ответы на вопроы. Электрическая проводимость в проводнике. Электрическое сопротивление
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Электрическая проводимость в проводнике. Электрическое сопротивление Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению. В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах: [См]=[1/Ом]. Виды электропроводимости: — Электронная проводимость, где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается. Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость — величина обтаная сопротивлению. В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах: [См]=[1/Ом]. Виды электропроводимости: — Электронная проводимость, где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается. — Ионная проводимость. Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды. — Дырочная проводимость. Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью. Свойство проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением, или сопротивлением. Чем больше сопротивление проводника, тем меньше его проводимость, и наоборот. Проводимость обозначается латинской буквой G. За единицу проводимости принята проводимость проводника с сопротивлением в 1 ом. Эта единица называется сименс (сим). Понятия сопротивления и проводимости имеют очень большое значение в электротехнике. Если вещество обладает небольшим сопротивлением (большой проводимостью), то оно называется проводником электрического тока, или проводником. К проводникам относятся большинство металлов (серебро, медь, алюминий, железо, никель, свинец, ртуть), а также сплавы металлов, морская вода, растворы солей и кислот и т. д. Особенно хорошо проводят электрический ток серебро и медь (обладают наилучшей проводимостью). Проводники используются для соединения отдельных элементов электрических схем. Но есть вещества, которые очень плохо проводят электрический ток, т. е. имеют очень большое сопротивление. Такие вещества называются непроводниками электрического тока, или изоляторами. К изоляторам относятся фарфор, стекло, шерсть, смола, резина, эбонит, слюда, воск, парафин и т. д. Изоляторы широко применяются в электротехнике. Без них нельзя осуществить ни одной электрической цепи. Следует помнить, что обычно сопротивление изолятора больше сопротивления проводника в несколько миллионов раз. Кроме проводников и изоляторов, в природе существуют так называемые полупроводники электрического тока. Их проводимость больше, чем изоляторов, но меньше, чем проводников. К полупроводникам относятся: германий, кремний, селен, теллур, многие окислы, карбиды, сульфиды, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) и т. д. Характерная особенность полупроводников состоит в том, что их сопротивление в широких пределах изменяется под действием света, электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения и от посторонних примесей. Из некоторых полупроводников изготовляются термисторы (резисторы, величина которых резко изменяется с изменением температуры) и фоторезисторы (величина их сопротивления зависит от освещенности). Полупроводники применяются для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных схем. Возможность использования полупроводников для усиления и генерации колебаний была открыта в 1922 г. сотрудником Нижегородской радиолаборатории имени В. И. Ленина радиолюбителем О. В. Лосевым, который назвал изобретенный им прибор кристадином. Зависимость электрического сопротивление от температуры Электрическое сопротивление металлов находится в прямой зависимости от температуры. Чем выше температура металлического провода, тем выше скорость теплового движения частиц. Следовательно растёт количество столкновений свободных электронов, и снижение их свободного пробега τ. Снижение свободного пробега уменьшает удельную проводимость и, одновременно, увеличивает удельное электрическое сопротивление материала. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании наоборот уменьшается, поскольку кроме уменьшения времени τ повышается концентрация носителей зарядов. Некоторых сплавы, например, как манганин и константан обладают повышенным удельным сопротивлением и крайне низким температурным коэффициентом сопротивления. Так как обладают неправильной структурой и небольшим временем «свободного» пробега электронов. Данные сплавы нашли широкое применение при изготовлении образцовых катушек сопротивления и резисторов с постоянным (независимым от температуры) сопротивлением. Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С. Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:  где ρ и ρ0, R и R0 - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α - температурный коэффициент сопротивления, [α] = град-1. Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:  Зная электронную теорию строения вещества, можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая, несомненно, передается всем атомам вещества, в результате чего. возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника. С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов. График зависимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.  Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается. Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления, однако всегда температурный коэффициент сопротивления - α <0.  Поэтому кривая зависимости сопротивления электролита от температуры имеет вид, представленный на рисунке 2.  Рисунок 2. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры Для полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для электролитов. Электрическая цепь и ее основные элементы ЭДС, и мощность источника электрической энергии Электрическая цепь - совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятии об электродвижущей силе, токе и напряжении. Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя. Т.е. электрическая цепь - совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи).  Основные элементы цепи. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные - напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение. Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода. Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением и называемые резисторами, характеризуются так называемой вольтамперной характеристикой - зависимостью напряжения на зажимах элемента от тока в нем или зависимостью тока в элементе от напряжения на его зажимах. Если сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нем и любом значении приложенного к нему напряжения, то вольтамперная характеристика прямая линия и такой элемент называется линейным элементом. В общем случае сопротивление зависит как от тока, так и от напряжения. Одна из причин этого состоит в изменении сопротивления проводника при протекании по нему тока из-за его нагрева. При повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Но так как во многих случаях эта зависимость незначительна, элемент считают линейным. Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью. Такая цепь состоит только из линейных элементов, а ее состояние описывается линейными алгебраическими уравнениями. Если сопротивление элемента цепи существенно зависит от тока или напряжения, то вольтамперная характеристика носит нелинейный характер, а такой элемент называется нелинейным элементом. Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент. Режим работы электрических цепей: номинальный, рабочий, холостого хода и короткого замыкания п Номинальный режим. Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами тока Iн, напряжения Uн, мощности Pн, на которые эти устройства рассчитаны заводами-изготовителями для нормальной работы. Номинальные величины обычно указываются в паспорте устройства. Режим работы, при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов электрической цепи соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным (нормальным). Рабочий режим. Режимы электрической цепи по различным причинам могут отличаться от номинального. Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных величин ее элементов, но отклонения находятся в допустимых пределах, то режим называется рабочим.  Рисунок 1 – Схема цепи с переменным сопротивлением приемника электрической энергии Ток в цепи  Уравнение баланса напряжений  или  где U0 — внутреннее падение напряжения в источнике; U — напряжение на внешних зажимах источника. Напряжение U на внешних зажимах источника, равное в этом случае напряжению на приемнике, меньше ЭДС источника на величину внутреннего падения напряжения  Общее определение коэффициента полезного действия  Отношение мощности Pпр приемника к мощности Pист источника называется коэффициентом полезного действия (КПД) источника  КПД источника можно определить отношением напряжения на зажимах источника к его ЭДС  Также КПД источника можно определить отношением сопротивления нагрузки к полному сопротивлению цепи  Из последней формулы видно, что чем меньше внутреннее сопротивление R0, тем выше КПД источника. Режимы холостого хода и короткого замыкания При R = ∞ тока в цепи не будет. Этот случай соответствует размыканию цепи. Режим электрической цепи или отдельных источников, при котором ток в них равен нулю, называется режимом холостого хода. При холостом ходе напряжение на внешних зажимах источника равно его ЭДС U = Е. При R = 0, согласно выражению (1),  а напряжение на зажимах приемника и источника равно нулю  Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, в связи с чем, напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания. Соответственно ток Iк в цепи называется током короткого замыкания. Напряжение на зажимах источника уменьшается от U = Е до U = 0, если ток нагрузки увеличивается от 0 до тока короткого замыкания Iк (рисунок 2).  Рисунок 2 – Графики зависимости напряжения U на зажимах источника, мощности источника Pист, мощности приемника Pпр, КПД η источника, мощности потерь внутри источника P0 от тока в цепи при изменении сопротивления нагрузки от R = ∞ (холостой ход) до R = 0 (короткое замыкание), считая ЭДС источника постоянной Задача Источник электрической энергии имеет в качестве нагрузки реостат с переменным сопротивлением R. ЭДС источника E = 24 В, а его внутреннее сопротивление R0 = 1 Ом. Построить графики зависимости напряжения U на зажимах источника, мощности источника Pист, мощности приемника Pпр, КПД η источника, мощности потерь внутри источника P0 от тока в цепи при изменении сопротивления нагрузки от R = ∞ (холостой ход) до R = 0 (короткое замыкание), считая ЭДС источника постоянной. Решение Для решения задачи воспользуемся схемой рисунок 1. Например, для сопротивления нагрузки R = 11 Ом:  |