Сопротивление удельное сопротивление проводимость: § 4. Электрическое сопротивление и проводимость

Содержание

Сопротивление, проводимость и закон Ома

Электрическое сопротивление физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока.

Сопротивление часто обозначается через R или r и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах.

В зависимости от среды проводника и носителей зарядов, физическая природа сопротивления может отличаться. Так, например, в металле движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решетки, теряют свой импульс, и энергия их движения преобразуется во внутреннюю энергию кристаллической решетки (то есть становится меньше).

Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он выполнен.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и определяется согласно зависимости

где ρ – удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l  — длина проводника, м, а S — площадь сечения, мм².

Удельное сопротивление ρ – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (рисунок 1). При расчетах это значение выбирается из таблицы.

Рис. 1. Удельное сопротивление проводника, ρ

Сопротивление проводника R зависит от внешнего фактора – температуры T, но для разных групп веществ эта зависимость имеет различные зависимости. Так, при снижении температуры металлов их сопротивление снижается (то есть способность проводить ток увеличивается). Если температура металла достигает низких значений, он переходит в состояние так называемой свехрпроводимости и его сопротивление

R стремится к 0. Поведение полупроводников под воздействием температур обратное – при снижении температуры T сопротивление R растет, а при его росте наоборот падает (рисунок 2).

Рис. 2. Зависимость сопротивления R от температуры T для металлов и полупроводников

Закон Ома

В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный в электронике закон, названный впоследствии его фамилией. Закон Ома определяет количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими его способность противостоять электрическому току.

Существует несколько интерпретаций закона Ома.

Закон Ома для участка цепи (рисунок 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжения на концах проводника U и его сопротивления R

Рис. 3. Закон Ома для участка цепи

Интерпретировать закон Ома для участка цепи можно следующим образом: если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 В, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1 А

На представленном выше простом примере разберем физическую интерпретацию закона Ома, используя аналогию электрического тока и воды. В качестве аналога проводника электрического тока возьмем воронку, сужение в которой возникает из-за наличие в проводнике сопротивления R (рисунок 4). Пусть в воронку из некоторого источника поступает вода, которая просачивается через узкое горлышко. Усилить поток воды на выходе горлышка воронки можно за счет давления на воду, например, силой поршня. В аналогии с электричеством, поршень будет являться аналогом напряжения – чем сильнее на воду давит поршень (то есть чем больше значение напряжения), тем сильнее будет поток воды на выходе из воронки (тем больше будет значение силы тока).

Рис. 4. Интерпретация закона Ома для участка цепи с использованием водной аналогии

Закон Ома может быть применен не всегда, а лишь в ограниченном числе случаев. Так закон Ома «не работает» при расчете напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборов, содержащих нелинейные элементы. В этом случае зависимость тока и напряжения можно определить только с помощью построение так называемой вольтамперной характеристики (ВАХ). К категории нелинейных элементов относятся все без исключения полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.), а также электронные лампы.

Проводимость

Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:

G = 1/R.

Единица проводимости называется сименс (См): G, (g) = 1/Ом = См.

#1. Формула закона для участка цепи Ома

I = R/U

I = U/R

R = I/U

#2. Найдите сопротивление участка цепи использую закон Ома, если к концам проводника приложено U = 12 В, и в нем протекает ток I = 6 А.

5 Ом.

2 Ом.

72 Ом.

Закон Ома гласит I=U/R, следовательно R = U/I = 12/6 = 2 Ом.

#3. В чем измеряется удельное сопротивление?

Ом*мм

Ом*м

Ом

#4. Сопротивление участка цепи равно 10 Ом. Найдите проводимость участка.

10 См.

5 См.

0,1 См.

Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:

G = 1/R.

Так как сопротивление участка цепи R = 10 Ом, следовательно

G = 1/10 = 0,1 См.

Завершить

Отлично!

Попытайтесь снова(

05.09.2020

ТОЭ

Электрические цепи постоянного тока

Удельное сопротивление воды

Вода в природных водоемах пребывает в непрерывном взаимодействии с воздухом, минералами земной коры и представляет собой сложный раствор, обогащенный неорганическими веществами, растворенными газами и соединениями органической природы. Химический состав воды влияет на его основные физические показатели, по которым определяют пригодность воды для определенных технологических процессов, питьевого водоснабжения, хозяйственно-бытового использования. Удельное сопротивление воды, показывающее диэлектрические способности жидкости, — один из основных параметров, помогающих определить такой важный показатель качества воды как минерализация.

Сопротивление воды — что это такое

Электропроводность — это количественное выражение возможности проводить электрический ток водным раствором. Ее величина определяется общей концентрацией присутствующих в растворе диссоциированных ионов щелочей, солей и кислот. Солесодержание или общая концентрация всех диссоциированных анионов и катионов оценивается в пределах от сотых мг до десятков гр на кг. При этом полностью очищенная от примесей вода будет отличным диэлектриком.

Электрическое сопротивление воды — это величина, обратная электропроводимости. Удельное сопротивление воды находится в зависимости от суммарного солесодержания и температуры. Минеральную часть водного раствора составляют катионы магния, кальция, натрия, калия и сульфат, хлорид, карбонат-анионы. Концентрация этих ионов формирует электропроводность в воде любого источника. Остальные ионы, такие как марганец, железо, алюминий, фосфат и нитрат-анионы не оказывают заметного влияния на удельное электрическое сопротивление воды. Гидроксил-ионы и H+ в стандартных концентрационных пределах нахождения в природных источниках мало изменяют показатель солесодержания, как и растворенные газы.

Приблизительно оценить степень минерализации водного раствора можно путем измерения сопротивления воды. С помощью него вычисляют электрическую проводимость, значение которой для поверхностных вод стандартно находится в диапазоне от 40 до 9000 мкСм/см. Наполненность воды минералами значительно повышает ее электропроводимость, а очищенная вода плохо проводит электричество. Удельная электропроводность дистиллированной воды составляет всего 5 мкСм/см согласно ГОСТ 6709-72. При измерении удельного электрического сопротивления воды невозможно учесть присутствующие в растворе неионогенные органические соединения, нейтральные взвешенные частицы, газы.

Чему равно сопротивление воды

Электропроводность и обратное ей удельное сопротивление воды характеризуют минерализацию растворов только в количественном отношении, не по качественному составу присутствия катионов и анионов. Электрическая проводимость рассчитывается путем сопоставления ее с величиной сопротивления воды электротоку, пропускаемому через водный раствор.

L = 1 / R

В международной системе СИ электропроводность измеряется в мкСм/см или может быть выражено в Ом-1. Показатель электрического сопротивления воды в Ом остается постоянным в рамках 10% допустимой погрешности при присутствии в воде природных источников органических коллоидных и растворенных примесей до 150 мг/дм3 и взвешенных частиц до 500 мг/дм3. Предельное значение удельного сопротивления, равное 18,2 МОм•см при 20°С соответствует величине 0,055 мкСм/см электрической проводимости воды.

Измеряют в ходе исследования с помощью кондуктометра, какое электрическое сопротивление у воды. На основании эмпирических формул и заранее определенной величины удельной электропроводности откалиброванных растворов CaCl2 производят расчет проводимости тока водой. Результаты замеров электрического сопротивления дистиллированной воды и расчетов дают показатели электропроводности 2 — 5 мкСм/м, для атмосферных осадков 5 — 35 и выше мкСм/м, в пресных водах рек и озер в областях с повышенной загрязненностью воздуха значение электропроводимости воды достигает 25 — 85 мкСм/см.

От чего зависит электрическое сопротивление воды

Вода — универсальный растворитель. Способность растворять вещества и степень диссоциации молекул возрастает при нагревании. Проводимость тока водным раствором и сопротивление воды зависят от температуры. Прибавление к температуре особо чистой воды каждого °С увеличивает проводимость тока на 6%.

Расчетным путем найти соответствие между величиной удельного сопротивления воды и сухим остатком невозможно, поскольку в природных источниках ионы имеют разную электропроводность. Она находится в параллельной зависимости от температуры и минерализации раствора. Чтобы найти такую зависимость, нужно несколько раз в году экспериментальным путем устанавливать соотношение между этими величинами для каждого конкретного объекта. Для разных сезонов и географического расположения удельное электрическое сопротивление воды различно и варьируется от 5 до 300 Ом•м.

Практические измерения сопротивления и электрической проводимости воды приводятся к 20°С. В современных кондуктометрах функция пересчета происходит в автоматическом режиме. В целях получения максимально точных результатов и для уменьшения влияния температуры на результаты эксперимента параллельно с электрической проводимостью меряют температуру водного раствора.

При определении удельного электрического сопротивления воды с высоким содержанием взвешенных примесей, взвеси и коллоидные частицы могут осаждаться на измерительных электродах, образовывать пленку, увеличивающую электросопротивление и погрешность измерения. В таком случае необходимо проводить очистку электродов, а для повышения чистоты эксперимента использовать вспомогательные электроды.

Как измерить сопротивление воды

Деионизованная вода обладает большим удельным электрическим сопротивлением, уменьшающимся с повышением температуры. Любые растворенные соли повышают электропроводность воды. Когда вода содержит катионы и анионы разных солей одновременно, практически невозможно установить взаимосвязь между ее электрическим сопротивлением и солесодержанием. Такая возможность присутствует только при измерении удельного сопротивления деминерализованной воды, которая содержит только диссоциированные соли Na.

Для относительной оценки минерализации есть эмпирически высчитанное соотношение между удельной электропроводностью и общим содержанием солей в водном растворе:

L (мкСм/cм) = минерализация (мг/л) / 0,65

Суммарное количество солей в водном растворе можно найти делением величины электрической проводимости на корректирующий коэффициент. Его значение меняется в зависимости от вида вод в диапазоне 0,55 — 0,75.

Измерение удельного сопротивления воды и электропроводности проводят методом кондуктометрии при температуре воды 20°С. Принцип работы кондуктометра основан на прямой зависимости электропроводимости воды от концентрации диссоциированных в водном растворе электролитов. Через электроды попускают переменный ток частотой от 60 Гц в низко минерализованной воде до 1500 Гц в соленых растворах. Кондуктометр фиксирует значение электрического сопротивления воды. Современные приборы могут измерять электросопротивление и ультрачистой воды, и насыщенных солевых растворов с высокой электропроводимостью.

Можно использовать менее точные приборы, но простые и недорогостоящие. Для проведения замеров необходим прямоугольный сосуд с электроизоляцией, две пластины электродов из стали или меди, закрепленных на внутренних торцах емкости, зонды из проволоки 1 мм в диаметре, расположенные перпендикулярно плоскости электродов на небольшом удалении от них. Переменный ток подают на электродные пластины, замеряют его силу и изменение напряжения у зондов.

Способы повышения электрического сопротивления воды

Изменение электросопротивления воды в сторону повышения связано с применением способов профессиональной очистки при водоподготовке. Выбор метода обуславливает концентрация солей и цели предстоящего использования воды.

  • При суммарном солесодержании 2 — 20 мг/л рекомендуется применять ионообменный метод для увеличения сопротивления воды или технологию электродеионизации;
  • от 20 мг/л до 10 г/л — обратный осмос;
  • более 10 г/л — электродиализ.

Обратный осмос — эффективный и удобный в применении метод уменьшения электропроводности воды. Водный раствор проходит через полупроницаемые мембраны, оставляя на них практически все растворенные вещества. Обратноосмотические установки отличаются простотой обслуживания, хорошей производительностью и экономичностью.

Фильтрование ионообменным способом основано на направленном изменении ионного состава водного раствора путем пропускания его через мелкозернистые ионообменные материалы — иониты. Объединение в одном фильтре смешанного действия анионита и катионита оптимизирует показатели чистоты получаемого раствора.

Электродеионизационные установки незаменимы, когда нужно получить воду глубокой очистки, используя постоянное электрическое поле. В нем непрерывно протекают процессы электродиализа и ионного обмена, растворенные соли связываются и отводятся через селективную мембрану в концентрационные элементы. Под действием электрического тока диссоциированная вода одновременно восстанавливает обменную способность смол.

Чем полезно измерение сопротивления воды

Величина сопротивления и электропроводности воды помогает оценить степень солесодержания в воде и сравнить полученные значения с ГОСТ. Такие измерения могут быть предварительным шагом перед проведением анализа воды для подбора очистительных установок. Зная численное значение сопротивления, можно приблизительно оценить концентрацию солей и затраты на необходимую систему очистки. Если у вас уже стоит фильтрующая система, замер и расчет удельного сопротивления воды поможет оценить качество обессоливания и предупредить о необходимости замены или регенерации очистительных элементов.

6.8A: Электропроводность и удельное сопротивление

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    2523
  • Удельное электрическое сопротивление и проводимость являются важными свойствами материалов. Различные материалы имеют разную проводимость и удельное сопротивление. Электропроводность основана на свойствах электротранспорта. Их можно измерить несколькими методами с использованием различных инструментов. 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.

    Проводимость и удельное сопротивление

    Проводимость и удельное сопротивление обратно пропорциональны друг другу. Когда проводимость низкая, удельное сопротивление высокое. Когда сопротивление низкое, проводимость высокая. Уравнение выглядит следующим образом:

    \[ \rho = \dfrac{1}{\sigma}\]

    где

    • Удельное сопротивление представлено \(\rho\) и измеряется в Ом-метрах ( \(Ом·м\)),
    • Электропроводность обозначается \(\сигма\) и измеряется в
      Сименс
      (\(1/Ом·м\)).

    Поскольку проводимость является мерой того, насколько легко протекает электричество, удельное электрическое сопротивление измеряет, насколько материал сопротивляется потоку электричества.

    Свойства электрического транспорта

    Проще говоря, электричество — это движение электронов через материал. Когда электроны движутся через материал, они вступают в контакт с атомами материала. 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. \(E\) представляет собой 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, на которую подается напряжение.

    \[E=\dfrac{V}{l}\]

    Плотность тока рассчитывается по приведенному ниже уравнению

    \[J=\dfrac{I}{A}\]

    делится на площадь поперечного сечения А, по которому течет ток.

    Удельное сопротивление и сопротивление

    Удельное сопротивление и сопротивление — это две разные вещи. Удельное сопротивление не зависит от размера или формы. Сопротивление, однако, есть. Вы можете рассчитать сопротивление с помощью приведенного ниже уравнения.

    \[ R=\dfrac{V}{I} \]

    R относится к сопротивлению и измеряется в Ом. \(V\) — напряжение и измеряется в вольтах. I измеряет ток, и его единицей измерения являются ампер (А).

    Каталожные номера

    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». Письма о физическом обзоре 65,13 (1990): 1643-646.
      Распечатать.

    Задачи

    1. Какова плотность тока материала с удельным сопротивлением 12 Ом·м и напряженностью электрического поля 64 В/м?
    2. Если напряжение 6 В проходит через вещество радиусом 2 м и длиной 3 м, каково электрическое поле?
    3. Каково электрическое поле материала, если сила тока равна 25 А, измеренное сопротивление равно 78 Ом, плотность тока равна 24 А/м2, а длина тока составляет 100 м?
    4. Материал имеет напряжение 150В и ширину 24м. Материал также имеет силу тока 62 А и проходит расстояние 5 м. Какая проводимость?
    5. Металл изначально имеет электрон, сталкивающийся с каждым пятым атомом, и его температура увеличивается от 6К до 100К. Полупроводник изначально имеет электрон, сталкивающийся с каждым пятым атомом, и его температура увеличивается от 6 К до 100 К. Какой материал будет иметь большее удельное сопротивление? Почему?

    Ответов на задачи:

    1. E/J = ρ —> J=E/ρ = 64 В/м /12 Омm = 5,33 А/м 2

    2. E=V/l = 6 В/3 м = 2 В/м

    3. E=V/l

    V=IR —> E=IR/l = 25 A x 78 Ом/100 м = 19,5 В/м

    4. E/J = ρ

    E=V/l

    J=I/A —> ρ=(В/l)/(I/A) = (150 В/5 м)/(62 A/(24 м x 5 м) = 58 Ом·м

    ρ = 1/σ — > 1/ρ = σ = 1/58 Ом·м

    5. Материалом с наибольшим удельным сопротивлением является металл, потому что при повышении температуры у металлов повышается удельное сопротивление, а у полупроводников обычно уменьшается удельное сопротивление при повышении температуры9.0024

    Авторы и ссылки

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

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Показать страницу TOC
      № на стр.
    2. Теги
      1. проводимость
      2. Ом-метры (шт.)
      3. удельное сопротивление
      4. сименс (шт.)

    Сопротивление и удельное сопротивление

    Сопротивление и удельное сопротивление

    Электрическое сопротивление компонента цепи или устройства определяется как отношение приложенного напряжения к электрическому току который протекает через него:


    Если сопротивление постоянно в значительном диапазоне напряжения, то закон Ома I = V/R можно использовать для прогнозировать поведение материала. Хотя приведенное выше определение включает в себя постоянный ток и напряжение, то же самое определение справедливо и для применения резисторов на переменном токе.

    Независимо от того, подчиняется ли материал закону Ома, его сопротивление можно описать с помощью объемного удельного сопротивления. Удельное сопротивление и, следовательно, сопротивление зависят от температуры. В значительных диапазонах температур эту температурную зависимость можно предсказать по температурному коэффициенту сопротивления.

    Проводники и изоляторы Комбинации резисторов Неомическое сопротивление: электротравле
    Поведение резистора при переменном токе Обычные угольные резисторы
    Индекс

    Цепи постоянного тока

      2 2
    Гиперфизика*****Электричество и магнетизм R Ступица
    Назад

    Ожидается, что электрическое сопротивление провода будет больше для более длинного провода, меньше для провода с большей площадью поперечного сечения и, как ожидается, будет зависеть от материала, из которого изготовлен провод. Экспериментально зависимость от этих свойств является прямой для широкого диапазона условий, и сопротивление провода может быть выражено как

    Фактором сопротивления, учитывающим природу материала, является удельное сопротивление. Хотя оно зависит от температуры, его можно использовать при заданной температуре для расчета сопротивления провода заданной геометрии.

    Следует отметить, что предполагается, что ток однороден по всему поперечному сечению провода, что верно только для постоянного тока. Для переменного тока существует явление «скин-эффекта», при котором плотность тока максимальна при максимальном радиусе провода и падает для меньших радиусов внутри провода. На радиочастотах это становится основным фактором при проектировании, поскольку по внешней части провода или кабеля проходит большая часть тока.

    Обратная величина удельного сопротивления называется проводимостью. Есть контексты, в которых использование проводимости более удобно.

    Электропроводность = σ = 1/ρ

    Расчет Таблица удельных сопротивлений Общие калибры проволоки
    Микроскоп удельного сопротивления
    Индекс
     
    Гиперфизика*****Электричество и магнетизм R Ступица
    Назад

    Правила комбинирования любого количества резисторов, соединенных последовательно или параллельно, могут быть получены с использованием закона Ома, закона напряжения и действующий закон.


    Сравнительный пример
    Индекс

    Цепи постоянного тока

      2 2
    Гиперфизика*****Электричество и магнетизм R Ступица
    Назад

    Ожидается, что электрическое сопротивление провода будет больше для более длинного провода, меньше для провода с большей площадью поперечного сечения и, как ожидается, будет зависеть от материала, из которого сделан провод (удельное сопротивление). Экспериментально зависимость от этих свойств является прямой для широкого диапазона условий, и сопротивление провода может быть выражено как 9омметры
    будет иметь сопротивление R = Ом.

    Введите данные, а затем нажмите на количество, которое вы хотите рассчитать в активной формуле выше. Неуказанные параметры по умолчанию будут иметь типичные значения для 10 метров медного провода #12. При изменении значения будут , а не принудительно согласованы до тех пор, пока вы не нажмете на количество, которое хотите рассчитать.

    83
    Обычно используемые в США калибры
    для медных проводов.
    AWG
    Diameter
    (inches)
    Typical use
    10
    0.1019
    Electric range
    12
    0,0808
    Домохозяйственная трасса
    14
    0,0640
    0,0640
    0,0640
    0,0640
    0,0640
    . 0188
    Стандартные калибры проволоки
    Удельное сопротивление некоторых металлов
    в Ом-м(x 10 -8 ) при 20°C.
    Aluminum
    2.65
    Gold
    2.24
    Copper
    1.724
    Silver
    1.59
    Iron
    9.71
    Platinum
    10.6
    Nichrome
    100
    Tungsten
    5.65
    Таблица удельных сопротивлений

    Фактором сопротивления, учитывающим природу материала, является удельное сопротивление.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *