликолиды 1,400 1,600
PI — Полиимид 14,0 18,0
PMMA — Полиметилметакрилат / акрил 14,0 16,0
PMMA (акрил) High Heat 15,0 15,0
ПММА (акрил) с модифицированным ударным воздействием 14.0 16,0
PMP — Полиметилпентен 16,0 18,0
PMP, армированный 30% стекловолокном 16,0 17,0
PMP Минеральное наполнение 16,0 16,0
ПОМ — Полиоксиметилен (Ацеталь) 14,0 15,0
ПОМ (Ацеталь) с модифицированной ударной нагрузкой 15,0 16,0
ПОМ (Ацеталь) с низким коэффициентом трения 15.0 16,0
PP — полипропилен 10-20% стекловолокно 16,0 17,0
ПП, 10-40% минерального наполнителя 16,0 17,0
ПП, наполненный тальком 10-40% 16,0 17,0
PP, 30-40% армированный стекловолокном 16,0 17,0
Сополимер PP (полипропилен) 16,0 18.0
Гомополимер PP (полипропилен) 16,0 18,0
ПП, модифицированный при ударе 16,0 18,0
PPA — полифталамид 15,0 15,0
PPA, 30% минеральное наполнение 14,0 16,0
PPA, усиленный стекловолокном на 33% — High Flow 14,0 16,0
PPA, 45% армированный стекловолокном 14.0 16,0
PPE — Полифениленовый эфир 15,0 16,0
PPE, 30% армированные стекловолокном 15,0 16,0
СИЗ, огнестойкий 15,0 16,0
PPS — полифениленсульфид 15,0 16,0
PPS, 20-30% армированный стекловолокном 16,0 16,0
PPS, армированный 40% стекловолокном 16.0 16,0
PPS, проводящий 1,0 3,0
PPS, стекловолокно и минеральное наполнение 15,0 16,0
PPSU — полифениленсульфон 14,0 16,0
ПС (полистирол) 30% стекловолокно 16,0 16,0
ПС (полистирол) Кристалл 16,0 17,0
PS, высокая температура 16.0 16,0
PSU — Полисульфон 15,0 17,0
PSU, 30% усиленное стеклом 15,0 16,0
PSU Минеральное наполнение 16,0 16,0
PTFE — политетрафторэтилен 17,0 18,0
ПТФЭ, армированный стекловолокном на 25% 16,0 18,0
ПВХ (поливинилхлорид), армированный 20% стекловолокном 15.0 16,0
ПВХ, пластифицированный 10,0 16,0
ПВХ, пластифицированный наполнитель 10,0 16,0
ПВХ жесткий 15,0 16,0
ПВДХ — поливинилиденхлорид 15,0 16,0
PVDF — поливинилиденфторид 5,0 14,0
SAN — Стиролакрилонитрил 16.0 16,0
SAN, армированный стекловолокном на 20% 15,0 17,0
SMA — малеиновый ангидрид стирола 16,0 16,0
SMA, армированный стекловолокном на 20% 15,0 15,0
SMMA — метилметакрилат стирола 15,0 15,0
UHMWPE — сверхвысокомолекулярный полиэтилен 16.0 17,0

Найдите коммерческие марки, соответствующие вашей цели, используя фильтр « Property Search — Volume Resistivity » в базе данных Omnexus Plastics:




.
Провод

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *