Удельное сопротивление для распространенных материалов

Почему возникает сопротивление

Электроны, сталкиваясь с заряженными атомами (ионами), из которых стоит кристаллическая решетка проводника, теряют скорость. Масса атома значительно превосходит массу электрона, поэтому их столкновение приводит к потере скорости (“торможению”) и изменению направления движения электрона. Таким образом возникает сопротивление протеканию (нарастанию) тока. Значит сопротивление — это физическая величина.

Столкновения электронов с атомами.

В чем измеряется

Согласно международной системе единиц, измеряется величина в омах, умноженных на метр. В некоторых случаях применяется единица ом, умноженная на миллиметр в квадрате, поделенная на метр. Это обозначение для проводника, имеющего метровую длину и миллиметровую площадь сечения в квадрате.

Единица измерения

Формула как найти

Согласно положению из любого учебного пособия по электродинамики, удельное сопротивление материала проводника формула равна пропорции общего сопротивления проводника на площадь поперечного сечения, поделенного на проводниковую длину. Важно понимать, что на конечный показатель будет влиять температура и степень материальной чистоты. К примеру, если в медь добавить немного марганца, то общий показатель будет увеличен в несколько раз.

Главная формула расчета

Интересно, что существует формула для неоднородного изотропного материала. Для этого нужно знать напряженность электрополя с плотностью электротока. Для нахождения нужно поделить первую величину на другую. В данном случае получится не константа, а скалярная величина.

Закон ома в дифференциальной форме

Есть другая, более сложная для понимания формула для неоднородного анизотропного материала. Зависит от тензорного координата.

Важно отметить, что связь сопротивления с проводимостью также выражается формулами. Существуют правила для нахождения изотропных и анизотропных материалов через тензорные компоненты. Они показаны ниже в схеме.

Связь с проводимостью, выраженная в физических соотношениях

Общая информация

Определение 1
Удельное сопротивление — это физическая величина, которая характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.

Этот параметр обозначается греческой буквой $p$ (ро). Основой для расчета удельного сопротивления является эмпирическая формула, используемая для расчета электрического сопротивления, которую получил Георг Ом.

$R=p • l/S $

Чтобы получить формулу для расчета удельного сопротивления, нужно преобразовать формулу Ома:

$R =p · l/S$

$p • l/S=R$

$p/S=R/l $

$p=R • S/l $

Последний этап преобразования и есть нужная формула:

$p=R•S/l$, где

• $R$ — сопротивление, Ом;
• $S$ — площадь поперечного сечения, $мм^2$;
• $l$ — длина, м.

По международной системе СИ, удельное сопротивление выражается в $Ом•м$. На практике используется альтернативное выражение удельного сопротивления $Ом•мм^2/м$.

Ты эксперт в этой предметной области? Предлагаем стать автором Справочника Условия работы

Рисунок 1. Удельное сопротивление отдельных материалов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Замечание 1

На рисунке изображены значения удельного сопротивления только для часто используемых материалов. Значения этого параметра для других материалов можно найти в соответствующих справочниках.

От чего зависит

Сопротивляемость зависит от температуры. Она увеличивается, когда повышается столбик термометра. Это поясняется физиками так, что при росте температуры атомные колебания в кристаллической проводниковой решетке повышаются. Это препятствует тому, чтобы свободные электроны двигались.

Обратите внимание! Что касается полупроводников и диэлектриков, то там величина понижается из-за того, что увеличивается структура концентрации зарядных носителей.

Зависимость от температуры как основное свойство проводниковой сопротивляемости

Что означают показатели удельного сопротивления?

Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.

Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2

Удельное сопротивление

Если с длиной и толщиной проводника все просто и понятно, то что с веществом, из которого он состоит? Как учесть эту зависимость значения сопротивления? Для этого нужно вычислить удельное сопротивление вещества (проводника).

Что называется удельным сопротивлением проводника?

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной $1 \space м$ и площадью поперечного сечения $1 \space м^2$.

Обозначается удельное сопротивление буквой $\rho$.

Не путать с плотностью вещества! Обращайте внимание на единицы измерения, чтобы не запутаться. Плотность в СИ измеряется в $\frac{кг}{м^3}$, а про единицу измерения удельного сопротивления мы поговорим чуть ниже.

Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников

В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.

Показатели удельного сопротивления приведены для таких «популярных» материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.

МатериалУдельное сопротивление, ρ,при 20 °C (Ом·м)Источник

Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.

Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.

Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.

Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.

Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.

Будет интересно➡ Замена штекера зарядки mini usb на micro usb. Микро усб схема распайки зарядки. Распиновка micro usb 5 pin для зарядки

Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах — никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.

Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.

Электрическое удельное сопротивление

Суть электрического сопротивления заключается в способности того или иного вещества превращать электрическую энергию в тепловую во время действия тока. Данная величина обозначается символом R, а в качестве единицы измерения используется Ом. Значение сопротивления в каждом случае связано со способностью того или иного металла проводить электрический ток.

В процессе исследований была установлена зависимость силы тока от сопротивления. Одним из основных качеств материала становится его удельное сопротивление, меняющееся в зависимости от длины проводника. То есть, с увеличением длины провода, возрастает и значение сопротивления. Данная зависимость определяется как прямо пропорциональная.

Другим свойством материала является площадь его поперечного сечения. Она представляет собой размеры поперечного среза проводника, независимо от его конфигурации. В этом случае получается обратно пропорциональная связь, когда с увеличением площади поперечного сечения уменьшается сопротивление проводника.

Еще одним фактором, влияющим на сопротивление, является сам материал. Во время проведения исследований была обнаружена различная сопротивляемость у разных материалов. Таким образом, были получены значения удельных электрических сопротивлений для каждого вещества.

Понятие электрического сопротивления проводника

Классическое определение объясняет электрический ток движением «свободных» (валентных) электронов. Его обеспечивает созданное источником электрическое поле. Перемещение в металле затрудняют не только нормальные компоненты кристаллической решетки, но и дефектные участки, примеси, неоднородные области. В ходе столкновений с препятствиями за счет перехода импульса в тепловую энергию происходит повышение температуры.

Наглядный пример – нагрев воды кипятильником

В газах, электролитах и других материалах несколько отличная физика явления. Линейные зависимости наблюдаются в металлах и других проводниках. Базовые соотношения выражены известной формулой закона Ома:

R (электрическое сопротивление) = U (напряжение)/ I (сила тока).

Для удобства часто используют обратную величину, проводимость (G = 1/R). Она обозначает способность определенного материала пропускать ток с определенными потерями.

Для упрощения иногда применяют пример с водопроводом. Движущаяся жидкость – аналог тока. Давление – эквивалент напряжения. Уменьшением (увеличением) поперечного сечения или положением запорного устройства определяют условия перемещения. Подобным образом изменяют основные параметры электрических цепей с помощью сопротивления (R).

К сведению. Количество жидкости, проходящее за единицу времени через контрольное сечение трубы, – эквивалент электрической мощности.

Причины электрического сопротивления

В чем же причина сопротивления?

Вспомните урок «Электрический ток в металлах«. Электроны, двигаясь под действием электрического поля, обретают некоторое направление. Но при этом хаотичность их движения сохраняется. Мы еще сравнивали такое движение со стайкой мошкары, которую относит ветром.

Итак, электроны приведены в упорядоченное движение электрическим полем. При этом они взаимодействуют с ионами кристаллической решетки. Что при этом происходит? Упорядоченное движение замедляется. Теперь меньшее число электронов проходит через поперечное сечение проводника за $1 \space с$. Значит, уменьшается сила тока.

Сделаем вывод из наших рассуждений.

Причина сопротивления — это взаимосвязь движущихся электронов с ионами кристаллической решетки.

Логично, что разные проводники будут обладать разными значениями сопротивления. Все дело будет в различиях строения их кристаллической решетки. Кроме того, значение будут иметь длина проводника и площадь его поперечного сечения. Об этом мы поговорим в следующих уроках.

Температурная зависимость ρ(Т)

Для большинства материалов проведены многочисленные эксперименты по измерению значений удельных сопротивлений. Данные по большинству проводников можно найти в справочных таблицах.

Удельное сопротивление металлов и сплавов, Ом*мм2/м

(при Т = 20С)

Чаще всего приводятся значения ρ при нормальной, то есть комнатной температуре 20С. Но оказалось, что при повышении температуры удельное сопротивление возрастает по линейному закону в соответствии с формулой:

$ ρ(Т) = ρ0 * (1 + α*T)$ (6),

где: ρ — удельное сопротивление проводника при температуре 0С, α — температурный коэффициент удельного сопротивления, который тоже имеет для каждого вещества свое, индивидуальное, значение. Из формулы (6) следует, что коэффициент α имеет размерность или .

В соответствии с законом Джоуля-Ленца при протекании электрического тока т выделяется тепло, а значит происходит рост температуры проводника. Кроме этого, в зависимости от области применения, электрические приборы могут работать как при пониженных (минусовых), так и при высоких температурах. Для точных расчетов электрических цепей необходимо учитывать зависимость ρ(Т). Величину α для конкретного материала можно узнать из справочной литературы.

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.

Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:

где ρ и ρ0, R и R0 — соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α — температурный коэффициент сопротивления, [α] = град-1.

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.

С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры

Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.

Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления — α <0.

Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.

Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры

Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

• Резисторы. Виды резисторов
• Типы резисторов
• Обозначение резисторов на схемах
• Соединение резисторов
• Зависимость электрического сопротивления от сечения, длины и материала проводника

Добавить комментарий

Удельное электрическое сопротивление

Дальнейшие исследования позволили установить связь величины электрического сопротивления с его основными геометрическими размерами. Оказалось, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника L и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S.

Эта функциональная связь хорошо описывается следующей формулой:

$ R = ρ *{ Lover S} $ (4)

Постоянная для каждого вещества величина ρ была названа удельным сопротивлением. Значение этого параметра зависит от плотности вещества, его кристаллической структуры, строения атомов и прочих внутренних характеристик вещества. Из формулы (4) можно получить формулу для расчета удельного сопротивления, если имеются экспериментальные значения для R, L и S:

$ ρ = R*{ Sover L } $ (5)

Для большинства известных веществ измерения были произведены и внесены в справочные таблицы электрических сопротивлений проводников.

Удельное сопротивление металлов, Ом*мм2/м

(при Т = 20С)

Экспериментально было обнаружено, что с понижением температуры сопротивление металлов уменьшается. При приближении к температуре абсолютного нуля, которая равна -273С, сопротивление некоторых металлов стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Атомы и молекулы как бы “замораживаются”, прекращают любое движение и не оказывают сопротивления потоку электронов.

Единица удельного сопротивления

Чтобы определить единицу измерения удельного сопротивления обратимся к формуле $\rho = \frac{RS}{l}$.

Единица сопротивления — $1 \space Ом$, площади поперечного сечения — $1 \space м^2$, длины — $1 \space м$.

Подставим все это в формулу:

$[\rho] = \frac{1 \space Ом \cdot 1 \space м^2}{1 \space м} = 1 \space Ом \cdot м$.

Площадь поперечного сечения проводника обычно небольшая, поэтому ее удобно выражать в $мм^2$. Поэтому часто удельное сопротивление проводника измеряют в $\frac{1 \space Ом \cdot 1 \space мм^2}{1 \space м}$.

Железо как проводник в электротехнике

Железо — самый распространенный в природе и технике металл (после водорода, который металлом тоже является). Он и самый дешевый, и имеет прекрасные прочностные характеристики, поэтому применяется повсюду как основа прочности различных конструкций.

В электротехнике в качестве проводника железо используется в виде стальных гибких проводов там, где нужна физическая прочность и гибкость, а нужное сопротивление может быть достигнуто за счет соответствующего сечения.

Имея таблицу удельных сопротивлений различных металлов и сплавов, можно посчитать сечения проводов, выполненных из разных проводников.

В качестве примера попробуем найти электрически эквивалентное сечение проводников из разных материалов: проволоки медной, вольфрамовой, никелиновой и железной. За исходную возьмем проволоку алюминиевую сечением 2,5 мм.

Нам нужно, чтобы на длине в 1 м сопротивление провода из всех этих металлов равнялось сопротивлению исходной. Сопротивление алюминия на 1 м длины и 2,5 мм сечения будет равно

, где R – сопротивление, ρ – удельное сопротивление металла из таблицы, S – площадь сечения, L – длина.

Подставив исходные значения, получим сопротивление метрового куска провода алюминия в омах.

После этого разрешим формулу относительно S

, будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.

Итак,

Так как удельное сопротивление в таблице измерено на проводе длиной в 1 м, в микроомах на 1 мм2 сечения, то у нас и получилось оно в микроомах. Чтобы получить его в омах, нужно умножить значение на 10-6. Но число ом с 6 нулями после запятой нам получать совсем не обязательно, так как конечный результат все равно находим в мм2.

1. Медь
2. Вольфрам
3. Никелин
4. Железо

Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.

Будет интересно➡ Принцип работы электромагнита

Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

где: R — сопротивление провода (Ом) ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m) L — длина провода (м) А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Почему у металлов самые низкие удельные сопротивления

Из приведенной таблицы видно, что самыми низкими значениями удельных сопротивлений обладают металлы: серебро, медь, золото, алюминий и др. Такое свойство металлов связано с большой концентрацией свободных электронов, “не привязанных” к конкретному атому, а блуждающих в пространстве кристаллической решетки. Напряжение, приложенное к концам проводника, создает электрическое поле, которое действует на электроны, заставляя их двигаться согласованно, в одном направлении.

Рис. 2. Электрический ток в металлах, свободные электроны.

Самым низким значением ρ обладает серебро — 0,016 Ом*мм2/м. Но для повсеместного, массового, использования в сетях электроснабжения и оборудовании этот металл не используется в виду слишком большой цены. Серебро применяется для создания самых ответственных контактов в специальных электротехнических устройствах. В следующей таблице приведены величины удельных сопротивлений металлов и сплавов, часто используемых металлов в электротехнике:

Таблица

Удельные сопротивления металлов, Ом*мм2/м

(при Т = 200С)

Наиболее популярными в электротехнике являются медь и алюминий. Медь и медные сплавы применяются для изготовления кабельной продукции и шунтов — деталей, ограничивающих большие токи через измерительные приборы.

Расчет удельного сопротивления медно-никелевого провода

Высокая электропроводимость у меди и алюминия, а также у золота и серебра. В других металлах электропроводность существенно ниже.

Таблица удельного электрического сопротивления металлов

В связи с тем, что существует два типа электрических сопротивлений –

В связи с электромагнитными явлениями, возникающими в проводниках при прохождении через него переменного тока в них возникает два важных для их электротехнических свойств физических явления.

Два последних явления делают неэффективным применение проводников радиусом больше характерной глубины проникновения электрического тока в проводник. Эффективный диаметр проводников (2RБхар): 50Гц -7 Ом. Используя микроомметры, можно определить качество электрических контактов, сопротивление электрических шин, обмоток трансформаторов, электродвигателей и генераторов, наличие дефектов и инородного металла в слитках (например, сопротивление слитка чистого золота вдвое ниже позолоченного слитка вольфрама).

Для расчета длины провода, его диаметра и необходимого электрического сопротивления, необходимо знать удельное сопротивление проводников ρ.

В международной системе единиц удельное сопротивление ρ выражается формулой:

Оно означает: электрическое сопротивление 1 метра провода (в Омах), сечением 1 мм 2 , при температуре 20 градусов по Цельсию.

Влияние температуры на удельное сопротивление

В справочниках значения ρ металлов приводятся при комнатной температуре 200С. Но эксперименты показали, что зависимость ρ(Т) имеет линейный характер и описывается формулой:

$ ρ(Т) = ρ0 * (1 + α*T)$ (3),

где: ρ0 — удельное сопротивление проводника при температуре 00С, α— температурный коэффициент сопротивления, который тоже имеет тоже индивидуален для каждого вещества. Значения α, полученные опытным путем, можно узнать из справочников. Ниже приведены значения α для некоторых металлов:

• Серебро — 0,0035;
• Медь — 0,004;
• Алюминий — 0,004;
• Железо — 0,0066;
• Платина — 0,0032;
• Вольфрам — 0,0045.

Таким образом, при повышении температуры сопротивление металлов растет. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается число дефектов в кристаллической решетке из-за более интенсивных тепловых колебаний ионов, тормозящих электронный ток.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлов.

При приближении температуры металла к абсолютному нулю удельное сопротивление резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, а материалы, обнаруживающие такую способность, называются сверхпроводниками. Этот эффект открыл в 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес. В его эксперименте удельное сопротивление ртути уменьшилось до нуля при 4,10К.

Зависимость удельного сопротивления от температуры

Говоря об удельном сопротивлении, нельзя упомянуть о влиянии температуры окружающей среды на его значение. Однако, это влияние будет разным для каждого материала. Это объясняется одним важным параметром $α$ — температурным коэффициентом.

Температурный коэффициент используется в формула для расчета удельного сопротивления с учетом изменения температуры:

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Удельное сопротивление 450 ₽ Реферат Удельное сопротивление 250 ₽ Контрольная работа Удельное сопротивление 250 ₽

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

$ρ_t =ρ_0 • [1+α•(t-t_0)]$, где

• $ρ_0$ — удельное сопротивление при 20 С*,
• $α$ — температурный коэффициент,
• $t-t_0$ — разница температур.

Рисунок 2. Температурный коэффициент сопротивления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассчитаем удельное сопротивление меди при -30 C и +30 C .

Пример 1

Для расчета удельного сопротивления при +30 C*, нужно взять первую формулу и подставить известные значения:

$ρ_t=ρ_0 • [1+α•(t-t_0)]=0,017• [1+0,0039•(30-20)]=0,017•[1+(0,0039•10)]=0,0176 $

Для расчета удельного сопротивления при -30 C*, нужно взять вторую формулу и выполнить аналогичный расчет:

$ρ_t=ρ_0 • [1+α•(t-t_0)]=0,017 • [1+(0,0039 • (– 30 – 20)=0,0136$

Исходя из расчетов можно сделать вполне логичный вывод, который заключается в следующем.

Замечание 2

Чем выше температура окружающей среды, тем выше удельное сопротивление.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект. Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

• Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
• Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Материалы высокой проводимости

К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий (Сверхпроводящие материалы, имеющие типичное сопротивление в 10-20 раз ниже обычных проводящих материалов (металлов) рассматриваются в разделе Сверхпроводимость).

Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. малое удельное сопротивление;
2. достаточно высокая механическая прочность;
3. удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
4. хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.

В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Алюминий

Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного — 2.7 Мг/м3. Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.

Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.

Будет интересно➡ АСКУЭ: что это такое? Принципы организации систем АСКУЭ

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.

Железо и сталь

Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.

Натрий

Весьма перспективным проводниковым материалом является металлический натрий. Натрий может быть получен электролизом расплавленного хлористого натрия NaCl в практически неограниченных количествах. Из сравнения свойств натрия со свойствами других проводниковых металлов видно, что удельное сопротивление натрия примерно в 2.8 раза больше ρ меди и в 1.7 раз больше ρ алюминия, но благодаря чрезвычайно малой плотности натрия (плотность его почти в 9 раз меньше плотности меди), провод из натрия при данной проводимости на единицу длины должен быть значительно легче, чем провод из любого другого металла. Однако натрий чрезвычайно активен химически (он интенсивно окисляется на воздухе, бурно реагирует с водой), почему натриевый провод должен быть защищен герметизирующей оболочкой. Оболочка должна придавать проводу необходимую механическую прочность, так как натрий весьма мягок и имеет малый предел прочности при деформациях.

Объемное сопротивление

— сопротивление диэлектрика постоянному току при прохождении тока по всему объему материала. Удельное объемное электрическое сопротивление вещества численно равно сопротивлению, которое оказывает постоянному току куб, сделанный из этого вещества, с ребром в единицу длины при условии, что ток проходит через две противоположные грани перпендикулярно к ним. Чем больше удельное объемное электрическое сопротивление материала, тем лучше его электроизоляционные качества. По системе СИ удельное объемное электрическое сопротивление определяют для куба с ребром в 1 метр и выражают его в омометрах — Ом • м. Практически удобно определять удельное объемное электрическое сопротивление для куба с ребром, равным одному сантиметру, и выражать его в омосантиметрах — Ом • см • 1 Ом • м= 100 Ом • см.

Высококачественные диэлектрики имеют удельное объемное электрическое сопротивление от 1015 до Ш20 Ом • см, хорошие — от 10й до 1013 Ом • см. Диэлектрики со значением удельного объемного электрического сопротивления ниже, указанного применяют в установках, не требующих высокой степени изоляции.

Поверхностное сопротивление — сопротивление диэлектрика постоянному току при прохождении тока по его поверхности. Поверхностное сопротивление измеряется в омах.

Необходимо отметить такие свойства диэлектриков, как термопластичность, вязкость, теплостойкость, химическая стойкость и влагостойкость, морозостойкость, тропи^коустойчивость, температура размягчения и др. Важным химическим свойством электроизоляционных материалов является способность склеиваться, растворяться в лаках и растворителях, защищать металлы от коррозии.

К электроизоляционным материалам относятся:

Бумага — волокнистый материал разного цвета. Изготавливается из древесины хвойных пород, хлопка, тростника и асбеста. Выпускается следующих видов: конденсаторная бумага (марки КОН-1 и КОН-2) толщиной от 7 до 30 мкм. Используется в качестве диэлектрика в бумажных конденсаторах; кабельная бумага (марки К-08, К-12 и К-17— цифры указывают толщину в сотых долях миллиметра) применяется для изоляции кабелей. Электрическая прочность 8—10 кВ/мм; телефонная бумага (марки КТН— желтоватого цвета, КТК — красного, КТС — синего, КТЗ — зеленого) применяется для изоляции жил телефонных кабелей и обмоточных проводов марок ПБ и ПББО. Толщина бумаги 0,05 мм. Электрическая прочность 10—12 кВ/мм; пропиточная бумага (марки ИП-50, ИП-63) — для изготовления листового гетинак-са. Толщина бумаги от 0,09 до 0,13 мм; намоточная бумага—для изготовления труб, цилиндров, каркасов катушек трансформаторов и дросселей. Толщина бумаги 0,05 и 0,07 мм; обклеечная бумага применяется для обклейки листов электротехнической стали. Толщина бумаги 0,033 мм. Максимальная рабочая температура бумаг 80—100° С. Ацетилированные бумаги обладают высокой длительной теплостойкостью (до 230° С). Они не горят, не плавятся. Их пробивное напряжение — до 200 кВ/мм. Кварцевые бумаги имеют высокую теплостойкость, примерно до 1090° С. Стеклочешуйчатая бумага — изготавливается из тонких чешуек стекла с разными подложками.

Прессшпан — электрокартон (марки ЭВ, ЭВС, ЭВТ — плотный, ЭМ — мягкий, ЭМТ — тряпичный высококачественный). Выпускается толщиной от 0,1 до 3,5 мм. Применяется для изготовления прокладок, каркасов катушек трансформаторов и дросселей. Удельное объемное сопротивление 1010 Ом • см, электрическая прочность 12 кВ/мм.

Фибра — изготавливается методом прессования из тонкой бумаги, пропитанной раствором хлористого цинка (марки ФТ — техническая, ФЭ — электротехническая). Выпускается толщиной от 0,6 до 5 мм. Обладает высокой механической прочностью, легко обрабатывается. Применяется для изготовления панелей, втулок, шайб и др. Тонкие сорта фибры носят название летероид. Рабочая температура до 100° С. Удельное объемное сопротивление 1010—1012 Ом • см, электрическая прочность 3,5 кВ/мм.

Пряжа хлопчатобумажная и шелковая употребляется для оплетки (чулок) и обмотки проводов в качестве изоляции, для вязки жгутов и т. д. Нитки хлопчатобумажные глянцевые № 00; 0,1 используются для заделки концов изоляции монтажных проводов и кабелей (наложение бандажей) и вязки монтажных проводов в жгуты. Нитки хлопчатобумажные матовые № 10, 20, 30, 40 применяются для наложения бандажей в местах, где не требуется электроизоляция. Иногда бандаж пропитывают клеями или лаками. Нитки шелковые крученые № 13 разноцветные применяются для маркировки проводов. Нитки капроновые и шелк изоляционный применяются в качестве материала для изоляции монтажных проводов и жил кабелей.

Что такое сопротивление медного провода

В металлах ток образуется при появлении электрического поля. Оно «заставляет» двигаться электроны упорядоченно, в одном направлении. Электроны дальних орбит атома, слабо удерживаемые ядром, формируют ток.

Медные провода

При прохождении отрицательных частиц сквозь кристаллическую решетку молекул меди, они сталкиваются с атомами и другими электронами. Возникает препятствие или сопротивление направленному движению частиц.

Для оценки противодействия току была введена величина «электрическое сопротивление» или «электрический импеданс». Обозначается она буквой «R» или «r». Вычисляется сопротивление по формуле Георга Ома: R=, где U — разность потенциалов или напряжение, действующее на участке цепи, I — сила тока.

Понятие сопротивления

Важно! Чем выше значение импеданса металла, тем меньший ток проходит по нему, и именно медные проводники так широко распространены в электротехнике, благодаря этому свойству.

Исходя из формулы Ома, на величину тока влияет приложенное напряжение при постоянном R. Но резистентность медных проводов меняется, в зависимости от их физических характеристик и условий эксплуатации.

Упражнения

Упражнение №1

Начертите схему цепи, изображённой на рисунке 1, и объясните опыт, проведённый по данному рисунку.
Схема электрической цепи изображена на рисунке 2. Проводник обозначен прямоугольником.

Рисунок 2. Схема электрической цепи для проведенного опыта

В ходе этого опыта используют различные проводники. При этом фиксируют значения приборов. Сила тока изменяется в зависимости от того, какой проводник включен в цепь. Напряжение же на концах разных проводников все время остается постоянным.

Этот опыт доказывает связь силы тока и свойства проводника, называемого электрическим сопротивлением.

Упражнение №2

Выразите в омах значения следующих сопротивлений: $100 \space мОм$; $0.7 \space кОм$; $20 \space МОм$.
Дано: $I_1 = 100 \space мОм$ $I_2 = 0.7 \space кОм$ $I_3 = 20 \space МОм$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

$I_1 = 100 \space мОм = 100 \cdot 0.001 \space Ом = 0.1 \space Ом$, $I_2 = 0.7 \space кОм = 0.7 \cdot 1000 \space Ом = 700 \space Ом$, $I_3 = 20 \space МОм = 20 \cdot 1 \space 000 \space 000 \space Ом = 20 \space 000 \space 000 \space Ом$.

Ответ: $I_1 = 0.1 \space Ом$, $I_2 = 700 \space Ом$, $I_3 = 20 \space 000 \space 000 \space Ом$.

Что влияет на сопротивление медного провода

Электрический импеданс медного кабеля зависит от нескольких факторов:

• Удельного сопротивления;
• Площади сечения проволоки;
• Длины провода;
• Внешней температуры.

Последним пунктом можно пренебречь в условиях бытового использования кабеля. Заметное изменение импеданса происходит при температурах более 100°C.

Зависимость сопротивления

Удельное сопротивление в системе СИ обозначается буквой ρ. Оно определяется, как величина сопротивления проводника, имеющего сечение 1 м2 и длину 1 м, измеряется в Ом ∙ м2. Такая размерность неудобна в электротехнических расчетах, поэтому часто используется единица измерения Ом ∙ мм2.

Важно! Данный параметр является характеристикой вещества — меди. Он не зависит от формы или площади сечения. Чистота меди, наличие примесей, метод изготовления проволоки, температура проводника — факторы, влияющие на удельное сопротивление.

Зависимость параметра от температуры описывается следующей формулой: ρt= ρ20[1+ α(t−20°C)]. Здесь ρ20— удельное сопротивление меди при 20°C, α— эмпирически найденный коэффициент, от 0°Cдо 100°C для меди имеет значение, равное 0,004 °C-1, t — температура проводника.

Ниже приведена таблица значений ρ для разных металлов при температуре 20°C.

Таблица удельного сопротивления

Согласно таблице, медь имеет низкое удельное сопротивление, ниже только у серебра. Это обуславливает хорошую проводимость металла.

Чем толще провод, тем меньше его резистентность. Зависимость R проводника от сечения называется «обратно пропорциональной».

Важно! При увеличении поперечной площади кабеля, электронам легче проходить сквозь кристаллическую решетку. Поэтому, при увеличении нагрузки и возрастании плотности тока, следует увеличить площадь сечения.

Увеличение длины медного кабеля влечет рост его резистентности. Импеданс прямо пропорционален протяженности провода. Чем длиннее проводник, тем больше атомов встречаются на пути свободных электронов.

Выводы

Последним элементом, влияющим на резистентность меди, является температура среды. Чем она выше, тем большую амплитуду движения имеют атомы кристаллической решетки. Тем самым, они создают дополнительное препятствие для электронов, участвующих в направленном движении.

Важно! Если понизить температуру до абсолютного нуля, имеющего значение 0° Kили -273°C, то будет наблюдаться обратный эффект — явление сверхпроводимости. В этом состоянии вещество имеет нулевое сопротивление.

Температурная корреляция

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

ρ = R * S / l, где:

• ρ — это удельное сопротивление материала;
• R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
• S — поперечное сечение;
• l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм2/м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм2). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Сравнение проводимости разных видов стали

Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:

• Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
• Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
• Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
• Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
• Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.

Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.

Активное сопротивление проводов, кабелей и линий

Из-за того что переменный ток проходит неравномерно, то при одинаковых условиях тока переменного и постоянного R будет отличаться. Как уже было сказано, стальные электропровода имеют лучшее активное R по сравнению с проводниками из цветных металлов, которые имеют одинаковое R при любой силе тока.

Напротив, активное R электрокабелей из стали всегда зависит от электрического тока, поэтому удельную постоянную проводимость в этом случае никогда не используют. Активное R электрокабеля определяют с помощью формулы: R=l/у*s.