Удельное сопротивление. Реостаты — урок. Физика, 8 класс.

Для рассмотрения характеристик электрических параметров рассмотрим назначение приборов:

1. сила тока в цепи определяется амперметров, который подключается последовательно с соблюдением полярности;
2. напряжение на участке цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно к тому участку или прибору, на котором нужно узнать разность потенциалов или напряжения;
3. на деревянной изолирующей подставке — устройство, имеющее провода с различными значениями сопротивления;
4. значение тока можно регулировать реостатом.

 

Эксперимент 1. В цепь источника тока по очереди будем включать различные проводники, например, никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины. Выполнив указанные опыты, мы установим, что из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление.
Эксперимент 2. По очереди будем включать никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения). Сопротивление проводника обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника: чем тоньше проводник, тем больше сопротивление.

Эксперимент 3. Изучим сопротивление двух проводников равной длины и толщины из разных материалов (никель и нихром). Сопротивление проводников отличается.

Впервые зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, и от длины проводника обнаружил немецкий физик Георг Ом. Он установил:

Сопротивление проводника напрямую зависит от его длины и материала,  но обратным образом зависит от площади поперечного сечения проводника.

 

Обрати внимание!

Из этого можно сделать вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т.е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт гораздо быстрее, чем по тонкой, т.е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т.е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

 

Удельное сопротивление проводника зависит от строения вещества. Электроны при движении внутри металлов взаимодействуют с атомами (ионами), находящимися в узлах кристаллической решётки. Чем выше температура вещества, тем сильнее колеблются атомы и тем больше удельное сопротивление проводников.

Удельное электрическое сопротивление — физическая величина \(\rho\), характеризующая свойство материала оказывать сопротивление прохождению электрического тока:
ρ=R⋅Sl, где удельное сопротивление проводника обозначается греческой буквой \(\rho\) (ро), \(l\) — длина проводника, \(S\) — площадь его поперечного сечения.

Определим единицу удельного сопротивления. Воспользуемся формулой ρ=R⋅Sl.

Как известно, единицей электрического сопротивления является \(1\) Ом, единицей площади поперечного сечения проводника — \(1\) м², а единицей длины проводника — \(1\) м. Подставляя в формулу, получаем:

1 Ом ⋅1м21 м=1 Ом ⋅1 м, т.е. единицей удельного сопротивления будет Ом⋅м.

 

На практике (например, в магазине при продаже проводов) площадь поперечного сечения проводника измеряют в квадратных миллиметрах, В этом случае единицей удельного сопротивления будет:

1 Ом ⋅1мм21 м, т.е. Ом⋅мм2м.

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых веществ при \(20\) °С.

 

Удельное сопротивление увеличивается пропорционально температуре.

При нагревании колебания ионов металлов в узлах металлической решётки увеличиваются, поэтому свободного пространства для передвижения электронов становится меньше. Электроны чаще отбрасываются назад, поэтому значение тока уменьшается, а значение сопротивления увеличивается.

 

Обрати внимание!

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. А это значит, что медь и серебро лучше остальных проводят электрический ток.

При проводке электрических цепей, например, в квартирах не используют серебро, т.к. это дорого. Зато используют медь и алюминий, так как эти вещества обладают малым удельным сопротивлением.

Порой необходимы приборы, сопротивление которых должно быть большим. В этом случаем необходимо использовать вещество или сплав с большим удельным сопротивлением. Например, нихром.

Полиэтилен, дерево, стекло и многие другие материалы отличаются очень большим удельным сопротивлением. Поэтому они не проводят электрический ток. Такие материалы называют диэлектриками или изоляторами.

 

Очень часто нам приходится изменять силу тока в цепи. Иногда мы ее увеличиваем, иногда уменьшаем. Водитель трамвая или троллейбуса изменяет силу тока в электродвигателе, тем самым увеличивая или уменьшая скорость транспорта. 

Реостат — это резистор, значение сопротивления которого можно менять.

Реостаты используют в цепи для изменения значений силы тока и напряжения.

Реостат на рисунке состоит из провода с большим удельным сопротивлением (никелин, нихром), по которому передвигается подвижный контакт \(C\) по длине провода, плавно изменяя сопротивление реостата. Сопротивление такого реостата пропорционально длине провода между подвижным контактом \(C\) и неподвижным \(A\). Чем длиннее провод, тем больше сопротивление участка цепи и меньше сила тока. С помощью вольтметра и амперметра можно проследить эту зависимость.

 

На школьных лабораторных занятиях используют переменное сопротивление — ползунковый реостат.

 

 

Он состоит из изолирующего керамического цилиндра, на который намотан провод с большим удельным сопротивлением. Витки проволоки должны быть изолированы друг от друга, поэтому либо проволоку обрабатывают графитом, либо оставляют на проволоке слой окалины. Сверху над проволочной обмоткой закреплен металлический стержень, по которому  перемещается ползунок. Контакты ползунка плотно прижаты в виткам и при движении изолирующий слой графиты или окалины стирается, и тогда электрический ток может проходить от витков проволоки к ползунку, через него подводиться к стержню, имеющему на конце зажим \(1\).

Для соединения реостата в цепь используют зажим \(1\) и зажим \(2\). Ток, поступая через зажим \(2\), идёт по никелиновой проволоке и через ползунок подаётся на зажим \(1\). Перемещая ползунок от \(2\) к \(1\), можно увеличивать длину провода, в котором течёт ток, а значит, и сопротивление реостата.

В электрических схемах реостат изображается следующим образом:

 

Как и любой электрический прибор, реостат имеет допустимое значение силы тока, свыше которого прибор может перегореть. Маркировка реостата содержит диапазон его сопротивления и максимальное допустимое значение силы тока.

Обрати внимание!

Сопротивление реостата нужно учитывать в параметрах электрической цепи. При минимальных значениях сопротивления ток в цепи может вывести из строя амперметр.

Существуют реостаты, в которых переключатель подключается на проводники заданной длины и сопротивления: каждая спираль реостата имеет определённое сопротивление. Поэтому плавно изменять силу тока с помощью такого прибора не получится.

 

 

Повторим формулы

Сопротивление проводника: R=ρ⋅lS

 

Из этой формулы можно выразить и другие величины:

 

l=R⋅Sρ, S=ρ⋅lR, ρ=R⋅Sl.

 

Сопротивление и удельное сопротивление

Физика > Сопротивление и удельное сопротивление

 

Рассмотрите удельное электрическое сопротивление проводника. Узнайте о влиянии характеристик материала на эквивалентное и удельное сопротивление, резисторы.

Сопротивление и удельное сопротивление характеризуют степень, в которой объект или материал препятствуют потоку электрического тока.

Задача обучения

• Выявить свойства материала, описываемые сопротивлением и удельным сопротивлением.

Основные пункты

• Сопротивление объекта основывается на его форме и материале.
• Удельное сопротивление (p) – неотъемлемое свойство материала и прямо пропорционально полному сопротивлению (R).
• Сопротивление отличается в зависимости от материалов. Также и резисторы располагаются на много порядков.
• Резисторы устанавливают последовательно или параллельно. Эквивалентное сопротивление сети резисторов отображает суммирование всего сопротивления.

Термины

• Параллельное эквивалентное сопротивление – сопротивление сети, где каждый резистор подвергается той же разности напряжения, что и токи сквозь них. Тогда обратное эквивалентное сопротивление равно сумме обратного сопротивления всех резисторов в сети.
• Эквивалентное сопротивление – сопротивление сети резисторов, установленных так, что напряжение по сети выступает суммой напряжения на каждом резисторе.
• Удельное сопротивление – степень, в которой материал сопротивляется электрическому потоку.

Сопротивление и удельное сопротивление

Сопротивление – электрическое свойство, создающее препятствия течению. Перемещающийся по проводу ток напоминает воду, текущую в трубе, а падение напряжения – перепад давления. Сопротивление выступает пропорциональным давлению, которое нужно для формирования конкретного потока, а проводимость пропорциональна скорости потока. Проводимость и сопротивление выступают соотносимыми.

Сопротивление основывается на форме и материале объекта. Легче всего рассматривать цилиндрический резистор и уже от него переходить к сложным формам. Электрическое сопротивление цилиндра (R) будет прямо пропорциональным длине (L). Чем длиннее, тем больше столкновений будет происходить с атомами.

Единый цилиндр с длиной (L) и площадью поперечного сечения (А). Сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению жидкости в трубе. Чем длиннее цилиндр, тем сильнее сопротивление. А вот с ростом площади поперечного сечения уменьшается сопротивление

Разные материалы гарантируют различное сопротивление. Определим удельное сопротивление (p) вещества так, чтобы сопротивление (R) было прямо пропорциональным p. Если удельное выступает неотъемлемым свойством, то простое сопротивление – внешнее.

Типичный осевой резистор

Что определяет удельное сопротивление проводника? Сопротивление в зависимости от материала может сильно отличаться. Например, у тефлона проводимость в 10³⁰ раз ниже, чем показатель меди. Откуда такое отличие? У металла наблюдается огромное количество делокализованных электронов, которые не задерживаются в конкретном месте, а свободно путешествуют на большие дистанции. Однако в изоляторе (тефлон) электроны тесно связаны с атомами и нужна серьезная сила, чтобы оторвать их. В некоторых керамических изоляторах можно встретить сопротивление больше 10¹² Ом. У сухого человека – 10⁵ Ом.

Разность напряжения в сети отображает сумму всех напряжений и общее сопротивление передается формулой:

R_eq = R₁ + R₂ + ⋯ + R_N.

Резисторы в параллельной конфигурации проходят сквозь одинаковую разность напряжения. Поэтому можно вычислить эквивалентное сопротивление сети:

1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + ⋯ + 1/R_N.

Параллельное эквивалентное сопротивление можно представить в формуле двумя вертикальными линиями или слешем (//). Например:

Каждое сопротивление R задается как R/N. Резисторная сеть отображает комбинацию параллельных и последовательных соединений. Ее можно разбить на более мелкие составляющие.

Эту комбинированную схему можно разбить на последовательные и параллельные компоненты

Некоторые сложные сети нельзя рассмотреть таким способом. Но нестандартное значение сопротивления можно синтезировать, если объединить несколько стандартных показателей последовательно и параллельно. Это также можно использовать для получения сопротивления с более высокой номинальной мощностью, чем у отдельных резисторов. В конкретном случае все резисторы подключены последовательно или параллельно и номинал индивидуальных умножается на N.

---

Удельное сопротивление: характеристики, особенности, материалы

Удельное сопротивление – это свойство материала, характеризующее его способность препятствовать прохождению электрического тока.

Характеристики электротехнических материалов

Главной характеристикой в электротехнике считается удельная электропроводность, измеряемая в См/м. Она служит коэффициентом пропорциональности между вектором напряжённости поля и плотностью тока. Обозначается часто греческой буквой гамма γ. Удельное сопротивление признано величиной, обратной электропроводности. В результате формула, упомянутая выше, обретает вид: плотность тока прямо пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды. Единицей измерения становится Ом м.

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд. Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине – подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано. С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

1. У проводников – менее 1/10000 Ом м.
2. У диэлектриков – свыше 100 млн. Ом м.
3. Полупроводники по значениям удельного сопротивления находятся между диэлектриками и проводниками.

Эти значения характеризуют исключительно способность тела сопротивляться прохождению электрического тока и не влияют на прочие аспекты (упругость, термостойкость). К примеру, магнитные материалы бывают проводниками, диэлектриками и полупроводниками.

Как образуется в материале проводимость

В современной физике сопротивление и проводимость принято объяснять зонной теорией. Она применима для твёрдых кристаллических тел, атомы решётки которого принимаются неподвижными. Согласно указанной концепции энергия электронов и прочих типов носителей заряда определяется установленными правилами. Выделяют три основные зоны, присущие материалу:

• Валентная зона содержит электроны, связанные с атомами. В этой области энергия электронов градируется ступенями, а число уровней ограничено. Внешняя из слоёв атома.
• Запрещённая зона. В этой области носители заряда находиться не вправе. Служит границей раздела двух других зон. У металлов часто отсутствует.
• Свободная зона расположена выше двух предыдущих. Здесь электроны участвуют свободно в создании электрического тока, а энергия любая. Нет уровней.

Диэлектрики характеризуются высочайшим расположением свободной зоны. При любых мыслимых на Земле естественных условиях материалы электрический ток не проводят. Велика ширина и запрещённой зоны. У металлов масса свободных электронов. А валентная зона одновременно считается областью проводимости – запрещённых состояний нет. В результате подобные материалы обладают малым удельным сопротивлением.

Расчёт уд. сопротивления

На границе контактов атомов образуются промежуточные энергетические уровни, возникают необычные эффекты, используемые физикой полупроводников. Неоднородности создаются намеренно внедрением примесей (акцепторов и доноров). В результате образуются новые энергетические состояния, проявляющие в процессе протекания электрического тока новые свойства, которыми не владел исходный материал.

У полупроводников ширина запрещённой зоны невелика. Под действием внешних сил электроны способны покидать валентную область. Причиной становится электрическое напряжение, нагрев, облучение, прочие типы воздействий. У диэлектриков и полупроводников по мере понижения температуры электроны переходят на пониженные уровни, в результате валентная зона заполняется, а зона проводимости остаётся свободна. Электрический ток не течёт. В соответствии с квантовой теорией класс полупроводников характеризуется как материалы с шириной запрещённой зоны менее 3 эВ.

Энергия Ферми

Важное место в теории проводимости, объяснениях явлений, происходящих в полупроводниках, занимает энергия Ферми. Скрытности добавляют туманную определения термина в литературе. В зарубежной литературе говорится, что уровень Ферми – некое значение в эВ, а энергия Ферми – разница между ним и наименьшим в кристалле. Приведём избранные общие и понятные предложения:

1. Уровень Ферми – максимальный из всех, присущих электрону в металлах при температуре 0 К. Следовательно, энергией Ферми считается разница между этой цифрой и минимальным уровнем при абсолютном нуле.
2. Энергетический уровень Ферми – вероятность нахождения электронов составляет 50% при всех температурах, кроме абсолютного нуля.

Энергия Ферми определятся исключительно для температуры 0 К, тогда как уровень существует при любых условиях. В термодинамике понятие характеризует полный химический потенциал всех электронов. Уровень Ферми определяют как работу, затраченную на дополнение объекта единственным электроном. Параметр определяет проводимость материала, помогает понять физику полупроводников.

Уровень Ферми не обязательно существует физически. Известны случаи, когда место пролегания находилось в середине запрещённой зоны. Физически уровень не существует, там нет электронов. Однако параметр заметен при помощи вольтметра: разница потенциалов между двумя точками цепи (показания на дисплее) пропорциональна разнице уровней Ферми этих точек и обратно пропорциональна заряду электрона. Простая зависимость. Допустимо увязать эти параметры с проводимостью и удельным сопротивлением, пользуясь законом Ома для участка цепи.

Материалы с низким удельным сопротивлением

К проводникам относят большинство металлов, графит, электролиты. Такие материалы обладают низким удельным сопротивлением. В металлах положительно заряженные ионы образуют узлы кристаллической решётки, окружённые облаком электронов. Их принято называть общими за вхождение в состав зоны проводимости.

Хотя не до конца понятно, что такое электрон, его принято описывать как частицу, движущуюся внутри кристалла с тепловой скоростью в сотни км/с. Это намного больше, чем нужно, чтобы вывести космический корабль на орбиту. Одновременно скорость дрейфа, образующая электрический ток под действием вектора напряжённости, едва достигает сантиметра в минуту. Поле распространяется в среде со скоростью света (100 тыс. км/ с).

В результате указанных соотношений становится возможным выразить удельную проводимость через физические величины (см. рисунок):

Формула для расчётов

• Заряд электрона, e.
• Концентрация свободных носителей, n.
• Масса электрона, me.
• Тепловая скорость носителей,
• Длина свободного пробега электрона, l.

Уровень Ферми для металлов лежит в пределах 3 – 15 эВ, а концентрация свободных носителей почти не зависит от температуры. Поэтому удельная проводимость, а значит, и сопротивление определяется строением молекулярной решётки и её близостью к идеалу, свободой от дефектов. Параметры определяют длину свободного пробега электронов, легко найти в справочниках, если требуется произвести вычисления (к примеру, с целью определения удельного сопротивления).

Лучшей проводимостью обладают металлы с кубической решёткой. Сюда относят и медь. Переходные металлы характеризуются гораздо большим удельным сопротивлением. Проводимость падает с ростом температуры и при высоких частотах переменного тока. В последнем случае наблюдается скин-эффект. Зависимость от температуры линейная выше некого предела, носящего имя нидерландского физика Петера Дебая.

Отмечаются и не столь прямолинейные зависимости. К примеру, температурная обработка стали повышает количество дефектов, что закономерно снижает удельную проводимость материала. Исключением из правила стал отжиг. Процесс снижает плотность дефектов, что за счёт чего удельное сопротивление уменьшается. Яркое влияние оказывает деформация. Для некоторых сплавов механическая обработка приводит к заметному повышению удельного сопротивления.

Объёмное представление свойства

Материалы с высоким удельным сопротивлением

Порой требуется специально удельное сопротивление повысить. Подобная ситуация встречается в случаях с нагревательными приборами и резисторами электронных схем. Вот тогда приходит черед сплавов с высоким удельным сопротивлением (более 0,3 мкОм м). При использовании в составе измерительных приборов предъявляется требование минимального потенциала на границе стыковки с медным контактом.

Наибольшую известность получил нихром. Нередко нагревательные приборы конструируют из дешёвого фехраля (хрупкий, но дешёвый). В зависимости от назначения в сплавы входит медь, марганец и прочие металлы. Это дорогое удовольствие. К примеру, резистор из манганина стоит 30 центов на Алиэкспресс, где цены традиционно ниже магазинных. Встречается даже сплав палладия с иридием. О цене материала не следует говорить вслух.

Резисторы печатных плат часто изготавливают из чистых металлов в виде плёнок методом напыления. Массово применяются хром, тантал, вольфрам, сплавы, среди прочего, нихром.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

1. Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
2. Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
3. Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.
4. Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.

Удельное сопротивление грунта

Грунт	Удельное сопротивление, среднее значение (Ом*м)	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-015, Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-030, Ом	Сопротивление заземления для комплекта ZZ-100-102, Ом
Асфальт	200 — 3 200	17 — 277	9,4 — 151	8,3 — 132
Базальт	2 000	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Бентонит (сорт глины)	2 — 10	0,17 — 0,87	0,09 — 0,47	0,08 — 0,41
Бетон	40 — 1 000	3,5 — 87	2 — 47	1,5 — 41
Вода
Вода морская	0,2	0	0	0
Вода прудовая	40	3,5	2	1,7
Вода равнинной реки	50	4	2,5	2
Вода грунтовая	20 — 60	1,7 — 5	1 — 3	1 — 2,5
Вечномёрзлый грунт (многолетнемёрзлый грунт)
Вечномёрзлый грунт — талый слой (у поверхности летом)	500 — 1000	—	—	20 — 41
Вечномёрзлый грунт (суглинок)	20 000	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Вечномёрзлый грунт (песок)	50 000	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Глина
Глина влажная	20	1,7	1	0,8
Глина полутвёрдая	60	5	3	2,5
Гнейс разложившийся	275	24	12	11,5
Гравий
Гравий глинистый, неоднородный	300	26	14	12,5
Гравий однородный	800	69	38	33
Гранит	1 100 — 22 000	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Гранитный гравий	14 500	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Графитовая крошка	0,1 — 2	0	0	0
Дресва (мелкий щебень/крупный песок)	5 500	477	260	228
Зола, пепел	40	3,5	2	1,7
Известняк (поверхность)	100 — 10 000	8,7 — 868	4,7 — 472	4,1 — 414
Известняк (внутри)	5 — 4 000	0,43 — 347	0,24 — 189	0,21 — 166
Ил	30	2,6	1,5	1
Каменный уголь	150	13	7	6
Кварц	15 000	Требуются специальные мероприятия (замена грунта)
Кокс	2,5	0,2	0,1	0,1
Лёсс (желтозем)	250	22	12	10
Мел	60	5	3	2,5
Мергель
Мергель обычный	150	14	7	6
Мергель глинистый (50 — 75% глинистых частиц)	50	4	2	2
Песок
Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами	10 — 60	0,9 — 5	0,5 — 3	0,4 — 2,5
Песок, умеренно увлажненный	60 — 130	5 — 11	3 — 6	2,5 — 5,5
Песок влажный	130 — 400	10 — 35	6 — 19	5 — 17
Песок слегка влажный	400 — 1 500	35 — 130	19 — 71	17 — 62
Песок сухой	1 500 — 4 200	130 — 364	71 — 198	62 — 174
Супесь (супесок)	150	13	7	6
Песчаник	1 000	87	47	41
Садовая земля	40	3,5	2	1,7
Солончак	20	1,7	1	0,8
Суглинок
Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами	10 — 60	0,9 — 5	0,5 — 3	0,4 — 2,5
Суглинок полутвердый, лесовидный	100	9	5	4
Суглинок при температуре минус 5 С°	150	—	—	6
Супесь (супесок)	150	13	7	6
Сланец	10 — 100
Сланец графитовый	55	5	2,5	2,3
Супесь (супесок)	150	13	7	6
Торф
Торф при температуре 10°	25	2	1	1
Торф при температуре 0 С°	50	4	2,5	2
Чернозём	60	5	3	2,5
Щебень
Щебень мокрый	3 000	260	142	124
Щебень сухой	5 000	434	236	207

Таблица удельного электросопротивления медных проводников

Одним из самых распространённых металлов для изготовления проводов является медь. Её электросопротивление минимальное из доступных по цене металлов. Оно меньше только у драгоценных металлов (серебра и золота) и зависит от разных факторов.

Формула вычисления сопротивления проводника

Что такое электрический ток

На разных полюсах аккумулятора или другого источника тока есть разноимённые носители электрического заряда. Если их соединить с проводником, носители заряда начинают движение от одного полюса источника напряжения к другому. Этими носителями в жидкости являются ионы, а в металлах – свободные электроны.

Определение. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление – это величина, определяющая электросопротивление эталонного образца материала. Для обозначения этой величины используется греческая буква «р». Формула для расчета:

p=(R*S)/l.

Эта величина измеряется в Ом*м. Найти её можно в справочниках, в таблицах удельного сопротивления или в сети интернет.

Свободные электроны по металлу двигаются внутри кристаллической решётки. На сопротивление этому движению и удельное сопротивление проводника влияют три фактора:

• Материал. У разных металлов различная плотность атомов и количество свободных электронов;
• Примеси. В чистых металлах кристаллическая решётка более упорядоченная, поэтому сопротивление ниже, чем в сплавах;
• Температура. Атомы не находятся на своих местах неподвижно, а колеблются. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний, создающая помехи движению электронов, и выше сопротивление.

На следующем рисунке можно увидеть таблицу удельного сопротивления металлов.

Удельное сопротивление металлов

Интересно. Есть сплавы, электросопротивление которых падает при нагреве или не меняется.

Проводимость и электросопротивление

Так как размеры кабелей измеряются в метрах (длина) и мм² (сечение), то удельное электрическое сопротивление имеет размерность Ом·мм²/м. Зная размеры кабеля, его сопротивление рассчитывается по формуле:

R=(p*l)/S.

Кроме электросопротивления, в некоторых формулах используется понятие «проводимость». Это величина, обратная сопротивлению. Обозначается она «g» и рассчитывается по формуле:

g=1/R.

Проводимость жидкостей

Проводимость жидкостей отличается от проводимости металлов. Носителями зарядов в них являются ионы. Их количество и электропроводность растут при нагревании, поэтому мощность электродного котла растёт при нагреве от 20 до 100 градусов в несколько раз.

Интересно. Дистиллированная вода является изолятором. Проводимость ей придают растворенные примеси.

Электросопротивление проводов

Самые распространенные металлы для изготовления проводов – медь и алюминий. Сопротивление алюминия выше, но он дешевле меди. Удельное сопротивление меди ниже, поэтому сечение проводов можно выбрать меньше. Кроме того, она прочнее, и из этого металла изготавливаются гибкие многожильные провода.

В следующей таблице показывается удельное электросопротивление металлов при 20 градусах. Для того чтобы определить его при других температурах, значение из таблицы необходимо умножить на поправочный коэффициент, различный для каждого металла. Узнать этот коэффициент можно из соответствующих справочников или при помощи онлайн-калькулятора.

Сопротивление проводов

Выбор сечения кабеля

Поскольку у провода есть сопротивление, при прохождении по нему электрического тока выделяется тепло, и происходит падение напряжения. Оба этих фактора необходимо учитывать при выборе сечения кабелей.

Выбор по допустимому нагреву

При протекании тока в проводе выделяется энергия. Её количество можно рассчитать по формуле электрической мощности:

P=I²*R.

В медном проводе сечением 2,5мм² и длиной 10 метров R=10*0.0074=0.074Ом. При токе 30А Р=30²*0,074=66Вт.

Эта мощность нагревает токопроводящую жилу и сам кабель. Температура, до которой он нагревается, зависит от условий прокладки, числа жил в кабеле и других факторов, а допустимая температура – от материала изоляции. Медь обладает большей проводимостью, поэтому меньше выделяемая мощность и необходимое сечение. Определяется оно по специальным таблицам или при помощи онлайн-калькулятора.

Таблица выбора сечения провода по допустимому нагреву

Допустимые потери напряжения

Кроме нагрева, при прохождении электрического тока по проводам происходит уменьшение напряжения возле нагрузки. Эту величину можно рассчитать по закону Ома:

U=I*R.

Справка. По нормам ПУЭ оно должно составлять не более 5% или в сети 220В – не больше 11В.

Поэтому, чем длиннее кабель, тем больше должно быть его сечение. Определить его можно по таблицам или при помощи онлайн-калькулятора. В отличие от выбора сечения по допустимому нагреву, потери напряжения не зависят от условий прокладки и материала изоляции.

В сети 220В напряжение подаётся по двум проводам: фазному и нулевому, поэтому расчёт производится по двойной длине кабеля. В кабеле из предыдущего примера оно составит U=I*R=30A*2*0.074Ом=4,44В. Это немного, но при длине 25 метров получается 11,1В – предельно допустимая величина, придётся увеличивать сечение.

Максимально допустимая длина кабеля данного сечения

Электросопротивление других металлов

Кроме меди и алюминия, в электротехнике используются другие металлы и сплавы:

• Железо. Удельное сопротивление стали выше, но она прочнее, чем медь и алюминий. Стальные жилы вплетаются в кабеля, предназначенные для прокладки по воздуху. Сопротивление железа слишком велико для передачи электроэнергии, поэтому при расчёте сечения жилы не учитываются. Кроме того, оно более тугоплавкое, и из него изготавливаются вывода для подключения нагревателей в электропечах большой мощности;
• Нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (железо, хром и алюминий). Они обладают низкой проводимостью и тугоплавкостью. Из этих сплавов изготавливаются проволочные резисторы и нагреватели;
• Вольфрам. Его электросопротивление велико, но это тугоплавкий металл (3422 °C). Из него изготавливаются нити накала в электролампах и электроды для аргонно-дуговой сварки;
• Константан и манганин (медь, никель и марганец). Удельное сопротивление этих проводников не меняется при изменениях температуры. Применяются в претензионных приборах для изготовления резисторов;
• Драгоценные металлы – золото и серебро. Обладают самой высокой удельной проводимостью, но из-за большой цены их применение ограничено.

Индуктивное сопротивление

Формулы для расчёта проводимости проводов справедливы только в сети постоянного тока или в прямых проводниках при низкой частоте. В катушках и в высокочастотных сетях появляется индуктивное сопротивление, во много раз превышающее обычное. Кроме того, ток высокой частоты распространяется только по поверхности провода. Поэтому его иногда покрывают тонким слоем серебра или используют литцендрат.

Справка. Литцендрат – это многожильный провод, каждая жила в котором изолирована от остальных. Это делается для увеличения поверхности и проводимости в сетях высокой частоты.

Удельное сопротивление меди, гибкость, относительно невысокая цена и механическая прочность делают этот металл, вместе с алюминием, самым распространенным материалом для изготовления проводов.

Видео

Оцените статью:

Удельное сопротивление металлов. Таблица | joyta.ru

Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

Цифровой мультиметр AN8009

Большой ЖК-дисплей с подсветкой, 9999 отсчетов, измерение TrueRMS…

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

 

где:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

• Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
• Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м.  Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

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

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:

Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Электрическое сопротивление проводника

Электрическое сопротивление — физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику. Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже. 

Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах.  При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе, благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I^₂Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется. 

Удельное сопротивление

Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м .  Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле   

где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)   

Вещество	p, Ом*мм2/2	α,10-3 1/K
Алюминий	0.0271	3.8
Вольфрам	0.055	4.2
Железо	0.098	6
Золото	0.023	4
Латунь	0.025-0.06	1
Манганин	0.42-0.48	0,002-0,05
Медь	0.0175	4.1
Никель	0.1	2.7
Константан	0.44-0.52	0.02
Нихром	1.1	0.15
Серебро	0.016	4
Цинк	0.059	2.7

Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

Зависимость удельного сопротивления от деформаций

При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4.1 · 10 ^− 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 ^− 3  Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле 

где r это удельное сопротивление после нагрева, r₀ – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t₂ – температура до нагрева, t₁  — температура после нагрева. 

Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм²/м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм², после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия. 

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко.  Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор. Резистор применяется практически в любой электрической схеме. 

Просмотров: 10931

Что такое удельное сопротивление — формулы и единицы »Электроника

Удельное электрическое сопротивление является ключевым параметром для любого материала, используемого в электрических цепях, электронных компонентах и ​​многих других предметах.

---

Учебное пособие по сопротивлению Включает:
Что такое сопротивление Закон Ома Омические и неомические проводники Сопротивление лампы накаливания Удельное сопротивление Таблица удельного сопротивления для распространенных материалов Температурный коэффициент сопротивления Электрическая проводимость Последовательные и параллельные резисторы Таблица параллельных резисторов

---

Удельное сопротивление — это мера сопротивления определенного размера материала определенного размера электрической проводимости.

Удельное сопротивление также может называться удельным электрическим сопротивлением или объемным сопротивлением, хотя эти термины используются менее широко.

Хотя материалы сопротивляются прохождению электрического тока, некоторые из них проводят его лучше, чем другие.

Удельное сопротивление — это показатель, позволяющий сравнивать то, как различные материалы допускают или препятствуют протеканию тока.

Чтобы значения удельного сопротивления были значимыми, для удельного сопротивления используются определенные единицы, и существуют формулы для его расчета и соотнесения его с сопротивлением в Ом для данного размера материала.

Материалы, которые легко проводят электрический ток, называются проводниками и имеют низкое удельное сопротивление. Те, которые плохо проводят электричество, называются изоляторами, и эти материалы обладают высоким удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление различных материалов играет важную роль при выборе материалов, используемых для электрических проводов во многих электронных компонентах, включая резисторы, интегральные схемы и многое другое.

Определение удельного сопротивления и единицы

Удельное электрическое сопротивление образца материала может также быть известно как его удельное электрическое сопротивление.Это мера того, насколько сильно материал противостоит прохождению электрического тока.

Определение удельного сопротивления:

Удельное сопротивление вещества — это сопротивление куба этого вещества, имеющего края единичной длины, при том понимании, что ток течет перпендикулярно противоположным граням и равномерно распределяется по ним.

Удельное электрическое сопротивление — это электрическое сопротивление на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения при заданной температуре.

Единицей измерения удельного электрического сопротивления в системе СИ является ом · метр (Ом · м). Обычно обозначается греческой буквой ρ, ро.

Хотя обычно используется единица измерения удельного сопротивления в системе СИ, омметр, иногда значения могут быть описаны в единицах Ом сантиметров, Ом⋅см.

В качестве примера, если твердый куб из материала размером 1 M ³ имеет листовые контакты на двух противоположных гранях, которые сами по себе не создают никакого сопротивления, а сопротивление между контактами составляет 1 Ом, тогда удельное сопротивление материала называется 1 & Omega: & dot; ⋅m. 2

Из уравнений видно, что сопротивление можно изменять, изменяя множество различных параметров.

Например, сохраняя постоянное удельное сопротивление материала, сопротивление образца можно увеличить, увеличив длину или уменьшив площадь поперечного сечения. Из уравнений удельного сопротивления также видно, что увеличение удельного сопротивления материала приведет к увеличению сопротивления при тех же размерах. Аналогичным образом уменьшение удельного сопротивления приведет к уменьшению сопротивления.

Уровни удельного сопротивления материалов

Материалы делятся на разные категории в зависимости от их уровня или удельного сопротивления.-8

Полупроводники

Переменная *

Сверхпроводники

0

* Уровень проводимости полупроводников зависит от уровня легирования. Без легирования они выглядят почти как изоляторы, но с легированием доступны носители заряда, и сопротивление резко падает.Аналогично для электролитов уровень удельного сопротивления варьируется в широких пределах.

Определение удельного сопротивления гласит, что удельное сопротивление вещества — это сопротивление куба этого вещества, имеющего края единичной длины, при том понимании, что ток течет перпендикулярно противоположным граням и равномерно распределяется по ним.

Удельное сопротивление обычно измеряется в Омметрах. Это означает, что удельное сопротивление измеряется для куба материала размером метр в каждом направлении.

Практическое значение удельного сопротивления

Удельное сопротивление материалов важно, поскольку оно позволяет использовать правильные материалы в нужных местах в электрических и электронных компонентах.

Материалы, используемые в качестве проводников, например в электрических и общих соединительных проводах, должны иметь низкий уровень удельного сопротивления. Это означает, что для данной площади поперечного сечения сопротивление провода будет низким. Выбор правильного материала зависит от знания его свойств, одним из которых является его удельное сопротивление.

Например, медь является хорошим проводником, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления, ее стоимость не слишком высока, а также она обеспечивает другие физические характеристики, которые полезны во многих электрических и электронных приложениях. Удельное сопротивление меди составляет около 1,7 x 10 ^-8 Ом · м (или 17 нОм), хотя цифры могут незначительно отличаться в зависимости от марки меди

.

Такие материалы, как медь и даже алюминий, обладают низким удельным сопротивлением, что делает их идеальными для использования в качестве электрических проводов и кабелей, причем медь часто является фаворитом.Серебро и золото имеют очень низкие значения удельного сопротивления, но, поскольку они значительно дороже, они не получили широкого распространения. Тем не менее, серебро иногда используется для обшивки проводов там, где необходимо его низкое удельное сопротивление, а золотое покрытие используется для сопрягаемых поверхностей многих электронных разъемов, чтобы обеспечить наилучшие контакты. Золото также хорошо подходит для электрических разъемов, поскольку оно не тускнеет и не окисляется, как другие металлы.

На соединительных контактах многоходового разъема для печатной платы нанесено золотистое покрытие для уменьшения контактного сопротивления и предотвращения потускнения.

В качестве изоляторов, проводящих минимальный ток, требуются другие материалы.Удельное сопротивление изолятора будет на много порядков выше. Одним из примеров является воздух, и у него очень высокий показатель удельного сопротивления, превышающий 1,5 x 10 ¹⁴ , что, как можно видеть, очень, очень много выше, чем удельное сопротивление меди.

Удельное электрическое сопротивление играет важную роль во многих других электронных компонентах. В резисторах, например, удельное сопротивление различных материалов играет ключевую роль в обеспечении правильного сопротивления резисторов.

Удельное сопротивление также играет ключевую роль в других электронных компонентах.Для интегральных схем очень важно удельное сопротивление материалов в микросхеме. Некоторые области должны иметь очень низкое сопротивление и иметь возможность соединять различные области ИС внутри, тогда как другие материалы должны изолировать разные области. Опять же, для этого важно сопротивление.

Удельное сопротивление играет ключевую роль во многих областях электронных компонентов, а также многих электрических деталей.

Удельное электрическое сопротивление — ключевой параметр для материала, который будет использоваться в электрических и электронных системах.Эти вещества с высоким электрическим сопротивлением называются изоляторами и могут использоваться для этой цели. Они с низким уровнем удельного электрического сопротивления являются хорошими проводниками и могут использоваться во множестве приложений, от проводов до электрических соединений и многого другого.

Другие основные концепции электроники:
Напряжение Текущий Мощность Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ шум
Вернуться в меню «Основные понятия электроники».. .

Удельное сопротивление — Engineering LibreTexts

Удельное сопротивление — это свойство материала, которое определяет, насколько трудно электрическому току проходить через указанный материал. Материалы с высоким удельным сопротивлением известны как изоляторы, а материалы с низким удельным сопротивлением — как проводники. В диапазоне от 10 ^-8 Ом · м до 10 ²⁰ Ом · м (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)), удельное сопротивление имеет самый большой диапазон значений для любого физического свойства.Сопротивление играет важную роль во многих применениях материалов, включая резисторы в электрических цепях, диэлектрики, резистивный нагрев и сверхпроводимость.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {1} \) Режимы материалов в зависимости от удельного сопротивления.

Введение

Фундаментальное соотношение, которое исследует противодействие материалов потоку электронов, было впервые получено в 1826 году Георгом Омом, немецким физиком и математиком. Закон Ома представлен следующим уравнением:

\ [V = IR \ nonumber \]

где

• В [Вольт: Дж / Кл] — это напряжение, приложенное к материалу,
• I [Амперы: Кл / с] — это электрический ток, а
• R [Ом: В / А] — это сопротивление образца материала.

Важно отметить, что сопротивление зависит от конкретной геометрии образца материала, как показано на Рисунке 2.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) Размеры образца материала, которые соотносят сопротивление с удельным сопротивлением.

Чтобы представить удельное электрическое сопротивление как внутреннее свойство материала, напряжение должно быть разделено на длину L, на которую оно подается, а ток должен быть разделен на площадь A, через которую он протекает, чтобы создать электрическое поле \ (\ xi \ ) и плотности тока J соответственно.Этот перевод в электрическое поле и плотность тока дает следующее уравнение для удельного сопротивления: \ [ρ = \ dfrac {\ xi} {J} \ nonumber \]

где \ (\ rho \) — удельное сопротивление материала \ ([\ Omega m] \). При сравнении материалов обычно инвертируют значение удельного сопротивления, чтобы получить проводимость \ (\ sigma \) [Сименс], которую можно легко использовать для ранжирования материалов на основе того, насколько хорошо каждый из них проводит электроны. Из-за значительной температурной зависимости от удельного сопротивления и проводимости сопротивление материала измеряется при комнатной температуре [20 ° C].

Как упоминалось выше, материалы делятся на три основных режима: изоляторы, полупроводники и металлы. Проявление удельного сопротивления в проводящих материалах, металлах и полупроводниках может быть полностью реализовано путем оценки поведения электронов на квантовомеханическом уровне.

Удельное сопротивление чистых металлов

Металлы состоят из решетки атомов, связанных друг с другом металлическими связями. Море делокализованных электронов в металлических связях создается высокой плотностью состояний (т.е. электроны) на уровне Ферми, которые легко возбуждаются в зону проводимости. 2 TN (E_f)} \ nonumber \]

где e — заряд электрона, \ (V_F \) скорость Ферми электрона проводимости, τ — время релаксации между актами рассеяния, а \ (N (E_F) \) — плотность населения электронов при энергии Ферми. .Кроме того, видно, что учитывается плотность населения электронов на уровне Ферми, а не общее количество валентных электронов, что объясняет исключительно низкое удельное сопротивление серебра, меди и золота.

Температурная зависимость

Приведенное выше уравнение показывает, что удельное сопротивление металла обратно пропорционально времени релаксации. Это означает, что количество случаев рассеяния играет существенную роль в удельном сопротивлении металла. Большой вклад в число актов рассеяния в металле вносят тепловые колебания каждого атома в решетке.Когда температура материала увеличивается, каждый атом начинает колебаться вокруг своего центрального положения, увеличивая вероятность столкновения электрона с ним. Эта взаимосвязь визуализируется путем измерения удельного сопротивления серебра как функции температуры, рисунок \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {3} \) Удельное сопротивление массивного серебра как функция температуры.

Металлы демонстрируют минимальное удельное сопротивление при температурах, приближающихся к 0 Кельвина, известное как остаточное сопротивление, и линейное увеличение удельного сопротивления по мере того, как металл достигает точки плавления.

Остаточное сопротивление и правило Маттиссена

При достаточно низких температурах степени тепловой вибрации еще не активированы, что означает, что остаточное удельное сопротивление металла представляет собой совокупность всех других участков рассеяния, присутствующих в материале, в частности дефектов и примесей. В случае поликристаллических металлов в микроструктуре будет ряд источников дефектов, включая границы зерен, дислокации и вакансии. Наряду с дефектами, примеси в металле могут содержать место рассеяния.В 1864 году британский химик и физик Август Маттиссен первым включил все эти аспекты в удельное сопротивление металла. Правило Маттиссена выглядит следующим образом:

\ [\ rho = \ rho_ {th} + \ rho_ {imp} + \ rho_ {def} \ nonumber \]

где \ (\ rho_ {th} \) — удельное сопротивление, обусловленное температурой, \ (\ rho_ {imp} \) — удельное сопротивление, обусловленное примесями, и \ (\ rho_ {def} \) — удельное сопротивление, обусловленное дефектами. . Хотя температура, дефекты и примеси действительно влияют на удельное сопротивление, для конкретных металлов сообщалось о некотором отклонении от простого суммирования, постулированного Маттиссеном.

Удельное сопротивление сплавов

Из правила Маттиссена было видно, что на удельное сопротивление металла влияют присутствующие примеси. Эта часть удельного сопротивления начинает вносить значительный вклад, когда металлы сплавлены вместе. Сплав можно рассматривать как металл с большим количеством примесей, а это означает, что существует гораздо больше участков рассеяния для увеличения остаточного сопротивления металла. Результатом этого увеличения является перевод графика на Рисунке \ (\ PageIndex {3} \) вверх.При различных составах простого бинарного сплава удельное сопротивление системы представляет собой линейную интерполяцию удельного сопротивления каждого чистого металла. Если система демонстрирует энергетически выгодный фазовый переход, который приводит к более упорядоченной структуре, чем у растворенных атомов в растворе, будет наблюдаться падение удельного сопротивления при таком составе. Примером бинарной системы, в которой есть упорядоченные фазы, влияющие на удельное сопротивление, является медь и платина.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {4} \) Удельное сопротивление двойной системы меди и платины при 500 K в зависимости от состава.Пунктирная линия моделирует стандартную линейную интерполяцию двух чистых металлов, а сплошная линия представляет фактическое удельное сопротивление из-за образования упорядоченных фаз.

График двойной системы медь-платина демонстрирует результат упорядоченных фаз \ (L_2 \) и \ (L_1 \). Подобно отклонениям от правила Маттиссена, формулировка зависимости удельного сопротивления любого сплава не была должным образом разработана из-за сложности структур, создаваемых любой данной системой сплавов.Было создано несколько правил, не имеющих большого значения, поскольку каждое подчеркивает определенный набор сплавов с определенными характеристиками.

Удельное сопротивление полупроводников

Основным отличительным фактором между металлами и любым другим материалом является то, что металлы не обладают запрещенной зоной или диапазоном уровней энергии, которые не позволяют электронам заселять. Было замечено, что размер запрещенной зоны материала является изолирующим, и при достаточно малых значениях ширины запрещенной зоны материал может быть частично проводящим.{\ ast} \) — эффективные массы электронов и дырок соответственно, \ (N_e \) и \ (N_h \) — количество электронов и дырок соответственно, а \ (T_e \) _{и \ (T_h \) — времена релаксации для электронов и дырок соответственно. Признавая обратную зависимость количества электронов и дырок от удельного сопротивления, можно ожидать, что примесные полупроводники будут иметь более низкое удельное сопротивление из-за добавления большего количества носителей заряда.}

Температурная зависимость

Температурная зависимость полупроводников сильно отличается от металлов.Поскольку запрещенная зона ограничивает возбуждение электронов зоной проводимости, в полупроводник должна подаваться энергия для уменьшения удельного сопротивления. Эта энергия передается термически и соответствует энергии запрещенной зоны.

\ [\ rho = \ rho_0 exp (\ dfrac {-E_g} {2kT}) \ nonumber \]

где \ (\ rho_0 \) — удельное сопротивление полупроводника, определенное из приведенного выше уравнения, \ (E_g \) — энергия запрещенной зоны, \ (k \) — постоянная Больцмана, а \ (T \) — температура .

Для собственных полупроводников, которые содержат равное количество электронов и дырок, температурная зависимость разрешает тенденцию, показанную на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Из рисунка \ (\ PageIndex {5} \) видно продвижение большего количества электронов при более высоких температурах, а также область замерзания при низких температурах, где никакие частицы, несущие заряд, не возбуждаются в зону проводимости.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {5} \) Удельное сопротивление как функция температуры для собственных полупроводников.

Как и ожидалось, примесные полупроводники демонстрируют температурную зависимость, аналогичную их собственным аналогам, с небольшим отклонением на участке температурного диапазона.

Рисунок \ (\ PageIndex {} \): \ (\ PageIndex {6} \) Удельное сопротивление как функция температуры для примесного полупроводника.

Для диапазона температур в середине рисунка \ (\ PageIndex {6} \) удельное сопротивление оставалось относительно постоянным, пока материал нагревается. Это объясняет наличие дополнительных носителей заряда в примесных полупроводниках, которые уже уменьшили удельное сопротивление полупроводника ниже значения для собственного аналога. В области температур, когда удельное сопротивление не изменяется, количество электронов, которые термически возбуждаются в зону проводимости, еще недостаточно велико, чтобы влиять на удельное сопротивление так же сильно, как внешнее легирование.В конце концов количество возбужденных электронов становится достаточно большим, чтобы возобновить внутреннюю зависящую от температуры тенденцию.

вопросов

1. Чем отличается сопротивление от удельного сопротивления? Почему важно определять удельное сопротивление?
2. Согласно правилу Маттиссена, что способствует остаточному сопротивлению металла?
3. Рассчитайте сопротивление через прямоугольную пластину из германия при 350 ° C. Размеры: ширина = 3 см, толщина = 5 мм, длина = 15 см.Удельное сопротивление при комнатной температуре: 1 Ом · м Энергия запрещенной зоны: 0,67 эВ

Ответы

1. Сопротивление — это величина, зависящая от конкретной геометрии образца материала, в то время как удельное сопротивление не зависит от геометрии. При сравнении материалов важно учитывать удельное сопротивление, поскольку это внутреннее свойство.
2. Согласно правилу Маттиссена, остаточное сопротивление учитывает удельное сопротивление, вызванное примесями и дефектами, в частности, границами зерен, дислокациями и вакансиями в материале.
3. R = 1,95 Ом при 350 ° C

Список литературы

1. У. Д. Каллистер и Д. Г. Ретвиш, «Материаловедение и инженерия — введение», учебник, 8-е издание, Wiley, (2010).
2. Л. Солимар и Д. Уолш, «Электрические свойства материалов», учебник, седьмое издание, Oxford Press, (2004).
3. Р. Э. Хаммель, «Электронные свойства материалов», учебник, 4-е издание, Springer, (2011).

Авторы

• Бенджамин Макдональд (Б.S. Материаловедение и инженерия, выпуск 2015 года, Калифорнийский университет, Дэвис)

6.8A: Электропроводность и удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление и проводимость являются важными характеристиками материалов. Разные материалы обладают разной проводимостью и удельным сопротивлением. 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 электрического транспорта

Проще говоря, электричество — это движение электронов в материале. Когда электроны движутся через материал, он вступает в контакт с атомами в материале. 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 и измеряется в вольтах 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 от сопротивления

Удельное сопротивление и сопротивление — это 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. Изначально у металла есть 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 = об / л

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 А / (24 м x 5 м) = 58 Ом · м

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 повышается удельное сопротивление, а у полупроводников обычно уменьшается удельное сопротивление при повышении температуры.

Авторы и ссылки

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

Определение удельного сопротивления по Merriam-Webster

re · sis · tiv · i · ty | \ ri-ˌzi-ˈsti-və-tē , ˌRē- \ 1 : продольное электрическое сопротивление однородного стержня единичной длины и единичной площади поперечного сечения. : величина, обратная проводимости.

Электрическое сопротивление — обзор

1 Удельное сопротивление

Удельное сопротивление является одним из наиболее важных измерений характеристик материалов ядерных детекторов по разным причинам.Во-первых, это общий показатель чистоты и концентрации дефектов в материале. Во-вторых, чувствительная эффективная толщина детекторов рентгеновского и гамма-излучения является прямой функцией удельного сопротивления и, как будет показано далее в главе о детекторах, напрямую влияет на эффективность излучения детектора.

Сразу после выращивания кристалла удельное сопротивление измеряется в различных частях слитка с помощью хорошо известного метода четырехточечного зонда (Van der Pauw, 1958). Сложность здесь в том, что для полуизолирующих материалов в диапазоне 10 ⁸ −10 ¹⁰ Ом · см требуются электрометры с высоким сопротивлением (10 ¹³ −10 ¹⁴ Ом), амперметры или приборы синхронного обнаружения для оценки очень низких значений. токи в измерениях удельного сопротивления или холловской подвижности.В принципе, это более точные методы. Проблема в том, что контакты должны быть омическими, и, как известно, невозможно получить такой контакт на материале типа p с высоким удельным сопротивлением без повреждающей обработки. Возможный контакт — это контакт с низким барьером около 0,2 эВ (Musa, 1983). Многие авторы сообщали об омическом контакте с материалами типа n с низким удельным сопротивлением путем легирования индием (Сегалл и др. , 1963). Для материала типа p контакты изготавливаются методом химического осаждения (De Nobel 1959).Для материала среднего удельного сопротивления (ρ = 100-500 Ом · см), Musa et al . (1983a) обнаружили, что в случае химического контакта удельное сопротивление контакта (ρ _c ) изменяется, как и ρ ^1,13 (ρ = αρ _c ^1,13 ), и видно, что низкое значение ρ _c не может быть получено таким способом. Другие металлы, такие как сплавы In, Cu или Ag, использовались с некоторым успехом. Электролитическое нанесение Au на поверхности, обработанные LiNO ₃ (Triboulet and Rodot, 1968), дает хорошие результаты, но при цене термического отжига, превышающей 200-400 ° C, с прогнозируемыми последствиями для качества материала.Эта проблема все еще остается открытой, и для реальных материалов для ядерных детекторов больше всего используется золото без химического воздействия. На рисунке 15 показано поведение удельного сопротивления различных типов слитков THM CdTe с типичными материалами и материалами высокой степени очистки. Как видно, удельное сопротивление обычно уменьшается от начала слитка к концу из-за насыщения зоны Te примесями вдоль слитка. Для высокоочищенных элементов это насыщение увеличивалось дальше по слитку. В заключение отметим, что во время измерения образцы должны храниться в темноте в течение того же времени, чтобы получить воспроизводимые результаты.

РИС. 15. Эволюция удельного сопротивления (ρ) вдоль различных слитков THM CdTe.

Самый простой способ измерить удельное сопротивление — использовать характеристику I ( V ) R = V / I и R = ρ 1/ с . Для этого нужны идеальные омические контакты, а значит, этот метод может дать только качественные и ориентировочные результаты.

Существуют более реалистичные методы измерения удельного сопротивления, основанные на расчетах обедненных чувствительных зон в устройствах ядерных детекторов, и мы увидим это позже в главе, посвященной детекторам.В заключение следует отметить, что высокое удельное сопротивление является важным предварительным условием, но не достаточным. Материалы могут достигать 10 ⁷ -10 ⁸ Ом · см (Schaub и др. . 1977) в растворах с высоким содержанием Te с компенсацией Cl или до 10 ¹⁰ Ом · см в легированных слитках Бриджмена группы V, без хороших результатов. свойства обнаружения ядер, вероятно, из-за низкого произведения μτ, вызванного высокой плотностью глубоких уровней и центров рекомбинации.

Как упоминалось в предыдущей главе, удельное сопротивление можно увеличить за счет компенсации, галогена и дополнительной меди (рис.18 в главе 6) или обработкой водородом с отжигом или имплантацией H. На рисунке 16 показано изменение относительного сопротивления материалов после имплантации с 2 МэВ H ⁺ в зависимости от исходного удельного сопротивления материала. Было замечено, что H ⁺ эффективен для получения низких значений ρ и неэффективен для высоких значений ρ 10 ⁹ Ом · см.

РИС. 16. Отношение удельного сопротивления (ρ ‘) после имплантации (H ⁺ ) (2 МэВ) к (ρ) до имплантации водорода, изменение с (ρ) ранее.

Таблица удельного электрического сопротивления и проводимости

В этой таблице представлены удельное электрическое сопротивление и электропроводность некоторых материалов.

Удельное электрическое сопротивление, обозначаемое греческой буквой ρ (ро), является мерой того, насколько сильно материал противостоит прохождению электрического тока. Чем ниже удельное сопротивление, тем легче материал пропускает электрический заряд.

Электропроводность — это величина, обратная удельному сопротивлению.Электропроводность — это мера того, насколько хорошо материал проводит электрический ток. Электропроводность может быть представлена ​​греческой буквой σ (сигма), κ (каппа) или γ (гамма).

Таблица удельного сопротивления и проводимости при 20 ° C

Материал	ρ (Ом • м) при 20 ° C Удельное сопротивление	σ (См / м) при 20 ° C Электропроводность
Серебро	1.59 × 10 −8	6,30 × 10 7
Медь	1,68 × 10 −8	5,96 × 10 7
Медь отожженная	1,72 × 10 −8	5,80 × 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	(10 10 )	1,43 × 10 −7
Свинец	2,2 × 10 −7	4,55 × 10 6
Титан	4.20 × 10 −7	2,38 × 10 6
Электротехническая сталь с ориентированной зернистостью	4,60 × 10 −7	2,17 × 10 6
Манганин	4,82 × 10 −7	2,07 × 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
Нихром	1,10 × 10 −6	9,09 × 10 5
GaAs	5 × 10 −7 до 10 × 10 −3	5 × 10 −8 до 10 3
Углерод (аморфный)	5 × 10 −4 до 8 × 10 −4	1.От 25 до 2 × 10 3
Углерод (графит)	2,5 × 10 −6 до 5,0 × 10 −6 // базисная плоскость 3,0 × 10 −3 ⊥ базальная плоскость	от 2 до 3 × 10 5 // базисная плоскость 3,3 × 10 2 ⊥ базальная плоскость
Углерод (алмаз)	1 × 10 12	~ 10 −13
Германий	4,6 × 10 -1	2.17
Морская вода	2 × 10 -1	4,8
Питьевая вода	2 × 10 1 до 2 × 10 3	5 × 10 −4 до 5 × 10 -2
Кремний	6,40 × 10 2	1,56 × 10 −3
Дерево (влажное)	1 × 10 3 до 4	10 −4 до 10 -3
Деионизированная вода	1.8 × 10 5	5,5 × 10 −6
Стекло	10 × 10 10 до 10 × 10 14	10 −11 до 10 −15
Твердая резина	1 × 10 13	10 −14
Древесина (сушка в духовке)	1 × 10 14 до 16	10 −16 до 10 -14
Сера	1 × 10 15	10 −16
Воздух	1.3 × 10 16 до 3,3 × 10 16	3 × 10 −15 до 8 × 10 −15
Парафиновый воск	1 × 10 17	10 −18
Плавленый кварц	7,5 × 10 17	1,3 × 10 −18
ПЭТ	10 × 10 20	10 −21
тефлон	10 × 10 22 до 10 × 10 24	10 −25 до 10 −23

Факторы, влияющие на электропроводность

На проводимость или удельное сопротивление материала влияют три основных фактора:

1. Площадь поперечного сечения: Если поперечное сечение материала велико, через него может проходить больший ток.Точно так же тонкое поперечное сечение ограничивает ток.
2. Длина проводника: Короткий проводник позволяет току течь с большей скоростью, чем длинный провод. Это немного похоже на попытку переместить множество людей через коридор.
3. Температура: Повышение температуры заставляет частицы вибрировать или больше двигаться. Увеличение этого движения (повышение температуры) снижает проводимость, потому что молекулы с большей вероятностью будут мешать прохождению тока.При экстремально низких температурах некоторые материалы становятся сверхпроводниками.

Ресурсы и дополнительная информация

Объемное и поверхностное сопротивление | НТС Материалы Испытания

Что такое объемное и поверхностное сопротивление

ASTM D257, IEC 60093

Объемное сопротивление представляет собой сопротивление изоляционного материала току утечки через его тело. Он вычисляет отношение градиента потенциала к току в материале с той же плотностью.Сопротивление постоянному току между противоположными гранями куба материала длиной один метр численно равно объемному удельному сопротивлению в СИ (Ом-м).

Поверхностное сопротивление — это сопротивление току утечки по поверхности изоляционного материала. Два параллельных электрода на расстоянии друг от друга, равном их контактной длине, контактируют с поверхностью материала для измерения удельного сопротивления поверхности. Следовательно, отношение градиента потенциала (В / м) и тока на единицу длины электрода (А / м) представляют собой удельное сопротивление.Длины поверхностного удельного сопротивления и коэффициента компенсации обычно измеряются в Омах, поскольку четыре конца электродов образуют квадрат. Однако в некоторых результатах тестов используются Ом на квадрат из-за его более наглядности.

Методы измерения объемного и поверхностного сопротивления

При тестировании удельного сопротивления измеряется сопротивление изолятора току утечки путем выполнения следующих шагов:

• Подача известного напряжения на материал
• Регистрация тока, создаваемого напряжением
• Использование закона Ома для вычисления наблюдаемого сопротивления
• Определение удельного сопротивления на основе физических размеров образца

Окончательное измерение удельного сопротивления зависит от многих внешних факторов, в том числе:

• Прикладное напряжение: Величина напряжения, приложенного к материалу, сильно влияет на окончательные результаты теста.Чтобы противостоять этому фактору, иногда испытание включает изменение напряжения для установления зависимости напряжения.
• Время электризации: Исследуемый материал заряжается с экспоненциальной скоростью при длительном воздействии напряжения. Следовательно, во время испытания удельное сопротивление образца увеличивается со временем. Это необходимо учитывать, чтобы получить точный расчет.
• Факторы окружающей среды: Высокий уровень влажности снижает удельное сопротивление по сравнению с более низким уровнем влажности.Условия тестовой среды имеют большое влияние на потенциальные результаты.

Из-за этих переменных эти условия должны оставаться постоянными между тестами при сравнении нескольких тестов. Стандарты ASTM рекомендуют обычно используемый метод подачи напряжения 500 В в течение 60 секунд, чтобы результаты можно было легко сопоставить друг с другом. По результатам этого испытания можно измерить объемное и / или поверхностное удельное сопротивление, в зависимости от их применения.

Измерения и приложения для измерения объемного удельного сопротивления

Объемное сопротивление представляет собой электрическое сопротивление через куб изоляционного материала.Измеренное в Ом-сантиметрах, оно демонстрирует электрическое сопротивление через кубик образца размером один сантиметр. Точно так же при использовании Ом-дюймов это указывает на электрическое сопротивление через один-дюймовый куб материала.

Электронные устройства содержат различные химические вещества, предназначенные для изоляции или проведения. Тестирование объемного удельного сопротивления этих химикатов гарантирует, что электричество проходит через эти компоненты, как задумано. Определение удельного объемного сопротивления электрических потребительских товаров является важной частью испытаний на соответствие стандартам безопасности.Объемное удельное сопротивление в проводящих пастах и ​​других электронных компонентах может указывать на загрязнение, если желаемый уровень удельного сопротивления или проводимости не достигается.

Измерение удельного сопротивления поверхности и приложения

Удельное сопротивление поверхности определяет электрическое сопротивление фиксированной длины поверхности изоляционного материала. При этом измерении не учитываются такие физические размеры, как толщина и диаметр. Поскольку он определяет только удельное сопротивление поверхности, требуется только одно физическое измерение.Соответственно, поверхностное сопротивление измеряется между электродами вдоль поверхности изоляционного материала.

При испытании материалов это измерение может определять удельное поверхностное сопротивление пластмасс. В ситуациях, связанных с рассеянием статического электричества, например, при производстве электроники, идеальным вариантом является низкое удельное сопротивление поверхности. Сами по себе инженерные пластмассы обладают высоким уровнем поверхностного сопротивления. Чтобы увеличить проводимость, производители часто добавляют углерод или поверхностную обработку. В общем, проверка удельного поверхностного сопротивления редко применяется к металлам, потому что они уже обладают высокой проводимостью.

Испытания на объемное и поверхностное сопротивление от NTS

NTS использует только самые высокие стандарты тестирования для определения эффективности и соответствия продуктов и материалов в различных отраслях промышленности. Являясь одной из крупнейших сетей коммерческих лабораторных испытаний, мы можем помочь вам в достижении ваших производственных целей с помощью нашего передового оборудования и обучения. Наш обширный выбор стандартов тестирования позволяет нам оценивать несколько продуктов и следовать отраслевым критериям. Чтобы узнать больше о тестировании сопротивления и других наших услугах, свяжитесь с нашей командой онлайн.

.