У цій статті розкриємо тему електропровідності, згадаємо про те, що таке електричний струм, як він пов'язаний з опором провідника і відповідно з його електропровідністю. Відзначимо основні формули для обчислення даних величин, торкнемося теми швидкості струму і її зв'язку з напруженістю електричного поля. Також торкнемося зв'язок електричного опору і температури.

Для початку згадаємо про те, що ж таке електричний струм. Якщо помістити речовина в зовнішнє електричне поле, то під дією сил з боку цього поля, в речовині почнеться рух елементарних носіїв заряду - іонів або електронів. Це і буде електричним струмом. Сила струму I вимірюється в амперах, і один ампер - це струм, при якому через поперечний переріз провідника протікає за секунду заряд, рівний одному кулона.

Струм буває постійним, змінним, пульсуючим. Постійний струм не змінює своєї величини і напрямки в кожен конкретний момент часу, змінний струм з плином часу змінює свої величину і напрямок (генератори змінного струму і трансформатори дають саме змінний струм), пульсуючий струм змінює свою величину, але не змінює напрямку (наприклад випрямленний змінний ток є пульсуючим).

Речовини мають властивість проводити електричний струм під дією електричного поля, і це властивість називається електропровідністю, яка у різних речовин різна. Електропровідність речовин залежить від концентрації в них вільних заряджених частинок, тобто іонів і електронів, які пов'язані ні з кристалічною структурою, ні з молекулами, ні з атомами даної речовини. Так, в залежності від концентрації в речовині вільних носіїв заряду, речовини за ступенем електропровідності підрозділяються на: провідники, діелектрики і напівпровідники.

Найбільш високу електропровідність мають провідники електричного струму , І по фізичній природі, провідники в природі представлені двома родами: металами і електролітами. В металах струм обумовлений переміщенням вільних електронів, тобто провідність у них електронна, а в електролітах (в розчинах кислот, солей, лугів) - переміщенням іонів - частин молекул, що мають позитивний і негативний заряд, тобто провідність у електролітів іонна. Іонізовані пари і гази відрізняються змішаної провідністю, в них ток обумовлений рухом і електронів та іонів.

Електронна теорія добре пояснює високу електропровідність металів. Зв'язок валентних електронів з їх ядрами в металах слабка, тому ці електрони вільно переміщаються від атома до атома за обсягом провідника.

Виходить, що вільні електрони в металах заповнюють простір між атомами подібно газу, електронного газу, і знаходяться в хаотичному русі. Але при внесенні металевого провідника в електричне поле, вільні електрони стануть рухатися впорядковано, вони перемістяться у напрямку до позитивного полюса, ніж створять струм. Таким чином, впорядкований рух вільних електронів в металевому провіднику називається електричним струмом.

Відомо, що швидкість поширення електричного поля в просторі приблизно дорівнює 300000000 м / с, тобто швидкості світла. Це та ж швидкість, з якою струм проходить по провіднику.

Що це означає? Це не означає, що кожен електрон в металі рухається з такою величезною швидкістю, електрони в провіднику навпаки - мають швидкість від декількох міліметрів в секунду до декількох сантиметрів в секунду, в залежності від напруженості електричного поля , А ось швидкість поширення електричного струму по провіднику якраз дорівнює швидкості світла.

Вся справа в тому, що кожен вільний електрон виявляється в загальному електронному потоці того самого «електронного газу», і під час проходження струму, електричне поле впливає на весь цей потік, в результаті електрони безперервно один одному передають цю дію поля - від сусіда до сусідові.

Але рухаються електрони на своїх місцях дуже повільно, незважаючи на те, що швидкість поширення електричної енергії по провіднику виявляється величезною. Так, коли на електростанції включають рубильник, ток миттєво виникає у всій мережі, а електрони при цьому практично стоять на місцях.

Однак, коли вільні електрони рухаються по провіднику, вони відчувають численні зіткнення на своєму шляху, вони стикаються з атомами, іонами, молекулами, передаючи їм частину своєї енергії. Енергія електронів, що рухаються, долають такий опір, частково розсіюється у вигляді тепла, і провідник нагрівається.

Ці зіткнення служать опором руху електронів, тому властивість провідника перешкоджати руху заряджених частинок і називають електричним опором. При малому опорі провідника провідник нагрівається струмом слабо, при значному - набагато сильніше, і навіть до білого, цей ефект застосовується в нагрівальних приладах і в лампах розжарювання.

Одиниця зміни опору - Ом. Опір R = 1 Ом - це опір такого провідника, при проходженні по якому постійного струму в 1 ампер, різниця потенціалів на кінцях провідника дорівнює 1 вольт. Еталон опору в 1 Ом - стовп ртуті висотою тисячі шістьдесят три мм, перерізом 1 кв.мм при температурі 0 ° С.

Оскільки провідникам характерно електричний опір, то можна сказати, що в якійсь мірі провідник здатний проводити електричний струм. У зв'язку з цим введена величина, яка називається провідністю або електропровідністю. Електропровідність - це здатність провідника проводити електричний струм, тобто величина, зворотна електричному опору.

Одиниця виміру електропровідності G (провідності) - Сіменс (См), і 1 Див = 1 / (1 Ом). G = 1 / R.

Так як атоми різних речовин в різному ступені перешкоджають проходженню електричного струму, то і електричний опір у різних речовин різний. З цієї причини введено поняття питомий електричний опір , Величина якого «р» характеризує провідні властивості того чи іншого речовини.

Питомий електричний опір вимірюється в Ом * м, тобто опір куба речовини з ребром в 1 метр. Таким же чином електропровідність речовини характеризується питомою електропровідністю?, Вимірюваної в См / м, тобто провідність куба речовини з ребром в 1 метр.

Сьогодні провідні матеріали в електротехніці використовують в основному у вигляді стрічок, шин, дротів, з певною площею поперечного перерізу і певної довжини, але не у вигляді метрових кубів. І для більш зручних розрахунків електричного опору і електропровідності провідників конкретних розмірів були введені більш прийнятні одиниці виміру як для питомої електричного опору, так і для питомої електропровідності. Ом * мм2 / м - для питомого опору, і См * м / мм 2 - для питомої електропровідності.

Тепер можна говорити, що питомий електричний опір і питома електропровідність характеризують провідні властивості провідника площею поперечного перерізу в 1 кв.мм, довжиною в 1 метр при температурі 20 ° C, це більш зручно.

Кращою електропровідністю володіють такі метали як: золото, мідь, срібло, хром, алюміній. Сталь і залізо проводять струм гірше. Чисті метали завжди мають кращу електропровідність, ніж їх сплави, тому чиста мідь в електротехніці краще. Якщо потрібно спеціально високий опір, то використовують вольфрам, ніхром, константан.

Знаючи величину питомого електричного опору або питомої електропровідності, можна легко обчислити опір або електропровідність конкретного провідника, виготовленого з даного матеріалу, прийнявши до уваги довжину l і ​​площа поперечного перерізу S цього провідника.

Електропровідність і електричний опір всіх матеріалів залежить від температури, оскільки частота і амплітуда теплових коливань атомів кристалічної решітки з ростом температури так само зростає, відповідно зростає і опір електричному струму, потоку електронів.

При зниженні температури - навпаки, коливання атомів кристалічної решітки стають менше, опір зменшується (зростає електропровідність). У одних речовин залежність опору від температури виражена слабше, у інших - сильніше. Наприклад такі сплави як константан, фехраль та манганин слабо змінюють питомий опір в певному інтервалі температур, тому з них роблять термостабільні резистори.

Температурний коефіцієнт опору? дозволяє обчислити для конкретного матеріалу приріст його опору при певній температурі, і чисельно характеризує відносне збільшення опору при збільшенні температури на 1 ° С.

Знаючи температурний коефіцієнт опору і збільшення температури, можна легко обчислити питомий опір речовини при заданій температурі.

Сподіваємося, що наша стаття була для вас корисною, і тепер ви легко зможете обчислити опір і провідність будь-якого проводу при будь-якій температурі.