Сопротивление проводников: физическая природа и измерение

      

                                                         13

     Рассмотрим  формулу в левой рамочке. Мы видим, что общее сопротивление складывается (суммируется) из отдельных сопротивлений. Это значит, что при последовательном соединении проводников общее сопротивление соединения всегда больше сопротивления любого его участка. Пусть, например, соединение составлено из резисторов с сопротивлениями 4 Ом и 5 Ом. Тогда общее сопротивление будет 4 + 5 = 9 Ом. Вы видите, что 9 Ом > 4 Ом и 9 Ом > 5 Ом.

     Вообразим теперь, что пять одинаковых резисторов соединили последовательно. Тогда  их общее сопротивление вычислится так:

     Rоб = R + R + R + R + R = 5R

     Обобщая это на случай n штук проводников, получим, что их общее сопротивление увеличивается  в n раз:

       

     Перейдем  теперь к формуле в правой рамочке

     При параллельном соединении проводников  общее сопротивление соединения всегда меньше сопротивления любого его участка. Сделав вычисления по формуле, получим, что общее сопротивление резисторов с сопротивлениями 4 и 5 Ом, соединенных параллельно, равно » 2 Ом. Вы видите, что 2 Ом < 4 Ом и 2 Ом < 5 Ом.

     Вообразим теперь, что пять одинаковых резисторов соединили параллельно. Тогда их общее сопротивление будет:

     

                                                           14

     Если  две величины равны друг другу, то и величины, обратные им, также равны: 

       

     Обобщая это на случай n штук проводников, получим, что их общее сопротивление уменьшается  в n раз:  

     

     

 
 
 
 
 
 

                                                      15

                                     2.1  Сверхпроводимость

     Сверхпроводимость, свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определённой критической температуры Т_к, характерной для данного материала. Существует 26 чистых элементов, сплавов, переходящих в сверхпроводящее состояние. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей кельвина и поэтому имеет смысл определённое значение т_с — температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Эта величина называется критической температурой перехода.

     Явление открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электро-сопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре  ниже 4,22К Hg практически теряет сопротивление.

     Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ  обладает сопротивлением по крайней  мере в 10-12 раз меньше, чем при  комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток  в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать  и без источника ЭДС.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих  факторов:

1) повышение  температуры; 

2) действие достаточно  сильного магнитного поля;

3) достаточно  большая плотность тока в образце;

Переход   от    сверхпроводящего     состояния     в   нормальное        можно осуществить    путем    повышения     магнитного    поля   при    температуре ниже      критической T_с.    Минимальное   поле   B_с, в    котором разрушается  сверхпроводимость      называется     критическим магнитным полем.

                                                      16

                 2.2  Сверхпроводники первого рода.

     К сверхпроводникам первого рода относятся в основном мягкие сверхпроводники, свободные от внутренних напряжений. У таких сверхпроводников наблюдается разрушение сверхпроводящего состояния при малых критических температурах и напряженности магнитного поля около 1 кА/м (или индукции до 1 Тл), в связи с этим они практически не пригодны для использования в электротехнике. При первых попытках использования основного свойства сверхпроводимости, которое заключается в том, что сверхпроводящий проводник обладает нулевым омическим сопротивлением постоянному току и соответственно нулевыми джоулевыми потерями, при создании сверхпроводящих обмоток оказалось, что сверхпроводимость разрушается при довольно низких магнитных полях, при этом магнитное поле проникает лавинообразно в сверхпроводник. Сверхпроводник первого рода ведет себя как идеальный диамагнетик во внешнем магнитном поле с индукцией, меньше В_кр и как нормальный металл, во внешнем магнитном поле с индукцией, выше В_кр.

     

     Характер  зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля для  сверхпроводника первого рода

                                                     17

                   2.3 Сверхпроводники второго рода

     В 1957 году А. А.   Абрикосовым    теоретически   было   показано,   что возможно существование   класса   сверхпроводников,   имеющих принципиально другие свойства. Позже такие сверхпроводники   были    названы      сверхпроводниками     второго   рода.

     Абрикосовым   было   доказано,    что    возможно     существование класса    сверхпроводников,    энергия границы    раздела     сверхпроводящей      и   нормальной      фаз      которых      отрицательна.    У   таких      сверхпроводников     в случае,    если    изменение   энергии,   связанное   с    образованием     нормальной      фазы,      меньше    изменения,  связанного с увеличением границы   раздела фаз,     энергетически      выгодно      образование      структуры,   в   которой   сечение    разбито   на   чередующиеся    области    сверхпроводящей и   нормальной    фаз    с максимальной    суммарной    границей    раздела.   Как показал    эксперимент,   периодичность   такой    структуры    составляет примерно   10^-5см.  Сверхпроводники,    обладающие    такой    структурой, называются     сверхпроводниками    второго   рода.    Сверхпроводники второго   рода — это    вещества,    в   которых   эффект Мейсснера проявляется     частично   (поля больше, чем 10⁷ – 10⁸ А/м).

     К идеальным   сверхпроводникам         второго     рода относятся    такие металлы     как    ниобий,    ванадий и    технеций,   а   также сплавы и   соединения   с    размером    неоднородностей      не   больше    атомного    ядра. В   свою     очередь   неидеальные сверхпроводники    второго рода – это материалы (сплавы и соединения), имеющие    в   структуре   дефекты   или   неоднородности, превышающие атомный размер.

     

     Зависимость магнитной индукции от напряженности  магнитного поля для сверхпроводников второго рода

                                                        18

     2.4 Практическое применение сверхпроводимости интенсивно расширяется. Наряду с магнитами сверхпроводящими, сверхпроводящими магнитометрами существует ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников Построены сверхпроводящие резонаторы, обладающие рекордно высокой (до 10¹⁰) добротностью, сверхпроводящие элементы для ЭВМ, перспективно применение сверхпроводников в крупных электрических машинах и т. д.

                          табл.1 “Сферы применения сверхпроводимости”

 
 
 
 
 
 
 

                                                   19

                                   Приложение

                            Измерение сопротивлений

В   практике    для    измерения     сопротивлений    применяют   различные  методы    в   зависимости от    характера    объектов   и   условий измерения   (например,      твердые    и   жидкие    проводники,     заземлители, электроизоляция);   от     требований    к    точности и   быстроте измерения; от     величины       измеряемых    сопротивлений.

 Методы    измерения    малых    сопротивлений  существенно  отличаются   от    методов    измерения   больших      сопротивлений,     так    как  в  первом     случае     надо    принимать    меры     для  исключения    влияния на   результаты    измерений     сопротивления     соединительных   проводов, переходных     контактов.

 1.

Омметр – это    измерительный    прибор     специализированного назначения,    предназначенный    для     определения     сопротивления электрического     тока.    Так    как     сопротивление    выражается в Омах (Ом),    то    и    прибор,  его    измеряющий      получил     название омметра.

     Все омметры подразделяются по диапазону проводимых измерений, и делятся на:

     - микроомметры, для определения очень малых сопротивлений, меньше                 1 миллиома;

     - миллиомметры – единица измерения миллиом х100;

     - мегаомметры – единица измерения сотни мегаом;

     - гигаомметры – более 1 ГОм;

     - терраомметры – для измерения сотен терраом.

     2.Логометр — измерительный прибор, которого зависит от отношения двух   токов,  протекающих    по    двум подвижным    катушкам .Логометры    бывают различных типов. Очень широко распространен Л-64.Он    позволяет     измерять температуру в производственных и технологических    процессах.

                                                      20

     Измерения     проводятся    по трехпроводной    схеме, обеспечивающей    высокую    точность  измерений.   Сама    конструкция   и    внутреннее   устройство    логометра Л-64    простое    и   весьма      надежное.    Данное     качество   прибора обеспечивает  его      работоспособность  в      течение   десятков    лет.   На территории     бывшего       Советского     Союза  логометры   до    сих  пор применяются    на    производстве.     Источником   питания  служит   сетевой      внешний    блок    питания СВ-4. Он    обеспечивает   на   выходе постоянное     напряжение     4 вольта.    Это    напряжение     используется для   питания     измерительного   моста   прибора.

     3.

     Вольтметр— измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

     4.

     Амперме́тр — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют; для увеличения предела измерений — с шунтом или через трансформатор.