Gsadryer.ru

Промышленное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление – это физическая величина, характеризующая способность объекта препятствовать прохождению электрического тока.
Термином «сопротивление», или «резистор» обозначается деталь электрической схемы. Обозначается на схеме символами R или r, с добавлением порядкового номера.

Сопротивление. Резистор.

Проводники, полупроводники и диэлектрики

Проводники — это вещества, которые, в первом приближении, хорошо проводят ток, полупроводники — это вещества, которые плохо проводят ток, диэлектрики — не проводят ток вообще. Класс вещества определяется степенью сопротивление электрическому току.

Степень сопротивления вещества определяется строением его молекул и наличием различного количества свободных заряженных частиц.

Меньше всего сопротивляются прохождению электрического тока проводники, больше всего — диэлектрики.

Таблица веществ и сопротивлений

Большинство металлов и их сплавов являются проводниками.

Проводники используются для доставки электрической энергию от генератора к потребителю.

Чтобы энергия доходила без больших потерь, необходимо, чтобы проводники (провода и кабели) обладали низким сопротивлением. Лучшими проводниками являются серебро, медь и алюминий.

P-N переход

Полупроводники в чистом виде плохо проводят электрический ток.

Но при добавлении определенных веществ в них появляется избыток заряженных частиц того или иного знака (p – положительно заряженных частиц и n – отрицательно заряженных).

При соединении двух полупроводников различного знака получается такая фундаментальная вещь как p-n переход.

P-n переход является основой большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.п.)

материнская плата

В компьютере присутствуют и проводники, и полупроводники, и диэлектрики.

Так, например, материнская плата вашего компьютера сделана из диэлектрического материала (стеклотекстолита), на поверхности которого расположены медные проводники, к которым припаяны различные детали.

Процессор вашего компьютера содержит в себе несколько миллионов полупроводниковых транзисторов.

Кроме того, на плате полно отдельных (дискретных) диодов, транзисторов, конденсаторов и резисторов.

Нихром применяется в нагревательных приборах, так как обладает высоким удельным сопротивлением при большом сечении. Понадобится малое количество его длины, чтобы сделать нагревательный элемент.

Диэлектрики имеют большое значение удельного сопротивления, которое в сравнении с проводниками намного выше.

Фарфор применяют, как правило, при изготовлении изоляторов. Для производства изоляторов также используют стекло.

Эбонит чаще всего применяется в трансформаторах. Из него изготовляют каркас катушек, на которые наматывается провод.

Также в качестве диэлектриков часто используют разные виды пластмасс. К диэлектрикам относится материал, из которого произведена изоляционная лента.

Материал, из которого изготовлена изоляция в проводах, также является диэлектриком.

Основное назначение диэлектрика – это защита людей от поражения электротоком, изолировать между собой токопроводящие жилы.

RC–цепочка

RC -цепочки бывают интегрирующего и дифференцирующего типа.

RC–цепочка интегрирующего типа

рис 10. Подключение RC -цепочки интегрирующего типа к генератору напряжения.

рис 10. Подключение RC -цепочки интегрирующего типа к генератору напряжения.

Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?

Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.

Читайте так же:
Розетка товары для машины

рис 11. График роста напряжения на конденсаторе при подаче напряжения величиной U (ступеньки).рис 11. График роста напряжения на конденсаторе при подаче напряжения величиной U (ступеньки).

Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?

Почему цепочка называется — «интегрирующего типа»?

Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.

Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.

Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt

Uc=1/RC * ∫ U * dt

Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.

На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током.
А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше)
Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.

RC–цепочка дифференцирующего типа

Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.

рис 12. Дифференцирующая цепочка.

рис 12. Дифференцирующая цепочка.

Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.

При параллельном соединении емкости складываются — ну это и понятно, это как заполнять сообщающиеся сосуды, общий объем получается равным сумме объемов. При последовательном же соединении получится так, что конденсатор с маленькой емкостью заполнится зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро вырастет почти до напряжения источника ( ну и остальные конденсаторы внесут свой вклад) , ток в общей цепи уменьшится до нуля, и процесс заряда конденсаторов прекратится. Таким образом емкость последовательно соединенных конденсаторов получается меньше емкости самого маленького из них.

Upd.
Рассмотрим более подробно процесс заряда конденсатора на схеме рис.10 (по мотивам учебника И.В.Савельева «Курс общей физики», том II. «Электричество» )
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока электрический ток — это движение заряженных частиц. В проводниках ( в отличие от диэлектриков-изоляторов) часть электронов является свободными и такие электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В целом проводник электрически нейтрален — отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы заставить электроны двигаться нужно создать их избыток на одном конце проводника и недостаток на другом. Этот избыток электронов на одном полюсе создает батарейка вследствие протекающих в ней электрохимических реакций. Когда проводник присоединяется к полюсам батарейки электроны от полюса, где их избыток начинают двигаться к другому полюсу, потому что одноименные заряды отталкивают друг друга. Эти свободные электроны движутся внутри проводника по всему объему.
Движение электронов в RC цепи на рис. 3 имеет другой характер. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом) постоянный ток в цепи идти не может. Поэтому поступающий избыток электронов с полюса батарейки приводит к тому, что проводник теряет электрическую нейтральность. Избыточный заряд q, распределяется по поверхности проводника так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Ну это понятно, одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга, то есть на поверхности. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов по поверхности происходило бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток ( движение зарядов) поэтому перераспределение происходит постепенно. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем растет и ток через резистор уменьшается. Избыточные электроны концентрируются на одной обкладке и создают электрическое поле. Это поле отталкивает электроны, находящиеся на другой обкладке и «проталкивает» их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и в данном случае берем условно). Таким образом в незамкнутой цепи протекает ток заряда конденсатора. Этот ток не постоянный и уменьшается со временем. Однако, если в какой-то момент поменять полярность батареи, то ток потечет уже в обратную сторону. Если это переключение делать достаточно часто, так чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, то в цепи все время будет течь ток, то в одну, то в другую сторону. Это и происходит, когда говорят, что «конденсатор проводит переменный ток».
Для плоского конденсатора емкость равна С=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего зазор, S — площадь обкладок.
То есть на емкость влияет не только площадь обкладок и расстояние между ними, но и материал диэлектрика, который между обкладками помещен. Причем на емкость конденсатора материал диэлектрика может влиять достаточно сильно, с разными дополнительными эффектами, см. например статью «Поляризация диэлектрика»

Читайте так же:
Розетка с юсб переходом

Литература
«Драма идей в познании природы», Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«Курс общей физики», том II. «Электричество» И.В.Савельев
Википедия — статьи про электричество.

Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника [ править | править код ]

В металле подвижными носителями зарядов являются свободные электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные электроны в металлах называют электронным газом и в первом приближении считают, что к нему применимы законы, установленные для идеального газа.

Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от длины проводника, площади его поперечного сечения и от температуры.

Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем, что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее.

видно, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной проводимостью вещества и обозначают σ.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

Читайте так же:
Розетка для электроплиты земля фаза ноль

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

  1. Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
  2. Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
  3. Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.
  4. Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.
  • alt=»Сопротивление проводника» width=»120″ height=»120″ />Сопротивление проводника
  • alt=»Как мультиметром проверить сопротивление» width=»120″ height=»120″ />Как мультиметром проверить сопротивление
  • alt=»Диод Шоттки» width=»120″ height=»120″ />Диод Шоттки

Формула Закона Ома

В 1827 году Георг Симон Ом открыл закон силы электрического тока. Его именем назвали Закон и единицу измерения величины сопротивления. Смысл закона в следующем.

Портрет Георга Симона Ома

Чем толще труба и больше давление воды в водопроводе (с увеличением диаметра трубы уменьшается сопротивление воде) – тем больше потечет воды. Если представить, что вода это электроны (электрический ток), то, чем толще провод и больше напряжение (с увеличением сечения провода уменьшается сопротивление току) – тем больший ток будет протекать по участку цепи.

Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи.

Формула Закона Омагде I – сила тока, измеряется в амперах и обозначается буквой А; U – напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В; R – сопротивление, измеряется в омах и обозначается .

Читайте так же:
Подключение телевизионных розеток вико

Если известны напряжение питания U и сопротивление электроприбора R, то с помощью вышеприведенной формулы, воспользовавшись онлайн калькулятором, легко определить силу протекающего по цепи тока I.

Онлайн калькулятор для определения силы тока
Напряжение, В:
Сопротивление, Ом:

С помощью закона Ома рассчитываются электрические параметры электропроводки, нагревательных элементов, всех радиоэлементов современной электронной аппаратуры, будь то компьютер, телевизор или сотовый телефон.

Поток электронов / электрический ток

Обычно «свободные» электроны в проводнике двигаются хаотично, без определенных направления и скорости, но на электроны можно повлиять, чтобы они начали скоординировано двигаться по проводнику. Это упорядоченное и единообразное движение электронов мы называем «электричеством» или «электрическим током». Точности ради мы можем назвать его «динамическим электричеством» – в противопоставление «статическому электричеству», которое является неподвижной аккумуляцией электрического заряда. Как вода, текущая внутри трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. Нашему глазу проводник может казаться цельным, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой просто пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько хорошо подходит к перемещению электронов по проводнику, что его часто называют «потоком».

Здесь можно сделать интересное наблюдение. Поскольку каждый электрон движется по проводнику одинаково, то толкает тот, что находится впереди него, и в результате все электроны движутся друг за другом. Таким образом, создается впечатление, что электроны движутся практически мгновенно от одного конца проводника к другому, но на самом деле скорость каждого электрона может быть очень маленькой. Приблизительная аналогия – труба, полностью заполненная шариками:

2 - 1 marble tube.png

Труба полна шариков, как и проводник полон свободных электронов, готовых к тому, чтобы начать движение под влиянием внешней силы. Если слева в эту трубу внезапно вставить один шарик, справа тут же вылезет другой. Но хотя каждый шарик преодолел очень маленькое расстояние, передача движения из одного края в другой происходит практически мгновенно, какой бы длины ни была эта труба. В электричестве это перемещение от одного края проводника до другого происходит со скоростью света – 299792 километров в секунду! Каждый отдельный электрон, впрочем, по отдельности перемещается по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Поток электронов по проводу

Если мы хотим, чтобы электроны двигались в нужном направлении к нужному месту, нам нужно предоставить для них соответствующий путь – как если бы водопроводчик поставил трубы там, где, по его мнению, должна течь вода. Для этого провода делаются из металлов с высокой проводимостью (вроде меди или алюминия) и бывают разных размеров.

Помните, что электроны могут двигаться только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это значит, что электрический ток может быть только там, где есть непрерывная «тропа» из проводникового материала, которая служит «водопроводом» для проходящих по нему электронов. Если продолжить аналогию с шариками, то шарик может попасть в левую часть трубы (и, собственно, внутрь трубы), только если труба открыта с правой стороны, чтобы шарик на том конце мог из нее выйти. Если выход справа будет заблокирован, шарики просто столпятся внутри трубы, и никакого «потока» шариков происходить не будет. То же правдиво и для электрического тока: для непрерывного потока электронов требуется непрерывная «тропинка», по которой этот поток будет идти. Давайте взглянем на схему ниже, чтобы понять, как это работает:

Читайте так же:
Редмонд умная розетка инструкция

Unbroken-electron-flow.PNG

Тонкая, сплошная линия (как на картинке выше) – общепринятый символ непрерывного провода. Поскольку провод обычно сделан из проводникового материала (вроде меди), его атомы имеют много свободных электронов, способных легко перемещаться по этому проводу. Однако внутри провода не возникнет непрерывного и равномерного потока электронов, пока у них не будет места, в которое можно будет войти, и места, из которого можно будет выйти. Давайте добавим на картинку гипотетические «Источник» (И) и «Пункт назначения» (ПН) электронов.

2 - 2 source and destination.png

Теперь, когда И проталкивает новые электроны в левую часть провода, поток электронов может начать свое движение (его направление показано стрелочками – слева направо). Но если сломать провод, поток электронов будет нарушен.

2 - 3 break.png

Непрерывность электроцепи

Теперь между двумя кусочками провода находится воздух, а поскольку это изолирующий «материал», некогда непрерывная проводниковая «тропинка» теперь «преграждена», из-за чего электроны не могут перемещаться от И к ПН. Это как если бы вы разрезали водопроводную трубу и заделали оба получившихся конца: вода не сможет течь, если из трубы нет выхода. Если вернуться к электричеству, то, когда провод был целым, у нас было выполнено условие непрерывности электроцепи, и теперь, когда провод разрезан на две части, эта непрерывность нарушена.

Если мы возьмем еще один провод, один его конец подключим к кусочку, ведущему от ПН, а другой – к кусочку, ведущему к И, поток электронов восстановится. Две точки на картинке ниже демонстрируют физические контакты (металл к металлу) между двумя проводами:

2 - 4 bypassing.png

Теперь – с помощью этого нового провода – непрерывность электроцепи восстановлена, а вместе с ним и поток электронов от И к ПН. Это похоже на то, как если бы вы подсоединили к одному концу разрезанной трубы Т-образный фитинг, а затем направили воду к ПН по новому куску трубы. Имейте в виду, что справа внутри сломанного сегмента провода поток электронов не проходит, поскольку он больше не является частью «тропы» от И к ПН.

Интересно, что из-за этого электротока внутри проводов не происходит никакого «износа» – в отличие от водопроводных труб, которые со временем ржавеют и изнашиваются из-за проходящего внутри них водотока. Впрочем, во время перемещения электроны производят немного трения, и оно может вызвать нагрев проводника. Но этой темы мы более подробно коснемся позднее.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector