Основные электрические параметры и единицы измерения

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Двигаясь по проводнику (рассмотрим частный случай — металлический проводник), свободные электроны бесчисленное количество раз сталкиваются на своем пути с ионами в узлах кристаллической решетки проводника и взаимодействуют с другими электронами. Неизбежно часть их энергии превращается в тепловую. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.

За единицу электрического сопротивления принят Ом. Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0 °C. Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 Ом, то записывается это так:

R = 4 Ом или r = 4 Ом

Для измерения сопротивлений больших величин приняты единицы: килоОм (1 кОм = 1000 ОМ) и мегаОм (1 мОм = 1 000 000 Ом).

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через проводник. Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую проводимостью.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R, обозначается проводимость латинской буквой G или g.

Измеряется проводимость в сименсах (См). 1 См = 1 Ом1.

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления. Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м². Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита ρ и измеряется в Ом × м (в технике применяется устаревшая внесистемная единица Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом × м). Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017 Ом·мм²/м, то есть медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,017 Ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа — 0,12, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1–1,1. Из нихрома изготавливают нагревательные спирали.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, то есть чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление, и в то же время сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, то есть 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, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, то есть толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, то есть первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Вывод. Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь поперечного сечения проводника:

R = ρl / S,

где ρ — удельное сопротивление проводника, Ом × м; l — длина в проводника, м; S — площадь поперечного сечения проводника, м².

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

S = πd2 / 4,

где π — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника, м.

А так определяется длина проводника:

l = SR / ρ

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

S = ρl / R

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно ρ, найдем удельное сопротивление проводника:

ρ = RS / l

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудноопределим по внешнему виду. Для этого, вычислив значение удельного сопротивления проводника и пользуясь таблицей, нужно найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура. Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4 % на 1 °C.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам и ионам в узлах кристаллической решетки, в результате чего возрастает интенсивность их колебаний, что непосредственно создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника. С понижением же температуры интенсивность тепловых колебаний частиц падает, поэтому создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается.