Что такое удельное сопротивление и как оно зависит от температуры

Электрический ток в физическом теле возникает при выполнении двух условий: наличия разницы потенциалов на его участках и присутствия в веществе свободных заряженных частиц. Его величина зависит от напряжения и сопротивления цепи, по которой он идет.

Физический смысл электрического сопротивления

Сопротивление – главнейший электрический параметр любого предмета. Очевидно, что оно зависит от площади поперечного сечения и длины. Чтобы образно представить процессы, возникающие в проводнике, достаточно вообразить школьный коридор, по которому группа учеников пытается пробежать в направлении нужной аудитории. Если им ничто не препятствует, то путь этот будет быстрым и легким. А вот если дело происходит во время большой перемены, то задача усложняется, школьник наталкиваются на своих товарищей, стоящих или бегающих по коридору, и чем больше окружающая суматоха, тем труднее бежать. Преодолевая путь, школьники трудятся, маневрируют, толкаются, им становится жарко. Говоря языком физики, чем выше энтропия (то есть степень беспорядка), тем больше сопротивление. Она зависит от количества учеников в коридоре. Для того чтобы оценить количество преград на пути электрического тока, был введен такой термин, как удельное сопротивление, величина которого показывает, насколько заряженным частицам будет легко преодолевать единичный отрезок длины проводника через единичное же сечение.

Удельная величина сопротивления

Удельное сопротивление различно для каждого материала. У диэлектриков оно велико, они практически не пропускают электрического тока и используются для создания изолирующих слоев. Металлы – хорошие проводники, но и у них есть различия по количеству заряженных частиц (электронов, а в полупроводниках это могут быть «дырки», то есть свободные положительно заряженные радикалы). Так, удельное сопротивление стали составляет 0, 013 Ω x кв. мм/м, серебра – 0,016, а у свинца этот параметр достигает величины 0,2. Пользуясь этой славной справочной величиной можно легко вычислить, какой диаметр провода должен быть у проводника, чтобы при заданной длине он имел нужное сопротивление. И наоборот, измерив омметром участок в 1000 мм и зная площадь сечения, можно определить, из какого металла сделан предмет.

Влияние температуры на сопротивление

Вспомнив пример со школьным коридором, можно сделать вывод, что не только количество преград имеет значение для успешного движения заряженных частиц, но и их поведение. Ведь бежать по помещению, в котором все прочие смирно стоят, намного легче, чем если они беспорядочно бегают. А на эту самую энтропию влияет температура. Поэтому удельное сопротивление металлов напрямую зависит от степени их нагретости. А вот в горячих электролитах, напротив, возрастает проводимость, являющаяся величиной обратной R. (G=1/R, измеряется в сименсах). Разница электропропускающих свойств бывает существенной. Правда, есть особые сплавы (например, никелин, константан и другие) с термостабильными резистивными параметрами, но в своем большинстве металлы меняют удельное сопротивление при прогреве на 100 градусов в пределах 30-50 %. Впрочем, и это их качество можно считать полезным, так как оно позволяет получать информацию о температуре вещества непосредственно в виде электрического сигнала. Термоизмерительные приборы устроены просто, а для их градуировки применяют поправочные температурные коэффициенты, пользуясь формулой:

Rt = Ro [1 ± α (t – to)]

где:

Rt – сопротивление при конкретной температуре;

Ro – удельное сопротивление при 20 градусах Цельсия (справочная величина);

(t – to) – разница температур;

α - температурный коэффициент.