Jakie materiały mają najniższą rezystywność. Obliczanie rezystancji drutu

Termin „rezystywność” odnosi się do parametru, który ma miedź lub jakikolwiek inny metal i jest dość powszechny w literaturze. Warto zrozumieć, co to oznacza.

Jeden z rodzajów kabli miedzianych

Ogólne informacje o oporze elektrycznym

Najpierw rozważ pojęcie oporu elektrycznego. Jak wiadomo, pod działaniem prądu elektrycznego na przewodnik (a miedź jest jednym z najlepszych metali przewodzących), niektóre elektrony w nim opuszczają swoje miejsce w sieci krystalicznej i pędzą w kierunku dodatniego bieguna przewodnika. Jednak nie wszystkie elektrony opuszczają sieć krystaliczną, niektóre z nich pozostają w niej i nadal obracają się wokół jądra atomu. To właśnie te elektrony, a także atomy znajdujące się w węzłach sieci krystalicznej, wytwarzają opór elektryczny, który uniemożliwia ruch uwolnionych cząstek.

Ten proces, który pokrótce opisaliśmy, jest typowy dla każdego metalu, w tym miedzi. Oczywiście różne metale, z których każdy ma specjalny kształt i rozmiar sieci krystalicznej, na różne sposoby opierają się przepływowi prądu elektrycznego. To właśnie te różnice charakteryzują opór właściwy - wskaźnik indywidualny dla każdego metalu.

Zastosowanie miedzi w układach elektrycznych i elektronicznych

Aby zrozumieć przyczynę popularności miedzi jako materiału do produkcji elementów układów elektrycznych i elektronicznych, wystarczy spojrzeć na wartość jej rezystywności w tabeli. W przypadku miedzi ten parametr wynosi 0,0175 Ohm * mm2 / metr. Pod tym względem miedź ustępuje jedynie srebru.

To właśnie niska rezystywność, mierzona w temperaturze 20 stopni Celsjusza, jest głównym powodem, dla którego prawie żadne urządzenie elektroniczne i elektryczne nie może dziś obejść się bez miedzi. Miedź jest głównym materiałem do produkcji przewodów i kabli, płytek drukowanych, silników elektrycznych i części transformatorów mocy.

Niska rezystywność, która charakteryzuje miedź, umożliwia wykorzystanie jej do produkcji urządzeń elektrycznych o wysokich właściwościach energooszczędnych. Ponadto temperatura miedzianych przewodników wzrasta bardzo nieznacznie, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.

Co wpływa na wartość rezystywności?

Warto wiedzieć, że istnieje zależność wartości rezystywności od czystości chemicznej metalu. Gdy miedź zawiera nawet niewielką ilość aluminium (0,02%), wartość tego parametru może znacznie wzrosnąć (do 10%).

Na współczynnik ten ma również wpływ temperatura przewodnika. Wyjaśnia to fakt, że wraz ze wzrostem temperatury drgania atomów metalu w węzłach jego sieci krystalicznej rosną, co prowadzi do wzrostu współczynnika rezystywności.

Dlatego we wszystkich tabelach referencyjnych wartość tego parametru podawana jest z uwzględnieniem temperatury 20 stopni.

Jak obliczyć całkowity opór przewodnika?

Znajomość rezystywności jest niezbędna do przeprowadzenia wstępnych obliczeń parametrów urządzeń elektrycznych podczas ich projektowania. W takich przypadkach określa się całkowitą rezystancję przewodów projektowanego urządzenia, które mają określone rozmiary i kształty. Po zapoznaniu się z wartością rezystywności przewodnika zgodnie z tabelą referencyjną, po określeniu jego wymiarów i pola przekroju poprzecznego, można obliczyć wartość jego rezystancji całkowitej za pomocą wzoru:

Ta formuła wykorzystuje następującą notację:

• R jest całkowitą rezystancją przewodnika, którą należy określić;
• p jest rezystancją właściwą metalu, z którego wykonany jest przewodnik (określony zgodnie z tabelą);
• l to długość przewodnika;
• S to pole jego przekroju.

Jak wiemy z prawa Ohma, prąd w części obwodu ma następującą zależność: ja=U/R. Prawo to zostało wyprowadzone w wyniku serii eksperymentów niemieckiego fizyka Georga Ohma w XIX wieku. Zauważył wzór: siła prądu w dowolnym odcinku obwodu zależy bezpośrednio od napięcia przyłożonego do tego odcinka i odwrotnie - od jego rezystancji.

Później stwierdzono, że opór przekroju zależy od jego charakterystyki geometrycznej w następujący sposób: R=ρl/S,

gdzie l jest długością przewodnika, S jest polem jego przekroju, a ρ jest pewnym współczynnikiem proporcjonalności.

Tak więc o rezystancji decyduje geometria przewodnika, a także taki parametr, jak rezystywność (dalej u.s.) - tak nazwano ten współczynnik. Jeśli weźmiesz dwa przewodniki o tym samym przekroju i długości i umieścisz je kolejno w obwodzie, to mierząc natężenie prądu i rezystancję, zobaczysz, że w dwóch przypadkach wskaźniki te będą różne. Tym samym konkretny opór elektryczny- to cecha materiału, z którego wykonany jest przewodnik, a dokładniej substancji.

Przewodnictwo i rezystancja

W.s. wskazuje na zdolność substancji do blokowania przepływu prądu. Ale w fizyce istnieje również wartość odwrotna - przewodnictwo. Pokazuje zdolność przewodzenia prądu. To wygląda tak:

σ=1/ρ, gdzie ρ jest rezystywnością substancji.

Jeśli mówimy o przewodnictwie, to zależy to od właściwości nośników ładunku w tej substancji. Tak więc w metalach są wolne elektrony. Na zewnętrznej powłoce jest ich nie więcej niż trzy, a atomowi bardziej opłaca się je „oddać”, co ma miejsce, gdy reakcje chemiczne z substancjami z prawej strony układu okresowego. W sytuacji, gdy mamy czysty metal, ma on strukturę krystaliczną, w której te zewnętrzne elektrony są wspólne. Przenoszą ładunek, jeśli do metalu zostanie przyłożone pole elektryczne.

W roztworach nośnikami ładunku są jony.

Jeśli mówimy o substancjach takich jak krzem, to według jego właściwości tak jest półprzewodnikowy i działa w nieco inny sposób, ale o tym później. W międzyczasie dowiedzmy się, czym różnią się takie klasy substancji, jak:

1. przewodniki;
2. półprzewodniki;
3. Dielektryki.

Przewodniki i dielektryki

Istnieją substancje, które prawie nie przewodzą prądu. Nazywa się je dielektrykami. Takie substancje są w stanie polaryzować w polu elektrycznym, to znaczy ich cząsteczki mogą obracać się w tym polu, w zależności od tego, jak są w nich rozmieszczone. elektrony. Ale ponieważ te elektrony nie są wolne, ale służą do wiązania między atomami, nie przewodzą prądu.

Przewodność dielektryków jest prawie zerowa, chociaż nie ma wśród nich idealnych (jest to ta sama abstrakcja, co ciało absolutnie czarne lub gaz doskonały).

Warunkową granicą pojęcia „przewodnika” jest ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Pomiędzy tymi dwiema klasami znajdują się substancje zwane półprzewodnikami. Ale ich zakwalifikowanie do odrębnej grupy substancji wiąże się nie tyle z ich stanem pośrednim na linii „przewodnictwo – opór”, ile z cechami tego przewodnictwa w różnych warunkach.

Uzależnienie od czynników środowiskowych

Przewodność nie jest dokładnie stała. Dane w tabelach, z których bierze się ρ do obliczeń, istnieją dla normalnych warunków środowiskowych, to jest dla temperatury 20 stopni. W rzeczywistości trudno jest znaleźć tak idealne warunki do działania obwodu; właściwie my (a tym samym przewodnictwo) zależą od następujących czynników:

1. temperatura;
2. nacisk;
3. obecność pól magnetycznych;
4. światło;
5. stan skupienia.

Różne substancje mają swój własny harmonogram zmian tego parametru w różnych warunkach. Tak więc ferromagnesy (żelazo i nikiel) zwiększają go, gdy kierunek prądu pokrywa się z kierunkiem linii pola magnetycznego. Jeśli chodzi o temperaturę, zależność jest tutaj prawie liniowa (istnieje nawet pojęcie współczynnika temperaturowego rezystancji i jest to również wartość tabelaryczna). Ale kierunek tej zależności jest inny: dla metali rośnie wraz ze wzrostem temperatury, natomiast dla pierwiastków ziem rzadkich i roztworów elektrolitów – i to w ramach tego samego stanu skupienia.

W przypadku półprzewodników zależność od temperatury nie jest liniowa, ale hiperboliczna i odwrotna: wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ich przewodnictwo. To jakościowo odróżnia przewodniki od półprzewodników. Tak wygląda zależność ρ od temperatury przewodników:

Oto rezystywności miedzi, platyny i żelaza. Nieco inny wykres dla niektórych metali, np. rtęci – gdy temperatura spada do 4 K, traci ją prawie całkowicie (zjawisko to nazywamy nadprzewodnictwem).

A dla półprzewodników ta zależność będzie wyglądać mniej więcej tak:

Podczas przejścia do stanu ciekłego ρ metalu wzrasta, ale wtedy wszystkie zachowują się inaczej. Na przykład w stopionym bizmucie jest niższy niż w temperaturze pokojowej, aw miedzi 10 razy wyższy niż normalnie. Nikiel opuszcza wykres liniowy przy 400 stopniach, po czym ρ spada.

Ale w przypadku wolframu zależność od temperatury jest tak duża, że ​​powoduje wypalenie żarówek. Po włączeniu prąd nagrzewa cewkę, a jej rezystancja wzrasta kilkakrotnie.

Również o godz. Z. stopów zależy od technologii ich wytwarzania. Jeśli więc mamy do czynienia z prostą mieszaniną mechaniczną, to opór takiej substancji można obliczyć średnio, ale tak samo jest dla stopu zastępczego (to jest, gdy do jednej sieci krystalicznej dodaje się dwa lub więcej pierwiastków). będzie inny, z reguły znacznie większy. Na przykład nichrom, z którego wykonane są spirale do pieców elektrycznych, ma taką wartość dla tego parametru, że ten przewodnik po podłączeniu do obwodu nagrzewa się do czerwoności (dlatego w rzeczywistości jest używany).

Oto charakterystyczne ρ stali węglowych:

Jak widać, zbliżając się do temperatury topnienia, stabilizuje się.

Rezystywność różnych przewodników

Tak czy inaczej, ρ jest używane w obliczeniach w normalnych warunkach. Oto tabela, według której można porównać tę cechę dla różnych metali:

Jak widać z tabeli, najlepszym przewodnikiem jest srebro. I tylko jego koszt uniemożliwia jego masowe zastosowanie w produkcji kabli. W.s. aluminium jest również małe, ale mniejsze niż złoto. Ze stołu staje się jasne, dlaczego okablowanie w domach jest miedziane lub aluminiowe.

Tabela nie obejmuje niklu, który, jak już powiedzieliśmy, ma nieco nietypową krzywą y. Z. od temperatury. Opór właściwy niklu po podniesieniu temperatury do 400 stopni nie zaczyna rosnąć, ale spadać. Interesująco zachowuje się również w innych stopach substytucyjnych. Tak zachowuje się stop miedzi i niklu, w zależności od procentowej zawartości obu:

A ten ciekawy wykres pokazuje odporność stopów cynkowo-magnezowych:

Stopy o wysokiej wytrzymałości są wykorzystywane jako materiały do ​​\u200b\u200bprodukcji reostatów, oto ich cechy:

Są to złożone stopy składające się z żelaza, aluminium, chromu, manganu, niklu.

Jeśli chodzi o stale węglowe, jest to około 1,7 * 10 ^ -7 Ohm m.

Różnica między tobą Z. różne przewodniki określają ich zastosowanie. Dlatego miedź i aluminium są szeroko stosowane w produkcji kabli, a złoto i srebro są używane jako styki w wielu produktach inżynierii radiowej. Przewody o wysokiej rezystancji znalazły swoje miejsce wśród producentów urządzeń elektrycznych (dokładniej zostały do ​​tego stworzone).

Zmienność tego parametru w zależności od warunków otoczenia stała się podstawą takich urządzeń jak czujniki pola magnetycznego, termistory, tensometry czy fotorezystory.

Miedź jest jednym z najpopularniejszych materiałów drutowych. Jego opór elektryczny jest najniższy z dostępnych metali. Mniej jest tylko w metalach szlachetnych (srebrze i złocie) i zależy od różnych czynników.

Co to jest prąd elektryczny

Na różnych biegunach baterii lub innego źródła prądu znajdują się inaczej nazwane nośniki ładunku elektrycznego. Jeśli są podłączone do przewodnika, nośniki ładunku zaczynają przemieszczać się z jednego bieguna źródła napięcia na drugi. Nośnikami tymi w cieczach są jony, a w metalach swobodne elektrony.

Definicja. Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek.

Oporność

Oporność elektryczna to wielkość określająca oporność elektryczną próbki materiału odniesienia. Grecka litera „r” jest używana do oznaczenia tej wielkości. Wzór do obliczeń:

p=(R*S)/ l.

Ta wartość jest mierzona w omach*m. Można go znaleźć w podręcznikach, w tabelach rezystywności lub w Internecie.

Swobodne elektrony poruszają się przez metal wewnątrz sieci krystalicznej. Trzy czynniki wpływają na opór tego ruchu i rezystywność przewodnika:

• Materiał. Różne metale mają różne gęstości atomowe i liczbę wolnych elektronów;
• zanieczyszczenia. W czystych metalach sieć krystaliczna jest bardziej uporządkowana, więc opór jest niższy niż w stopach;
• Temperatura. Atomy nie siedzą nieruchomo na swoich miejscach, ale oscylują. Im wyższa temperatura, tym większa amplituda oscylacji, które zakłócają ruch elektronów i tym większy opór.

Na poniższym rysunku możesz zobaczyć tabelę rezystywności metali.

Ciekawy. Istnieją stopy, których opór elektryczny spada po podgrzaniu lub nie zmienia się.

Przewodnictwo i opór elektryczny

Ponieważ wymiary kabli są mierzone w metrach (długość) i mm² (przekrój), rezystywność elektryczna ma wymiar Ohm mm² / m. Znając wymiary kabla, jego rezystancję oblicza się ze wzoru:

R=(p* l)/S.

Oprócz oporu elektrycznego niektóre wzory wykorzystują pojęcie „przewodnictwa”. To jest odwrotność oporu. Jest oznaczony jako „g” i jest obliczany według wzoru:

Przewodnictwo cieczy

Przewodnictwo cieczy różni się od przewodnictwa metali. Nośnikami ładunku w nich są jony. Ich liczba i przewodność elektryczna wzrastają po podgrzaniu, więc moc kotła elektrodowego wzrasta kilkakrotnie po podgrzaniu od 20 do 100 stopni.

Ciekawy. Woda destylowana jest izolatorem. Przewodnictwo jest mu nadawane przez rozpuszczone zanieczyszczenia.

Opór elektryczny przewodów

Najpopularniejszymi materiałami drutowymi są miedź i aluminium. Odporność aluminium jest wyższa, ale jest tańsza niż miedź. Opór właściwy miedzi jest niższy, więc rozmiar drutu można wybrać mniejszy. Ponadto jest mocniejszy, a z tego metalu wykonane są giętkie druty.

Poniższa tabela przedstawia rezystywność elektryczną metali w temperaturze 20 stopni. W celu wyznaczenia go w innych temperaturach należy wartość z tabeli przemnożyć przez współczynnik korygujący, który jest różny dla każdego metalu. Możesz znaleźć ten współczynnik z odpowiednich podręczników lub za pomocą kalkulatora online.

Wybór przekroju kabla

Ponieważ drut ma opór, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, wytwarzane jest ciepło i następuje spadek napięcia. Przy wyborze rozmiarów kabli należy wziąć pod uwagę oba te czynniki.

Wybór zgodnie z dopuszczalnym ogrzewaniem

Kiedy prąd przepływa przez drut, uwalniana jest energia. Jego ilość można obliczyć ze wzoru na moc elektryczną:

W przewodzie miedzianym o przekroju 2,5mm² i długości 10m R=10*0,0074=0,074Ohm. Przy prądzie 30 A P \u003d 30² * 0,074 \u003d 66 W.

Ta moc nagrzewa przewodnik i sam kabel. Temperatura do jakiej się nagrzewa zależy od warunków ułożenia, liczby żył w kablu i innych czynników, a dopuszczalna temperatura zależy od materiału izolacyjnego. Miedź ma wyższą przewodność, więc moc wyjściowa i wymagany przekrój są mniejsze. Określa się to za pomocą specjalnych tabel lub za pomocą kalkulatora online.

Dopuszczalne straty napięcia

Oprócz ogrzewania, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewody, spada napięcie w pobliżu obciążenia. Wartość tę można obliczyć za pomocą prawa Ohma:

Odniesienie. Zgodnie z normami PUE nie powinno być więcej niż 5% lub w sieci 220 V - nie więcej niż 11 V.

Dlatego im dłuższy kabel, tym większy powinien być jego przekrój. Możesz to ustalić z tabel lub za pomocą kalkulatora online. W przeciwieństwie do doboru przekroju w zależności od dopuszczalnego grzania, straty napięć nie zależą od stanu uszczelki i materiału izolacyjnego.

W sieci 220V napięcie jest dostarczane przez dwa przewody: fazowy i zerowy, więc obliczenia są wykonywane dla podwójnej długości kabla. W kablu z poprzedniego przykładu będzie to U=I*R=30A*2*0,074Ω=4,44V. To niewiele, ale przy długości 25 metrów okazuje się, że 11,1 V - maksymalna dopuszczalna wartość, będziesz musiał zwiększyć przekrój.

Oporność elektryczna innych metali

Oprócz miedzi i aluminium w elektrotechnice stosowane są inne metale i stopy:

• Żelazo. Specyficzna odporność stali jest wyższa, ale jest mocniejsza niż miedź i aluminium. Przewody stalowe są wplecione w kable przeznaczone do układania w powietrzu. Rezystancja żelaza jest zbyt wysoka do przesyłania energii elektrycznej, dlatego przy obliczaniu przekroju rdzenie nie są brane pod uwagę. Ponadto jest bardziej ogniotrwały i wykonane są z niego przewody do łączenia grzejników w piecach elektrycznych o dużej mocy;
• Nichrom (stop niklu i chromu) oraz Fechral (żelazo, chrom i aluminium). Mają niską przewodność i ogniotrwałość. Rezystory drutowe i grzejniki są wykonane z tych stopów;
• Wolfram. Jego opór elektryczny jest wysoki, ale jest to metal ogniotrwały (3422 ° C). Służy do wytwarzania włókien w lampach elektrycznych i elektrodach do spawania łukiem argonowym;
• Konstantan i mangan (miedź, nikiel i mangan). Rezystywność tych przewodników nie zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Stosowane są w zastrzeganych urządzeniach do produkcji rezystorów;
• Metale szlachetne – złoto i srebro. Mają najwyższą przewodność, ale ze względu na wysoką cenę ich zastosowanie jest ograniczone.

Reaktywność indukcyjna

Wzory do obliczania przewodności przewodów obowiązują tylko w sieci prądu stałego lub w przewodach prostych o niskiej częstotliwości. W cewkach i sieciach wysokiej częstotliwości rezystancja indukcyjna wydaje się wielokrotnie większa niż zwykle. Ponadto prąd o wysokiej częstotliwości rozchodzi się tylko po powierzchni drutu. Dlatego czasami powleka się go cienką warstwą srebra lub stosuje się licę.

Doświadczenie pokazało, że opór R metalowy przewodnik jest wprost proporcjonalny do jego długości Ł i odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego ORAZ:

R = ρ L/ ORAZ (26.4)

gdzie współczynnik ρ nazywa się rezystywnością i służy jako cecha charakterystyczna substancji, z której wykonany jest przewodnik. To zdrowy rozsądek: opór grubego drutu powinien być mniejszy niż opór cienkiego drutu, ponieważ elektrony mogą poruszać się po większym obszarze w grubym drucie. I możemy spodziewać się wzrostu rezystancji wraz ze wzrostem długości przewodnika, ponieważ wzrasta liczba przeszkód na drodze przepływu elektronów.

Typowe wartości ρ dla różnych materiałów podano w pierwszej kolumnie tabeli. 26.2. (Rzeczywiste wartości mogą się różnić w zależności od czystości, obróbki cieplnej, temperatury i innych czynników.)

Srebro ma najniższą rezystywność i dlatego jest najlepszym przewodnikiem; jest jednak drogie. Miedź jest nieco gorsza od srebra; jasne jest, dlaczego druty są najczęściej wykonane z miedzi.

Oporność właściwa aluminium jest wyższa niż miedzi, ale ma znacznie mniejszą gęstość, aw niektórych przypadkach jest preferowana (na przykład w liniach energetycznych), ponieważ rezystancja drutów aluminiowych o tej samej masie jest mniejsza niż z miedzi. Często stosuje się odwrotność rezystywności:

σ = 1/ρ (26.5)

σ zwane przewodnictwem właściwym. Przewodność jest mierzona w jednostkach (Ohm m) -1 .

Rezystywność substancji zależy od temperatury. Generalnie rezystancja metali wzrasta wraz z temperaturą. Nie powinno to dziwić: wraz ze wzrostem temperatury atomy poruszają się szybciej, ich układ staje się mniej uporządkowany i można się spodziewać, że będą bardziej zakłócać przepływ elektronów. W wąskich zakresach temperatur rezystywność metalu wzrasta prawie liniowo wraz z temperaturą:

gdzie ρT- rezystywność w temp T, ρ 0 - rezystywność w standardowej temperaturze T 0 i α - współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR). Wartości a podano w tabeli. 26.2. Należy zauważyć, że w przypadku półprzewodników TCR może być ujemny. Jest to oczywiste, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się liczba wolnych elektronów, które poprawiają właściwości przewodzące substancji. Zatem rezystancja półprzewodnika może zmniejszać się wraz ze wzrostem temperatury (choć nie zawsze).

Wartości a zależą od temperatury, dlatego należy zwrócić uwagę na zakres temperatur, w którym ta wartość jest ważna (na przykład według podręcznika wielkości fizycznych). Jeżeli zakres zmian temperatury jest szeroki, to liniowość zostanie naruszona i zamiast (26.6) należy zastosować wyrażenie zawierające wyrazy zależne od drugiego i trzeciego stopnia temperatury:

ρT = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + γT 3),

gdzie współczynniki β oraz γ zwykle bardzo małe (umieściliśmy T 0 = 0°C), ale przy wysokiej T wkład tych członków staje się znaczący.

W bardzo niskich temperaturach rezystywność niektórych metali, a także stopów i związków spada do zera w granicach dokładności współczesnych pomiarów. Ta właściwość nazywa się nadprzewodnictwem; po raz pierwszy zaobserwował ją holenderski fizyk Geike Kamerling-Onnes (1853-1926) w 1911 r., kiedy rtęć ochłodziła się poniżej 4,2 K. W tej temperaturze opór elektryczny rtęci nagle spadł do zera.

Nadprzewodniki przechodzą w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury przejścia, która zwykle wynosi kilka stopni Kelvina (nieco powyżej zera absolutnego). W pierścieniu nadprzewodzącym zaobserwowano prąd elektryczny, który praktycznie nie słabł przy braku napięcia przez kilka lat.

Jednym z najbardziej pożądanych metali w przemyśle jest miedź. Jest najczęściej stosowany w elektryce i elektronice. Najczęściej jest stosowany do produkcji uzwojeń do silników elektrycznych i transformatorów. Głównym powodem stosowania tego konkretnego materiału jest to, że miedź ma najniższą dostępną obecnie rezystywność elektryczną. Dopóki nie pojawi się nowy materiał o niższej wartości tego wskaźnika, można śmiało powiedzieć, że nie będzie zamiennika dla miedzi.

Mówiąc o miedzi, trzeba powiedzieć, że już u zarania ery elektrycznej zaczęto ją wykorzystywać w produkcji elektrotechniki. Był używany w dużej mierze ze względu na unikalne właściwości, jakie posiada ten stop. Sam w sobie jest materiałem o wysokiej plastyczności i dobrej ciągliwości.

Oprócz przewodności cieplnej miedzi, jedną z jej najważniejszych zalet jest wysoka przewodność elektryczna. To dzięki tej właściwości miedź i szeroko stosowany w elektrowniach w którym działa jako uniwersalny przewodnik. Najcenniejszym surowcem jest miedź elektrolityczna, która charakteryzuje się wysokim stopniem czystości – 99,95%. Dzięki temu materiałowi możliwa staje się produkcja kabli.

Zalety stosowania miedzi elektrolitycznej

Zastosowanie miedzi elektrolitycznej pozwala osiągnąć:

• Zapewniają wysoką przewodność elektryczną;
• Osiągnij doskonałą zdolność układania;
• Zapewniają wysoki stopień plastyczności.

Aplikacje

Produkty kablowe wykonane z miedzi elektrolitycznej są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Jest najczęściej stosowany w następujących obszarach:

• przemysł elektryczny;
• urządzenia elektryczne;
• Przemysł motoryzacyjny;
• produkcja sprzętu komputerowego.

Jaka jest rezystywność?

Aby zrozumieć, czym jest miedź i jej właściwości, konieczne jest zrozumienie głównego parametru tego metalu - rezystywności. Należy ją znać i wykorzystywać przy wykonywaniu obliczeń.

Rezystywność jest zwykle rozumiana jako wielkość fizyczna, która charakteryzuje się zdolnością metalu do przewodzenia prądu elektrycznego.

Aby to zrobić, konieczna jest również znajomość tej wartości prawidłowo obliczyć opór elektryczny konduktor. Podczas obliczeń skupiają się również na jego wymiarach geometrycznych. Dokonując obliczeń, użyj następującego wzoru:

Ta formuła jest dobrze znana wielu. Za jego pomocą można łatwo obliczyć rezystancję kabla miedzianego, koncentrując się tylko na charakterystyce sieci elektrycznej. Pozwala obliczyć moc, która jest nieefektywnie zużywana na ogrzewanie rdzenia kabla. Oprócz, podobny wzór pozwala na wykonanie obliczeń rezystancji dowolny kabel. Nie ma znaczenia, z jakiego materiału wykonano kabel - miedź, aluminium czy jakiś inny stop.

Parametr taki jak rezystywność elektryczna jest mierzony w omach*mm2/m. Ten wskaźnik okablowania miedzianego ułożonego w mieszkaniu wynosi 0,0175 Ohm * mm2 / m. Jeśli spróbujecie poszukać alternatywy dla miedzi – materiału, który można zastosować w zamian, to tak srebrny jest jedynym odpowiednim, którego rezystywność wynosi 0,016 Ohm * mm2 / m. Jednak przy wyborze materiału należy zwrócić uwagę nie tylko na rezystywność, ale także na przewodnictwo odwrotne. Ta wartość jest mierzona w Siemens (cm).

Siemens \u003d 1 / Ohm.

Dla miedzi o dowolnej masie ten parametr składu wynosi 58 100 000 S/m. Jeśli chodzi o srebro, jego przewodnictwo wsteczne wynosi 62 500 000 S/m.

W naszym świecie wysokich technologii, kiedy w każdym domu znajduje się duża ilość urządzeń i instalacji elektrycznych, wartość takiego materiału jak miedź jest po prostu nieoceniona. Ten materiał użyty do wykonania okablowania bez którego żaden pokój nie jest kompletny. Gdyby miedź nie istniała, człowiek musiałby używać przewodów wykonanych z innych dostępnych materiałów, takich jak aluminium. Jednak w tym przypadku należałoby zmierzyć się z jednym problemem. Chodzi o to, że ten materiał ma znacznie niższą przewodność niż przewodniki miedziane.

Oporność

Stosowanie materiałów o niskim przewodnictwie elektrycznym i cieplnym o dowolnej masie prowadzi do dużych strat energii elektrycznej. ORAZ wpływa na utratę mocy na używany sprzęt. Większość specjalistów określa miedź jako główny materiał do produkcji izolowanych drutów. Jest to główny materiał, z którego wykonane są poszczególne elementy urządzeń zasilanych prądem elektrycznym.

• Płytki instalowane w komputerach wyposażone są w wytrawione ścieżki miedziane.
• Miedź jest również wykorzystywana do produkcji szerokiej gamy elementów stosowanych w urządzeniach elektronicznych.
• W transformatorach i silnikach elektrycznych jest reprezentowany przez uzwojenie wykonane z tego materiału.

Nie ulega wątpliwości, że rozszerzenie zakresu tego materiału nastąpi wraz z dalszym rozwojem postępu technicznego. Wprawdzie oprócz miedzi istnieją inne materiały, ale mimo to projektant wykorzystuje miedź do tworzenia urządzeń i różnych instalacji. Głównym powodem zapotrzebowania na ten materiał jest o dobrej przewodności elektrycznej i cieplnej tego metalu, który dostarcza w temperaturze pokojowej.

Temperaturowy współczynnik oporu

Wszystkie metale o dowolnej przewodności cieplnej mają właściwość zmniejszania przewodności wraz ze wzrostem temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta przewodnictwo. Specjaliści nazywają szczególnie interesującą właściwość malejącej rezystancji wraz ze spadkiem temperatury. Przecież w tym przypadku, gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie do określonej wartości, przewodnik może stracić opór elektryczny i przejdzie do klasy nadprzewodników.

Aby określić wskaźnik rezystancji określonego przewodnika o określonej masie w temperaturze pokojowej, istnieje krytyczny współczynnik rezystancji. Jest to wartość, która pokazuje zmianę rezystancji odcinka obwodu przy zmianie temperatury o jeden kelwin. Aby wykonać obliczenie rezystancji elektrycznej przewodnika miedzianego w określonym przedziale czasu, użyj następującego wzoru:

ΔR = α*R*ΔT, gdzie α jest temperaturowym współczynnikiem oporu elektrycznego.

Wniosek

Miedź to materiał szeroko stosowany w elektronice. Jest stosowany nie tylko w uzwojeniach i obwodach, ale także jako metal do produkcji wyrobów kablowych. Aby maszyny i urządzenia działały efektywnie, jest to konieczne poprawnie obliczyć rezystywność okablowania ułożony w mieszkaniu. Jest na to pewna formuła. Znając to, możesz wykonać obliczenia, które pozwolą ci znaleźć optymalny rozmiar przekroju kabla. W takim przypadku można uniknąć utraty mocy sprzętu i zapewnić efektywność jego użytkowania.

Często w literaturze elektrycznej pojawia się pojęcie „specyficznej miedzi”. I mimowolnie zadajesz sobie pytanie, co to jest?

Pojęcie „rezystancji” dowolnego przewodnika jest stale związane ze zrozumieniem procesu przepływu przez niego prądu elektrycznego. Ponieważ artykuł skupi się na rezystancji miedzi, powinniśmy wziąć pod uwagę jej właściwości oraz właściwości metali.

Jeśli chodzi o metale, mimowolnie pamiętasz, że wszystkie mają określoną strukturę - sieć krystaliczną. Atomy znajdują się w węzłach takiej sieci i tworzą względne odległości, a położenie tych węzłów zależy od sił wzajemnego oddziaływania atomów (odpychania i przyciągania) i jest różne dla różnych metali. Elektrony krążą wokół atomów na swoich orbitach. Są one również utrzymywane na orbicie dzięki równowadze sił. Tylko to jest do atomu i odśrodkowe. Wyobraź sobie zdjęcie? Można to nazwać w pewnym sensie statycznym.

Dodajmy teraz dynamikę. Pole elektryczne zaczyna działać na kawałek miedzi. Co dzieje się wewnątrz przewodnika? Elektrony, wyrwane siłą pola elektrycznego ze swoich orbit, pędzą do bieguna dodatniego. Tutaj masz ukierunkowany ruch elektronów, a raczej prądu elektrycznego. Ale na swojej drodze napotykają atomy w węzłach sieci krystalicznej i elektrony, które nadal obracają się wokół ich atomów. Jednocześnie tracą energię i zmieniają kierunek ruchu. Teraz staje się nieco jaśniejsze znaczenie wyrażenia „rezystancja przewodnika”? Są to atomy sieci i obracające się wokół nich elektrony przeciwstawiają się ukierunkowanemu ruchowi elektronów wyrywanych przez pole elektryczne z ich orbit. Ale pojęcie rezystancji przewodnika można nazwać ogólną charakterystyką. Bardziej indywidualnie charakteryzuje się rezystywność każdego przewodnika. Medi w tym. Ta cecha jest indywidualna dla każdego metalu, ponieważ bezpośrednio zależy tylko od kształtu i wielkości sieci krystalicznej oraz, w pewnym stopniu, od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury przewodnika atomy wykonują intensywniejsze oscylacje w miejscach sieci. A elektrony krążą wokół węzłów z większą prędkością i po orbitach o większym promieniu. I naturalnie swobodne elektrony napotykają większy opór podczas ruchu. Taka jest fizyka tego procesu.

Na potrzeby przemysłu elektrycznego powstała szeroka produkcja takich metali jak aluminium i miedź, których rezystywność jest niewielka. Z tych metali wytwarzane są kable i różnego rodzaju druty, które są szeroko stosowane w budownictwie, do produkcji sprzętu AGD, do produkcji opon, uzwojeń transformatorów i innych wyrobów elektrycznych.

Dla każdego przewodnika istnieje pojęcie rezystywności. Ta wartość składa się z omów pomnożonych przez milimetr kwadratowy, dalej podzielonych przez jeden metr. Innymi słowy, jest to opór przewodnika o długości 1 metra i przekroju 1 mm2. To samo dotyczy rezystywności miedzi, wyjątkowego metalu szeroko stosowanego w elektrotechnice i energetyce.

właściwości miedzi

Ze względu na swoje właściwości metal ten jako jeden z pierwszych znalazł zastosowanie w dziedzinie elektryczności. Przede wszystkim miedź jest materiałem ciągliwym i ciągliwym o doskonałych właściwościach przewodnictwa elektrycznego. Do tej pory nie ma odpowiednika zamiennika tego przewodu w energetyce.

Szczególnie doceniane są właściwości specjalnej miedzi elektrolitycznej o wysokiej czystości. Materiał ten umożliwił produkcję drutów o minimalnej grubości 10 mikronów.

Oprócz wysokiej przewodności elektrycznej miedź bardzo dobrze nadaje się do cynowania i innych rodzajów obróbki.

Miedź i jej rezystywność

Każdy przewodnik stawia opór, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Wartość zależy od długości przewodu i jego przekroju, a także od wpływu określonych temperatur. Dlatego rezystywność przewodników zależy nie tylko od samego materiału, ale także od jego właściwej długości i pola przekroju. Im łatwiej materiał przechodzi przez siebie ładunek, tym mniejszy jest jego opór. W przypadku miedzi wskaźnik rezystywności wynosi 0,0171 Ohm x 1 mm2 / 1 m i jest tylko nieznacznie gorszy od srebra. Wykorzystanie srebra na skalę przemysłową jest jednak nieopłacalne ekonomicznie, dlatego miedź jest najlepszym przewodnikiem stosowanym w energetyce.

Specyficzna rezystancja miedzi jest również związana z jej wysoką przewodnością. Te wartości są do siebie wprost przeciwne. Właściwości miedzi jako przewodnika zależą również od temperaturowego współczynnika rezystancji. Dotyczy to zwłaszcza rezystancji, na którą ma wpływ temperatura przewodnika.

Tak więc, ze względu na swoje właściwości, miedź jest szeroko stosowana nie tylko jako przewodnik. Metal ten jest stosowany w większości urządzeń, urządzeń i zespołów, których działanie jest związane z prądem elektrycznym.

Prąd elektryczny powstaje w wyniku zamknięcia obwodu różnicą potencjałów na zaciskach. Siły pola działają na swobodne elektrony i poruszają się one wzdłuż przewodnika. Podczas tej podróży elektrony spotykają się z atomami i przekazują im część zgromadzonej energii. W rezultacie ich prędkość spada. Ale pod wpływem pola elektrycznego znów nabiera rozpędu. W ten sposób elektrony stale napotykają opór, dlatego prąd elektryczny się nagrzewa.

Właściwością substancji do przekształcania energii elektrycznej w ciepło podczas działania prądu jest rezystancja elektryczna i jest oznaczona jako R, jej jednostką miary jest Ohm. Wielkość rezystancji zależy głównie od zdolności różnych materiałów do przewodzenia prądu.
Po raz pierwszy opór ogłosił niemiecki badacz G. Ohm.

Aby poznać zależność siły prądu od oporu, słynny fizyk przeprowadził wiele eksperymentów. Do eksperymentów używał różnych przewodników i uzyskiwał różne wskaźniki.
Pierwszą rzeczą, którą G. Ohm ustalił, było to, że rezystywność zależy od długości przewodnika. Oznacza to, że jeśli długość przewodnika wzrosła, opór również wzrósł. W rezultacie zależność ta została określona jako wprost proporcjonalna.

Drugą zależnością jest pole przekroju poprzecznego. Można to określić na podstawie przekroju przewodu. Obszar figury, który uformował się na cięciu, to pole przekroju poprzecznego. Tutaj zależność jest odwrotnie proporcjonalna. Oznacza to, że im większy przekrój poprzeczny, tym mniejszy opór przewodnika.

A trzecią, ważną wielkością, od której zależy opór, jest materiał. W wyniku tego, że Ohm używał w eksperymentach różnych materiałów, odkrył różne właściwości rezystancji. Wszystkie te eksperymenty i wskaźniki zostały podsumowane w tabeli, z której można zobaczyć różne wartości oporu właściwego różnych substancji.

Wiadomo, że najlepszymi przewodnikami są metale. Które metale są najlepszymi przewodnikami? Z tabeli wynika, że ​​najmniejszą rezystancję mają miedź i srebro. Miedź jest używana częściej ze względu na jej niższy koszt, podczas gdy srebro jest używane w najważniejszych i krytycznych urządzeniach.

Substancje o dużej rezystywności w stole nie przewodzą dobrze prądu, co oznacza, że ​​​​mogą być doskonałymi materiałami izolacyjnymi. Substancjami o tej właściwości w największym stopniu są porcelana i ebonit.

Ogólnie rzecz biorąc, oporność elektryczna jest bardzo ważnym czynnikiem, ponieważ określając jej wskaźnik, możemy dowiedzieć się, z jakiej substancji wykonany jest przewodnik. Aby to zrobić, należy zmierzyć pole przekroju poprzecznego, ustalić natężenie prądu za pomocą woltomierza i amperomierza, a także zmierzyć napięcie. W ten sposób poznamy wartość rezystywności i korzystając z tabeli możemy łatwo dotrzeć do substancji. Okazuje się, że rezystywność jest jak odciski palców substancji. Ponadto rezystywność jest ważna przy planowaniu długich obwodów elektrycznych: musimy znać tę liczbę, aby zachować równowagę między długością a powierzchnią.

Istnieje wzór, który określa, że ​​\u200b\u200brezystancja wynosi 1 om, jeśli przy napięciu 1 V jego natężenie prądu wynosi 1 A. Oznacza to, że opór jednostkowy powierzchni i jednostkowej długości wykonany z określonej substancji jest rezystywnością.

Należy również zauważyć, że wskaźnik rezystywności zależy bezpośrednio od częstotliwości substancji. To znaczy, czy ma zanieczyszczenia. Oznacza to, że dodatek zaledwie jednego procenta manganu trzykrotnie zwiększa rezystancję najbardziej przewodzącej substancji - miedzi.

Ta tabela pokazuje oporność elektryczną niektórych substancji.

Materiały o dużej przewodności

Miedź
Jak powiedzieliśmy, miedź jest najczęściej używana jako przewodnik. Wynika to nie tylko z jego niskiej odporności. Miedź ma zalety wysokiej wytrzymałości, odporności na korozję, łatwości użytkowania i dobrej skrawalności. Dobre gatunki miedzi to M0 i M1. W nich ilość zanieczyszczeń nie przekracza 0,1%.

Wysoki koszt metalu i jego niedawny niedobór zachęca producentów do stosowania aluminium jako przewodnika. Stosowane są również stopy miedzi z różnymi metalami.
Aluminium
Ten metal jest znacznie lżejszy niż miedź, ale aluminium ma wysoką pojemność cieplną i temperaturę topnienia. W związku z tym, aby doprowadzić go do stanu stopionego, potrzeba więcej energii niż miedź. Niemniej jednak należy wziąć pod uwagę fakt niedoboru miedzi.
W produkcji wyrobów elektrycznych z reguły stosuje się aluminium klasy A1. Zawiera nie więcej niż 0,5% zanieczyszczeń. A metalem o najwyższej częstotliwości jest aluminium klasy AB0000.
Żelazo
Taniość i dostępność żelaza jest przyćmiona przez jego wysoką odporność właściwą. Ponadto szybko koroduje. Z tego powodu przewody stalowe są często powlekane cynkiem. Szeroko stosowany jest tak zwany bimetal - jest to stal pokryta miedzią dla ochrony.
Sód
Sód jest również niedrogim i obiecującym materiałem, ale jego odporność jest prawie trzykrotnie większa niż w przypadku miedzi. Ponadto metaliczny sód ma wysoką aktywność chemiczną, co powoduje konieczność osłonięcia takiego przewodnika hermetyczną ochroną. Powinien również chronić przewodnik przed uszkodzeniami mechanicznymi, ponieważ sód jest bardzo miękkim i raczej kruchym materiałem.

Nadprzewodnictwo
Poniższa tabela pokazuje rezystywność substancji w temperaturze 20 stopni. Wskazanie temperatury nie jest przypadkowe, ponieważ rezystywność bezpośrednio zależy od tego wskaźnika. Wyjaśnia to fakt, że po podgrzaniu zwiększa się również prędkość atomów, co oznacza, że ​​\u200b\u200bwzrośnie również prawdopodobieństwo ich spotkania z elektronami.

Ciekawe, co dzieje się z rezystancją w warunkach chłodzenia. Po raz pierwszy zachowanie atomów w bardzo niskich temperaturach zauważył G. Kamerling-Onnes w 1911 roku. Ochłodził drut rtęciowy do 4K i stwierdził, że jego opór spada do zera. Fizyk nazwał zmianę wskaźnika rezystancji właściwej niektórych stopów i metali w warunkach niskiej temperatury nadprzewodnictwem.

Nadprzewodniki po schłodzeniu przechodzą w stan nadprzewodnictwa, a ich właściwości optyczne i strukturalne nie ulegają zmianie. Głównym odkryciem jest to, że właściwości elektryczne i magnetyczne metali w stanie nadprzewodzącym bardzo różnią się od ich własnych właściwości w stanie zwykłym, a także od właściwości innych metali, które nie mogą przejść w ten stan, gdy temperatura jest obniżona.
Wykorzystanie nadprzewodników odbywa się głównie w celu uzyskania supersilnego pola magnetycznego, którego siła dochodzi do 107 A/m. Rozwijane są również systemy nadprzewodzących linii elektroenergetycznych.

Podobne materiały.