Электрическое сопротивление - фундаментальная характеристика любой электрической цепи. Понимание природы этого явления позволяет оптимизировать работу энергосистем, улучшать бытовую технику и создавать новые перспективные устройства от сверхпроводников до квантовых компьютеров. Давайте разберемся в сущности электрического сопротивления, его причинах, зависимостях и практических применениях.
Определение электрического сопротивления
Формально электрическое сопротивление определяется по закону Ома:
R = U / I,
где R - сопротивление (Ом), U - напряжение (B), I - сила тока (А).
Интуитивно это означает, что сопротивление характеризует тормозящее действие проводника на электрический ток. Чем выше сопротивление, тем слабее течет ток при заданном напряжении.
Активное и реактивное сопротивление
Различают активное и реактивное электрическое сопротивление:
- Активное сопротивление связано с необратимым превращением электроэнергии в тепло.
- Реактивное сопротивление обусловлено обратимой передачей энергии электрическому или магнитному полю.
В общем случае полное сопротивление цепи является комплексной величиной, учитывающей оба этих вклада.
Связь с проводимостью и импедансом
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью и обозначается латинской буквой G.
Для цепей переменного тока вводится более общее понятие импеданса Z, который является комплексной величиной и учитывает реактивные эффекты.
Единицы измерения сопротивления
В СИ единицей электрического сопротивления является Ом:
| 1 Ом = 1 В / 1 А |
В системе СГС используются другие единицы, например статОм или абсОм. Исторически первыми единицами сопротивления были Ом и мегоОм.
Краткая история открытия
Явление электрического сопротивления проводника было впервые исследовано немецким ученым Георгом Омом в 1826 году. Ом экспериментально установил, что сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению. Этот результат вошел в физику как закон Ома.
Причины возникновения сопротивления
Почему возникает тормозящее действие электрического тока в проводниках? Рассмотрим основные механизмы на примере металлов.
Рассеяние носителей заряда
В металлах носителями заряда являются свободные электроны. При движении они рассеиваются на дефектах кристаллической решетки, что приводит к потере кинетической энергии и нагреву металла. Чем сильнее рассеяние, тем выше электрическое сопротивление.
Неоднородности кристаллической решетки
К дефектам решетки относятся:
- примесные атомы;
- дислокации (нарушения периодичности);
- фононы (тепловые колебания решетки).
Чем больше таких неоднородностей, тем выше вероятность рассеяния электронов и электрическое сопротивление материала.
Другой причиной возникновения сопротивления может быть ограниченная подвижность носителей заряда, например ионов в электролитах. Но в металлах этот эффект обычно мал.
Рассмотрим, от каких параметров зависит электрическое сопротивление.
Зависимость от материала и температуры
Величина удельного сопротивления сильно зависит от природы материала. Например:
- Для меди ρ = 1.72·10-8 Ом·м;
- Для германия ρ = 0.46 Ом·м.
Кроме того, сопротивление растет с температурой из-за усиления тепловых колебаний решетки. Исключением является эффект сверхпроводимости при очень низких температурах.
Влияние геометрии проводника
Сопротивление металлического проводника зависит от его размеров:
R = ρ·l / S, где l - длина, S - площадь поперечного сечения.Чем длиннее проводник и тоньше его сечение - тем выше сопротивление. Это используется при конструировании резисторов на основе проволочной намотки.
Границы разнородных сред
На границе двух проводников часть электронов отражается, что приводит к дополнительному сопротивлению. Это так называемое контактное сопротивление.
Частотная дисперсия комплексного сопротивления
Для цепей переменного тока сопротивление является комплексной величиной Z = R + iX, где X - реактивное сопротивление. При этом активная R и реактивная X составляющие зависят от частоты переменного тока ω.
Рост реактивного сопротивления с частотой
На высоких частотах из-за инерционности процессов в металле начинает преобладать реактивное индуктивное сопротивление XL. Оно пропорционально частоте:
XL = ωL,где L - индуктивность цепи.
Резонансные явления в цепях
В цепях переменного тока с конденсаторами возникает электрический резонанс на определенных резонансных частотах. На таких частотах реактивные составляющие взаимно компенсируются и полное сопротивление минимально.
Тензорезистивный эффект
Под действием механических деформаций и напряжений сопротивление металлов и полупроводников меняется. Это явление называется тензорезистивным или тензоэффектом и используется для изготовления тензодатчиков - датчиков деформации и механического напряжения. Величина тензоэффекта зависит от материала и ориентации кристаллической решетки относительно направления тока.
Магнитосопротивление металлов
Сопротивление металлов зависит от внешнего магнитного поля. Это явление называется магнитосопротивлением и широко используется в датчиках магнитного поля, запоминающих устройствах и других применениях магнитоэлектроники. Например, на основе магнитосопротивления работают магнитные головки для чтения информации с жестких дисков.
Сверхпроводимость
При очень низких температурах ниже критической (обычно несколько кельвин) сопротивление многих металлов и сплавов резко падает. Такое состояние вещества называется сверхпроводящим, а само явление - сверхпроводимостью. Сверхпроводники находят широкое применение в мощных электромагнитах, высокочувствительных датчиках, электронных схемах и других областях современной науки и техники.
