Электрическое сопротивление

Физическая природа электрического сопротивления. При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются на своем пути с положительными ионами 2 (см. рис. 9), атомами и молекулами вещества, из которого выполнен проводник, и передают им часть сво­ей энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с атомами и молекулами частично выделяется и рас­сеивается в виде тепла, нагревающего проводник. Ввиду того что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают некоторое сопротивление движению, принято говорить, что проводники обла­дают электрическим сопротивлением. Если сопротивление проводни­ка мало, он сравнительно слабо нагревается током; если сопротивление велико, проводник может раскалиться. Провода, подводящие элек­трический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как их сопротивление мало, а спираль плитки, обладающая большим со­противлением, раскаляется докрасна. Еще сильнее нагревается нить электрической лампочки.

За единицу сопротивления принят ом. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток в 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В. Эталоном со­противления 1 Ом служит столбик ртути длиной 106,3 см и площадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 0° С. На практике часто сопротивления измеряют тысячами ом — килоомами (кОм) или миллионами ом — мегаомами (МОм). Сопротивление обозначают буквой r (R).

Проводимость. Всякий проводник можно характеризовать не толь­ко его сопротивлением, но и так называемой проводимостью — спо­собностью проводить электрический ток. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. Единица проводимости называется cименсом (См). 1 См равен . Проводимость обозначают буквой g (G). Следо­вательно,

g= I/r.

Электропроводность различных материалов. Атомы разных ве­ществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ проводить электри­ческий ток можно судить по их удельному электрическому сопротивлению ρ. За величину, характеризующую удельное сопротивление, обыч­но принимают сопротивление куба с ребром 1 м. Удельное электриче­ское сопротивление измеряют в Ом·м. Для суждения об электропровод­ности материалов пользуются также понятием удельная электриче­ская проводимость σ = 1/ ρ. Удельная электрическая проводимость измеряется в См/м (проводимость куба с ребром 1 м). Часто удельное электрическое сопротивление выражают в Ом·см, а удельную элек­трическую проводимость — в См/см. При этом 1 Ом·см = 10^-2 Ом·м, а 1 См/см = 10² См/м.

Проводниковые материалы применяют, главным образом в виде проволок, шин или лент, площадь поперечного сечения которых при­нято выражать в квадратных миллиметрах, а длину — в метрах. По­этому для удельного электрического сопротивления подобных материалов и удельной электрической проводимости введены и другие едини­цы измерения: ρ измеряют в Ом·мм²/м (сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм²), а σ — в См·м/мм² (проводимость проводника длиной 1 м и площадью поперечного се­чения 1 мм²).

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают се­ребро и медь, так как структура из атомов позволяет легко передви­гаться свободным электронам, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь.

Чистые металлы всегда проводят электрический ток лучше, чем их сплавы. Поэтому в электротехнике используют преимущественно очень чистую медь, содержащую только 0,05% примесей. И, наоборот, в тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.), приме­няют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль. В табл. 1 приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудо­вании локомотивов.

Следует отметить, что в технике, кроме металлических провод­ников, используют и неметаллические. К таким проводникам отно­сится, например, уголь, из которого изготовляют щетки электриче­ских машин, электроды для прожекторов и пр. Проводниками элек­трического тока являются толща земли, живые ткани растений, жи­вотных и человека. Проводят электрический ток сырое дерево и мно­гие другие изоляционные материалы во влажном состоянии.

Электрическое сопротивление проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины l и площади поперечного сечения S. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказы­ваемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и ее длины.)

Сопротивление прямолинейного проводника - r=ρl/S

5. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И НАПРЯЖЕНИЕ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

При соединении проводником двух разноименно заряженных тел а и б (рис. 10, а), т. е. таких тел, между которыми действует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соедини­тельном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по проводнику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными.

Можно, однако, обеспечить и непрерывное движение электронов по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела, т. е. непрерывное прохождение электрического тока. Для этого надо каким-то образом возвращать электроны обратно на отрицательно за­ряженное тело, другими словами, поддерживать постоянными заряды этих тел. Это означает, что для прохождения постоянного тока по ме­таллическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов или напряжение. Для этого проводник надо подключить к источнику электрической энергии и создать зам­кнутую электрическую цепь (рис. 10, б). В проводнике положитель­ные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом, т. е. от положительного зажима источни­ка электрической энергии к отрицательному зажиму. Но внутри ис­точника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с выс­шим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника со­вершается за счет электродвижущей силы (э. д. с.), которая возбуж­дается в источнике. Э. д. с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи. Эта разность потенциалов представляет собой напряжение источника электрической энергии. Э. д. с. обозна­чается буквой Е (е) и численно равна работе, которую нужно затратить на перемещение единицы положительного заряда от одного зажима ис­точника к другому. Э. д. с. и напряжение источника тесно связаны друг с другом. Если в источнике не возбуждается э. д. с., то будет отсутствовать и напряжение на его зажимах.

Следует отметить, что э. д. с. и напряжение источника могут су­ществовать независимо от наличия тока в цепи. Если электрическая цепь постоянного тока разомкнута, то ток по цепи не проходит, но при работающем генераторе или аккумуляторе в них возбуждается э. д. с. и между их зажимами действует напряжение.

За единицу э. д. с. так же, как и напряжения, принят вольт. В раз­ных источниках электрической энергии э. д. с. возникает по различ­ным физическим причинам. Так, например, в электрических генера­торах э. д. с. получается в результате электромагнитной индукции, в химических источниках тока (аккумуляторах, гальванических эле­ментах) вследствие электрохимических реакций.

6. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Составные элементы электрической цепи. Электрическую цепь (рис. 11) образуют источники электрической энергии 1, ее приемни­ки 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электрических установок (рубильники, переключатели и др.), электроизмерительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные устройства (предо­хранители, автоматические выключатели).

В качестве источников электрической энергии применяют глав­ным образом электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы. Источники электрической энергии часто называют источниками питания.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электролитиче­ские ванны и др.

Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внеш­ний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электрической энер­гии, соединительных проводов и различных вспомогательных уст­ройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутрен­няя,цепь, — это сам источник.

Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах ре­альных электрических устройств (электровозов, тепловозов и др.) отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответствии с государственными стандартами. Некоторые из этих обозначений по ГОСТ 2721—68, ГОСТ 2750—68 приведены в табл. 2.

При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие некоторое сопротивление, например, электрические лампы,

электронагревательные приборы (в том числе и соединительные про­вода, если их необходимо учитывать при расчете), изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте схемы резисторов с сопро­тивлением r (рис. 11, б). То же относится к элементам, имеющим индуктивность (обмотки генераторов, электродвигателей и трансформа­торов) и емкость (конденсаторы). На расчетных схемах их изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте катушек индуктив­ности и конденсаторов. Источники электрической энергии в схеме электрической цепи часто могут быть представлены в виде идеализи­рованных источников, у которых внутреннее сопротивление r₀ = 0. (Условное графическое обозначение источника — окружность со стрел­кой Е.) Для того чтобы учесть внутреннее сопротивление реального источника, в схему вводят изображение резистора cсопротивлением r_о или ставят букву r_о возле условного обозначения источника.

Вспомогательные элементы электрических цепей (аппараты для включения и выключения, защитные устройства, некоторые электро­измерительные приборы) в большинстве случаев имеют весьма малые сопротивления и практически не оказывают влияние на значения то­ков и напряжений. Поэтому при расчете электрических цепей их не принимают во внимание и не указывают на схемах.

Направление тока, напряжения и э.д.с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой I, направленной от положитель­ного зажима источника электрической энергии к отрицательному его зажиму (см. рис. 11, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Положительное направле­ние напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка U направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Положительное направление э. д. с. совпадает с положительным направлением тока внутри источ­ника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).

В сложных электрических цепях бывает затруднительно пока­зать действительные направления тока и напряжения на отдельных участках цепи. В таких случаях принимают произвольно какие-либо их направления, которые считают условно положительными, и для этих направлений выполняют расчет электрической цепи. Если в ре­зультате расчета выясняется, что какие-то токи и напряжения имеют положительный знак, то это означает, что выбранные для них направ­ления соответствуют действительности. Если же какие-то токи и на­пряжения получаются отрицательными, то в действительности они имеют направление, противоположное выбранному.

Скорость прохождения тока. Электрическое поле распространяет­ся в пространстве с огромной скоростью—300 000 км/с, т. е. со ско­ростью света. С такой же скоростью проходит и электрический ток в проводнике. Однако каждый отдельный электрон движется в сред­нем по проводнику со скоростью несколько миллиметров или санти­метров в секунду (эта скорость зависит от напряженности электрического поля).

Чем же объяснить такую скорость распространения электриче­скою тока? Причина в том, что каждый электрон находится в общем электронном потоке, заполняющем проводник, и при прохождении электрического тока испытывает непрерывное воздействие со стороны соседних электронов. Поэтому, хотя сам электрон движется медлен­но, скорость передачи движения от одного электрона к другому (ско­рость распространения электрической энергии) будет огромна. На­пример, при включении рубильника на электростанции практиче­ски мгновенно появляется ток в каждом участке электрической цепи целого города, несмотря на незначительную скорость движения элек­тронов.