Elektrivool I mis tahes aines tekib laetud osakeste liikumisel teatud suunas välisenergia rakendamisel (potentsiaalide erinevus U). Igal ainel on individuaalsed omadused, mis mõjutavad erinevalt voolu läbimist selles. Neid omadusi hinnatakse elektritakistuse R abil.
Georg Ohm määras empiiriliselt kindlaks aine elektritakistust mõjutavad tegurid ning tuletas selle pingest ja voolust, mis on saanud oma nime. Tema järgi on nimetatud takistuse mõõtühik rahvusvahelises SI-süsteemis. 1 oom on takistuse väärtus, mõõdetuna temperatuuril 0 °C homogeense elavhõbedasamba jaoks pikkusega 106,3 cm ja ristlõike pindalaga 1 mm 2.
Definitsioon
Elektriseadmete valmistamise materjalide hindamiseks ja praktikasse rakendamiseks termin "juhi takistus". Lisatud omadussõna „spetsiifiline” näitab kõnealuse aine puhul vastuvõetud võrdlusmahu väärtuse kasutamise tegurit. See võimaldab hinnata erinevate materjalide elektrilisi parameetreid.
Arvesse võetakse, et juhi takistus suureneb selle pikkuse suurenemise ja ristlõike vähenemisega. SI-süsteemis kasutatakse homogeense juhtme ruumala pikkusega 1 meeter ja ristlõikega 1 m 2. Tehnilistes arvutustes kasutatakse vananenud, kuid mugavat mittesüsteemset mahuühikut, mis koosneb 1 meetri pikkusest ja 1 mm 2 pindalast. Takistuse ρ valem on näidatud joonisel.
Ainete elektriliste omaduste määramiseks võeti kasutusele teine tunnus - erijuhtivus b. See on pöördvõrdeline eritakistuse väärtusega ja määrab materjali võime juhtida elektrivoolu: b = 1/ρ.
Kuidas sõltub vastupidavus temperatuurist?
Materjali juhtivust mõjutab selle temperatuur. Erinevad ainete rühmad käituvad kuumutamisel või jahutamisel erinevalt. Seda omadust arvestatakse kuuma ja külma ilmaga õues töötavates elektrijuhtmetes.
Traadi materjal ja eritakistus valitakse töötingimusi arvestades.
Juhtide takistuse suurenemine voolu läbimisel kuumutamisel on seletatav asjaoluga, et metalli temperatuuri tõustes suureneb selles olevate aatomite ja elektrilaengukandjate liikumise intensiivsus igas suunas, mis tekitab tarbetuid takistusi. laetud osakeste liikumine ühes suunas ja vähendab nende vooluhulka.
Kui vähendate metalli temperatuuri, paranevad voolu läbimise tingimused. Kriitilise temperatuurini jahutamisel ilmneb paljudel metallidel ülijuhtivuse nähtus, kui nende elektritakistus on praktiliselt null. Seda omadust kasutatakse laialdaselt võimsates elektromagnetides.
Temperatuuri mõju metalli juhtivusele kasutab elektritööstus tavaliste hõõglampide valmistamisel. Kui vool läbib neid, soojeneb see sellisesse olekusse, et kiirgab valgusvoogu. Normaaltingimustes on nikroomi eritakistus umbes 1,05÷1,4 (oomi ∙mm 2)/m.
Kui lambipirn on sisse lülitatud, läbib hõõgniidi suur vool, mis soojendab metalli väga kiiresti. Samal ajal suureneb elektriahela takistus, piirates algvoolu valgustuse saamiseks vajaliku nimiväärtusega. Sel viisil on voolutugevust lihtne reguleerida nikroomspiraali kaudu, välistades vajaduse kasutada LED- ja fluorestsentsallikates kasutatavaid keerukaid liiteseadmeid.
Kuidas on tehnoloogias kasutatavate materjalide eritakistus?
Värvilistel väärismetallidel on paremad elektrijuhtivusomadused. Seetõttu on elektriseadmete kriitilised kontaktid valmistatud hõbedast. Kuid see suurendab kogu toote lõpphinda. Kõige vastuvõetavam variant on kasutada odavamaid metalle. Näiteks vase eritakistus, mis on võrdne 0,0175 (oomi ∙mm 2)/m, on sellisteks eesmärkideks üsna sobiv.
Väärismetallid- kuld, hõbe, plaatina, pallaadium, iriidium, roodium, ruteenium ja osmium, mis on saanud nime peamiselt tänu nende kõrgele keemilisele vastupidavusele ja kaunile välimusele ehetes. Lisaks on kullal, hõbedal ja plaatinal kõrge elastsus ning plaatinarühma metallidel on tulekindlus ja sarnaselt kullaga keemiline inertsus. Need väärismetallide eelised on kombineeritud.
Hea juhtivusega vasesulameid kasutatakse šuntide valmistamiseks, mis piiravad suurte voolude voolu läbi suure võimsusega ampermeetrite mõõtepea.
Alumiiniumi eritakistus 0,026÷0,029 (oomi ∙mm 2)/m on veidi suurem kui vasel, kuid selle metalli tootmine ja maksumus on madalam. Lisaks on see kergem. See seletab selle laialdast kasutamist energiasektoris välisjuhtmete ja kaablisüdamike tootmiseks.
Raua eritakistus 0,13 (oomi ∙mm 2)/m võimaldab seda kasutada ka elektrivoolu edastamiseks, kuid see toob kaasa suuremad võimsuskadud. Terasesulamid on suurendanud tugevust. Seetõttu on kõrgepingeliinide alumiiniumist õhujuhtmetesse põimitud terasniidid, mis on projekteeritud taluma tõmbekoormust.
See kehtib eriti siis, kui juhtmetele tekib jää või tugevad tuuleiilid.
Mõnedel sulamitel, näiteks konstantiinil ja niklil, on teatud vahemikus termiliselt stabiilsed takistusomadused. Nikli elektritakistus jääb praktiliselt muutumatuks 0 kuni 100 kraadi Celsiuse järgi. Seetõttu on reostaatide spiraalid valmistatud niklist.
Plaatina eritakistuse väärtuste range muutmise omadus sõltuvalt selle temperatuurist kasutatakse mõõteriistades laialdaselt. Kui stabiliseeritud pingeallika elektrivool lastakse läbi plaatinajuhi ja arvutatakse takistuse väärtus, näitab see plaatina temperatuuri. See võimaldab skaalat gradueerida kraadides, mis vastavad oomi väärtustele. See meetod võimaldab mõõta temperatuuri kraadide murdosade täpsusega.
Mõnikord peate praktiliste probleemide lahendamiseks teadma kaabli impedants või eritakistus. Sel eesmärgil pakuvad kaablitoodete teatmikud ühe südamiku induktiivse ja aktiivtakistuse väärtused iga ristlõike väärtuse kohta. Nende abiga arvutatakse lubatud koormused ja tekkiv soojus, määratakse vastuvõetavad töötingimused ja valitakse tõhus kaitse.
Metallide juhtivust mõjutab nende töötlemise meetod. Surve kasutamine plastiliseks deformatsiooniks rikub kristallvõre struktuuri, suurendab defektide arvu ja suurendab vastupidavust. Selle vähendamiseks kasutatakse rekristallisatsiooni lõõmutamist.
Metallide venitamine või kokkusurumine põhjustab neis elastse deformatsiooni, millest alates vähenevad elektronide soojusvibratsiooni amplituudid ja mõnevõrra väheneb takistus.
Maandussüsteemide projekteerimisel on vaja arvestada. See erineb määratluse poolest ülaltoodud meetodist ja seda mõõdetakse SI ühikutes - Ohm∙meeter. Seda kasutatakse maa sees elektrivoolu voolu kvaliteedi hindamiseks.
Pinnase juhtivust mõjutavad paljud tegurid, sealhulgas mulla niiskus, tihedus, osakeste suurus, temperatuur ning soolade, hapete ja leeliste kontsentratsioon.
Elektriline takistus(takistus) - füüsikaline suurus, mis iseloomustab materjali võimet takistada elektrivoolu läbimist, väljendatuna oomides. Elektritakistust tähistatakse tavaliselt kreeka tähega ρ. Takistuse väärtus sõltub temperatuurist erinevates materjalides erineval viisil: juhtides elektritakistus suureneb temperatuuri tõustes, pooljuhtides ja dielektrikutes aga vastupidi, väheneb. Väärtust, mis võtab arvesse elektritakistuse muutust temperatuurist, nimetatakse takistuse temperatuuriteguriks. Takistuse pöördväärtust nimetatakse erijuhtivuseks (elektrijuhtivuseks). Erinevalt elektritakistusest, mis on omadus dirigent ja sõltuvalt selle materjalist, kujust ja suurusest on elektritakistus ainult omadus ained.
| Elektriline takistus | |
|---|---|
| ρ (\displaystyle \rho ) | |
| Mõõtmed |
SI:L 3 MT -3 I -2 GHS:T |
| Ühikud | |
| SI | Ohm m |
| GHS | Koos |
Homogeense juhi elektritakistus takistusega ρ, pikkus l ja ristlõike pindala S saab arvutada valemi abil R = ρ ⋅ l S (\displaystyle R=(\frac (\rho \cdot l)(S)))(eeldatakse, et piki juhti ei muutu pindala ega ristlõike kuju). Seega on meil ρ jaoks ρ = R ⋅ S l . (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l)).)
Viimasest valemist järeldub: aine eritakistuse füüsikaline tähendus on see, et see tähistab sellest ainest valmistatud ühiku pikkuse ja ühikulise ristlõikepindalaga homogeense juhi takistust.
Ühikud
Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) on eritakistuse ühik Ohm · . Suhtest ρ = R ⋅ S l (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l))) Sellest järeldub, et eritakistuse mõõtühik SI-süsteemis on võrdne aine eritakistusega, mille juures sellest ainest valmistatud 1 m pikkune homogeenne juht ristlõike pindalaga 1 m² on võrdne takistusega. kuni 1 oomi. Sellest lähtuvalt on suvalise aine eritakistus, väljendatuna SI-ühikutes, arvuliselt võrdne antud ainest valmistatud elektriahela lõigu takistusega pikkusega 1 m ja ristlõike pindalaga 1 m².
Tehnoloogias kasutatakse ka vananenud mittesüsteemset mõõtühikut Ohm mm²/m, mis võrdub 10–6 1 Ohm m-ga. See ühik on võrdne aine eritakistusega, mille juures sellest ainest valmistatud 1 m pikkuse homogeense 1 mm² ristlõikepinnaga juhi takistus on 1 oomi. Seega on aine eritakistus, väljendatuna nendes ühikutes, arvuliselt võrdne sellest ainest valmistatud 1 m pikkuse ja 1 mm² ristlõikepindalaga elektriahela lõigu takistusega.
Sõltuvus temperatuurist
Juhtides suureneb elektritakistus temperatuuri tõustes. Seda seletatakse asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb juhi kristallvõre sõlmedes aatomite vibratsiooni intensiivsus, mis takistab vabade elektronide liikumist.
Pooljuhtides ja dielektrikutes elektritakistus väheneb. Seda seletatakse asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb peamiste laengukandjate kontsentratsioon.
Väärtust, mis võtab arvesse elektrilise takistuse muutumist temperatuuriga, nimetatakse takistuse temperatuuriteguriks.
Takistuse mõiste üldistus
Takistuse saab määrata ka ebaühtlasele materjalile, mille omadused on punktiti erinevad. Sel juhul ei ole tegemist konstantse, vaid koordinaatide skalaarfunktsiooniga – elektrivälja tugevust seostava koefitsiendiga E → (r →) (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))) ja voolutihedus J → (r →) (\displaystyle (\vec (J))((\vec (r)))) sel hetkel r → (\displaystyle (\vec (r))). Seda suhet väljendab Ohmi seadus diferentsiaalvormis:
E → (r →) = ρ (r →) J → (r →) . (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))=\rho ((\vec (r)))(\vec (J))((\vec (r))).)See valem kehtib heterogeense, kuid isotroopse aine kohta. Aine võib olla ka anisotroopne (enamik kristalle, magnetiseeritud plasma jne), st selle omadused võivad sõltuda suunast. Sel juhul on takistuseks koordinaatidest sõltuv teise astme tensor, mis sisaldab üheksat komponenti. Anisotroopses aines ei ole aine igas antud punktis voolutiheduse ja elektrivälja tugevuse vektorid ühiselt suunatud; seos nende vahel väljendub seosega
E i (r →) = ∑ j = 1 3 ρ i j (r →) J j (r →) . (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))=\sum _(j=1)^(3)\rho _(ij)((\vec (r)))J_(j)(( \vec (r))).)Anisotroopses, kuid homogeenses aines tensor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) ei sõltu koordinaatidest.
Tensor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) sümmeetriline, see tähendab mis tahes i (\displaystyle i) Ja j (\displaystyle j) sooritatud ρ i j = ρ j i (\displaystyle \rho _(ij)=\rho _(ji)).
Nagu iga sümmeetrilise tensori puhul ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) saate valida Descartes'i koordinaatide ortogonaalse süsteemi, milles maatriks ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) muutub diagonaal, see tähendab, et see võtab vormi, milles üheksast komponendist ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) Ainult kolm on nullist erinevad: ρ 11 (\displaystyle \rho _(11)), ρ 22 (\displaystyle \rho _(22)) Ja ρ 33 (\displaystyle \rho _(33)). Sel juhul tähistades ρ i i (\displaystyle \rho _(ii)) kuidas saame eelmise valemi asemel lihtsama
E i = ρ i J i. (\displaystyle E_(i)=\rho _(i)J_(i).)Kogused ρ i (\displaystyle \rho _(i)) helistas peamised väärtused takistustensor.
Seos juhtivusega
Isotroopsetes materjalides takistuse seos ρ (\displaystyle \rho ) ja juhtivus σ (\displaystyle \sigma ) mida väljendab võrdsus
ρ = 1 σ. (\displaystyle \rho =(\frac (1)(\sigma )).)Anisotroopsete materjalide puhul eritakistuse tensori komponentide vaheline seos ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) ja juhtivuse tensor on keerulisem. Tõepoolest, Ohmi seadus anisotroopsete materjalide diferentsiaalvormis on järgmine:
J i (r →) = ∑ j = 1 3 σ i j (r →) E j (r →) . (\displaystyle J_(i)((\vec (r)))=\sum _(j=1)^(3)\sigma _(ij)((\vec (r)))E_(j)(( \vec (r))).)Sellest võrdsusest ja eelnevalt antud suhtest for E i (r →) (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))) sellest järeldub, et eritakistuse tensor on juhtivuse tenori pöördväärtus. Seda arvesse võttes kehtib takistustensori komponentide kohta järgmine:
ρ 11 = 1 det (σ) [ σ 22 σ 33 − σ 23 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(11)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 22)\sigma _(33)-\sigma _(23)\sigma _(32)],) ρ 12 = 1 det (σ) [ σ 33 σ 12 − σ 13 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(12)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 33)\sigma _(12)-\sigma _(13)\sigma _(32)],)Kus det (σ) (\displaystyle \det(\sigma)) on tensorikomponentidest koosneva maatriksi determinant σ i j (\displaystyle \sigma _(ij)). Ülejäänud takistustensori komponendid saadakse ülaltoodud võrranditest indeksite tsüklilise ümberpaigutamise tulemusena 1 , 2 Ja 3
Kui elektriahel on suletud, mille klemmides on potentsiaalide erinevus, tekib pinge. Vabad elektronid liiguvad elektrivälja jõudude mõjul mööda juhti. Nende liikumisel põrkuvad elektronid juhi aatomitega ja annavad neile oma kineetilise energia. Elektronide liikumise kiirus muutub pidevalt: kui elektronid põrkuvad aatomite, molekulide ja teiste elektronidega, siis see väheneb, siis elektrivälja mõjul suureneb ja uue kokkupõrke korral taas väheneb. Selle tulemusena tekib juhis ühtlane elektronide voog kiirusega mitu sentimeetrit sekundis. Järelikult puutuvad juhti läbivad elektronid alati vastu selle küljelt liikumisele. Kui elektrivool läbib juhti, siis viimane soojeneb.
Elektritakistus
Juhi elektritakistus, mida tähistatakse ladina tähega r, on keha või keskkonna omadus muuta elektrienergia soojusenergiaks, kui seda läbib elektrivool.
Diagrammidel on elektritakistus näidatud joonisel 1 näidatud viisil, A.
Nimetatakse muutuvat elektritakistust, mis muudab vooluahelas voolu reostaat. Diagrammidel on reostaadid tähistatud nii, nagu on näidatud joonisel 1, b. Üldiselt on reostaat valmistatud ühe või teise takistusega traadist, mis on keritud isoleerivale alusele. Liugur või reostaadi hoob asetatakse teatud asendisse, mille tulemusena sisestatakse ahelasse vajalik takistus.
Väikese ristlõikega pikk juht tekitab voolule suure takistuse. Suure ristlõikega lühikesed juhid pakuvad voolule vähe takistust.
Kui võtta kaks erinevast materjalist, kuid sama pikkuse ja ristlõikega juhti, juhivad juhid voolu erinevalt. See näitab, et juhi takistus sõltub juhi enda materjalist.
Juhi temperatuur mõjutab ka selle takistust. Temperatuuri tõustes suureneb metallide vastupidavus ning väheneb vedelike ja kivisöe vastupidavus. Vaid mõned spetsiaalsed metallisulamid (manganiin, konstantaan, nikkel ja teised) ei muuda temperatuuri tõustes oma vastupidavust peaaegu üldse.
Seega näeme, et juhi elektritakistus sõltub: 1) juhi pikkusest, 2) juhi ristlõikest, 3) juhi materjalist, 4) juhi temperatuurist.
Takistuse ühik on üks oomi. Om on sageli tähistatud kreeka suure tähega Ω (oomega). Seetõttu võite selle asemel, et kirjutada "Juhi takistus on 15 oomi", lihtsalt kirjutada: r= 15 Ω.
1000 oomi nimetatakse 1 kilooomid(1kOhm või 1kΩ),
1 000 000 oomi nimetatakse 1 megaoomi(1 mOhm või 1MΩ).
Erinevatest materjalidest juhtide takistuse võrdlemisel on vaja iga proovi jaoks võtta teatud pikkus ja ristlõige. Siis saame hinnata, milline materjal juhib elektrivoolu paremini või halvemini.
Video 1. Juhtide takistus
Elektriline takistus
Nimetatakse 1 m pikkuse ja 1 mm² ristlõikega juhi takistust oomides takistus ja seda tähistatakse kreeka tähega ρ (ro).
Tabelis 1 on toodud mõnede juhtide eritakistused.
Tabel 1
Erinevate juhtide takistused
Tabelis on näidatud, et 1 m pikkuse ja 1 mm² ristlõikega raudtraadi takistus on 0,13 oomi. 1 oomi takistuse saamiseks peate võtma 7,7 m sellist traati. Hõbedal on madalaim takistus. 1 oomi takistuse saab saada, kui võtta 62,5 m hõbetraati ristlõikega 1 mm². Hõbe on parim juht, kuid hõbeda hind välistab selle massilise kasutamise võimaluse. Tabelis hõbeda järel tuleb vask: 1 m vasktraadi ristlõikega 1 mm² takistus on 0,0175 oomi. 1 oomi takistuse saamiseks peate võtma 57 m sellist traati.
Rafineerimise teel saadud keemiliselt puhas vask on leidnud laialdast kasutust elektrotehnikas juhtmete, kaablite, elektrimasinate ja -seadmete mähiste valmistamisel. Rauda kasutatakse laialdaselt ka juhtmetena.
Juhi takistust saab määrata järgmise valemiga:
Kus r– juhi takistus oomides; ρ – juhi eritakistus; l– juhi pikkus meetrites; S– juhtme ristlõige mm².
Näide 1. Määrake 200 m raudtraadi takistus ristlõikega 5 mm².
Näide 2. Arvutage 2 km pikkuse alumiiniumtraadi takistus, mille ristlõige on 2,5 mm².
Takistuse valemi järgi saate hõlpsasti määrata juhi pikkuse, takistuse ja ristlõike.
Näide 3. Raadiovastuvõtja jaoks on vaja kerida 30-oomine takistus nikkeltraadist, mille ristlõige on 0,21 mm². Määrake vajalik traadi pikkus.
Näide 4. Määrake 20 m nikroomtraadi ristlõige, kui selle takistus on 25 oomi.
Näide 5. 0,5 mm² ristlõikega ja 40 m pikkuse traadi takistus on 16 oomi. Määrake traadi materjal.
Juhi materjal iseloomustab selle takistust.
Eritakistuste tabeli järgi leiame, et sellel on selline takistus.
Eespool oli öeldud, et juhtmete takistus sõltub temperatuurist. Teeme järgmise katse. Kerime mitu meetrit peenikest metalltraati spiraali kujul ja ühendame selle spiraali aku vooluringiga. Voolu mõõtmiseks ühendame vooluahelaga ampermeetri. Kui spiraali kuumutatakse põleti leegis, märkate, et ampermeetri näidud vähenevad. See näitab, et metalltraadi takistus suureneb kuumutamisel.
Mõnede metallide puhul suureneb 100° kuumutamisel takistus 40–50%. On sulameid, mis kuumutamisel oma takistust veidi muudavad. Mõned erisulamid ei näita temperatuuri muutumisel praktiliselt mingit takistust. Vastupidavus suureneb temperatuuri tõustes, vastupidi, elektrolüütide (vedelikujuhtide), kivisöe ja mõne tahke aine takistus väheneb.
Metallide võimet muuta oma takistust temperatuurimuutustega kasutatakse takistustermomeetrite konstrueerimiseks. See termomeeter on vilgukivist raamile keritud plaatinatraat. Asetades termomeetri näiteks ahju ja mõõtes plaatinatraadi takistust enne ja pärast kuumutamist, saab määrata ahju temperatuuri.
Juhi takistuse muutust selle kuumutamisel 1 oomi algtakistuse ja 1° temperatuuri kohta nimetatakse temperatuuri takistustegur ja seda tähistatakse tähega α.
Kui temperatuuril t 0 juhi takistus on r 0 ja temperatuuril t võrdub r t, siis takistuse temperatuuritegur
Märge. Selle valemi abil saab arvutada ainult teatud temperatuurivahemikus (kuni ligikaudu 200 °C).
Esitame mõnede metallide temperatuuritakistusteguri α väärtused (tabel 2).
tabel 2
Mõne metalli temperatuurikoefitsiendi väärtused
Me määrame temperatuuri takistuse koefitsiendi valemist r t:
r t = r 0 .
Näide 6. Määrake temperatuurini 200 °C kuumutatud raudtraadi takistus, kui selle takistus 0 °C juures oli 100 oomi.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 oomi.
Näide 7. Plaatinatraadist valmistatud takistustermomeetri takistus oli 15°C ruumis 20 oomi. Termomeeter pandi ahju ja mõne aja pärast mõõdeti selle takistust. Selgus, et see võrdub 29,6 oomiga. Määrake ahju temperatuur.
Elektrijuhtivus
Seni oleme pidanud takistuseks, mille juht elektrivoolule annab, juhtme takistust. Kuid ikkagi voolab vool läbi juhi. Seetõttu on juhil lisaks takistusele (takistusele) ka võime juhtida elektrivoolu ehk juhtivust.
Mida suurem on juhi takistus, seda väiksem on selle juhtivus, seda halvemini juhib see elektrivoolu ja vastupidi, mida väiksem on juhi takistus, mida suurem on juhi juhtivus, seda lihtsam on voolul juhti läbida. Seetõttu on juhi takistus ja juhtivus vastastikused suurused.
Matemaatikast on teada, et 5 pöördväärtus on 1/5 ja vastupidi, 1/7 pöördväärtus on 7. Seega, kui juhi takistust tähistatakse tähega r, siis on juhtivus defineeritud kui 1/ r. Juhtivust sümboliseeritakse tavaliselt tähega g.
Elektrijuhtivust mõõdetakse ühikutes (1/Ohm) või siemensides.
Näide 8. Juhi takistus on 20 oomi. Määrake selle juhtivus.
Kui r= siis 20 oomi
Näide 9. Juhi juhtivus on 0,1 (1/Ohm). Määrake selle takistus
Kui g = 0,1 (1/oomi), siis r= 1 / 0,1 = 10 (oomi)
Enamik füüsikaseadusi põhinevad katsetel. Katsetajate nimed on jäädvustatud nende seaduste pealkirjadesse. Üks neist oli Georg Ohm.
Georg Ohmi katsed
Katsete käigus elektri ja erinevate ainete, sealhulgas metallide koostoime kohta, tuvastas ta põhimõttelise seose tiheduse, elektrivälja tugevuse ja aine omaduste vahel, mida nimetati "erijuhtivuseks". Sellele mustrile vastav valem, mida nimetatakse Ohmi seaduseks, on järgmine:
j= λE , kus
- j- elektrivoolu tihedus;
- λ — erijuhtivus, mida nimetatakse ka "elektrijuhtivuseks";
- E – elektrivälja tugevus.
Mõnel juhul kasutatakse juhtivuse tähistamiseks erinevat kreeka tähestiku tähte - σ . Erijuhtivus sõltub aine teatud parameetritest. Selle väärtust mõjutavad temperatuur, ained, rõhk, kui see on gaas, ja mis kõige tähtsam, selle aine struktuur. Ohmi seadust järgitakse ainult homogeensete ainete puhul.
Mugavamateks arvutusteks kasutatakse erijuhtivuse pöördarvu. Seda nimetatakse "takistusvõimeks", mis on seotud ka aine omadustega, milles elektrivool voolab, mida tähistatakse kreeka tähega. ρ ja selle mõõde on Ohm*m. Kuid kuna erinevatele füüsikalistele nähtustele kehtivad erinevad teoreetilised põhjendused, saab takistuse jaoks kasutada alternatiivseid valemeid. Need peegeldavad nii klassikalist metallide elektroonilist teooriat kui ka kvantteooriat.
Valemid
Nendes tavalugejale tüütavates valemites ilmnevad sellised tegurid nagu Boltzmanni konstant, Avogadro konstant ja Plancki konstant. Neid konstante kasutatakse arvutusteks, mis võtavad arvesse elektronide vaba teekonda juhis, nende kiirust soojusliikumise ajal, ionisatsiooniastet, aine kontsentratsiooni ja tihedust. Ühesõnaga, mittespetsialisti jaoks on kõik üsna keeruline. Et mitte olla alusetu, saate allpool tutvuda sellega, kuidas kõik tegelikult välja näeb:
Metallide omadused
Kuna elektronide liikumine sõltub aine homogeensusest, siis metalljuhis kulgeb vool vastavalt selle struktuurile, mis mõjutab elektronide jaotumist juhis, võttes arvesse selle heterogeensust. Seda ei määra mitte ainult lisandite olemasolu, vaid ka füüsilised defektid - praod, tühimikud jne. Juhi heterogeensus suurendab selle takistust, mille määrab Matthieseni reegel.
See kergesti mõistetav reegel ütleb sisuliselt, et voolu juhtivas juhis saab eristada mitut erinevat takistust. Ja saadud väärtus on nende summa. Komponendid on metallkristallvõre eritakistus, lisandid ja juhidefektid. Kuna see parameeter sõltub aine olemusest, on selle arvutamiseks määratletud vastavad seadused, sealhulgas segaainete puhul.
Hoolimata sellest, et ka sulamid on metallid, peetakse neid kaootilise struktuuriga lahendusteks ning eritakistuse arvutamisel on oluline, millised metallid sulamis sisalduvad. Põhimõtteliselt kuulub Nodheimi seaduse kirjelduse alla enamik kahe komponendi sulameid, mis ei kuulu siirdemetallide hulka, aga ka haruldasi muldmetalle.
Eraldi teemana käsitletakse metallist õhukeste kilede eritakistust. On üsna loogiline eeldada, et selle väärtus peaks olema suurem kui samast metallist valmistatud puistejuhil. Kuid samal ajal võetakse filmi jaoks kasutusele spetsiaalne empiiriline Fuchsi valem, mis kirjeldab takistuse ja kile paksuse vastastikust sõltuvust. Selgub, et kiledes olevatel metallidel on pooljuhtomadused.
Ja laengu ülekande protsessi mõjutavad elektronid, mis liiguvad kile paksuse suunas ja segavad "pikisuunaliste" laengute liikumist. Samas peegelduvad need kilejuhi pinnalt ja nii võngub üks elektron selle kahe pinna vahel päris kaua. Teine oluline tegur takistuse suurendamisel on juhi temperatuur. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on takistus. Ja vastupidi, mida madalam on temperatuur, seda väiksem on takistus.
Metallid on ained, mille eritakistus on nn toatemperatuuril madalaim. Ainus mittemetall, mis õigustab selle kasutamist juhina, on süsinik. Grafiiti, mis on üks selle sorte, kasutatakse laialdaselt liugkontaktide valmistamiseks. Sellel on väga edukas kombinatsioon sellistest omadustest nagu takistus ja libisemishõõrdetegur. Seetõttu on grafiit elektrimootori harjade ja muude libisevate kontaktide jaoks asendamatu materjal. Peamiste tööstuslikel eesmärkidel kasutatavate ainete eritakistuse väärtused on toodud allolevas tabelis.
Ülijuhtivus
Temperatuuridel, mis vastavad gaaside veeldumisele, st kuni vedela heeliumi temperatuurini, mis võrdub -273 kraadi Celsiuse järgi, väheneb takistus peaaegu täieliku kadumiseni. Ja mitte ainult head metalljuhtmed nagu hõbe, vask ja alumiinium. Peaaegu kõik metallid. Sellistes tingimustes, mida nimetatakse ülijuhtivuseks, ei oma metalli struktuur elektrivälja mõjul laengute liikumist pärssivat toimet. Seetõttu muutuvad elavhõbe ja enamik metalle ülijuhtideks.
Kuid nagu selgus, on suhteliselt hiljuti, 20. sajandi 80ndatel, ka teatud tüüpi keraamika võimeline olema ülijuhtiv. Pealegi ei pea te selleks kasutama vedelat heeliumi. Selliseid materjale nimetati kõrgtemperatuurilisteks ülijuhtideks. Siiski on juba mitu aastakümmet möödas ja kõrge temperatuuriga juhtmete valik on oluliselt laienenud. Kuid selliste kõrge temperatuuriga ülijuhtivate elementide massilist kasutamist ei ole täheldatud. Mõnes riigis on tavapäraste vaskjuhtmete asendamisel kõrge temperatuuriga ülijuhtidega tehtud üksikuid paigaldusi. Kõrge temperatuuri ülijuhtivuse normaalse režiimi säilitamiseks on vaja vedelat lämmastikku. Ja see osutub liiga kalliks tehniliseks lahenduseks.
Seetõttu muudab looduse poolt vasele ja alumiiniumile antud madal eritakistuse väärtus need endiselt asendamatuteks materjalideks erinevate elektrijuhtide valmistamisel.
- elektriline suurus, mis iseloomustab materjali omadust takistada elektrivoolu voolamist. Olenevalt materjali tüübist võib takistus kalduda nullini – olla minimaalne (miili/mikrooomi – juhid, metallid) või väga suur (gigaoomi – isolatsioon, dielektrikud). Elektritakistuse pöördväärtus on .
Üksus elektritakistus - Ohm. Seda tähistatakse tähega R. Määratakse takistuse sõltuvus voolust suletud ahelas.
Ohmmeter- seade vooluahela takistuse otseseks mõõtmiseks. Sõltuvalt mõõdetud väärtuse vahemikust jagatakse need gigaohmmeetriteks (suurte takistuste jaoks - isolatsiooni mõõtmisel) ja mikro-/milioommeetriteks (väikeste takistuste jaoks - kontaktide, mootori mähiste jne üleminekutakistuste mõõtmisel).
Erinevate tootjate oommeetritest on lai valik disainilahendusi, alates elektromehaanilistest kuni mikroelektroonilisteni. Tasub teada, et klassikaline oommeeter mõõdab takistuse aktiivset osa (nn oomi).
Igal vahelduvvooluahela takistusel (metall või pooljuht) on aktiivne ja reaktiivne komponent. Aktiivse ja reaktiivse takistuse summa on Vahelduvvooluahela impedants ja arvutatakse järgmise valemiga:
kus Z on vahelduvvooluahela kogutakistus;
R on vahelduvvooluahela aktiivne takistus;
Xc on vahelduvvooluahela mahtuvuslik reaktants; 
(C - mahtuvus, w - vahelduvvoolu nurkkiirus)
Xl on vahelduvvooluahela induktiivne reaktants; 
(L on induktiivsus, w on vahelduvvoolu nurkkiirus).
Aktiivne vastupanu- see on osa elektriahela kogutakistusest, mille energia muundatakse täielikult muudeks energialiikideks (mehaaniline, keemiline, termiline). Aktiivse komponendi eristav omadus on kogu elektrienergia täielik tarbimine (energiat ei tagastata võrku) ja reaktants tagastab osa energiast võrku (reaktiivse komponendi negatiivne omadus).
Aktiivse vastupanu füüsiline tähendus
Iga keskkond, kus elektrilaengud läbivad, tekitab nende teele takistusi (arvatakse, et need on kristallvõre sõlmed), millesse nad justkui tabavad ja kaotavad oma energia, mis soojuse kujul eraldub.
Seega tekib langus (elektrienergia kadu), millest osa kaob juhtiva keskkonna sisemise takistuse tõttu.
Arvväärtust, mis iseloomustab materjali võimet takistada laengute läbipääsu, nimetatakse takistuseks. Seda mõõdetakse oomides (Ohm) ja see on pöördvõrdeline elektrijuhtivusega.
Mendelejevi perioodilisuse tabeli erinevatel elementidel on erinev elektritakistus (p), näiteks kõige väiksem. Vastupidavus on hõbedasel (0,016 oomi*mm2/m), vasel (0,0175 oomi*mm2/m), kullal (0,023) ja alumiiniumil (0,029). Neid kasutatakse tööstuses peamiste materjalidena, millele ehitatakse kogu elektrotehnika ja energia. Dielektrikutel on vastupidi kõrge löögiväärtus. vastupidavust ja neid kasutatakse isolatsiooniks.
Juhtiva keskkonna takistus võib olenevalt voolu ristlõikest, temperatuurist, suurusest ja sagedusest oluliselt erineda. Lisaks on erinevates keskkondades erinevad laengukandjad (vabad elektronid metallides, ioonid elektrolüütides, “augud” pooljuhtides), mis on takistuse määravad tegurid.
Reaktantsi füüsiline tähendus
Rullides ja kondensaatorites koguneb energia rakendamisel magnet- ja elektriväljade kujul, mis võtab aega.
Magnetväljad vahelduvvooluvõrkudes muutuvad vastavalt laengute liikumissuuna muutumisele, pakkudes samas täiendavat takistust.
Lisaks toimub stabiilne faasi- ja voolunihe ning see toob kaasa täiendavaid elektrikadusid.
Vastupidavus
Kuidas saame teada materjali takistust, kui seda läbivat voolu ei ole ja meil pole oommeetrit? Sellel on eriline väärtus - materjali elektritakistus V
(need on tabeli väärtused, mis määratakse enamiku metallide jaoks empiiriliselt). Kasutades seda väärtust ja materjali füüsikalisi koguseid, saame takistuse arvutada järgmise valemi abil:
kus, lk— eritakistus (ühikud ohm*m/mm2);
l-juhi pikkus (m);
S - ristlõige (mm 2).