Keď je elektrický obvod uzavretý, na svorkách ktorého je potenciálny rozdiel, vzniká elektrický prúd. Voľné elektróny sa pod vplyvom síl elektrického poľa pohybujú pozdĺž vodiča. Elektróny sa pri svojom pohybe zrážajú s atómami vodiča a dodávajú im svoju kinetickú energiu. Rýchlosť pohybu elektrónov sa neustále mení: pri zrážke elektrónov s atómami, molekulami a inými elektrónmi klesá, potom vplyvom elektrického poľa stúpa a pri novej zrážke zase klesá. V dôsledku toho sa vo vodiči vytvorí rovnomerný tok elektrónov rýchlosťou niekoľkých zlomkov centimetra za sekundu. V dôsledku toho elektróny prechádzajúce vodičom vždy narážajú na odpor voči ich pohybu z jeho strany. Keď elektrický prúd prechádza vodičom, tento sa zahrieva.
Elektrický odpor
Elektrický odpor vodiča, ktorý je označený latinským písmenom r, je vlastnosť telesa alebo média premieňať elektrickú energiu na tepelnú energiu, keď ním prechádza elektrický prúd.
V diagramoch je elektrický odpor znázornený na obrázku 1, A.
Premenlivý elektrický odpor, ktorý slúži na zmenu prúdu v obvode, sa nazýva reostat. V diagramoch sú reostaty označené tak, ako je znázornené na obrázku 1, b. Vo všeobecnosti je reostat vyrobený z drôtu jedného alebo druhého odporu, navinutého na izolačnej základni. Posúvač alebo páka reostatu je umiestnená v určitej polohe, v dôsledku čoho sa do obvodu zavádza požadovaný odpor.
Dlhý vodič s malým prierezom vytvára veľký odpor voči prúdu. Krátke vodiče s veľkým prierezom kladú malý odpor voči prúdu.
Ak vezmete dva vodiče z rôznych materiálov, ale rovnakej dĺžky a prierezu, vodiče budú viesť prúd inak. To ukazuje, že odpor vodiča závisí od materiálu samotného vodiča.
Teplota vodiča tiež ovplyvňuje jeho odpor. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje odolnosť kovov a znižuje sa odolnosť kvapalín a uhlia. Len niektoré špeciálne zliatiny kovov (manganín, konštantán, nikel a iné) s rastúcou teplotou takmer nemenia svoj odpor.
Vidíme teda, že elektrický odpor vodiča závisí od: 1) dĺžky vodiča, 2) prierezu vodiča, 3) materiálu vodiča, 4) teploty vodiča.
Jednotkou odporu je jeden ohm. Om je často reprezentované gréckym veľkým písmenom Ω (omega). Preto namiesto písania „Odpor vodiča je 15 ohmov“ môžete jednoducho napísať: r= 15 Ω.
1 000 ohmov sa nazýva 1 kiloohmov(1 kOhm alebo 1 kΩ),
1 000 000 ohmov sa nazýva 1 megaohm(1 mOhm alebo 1 MΩ).
Pri porovnávaní odporu vodičov z rôznych materiálov je potrebné vziať pre každú vzorku určitú dĺžku a prierez. Potom budeme vedieť posúdiť, ktorý materiál vedie elektrický prúd lepšie alebo horšie.
Video 1. Odpor vodiča
Elektrický odpor
Nazýva sa odpor vodiča dlhého 1 m s prierezom 1 mm² v ohmoch odpor a označuje sa gréckym písmenom ρ (ro).
Tabuľka 1 ukazuje odpory niektorých vodičov.
stôl 1
Odpory rôznych vodičov
Tabuľka ukazuje, že železný drôt s dĺžkou 1 m a prierezom 1 mm² má odpor 0,13 Ohm. Ak chcete získať odpor 1 Ohm, musíte vziať 7,7 m takéhoto drôtu. Striebro má najnižší odpor. Odpor 1 Ohm je možné získať odoberaním 62,5 m strieborného drôtu s prierezom 1 mm². Striebro je najlepší vodič, ale cena striebra vylučuje možnosť jeho hromadného použitia. Po striebre v tabuľke nasleduje meď: 1 m medeného drôtu s prierezom 1 mm² má odpor 0,0175 Ohm. Ak chcete získať odpor 1 ohm, musíte si vziať 57 m takéhoto drôtu.
Chemicky čistá meď, získaná rafináciou, našla široké využitie v elektrotechnike na výrobu drôtov, káblov, vinutí elektrických strojov a zariadení. Hliník a železo sú tiež široko používané ako vodiče.
Odpor vodiča možno určiť podľa vzorca:
Kde r– odpor vodiča v ohmoch; ρ – špecifický odpor vodiča; l– dĺžka vodiča vm; S– prierez vodiča v mm².
Príklad 1 Určte odpor 200 m železného drôtu s prierezom 5 mm².
Príklad 2 Vypočítajte odpor 2 km hliníkového drôtu s prierezom 2,5 mm².
Z odporového vzorca ľahko určíte dĺžku, rezistivitu a prierez vodiča.
Príklad 3 Pre rádiový prijímač je potrebné navinúť odpor 30 Ohm z niklového drôtu s prierezom 0,21 mm². Určite požadovanú dĺžku drôtu.
Príklad 4. Určte prierez 20 m nichrómového drôtu, ak je jeho odpor 25 Ohmov.
Príklad 5. Drôt s prierezom 0,5 mm² a dĺžkou 40 m má odpor 16 Ohmov. Určite materiál drôtu.
Materiál vodiča charakterizuje jeho odpor.
Na základe tabuľky odporu zistíme, že olovo má tento odpor.
Vyššie bolo uvedené, že odpor vodičov závisí od teploty. Urobme nasledujúci experiment. Navinieme niekoľko metrov tenkého kovového drôtu vo forme špirály a túto špirálu zapojíme do obvodu batérie. Na meranie prúdu zapojíme do obvodu ampérmeter. Keď sa cievka zahrieva v plameni horáka, všimnete si, že hodnoty ampérmetra sa znížia. To ukazuje, že odpor kovového drôtu sa zahrievaním zvyšuje.
Pri niektorých kovoch sa pri zahriatí o 100° zvýši odpor o 40–50 %. Existujú zliatiny, ktoré zahrievaním mierne menia svoj odpor. Niektoré špeciálne zliatiny nevykazujú prakticky žiadnu zmenu odporu pri zmene teploty. Odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, zatiaľ čo odpor elektrolytov (kvapalné vodiče), uhlia a niektorých pevných látok, naopak, klesá.
Schopnosť kovov meniť svoj odpor so zmenami teploty sa využíva na konštrukciu odporových teplomerov. Tento teplomer je platinový drôt navinutý na sľudovom ráme. Vložením teplomera napríklad do pece a meraním odporu platinového drôtu pred a po zahriatí možno určiť teplotu v peci.
Zmena odporu vodiča pri jeho zahriatí na 1 ohm počiatočného odporu a na 1 ° teplotu sa nazýva teplotný koeficient odporu a označuje sa písmenom α.
Ak pri teplote t 0 odpor vodiča je r 0 a pri teplote t rovná sa r t, potom teplotný koeficient odporu
Poznámka. Výpočet pomocou tohto vzorca je možné vykonať len v určitom teplotnom rozsahu (približne do 200 °C).
Uvádzame hodnoty teplotného koeficientu odporu α pre niektoré kovy (tabuľka 2).
tabuľka 2
Hodnoty teplotných koeficientov pre niektoré kovy
Zo vzorca pre teplotný koeficient odporu určíme r t:
r t = r 0 .
Príklad 6. Určte odpor železného drôtu zahriateho na 200 °C, ak jeho odpor pri 0 °C bol 100 ohmov.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohmov.
Príklad 7. Odporový teplomer vyrobený z platinového drôtu mal v miestnosti pri 15°C odpor 20 ohmov. Teplomer bol vložený do pece a po určitom čase bol zmeraný jeho odpor. Ukázalo sa, že sa rovná 29,6 ohmov. Určte teplotu v rúre.
Elektrická vodivosť
Doteraz sme považovali odpor vodiča za prekážku, ktorú vodič poskytuje elektrickému prúdu. Ale napriek tomu prúd preteká vodičom. Preto má vodič okrem odporu (prekážky) aj schopnosť viesť elektrický prúd, teda vodivosť.
Čím väčší odpor má vodič, tým má menšiu vodivosť, tým horšie vedie elektrický prúd, a naopak, čím je odpor vodiča menší, tým má väčšiu vodivosť, tým ľahšie prechádza vodičom. Preto sú odpor a vodivosť vodiča recipročné veličiny.
Z matematiky je známe, že prevrátená hodnota 5 je 1/5 a naopak prevrátená hodnota 1/7 je 7. Ak teda odpor vodiča označíme písm. r, potom je vodivosť definovaná ako 1/ r. Vodivosť je zvyčajne symbolizovaná písmenom g.
Elektrická vodivosť sa meria v (1/Ohm) alebo v siemens.
Príklad 8. Odpor vodiča je 20 ohmov. Určite jeho vodivosť.
Ak r= 20 Ohm, teda
Príklad 9. Vodivosť vodiča je 0,1 (1/Ohm). Určte jeho odpor
Ak g = 0,1 (1/Ohm), potom r= 1 / 0,1 = 10 (ohm)
Obsah:Odpor kovov je ich schopnosť odolávať elektrickému prúdu, ktorý nimi prechádza. Jednotkou merania pre túto veličinu je Ohm*m (ohmmeter). Použitým symbolom je grécke písmeno ρ (rho). Vysoké hodnoty odporu znamenajú zlú vodivosť elektrického náboja konkrétnym materiálom.
Špecifikácie ocele
Pred podrobným zvážením rezistivity ocele by ste sa mali oboznámiť s jej základnými fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami. Vďaka svojim vlastnostiam je tento materiál široko používaný vo výrobnom sektore a iných oblastiach života a činností ľudí.
Oceľ je zliatina železa a uhlíka, obsiahnutá v množstve nepresahujúcom 1,7%. Okrem uhlíka obsahuje oceľ určité množstvo nečistôt – kremík, mangán, síru a fosfor. Svojimi kvalitami je oveľa lepšia ako liatina, dá sa ľahko kaliť, kovať, valcovať a inak spracovávať. Všetky druhy ocelí sa vyznačujú vysokou pevnosťou a ťažnosťou.
Podľa účelu je oceľ rozdelená na konštrukčné, inštrumentálne a tiež so špeciálnymi fyzikálnymi vlastnosťami. Každý z nich obsahuje iné množstvo uhlíka, vďaka čomu materiál získava určité špecifické vlastnosti, napríklad tepelnú odolnosť, tepelnú odolnosť, odolnosť proti hrdzi a korózii.
Osobitné miesto zaujímajú elektrotechnické ocele, vyrábané vo formáte plechu a používané pri výrobe elektrických výrobkov. Na získanie tohto materiálu je kremík dopovaný, čo môže zlepšiť jeho magnetické a elektrické vlastnosti.
Aby elektrooceľ získala potrebné vlastnosti, musia byť splnené určité požiadavky a podmienky. Materiál musí byť ľahko zmagnetizovaný a remagnetizovaný, to znamená, že musí mať vysokú magnetickú permeabilitu. Takéto ocele majú dobré , a ich obrátenie magnetizácie sa vykonáva s minimálnymi stratami.
Od dodržiavania týchto požiadaviek závisia rozmery a hmotnosť magnetických jadier a vinutí, ako aj účinnosť transformátorov a ich prevádzková teplota. Splnenie podmienok je ovplyvnené mnohými faktormi, vrátane odporu ocele.
Odpor a ďalšie ukazovatele
Hodnota elektrického odporu je pomer intenzity elektrického poľa v kove a prúdovej hustoty, ktorá v ňom tečie. Pre praktické výpočty sa používa vzorec: v ktorom ρ je odpor kovu (Ohm*m), E- intenzita elektrického poľa (V/m), a J- hustota elektrického prúdu v kove (A/m2). Pri veľmi vysokej sile elektrického poľa a nízkej hustote prúdu bude merný odpor kovu vysoký.
Existuje ďalšia veličina nazývaná elektrická vodivosť, inverzná hodnota odporu, ktorá označuje stupeň, do ktorého materiál vedie elektrický prúd. Je určená vzorcom a vyjadrená v jednotkách S/m - siemens na meter.
Odpor úzko súvisí s elektrickým odporom. Majú však medzi sebou rozdiely. V prvom prípade ide o vlastnosť materiálu vrátane ocele a v druhom prípade o vlastnosť celého objektu. Kvalitu rezistora ovplyvňuje kombinácia viacerých faktorov, predovšetkým tvar a rezistivita materiálu, z ktorého je vyrobený. Napríklad, ak bol na výrobu drôtového odporu použitý tenký a dlhý drôt, jeho odpor bude väčší ako odpor odporu vyrobeného z hrubého a krátkeho drôtu z rovnakého kovu.
Ďalším príkladom sú odpory vyrobené z drôtov rovnakého priemeru a dĺžky. Ak však v jednom z nich má materiál vysoký odpor a v druhom je nízky, potom bude elektrický odpor v prvom odpore vyšší ako v druhom.
Keď poznáte základné vlastnosti materiálu, môžete použiť odpor ocele na určenie hodnoty odporu oceľového vodiča. Na výpočty budete okrem elektrického odporu potrebovať aj priemer a dĺžku samotného drôtu. Výpočty sa vykonávajú pomocou nasledujúceho vzorca: , v ktorom R je (Ohm), ρ - rezistivita ocele (Ohm*m), L- zodpovedá dĺžke drôtu, A- jeho prierezová plocha.
Existuje závislosť rezistivity ocele a iných kovov od teploty. Vo väčšine výpočtov sa používa izbová teplota - 20 0 C. Všetky zmeny pod vplyvom tohto faktora sa berú do úvahy pomocou teplotného koeficientu.
- vodiče;
- dielektrika (s izolačnými vlastnosťami);
- polovodičov.
Elektróny a prúd
Moderná koncepcia elektrického prúdu vychádza z predpokladu, že pozostáva z hmotných častíc – nábojov. Ale rôzne fyzikálne a chemické experimenty poskytujú dôvody na tvrdenie, že tieto nosiče náboja môžu byť rôznych typov v tom istom vodiči. A táto heterogenita častíc ovplyvňuje prúdovú hustotu. Na výpočty týkajúce sa parametrov elektrického prúdu sa používajú určité fyzikálne veličiny. Medzi nimi vodivosť a odpor zaujímajú dôležité miesto.
- Vodivosť súvisí s odporom vo vzájomnom inverznom vzťahu.
Je známe, že keď je na elektrický obvod privedené určité napätie, objaví sa v ňom elektrický prúd, ktorého veľkosť súvisí s vodivosťou tohto obvodu. Tento zásadný objav urobil svojho času nemecký fyzik Georg Ohm. Odvtedy sa začal používať zákon nazývaný Ohmov zákon. Existuje pre rôzne možnosti obvodu. Preto sa vzorce pre ne môžu navzájom líšiť, pretože zodpovedajú úplne iným podmienkam.
Každý elektrický obvod má vodič. Ak je v ňom jeden typ častice nosiča náboja, prúd vo vodiči je podobný prúdeniu kvapaliny, ktorá má určitú hustotu. Určuje sa podľa nasledujúceho vzorca:
Väčšina kovov zodpovedá rovnakému typu nabitých častíc, vďaka ktorým existuje elektrický prúd. Pre kovy sa špecifická elektrická vodivosť vypočíta podľa tohto vzorca:
Pretože je možné vypočítať vodivosť, určenie elektrického odporu je teraz jednoduché. Už bolo spomenuté vyššie, že odpor vodiča je prevrátená hodnota vodivosti. teda
V tomto vzorci sa na označenie elektrického odporu používa písmeno gréckej abecedy ρ (rho). Toto označenie sa najčastejšie používa v odbornej literatúre. Môžete však nájsť aj mierne odlišné vzorce, ktoré sa používajú na výpočet odporu vodičov. Ak sa na výpočty použije klasická teória kovov a elektrónovej vodivosti v nich, odpor sa vypočíta pomocou nasledujúceho vzorca:
Je tu však jedno „ale“. Stav atómov v kovovom vodiči je ovplyvnený trvaním ionizačného procesu, ktorý sa uskutočňuje elektrickým poľom. Jediným ionizačným účinkom na vodič dostanú atómy v ňom jedinú ionizáciu, ktorá vytvorí rovnováhu medzi koncentráciou atómov a voľnými elektrónmi. A hodnoty týchto koncentrácií budú rovnaké. V tomto prípade existujú nasledujúce závislosti a vzorce:
Odchýlky vodivosti a odporu
Ďalej zvážime, od čoho závisí špecifická vodivosť, ktorá je nepriamo úmerná odporu. Odpor látky je pomerne abstraktná fyzikálna veličina. Každý vodič existuje vo forme špecifickej vzorky. Je charakterizovaná prítomnosťou rôznych nečistôt a defektov vo vnútornej štruktúre. Berú sa do úvahy ako samostatné termíny výrazu, ktorý určuje odpor v súlade s Matthiessenovým pravidlom. Toto pravidlo zohľadňuje aj rozptyl pohybujúceho sa toku elektrónov v uzloch kryštálovej mriežky vzorky, ktoré kolíšu v závislosti od teploty.
Prítomnosť vnútorných defektov, ako sú inklúzie rôznych nečistôt a mikroskopické dutiny, tiež zvyšuje odpor. Na stanovenie množstva nečistôt vo vzorkách sa merný odpor materiálov meria pre dve teploty materiálu vzorky. Jedna hodnota teploty je izbová teplota a druhá zodpovedá kvapalnému héliu. Porovnaním výsledku merania pri izbovej teplote s výsledkom pri teplote tekutého hélia sa získa koeficient, ktorý ilustruje štrukturálnu dokonalosť materiálu a jeho chemickú čistotu. Koeficient sa označuje písmenom β.
Ak sa za vodič elektrického prúdu považuje kovová zliatina s pevnou štruktúrou roztoku, ktorá je neusporiadaná, hodnota zvyškového odporu môže byť výrazne väčšia ako rezistivita. Na túto vlastnosť kovových zliatin z dvoch zložiek, ktoré nesúvisia s prvkami vzácnych zemín, ako aj s prechodnými prvkami, sa vzťahuje osobitný zákon. Volá sa to Nordheimov zákon.
Moderné technológie v elektronike čoraz viac smerujú k miniaturizácii. A to natoľko, že namiesto mikroobvodu sa čoskoro objaví slovo „nanoobvod“. Vodiče v takýchto zariadeniach sú také tenké, že by bolo správne nazývať ich kovovými filmami. Je celkom jasné, že vzorka filmu sa bude vo väčšej miere líšiť svojim odporom od väčšieho vodiča. Malá hrúbka kovu vo filme vedie k tomu, že sa v ňom objavujú polovodičové vlastnosti.
Začína sa prejavovať úmernosť medzi hrúbkou kovu a voľnou dráhou elektrónov v tomto materiáli. Na pohyb elektrónov zostáva málo miesta. Preto si začnú navzájom zasahovať do pohybu usporiadaným spôsobom, čo vedie k zvýšeniu odporu. Pre kovové fólie sa rezistivita vypočíta pomocou špeciálneho vzorca získaného na základe experimentov. Vzorec je pomenovaný po Fuchsovi, vedcovi, ktorý študoval odpor filmov.
Filmy sú veľmi špecifické útvary, ktoré sa ťažko replikujú, takže vlastnosti niekoľkých vzoriek sú rovnaké. Pre prijateľnú presnosť hodnotenia fólií sa používa špeciálny parameter - špecifický povrchový odpor.
Rezistory sú vytvorené z kovových filmov na substráte mikroobvodov. Z tohto dôvodu sú výpočty odporu veľmi žiadanou úlohou v mikroelektronike. Hodnota rezistivity je samozrejme ovplyvnená teplotou a súvisí s ňou priamou úmernosťou. Pre väčšinu kovov má táto závislosť určitú lineárnu časť v určitom teplotnom rozsahu. V tomto prípade je odpor určený vzorcom:
V kovoch sa elektrický prúd vyskytuje v dôsledku veľkého počtu voľných elektrónov, ktorých koncentrácia je pomerne vysoká. Okrem toho elektróny tiež určujú väčšiu tepelnú vodivosť kovov. Z tohto dôvodu sa osobitným zákonom stanovila súvislosť medzi elektrickou vodivosťou a tepelnou vodivosťou, ktorá bola experimentálne zdôvodnená. Tento Wiedemann-Franzov zákon je charakterizovaný nasledujúcimi vzorcami:
Lákavé vyhliadky supravodivosti
Najúžasnejšie procesy však prebiehajú pri minimálnej technicky dosiahnuteľnej teplote tekutého hélia. Pri takýchto podmienkach chladenia všetky kovy prakticky strácajú svoj odpor. Medené drôty, ochladené na teplotu tekutého hélia, sú schopné viesť mnohonásobne väčšie prúdy ako za normálnych podmienok. Ak by to bolo možné v praxi, ekonomický efekt by bol neoceniteľný.
Ešte prekvapivejší bol objav vysokoteplotných vodičov. Za normálnych podmienok boli tieto typy keramiky svojim odporom veľmi vzdialené od kovov. Ale pri teplotách asi tri desiatky stupňov nad tekutým héliom sa z nich stali supravodiče. Objav tohto správania nekovových materiálov sa stal silným podnetom pre výskum. Z dôvodu najväčších ekonomických dôsledkov praktickej aplikácie supravodivosti sa týmto smerom vrhli veľmi významné finančné prostriedky a začal sa rozsiahly výskum.
Ale zatiaľ, ako sa hovorí, „veci sú stále tam“... Keramické materiály sa ukázali ako nevhodné na praktické použitie. Podmienky na udržanie stavu supravodivosti si vyžiadali také veľké výdavky, že boli zničené všetky výhody z jej používania. Ale experimenty so supravodivosťou pokračujú. Existuje pokrok. Supravodivosť bola dosiahnutá už pri teplote 165 stupňov Kelvina, ale to si vyžaduje vysoký tlak. Vytváranie a udržiavanie takýchto špeciálnych podmienok opäť popiera komerčné využitie tohto technického riešenia.
Ďalšie ovplyvňujúce faktory
V súčasnosti si všetko ide svojou cestou a pre meď, hliník a niektoré ďalšie kovy odpor naďalej zabezpečuje ich priemyselné využitie na výrobu drôtov a káblov. Na záver sa oplatí dodať trochu viac informácií, že nielen merný odpor materiálu vodiča a teplota okolia ovplyvňujú straty v ňom pri prechode elektrického prúdu. Geometria vodiča je veľmi dôležitá pri použití pri vysokonapäťových frekvenciách a vysokých prúdoch.
Za týchto podmienok majú elektróny tendenciu koncentrovať sa blízko povrchu drôtu a jeho hrúbka ako vodiča stráca svoj význam. Preto je možné oprávnene znížiť množstvo medi v drôte tým, že sa z neho vyrobí iba vonkajšia časť vodiča. Ďalším faktorom pri zvyšovaní odporu vodiča je deformácia. Preto aj napriek vysokému výkonu niektorých elektricky vodivých materiálov sa za určitých podmienok nemusia objaviť. Pre konkrétne úlohy by sa mali vybrať správne vodiče. Nižšie uvedené tabuľky vám s tým pomôžu.
Vieme, že príčinou elektrického odporu vodiča je interakcia elektrónov s iónmi kovovej kryštálovej mriežky (§ 43). Preto možno predpokladať, že odpor vodiča závisí od jeho dĺžky a plochy prierezu, ako aj od látky, z ktorej je vyrobený.
Obrázok 74 zobrazuje usporiadanie na vykonávanie takéhoto experimentu. V obvode zdroja prúdu sú postupne zahrnuté rôzne vodiče, napríklad:
- niklové drôty rovnakej hrúbky, ale rôznych dĺžok;
- niklové drôty rovnakej dĺžky, ale rôznej hrúbky (rôzne plochy prierezu);
- niklové a nichrómové drôty rovnakej dĺžky a hrúbky.
Prúd v obvode sa meria ampérmetrom a napätie voltmetrom.
Keď poznáte napätie na koncoch vodiča a prúd v ňom, pomocou Ohmovho zákona môžete určiť odpor každého z vodičov.
Ryža. 74. Závislosť odporu vodiča od jeho veľkosti a druhu látky
Po vykonaní týchto experimentov zistíme, že:
- z dvoch niklových drôtov rovnakej hrúbky má dlhší drôt väčší odpor;
- z dvoch niklových drôtov rovnakej dĺžky má drôt s menším prierezom väčší odpor;
- Niklové a nichrómové drôty rovnakej veľkosti majú rôzne odpory.
Ohm ako prvý experimentálne študoval závislosť odporu vodiča od jeho veľkosti a látky, z ktorej je vodič vyrobený. Zistil, že odpor je priamo úmerný dĺžke vodiča, nepriamo úmerný ploche jeho prierezu a závisí od podstaty vodiča.
Ako zohľadniť závislosť odporu od materiálu, z ktorého je vodič vyrobený? K tomu si vypočítajte tzv odpor látky.
Merný odpor je fyzikálna veličina, ktorá určuje odpor vodiča z danej látky s dĺžkou 1 m a plochou prierezu 1 m2.
Uveďme písmenové označenia: ρ je rezistivita vodiča, I je dĺžka vodiča, S je jeho prierez. Potom bude odpor vodiča R vyjadrený vzorcom
Z toho dostaneme:
Z posledného vzorca môžete určiť jednotku odporu. Pretože jednotka odporu je 1 ohm, jednotka prierezu je 1 m2 a jednotka dĺžky je 1 m, potom je jednotka odporu:
Je vhodnejšie vyjadriť prierez vodiča v štvorcových milimetroch, pretože je najčastejšie malý. Potom bude jednotka odporu:
V tabuľke 8 sú uvedené hodnoty odporu niektorých látok pri 20 °C. Špecifický odpor sa mení s teplotou. Experimentálne sa zistilo, že napríklad pre kovy sa odpor zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.
Tabuľka 8. Elektrický odpor niektorých látok (pri t = 20 °C)
Striebro a meď majú zo všetkých kovov najnižší odpor. Preto sú striebro a meď najlepšími vodičmi elektriny.
Pri zapájaní elektrických obvodov sa používajú hliníkové, medené a železné drôty.
V mnohých prípadoch sú potrebné zariadenia s vysokým odporom. Sú vyrobené zo špeciálne vytvorených zliatin - látok s vysokým odporom. Napríklad, ako je možné vidieť z tabuľky 8, zliatina nichrómu má merný odpor takmer 40-krát väčší ako hliník.
Porcelán a ebonit majú taký vysoký odpor, že takmer vôbec nevedú elektrický prúd, používajú sa ako izolanty.
Otázky
- Ako závisí odpor vodiča od jeho dĺžky a plochy prierezu?
- Ako experimentálne ukázať závislosť odporu vodiča od jeho dĺžky, plochy prierezu a látky, z ktorej je vyrobený?
- Aký je odpor vodiča?
- Aký vzorec možno použiť na výpočet odporu vodičov?
- V akých jednotkách je vyjadrený odpor vodiča?
- Z akých látok sa vyrábajú vodiče používané v praxi?
Jedným z najpopulárnejších kovov v priemysle je meď. Najviac sa používa v elektrotechnike a elektronike. Najčastejšie sa používa pri výrobe vinutí pre elektromotory a transformátory. Hlavným dôvodom použitia tohto konkrétneho materiálu je, že meď má najnižší elektrický odpor zo všetkých materiálov, ktoré sú v súčasnosti dostupné. Kým sa neobjaví nový materiál s nižšou hodnotou tohto ukazovateľa, môžeme s istotou povedať, že za meď nebude náhrada.
Všeobecné vlastnosti medi
Keď už hovoríme o medi, treba povedať, že na úsvite elektrickej éry sa začala používať pri výrobe elektrických zariadení. Začala sa používať vo veľkej miere vďaka jedinečným vlastnostiam, ktoré táto zliatina má. Sám o sebe je to materiál, ktorý sa vyznačuje vysokými vlastnosťami z hľadiska ťažnosti a dobrej kujnosti.
Spolu s tepelnou vodivosťou medi je jednou z jej najdôležitejších výhod jej vysoká elektrická vodivosť. Je to vďaka tejto vlastnosti, že meď a sa rozšíril v elektrárňach, v ktorom pôsobí ako univerzálny vodič. Najcennejším materiálom je elektrolytická meď, ktorá má vysoký stupeň čistoty 99,95 %. Vďaka tomuto materiálu je možné vyrábať káble.
Výhody použitia elektrolytickej medi
Použitie elektrolytickej medi vám umožňuje dosiahnuť nasledovné:
- Zabezpečte vysokú elektrickú vodivosť;
- Dosiahnite vynikajúcu schopnosť stylingu;
- Poskytnite vysoký stupeň plasticity.
Oblasti použitia
Káblové výrobky vyrobené z elektrolytickej medi sa široko používajú v rôznych priemyselných odvetviach. Najčastejšie sa používa v nasledujúcich oblastiach:
- elektrotechnický priemysel;
- elektrické spotrebiče;
- automobilový priemysel;
- výroba počítačového vybavenia.
Aký je odpor?
Aby sme pochopili, čo je meď a jej vlastnosti, je potrebné pochopiť hlavný parameter tohto kovu - odpor. Mal by byť známy a používaný pri vykonávaní výpočtov.
Odpor sa zvyčajne chápe ako fyzikálna veličina, ktorá je charakterizovaná ako schopnosť kovu viesť elektrický prúd.
Na to je potrebné poznať aj túto hodnotu správne vypočítať elektrický odpor vodič. Pri výpočtoch sa riadia aj jeho geometrickými rozmermi. Pri výpočtoch použite nasledujúci vzorec:
Tento vzorec je mnohým známy. Pomocou neho môžete ľahko vypočítať odpor medeného kábla so zameraním iba na vlastnosti elektrickej siete. Umožňuje vám vypočítať výkon, ktorý sa neefektívne vynakladá na ohrev jadra kábla. okrem toho podobný vzorec vám umožňuje vypočítať odpor akýkoľvek kábel. Nezáleží na tom, aký materiál bol použitý na výrobu kábla - meď, hliník alebo iná zliatina.
Parameter, ako je elektrický odpor, sa meria v Ohm*mm2/m. Tento indikátor pre medené vedenie položené v byte je 0,0175 Ohm*mm2/m. Ak sa pokúsite hľadať alternatívu k medi - materiál, ktorý by sa dal použiť namiesto toho len striebro možno považovať za jediné vhodné, ktorého odpor je 0,016 Ohm*mm2/m. Pri výbere materiálu je však potrebné dbať nielen na rezistivitu, ale aj na spätnú vodivosť. Táto hodnota sa meria v Siemens (Cm).
Siemens = 1/ Ohm.
Pre meď akejkoľvek hmotnosti je tento parameter zloženia 58 100 000 S/m. Čo sa týka striebra, jeho spätná vodivosť je 62 500 000 S/m.
V našom svete špičkových technológií, keď má každý dom veľké množstvo elektrických zariadení a inštalácií, je dôležitosť materiálu, akým je meď, jednoducho neoceniteľná. Toto materiál použitý na výrobu elektroinštalácie, bez ktorej sa nezaobíde žiadna miestnosť. Ak by meď neexistovala, potom by človek musel používať drôty vyrobené z iných dostupných materiálov, ako je hliník. V tomto prípade by však človek musel čeliť jednému problému. Ide o to, že tento materiál má oveľa nižšiu vodivosť ako medené vodiče.
Odpor
Použitie materiálov s nízkou elektrickou a tepelnou vodivosťou akejkoľvek hmotnosti vedie k veľkým stratám elektrickej energie. A to ovplyvňuje stratu energie na použitom zariadení. Väčšina odborníkov nazýva meď ako hlavný materiál na výrobu izolovaných drôtov. Je to hlavný materiál, z ktorého sa vyrábajú jednotlivé prvky zariadení poháňaných elektrickým prúdom.
- Dosky inštalované v počítačoch sú vybavené leptanými medenými stopami.
- Meď sa tiež používa na výrobu širokej škály komponentov používaných v elektronických zariadeniach.
- V transformátoroch a elektromotoroch je reprezentovaný vinutím, ktoré je vyrobené z tohto materiálu.
Niet pochýb o tom, že s ďalším rozvojom technologického pokroku dôjde k rozšíreniu rozsahu použitia tohto materiálu. Hoci okrem medi existujú aj iné materiály, dizajnéri stále používajú meď pri vytváraní zariadení a rôznych inštalácií. Hlavným dôvodom dopytu po tomto materiáli je v dobrej elektrickej a tepelnej vodivosti tento kov, ktorý poskytuje pri izbovej teplote.
Teplotný koeficient odporu
Všetky kovy s akoukoľvek tepelnou vodivosťou majú vlastnosť klesajúcej vodivosti so zvyšujúcou sa teplotou. S klesajúcou teplotou sa zvyšuje vodivosť. Za obzvlášť zaujímavú odborníci označujú vlastnosť klesajúceho odporu s klesajúcou teplotou. V tomto prípade, keď teplota v miestnosti klesne na určitú hodnotu, vodič môže stratiť elektrický odpor a presunie sa do triedy supravodičov.
Na určenie hodnoty odporu konkrétneho vodiča určitej hmotnosti pri izbovej teplote existuje kritický koeficient odporu. Je to hodnota, ktorá ukazuje zmenu odporu časti obvodu pri zmene teploty o jeden Kelvin. Na výpočet elektrického odporu medeného vodiča v určitom časovom období použite nasledujúci vzorec:
ΔR = α*R*ΔT, kde α je teplotný koeficient elektrického odporu.
Záver
Meď je materiál, ktorý je široko používaný v elektronike. Používa sa nielen vo vinutiach a obvodoch, ale aj ako kov na výrobu káblových výrobkov. Aby stroje a zariadenia fungovali efektívne, je to nevyhnutné správne vypočítajte odpor vedenia, položený v byte. Existuje na to istý vzorec. Keď to viete, môžete urobiť výpočet, ktorý vám umožní zistiť optimálnu veľkosť prierezu kábla. V tomto prípade je možné vyhnúť sa strate výkonu zariadenia a zabezpečiť jeho efektívne využitie.
