Tabela oporności elektrycznej metali i stopów. Obliczanie rezystywności metali, w szczególności miedzi
Rezystywność metali to ich odporność na przepływający przez nie prąd elektryczny. Jednostką miary tej wielkości jest om*m (omomierz). Stosowanym symbolem jest grecka litera ρ (rho). Wysokie wartości rezystywności oznaczają słabą przewodność ładunku elektrycznego przez dany materiał.
Specyfikacje stali
Przed szczegółowym rozważeniem rezystywności stali należy zapoznać się z jej podstawowymi właściwościami fizycznymi i mechanicznymi. Ze względu na swoje właściwości materiał ten jest szeroko stosowany w sektorze produkcyjnym oraz innych obszarach życia i działalności człowieka.
Stal jest stopem żelaza i węgla, którego zawartość nie przekracza 1,7%. Oprócz węgla stal zawiera pewną ilość zanieczyszczeń - krzemu, manganu, siarki i fosforu. Pod względem właściwości jest znacznie lepszy od żeliwa, łatwo daje się hartować, kuć, walcować i poddać innej obróbce. Wszystkie rodzaje stali charakteryzują się dużą wytrzymałością i ciągliwością.
Zgodnie z przeznaczeniem stal dzieli się na konstrukcyjną, instrumentalną, a także o specjalnych właściwościach fizycznych. Każdy z nich zawiera inną ilość węgla, dzięki czemu materiał nabiera określonych właściwości, np. żaroodporności, żaroodporności, odporności na rdzę i korozję.
Szczególne miejsce zajmują stale elektrotechniczne, produkowane w formacie arkuszowym i wykorzystywane do produkcji wyrobów elektrycznych. Aby otrzymać ten materiał, domieszkuje się krzem, co może poprawić jego właściwości magnetyczne i elektryczne.
Aby stal elektryczna uzyskała niezbędne właściwości, należy spełnić określone wymagania i warunki. Materiał musi być łatwo namagnesowany i ponownie namagnesowany, to znaczy mieć wysoką przenikalność magnetyczną. Takie stale mają dobre właściwości, a odwrócenie ich namagnesowania odbywa się przy minimalnych stratach.
Od spełnienia tych wymagań zależą wymiary i masa rdzeni i uzwojeń magnetycznych, a także sprawność transformatorów i ich temperatura pracy. Na spełnienie tych warunków wpływa wiele czynników, m.in. rezystywność stali.
Rezystywność i inne wskaźniki
Wartość oporu elektrycznego jest stosunkiem natężenia pola elektrycznego w metalu i płynącej w nim gęstości prądu. Do obliczeń praktycznych stosuje się wzór: w którym ρ to rezystywność metalu (Ohm*m), mi- natężenie pola elektrycznego (V/m), oraz J- gęstość prądu elektrycznego w metalu (A/m2). Przy bardzo dużym natężeniu pola elektrycznego i małej gęstości prądu rezystywność metalu będzie wysoka.
Istnieje inna wielkość zwana przewodnością elektryczną, która jest odwrotnością rezystywności i wskazuje stopień, w jakim materiał przewodzi prąd elektryczny. Określa się go wzorem i wyraża w jednostkach S/m – siemens na metr.
Rezystywność jest ściśle związana z opornością elektryczną. Mają jednak różnice między sobą. W pierwszym przypadku jest to właściwość materiału, w tym stali, w drugim przypadku określa się właściwość całego obiektu. Na jakość rezystora wpływa połączenie kilku czynników, przede wszystkim kształtu i rezystywności materiału, z którego jest wykonany. Na przykład, jeśli do wykonania rezystora drutowego użyto cienkiego i długiego drutu, wówczas jego rezystancja będzie większa niż rezystora wykonanego z grubego i krótkiego drutu z tego samego metalu.
Innym przykładem są rezystory wykonane z drutów o tej samej średnicy i długości. Jeśli jednak w jednym z nich materiał ma wysoką rezystywność, a w drugim jest niski, wówczas odpowiednio opór elektryczny w pierwszym rezystorze będzie wyższy niż w drugim.
Znając podstawowe właściwości materiału, możesz wykorzystać rezystywność stali do określenia wartości rezystancji stalowego przewodnika. Do obliczeń oprócz oporności elektrycznej potrzebna będzie średnica i długość samego drutu. Obliczenia wykonuje się według wzoru: , w którym R jest (om), ρ - rezystywność stali (Ohm*m), L- odpowiada długości drutu, A- jego pole przekroju poprzecznego.
Istnieje zależność rezystywności stali i innych metali od temperatury. W większości obliczeń stosuje się temperaturę pokojową - 20 0 C. Wszelkie zmiany pod wpływem tego współczynnika uwzględnia się za pomocą współczynnika temperaturowego.
Opór elektryczny wyrażony w omach różni się od pojęcia rezystywności. Aby zrozumieć, czym jest rezystywność, musimy powiązać ją z właściwościami fizycznymi materiału.
O przewodności i oporności
Przepływ elektronów nie przebiega bez przeszkód przez materiał. W stałej temperaturze cząstki elementarne oscylują wokół stanu spoczynku. Ponadto elektrony w paśmie przewodnictwa zakłócają się wzajemnie poprzez wzajemne odpychanie na skutek podobnego ładunku. Tak rodzi się opór.
Przewodność jest nieodłączną cechą materiałów i określa ilościowo łatwość przemieszczania się ładunków, gdy substancja jest wystawiona na działanie pola elektrycznego. Rezystywność jest odwrotnością materiału i opisuje stopień trudności, z jakim elektrony napotykają podczas przemieszczania się przez materiał, dając wskazówkę, jak dobry lub zły jest przewodnik.
Ważny! Oporność elektryczna o wysokiej wartości wskazuje, że materiał jest złym przewodnikiem, natomiast opór o niskiej wartości wskazuje, że materiał jest dobrym przewodnikiem.
Przewodność właściwa oznaczona jest literą σ i obliczana jest według wzoru:
Rezystywność ρ, jako wskaźnik odwrotny, można obliczyć w następujący sposób:
W tym wyrażeniu E jest natężeniem generowanego pola elektrycznego (V/m), a J jest gęstością prądu elektrycznego (A/m²). Wtedy jednostką miary ρ będzie:
V/m x m²/A = om m.
W przypadku przewodności σ jednostką pomiaru jest S/m lub Siemens na metr.
Rodzaje materiałów
Ze względu na rezystywność materiałów można je podzielić na kilka typów:
- Przewodnicy. Należą do nich wszystkie metale, stopy, roztwory zdysocjowane na jony, a także gazy wzbudzone termicznie, w tym plazma. Spośród niemetali jako przykład można wymienić grafit;
- Półprzewodniki, które w rzeczywistości są materiałami nieprzewodzącymi, których sieci krystaliczne są celowo domieszkowane włączeniem obcych atomów z większą lub mniejszą liczbą związanych elektronów. W rezultacie w strukturze sieci powstają quasi-wolne nadmiarowe elektrony lub dziury, które przyczyniają się do przewodnictwa prądu;
- Dielektryki lub izolatory zdysocjowane to wszystkie materiały, które w normalnych warunkach nie mają wolnych elektronów.
Do transportu energii elektrycznej lub w instalacjach elektrycznych do celów domowych i przemysłowych często stosowanym materiałem jest miedź w postaci kabli jednożyłowych lub wielożyłowych. Alternatywnym metalem jest aluminium, chociaż rezystywność miedzi wynosi 60% rezystywności aluminium. Jest jednak znacznie lżejszy od miedzi, co przesądziło o jego zastosowaniu w liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia. Złoto służy jako przewodnik w obwodach elektrycznych specjalnego przeznaczenia.
Ciekawy. Przewodność elektryczna czystej miedzi została przyjęta przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną w 1913 roku jako standard dla tej wartości. Z definicji przewodność miedzi mierzona w temperaturze 20° wynosi 0,58108 S/m. Wartość tę nazywa się 100% LACS, a przewodność pozostałych materiałów wyraża się jako określony procent LACS.
Większość metali ma wartość przewodności mniejszą niż 100% LACS. Istnieją jednak wyjątki, takie jak srebro lub specjalna miedź o bardzo wysokiej przewodności, oznaczone odpowiednio jako C-103 i C-110.
Dielektryki nie przewodzą prądu i służą jako izolatory. Przykłady izolatorów:
- szkło,
- ceramika,
- Plastikowy,
- guma,
- mika,
- wosk,
- papier,
- suche drewno,
- porcelana,
- niektóre tłuszcze do zastosowań przemysłowych i elektrycznych oraz bakelit.
Pomiędzy trzema grupami przejścia są płynne. Wiadomo na pewno: nie ma mediów i materiałów całkowicie nieprzewodzących. Na przykład powietrze jest izolatorem w temperaturze pokojowej, ale pod wpływem silnego sygnału o niskiej częstotliwości może stać się przewodnikiem.
Oznaczanie przewodności
Porównując oporność elektryczną różnych substancji, wymagane są znormalizowane warunki pomiaru:
- W przypadku cieczy, słabych przewodników i izolatorów stosuje się próbki sześcienne o długości krawędzi 10 mm;
- Wartości rezystywności gleb i formacji geologicznych określa się na kostkach o długości każdej krawędzi 1 m;
- Przewodność roztworu zależy od stężenia jego jonów. Stężony roztwór jest mniej zdysocjowany i ma mniej nośników ładunku, co zmniejsza przewodność. Wraz ze wzrostem rozcieńczenia wzrasta liczba par jonowych. Stężenie roztworów ustala się na 10%;
- Do określenia rezystywności przewodów metalowych stosuje się druty o długości metra i przekroju 1 mm².
Jeśli materiał, taki jak metal, może zapewnić wolne elektrony, to po przyłożeniu różnicy potencjałów przez drut przepłynie prąd elektryczny. Wraz ze wzrostem napięcia więcej elektronów przemieszcza się przez substancję do jednostki czasu. Jeżeli wszystkie dodatkowe parametry (temperatura, pole przekroju poprzecznego, długość i materiał drutu) pozostaną niezmienione, wówczas stosunek prądu do przyłożonego napięcia jest również stały i nazywany jest przewodnością:
Odpowiednio opór elektryczny będzie wynosić:
Wynik jest w omach.
Z kolei przewodnik może mieć różną długość, przekrój poprzeczny i być wykonany z różnych materiałów, co decyduje o wartości R. Matematycznie ta zależność wygląda następująco:
Współczynnik materiałowy uwzględnia współczynnik ρ.
Z tego możemy wyprowadzić wzór na rezystancję:
Jeżeli wartości S i l odpowiadają danym warunkom porównawczego obliczenia rezystywności, tj. 1 mm² i 1 m, to ρ = R. Kiedy zmieniają się wymiary przewodnika, zmienia się również liczba omów.
Pojęcie oporu i przewodności elektrycznej
Każde ciało, przez które przepływa prąd elektryczny, stawia mu pewien opór. Właściwość materiału przewodnika polegająca na zapobieganiu przepływowi prądu elektrycznego przez niego nazywa się oporem elektrycznym.
Teoria elektroniczna wyjaśnia istotę oporu elektrycznego przewodników metalowych. Wolne elektrony, poruszając się wzdłuż przewodnika, niezliczoną ilość razy napotykają na swojej drodze atomy i inne elektrony i wchodząc z nimi w interakcję, nieuchronnie tracą część swojej energii. Elektrony doświadczają swego rodzaju oporu w swoim ruchu. Różne przewodniki metalowe, mające różną budowę atomową, oferują różną odporność na prąd elektryczny.
To samo wyjaśnia opór przewodników cieczy i gazów na przepływ prądu elektrycznego. Nie powinniśmy jednak zapominać, że w tych substancjach to nie elektrony, ale naładowane cząstki cząsteczek napotykają opór podczas swojego ruchu.
Opór jest oznaczony łacińskimi literami R lub r.
Jednostką oporu elektrycznego jest om.
Om to opór słupka rtęci o wysokości 106,3 cm i przekroju 1 mm2 w temperaturze 0°C.
Jeśli na przykład opór elektryczny przewodnika wynosi 4 omy, wówczas jest to zapisane w ten sposób: R = 4 omy lub r = 4 omy.
Do pomiaru dużych rezystancji używa się jednostki zwanej megaomem.
Jeden megaom jest równy milionowi omów.
Im większy opór przewodnika, tym gorzej przewodzi on prąd elektryczny i odwrotnie, im niższy opór przewodnika, tym łatwiej jest przez niego przepływać prąd elektryczny.
W związku z tym, aby scharakteryzować przewodnik (z punktu widzenia przepływu przez niego prądu elektrycznego), można wziąć pod uwagę nie tylko jego opór, ale także odwrotność oporu i zwaną przewodnością.
Przewodnictwo elektryczne to zdolność materiału do przepuszczania prądu elektrycznego przez siebie.
Ponieważ przewodność jest odwrotnością oporu, wyraża się ją jako 1/R, a przewodność oznacza się łacińską literą g.
Wpływ materiału przewodnika, jego wymiarów i temperatury otoczenia na wartość oporu elektrycznego
Rezystancja różnych przewodników zależy od materiału, z którego są wykonane. Aby scharakteryzować oporność elektryczną różnych materiałów, wprowadzono pojęcie tzw. rezystywności.
Oporność to opór przewodnika o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm2. Rezystywność jest oznaczona literą p alfabetu greckiego. Każdy materiał, z którego wykonany jest przewodnik, ma swoją własną rezystywność.
Przykładowo rezystywność miedzi wynosi 0,017, co oznacza, że miedziany przewodnik o długości 1 m i przekroju 1 mm2 ma rezystancję 0,017 oma. Rezystywność aluminium wynosi 0,03, rezystywność żelaza wynosi 0,12, rezystywność konstantanu wynosi 0,48, rezystywność nichromu wynosi 1-1,1.
Opór przewodnika jest wprost proporcjonalny do jego długości, tj. im dłuższy przewodnik, tym większy jest jego opór elektryczny.
Rezystancja przewodnika jest odwrotnie proporcjonalna do jego pola przekroju poprzecznego, tzn. im grubszy przewodnik, tym mniejszy jest jego opór i odwrotnie, im cieńszy przewodnik, tym większy jest jego opór.
Aby lepiej zrozumieć tę zależność, wyobraźmy sobie dwie pary naczyń połączonych, przy czym jedna para naczyń ma cienką rurkę łączącą, a druga grubszą. Oczywiste jest, że gdy jedno z naczyń (każda para) zostanie napełnione wodą, jej przejście do drugiego naczynia przez grubą rurkę nastąpi znacznie szybciej niż przez cienką rurkę, czyli gruba rurka będzie miała mniejszy opór przepływu Z wody. Podobnie prąd elektryczny łatwiej jest przepływać przez gruby przewodnik niż przez cienki, to znaczy pierwszy stawia mu mniejszy opór niż drugi.
Opór elektryczny przewodnika jest równy oporności materiału, z którego wykonany jest przewodnik, pomnożonym przez długość przewodnika i podzielonym przez pole przekroju poprzecznego przewodnika:
R = đ l/S,
Gdzie - R to rezystancja przewodnika, om, l to długość przewodnika w m, S to pole przekroju poprzecznego przewodnika, mm 2.
Pole przekroju okrągłego przewodu obliczane według wzoru:
S = π re 2 / 4
Gdzie π - wartość stała równa 3,14; d jest średnicą przewodnika.
A tak określa się długość przewodu:
l = S R / p,
Wzór ten pozwala wyznaczyć długość przewodnika, jego przekrój i rezystywność, jeśli znane są pozostałe wielkości zawarte we wzorze.
Jeśli konieczne jest określenie pola przekroju przewodu, wówczas wzór przyjmuje następującą postać:
S = р l / R
Przekształcając ten sam wzór i rozwiązując równość względem p, znajdujemy rezystywność przewodnika:
R = R S / l
Ostatni wzór należy zastosować w przypadkach, gdy znana jest rezystancja i wymiary przewodnika, ale jego materiał jest nieznany, a ponadto trudny do określenia na podstawie wyglądu. Aby to zrobić, musisz określić rezystywność przewodnika i korzystając z tabeli znaleźć materiał o takiej rezystywności.
Innym powodem wpływającym na rezystancję przewodników jest temperatura.
Ustalono, że wraz ze wzrostem temperatury rezystancja przewodników metalowych wzrasta, a wraz ze spadkiem temperatury maleje. Ten wzrost lub spadek rezystancji w przypadku przewodników z czystego metalu jest prawie taki sam i wynosi średnio 0,4% na 1°C. Opór przewodników cieczy i węgla zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury.
Elektroniczna teoria budowy materii podaje następujące wyjaśnienie wzrostu rezystancji przewodników metalowych wraz ze wzrostem temperatury. Po podgrzaniu przewodnik otrzymuje energię cieplną, która nieuchronnie jest przekazywana do wszystkich atomów substancji, w wyniku czego wzrasta intensywność ich ruchu. Zwiększony ruch atomów powoduje większy opór dla kierunkowego ruchu wolnych elektronów, dlatego wzrasta opór przewodnika. Wraz ze spadkiem temperatury powstają lepsze warunki dla kierunkowego ruchu elektronów, a rezystancja przewodnika maleje. To wyjaśnia interesujące zjawisko - nadprzewodnictwo metali.
Nadprzewodnictwo, tj. spadek odporności metali na zero, następuje przy ogromnej ujemnej temperaturze - 273 ° C, zwanej zerem absolutnym. W temperaturze zera absolutnego atomy metali wydają się zastygać w miejscu, w żaden sposób nie zakłócając ruchu elektronów.
Przelicznik długości i odległości Przelicznik masy Przelicznik miar objętości produktów sypkich i produktów spożywczych Przelicznik powierzchni Przelicznik objętości i jednostek miar w przepisach kulinarnych Przelicznik temperatury Przelicznik ciśnienia, naprężenia mechanicznego, modułu Younga Przelicznik energii i pracy Przelicznik mocy Przelicznik siły Przelicznik czasu Przelicznik prędkości liniowej Przelicznik kąta płaskiego Przelicznik sprawności cieplnej i zużycia paliwa Przelicznik liczb w różnych systemach liczbowych Przelicznik jednostek miary ilości informacji Kursy walut Rozmiary odzieży i obuwia damskiego Rozmiary odzieży i obuwia męskiego Przetwornik prędkości kątowej i częstotliwości obrotu Przetwornik przyspieszenia Przelicznik przyspieszenia kątowego Przelicznik gęstości Przelicznik objętości właściwej Przelicznik momentu bezwładności Przelicznik momentu siły Przelicznik momentu obrotowego Przelicznik ciepła właściwego spalania (masowo) Przelicznik gęstości energii i ciepła właściwego spalania (objętościowo) Przelicznik różnicy temperatur Przelicznik współczynnika rozszerzalności cieplnej Przelicznik oporu cieplnego Przetwornik przewodności cieplnej Przelicznik pojemności cieplnej Przelicznik ekspozycji na energię i mocy promieniowania cieplnego Przelicznik gęstości strumienia ciepła Przelicznik współczynnika przenikania ciepła Przelicznik objętościowego natężenia przepływu Przelicznik masowego natężenia przepływu Przelicznik molowego natężenia przepływu Przelicznik masowego natężenia przepływu Przelicznik stężenia molowego Przelicznik stężenia masowego w roztworze Dynamiczny (absolutny) przelicznik lepkości Przelicznik lepkości kinematycznej Przelicznik napięcia powierzchniowego Przelicznik przepuszczalności pary Przelicznik przepuszczalności pary i szybkości przenikania pary Przelicznik poziomu dźwięku Przelicznik czułości mikrofonu Przelicznik poziomu ciśnienia akustycznego (SPL) Przelicznik poziomu ciśnienia akustycznego z możliwością wyboru ciśnienia odniesienia Przelicznik luminancji Przelicznik natężenia światła Przelicznik natężenia oświetlenia Przelicznik rozdzielczości grafiki komputerowej Przetwornik częstotliwości i długości fali Moc dioptrii i ogniskowa Moc dioptrii i powiększenie obiektywu (×) Konwerter ładunku elektrycznego Przetwornik gęstości ładunku liniowego Przetwornik gęstości ładunku powierzchniowego Przetwornik gęstości ładunku objętościowego Przetwornik prądu elektrycznego Przetwornik gęstości prądu liniowego Przetwornik gęstości prądu powierzchniowego Przetwornik natężenia pola elektrycznego Potencjał elektrostatyczny i konwerter napięcia Konwerter rezystancji elektrycznej Konwerter rezystywności elektrycznej Konwerter przewodności elektrycznej Konwerter przewodności elektrycznej Pojemność elektryczna Konwerter indukcyjności Amerykański konwerter grubości drutu Poziomy w dBm (dBm lub dBm), dBV (dBV), watach itp. jednostki Przetwornik siły magnetomotorycznej Przetwornik natężenia pola magnetycznego Przetwornik strumienia magnetycznego Przetwornik indukcji magnetycznej Promieniowanie. Przelicznik dawki promieniowania jonizującego pochłoniętego Radioaktywność. Konwerter rozpadu promieniotwórczego Promieniowanie. Przelicznik dawki ekspozycji Promieniowanie. Przelicznik dawki pochłoniętej Konwerter przedrostków dziesiętnych Przesyłanie danych Konwerter jednostek typografii i przetwarzania obrazu Przelicznik jednostek objętości drewna Obliczanie masy molowej Układ okresowy pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa
1 om centymetr [om cm] = 0,01 om metra [om m]
Wartość początkowa
Przeliczona wartość
om metr om centymetr om cal mikroom centymetr mikroom cal brzuch centymetr statom na centymetr okrągły mil om na stopę om kwadratowy. milimetr na metr
Więcej o oporności elektrycznej
Informacje ogólne
Gdy tylko elektryczność opuściła laboratoria naukowców i zaczęła być szeroko wprowadzana do praktyki życia codziennego, pojawiło się pytanie o poszukiwanie materiałów posiadających pewne, czasem zupełnie przeciwne, właściwości w stosunku do przepływu przez nie prądu elektrycznego.
Na przykład podczas przesyłania energii elektrycznej na duże odległości wymagany był materiał drutu, aby zminimalizować straty spowodowane nagrzewaniem Joule'a w połączeniu z niską wagą. Przykładem są znane linie wysokiego napięcia wykonane z drutów aluminiowych ze stalowym rdzeniem.
Lub odwrotnie, aby stworzyć kompaktowe rurowe grzejniki elektryczne, potrzebne były materiały o stosunkowo dużej rezystancji elektrycznej i wysokiej stabilności termicznej. Najprostszym przykładem urządzenia wykorzystującego materiały o podobnych właściwościach jest palnik zwykłej kuchenki elektrycznej.
Przewodniki stosowane w biologii i medycynie jako elektrody, sondy i sondy wymagają dużej odporności chemicznej i kompatybilności z biomateriałami, w połączeniu z niską rezystancją styku.
Cała plejada wynalazców z różnych krajów: Anglii, Rosji, Niemiec, Węgier i USA przyczyniła się do opracowania tak znanego już urządzenia, jak lampa żarowa. Thomas Edison, po przeprowadzeniu ponad tysiąca eksperymentów sprawdzających właściwości materiałów odpowiednich do roli żarników, stworzył lampę ze spiralą platynową. Lampy Edisona, choć miały długą żywotność, nie były praktyczne ze względu na wysoki koszt materiału źródłowego.
Późniejsze prace rosyjskiego wynalazcy Lodygina, który zaproponował zastosowanie jako materiałów ciągłych stosunkowo taniego, ogniotrwałego wolframu i molibdenu o wyższej rezystywności, znalazły praktyczne zastosowanie. Ponadto Lodygin zaproponował wypompowanie powietrza z cylindrów lamp żarowych i zastąpienie go gazami obojętnymi lub szlachetnymi, co doprowadziło do powstania nowoczesnych lamp żarowych. Pionierem masowej produkcji niedrogich i trwałych lamp elektrycznych była firma General Electric, której Lodygin przekazał prawa do swoich patentów, a następnie przez długi czas z sukcesem pracował w laboratoriach firmy.
Tę listę można kontynuować, gdyż dociekliwy umysł ludzki jest na tyle pomysłowy, że czasami, aby rozwiązać konkretny problem techniczny, potrzebuje materiałów o niespotykanych dotychczas właściwościach lub o niesamowitych kombinacjach tych właściwości. Natura nie nadąża już za naszymi apetytami, a naukowcy z całego świata włączyli się w wyścig o stworzenie materiałów niemających naturalnych odpowiedników.
Jedną z najważniejszych cech materiałów naturalnych i syntetycznych jest oporność elektryczna. Przykładem urządzenia elektrycznego, w którym ta właściwość jest wykorzystywana w czystej postaci, jest bezpiecznik chroniący nasz sprzęt elektryczny i elektroniczny przed działaniem prądu przekraczającego dopuszczalne wartości.
Należy zaznaczyć, że to domowe zamienniki standardowych bezpieczników, wykonane bez znajomości rezystywności materiału, powodują czasami nie tylko przepalenie różnych elementów obwodów elektrycznych, ale także pożary w domach i pożary przewodów w samochodach.
To samo dotyczy wymiany bezpieczników w sieciach elektroenergetycznych, gdy zamiast bezpiecznika o niższej wartości instaluje się bezpiecznik o wyższym prądzie pracy. Prowadzi to do przegrzania instalacji elektrycznej, a w konsekwencji do pożarów o tragicznych konsekwencjach. Dotyczy to szczególnie domów szkieletowych.
Odniesienie historyczne
Koncepcja właściwego oporu elektrycznego pojawiła się dzięki pracom słynnego niemieckiego fizyka Georga Ohma, który teoretycznie uzasadnił i poprzez liczne eksperymenty udowodnił związek pomiędzy natężeniem prądu, siłą elektromotoryczną akumulatora i rezystancją wszystkich części akumulatora. obwód elektryczny, odkrywając w ten sposób prawo elementarnego obwodu elektrycznego, który następnie został nazwany jego imieniem. Ohm badał zależność wielkości przepływającego prądu od wielkości przyłożonego napięcia, od długości i kształtu materiału przewodnika, a także od rodzaju materiału użytego jako ośrodek przewodzący.
Jednocześnie należy oddać hołd twórczości Sir Humphry’ego Davy’ego, angielskiego chemika, fizyka i geologa, który jako pierwszy ustalił zależność oporu elektrycznego przewodnika od jego długości i pola przekroju poprzecznego, a także zauważył również zależność przewodności elektrycznej od temperatury.
Badając zależność przepływu prądu elektrycznego od rodzaju materiałów, Ohm odkrył, że każdy dostępny mu materiał przewodzący ma jakąś charakterystyczną cechę związaną z właściwym mu oporem na przepływ prądu.
Należy zaznaczyć, że w czasach Ohma jeden z najpowszechniejszych współcześnie przewodników – aluminium – miał status metalu szczególnie szlachetnego, dlatego Ohm ograniczył się do eksperymentów z miedzią, srebrem, złotem, platyną, cynkiem, cyną, ołowiem i żelazem .
Ostatecznie Ohm wprowadził koncepcję oporności elektrycznej materiału jako podstawową cechę, nie wiedząc absolutnie nic o naturze przepływu prądu w metalach ani zależności ich rezystancji od temperatury.
Specyficzny opór elektryczny. Definicja
Oporność elektryczna lub po prostu oporność jest podstawową cechą fizyczną materiału przewodzącego, która charakteryzuje zdolność substancji do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego. Jest on oznaczany grecką literą ρ (wymawiane rho) i obliczany na podstawie empirycznego wzoru na obliczenie oporu uzyskanego przez Georga Ohma.
lub stąd
gdzie R to rezystancja w omach, S to powierzchnia w m²/, L to długość w m
Wymiar oporności elektrycznej w Międzynarodowym Układzie Jednostek SI wyraża się w omach.
Jest to rezystancja przewodnika o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 m² / 1 om.
W elektrotechnice dla wygody obliczeń zwyczajowo stosuje się pochodną wartości oporu elektrycznego wyrażoną w omach mm²/m. Wartości rezystywności najpopularniejszych metali i ich stopów można znaleźć w odpowiednich podręcznikach.
Tabele 1 i 2 pokazują wartości rezystywności różnych najpopularniejszych materiałów.
Tabela 1. Rezystywność niektórych metali
Tabela 2. Rezystywność popularnych stopów
Specyficzne opory elektryczne różnych mediów. Fizyka zjawisk
Oporność elektryczna metali i ich stopów, półprzewodników i dielektryków
Dziś, uzbrojeni w wiedzę, jesteśmy w stanie z wyprzedzeniem obliczyć opór elektryczny dowolnego materiału, zarówno naturalnego, jak i syntetycznego, na podstawie jego składu chemicznego i oczekiwanego stanu skupienia.
Wiedza ta pozwala nam lepiej wykorzystać możliwości materiałów, czasem dość egzotycznych i niepowtarzalnych.
Zgodnie z panującymi poglądami, z punktu widzenia fizyki, ciała stałe dzielą się na substancje krystaliczne, polikrystaliczne i amorficzne.
Najprostszym sposobem, w sensie technicznego obliczenia rezystywności lub jej pomiaru, jest użycie substancji amorficznych. Nie mają wyraźnej struktury krystalicznej (choć mogą zawierać mikroskopijne wtrącenia takich substancji), są stosunkowo jednorodne pod względem składu chemicznego i wykazują właściwości charakterystyczne dla danego materiału.
W przypadku substancji polikrystalicznych, utworzonych przez zbiór stosunkowo małych kryształów o tym samym składzie chemicznym, zachowanie właściwości nie różni się zbytnio od zachowania substancji amorficznych, ponieważ opór elektryczny z reguły definiuje się jako integralną skumulowaną właściwość daną próbkę materiału.
Sytuacja jest bardziej skomplikowana w przypadku substancji krystalicznych, zwłaszcza monokryształów, które mają różną oporność elektryczną i inne właściwości elektryczne w stosunku do osi symetrii swoich kryształów. Ta właściwość nazywa się anizotropią kryształu i jest szeroko stosowana w technologii, w szczególności w obwodach radiowych oscylatorów kwarcowych, gdzie stabilność częstotliwości jest dokładnie określona przez generowanie częstotliwości właściwych dla danego kryształu kwarcu.
Każdy z nas, będąc posiadaczem komputera, tabletu, telefonu komórkowego czy smartfona, także posiadacze zegarków elektronicznych aż po iWatch, jest także posiadaczem kryształu kwarcu. Na tej podstawie możemy ocenić skalę zastosowania rezonatorów kwarcowych w elektronice, sięgającą dziesiątek miliardów.
Dodatkowo rezystywność wielu materiałów, szczególnie półprzewodników, zależy od temperatury, dlatego dane referencyjne podaje się zwykle w temperaturze pomiaru, zwykle 20°C.
Unikalne właściwości platyny, która ma stałą i dobrze poznaną zależność rezystancji elektrycznej od temperatury, a także możliwość uzyskania metalu o wysokiej czystości, posłużyły jako przesłanka do stworzenia opartych na niej czujników w szerokim zakresie temperatur zakres.
W przypadku metali rozrzut referencyjnych wartości rezystywności zależy od sposobu przygotowania próbek i czystości chemicznej metalu danej próbki.
W przypadku stopów większy rozrzut wartości rezystywności odniesienia wynika ze sposobów przygotowania próbek i zmienności składu stopu.
Specyficzny opór elektryczny cieczy (elektrolitów)
Zrozumienie rezystywności cieczy opiera się na teoriach dysocjacji termicznej oraz ruchliwości kationów i anionów. Przykładowo, w najpowszechniejszej cieczy na Ziemi – zwykłej wodzie, część jej cząsteczek pod wpływem temperatury rozpada się na jony: kationy H+ i aniony OH–. Po przyłożeniu zewnętrznego napięcia do elektrod zanurzonych w wodzie w normalnych warunkach powstaje prąd w wyniku ruchu wspomnianych jonów. Jak się okazało, w wodzie tworzą się całe asocjacje cząsteczek – klastry, czasem łączące się z kationami H+ lub anionami OH–. Zatem przenoszenie jonów przez klastry pod wpływem napięcia elektrycznego następuje w następujący sposób: przyjmując jon w kierunku przyłożonego pola elektrycznego z jednej strony, klaster „upuszcza” podobny jon na drugą stronę. Obecność klastrów w wodzie doskonale wyjaśnia fakt naukowy, że w temperaturze około 4°C woda ma największą gęstość. Większość cząsteczek wody jest skupiona w wyniku działania wiązań wodorowych i kowalencyjnych, prawie w stanie kwazikrystalicznym; dysocjacja termiczna jest minimalna, a tworzenie się kryształków lodu o mniejszej gęstości (lód unosi się w wodzie) jeszcze się nie rozpoczęło.
Ogólnie rzecz biorąc, rezystywność cieczy jest bardziej zależna od temperatury, dlatego tę charakterystykę mierzy się zawsze w temperaturze 293 K, co odpowiada temperaturze 20 °C.
Oprócz wody istnieje wiele innych rozpuszczalników, które mogą tworzyć kationy i aniony substancji rozpuszczalnych. Znajomość i pomiar rezystywności takich roztworów ma także duże znaczenie praktyczne.
W przypadku wodnych roztworów soli, kwasów i zasad stężenie substancji rozpuszczonej odgrywa znaczącą rolę w określaniu rezystywności roztworu. Przykładem jest poniższa tabela, która pokazuje wartości rezystywności różnych substancji rozpuszczonych w wodzie o temperaturze 18 °C:
Tabela 3. Wartości rezystywności różnych substancji rozpuszczonych w wodzie o temperaturze 18°C
Dane w tabeli pochodzą z Krótkiego podręcznika fizyko-technicznego, tom 1, - M.: 1960
Specyficzna rezystancja izolatorów
Cała klasa różnych substancji, które mają stosunkowo wysoką rezystywność, ma ogromne znaczenie w dziedzinach elektrotechniki, elektroniki, radiotechniki i robotyki. Niezależnie od stanu skupienia, czy to w postaci stałej, ciekłej czy gazowej, substancje takie nazywane są izolatorami. Materiały takie służą do izolowania od siebie poszczególnych części obwodów elektrycznych.
Przykładem izolatorów stałych jest znana nam elastyczna taśma izolacyjna, dzięki której przywracamy izolację przy łączeniu różnych przewodów. Wiele osób zna porcelanowe izolatory zawieszenia do napowietrznych linii energetycznych, płyty tekstolitowe z elementami elektronicznymi zawartymi w większości produktów elektronicznych, ceramikę, szkło i wiele innych materiałów. Nowoczesne solidne materiały izolacyjne na bazie tworzyw sztucznych i elastomerów pozwalają na bezpieczne stosowanie prądu elektrycznego o różnych napięciach w szerokiej gamie urządzeń i przyrządów.
Oprócz izolatorów stałych, w elektrotechnice szeroko stosowane są izolatory ciekłe o wysokiej rezystywności. W transformatorach mocy sieci elektrycznych ciekły olej transformatorowy zapobiega awariom międzyzwojowym na skutek samoindukcyjnego pola elektromagnetycznego, niezawodnie izolując zwoje uzwojeń. W przełącznikach olejowych olej służy do gaszenia łuku elektrycznego powstającego podczas przełączania źródeł prądu. Olej kondensatorowy służy do tworzenia kompaktowych kondensatorów o wysokich parametrach elektrycznych; Oprócz tych olejów jako izolatory cieczy stosuje się naturalny olej rycynowy i oleje syntetyczne.
Przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wszystkie gazy i ich mieszaniny są doskonałymi izolatorami z punktu widzenia elektrotechniki, ale gazy szlachetne (ksenon, argon, neon, krypton) ze względu na swoją obojętność mają wyższą rezystywność, co jest szeroko stosowane w niektóre obszary technologii.
Ale najpopularniejszym izolatorem jest powietrze, składające się głównie z azotu cząsteczkowego (75% masy), tlenu cząsteczkowego (23,15% masy), argonu (1,3% masy), dwutlenku węgla, wodoru, wody i niektórych zanieczyszczeń, różnych gazów szlachetnych. Izoluje przepływ prądu w konwencjonalnych domowych wyłącznikach światła, przekaźnikowych wyłącznikach prądu, rozrusznikach magnetycznych i przełącznikach mechanicznych. Należy zauważyć, że spadek ciśnienia gazów lub ich mieszanin poniżej ciśnienia atmosferycznego prowadzi do wzrostu ich rezystywności elektrycznej. Idealnym izolatorem w tym sensie jest próżnia.
Oporność elektryczna różnych gruntów
Jednym z najważniejszych sposobów ochrony człowieka przed szkodliwym działaniem prądu elektrycznego podczas awarii instalacji elektrycznej jest uziemienie ochronne.
Jest to celowe połączenie obudowy lub obudowy urządzeń elektrycznych z uziemieniem ochronnym. Zazwyczaj uziemienie wykonuje się w postaci stalowych lub miedzianych pasków, rur, prętów lub narożników zakopanych w ziemi na głębokość większą niż 2,5 metra, które w razie wypadku zapewniają przepływ prądu wzdłuż urządzenia obwodowego - obudowa lub obudowa - masa - przewód neutralny źródła prądu przemiennego. Rezystancja tego obwodu nie powinna przekraczać 4 omów. W takim przypadku napięcie na korpusie urządzenia awaryjnego zostaje zredukowane do wartości bezpiecznych dla człowieka, a automatyczne urządzenia zabezpieczające obwód w taki czy inny sposób wyłączają urządzenie awaryjne.
Przy obliczaniu elementów uziemienia ochronnego znaczącą rolę odgrywa znajomość rezystywności gruntów, która może się znacznie różnić.
Zgodnie z danymi w tabelach referencyjnych wybiera się powierzchnię urządzenia uziemiającego, z niej oblicza się liczbę elementów uziemiających i rzeczywistą konstrukcję całego urządzenia. Elementy konstrukcyjne uziemienia ochronnego są łączone poprzez spawanie.
Tomografia elektryczna
Poszukiwanie elektryczne bada przypowierzchniowe środowisko geologiczne i służy do poszukiwania rud i minerałów niemetalicznych oraz innych obiektów w oparciu o badanie różnych sztucznych pól elektrycznych i elektromagnetycznych. Szczególnym przypadkiem poszukiwań elektrycznych jest tomografia elektryczna (ang. Electric Resistivity Tomography) – metoda określania właściwości skał na podstawie ich oporności.
Istota metody polega na tym, że w określonym położeniu źródła pola elektrycznego dokonuje się pomiaru napięcia na różnych sondach, następnie źródło pola przenosi się w inne miejsce lub przełącza na inne źródło i powtarza pomiary. Źródła pola i sondy odbiornika pola umieszczane są na powierzchni i w studniach.
Następnie uzyskane dane są przetwarzane i interpretowane przy użyciu nowoczesnych metod przetwarzania komputerowego, które umożliwiają wizualizację informacji w postaci obrazów dwuwymiarowych i trójwymiarowych.
Tomografia elektryczna, będąc bardzo dokładną metodą poszukiwań, stanowi nieocenioną pomoc dla geologów, archeologów i paleozoologów.
Określenie formy występowania złóż kopalin oraz granic ich rozmieszczenia (zarysowanie) pozwala na identyfikację występowania złóż żyłkowych kopalin, co znacząco obniża koszty ich późniejszego zagospodarowania.
Dla archeologów ta metoda poszukiwań dostarcza cennych informacji na temat lokalizacji starożytnych pochówków i obecności w nich artefaktów, zmniejszając tym samym koszty wykopalisk.
Paleozoolodzy wykorzystują tomografię elektryczną do poszukiwania skamieniałych szczątków starożytnych zwierząt; efekty ich pracy można oglądać w muzeach przyrodniczych w postaci zachwycających rekonstrukcji szkieletów prehistorycznej megafauny.
Ponadto tomografię elektryczną wykorzystuje się podczas budowy i późniejszej eksploatacji obiektów inżynierskich: wieżowców, zapór, wałów, nasypów i innych.
Definicje rezystancji w praktyce
Czasami, aby rozwiązać problemy praktyczne, możemy stanąć przed zadaniem określenia składu substancji, na przykład drutu do cięcia styropianu. Posiadamy dwie cewki drutu o odpowiedniej średnicy z różnych, nieznanych nam materiałów. Aby rozwiązać problem, należy znaleźć ich rezystywność elektryczną, a następnie korzystając z różnicy znalezionych wartości lub korzystając z tabeli przeglądowej, określić materiał drutu.
Mierzymy za pomocą miarki i odcinamy 2 metry drutu z każdej próbki. Określmy średnice drutów d₁ i d₂ za pomocą mikrometru. Po włączeniu multimetru do dolnej granicy pomiaru rezystancji mierzymy rezystancję próbki R₁. Czynność powtarzamy dla kolejnej próbki i mierzymy także jej rezystancję R₂.
Weźmy pod uwagę, że pole przekroju drutów oblicza się według wzoru
S = π d 2 /4
Teraz wzór na obliczenie oporności elektrycznej będzie wyglądał następująco:
ρ = R π re 2 /4 L
Podstawiając otrzymane wartości L, d₁ i R₁ do wzoru na obliczenie rezystywności podanego w powyższym artykule, obliczamy wartość ρ₁ dla pierwszej próbki.
ρ 1 = 0,12 oma mm 2 /m
Podstawiając otrzymane wartości L, d₂ i R₂ do wzoru, obliczamy wartość ρ₂ dla drugiej próbki.
ρ2 = 1,2 oma mm2/m
Z porównania wartości ρ₁ i ρ₂ z danymi referencyjnymi w tabeli 2 powyżej wnioskujemy, że materiałem pierwszej próbki jest stal, a drugiej nichrom, z którego wykonamy strunę tnącą.
Czy tłumaczenie jednostek miar z jednego języka na drugi sprawia Ci trudność? Koledzy są gotowi Ci pomóc. Zadaj pytanie w TCTerms a w ciągu kilku minut otrzymasz odpowiedź.
Termin „rezystywność” odnosi się do parametru, jaki posiada miedź lub inny metal i jest dość często spotykany w literaturze specjalistycznej. Warto zrozumieć, co to oznacza.
Jeden z rodzajów kabla miedzianego
Ogólne informacje na temat oporu elektrycznego
Najpierw powinniśmy rozważyć koncepcję oporu elektrycznego. Jak wiadomo, pod wpływem prądu elektrycznego na przewodnik (a miedź jest jednym z najlepiej przewodzących metali) część znajdujących się w nim elektronów opuszcza swoje miejsce w sieci krystalicznej i kieruje się w stronę dodatniego bieguna przewodnika. Jednak nie wszystkie elektrony opuszczają sieć krystaliczną, część z nich pozostaje w niej i nadal kręci się wokół jądra atomowego. To właśnie te elektrony, a także atomy znajdujące się w węzłach sieci krystalicznej, wytwarzają opór elektryczny, który uniemożliwia ruch uwolnionych cząstek.
Proces ten, który pokrótce opisaliśmy, jest typowy dla każdego metalu, w tym miedzi. Naturalnie różne metale, z których każdy ma specjalny kształt i rozmiar sieci krystalicznej, w różny sposób przeciwstawiają się przepływowi przez nie prądu elektrycznego. Właśnie te różnice charakteryzują rezystywność - wskaźnik indywidualny dla każdego metalu.
Zastosowania miedzi w układach elektrycznych i elektronicznych
Aby zrozumieć powód popularności miedzi jako materiału do produkcji elementów układów elektrycznych i elektronicznych, wystarczy spojrzeć na wartość jej rezystywności w tabeli. W przypadku miedzi parametr ten wynosi 0,0175 oma*mm2/metr. Pod tym względem miedź ustępuje jedynie srebrowi.
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, jaką charakteryzuje się miedź, pozwala na wykorzystanie jej do produkcji urządzeń elektrycznych charakteryzujących się wysokimi właściwościami energooszczędnymi. Ponadto temperatura przewodników miedzianych wzrasta bardzo nieznacznie, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.
Co wpływa na wartość rezystancji?
Ważne jest, aby wiedzieć, że istnieje zależność wartości rezystywności od czystości chemicznej metalu. Gdy miedź zawiera nawet niewielką ilość aluminium (0,02%), wartość tego parametru może znacząco wzrosnąć (do 10%).
Na współczynnik ten wpływa również temperatura przewodnika. Wyjaśnia to fakt, że wraz ze wzrostem temperatury nasilają się drgania atomów metalu w węzłach jego sieci krystalicznej, co prowadzi do wzrostu współczynnika rezystywności.
Dlatego we wszystkich tabelach referencyjnych wartość tego parametru podana jest z uwzględnieniem temperatury 20 stopni.
Jak obliczyć całkowity opór przewodnika?
Znajomość rezystancji jest istotna w celu przeprowadzenia wstępnych obliczeń parametrów sprzętu elektrycznego podczas jego projektowania. W takich przypadkach określa się całkowitą rezystancję przewodów projektowanego urządzenia, mających określony rozmiar i kształt. Po sprawdzeniu wartości rezystywności przewodnika za pomocą tabeli referencyjnej, określeniu jego wymiarów i pola przekroju, można obliczyć wartość jego rezystancji całkowitej, korzystając ze wzoru:
W tej formule używana jest następująca notacja:
- R jest całkowitą rezystancją przewodnika, którą należy określić;
- p jest rezystywnością metalu, z którego wykonany jest przewodnik (określoną z tabeli);
- l jest długością przewodnika;
- S jest jego polem przekroju poprzecznego.