Удельное сопротивление проводника - это физическая величина, которая характеризует способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Удельное сопротивление зависит от температуры, длины и площади поперечного сечения проводника.
Удельное сопротивление различных проводников может сильно отличаться. Например, у серебра, которое является самым лучшим проводником, удельное сопротивление равно 0,015 Ом·мм2/м, а у ртути, которая является самым плохим проводником, удельное сопротивление равно 0,94 Ом·мм2/м. В таблице ниже приведены значения удельных сопротивлений некоторых металлов при температуре 20 °C.
| Металл | Удельное сопротивление, Ом·мм2/м |
| Серебро | 0,015 |
| Медь | 0,0175 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,028 |
| Магний | 0,045 |
| Цинк | 0,054 |
| Молибден | 0,059 |
| Вольфрам | 0,05 |
| Платина | 0,107 |
| Железо | 0,1 |
Удельное сопротивление проводников меняется с температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов усиливает рассеяние электронов.
Для некоторых сплавов, таких как константан и манганин, удельное сопротивление практически не зависит от температуры, поэтому они используются для изготовления точных резисторов и термопар.
Для полупроводников и диэлектриков удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов увеличивает количество свободных носителей заряда.
Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.
Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.
Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.
Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.
Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.
Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.
Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.
Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.
Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.
Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.
Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.
Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).
Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.
Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.
Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.
Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.
Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ
Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.
У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.
При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.
Интересные факты:
У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.
Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.
Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.
Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.
В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.
Смотрите также:
Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления
Основные электрические характеристики проводов и кабелей
Андрей Повный