Електричний опір матеріалів. Питомий електричний опір провідників

Як тільки електрика залишила лабораторії вчених і стала широко впроваджуватися в практику повсякденного життя, постало питання про пошук матеріалів, що володіють певними, часом зовсім протилежними, характеристиками щодо протікання через них електричного струму.

Наприклад, при передачі електричної енергії на дальню відстань, до матеріалу проводів пред'являлися вимоги мінімізації втрат через джоулеві нагріву у поєднанні з малими ваговими характеристиками. Прикладом є всім знайомі високовольтні лінії електропередач, виконані з алюмінієвих проводів зі сталевим сердечником.

Або, навпаки, для створення компактних трубчастих електронагрівачів були потрібні матеріали з відносно високим електричним опором та високою термостійкістю. Найпростішим прикладом приладу, в якому застосовуються матеріали з подібними властивостями, може бути конфорка звичайної кухонної електроплити.

Від провідників, що використовуються в біології та медицині як електроди, зонди та щупи, потрібна висока хімічна стійкість і сумісність з біоматеріалами у поєднанні з малим контактним опором.

До розробки такого нині звичного всім приладу, як лампа розжарювання, свої зусилля доклала ціла плеяда винахідників різних країн: Англії, Росії, Німеччини, Угорщини та США Томас Едісон, провівши понад тисячу досвідів перевірки властивостей матеріалів, що підходять на роль ниток розжарення, створив лампу з платиновою спіраллю. Лампи Едісона, хоч і мали високий термін експлуатації, але не були практичними через високу вартість вихідного матеріалу.

Наступні роботи російського винахідника Лодигіна, який запропонував використовувати як матеріали нитки відносно дешеві тугоплавкі вольфрам і молібден з більш високим питомим опором, знайшли практичне застосування. До того ж, Лодигін запропонував відкачувати з балонів ламп розжарювання повітря, замінюючи його інертними або благородними газами, що призвело до створення сучасних ламп розжарювання. Піонером масового виробництва доступних та довговічних електричних ламп стала компанія General Electric, якій Лодигін переуступив права на свої патенти і надалі успішно працював у лабораторіях компанії довгий час.

Цей перелік можна продовжувати, оскільки допитливий людський розум настільки винахідливий, що для вирішення певної технічної завдання йому потрібні матеріали з небаченими досі властивостями або з неймовірними поєднаннями цих властивостей. Природа вже не встигає за нашими апетитами і вчені всіх країн світу включилися у гонку створення матеріалів, які не мають природних аналогів.

Однією з найважливіших характеристик як природних, і синтезованих матеріалів є питомий електричний опір. Прикладом електричного приладу, в якому в чистому вигляді застосовується ця властивість, може бути плавкий запобіжник, що захищає нашу електро- та електронну апаратуру від впливу струму, що перевищує допустимі значення.

При цьому слід зазначити, що саме саморобні замінники стандартних запобіжників, виконані без знань питомого опору матеріалу, часом спричиняють не тільки вигоряння різних елементів. електричних схем, а також виникнення пожеж у будинках та займання проводки в автомобілях.

Те саме стосується і заміни запобіжників у силових мережах, коли замість запобіжника меншого номіналу встановлюється запобіжник з великим номіналом струму спрацьовування. Це призводить до перегріву електропроводки і навіть, як наслідок, виникнення пожеж із сумними наслідками. Особливо це притаманне каркасним будинкам.

Історична довідка

Поняття питомого електричного опір з'явилося завдяки працям відомого німецького фізика Георга Ома, який теоретично обґрунтував і в ході численних експериментів довів зв'язок між силою струму, електрорушійною силою батареї та опором всіх частин ланцюга, відкривши таким чином закон елементарного електричного ланцюга, названий потім його ім'ям. Ом досліджував залежність величини струму, що протікає, від величини прикладеної напруги, від довжини і форми матеріалу провідника, а також від роду матеріалу, що використовується як провідне середовище.

При цьому треба віддати належне роботам сера Гемфрі Деві, англійського хіміка, фізика та геолога, який першим встановив залежності електричного опору провідника від його довжини та площі поперечного перерізу, а також відзначив залежність електропровідності від температури.

Досліджуючи залежності протікання електричного струму від роду матеріалів, Ом виявив, що кожен доступний йому провідний матеріал мав деяку властиву тільки йому характеристику опору перебігу струму.

Треба зауважити, що в часи Ома один із звичайнісіньких нині провідників - алюміній - мав статус особливо дорогоцінного металу, тому Ом обмежився дослідами з міддю, сріблом, золотом, платиною, цинком, оловом, свинцем та залізом.

Зрештою Ом ввів поняття питомого електричного опору матеріалу як фундаментальної характеристики, зовсім нічого не знаючи ні про природу перебігу струму в металах, ні про залежність їхнього опору від температури.

Питомий електричний опір. Визначення

Питомий електричний опір або просто питомий опір - фундаментальна фізична характеристика провідного матеріалу, яка характеризує здатність речовини перешкоджати походженню електричного струму. Позначається грецькою літерою ρ (вимовляється як ро) і розраховується, виходячи з емпіричної формули для розрахунку опору, отриманої Георгом Омом.

або, звідси

де R - опір в Омах, S - площа в м ² /, L - довжина в м

Розмірність питомого електричного опору в Міжнародній системіодиниць СІ виражається в Ом.

Це опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м²/ величиною 1 Ом.

В електротехніці, для зручності розрахунків, прийнято користуватися похідною величини питомого електричного опору, що виражається в мм мм²/м. Значення питомого опору найбільш поширених металів та його сплавів можна знайти у відповідних довідниках.

У таблицях 1 і 2 наведено значення питомих опорів різних найпоширеніших матеріалів.

Таблиця 1. Питомий опір деяких металів

Таблиця 2. Питомий опір найпоширеніших сплавів

Питомі електричні опори різних середовищ. Фізика явищ

Питомі електричні опори металів та їх сплавів, напівпровідників та діелектриків

Сьогодні, озброєні знаннями, ми можемо заздалегідь прорахувати питомий електричний опір будь-якого, як природного, і синтезованого матеріалу з його хімічного складута передбачуваного фізичного стану.

Ці знання допомагають нам найкраще використовувати можливості матеріалів, часом дуже екзотичні та унікальні.

У силу сформованих уявлень, з погляду фізики тверді тіла поділяються на кристалічні, полікристалічні та аморфні речовини.

Найпростіше, у сенсі технічного розрахунку питомого опору чи його виміру, справа з аморфними речовинами. Вони мають вираженої кристалічної структури (хоча може мати мікроскопічні включення таких речовин), відносно однорідні за хімічним складом і виявляють характерні для даного матеріалу характеристики.

У полікристалічних речовин, утворених сукупністю щодо дрібних кристалів одного хімічного складу, поведінка властивостей не дуже відрізняється від поведінки аморфних речовин, оскільки питомий електричний опір зазвичай визначається як інтегральна сукупна властивість даного зразка матеріалу.

Складніша справа з кристалічними речовинами, особливо з монокристалами, які мають різний питомий електричний опір та інші електричні характеристики щодо осей симетрії їх кристалів. Ця властивість називається анізотропією кристала і широко використовується в техніці, зокрема, радіотехнічних схемах кварцових генераторів, де стабільність частоти визначається саме генерацією частот, властивих даному кристалу кварцу.

Кожен з нас, будучи власником комп'ютера, планшета, мобільного телефонаабо смартфон, включаючи власників наручних електронного годинникааж до iWatch, одночасно є володарем кристаліка кварцу. Тому можна судити про масштаби використання в електроніці кварцових резонаторів, що обчислюються десятками мільярдів.

Крім іншого, питомий опір багатьох матеріалів, особливо напівпровідників, залежить від температури, тому довідкові дані зазвичай наводяться із зазначенням температури вимірювання, що дорівнює 20 °С.

Унікальні властивості платини, що має постійну і добре вивчену залежність питомого електричного опору від температури, а також можливість отримання високої чистоти металу послужили передумовою створення на її основі датчиків у широкому діапазоні температур.

Для металів розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків та хімічною чистотою металу даного зразка.

Для сплавів сильніший розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків та мінливістю складу сплаву.

Питомий електричний опір рідин (електролітів)

В основі розуміння питомого опору рідин лежать теорії термічної дисоціації та рухливості катіонів та аніонів. Наприклад, у найпоширенішій рідини Землі – звичайній воді, деяка частина її молекул під впливом температури розпадається на іони: катіони Н+ і аніони ОН– . При подачі зовнішньої напруги на електроди, занурені у воду за звичайних умов, виникає струм, зумовлений переміщенням вищезгаданих іонів. Як з'ясувалося, у воді утворюються цілі асоціації молекул - кластери, які іноді з'єднуються з катіонами Н+ або аніонами ВІН-. Тому передача іонів кластерами під впливом електричної напруги відбувається так: приймаючи іон у напрямку прикладеного електричного поля з одного боку, кластер скидає аналогічний іон з іншого боку. Наявність у воді кластерів чудово пояснює той науковий факт, що за температури близько 4 °C вода має найбільшу щільність. Більшість молекул води при цьому знаходиться в кластерах через дію водневих і ковалентних зв'язків, практично в квазікристалічному стані; термодисоціація при цьому мінімальна, а утворення кристалів льоду, який має нижчу щільність (лід плаває у воді), ще не почалося.

В цілому проявляється сильніша залежність питомого опору рідин від температури, тому ця характеристика завжди вимірюється при температурі 293 K, що відповідає температурі 20 °C.

Крім води є велика кількість інших розчинників, здатних створювати катіони і аніони розчинних речовин. Знання та вимір питомого опору таких розчинів також має велике практичне значення.

Для водних розчинів солей, кислот та лугів істотну роль у визначенні питомого опору розчину відіграє концентрація розчиненої речовини. Прикладом може бути наступна таблиця, в якій наведено значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин при температурі 18 °С:

Таблиця 3. Значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин за температури 18 °С

Дані таблиць взяті з Короткого фізико-технічного довідника, Том 1, - М.: 1960

Питомий опір ізоляторів

Величезне значення у галузях електротехніки, електроніки, радіотехніки та робототехніки відіграє цілий клас різних речовин, Що має відносно високий питомий опір. Незалежно від їхнього агрегатного стану, будь він твердий, рідкий або газоподібний, такі речовини називаються ізоляторами. Такі матеріали використовуються для ізолювання окремих частин електричних схем одна від одної.

Прикладом твердих ізоляторів може бути всім знайома гнучка ізолента, завдяки якій ми відновлюємо ізоляцію при з'єднанні різних дротів. Багатьом знайомі порцелянові ізолятори підвіски повітряних ліній електропередач, текстолітові плати з електронними компонентами, що входять до складу більшості виробів електронної техніки, кераміка, скло та багато інших матеріалів. Сучасні тверді ізоляційні матеріалина базі пластмас та еластомерів роблять безпечним використання електричного струму різних напруг у найрізноманітніших пристроях та приладах.

Крім твердих ізоляторів, широке застосування в електротехніці знаходять рідкі ізолятори з високим питомим опором. У силових трансформаторах електромереж рідка трансформаторна олія запобігає міжвитковим пробоїм через ЕРС самоіндукції, надійно ізолюючи витки обмоток. У масляних вимикачах олія використовується для гасіння електричної дуги, що виникає при перемиканні джерел струму. Конденсаторна олія використовується для створення компактних конденсаторів із високими електричними характеристиками; крім цих масел як рідких ізоляторів використовуються природне рицинова олія і синтетичні олії.

При нормальному атмосферному тиску всі гази та їх суміші є з точки зору електротехніки відмінними ізоляторами, але благородні гази (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу їх інертності мають більш високий питомий опір, що широко використовується в деяких областях техніки.

Але найпоширенішим ізолятором служить повітря, що в основному складається з молекулярного азоту (75% за масою), молекулярного кисню (23,15% за масою), аргону (1,3% за масою), вуглекислого газу, водню, води та деякої домішки. різних шляхетних газів. Він ізолює протікання струму у звичайних побутових вимикачах світла, перемикачах струму на основі реле, магнітних пускачах та механічних рубильниках. Необхідно відзначити, що зниження тиску газів або їх сумішей нижче атмосферного призводить до зростання їх питомого електричного опору. Ідеальним ізолятором у сенсі є вакуум.

Питомий електричний опір різних ґрунтів

Одним з найважливіших способів захисту людини від дії електричного струму, що вражає, при аваріях електроустановок є пристрій захисного заземлення.

Воно є навмисним з'єднанням кожуха або корпусу електропристроїв із захисним заземлюючим пристроєм. Зазвичай заземлення виконується у вигляді закопаних у землю на глибину більше 2,5 метра сталевих або мідних смуг, труб, стрижнів або куточків, які у разі аварії забезпечують протікання струму по контуру. змінного струму. Опір цього контуру має бути не більше 4 Ом. У цьому випадку напруга на корпусі аварійного пристрою знижується до безпечного для людини величин, а автоматичні пристрої захисту електричного кола тим чи іншим способом виключають аварійний пристрій.

При розрахунку елементів захисного заземлення істотну роль відіграє знання питомого опору ґрунтів, що може змінюватись у широких межах.

Відповідно до даних довідкових таблиць, вибирається площа заземлювального пристрою, по ній обчислюється кількість заземлюючих елементів і власне конструкція всього пристрою. З'єднання елементів конструкції пристрою захисного заземлення здійснюється зварюванням.

Електротомографія

Електророзвідка вивчає приповерхневе геологічне середовище, застосовується для пошуку рудних та нерудних корисних копалин та інших об'єктів на основі дослідження різних штучних електричних та електромагнітних полів. Приватним випадком електророзвідки є електротомографія (Electrical Resistivity Tomography) – метод визначення властивостей гірських порідщодо їх питомого опору.

Суть методу полягає в тому, що при певному положенні джерела електричного поля проводяться виміри напруги на різних зондах, потім джерело поля переміщують в інше місце або перемикають на інше джерело та повторюють виміри. Джерела поля та зонди-приймачі поля розміщують на поверхні та у свердловинах.

Потім отримані дані обробляються та інтерпретуються за допомогою сучасних комп'ютерних методів обробки, що дозволяють візуалізувати інформацію у вигляді двовимірних та тривимірних зображень.

Будучи дуже точним шляхом пошуку, електротомографія надає неоціненну допомогу геологам, археологам і палеозоологам.

Визначення форми залягання родовищ корисних копалин та меж їх поширення (оконтурювання) дозволяє виявити залягання жильних покладів корисних копалин, що суттєво знижує витрати на їх подальшу розробку.

Археологам цей метод пошуку дає цінну інформацію про розташування стародавніх поховань та наявність у них артефактів, тим самим скорочуючи витрати на розкопки.

Палеозоологи за допомогою електротомографії шукають скам'янілі останки древніх тварин; результати їх робіт можна побачити в музеях природничих наук у вигляді скелетів доісторичної мегафауни, що вражають уяву реконструкцій.

Крім того, електротомографія застосовується при зведенні та при подальшій експлуатації інженерних споруд: висотних будівель, гребель, дамб, насипів та інших.

Визначення питомого опору практично

Іноді для вирішення практичних завдань перед нами може стати завдання визначення складу речовини, наприклад, дроту для різака пінополістиролу. Маємо два мотки дроту відповідного діаметра з різних невідомих нам матеріалів. Для вирішення задачі необхідно знайти їх питомий електричний опір і далі за різницею знайдених значень або довідковою таблицею визначити матеріал дроту.

Відміряємо рулеткою та відріжемо по 2 метри дроту від кожного зразка. Визначимо діаметри дротів d₁ та d₂ мікрометром. Увімкнувши мультиметр на нижню межу вимірювання опорів, вимірюємо опір зразка R₁. Повторюємо процедуру іншого зразка і також вимірюємо його опір R₂.

Врахуємо, що площа поперечного перерізу дротів розраховується за формулою

S = π ∙ d 2 /4

Тепер формула для розрахунку питомого електричного опору буде виглядати так

ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L

Підставляючи отримані значення L, d₁ та R₁ у формулу для розрахунку питомого опору, наведену у статті вище, обчислюємо значення ρ₁ для першого зразка.

ρ 1 = 0,12 ом мм 2 /м

Підставляючи отримані значення L, d₂ та R₂ у формулу, обчислюємо значення ρ₂ для другого зразка.

ρ 2 = 1,2 ом мм 2 /м

З порівняння значень ρ₁ і ρ₂ з довідковими даними наведеної вище Таблиці 2, робимо висновок, що матеріалом першого зразка є сталь, а другого - ніхром, з якого і виготовимо струну різака.

Чи знаєте ви, що таке уявний експеримент, gedanken experiment?
Це неіснуюча практика, потойбічний досвід, уяву того, чого немає насправді. Думкові експерименти подібні до снам наяву. Вони народжують чудовиськ. На відміну від фізичного експерименту, який є досвідченою перевіркою гіпотез, "думковий експеримент" фокусічно підміняє експериментальну перевірку бажаними, не перевіреними на практиці висновками, маніпулюючи логікоподібними побудовами, що реально порушують саму логіку шляхом використання недоведених посилок як доведені. Отже, основним завданням заявників " уявних експериментів " є обман слухача чи читача шляхом заміни справжнього фізичного експерименту його " лялькою " - фіктивними міркуваннями під слово слово без самої фізичної перевірки.
Заповнення фізики уявними, " уявними експериментами " призвело до виникнення абсурдної сюрреалістичної, сплутано-заплутаної картини світу. Справжній дослідник має відрізняти такі "фантики" від справжніх цінностей.

Релятивісти і позитивісти стверджують, що "думковий експеримент" дуже корисний інструмент для перевірки теорій (також виникають у нашому розумі) на несуперечність. У цьому вони дурять людей, оскільки будь-яка перевірка може здійснюватися лише незалежним від об'єкта перевірки джерелом. Сам заявник гіпотези не може бути перевіркою своєї ж заяви, оскільки причиною самої цієї заяви є відсутність видимих ​​для заявника протиріч у заяві.

Це ми бачимо на прикладі СТО та ОТО, які перетворилися на своєрідний вид релігії, керуючої наукою та громадською думкою. Жодна кількість фактів, що суперечать їм, не може подолати формулу Ейнштейна: "Якщо факт не відповідає теорії - змініть факт" (В іншому варіанті "- Факт не відповідає теорії? - Тим гірше для факту").

Максимально, потім може претендувати " уявний експеримент " - це лише внутрішню несуперечність гіпотези у межах своєї, часто зовсім на істинної логіки заявника. Відповідно до практики це не перевіряє. Ця перевірка може відбутися тільки в дійсному фізичному експерименті.

Експеримент на те й експеримент, що він є не витончення думки, а перевірка думки. Несуперечлива в собі думка не може сама себе перевірити. Це доведено Куртом Геделем.

Чи знаєте ви, у чому хибність поняття "фізичний вакуум"?

Фізичний вакуум - поняття релятивістської квантової фізики, під ним там розуміють нижчий (основний) енергетичний стан квантованого поля, що має нульовий імпульс, момент імпульсу та інші квантові числа. Фізичним вакуумом релятивістські теоретики називають повністю позбавлене речовини простір, заповнений невимірюваним, отже, лише уявним полем. Такий стан на думку релятивістів не є абсолютною порожнечею, але простір, заповнений деякими фантомними (віртуальними) частинками. Релятивістська квантова теорія поля стверджує, що, згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, у фізичному вакуумі постійно народжуються і зникають віртуальні, тобто частки, що здаються (кому здаються?): відбуваються так звані нульові коливання полів. Віртуальні частки фізичного вакууму, а отже, він сам, за визначенням не мають системи відліку, тому що в іншому випадку порушувався б принцип відносності Ейнштейна, на якому ґрунтується теорія відносності (тобто стала б можливою абсолютна система вимірювання з відліком від частинок фізичного вакууму, що у свою чергу однозначно спростувало б принцип відносності, на якому побудована СТО). Таким чином, фізичний вакуум і його частинки не є елементами фізичного світу, але лише елементи теорії відносності, які існують не в реальному світі, але лише в релятивістських формулах, порушуючи при цьому принцип причинності (виникають і зникають так), принцип об'єктивності (віртуальні частки можна вважати залежно від бажання теоретика або існуючими, або не існуючими), принцип фактичної вимірності (не спостерігаються, не мають своєї ISO).

Коли той чи інший фізик використовує поняття "фізичний вакуум", він або не розуміє абсурдності цього терміна, або лукавить, будучи прихованим або явним прихильником релятивістської ідеології.

Зрозуміти абсурдність цього поняття найлегше звернувшись до витоків його виникнення. Народжено воно було Полем Діраком у 1930-х, коли стало ясно, що заперечення ефіру в чистому вигляді, як це робив великий математик, але посередній фізик Анрі Пуанкаре вже не можна. Занадто багато фактів суперечить цьому.

Для захисту релятивізму Поль Дірак ввів афізичне та алогічне поняття негативної енергії, а потім і існування "моря" двох компенсуючих один одного енергій у вакуумі - позитивної і негативної, а також "моря" частинок, що компенсують одна одну, - віртуальних (тобто здаються) електронів і позитронів у вакуумі.