От каких величин зависит сопротивление проводника?

Сопротивление проводника (СП) – это одно из основных физических явлений в электричестве. Оно положено в основу многих электроприборов. Также это главная причина всех потерь в любых электросетях. Следует уточнить, что СП является весьма объемным понятием, которое неоднозначно для ряда ситуаций. Далее раскроем суть СП во всем его разнообразии. 

Что необходимо уточнить, затрагивая СП

Название статьи – это исходная точка рассказа о целой группе понятий, каждое из которых относится к СП. И вот почему. Само понятие «сопротивление» означает препятствование чему-либо. Следовательно, при упоминании проводника подразумевается то, как он препятствует прохождению электрического тока через него. Но, как известно, ток бывает переменный и постоянный. Поэтому сразу уточняем:

• СП в целом зависит от свойств напряжения, воздействующего на него, материала и пространственно-геометрических характеристик проводника при определенной температуре окружающей среды, и силы, приложенной к нему.

Из этой общей формулировки вытекают следующие понятия:

• активное сопротивление,
• реактивное сопротивление,
• импеданс,
• волновое сопротивление.

Раскрытие перечисленных понятий дает общее представление того, от чего же зависит СП.

Зависимость от свойств материала

Материал проводника в основном определяет реакцию на приложенное напряжение. Наименьшим сопротивлением обладают металлы. Хотя среди них существует большая разница в этом свойстве. Современная теория объясняет это строением атомов металлов. Для любого проводника его свойство быть таковым объясняется наличием свободных заряженных частиц. В металлах это электроны, в жидкостях и газах – ионы. Приложенное к проводнику напряжение вызывает их движение.

Чем слабее воздействие, препятствующее перемещающимся зарядам, тем меньше СП. Для оценки материла проводника введено понятие удельного сопротивления. Оно применимо к тем веществам, из которых можно получить проводник длиной 1 м с поперечником в 1 кв. мм. Что получается в результате изготовления такого проводника из некоторых материалов, наглядно демонстрирует изображение далее.

Если длина проводника будет больше одного метра, его сопротивление увеличится, а при увеличении поперечника – уменьшится. Эти закономерности можно проверить опытным путем, используя, например, батарейку, отрезок проволоки из нихрома и мультиметр. В результате получаем формулу, которая подтверждена экспериментально. В ней обозначим:

• R – сопротивление,
• ρ – удельное сопротивление,
• l – длина,
• S – площадь поперечного сечения.

Формула получится такой:

R= ρ*l/S.

Но эта формула не дает исчерпывающего представления обо всех ситуациях, для которых имеет значение сопротивление. Она будет применима лишь при определенных соответствиях удельного сопротивления температуре, а также постоянном напряжении. То есть это формула для расчета активного СП при заданной температуре. Если температура проводника увеличится, усилится так называемое броуновское движение в его материале. Как результат этого – более затрудненное перемещение электронов и увеличение СП.

И наоборот. Охлаждение проводника создает лучшие условия для беспрепятственного перемещения электронов, и при определенных температурах может привести к минимальным величинам сопротивления. Это явление получило название сверхпроводимости. Оно связано по температурным показателям с химическим составом материала проводника и существенно различается для разных металлов и прочих химических элементов, а также их соединений.

Зависимость от свойств напряжения

Напряжение – это главная движущая сила электричества. Напряжение первично. Фактически это среда, в которой протекают разнообразные процессы, связанные с электрическим током. Важнейшей является связь электрического тока с электромагнитным полем. А его параметры, в свою очередь, определяются не только напряжением, но и пространственно-геометрическими характеристиками проводника.

Даже в том случае, когда проводник – это прямой отрезок проволоки в составе электрической цепи, его положение в пространстве при достаточно высоких частотах напряжения будет заметно влиять на величину его сопротивления. Это связано с тем, что в этих условиях проявляются его индуктивность и емкость, существующие лишь при переменном напряжении. Эти параметры проводника именуются реактивным сопротивлением, и также приводят к потерям электроэнергии.

• Следовательно, если проводник находится под воздействием переменного напряжения, его сопротивление также зависит как от частоты этого напряжения, так и от его индуктивно-емкостных параметров.

Активное СП при этом остается в силе. А сопротивление проводника в целом именуется импедансом. Его принято обозначать буквой Z и рассчитывать с использованием комплексных чисел. Это довольно-таки специфические расчеты, которыми не стоит утомлять читателя нашей статьи. Но чтобы читатель в этом утверждении не усомнился, далее приведем формулу, по которой в общем случае рассчитывается импеданс:

Зависимость от геометрии

Но и постоянный ток не так прост, как представляется по некоторым опытам. Все дело в его силе. Известно, что площадь поперечного сечения напрямую связана с силой тока. Но эта закономерность применима не всегда. С определенных значений силы ток все больше устремляется к поверхности проводника, что называется вытеснением тока. По этой причине сопротивление току большой силы меньше у плоских и трубчатых проводников.

Еще лучший результат получается при покрытии серебром. Аналогично проявляются и токи высокой частоты. Для них поверхностный эффект закономерен так же, как и для постоянного тока большой силы. Но и механическая сила, воздействующая на проводник, способна повлиять на его сопротивление. И это неудивительно, поскольку деформации влияют на распределение частиц, которые тормозят электроны.

Этот принцип заложен в основу тензометрии, без которой сегодня невозможно представить машиностроение и другие отрасли промышленности, где важна прочность материалов. Все перечисленные причины, от которых зависит СП, по-разному проявляются у различных материалов. Но для прикладного использования взаимосвязи сопротивления с теми или иными воздействиями разработаны специальные сплавы и химические соединения.

Но в любом случае сопротивление измеряется в Омах и долях Ома, в том числе и кратных 1000, то есть килоом, мегаом. Больше нескольких единиц мегаом сопротивление, как правило, не бывает. Мы постарались показать читателям несколько причин, обуславливающих СП. Надеемся, что полученные знания помогут успешно решить существующие задачи.