Metallwiderstand. Elektrischer Widerstand und Leitfähigkeit

Sobald die Elektrizität die Labore der Wissenschaftler verließ und in großem Umfang in die Praxis eingeführt wurde Alltag Es stellte sich die Frage nach der Suche nach Materialien, die in Bezug auf die Durchströmung bestimmte, teilweise völlig gegensätzliche Eigenschaften aufweisen elektrischer Strom.

Zum Beispiel beim Übertragen elektrische EnergieÜber große Entfernungen wurden an das Drahtmaterial Anforderungen gestellt, um Verluste aufgrund der Jouleschen Erwärmung in Kombination mit geringen Gewichtseigenschaften zu minimieren. Ein Beispiel hierfür ist das Bekannte Hochspannungsleitungen Stromübertragungsleitungen aus Aluminiumdrähte mit Stahlkern.

Umgekehrt waren für die Herstellung kompakter elektrischer Rohrheizkörper Materialien mit relativ hohem elektrischem Widerstand und hoher thermischer Stabilität erforderlich. Das einfachste Beispiel für ein Gerät, das Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet, ist der Brenner eines gewöhnlichen Küchenelektroherds.

Leiter, die in der Biologie und Medizin als Elektroden, Sonden und Sonden eingesetzt werden, erfordern hohe Anforderungen chemische Beständigkeit und Kompatibilität mit Biomaterialien bei gleichzeitig geringem Kontaktwiderstand.

Eine ganze Galaxie von Erfindern aus verschiedene Länder: England, Russland, Deutschland, Ungarn und die USA. Nachdem Thomas Edison mehr als tausend Experimente durchgeführt hatte, um die Eigenschaften von Materialien zu testen, die für die Rolle von Glühfäden geeignet waren, entwickelte er eine Lampe mit einer Platinspirale. Edisons Lampen hatten zwar eine lange Lebensdauer, waren aber aufgrund der hohen Kosten des Ausgangsmaterials nicht praktikabel.

Nachfolgende Arbeiten des russischen Erfinders Lodygin, der vorschlug, relativ billiges, feuerfestes Wolfram und Molybdän mit einem höheren spezifischen Widerstand als Filamentmaterialien zu verwenden, wurden gefunden praktische Anwendung. Darüber hinaus schlug Lodygin vor, Luft aus Glühlampenzylindern zu pumpen und sie durch Inert- oder Edelgase zu ersetzen, was zur Entstehung führte moderne Lampen weißglühend Pionier der Massenproduktion von erschwinglichen und langlebigen Produkten elektrische Lampen wurde zum Unternehmen General Electric, dem Lodygin die Rechte an seinen Patenten übertrug und anschließend lange Zeit erfolgreich in den Laboren des Unternehmens arbeitete.

Diese Liste kann fortgesetzt werden, da der neugierige menschliche Geist so erfinderisch ist, dass er manchmal ein bestimmtes Problem lösen muss technisches Problem Er braucht Materialien mit bisher nicht gekannten Eigenschaften oder mit unglaublichen Kombinationen dieser Eigenschaften. Die Natur kann mit unserem Appetit nicht mehr Schritt halten und Wissenschaftler aus der ganzen Welt haben sich dem Wettlauf um die Entwicklung von Materialien angeschlossen, die keine natürlichen Analogien haben.

Einer von die wichtigsten Eigenschaften sowohl natürlicher als auch synthetischer Materialien ist der elektrische Widerstand. Beispiel Elektrogerät, in dem in reine Form Wenn diese Eigenschaft angewendet wird, kann eine Sicherung als Sicherung dienen, die unsere elektrischen und elektronischen Geräte vor Strombelastungen schützt, die die zulässigen Werte überschreiten.

Es ist zu beachten, dass es sich um hausgemachte Ersatzsicherungen für Standardsicherungen handelt, die ohne Wissen hergestellt wurden Widerstand Material, manchmal nicht nur Burnout verursachen verschiedene Elemente elektrische Diagramme, aber auch Brände in Häusern und Kabelbrände in Autos.

Gleiches gilt für den Austausch von Sicherungen in Stromnetzen, wenn anstelle einer Sicherung mit niedrigerem Nennwert eine Sicherung mit höherem Betriebsstrom eingebaut wird. Dies führt zu einer Überhitzung der elektrischen Leitungen und in der Folge sogar zu Bränden mit schlimmen Folgen. Dies gilt insbesondere für Fachwerkhäuser.

Historischer Hintergrund

Das Konzept des spezifischen elektrischen Widerstands entstand dank der Arbeiten des berühmten deutschen Physikers Georg Ohm, der den Zusammenhang zwischen der Stromstärke, der elektromotorischen Kraft der Batterie und dem Widerstand aller Teile der Batterie theoretisch begründete und durch zahlreiche Experimente bewies Stromkreis und entdeckte so das Gesetz des elementaren Stromkreises, der dann nach ihm benannt wurde. Ohm untersuchte die Abhängigkeit der Größe des fließenden Stroms von der Größe der angelegten Spannung, von der Länge und Form des Leitermaterials sowie von der Art des als leitendes Medium verwendeten Materials.

Gleichzeitig müssen wir die Arbeit von Sir Humphry Davy würdigen, einem englischen Chemiker, Physiker und Geologen, der als erster die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Leiters von seiner Länge und Querschnittsfläche feststellte stellte auch die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur fest.

Als Ohm die Abhängigkeit des Stromflusses von der Art der Materialien untersuchte, entdeckte er, dass jedes ihm zur Verfügung stehende leitfähige Material eine charakteristische Eigenschaft des Widerstands gegen den Stromfluss aufwies, die nur ihm innewohnte.

Anzumerken ist, dass zu Ohms Zeiten einer der heute gebräuchlichsten Leiter – Aluminium – den Status eines besonders edlen Metalls hatte, sodass Ohm sich auf Experimente mit Kupfer, Silber, Gold, Platin, Zink, Zinn, Blei und Eisen beschränkte .

Letztendlich führte Ohm das Konzept des spezifischen elektrischen Widerstands eines Materials als grundlegende Eigenschaft ein, ohne absolut nichts über die Natur des Stromflusses in Metallen oder die Abhängigkeit ihres Widerstands von der Temperatur zu wissen.

Spezifischer elektrischer Widerstand. Definition

Elektrischer Widerstand oder einfach spezifischer Widerstand – grundlegend physikalische Eigenschaft leitfähiges Material, das die Fähigkeit eines Stoffes charakterisiert, den Fluss von elektrischem Strom zu verhindern. Er wird mit dem griechischen Buchstaben ρ (ausgesprochen Rho) bezeichnet und auf der Grundlage der empirischen Formel zur Widerstandsberechnung von Georg Ohm berechnet.

oder, von hier

Dabei ist R der Widerstand in Ohm, S die Fläche in m²/, L die Länge in m

Dimension des elektrischen Widerstands in Internationales System SI-Einheiten werden in Ohm m ausgedrückt.

Dies ist der Widerstand eines 1 m langen Leiters und einer Querschnittsfläche von 1 m² / 1 Ohm.

In der Elektrotechnik ist es zur Vereinfachung von Berechnungen üblich, die Ableitung des elektrischen Widerstandswerts zu verwenden, ausgedrückt in Ohm mm²/m. Widerstandswerte für die gängigsten Metalle und deren Legierungen finden Sie in den entsprechenden Fachbüchern.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Widerstandswerte der verschiedenen gängigsten Materialien.

Tabelle 1. Spezifischer Widerstand einiger Metalle

Tabelle 2. Spezifischer Widerstand gängiger Legierungen

Spezifische elektrische Widerstände verschiedener Medien. Physik der Phänomene

Elektrischer Widerstand von Metallen und deren Legierungen, Halbleitern und Dielektrika

Mit unserem Wissen sind wir heute in der Lage, den elektrischen Widerstand jedes beliebigen Materials, ob natürlich oder synthetisch, im Voraus zu berechnen chemische Zusammensetzung und erwartete körperliche Verfassung.

Dieses Wissen hilft uns auf die bestmögliche Weise Nutzen Sie die Möglichkeiten der Materialien, manchmal sehr exotisch und einzigartig.

Aufgrund vorherrschender Vorstellungen, aus Sicht der Physik Feststoffe werden in kristalline, polykristalline und amorphe Stoffe unterteilt.

Am einfachsten, meine ich technische Berechnung B. den spezifischen Widerstand bzw. dessen Messung, ist dies bei amorphen Stoffen der Fall. Sie haben keine ausgeprägte kristalline Struktur (obwohl sie mikroskopische Einschlüsse solcher Substanzen aufweisen können), sind in der chemischen Zusammensetzung relativ homogen und weisen charakteristische Eigenschaften auf dieses Materials Eigenschaften.

Bei polykristallinen Stoffen, die aus einer Ansammlung relativ kleiner Kristalle gleicher chemischer Zusammensetzung bestehen, unterscheidet sich das Eigenschaftsverhalten nicht wesentlich vom Verhalten amorpher Stoffe, da der elektrische Widerstand in der Regel als integrale kumulative Eigenschaft von a definiert wird gegebene Materialprobe.

Komplizierter ist die Situation bei kristallinen Stoffen, insbesondere bei Einkristallen, die relativ zu den Symmetrieachsen ihrer Kristalle unterschiedliche elektrische Widerstände und andere elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaft wird Kristallanisotropie genannt und wird in der Technik häufig genutzt, insbesondere in Funkschaltungen von Quarzoszillatoren, wo die Frequenzstabilität genau durch die Erzeugung der inhärenten Frequenzen bestimmt wird dieser Kristall Quarz.

Jeder von uns, der Besitzer eines Computers, Tablets, Mobiltelefon oder Smartphone, auch Besitzer einer Armbanduhr elektronische Uhr bis hin zu iWatch, ist gleichzeitig Besitzer eines Quarzkristalls. Daraus können wir den Umfang der Verwendung von Quarzresonatoren in der Elektronik abschätzen, der sich auf mehrere zehn Milliarden beläuft.

Darüber hinaus ist der spezifische Widerstand vieler Materialien, insbesondere von Halbleitern, temperaturabhängig, sodass Referenzdaten normalerweise bei der Messtemperatur angegeben werden, normalerweise 20 °C.

Die einzigartigen Eigenschaften von Platin, das eine konstante und gut untersuchte Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur aufweist, sowie die Möglichkeit, ein hochreines Metall zu erhalten, dienten als Voraussetzung für die Entwicklung darauf basierender Sensoren für einen breiten Temperaturbereich Reichweite.

Bei Metallen wird die Streuung der Referenzwiderstandswerte durch die Methoden zur Probenvorbereitung und bestimmt chemische Reinheit Metall dieser Probe.

Bei Legierungen ist eine größere Streuung der Referenzwiderstandswerte auf die Methoden der Probenvorbereitung und die Variabilität der Legierungszusammensetzung zurückzuführen.

Spezifischer elektrischer Widerstand von Flüssigkeiten (Elektrolyten)

Das Verständnis des spezifischen Widerstands von Flüssigkeiten basiert auf den Theorien der thermischen Dissoziation und der Mobilität von Kationen und Anionen. Beispielsweise zerfallen in der häufigsten Flüssigkeit auf der Erde – gewöhnlichem Wasser – einige ihrer Moleküle unter dem Einfluss der Temperatur in Ionen: H+-Kationen und OH–-Anionen. Wenn eine externe Spannung an in Wasser getauchte Elektroden angelegt wird normale Bedingungen Durch die Bewegung der oben genannten Ionen entsteht ein Strom. Wie sich herausstellte, bilden sich in Wasser ganze Molekülverbände – Cluster, die sich manchmal mit H+-Kationen oder OH–-Anionen verbinden. Daher steht die Übertragung von Ionen durch Cluster unter Einfluss elektrische Spannung Dies geschieht folgendermaßen: Aufnahme des Ions in Richtung des angewendeten elektrisches Feld Einerseits „lässt“ der Cluster ein ähnliches Ion auf der anderen Seite fallen. Das Vorhandensein von Clustern im Wasser erklärt dies perfekt wissenschaftliche Tatsache dass Wasser bei einer Temperatur von etwa 4 °C die größte Dichte hat. Am meisten Wassermoleküle befinden sich aufgrund der Wirkung von Wasserstoff in Clustern und kovalente Bindungen, praktisch in einem quasikristallinen Zustand; Die thermische Dissoziation ist minimal und die Bildung von Eiskristallen ist stärker ausgeprägt geringe Dichte(Eis schwimmt im Wasser), es hat noch nicht begonnen.

Da der spezifische Widerstand von Flüssigkeiten im Allgemeinen stärker von der Temperatur abhängt, wird diese Kenngröße immer bei einer Temperatur von 293 K gemessen, was einer Temperatur von 20 °C entspricht.

Neben Wasser gibt es große Zahl andere Lösungsmittel, die Kationen und Anionen löslicher Substanzen erzeugen können. Auch die Kenntnis und Messung des spezifischen Widerstands solcher Lösungen ist von großer praktischer Bedeutung.

Bei wässrigen Lösungen von Salzen, Säuren und Laugen spielt die Konzentration des gelösten Stoffes eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des spezifischen Widerstands der Lösung. Ein Beispiel ist die folgende Tabelle, die die Widerstandswerte verschiedener in Wasser gelöster Stoffe bei einer Temperatur von 18 °C zeigt:

Tabelle 3. Widerstandswerte verschiedener in Wasser gelöster Stoffe bei einer Temperatur von 18 °C

Die Tabellendaten stammen aus dem Brief Physical and Technical Reference Book, Band 1, - M.: 1960

Spezifischer Widerstand von Isolatoren

Eine ganze Klasse spielt eine große Rolle in den Bereichen Elektrotechnik, Elektronik, Funktechnik und Robotik. verschiedene Substanzen, mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand. Unabhängig von ihrem Aggregatzustand, ob fest, flüssig oder gasförmig, werden solche Stoffe als Isolatoren bezeichnet. Solche Materialien werden zur Isolierung verwendet Einzelteile Stromkreise voneinander.

Ein Beispiel für feste Isolatoren ist das bekannte flexible Isolierband, mit dem wir beim Anschließen die Isolierung wiederherstellen verschiedene Drähte. Viele Menschen kennen Hängeisolatoren aus Porzellan. Luftleitungen Kraftübertragung, Textolite-Platinen mit elektronischen Komponenten, die in den meisten Produkten enthalten sind elektronische Technologie, Keramik, Glas und viele andere Materialien. Moderner Massivbau Isoliermaterialien Hergestellt auf Basis von Kunststoffen und Elastomeren sicher zu verwenden elektrischer Strom verschiedener Spannungen in den unterschiedlichsten Geräten und Instrumenten.

Neben Feststoffisolatoren breite Anwendung In der Elektrotechnik findet man flüssige Isolatoren mit hohem spezifischem Widerstand. IN Leistungstransformatoren elektrische Netze flüssig Transformatoröl verhindert Windungsdurchschläge aufgrund von Selbstinduktions-EMF und isoliert die Windungen der Wicklungen zuverlässig. Bei Ölschaltern wird Öl zum Löschen des Lichtbogens verwendet, der beim Schalten von Stromquellen entsteht. Kondensatoröl wird zur Herstellung kompakter Kondensatoren mit hoher Leistung verwendet elektrische Eigenschaften; Zusätzlich zu diesen Ölen werden natürliches Rizinusöl und synthetische Öle als flüssige Isolatoren verwendet.

Unter normalen Bedingungen atmosphärischer Druck Alle Gase und ihre Gemische sind aus elektrotechnischer Sicht hervorragende Isolatoren, Edelgase (Xenon, Argon, Neon, Krypton) weisen jedoch aufgrund ihrer Trägheit einen höheren spezifischen Widerstand auf, der in einigen Bereichen der Technik weit verbreitet ist.

Der häufigste Isolator ist jedoch Luft, die hauptsächlich aus molekularem Stickstoff (75 Gew.-%), molekularem Sauerstoff (23,15 Gew.-%), Argon (1,3 Gew.-%) besteht. Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser und einige Beimischungen verschiedener Edelgase. Es isoliert den Stromfluss in herkömmlichen Haushaltslichtschaltern, relaisbasierten Stromschaltern, Magnetstartern und mechanischen Schaltern. Es ist zu beachten, dass ein Absinken des Drucks von Gasen oder ihren Gemischen unter den Atmosphärendruck zu einer Erhöhung ihres spezifischen elektrischen Widerstands führt. Der ideale Isolator in diesem Sinne ist Vakuum.

Elektrischer Widerstand verschiedener Böden

Einer von die wichtigsten Wege Menschen davor schützen tödliche Wirkung Elektrischer Strom bei Elektroinstallationsunfällen ist ein Gerät Schutzerdung.

Dabei handelt es sich um die gezielte Verbindung des Gehäuses oder Gehäuses elektrischer Geräte mit einer Schutzerdungseinrichtung. Typischerweise erfolgt die Erdung in Form von Stahl- oder Kupferbändern, Rohren, Stangen oder Ecken, die bis zu einer Tiefe von mehr als 2,5 Metern im Boden vergraben sind und im Falle eines Unfalls den Stromfluss entlang des Stromkreisgeräts sicherstellen. Gehäuse oder Gehäuse - Erde - Neutralleiter Wechselstromquelle. Der Widerstand dieses Stromkreises sollte nicht mehr als 4 Ohm betragen. In diesem Fall liegt die Spannung am Gehäuse an Notfallgerät sinkt auf Werte, die für den Menschen sicher sind, und automatische Geräte Ein Schutz des Stromkreises auf die eine oder andere Weise schaltet das Notgerät aus.

Bei der Berechnung von Schutzerdungselementen spielt die Kenntnis des spezifischen Widerstands von Böden, der stark variieren kann, eine wesentliche Rolle.

Entsprechend den Angaben in den Referenztabellen wird die Fläche des Erdungsgerätes ausgewählt, daraus die Anzahl der Erdungselemente und die tatsächliche Ausführung des gesamten Gerätes berechnet. Die Strukturelemente der Schutzerdungseinrichtung werden durch Schweißen verbunden.

Elektrische Tomographie

Die elektrische Prospektion untersucht die oberflächennahe geologische Umgebung und dient der Suche nach Erzen, nichtmetallischen Mineralien und anderen Objekten auf der Grundlage der Untersuchung verschiedener künstlicher elektrischer und elektromagnetischer Felder. Ein Sonderfall der elektrischen Prospektion ist die elektrische Widerstandstomographie – eine Methode zur Bestimmung von Eigenschaften Felsen entsprechend ihrem spezifischen Widerstand.

Der Kern der Methode besteht darin, dass an einer bestimmten Position der elektrischen Feldquelle Spannungsmessungen an verschiedenen Sonden durchgeführt werden, dann die Feldquelle an einen anderen Ort verschoben oder auf eine andere Quelle umgeschaltet wird und die Messungen wiederholt werden. Feldquellen und Feldempfängersonden werden an der Oberfläche und in Bohrlöchern platziert.

Anschließend werden die gewonnenen Daten mit modernen Computerverarbeitungsmethoden verarbeitet und interpretiert, die es ermöglichen, Informationen in Form von zweidimensionalen und dreidimensionalen Bildern zu visualisieren.

Sehr sein präzise Methode Bei der Suche stellt die elektrische Tomographie für Geologen, Archäologen und Paläozoologen eine unschätzbare Hilfe dar.

Die Bestimmung der Vorkommensform von Mineralvorkommen und der Grenzen ihrer Verbreitung (Skizzierung) ermöglicht es, das Vorkommen von Erzgangvorkommen zu identifizieren, was die Kosten für deren spätere Erschließung deutlich senkt.

Für Archäologen liefert diese Suchmethode wertvolle Informationen über die Lage antiker Bestattungen und das Vorhandensein von Artefakten darin und reduziert so die Ausgrabungskosten.

Paläozoologen nutzen die elektrische Tomographie, um nach versteinerten Überresten antiker Tiere zu suchen; Die Ergebnisse ihrer Arbeit sind in Naturwissenschaftsmuseen in Form atemberaubender Rekonstruktionen der Skelette prähistorischer Megafauna zu sehen.

Darüber hinaus wird die Elektrotomographie während des Baus und des späteren Betriebs eingesetzt. Ingenieurbauwerke: Hochhäuser, Dämme, Deiche, Dämme und andere.

Definitionen des Widerstands in der Praxis

Um praktische Probleme zu lösen, stehen wir manchmal vor der Aufgabe, die Zusammensetzung eines Stoffes zu bestimmen, beispielsweise eines Drahtes zum Schneiden von Polystyrolschaum. Wir haben zwei Drahtspulen mit passendem Durchmesser aus verschiedenen, uns unbekannten Materialien. Um das Problem zu lösen, ist es notwendig, ihren elektrischen Widerstand zu ermitteln und dann anhand der Differenz der gefundenen Werte oder mithilfe einer Nachschlagetabelle das Drahtmaterial zu bestimmen.

Wir messen mit einem Maßband und schneiden von jeder Probe 2 Meter Draht ab. Bestimmen wir die Durchmesser der Drähte d₁ und d₂ mit einem Mikrometer. Nachdem wir das Multimeter auf die untere Grenze der Widerstandsmessung eingestellt haben, messen wir den Widerstand der Probe R₁. Wir wiederholen den Vorgang für eine andere Probe und messen auch deren Widerstand R₂.

Berücksichtigen wir, dass die Querschnittsfläche der Drähte nach der Formel berechnet wird

S = π ∙ d 2 /4

Die Formel zur Berechnung des elektrischen Widerstands sieht nun folgendermaßen aus:

ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L

Indem wir die erhaltenen Werte von L, d₁ und R₁ in die im obigen Artikel angegebene Formel zur Berechnung des spezifischen Widerstands einsetzen, berechnen wir den Wert von ρ₁ für die erste Probe.

ρ 1 = 0,12 Ohm mm 2 /m

Indem wir die erhaltenen Werte von L, d₂ und R₂ in die Formel einsetzen, berechnen wir den Wert von ρ₂ für die zweite Probe.

ρ 2 = 1,2 Ohm mm 2 /m

Aus einem Vergleich der Werte von ρ₁ und ρ₂ mit den Referenzdaten in Tabelle 2 oben schließen wir, dass das Material der ersten Probe Stahl und das zweite Nichrom ist, aus dem wir den Schneidfaden herstellen werden.

Die meisten Gesetze der Physik basieren auf Experimenten. Die Namen der Experimentatoren sind in den Namen dieser Gesetze verewigt. Einer von ihnen war Georg Ohm.

Georg Ohms Experimente

Bei Experimenten zur Wechselwirkung von Elektrizität mit verschiedenen Stoffen, darunter auch Metallen, stellte er einen grundlegenden Zusammenhang zwischen Dichte, elektrischer Feldstärke und der Eigenschaft eines Stoffes her, die als „spezifische Leitfähigkeit“ bezeichnet wurde. Die diesem Muster entsprechende Formel, „Ohmsches Gesetz“ genannt, lautet wie folgt:

j= λE , in dem

J- elektrische Stromdichte;
λ — spezifische Leitfähigkeit, auch „elektrische Leitfähigkeit“ genannt;
E – elektrische Feldstärke.

In einigen Fällen, um anzuzeigen Leitfähigkeit ein anderer Buchstabe des griechischen Alphabets wird verwendet - σ . Die spezifische Leitfähigkeit hängt von bestimmten Parametern des Stoffes ab. Sein Wert wird von der Temperatur, den Stoffen, dem Druck, wenn es sich um ein Gas handelt, und vor allem von der Struktur dieses Stoffes beeinflusst. Das Ohmsche Gesetz gilt nur für homogene Stoffe.

Für einfachere Berechnungen wird der Kehrwert der spezifischen Leitfähigkeit verwendet. Es wird „Widerstand“ genannt, was auch mit den Eigenschaften der Substanz in Verbindung gebracht wird, in der elektrischer Strom fließt, was mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet wird ρ und hat die Dimension Ohm*m. Aber da für anders physikalische Phänomene es gelten verschiedene theoretische Begründungen Für den spezifischen Widerstand können alternative Formeln verwendet werden. Sie spiegeln die klassische elektronische Metalltheorie sowie die Quantentheorie wider.

Formeln

In diesen Formeln, die für den Durchschnittsleser mühsam sind, tauchen Faktoren wie das Boltzmannsche Wirkungsquantum, das Avogadrosche Wirkungsquantum und das Plancksche Wirkungsquantum auf. Diese Konstanten werden für Berechnungen verwendet, die die freie Weglänge der Elektronen in einem Leiter, ihre Geschwindigkeit bei thermischer Bewegung, den Ionisationsgrad, die Konzentration und die Dichte des Stoffes berücksichtigen. Kurz gesagt, für einen Laien ist alles ziemlich kompliziert. Um nicht unbegründet zu sein, können Sie sich im Folgenden damit vertraut machen, wie alles tatsächlich aussieht:

Eigenschaften von Metallen

Da die Bewegung der Elektronen von der Homogenität der Substanz abhängt, fließt der Strom in einem Metallleiter entsprechend seiner Struktur, was sich unter Berücksichtigung seiner Heterogenität auf die Verteilung der Elektronen im Leiter auswirkt. Sie wird nicht nur durch das Vorhandensein von Fremdeinschlüssen bestimmt, sondern auch durch physikalische Mängel – Risse, Hohlräume usw. Die Heterogenität des Leiters erhöht seinen spezifischen Widerstand, der durch die Matthiesen-Regel bestimmt wird.

Diese leicht verständliche Regel besagt im Wesentlichen, dass in einem stromdurchflossenen Leiter mehrere separate Widerstände unterschieden werden können. Und der resultierende Wert wird ihre Summe sein. Der Begriff wird der spezifische Widerstand sein Kristallgitter Metall, Verunreinigungen und Leiterfehler. Da dieser Parameter von der Beschaffenheit des Stoffes abhängt, wurden zu seiner Berechnung entsprechende Gesetze definiert, auch für Stoffgemische.

Obwohl Legierungen auch Metalle sind, werden sie als Lösungen mit chaotischer Struktur betrachtet, und für die Berechnung des spezifischen Widerstands ist es wichtig, welche Metalle in der Legierung enthalten sind. Grundsätzlich fallen die meisten Legierungen aus zwei Komponenten, die nicht zu Übergangsmetallen gehören, sowie Seltenerdmetalle unter die Beschreibung des Nodheimschen Gesetzes.

Der spezifische Widerstand von Metalldünnfilmen wird als separates Thema betrachtet. Es ist völlig logisch anzunehmen, dass sein Wert größer sein sollte als der eines massiven Leiters aus demselben Metall. Gleichzeitig wird aber eine spezielle empirische Fuchs-Formel für den Film eingeführt, die die gegenseitige Abhängigkeit von spezifischem Widerstand und Filmdicke beschreibt. Es stellt sich heraus, dass Metalle in Filmen Halbleitereigenschaften aufweisen.

Und der Prozess der Ladungsübertragung wird durch Elektronen beeinflusst, die sich in Richtung der Filmdicke bewegen und die Bewegung von „Längsladungen“ stören. Gleichzeitig werden sie von der Oberfläche des Filmleiters reflektiert und so oszilliert ein Elektron längere Zeit zwischen seinen beiden Oberflächen. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Erhöhung des spezifischen Widerstands ist die Temperatur des Leiters. Je höher die Temperatur, desto größer der Widerstand. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur, desto geringer ist der Widerstand.

Metalle sind die Stoffe mit dem niedrigsten spezifischen Widerstand bei sogenannter „Raumtemperatur“. Das einzige Nichtmetall, das seine Verwendung als Leiter rechtfertigt, ist Kohlenstoff. Graphit, eine seiner Sorten, wird häufig zur Herstellung von Schleifkontakten verwendet. Er hat eine sehr gute Kombination Eigenschaften wie spezifischer Widerstand und Gleitreibungskoeffizient. Daher ist Graphit ein unverzichtbarer Werkstoff für Elektromotorbürsten und andere Schleifkontakte. Die Widerstandswerte der wichtigsten für industrielle Zwecke verwendeten Stoffe sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Supraleitung

Bei Temperaturen, die der Verflüssigung von Gasen entsprechen, also bis zur Temperatur von flüssigem Helium, die – 273 Grad Celsius entspricht, sinkt der spezifische Widerstand fast auf völliges Verschwinden. Und nicht nur die Guten Metallleiter wie Silber, Kupfer und Aluminium. Fast alle Metalle. Unter solchen Bedingungen, die man Supraleitung nennt, hat die Struktur des Metalls keinen hemmenden Einfluss auf die Bewegung von Ladungen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Daher werden Quecksilber und die meisten Metalle zu Supraleitern.

Doch wie sich erst vor relativ kurzer Zeit, in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts, herausstellte, sind einige Keramikarten auch zur Supraleitung fähig. Darüber hinaus ist hierfür kein flüssiges Helium erforderlich. Solche Materialien wurden Hochtemperatursupraleiter genannt. Allerdings sind bereits mehrere Jahrzehnte vergangen und das Angebot an Hochtemperaturleitern hat sich deutlich erweitert. Ein Masseneinsatz solcher hochtemperatursupraleitenden Elemente wurde jedoch nicht beobachtet. In einigen Ländern wurden Einzelinstallationen durchgeführt, die herkömmliche Installationen ersetzten Kupferleiter für Hochtemperatursupraleiter. Um den normalen Bereich der Hochtemperatursupraleitung aufrechtzuerhalten, ist flüssiger Stickstoff erforderlich. Und das erweist sich als zu teure technische Lösung.

Daher sind sie aufgrund des niedrigen spezifischen Widerstandswerts, den die Natur Kupfer und Aluminium verleiht, immer noch ausschlaggebend unersetzliche Materialien zur Herstellung verschiedener elektrischer Leiter.

Sobald die Elektrizität die Laboratorien der Wissenschaftler verließ und in die Praxis des täglichen Lebens Einzug hielt, stellte sich die Frage nach der Suche nach Materialien, die bestimmte, manchmal völlig gegensätzliche Eigenschaften in Bezug auf den Stromfluss durch sie aufweisen.

Bei der Übertragung elektrischer Energie über weite Entfernungen musste beispielsweise das Drahtmaterial Verluste aufgrund der Joule'schen Erwärmung in Kombination mit geringem Gewicht minimieren. Ein Beispiel hierfür sind die bekannten Hochspannungsleitungen aus Aluminiumdrähten mit Stahlkern.

Leiter, die in der Biologie und Medizin als Elektroden, Sonden und Sonden eingesetzt werden, erfordern eine hohe chemische Beständigkeit und Kompatibilität mit Biomaterialien, verbunden mit geringen Kontaktwiderständen.

Eine ganze Galaxie von Erfindern aus verschiedenen Ländern: England, Russland, Deutschland, Ungarn und die USA trugen ihre Bemühungen zur Entwicklung eines heute bekannten Geräts wie einer Glühlampe bei. Nachdem Thomas Edison mehr als tausend Experimente durchgeführt hatte, um die Eigenschaften von Materialien zu testen, die für die Rolle von Glühfäden geeignet waren, entwickelte er eine Lampe mit einer Platinspirale. Edisons Lampen hatten zwar eine lange Lebensdauer, waren aber aufgrund der hohen Kosten des Ausgangsmaterials nicht praktikabel.

Spätere Arbeiten des russischen Erfinders Lodygin, der die Verwendung relativ billiger, feuerfester Wolfram- und Molybdänmaterialien mit höherem Widerstand als Filamentmaterialien vorschlug, fanden praktische Anwendung. Darüber hinaus schlug Lodygin vor, Luft aus Glühlampenzylindern zu pumpen und sie durch Inert- oder Edelgase zu ersetzen, was zur Entwicklung moderner Glühlampen führte. Der Pionier der Massenproduktion erschwinglicher und langlebiger elektrischer Lampen war das Unternehmen General Electric, dem Lodygin die Rechte an seinen Patenten übertrug und anschließend lange Zeit erfolgreich in den Laboren des Unternehmens arbeitete.

Diese Liste lässt sich fortsetzen, denn der neugierige menschliche Geist ist so erfinderisch, dass er manchmal zur Lösung eines bestimmten technischen Problems Materialien mit bisher beispiellosen Eigenschaften oder mit unglaublichen Kombinationen dieser Eigenschaften benötigt. Die Natur kann mit unserem Appetit nicht mehr Schritt halten und Wissenschaftler aus der ganzen Welt haben sich dem Wettlauf um die Entwicklung von Materialien angeschlossen, die keine natürlichen Analogien haben.

Eine der wichtigsten Eigenschaften sowohl natürlicher als auch synthetischer Materialien ist der elektrische Widerstand. Ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, bei dem diese Eigenschaft in reiner Form genutzt wird, ist eine Sicherung, die unsere elektrischen und elektronischen Geräte vor Strombelastungen schützt, die die zulässigen Werte überschreiten.

Es ist zu beachten, dass es sich um hausgemachte Ersatzsicherungen für Standardsicherungen handelt, die ohne Kenntnis des spezifischen Widerstands des Materials hergestellt werden und manchmal nicht nur zum Durchbrennen verschiedener Elemente von Stromkreisen, sondern auch zu Bränden in Häusern und Bränden in der Verkabelung von Autos führen.

Historischer Hintergrund

Spezifischer elektrischer Widerstand. Definition

Der elektrische Widerstand oder einfach Widerstand ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft eines leitfähigen Materials, die die Fähigkeit einer Substanz charakterisiert, den Fluss von elektrischem Strom zu verhindern. Er wird mit dem griechischen Buchstaben ρ (ausgesprochen Rho) bezeichnet und auf der Grundlage der empirischen Formel zur Widerstandsberechnung von Georg Ohm berechnet.

oder, von hier

Dabei ist R der Widerstand in Ohm, S die Fläche in m²/, L die Länge in m

Die Dimension des elektrischen Widerstands im Internationalen Einheitensystem SI wird in Ohm·m ausgedrückt.

Dies ist der Widerstand eines 1 m langen Leiters und einer Querschnittsfläche von 1 m² / 1 Ohm.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Widerstandswerte der verschiedenen gängigsten Materialien.

Tabelle 1. Spezifischer Widerstand einiger Metalle

Tabelle 2. Spezifischer Widerstand gängiger Legierungen

Spezifische elektrische Widerstände verschiedener Medien. Physik der Phänomene

Elektrischer Widerstand von Metallen und deren Legierungen, Halbleitern und Dielektrika

Mit unserem Wissen sind wir heute in der Lage, den elektrischen Widerstand jedes Materials, sowohl natürlicher als auch synthetischer Art, auf der Grundlage seiner chemischen Zusammensetzung und des erwarteten physikalischen Zustands im Voraus zu berechnen.

Dieses Wissen hilft uns, die Fähigkeiten manchmal recht exotischer und einzigartiger Materialien besser zu nutzen.

Aus physikalischer Sicht werden Feststoffe aufgrund vorherrschender Vorstellungen in kristalline, polykristalline und amorphe Stoffe unterteilt.

Der einfachste Weg im Sinne der technischen Berechnung des spezifischen Widerstands bzw. dessen Messung ist der Einsatz amorpher Stoffe. Sie haben keine ausgeprägte kristalline Struktur (obwohl sie mikroskopische Einschlüsse solcher Substanzen aufweisen können), sind in ihrer chemischen Zusammensetzung relativ homogen und weisen Eigenschaften auf, die für ein bestimmtes Material charakteristisch sind.

Komplizierter ist die Situation bei kristallinen Stoffen, insbesondere bei Einkristallen, die relativ zu den Symmetrieachsen ihrer Kristalle unterschiedliche elektrische Widerstände und andere elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaft wird Kristallanisotropie genannt und wird in der Technik häufig genutzt, insbesondere in Funkschaltungen von Quarzoszillatoren, wo die Frequenzstabilität genau durch die Erzeugung von Frequenzen bestimmt wird, die einem bestimmten Quarzkristall innewohnen.

Jeder von uns, der Besitzer eines Computers, Tablets, Mobiltelefons oder Smartphones, auch Besitzer elektronischer Uhren bis hin zur iWatch, ist auch Besitzer eines Quarzkristalls. Daraus können wir den Umfang der Verwendung von Quarzresonatoren in der Elektronik abschätzen, der sich auf mehrere zehn Milliarden beläuft.

Bei Metallen wird die Streuung der Referenzwerte des spezifischen Widerstands durch die Methoden zur Probenvorbereitung und die chemische Reinheit des Metalls einer bestimmten Probe bestimmt.

Bei Legierungen ist eine größere Streuung der Referenzwiderstandswerte auf die Methoden der Probenvorbereitung und die Variabilität der Legierungszusammensetzung zurückzuführen.

Spezifischer elektrischer Widerstand von Flüssigkeiten (Elektrolyten)

Das Verständnis des spezifischen Widerstands von Flüssigkeiten basiert auf den Theorien der thermischen Dissoziation und der Mobilität von Kationen und Anionen. Beispielsweise zerfallen in der häufigsten Flüssigkeit auf der Erde – gewöhnlichem Wasser – einige ihrer Moleküle unter dem Einfluss der Temperatur in Ionen: H+-Kationen und OH–-Anionen. Wenn unter normalen Bedingungen eine äußere Spannung an in Wasser getauchte Elektroden angelegt wird, entsteht aufgrund der Bewegung der oben genannten Ionen ein Strom. Wie sich herausstellte, bilden sich in Wasser ganze Molekülverbände – Cluster, die sich manchmal mit H+-Kationen oder OH–-Anionen verbinden. Daher erfolgt die Übertragung von Ionen durch Cluster unter dem Einfluss elektrischer Spannung wie folgt: Wenn der Cluster auf einer Seite ein Ion in Richtung des angelegten elektrischen Felds empfängt, „wirft“ er ein ähnliches Ion von der anderen Seite ab. Das Vorhandensein von Clustern im Wasser erklärt perfekt die wissenschaftliche Tatsache, dass Wasser bei einer Temperatur von etwa 4 °C die höchste Dichte aufweist. Die meisten Wassermoleküle befinden sich aufgrund der Wirkung von Wasserstoff und kovalenten Bindungen in Clustern, fast in einem quasikristallinen Zustand; Die thermische Dissoziation ist minimal und die Bildung von Eiskristallen, die eine geringere Dichte haben (Eis schwimmt im Wasser), hat noch nicht begonnen.

Neben Wasser gibt es eine Vielzahl weiterer Lösungsmittel, die Kationen und Anionen löslicher Stoffe erzeugen können. Auch die Kenntnis und Messung des spezifischen Widerstands solcher Lösungen ist von großer praktischer Bedeutung.

Tabelle 3. Widerstandswerte verschiedener in Wasser gelöster Stoffe bei einer Temperatur von 18 °C

Die Tabellendaten stammen aus dem Brief Physical and Technical Reference Book, Band 1, - M.: 1960

Spezifischer Widerstand von Isolatoren

Eine ganze Klasse verschiedener Stoffe, die einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweisen, ist in den Bereichen Elektrotechnik, Elektronik, Funktechnik und Robotik von großer Bedeutung. Unabhängig von ihrem Aggregatzustand, ob fest, flüssig oder gasförmig, werden solche Stoffe als Isolatoren bezeichnet. Solche Materialien werden verwendet, um einzelne Teile elektrischer Schaltkreise voneinander zu isolieren.

Ein Beispiel für feste Isolatoren ist das bekannte flexible Isolierband, mit dem wir die Isolierung beim Anschließen verschiedener Drähte wiederherstellen. Viele Menschen kennen Porzellanisolatoren für die Aufhängung von Freileitungen, Textolithplatten mit elektronischen Komponenten, die in den meisten elektronischen Produkten enthalten sind, Keramik, Glas und viele andere Materialien. Moderne Feststoffisolierstoffe auf Basis von Kunststoffen und Elastomeren ermöglichen den sicheren Einsatz von elektrischem Strom unterschiedlicher Spannung in den unterschiedlichsten Geräten und Instrumenten.

Neben festen Isolatoren werden in der Elektrotechnik häufig auch flüssige Isolatoren mit hohem spezifischem Widerstand eingesetzt. In Leistungstransformatoren elektrischer Netze verhindert flüssiges Transformatorenöl Windungsdurchschläge aufgrund von Selbstinduktions-EMF und isoliert die Windungen der Wicklungen zuverlässig. Bei Ölschaltern wird Öl zum Löschen des Lichtbogens verwendet, der beim Schalten von Stromquellen entsteht. Kondensatoröl wird zur Herstellung kompakter Kondensatoren mit hoher elektrischer Leistung verwendet; Zusätzlich zu diesen Ölen werden natürliches Rizinusöl und synthetische Öle als flüssige Isolatoren verwendet.

Bei normalem Atmosphärendruck sind alle Gase und ihre Gemische aus elektrotechnischer Sicht hervorragende Isolatoren, Edelgase (Xenon, Argon, Neon, Krypton) weisen jedoch aufgrund ihrer Trägheit einen höheren spezifischen Widerstand auf, der häufig verwendet wird einige Bereiche der Technik.

Der häufigste Isolator ist jedoch Luft, die hauptsächlich aus molekularem Stickstoff (75 Gew.-%), molekularem Sauerstoff (23,15 Gew.-%), Argon (1,3 Gew.-%), Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser und einigen Verunreinigungen verschiedener Edelgase besteht. Es isoliert den Stromfluss in herkömmlichen Haushaltslichtschaltern, relaisbasierten Stromschaltern, Magnetstartern und mechanischen Schaltern. Es ist zu beachten, dass ein Absinken des Drucks von Gasen oder ihren Gemischen unter den Atmosphärendruck zu einer Erhöhung ihres spezifischen elektrischen Widerstands führt. Der ideale Isolator in diesem Sinne ist Vakuum.

Elektrischer Widerstand verschiedener Böden

Eine der wichtigsten Möglichkeiten, eine Person vor den schädlichen Auswirkungen von elektrischem Strom bei Unfällen in der Elektroinstallation zu schützen, ist eine Schutzerdungsvorrichtung.

Dabei handelt es sich um die gezielte Verbindung des Gehäuses oder Gehäuses elektrischer Geräte mit einer Schutzerdungseinrichtung. Typischerweise erfolgt die Erdung in Form von Stahl- oder Kupferbändern, Rohren, Stangen oder Ecken, die bis zu einer Tiefe von mehr als 2,5 Metern im Boden vergraben sind und im Falle eines Unfalls den Stromfluss entlang des Stromkreisgeräts sicherstellen. Gehäuse oder Gehäuse - Erde - Neutralleiter der Wechselstromquelle. Der Widerstand dieses Stromkreises sollte nicht mehr als 4 Ohm betragen. In diesem Fall wird die Spannung am Gehäuse des Notfallgeräts auf für den Menschen ungefährliche Werte reduziert und automatische Stromkreisschutzvorrichtungen schalten das Notfallgerät auf die eine oder andere Weise aus.

Bei der Berechnung von Schutzerdungselementen spielt die Kenntnis des spezifischen Widerstands von Böden, der stark variieren kann, eine wesentliche Rolle.

Elektrische Tomographie

Die elektrische Prospektion untersucht die oberflächennahe geologische Umgebung und dient der Suche nach Erzen, nichtmetallischen Mineralien und anderen Objekten auf der Grundlage der Untersuchung verschiedener künstlicher elektrischer und elektromagnetischer Felder. Ein Sonderfall der elektrischen Prospektion ist die elektrische Tomographie (Electrical Resistivity Tomography), eine Methode zur Bestimmung der Eigenschaften von Gesteinen anhand ihres spezifischen Widerstands.

Als sehr genaue Suchmethode stellt die Elektrotomographie für Geologen, Archäologen und Paläozoologen eine unschätzbare Hilfe dar.

Für Archäologen liefert diese Suchmethode wertvolle Informationen über die Lage antiker Bestattungen und das Vorhandensein von Artefakten darin und reduziert so die Ausgrabungskosten.

Darüber hinaus wird die Elektrotomographie beim Bau und späteren Betrieb von Ingenieurbauwerken eingesetzt: Hochhäusern, Dämmen, Deichen, Böschungen und anderen.