Wysoka rezystywność. Rezystancja miedzi w zależności od temperatury
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.
Jednym z najpopularniejszych metali w przemyśle jest miedź. Jest najczęściej stosowany w elektryce i elektronice. Najczęściej wykorzystuje się go do produkcji uzwojeń do silników elektrycznych i transformatorów. Głównym powodem stosowania tego konkretnego materiału jest to, że miedź ma najniższą oporność elektryczną ze wszystkich obecnie dostępnych materiałów. Dopóki nie pojawi się nowy materiał o niższej wartości tego wskaźnika, możemy śmiało powiedzieć, że miedzi nie zastąpi.
Ogólna charakterystyka miedzi
Mówiąc o miedzi, trzeba powiedzieć, że u zarania ery elektrycznej zaczęto ją stosować w produkcji sprzętu elektrycznego. Zaczęto go stosować w dużej mierze ze względu na unikalne właściwości, jakie posiada ten stop. Sam w sobie jest materiałem charakteryzującym się wysokimi właściwościami w zakresie ciągliwości i dobrej plastyczności.
Oprócz przewodności cieplnej miedzi, jedną z jej najważniejszych zalet jest wysoka przewodność elektryczna. To właśnie dzięki tej właściwości miedź i stało się powszechne w elektrowniach, w którym pełni rolę uniwersalnego przewodnika. Najcenniejszym materiałem jest miedź elektrolityczna, która charakteryzuje się wysokim stopniem czystości wynoszącym 99,95%. Dzięki temu materiałowi możliwa staje się produkcja kabli.
Plusy stosowania miedzi elektrolitycznej
Zastosowanie miedzi elektrolitycznej pozwala osiągnąć następujące efekty:
- Zapewnij wysoką przewodność elektryczną;
- Osiągnij doskonałe możliwości stylizacji;
- Zapewniają wysoki stopień plastyczności.
Obszary zastosowań
Produkty kablowe wykonane z miedzi elektrolitycznej są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Najczęściej stosuje się go w następujących obszarach:
- przemysł elektryczny;
- urządzenia elektryczne;
- Branża motoryzacyjna;
- produkcja sprzętu komputerowego.
Jaka jest rezystancja?
Aby zrozumieć, czym jest miedź i jej właściwości, konieczne jest zrozumienie głównego parametru tego metalu - rezystywności. Należy je znać i stosować przy wykonywaniu obliczeń.
Rezystywność jest zwykle rozumiana jako wielkość fizyczna, którą charakteryzuje się zdolnością metalu do przewodzenia prądu elektrycznego.
Aby to zrobić, konieczna jest również znajomość tej wartości poprawnie obliczyć opór elektryczny konduktor. Dokonując obliczeń kierują się także jego wymiarami geometrycznymi. Podczas wykonywania obliczeń należy stosować następujący wzór:
Ta formuła jest znana wielu. Za jego pomocą można łatwo obliczyć rezystancję kabla miedzianego, koncentrując się wyłącznie na charakterystyce sieci elektrycznej. Pozwala obliczyć moc, która jest nieefektywnie zużywana na ogrzewanie rdzenia kabla. Oprócz, podobny wzór pozwala obliczyć opór dowolny kabel. Nie ma znaczenia, z jakiego materiału został wykonany kabel - miedź, aluminium czy jakiś inny stop.
Parametr taki jak oporność elektryczna mierzony jest w omach*mm2/m. Ten wskaźnik dla przewodów miedzianych ułożonych w mieszkaniu wynosi 0,0175 oma*mm2/m. Jeśli szukasz alternatywy dla miedzi – materiału, który można by zastosować zamiast niej tylko srebro można uznać za jedyne odpowiednie, którego rezystywność wynosi 0,016 oma*mm2/m. Jednak przy wyborze materiału należy zwrócić uwagę nie tylko na rezystywność, ale także na przewodność odwrotną. Wartość tę mierzy się w Siemensach (Cm).
Siemens = 1/om.
Dla miedzi o dowolnej masie ten parametr składu wynosi 58 100 000 S/m. Jeśli chodzi o srebro, jego przewodność wsteczna wynosi 62 500 000 S/m.
W naszym świecie zaawansowanych technologii, kiedy w każdym domu znajduje się duża liczba urządzeń i instalacji elektrycznych, znaczenie materiału takiego jak miedź jest po prostu nieocenione. Ten materiał użyty do wykonania okablowania, bez którego nie obejdzie się żaden pokój. Gdyby miedź nie istniała, człowiek musiałby używać drutów wykonanych z innych dostępnych materiałów, takich jak aluminium. Jednak w tym przypadku trzeba by się zmierzyć z jednym problemem. Rzecz w tym, że ten materiał ma znacznie niższą przewodność niż przewodniki miedziane.
Oporność
Stosowanie materiałów o niskiej przewodności elektrycznej i cieplnej o dowolnej masie prowadzi do dużych strat energii elektrycznej. A wpływa to na utratę mocy na używanym sprzęcie. Większość ekspertów nazywa miedź głównym materiałem do produkcji izolowanych przewodów. Jest głównym materiałem, z którego wykonane są poszczególne elementy urządzeń zasilanych prądem elektrycznym.
- Płytki instalowane w komputerach wyposażone są w trawione ścieżki miedziane.
- Miedź jest również wykorzystywana do produkcji szerokiej gamy komponentów stosowanych w urządzeniach elektronicznych.
- W transformatorach i silnikach elektrycznych jest to uzwojenie wykonane z tego materiału.
Nie ma wątpliwości, że poszerzanie zakresu zastosowań tego materiału będzie następować wraz z dalszym rozwojem postępu technologicznego. Chociaż oprócz miedzi istnieją inne materiały, projektanci nadal wykorzystują miedź podczas tworzenia sprzętu i różnych instalacji. Głównym powodem popytu na ten materiał jest dobrą przewodnością elektryczną i cieplną tego metalu, który zapewnia w temperaturze pokojowej.
Współczynnik temperaturowy oporu
Wszystkie metale o dowolnej przewodności cieplnej mają właściwość zmniejszania przewodności wraz ze wzrostem temperatury. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta przewodność. Eksperci uważają, że szczególnie interesująca jest właściwość zmniejszania się rezystancji wraz ze spadkiem temperatury. Rzeczywiście w tym przypadku, gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie do określonej wartości, przewodnik może stracić opór elektryczny i przejdzie do klasy nadprzewodników.
Aby określić wartość rezystancji konkretnego przewodnika o określonej masie w temperaturze pokojowej, stosuje się krytyczny współczynnik rezystancji. Jest to wartość pokazująca zmianę rezystancji odcinka obwodu, gdy temperatura zmieni się o jeden Kelwin. Aby obliczyć opór elektryczny przewodnika miedzianego w określonym czasie, użyj następującego wzoru:
ΔR = α*R*ΔT, gdzie α jest współczynnikiem temperaturowym oporu elektrycznego.
Wniosek
Miedź jest materiałem szeroko stosowanym w elektronice. Stosowany jest nie tylko w uzwojeniach i obwodach, ale także jako metal do produkcji wyrobów kablowych. Aby maszyny i urządzenia działały efektywnie, jest to konieczne poprawnie obliczyć rezystancję okablowania, leżał w mieszkaniu. Jest na to pewna formuła. Znając to, możesz wykonać obliczenia, które pozwolą ci znaleźć optymalny rozmiar przekroju kabla. W takim przypadku można uniknąć strat mocy sprzętu i zapewnić jego efektywne wykorzystanie.
Dlatego istotna jest znajomość parametrów wszystkich zastosowanych elementów i materiałów. I to nie tylko elektryczne, ale także mechaniczne. I miej do dyspozycji wygodne materiały referencyjne, które pozwolą ci porównać właściwości różnych materiałów i wybrać do zaprojektowania i pracy dokładnie to, co będzie optymalne w konkretnej sytuacji.
W energetycznych liniach przesyłowych, gdzie celem jest dostarczenie energii do odbiorcy w sposób jak najbardziej produktywny, czyli z dużą sprawnością, uwzględniana jest zarówno ekonomika strat, jak i mechanika samych linii. Ostateczna efektywność ekonomiczna linii zależy od mechaniki – czyli urządzenia i rozmieszczenia przewodów, izolatorów, podpór, transformatorów podwyższających/obniżających, ciężaru i wytrzymałości wszystkich konstrukcji, w tym przewodów rozciąganych na duże odległości, a także materiały dobrane do każdego elementu konstrukcyjnego, jego prace i koszty eksploatacji. Ponadto na liniach przesyłających energię elektryczną obowiązują wyższe wymagania dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa zarówno samych linii, jak i wszystkiego wokół nich, przez które przechodzą. A to zwiększa koszty zarówno zapewnienia okablowania elektrycznego, jak i dodatkowego marginesu bezpieczeństwa wszystkich konstrukcji.
Dla porównania dane są zwykle redukowane do jednej, porównywalnej postaci. Często do takich cech dodaje się epitet „specyficzny”, a same wartości są rozpatrywane w oparciu o pewne standardy ujednolicone parametrami fizycznymi. Na przykład oporność elektryczna to rezystancja (omy) przewodnika wykonanego z jakiegoś metalu (miedzi, aluminium, stali, wolframu, złota) mającego jednostkę długości i jednostkowy przekrój poprzeczny w stosowanym systemie jednostek miar (zwykle SI ). Ponadto określona jest temperatura, ponieważ po podgrzaniu rezystancja przewodów może zachowywać się inaczej. Za podstawę przyjmuje się normalne średnie warunki pracy - w temperaturze 20 stopni Celsjusza. A tam, gdzie przy zmianie parametrów środowiskowych (temperatura, ciśnienie) istotne są właściwości, wprowadza się współczynniki i zestawia dodatkowe tabele i wykresy zależności.
Rodzaje rezystancji
Ponieważ pojawia się opór:
- aktywny - lub omowy, rezystancyjny - powstający w wyniku wydatku energii elektrycznej na ogrzewanie przewodnika (metalu), gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, oraz
- reaktywny - pojemnościowy lub indukcyjny - który powstaje w wyniku nieuniknionych strat w wyniku powstania jakichkolwiek zmian w prądzie przepływającym przez przewodnik pól elektrycznych, wówczas rezystywność przewodnika występuje w dwóch odmianach:
- Specyficzna rezystancja elektryczna na prąd stały (o charakterze rezystancyjnym) i
- Specyficzny opór elektryczny na prąd przemienny (o charakterze reaktywnym).
Tutaj rezystywność typu 2 jest wartością złożoną, składa się z dwóch składowych TC - aktywnej i reaktywnej, ponieważ rezystancja rezystancyjna zawsze istnieje, gdy przepływa prąd, niezależnie od jego charakteru, a rezystancja bierna występuje tylko przy każdej zmianie prądu w obwodach. W obwodach prądu stałego reaktancja występuje tylko podczas procesów przejściowych związanych z włączaniem prądu (zmiana prądu od 0 do nominalnego) lub wyłączaniem (różnica od nominalnego do 0). I zwykle są one brane pod uwagę dopiero przy projektowaniu zabezpieczeń przeciążeniowych.
W obwodach prądu przemiennego zjawiska związane z reaktancją są znacznie bardziej zróżnicowane. Zależą one nie tylko od faktycznego przepływu prądu przez określony przekrój, ale także od kształtu przewodnika, a zależność nie jest liniowa.
Faktem jest, że prąd przemienny indukuje pole elektryczne zarówno wokół przewodnika, przez który przepływa, jak i w samym przewodniku. I z tego pola powstają prądy wirowe, które dają efekt „wypychania” faktycznego głównego ruchu ładunków z głębokości całego przekroju przewodnika na jego powierzchnię, tzw. „Efektu naskórkowości” (od skóra - skóra). Okazuje się, że prądy wirowe zdają się „kraść” przewodnikowi jego przekrój. Prąd płynie pewną warstwą blisko powierzchni, pozostała grubość przewodnika pozostaje niewykorzystana, nie zmniejsza to jego rezystancji i po prostu nie ma sensu zwiększać grubości przewodników. Zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach. Dlatego w przypadku prądu przemiennego rezystancję mierzy się w takich odcinkach przewodów, w których cały jego przekrój można uznać za przypowierzchniowy. Taki drut nazywa się cienkim, jego grubość jest równa dwukrotności głębokości tej warstwy powierzchniowej, gdzie prądy wirowe wypierają użyteczny prąd główny płynący w przewodniku.
Oczywiście zmniejszenie grubości drutów okrągłych nie wyczerpuje efektywnego przewodzenia prądu przemiennego. Przewodnik można pocienić, ale jednocześnie spłaszczyć w postaci taśmy, wówczas przekrój będzie większy niż przekrój drutu okrągłego, a zatem rezystancja będzie niższa. Ponadto samo zwiększenie pola powierzchni będzie skutkować zwiększeniem efektywnego przekroju poprzecznego. To samo można osiągnąć stosując drut linkowy zamiast jednożyłowego, ponadto drut linkowy jest bardziej elastyczny niż drut jednożyłowy, co często jest cenne. Z drugiej strony, biorąc pod uwagę efekt naskórkowania w drutach, możliwe jest wykonanie drutów kompozytowych poprzez wykonanie rdzenia z metalu, który ma dobre właściwości wytrzymałościowe, na przykład stal, ale ma słabe właściwości elektryczne. W tym przypadku na stal nakładany jest oplot aluminiowy, który ma niższą rezystancję.
Oprócz efektu naskórkowości na przepływ prądu przemiennego w przewodnikach wpływa wzbudzenie prądów wirowych w otaczających przewodnikach. Takie prądy nazywane są prądami indukcyjnymi i są indukowane zarówno w metalach, które nie pełnią roli okablowania (nośne elementy konstrukcyjne), jak i w drutach całego kompleksu przewodzącego - pełniąc rolę drutów innych faz, neutralnego , uziemienie.
Wszystkie te zjawiska występują we wszystkich konstrukcjach elektrycznych, dlatego jeszcze ważniejsze jest posiadanie wszechstronnego odniesienia dla szerokiej gamy materiałów.
Rezystywność przewodów mierzy się za pomocą bardzo czułych i precyzyjnych przyrządów, ponieważ do okablowania wybiera się metale o najniższej rezystancji - rzędu omów * 10 -6 na metr długości i m2. mm. Sekcje. Przeciwnie, do pomiaru rezystywności izolacji potrzebne są przyrządy, które mają zakresy bardzo dużych wartości rezystancji - zwykle megaomów. Oczywiste jest, że przewodniki muszą dobrze przewodzić, a izolatory muszą dobrze izolować.
Tabela
Tabela rezystywności przewodników (metali i stopów) |
||||
Materiał przewodnika | Skład (dla stopów) | Oporność ρ mΩ × mm2/m |
||
miedź, cynk, cyna, nikiel, ołów, mangan, żelazo itp. | ||||
Aluminium | ||||
Wolfram | ||||
Molibden | ||||
miedź, cyna, aluminium, krzem, beryl, ołów itp. (z wyjątkiem cynku) | ||||
żelazo, węgiel | ||||
miedź, nikiel, cynk | ||||
Manganina | miedź, nikiel, mangan | |||
Konstantan | miedź, nikiel, aluminium | |||
nikiel, chrom, żelazo, mangan | ||||
żelazo, chrom, aluminium, krzem, mangan |
Żelazo jako przewodnik w elektrotechnice
Żelazo jest najpowszechniejszym metalem w przyrodzie i technologii (po wodorze, który jest również metalem). Jest najtańszy i ma doskonałe właściwości wytrzymałościowe, dlatego jest stosowany wszędzie jako podstawa wytrzymałości różnych konstrukcji.
W elektrotechnice żelazo stosuje się jako przewodnik w postaci elastycznych drutów stalowych, gdzie wymagana jest wytrzymałość fizyczna i elastyczność, a wymaganą rezystancję można uzyskać poprzez odpowiedni przekrój.
Mając tabelę oporności różnych metali i stopów, możesz obliczyć przekroje drutów wykonanych z różnych przewodników.
Jako przykład spróbujmy znaleźć elektrycznie równoważny przekrój przewodów wykonanych z różnych materiałów: drutu miedzianego, wolframowego, niklowego i żelaznego. Jako początkowy weźmy drut aluminiowy o przekroju 2,5 mm.
Potrzebujemy, aby na długości 1 m opór drutu wykonanego ze wszystkich tych metali był równy oporowi pierwotnego. Wytrzymałość aluminium na 1 m długości i 2,5 mm przekroju będzie równa
Gdzie R- opór, ρ – rezystancja metalu z tabeli, S- powierzchnia przekroju, L- długość.
Zastępując pierwotne wartości, otrzymujemy rezystancję metrowego kawałka drutu aluminiowego w omach.
Następnie rozwiążemy wzór na S
Zastąpimy wartości z tabeli i uzyskamy pola przekroju poprzecznego dla różnych metali.
Ponieważ oporność w tabeli mierzona jest na przewodzie o długości 1 m, w mikroomach na odcinek 1 mm 2, otrzymaliśmy ją w mikroomach. Aby uzyskać to w omach, należy pomnożyć wartość przez 10 -6. Ale niekoniecznie musimy uzyskać liczbę omów z 6 zerami po przecinku, ponieważ ostateczny wynik nadal znajdujemy w mm2.
Jak widać, opór żelaza jest dość wysoki, drut jest gruby.
Ale są materiały, dla których jest jeszcze większy, na przykład nikiel lub konstantan.
Kiedy obwód elektryczny jest zamknięty, na jego zaciskach występuje różnica potencjałów, pojawia się prąd elektryczny. Swobodne elektrony pod wpływem sił pola elektrycznego poruszają się wzdłuż przewodnika. W swoim ruchu elektrony zderzają się z atomami przewodnika i przekazują im energię kinetyczną. Prędkość ruchu elektronów stale się zmienia: gdy elektrony zderzają się z atomami, cząsteczkami i innymi elektronami, maleje, następnie pod wpływem pola elektrycznego wzrasta i ponownie maleje podczas nowego zderzenia. W rezultacie w przewodniku ustala się równomierny przepływ elektronów z prędkością kilku ułamków centymetra na sekundę. W rezultacie elektrony przechodzące przez przewodnik zawsze napotykają opór z jego strony. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, ten ostatni nagrzewa się.
Opór elektryczny
Opór elektryczny przewodnika, który jest oznaczony literą łacińską R, to właściwość ciała lub ośrodka polegająca na przekształcaniu energii elektrycznej w energię cieplną, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.
Na schematach opór elektryczny jest wskazany, jak pokazano na rysunku 1, A.
Nazywa się zmiennym oporem elektrycznym, który służy do zmiany prądu w obwodzie opornica. Na schematach reostaty oznaczono jak pokazano na rysunku 1, B. Ogólnie rzecz biorąc, reostat jest wykonany z drutu o takiej lub innej rezystancji, nawiniętego na izolującą podstawę. Suwak lub dźwignia reostatu ustawiana jest w określonej pozycji, w wyniku czego do obwodu wprowadzany jest wymagany opór.
Długi przewodnik o małym przekroju powoduje duży opór dla prądu. Krótkie przewodniki o dużym przekroju poprzecznym stawiają niewielki opór prądowi.
Jeśli weźmiesz dwa przewodniki z różnych materiałów, ale o tej samej długości i przekroju, wówczas przewodniki będą przewodzić prąd inaczej. To pokazuje, że opór przewodnika zależy od materiału, z którego jest wykonany przewodnik.
Temperatura przewodnika wpływa również na jego rezystancję. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta opór metali, a maleje opór cieczy i węgla. Tylko niektóre specjalne stopy metali (manganina, konstantan, nikiel i inne) prawie nie zmieniają swojej odporności wraz ze wzrostem temperatury.
Widzimy więc, że opór elektryczny przewodnika zależy od: 1) długości przewodnika, 2) przekroju przewodnika, 3) materiału przewodnika, 4) temperatury przewodnika.
Jednostką oporu jest jeden om. Om jest często reprezentowane przez grecką wielką literę Ω (omega). Dlatego zamiast pisać „Rezystancja przewodnika wynosi 15 omów”, możesz po prostu napisać: R= 15 Ω.
1000 omów nazywa się 1 kiloom(1 kOhm lub 1 kΩ),
1 000 000 omów nazywa się 1 megaom(1 mOhm lub 1 MΩ).
Porównując rezystancję przewodów z różnych materiałów, dla każdej próbki należy przyjąć określoną długość i przekrój. Wtedy będziemy mogli ocenić, który materiał lepiej lub gorzej przewodzi prąd elektryczny.
Wideo 1. Rezystancja przewodu
Rezystancja
Nazywa się rezystancją w omach przewodu o długości 1 m i przekroju 1 mm² oporność i jest oznaczony grecką literą ρ (ro).
Tabela 1 pokazuje rezystancje niektórych przewodników.
Tabela 1
Rezystancje różnych przewodników
Z tabeli wynika, że żelazny drut o długości 1 m i przekroju 1 mm² ma rezystancję 0,13 oma. Aby uzyskać rezystancję 1 oma, należy wziąć 7,7 m takiego drutu. Srebro ma najniższą rezystancję. Opór 1 oma można uzyskać, biorąc 62,5 m srebrnego drutu o przekroju 1 mm². Srebro jest najlepszym przewodnikiem, jednak cena srebra wyklucza możliwość jego masowego wykorzystania. Po srebrze w tabeli pojawia się miedź: 1 m drutu miedzianego o przekroju 1 mm² ma rezystancję 0,0175 oma. Aby uzyskać rezystancję 1 oma, należy wziąć 57 m takiego drutu.
Chemicznie czysta miedź, otrzymywana w drodze rafinacji, znalazła szerokie zastosowanie w elektrotechnice do produkcji drutów, kabli, uzwojeń maszyn i urządzeń elektrycznych. Aluminium i żelazo są również szeroko stosowane jako przewodniki.
Rezystancję przewodnika można określić ze wzoru:
Gdzie R– rezystancja przewodu w omach; ρ – rezystancja właściwa przewodnika; l– długość przewodu w m; S– przekrój przewodu w mm².
Przykład 1. Wyznacz opór 200 m drutu żelaznego o przekroju 5 mm².
Przykład 2. Oblicz opór 2 km drutu aluminiowego o przekroju 2,5 mm².
Ze wzoru na rezystancję można łatwo określić długość, rezystywność i przekrój przewodnika.
Przykład 3. W przypadku odbiornika radiowego konieczne jest nawinięcie rezystancji 30 omów z drutu niklowego o przekroju 0,21 mm². Określ wymaganą długość drutu.
Przykład 4. Określ przekrój 20 m drutu nichromowego, jeśli jego rezystancja wynosi 25 omów.
Przykład 5. Drut o przekroju 0,5 mm² i długości 40 m ma rezystancję 16 omów. Określ materiał drutu.
Materiał przewodnika charakteryzuje jego rezystywność.
Na podstawie tabeli oporności stwierdzamy, że ołów ma tę rezystancję.
Powyżej stwierdzono, że rezystancja przewodników zależy od temperatury. Wykonajmy następujący eksperyment. Nawińmy kilka metrów cienkiego metalowego drutu w formie spirali i podłączmy tę spiralę do obwodu akumulatora. Aby zmierzyć prąd, podłączamy amperomierz do obwodu. Gdy cewka zostanie podgrzana w płomieniu palnika, można zauważyć, że wskazania amperomierza zmniejszą się. To pokazuje, że opór metalowego drutu wzrasta wraz z ogrzewaniem.
W przypadku niektórych metali po podgrzaniu do 100° rezystancja wzrasta o 40–50%. Istnieją stopy, które pod wpływem ogrzewania nieznacznie zmieniają swoją rezystancję. Niektóre stopy specjalne nie wykazują praktycznie żadnej zmiany oporu przy zmianach temperatury. Opór przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, natomiast opór elektrolitów (przewodników cieczy), węgla i niektórych ciał stałych, wręcz przeciwnie, maleje.
Do budowy termometrów rezystancyjnych wykorzystuje się zdolność metali do zmiany oporu pod wpływem temperatury. Ten termometr to drut platynowy nawinięty na ramkę z miki. Umieszczając termometr na przykład w piecu i mierząc rezystancję drutu platynowego przed i po nagrzaniu, można określić temperaturę w piecu.
Nazywa się zmianę rezystancji przewodnika po jego nagrzaniu na 1 om rezystancji początkowej i na 1° temperatury temperaturowy współczynnik oporu i jest oznaczony literą α.
Jeśli w temp T 0 rezystancja przewodu wynosi R 0 i w temperaturze T równa się rt, a następnie współczynnik temperaturowy oporu
Notatka. Obliczenia przy użyciu tego wzoru można wykonać tylko w określonym zakresie temperatur (do około 200°C).
Przedstawiamy wartości temperaturowego współczynnika rezystancji α dla niektórych metali (tabela 2).
Tabela 2
Wartości współczynników temperaturowych dla niektórych metali
Ze wzoru na współczynnik temperaturowy oporu określamy rt:
rt = R 0 .
Przykład 6. Wyznacz rezystancję drutu żelaznego nagrzanego do temperatury 200°C, jeśli jego rezystancja w temperaturze 0°C wynosiła 100 omów.
rt = R 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 omów.
Przykład 7. Termometr oporowy wykonany z drutu platynowego miał rezystancję 20 omów w pomieszczeniu o temperaturze 15°C. Termometr włożono do piekarnika i po pewnym czasie zmierzono jego rezystancję. Okazało się, że jest równe 29,6 oma. Określ temperaturę w piekarniku.
Przewodnictwo elektryczne
Do tej pory uważaliśmy opór przewodnika za przeszkodę, jaką przewodnik stanowi dla prądu elektrycznego. Ale mimo to prąd przepływa przez przewodnik. Dlatego oprócz rezystancji (przeszkody) przewodnik ma również zdolność przewodzenia prądu elektrycznego, czyli przewodnictwa.
Im większy opór ma przewodnik, tym mniejszą ma przewodność, tym gorzej przewodzi prąd elektryczny i odwrotnie, im niższy opór przewodnika, tym większa jest jego przewodność, tym łatwiej jest przepływać prąd przez przewodnik. Dlatego opór i przewodność przewodnika są wielkościami odwrotnymi.
Z matematyki wiadomo, że odwrotnością 5 jest 1/5 i odwrotnie, odwrotnością 1/7 jest 7. Dlatego też, jeśli opór przewodnika jest oznaczony literą R, wówczas przewodność definiuje się jako 1/ R. Przewodność jest zwykle symbolizowana literą g.
Przewodność elektryczną mierzy się w (1/om) lub w siemensach.
Przykład 8. Rezystancja przewodnika wynosi 20 omów. Określ jego przewodność.
Jeśli R= 20 omów
Przykład 9. Przewodność przewodnika wynosi 0,1 (1/om). Określ jego opór
Jeśli g = 0,1 (1/om), to R= 1 / 0,1 = 10 (om)
Jaka jest oporność substancji? Aby odpowiedzieć na to pytanie w prostych słowach, musisz pamiętać swój kurs fizyki i wyobrazić sobie fizyczne ucieleśnienie tej definicji. Prąd elektryczny przepływa przez substancję, co z kolei zapobiega przepływowi prądu z pewną siłą.
Pojęcie rezystywności substancji
To właśnie ta wartość pokazuje, jak mocno substancja utrudnia przepływ prądu, czyli opór właściwy (łacińska litera „rho”). W międzynarodowym układzie jednostek opór wyrażona w omach, pomnożone przez metr. Wzór do obliczeń jest następujący: „Rezystancję mnoży się przez pole przekroju poprzecznego i dzieli przez długość przewodnika”.
Powstaje pytanie: „Dlaczego przy wyznaczaniu rezystancji stosuje się inny opór?” Odpowiedź jest prosta, istnieją dwie różne wielkości - rezystywność i rezystancja. Drugie pokazuje, jak substancja jest w stanie zapobiec przepływowi prądu, a pierwsze pokazuje praktycznie to samo, tyle że nie mówimy już o substancji w sensie ogólnym, ale o przewodniku o określonej długości i przekroju powierzchni przekroju, które są wykonane z tej substancji.
Odwrotność wielkości charakteryzującej zdolność substancji do przenoszenia energii elektrycznej nazywana jest przewodnością właściwą, a wzór, za pomocą którego obliczana jest oporność właściwa, jest bezpośrednio powiązany z przewodnością właściwą.
Zastosowania miedzi
Pojęcie rezystywności jest szeroko stosowane do obliczania przewodności prądu elektrycznego przez różne metale. Na podstawie tych obliczeń podejmowane są decyzje o celowości wykorzystania określonego metalu do produkcji przewodów elektrycznych stosowanych w budownictwie, produkcji instrumentów i innych dziedzinach.
Tabela rezystancji metalu
Czy są jakieś specjalne tabele? które gromadzą dostępne informacje na temat transmisji i odporności metali, z reguły tabele te są obliczane dla określonych warunków.
Zwłaszcza, że jest powszechnie znany metalowy stół oporowy monokrystaliczny w temperaturze dwudziestu stopni Celsjusza, a także tabelę wytrzymałości metali i stopów.
Tabele te służą do obliczania różnych danych w tak zwanych idealnych warunkach, aby obliczyć wartości dla określonych celów, należy skorzystać ze wzorów.
Miedź. Jego cechy i właściwości
Opis substancji i właściwości
Miedź jest metalem odkrytym przez ludzkość dawno temu i od dawna wykorzystywanym do różnych celów technicznych. Miedź jest bardzo kowalnym i ciągliwym metalem o wysokiej przewodności elektrycznej, dzięki czemu jest bardzo popularna do produkcji różnych drutów i przewodników.
Właściwości fizyczne miedzi:
- temperatura topnienia - 1084 stopni Celsjusza;
- temperatura wrzenia - 2560 stopni Celsjusza;
- gęstość w temperaturze 20 stopni - 8890 kilogramów podzielonych przez metr sześcienny;
- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i temperaturze 20 stopni - 385 kJ/J*kg
- oporność elektryczna - 0,01724;
Gatunki miedzi
Metal ten można podzielić na kilka grup lub gatunków, z których każdy ma swoje własne właściwości i własne zastosowanie w przemyśle:
- Gatunki M00, M0, M1 doskonale nadają się do produkcji kabli i przewodników, podczas przetapiania eliminuje się przesycenie tlenem.
- Gatunki M2 i M3 to niedrogie opcje przeznaczone do walcowania na małą skalę i spełniające większość zadań technicznych i przemysłowych na małą skalę.
- Marki M1, M1f, M1r, M2r, M3r to drogie gatunki miedzi produkowane dla konkretnego konsumenta o określonych wymaganiach i żądaniach.
Znaczki między sobą różnią się na kilka sposobów:
Wpływ zanieczyszczeń na właściwości miedzi
Zanieczyszczenia mogą wpływać na właściwości mechaniczne, techniczne i użytkowe produktów.