Удельное сопротивление алюминия

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.

Удельное сопротивление алюминия
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.

2.1.1. Физическая природа электропроводности металлов

Металлы имеют кристаллическое строение: в узлах кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, окруженные коллективизированными электронами (электронным газом).

Современные представления об электронном строении металлов, распределении электронов по энергетическим состояниям, их взаимодействии с другими элементарными частицами и кристаллической решеткой дает квантовая теория, основы которой были разработаны советским ученым Я.И.Френкелем и немецким физиком А.Зоммерфельдом.

Читать также: Самодельные коптильни горячего копчения своими руками фото

Свободные электроны хаотически перемещаются по кристаллу со средней тепловой скоростью и = 10 5 м/с. В электрическом поле напряженностью Е электроны получают добавочную скорость упорядоченного движения v – скорость дрейфа, благодаря чему и возникает электрический ток. Плотность тока зависит от скорости дрейфа, заряда электрона е и концентрации свободных электронов n .

Скорость дрейфа в реальных условиях существенно меньше скорости теплового движения электронов v u . Так, в медном про-

воднике при плотности тока j = 1 А/мм 2 скорость дрейфа составляет v = 1 . 10 -4 м/с.

За время τ между столкновениями с узлами кристаллической решетки на длине свободного пробега l , электроны, двигаясь с уско-

рением a = e E , приобретают скорость дрейфа: m e

Приравнивая аналитическое выражение закона Ома (1.1) к выражению (2.1) с учетом (2.2), получим формулу для удельной проводимости

Выразим произведение m e . и через концентрацию свободных электронов, используя квантовую статистику, базирующуюся на принципе Паули, согласно которому в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон, а на каждом энергетическом уровне – не более двух (с антипараллельными спинами). Тогда при температуре абсолютного нуля ( Т = 0 К) половина из общего числа свободных электронов в кристалле ( n /2) займет наиболее низкие энергетические уровни.

В квантовой теории вероятность заполнения электронами энергетических состояний с энергией уровня Э определяется функцией Ферми

где Э F – энергия Ферми, т.е. максимальная энергия, которую может иметь электрон в металле при температуре абсолютного нуля.

Из формулы (2.4) следует, что при Э = Э F , вероятность заполнения электронами уровня Ферми равна 0,5. Энергия Ферми для большинства металлов составляет от 3 до 15 эВ. Уровни, расположенные ниже уровня Ферми ( Э Э F ), с вероятностью >0,5 заполнены электронами, а уровни, лежащие выше уровня Ферми ( Э > Э F ), с такой же вероятностью свободны от электронов.

В соответствии с квантовой статистикой Ферми-Дирака концентрация свободных электронов в металле определяется путем интег-

рирования по всем заполненным энергетическим состояниям, что дает следующее выражение

Выразив из этого соотношения значение энергии Ферми через концентрацию электронов и, учитывая, что Э F = m e и 2 2 , получим

Подставляя m e и в формулу (2.3), найдем выражение для

удельной проводимости металлов

Концентрация свободных электронов в чистых металлах, характер их распределения по энергиям и энергия Ферми с повышением температуры почти не изменяются. Например, при нагреве серебра от 0 до 1000 К энергия Ферми уменьшается лишь на 0,2%. Такие малые изменения в широком температурном диапазоне можно не учитывать. Следовательно, формула (2.6) справедлива при любой температуре. Поэтому электропроводность металла определяется, в основном, средней длиной свободного пробега электронов, которая зависит от электронного строения атомов и типа кристаллической решетки. Длина свободного пробега для некоторых металлов дана в табл. 1.

Длина свободного пробега электронов в некоторых металлах при 0 ° С

Наибольшая длина свободного пробега наблюдается в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой (Ag, Cu, Au), которые и являются лучшими проводниками.

Переходные металлы (Fe, Ni, Co, Cr, Mn, V, Zr, Nb, Mo, W, Hf, Ta, Re, Pt и др.) имеют меньшую электропроводность, что связано с их специфическим электронным строением. В этих элементах внутренние d – или f -оболочки неполностью заполнены электронами. В электрическом поле часть валентных электронов из внешней s – оболочки переходят на свободные уровни внутренних оболочек, что приводит к уменьшению числа свободных электронов, участвующих в проводимости.

Особенности электронного строения переходных металлов являются причиной многих их специфических свойств: тепловых, магнитных, склонности к полиморфизму, переменной валентности и др.

И в заключение, у чистых металлов при нагреве средняя энергия электронов практически остается без изменения, что свидетельствует о малой теплоемкости электронного газа.

l=(S?R)/ρ

Примечания:

1.Если данные для провода отсутствуют в таблице,то берется некоторое среднее значение.Как пример,провод из никелина который имеет диаметр 0,18 мм площадь сечения равна приблизительно 0,025 мм2, сопротивление одного метра 18 Ом, а допустимый ток 0,075 А.

2.Данные последнего столбца,для другой плотности тока, необходимо изменить. Например при плотности тока 6 А/мм2, значение необходимо увеличить вдвое.

Пример 1
. Давайте найдем сопротивление 30 м медного провода диаметром 0,1 мм.

Решение
. С помощью таблицы берем сопротивление 1 м медного провода, которое равно 2,2 Ом. Значит, сопротивление 30 м провода будет R = 30.2,2 = 66 Ом.

Расчет по формулам будет выглядеть так: площадь сечения: s= 0,78.0,12 = 0,0078 мм2. Поскольку удельное сопротивление меди ρ = 0,017 (Ом.мм2)/м, то получим R = 0,017.30/0,0078 = 65,50м.

Пример 2
. Сколько провода из манганина у которого диаметр 0,5 мм нужно чтобы изготовить реостат, сопротивлением 40 Ом?

Решение
. По таблице выбираем сопротивление 1 м этого провода: R= 2,12 Ом: Чтобы изготовить реостат сопротивлением 40 Ом, нужен провод, длина которого l= 40/2,12=18,9 м.

Расчет по формулам будет выглядеть так. Площадь сечения провода s= 0,78.0,52 = 0,195 мм2. Длина провода l = 0,195.40/0,42 = 18,6 м.

Популярные статьи  Как сделать штроборез своими руками?

Несмотря на то, что данная тема может показаться совсем банальной, в ней я отвечу на один очень важный вопрос по расчету потери напряжения и расчету токов короткого замыкания. Думаю, для многих из вас это станет таким же открытием, как и для меня.

Недавно я изучал один очень интересный ГОСТ:

ГОСТ Р 50571.5.52-2011 Электроустановки низковольтные. Часть 5-52. Выбор и монтаж электрооборудования. Электропроводки.

В этом документе приводится формула для расчета потери напряжения и указано:

р — удельное сопротивление проводников в нормальных условиях, взятое равным удельному сопротивлению при температуре в нормальных условиях, то есть 1,25 удельного сопротивления при 20 °С, или 0,0225 Ом · мм 2 /м для меди и 0,036 Ом · мм 2 /м для алюминия;

Я ничего не понял=) Видимо, при расчетах потери напряжения да при расчете токов короткого замыкания мы должны учитывать сопротивление проводников, как при нормальных условиях.

Стоит заметить, что все табличные значения приводят при температуре 20 градусов.

А какие нормальные условия? Я думал 30 градусов Цельсия.

Давайте вспомним физику и посчитаем, при какой температуре сопротивление меди (алюминия) увеличится в 1,25 раза.

R1=R0

R0 – сопротивление при 20 градусах Цельсия;

R1 — сопротивление при Т1 градусах Цельсия;

Т0 — 20 градусов Цельсия;

α=0,004 на градус Цельсия (у меди и алюминия почти одинаковые);

1,25=1+α (Т1-Т0)

Т1=(1,25-1)/ α+Т0=(1,25-1)/0,004+20=82,5 градусов Цельсия.

Как видим, это совсем не 30 градусов. По всей видимости, все расчеты нужно выполнять при максимально допустимых температурах кабелей. Максимальная рабочая температура кабеля 70-90 градусов в зависимости от типа изоляции.

Честно говоря, я с этим не согласен, т.к. данная температура соответствует практически аварийному режиму электроустановки.

В своих программах я заложил удельное сопротивление меди – 0,0175 Ом · мм 2 /м, а для алюминия – 0,028 Ом · мм 2 /м.

Если помните, я писал, что в моей программе по расчету токов короткого замыкания получается результат примерно на 30% меньше от табличных значений. Там сопротивление петли фаза-ноль рассчитывается автоматически. Я пытался найти ошибку, но так и не смог. По всей видимости, неточность расчета заключается в удельном сопротивлении, которое используется в программе. А удельное сопротивление может задать каждый, поэтому вопросов к программе не должно быть, если указать удельные сопротивления из выше приведенного документа.

А вот в программы по расчету потерь напряжения мне скорее всего придется внести изменения. Это приведет к увеличению на 25% результатов расчета. Хотя в программе ЭЛЕКТРИК, потери напряжения получается практически такие, как у меня.

Если вы впервые попали на этот блог, то ознакомиться со всеми моими программами можно на странице

Как вы считаете, при какой температуре нужно считать потери напряжения: при 30 или 70-90 градусах? Есть ли нормативные документы, которые ответят на этот вопрос?

Одной из физических величин, используемых в электротехнике, является удельное электрическое сопротивление. Рассматривая удельное сопротивление алюминия, следует помнить, что данная величина характеризует способность какого-либо вещества, препятствовать прохождению через него электрического тока.

Активные и индуктивные сопротивления линии

Электроснабжение > Выбор сечений по допустимой потере напряжения

АКТИВНЫЕ И ИНДУКТИВНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЛИНИИ

Активное сопротивление проводов и кабелей из цветных металлов определяется по одной из следующих формул: где r — расчетное удельное сопротивление провода или жилы кабеля, ом мм2 / м; g — расчетная удельная проводимость провода или жилы кабеля, м / ом мм2; F — номинальное сечение провода или кабеля, мм2. Значения удельного сопротивления и удельной проводимости для медных проводов и кабелей:

для алюминиевых проводов и кабелей

Таблица 5-1 Активные сопротивления проводов и кабелей, ом/км

Сечение провода, мм кв.

Медные провода и кабели

Алюминиевые провода и кабели

Индуктивное сопротивление трехфазной линии с проводами из цветных металлов при частоте переменного тока 50 гц определяется по формуле

где d — внешний диаметр провода, мм;D — среднее геометрическое расстояние между проводами линии, вычисляемое по формуле

где D — расстояния между проводами у каждой пары проводов трехфазной линии, мм.Активные сопротивления 1 км провода или жилы кабеля приведены в табл. 5-1, индуктивные сопротивления 1 км линии — в табл. 5-2 и 5-4.Для стальных проводов активное и внутреннее индуктивное сопротивления зависят от протекающего по проводу переменного тока. Общее индуктивное сопротивление воздушной линии, выполненной стальными проводами, определяется как сумма внешнего х’ и внутреннего х» индуктивных сопротивлений:

Таблица 5-2 Индуктивные сопротивления воздушных линий, ом/км

Среднее геометрическое расстояние между проводами, мм

Сравнительно небольшое удельное сопротивление меди – важный, но не единственный положительный фактор. Широкое применение этого материала объясняется разумной стоимостью, устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям. Из него несложно создавать качественные изделия необходимой формы, которые без дополнительной защиты сохраняют функциональность при длительной эксплуатации в сложных условиях.

Удельное сопротивление — алюминий

Удельные электрические сопротивления материала проводников обмоток.

Удельное сопротивление алюминия после запивки в пазы ротора несколько повышается в связи с образованием некоторого количества раковин ( воздушных включений) и с изменением структуры при охлаждении в узких пазах или участках паза. Поэтому в расчетах принимают удельные сопротивления литой алюминиевой обмотки роторов асинхронных двигателей равными 10 ( / 21 5 Ом м при температуре 75 С и 10 — 6 / 20 5 Ом м при температуре 115 С.

К расчету коэффициента магнитной проводимости пазового рассеяния.

Удельное сопротивление алюминия после заливки в пазы машины несколько повышается в связи с образованием некоторого количества раковин ( воздушных включений) и изменением структуры при охлаждении в узких пазах.

Удельные электрические сопротивления материала проводников обмоток.

Удельное сопротивление алюминия после заливки в пазы ротора несколько повышается в связи с образованием некоторого количества раковин ( воздушных включений) и с изменением структуры при охлаждении в узких пазах или участках паза. Поэтому в расчетах принимают удельные сопротивления литой алюминиевой обмотки роторов асинхронных двигателей равными 10 — / 21 5 Ом — м при температуре 75 С и КН / 20 5 Ом — м при температуре 115 С.

Удельное сопротивление алюминия выше удельного сопротивления меди, но, так как плотность алюминия равна 2 70, а плотность меди 8 94, проволока из алюминия, длина и масса которой одинаковы с длиной и массой медной проволоки, будет обладать проводимостью, в 2 04 раза большей, чем проволока из меди. Именно этот факт является причиной того, что алюминий применяется в качестве проводов в линиях электропередачи вместо меди.

Популярные статьи  Варианты подсветки потолка в помещениях

В проведен численный анализ температурной зависимости идеального удельного сопротивления алюминия, меди, серебра и никеля в интервале 4 2 — 78 К.

В отличие от меди отжиг практически не изменяет удельного сопротивления алюминия. Температурный коэффициент сопротивления алюминия а примерно такой же, как у меди.

Оксидированный алюминиевый провод имеет теплостойкость до 400 С, но удельное сопротивление алюминия в 1, 65 раза больше, чем меди. Кроме того, оксидная изоляция имеет небольшую электрическую прочность ( 150 — 200 в) из-за очень малой толщины оксидного слоя, и повышенную гигроскопичность. Поэтому оксидную изоляцию необходимо пропитывать суспензиями на основе фторопласта-4. Пропитанная оксидная изоляция имеет нагревостойкость 250 — 300 С. Для образования оксидной изоляции медные провода должны быть покрыты тонким слоем алюминия.

Оксидированный алюминиевый провод имеет теплостойкость до 400 С, но удельное сопротивление алюминия в 1 65 раза больше, чем меди. Кроме того, оксидная изоляция обладает небольшой электрической прочностью ( 150 — 200 в), из-за очень малой толщины оксидного слоя, и повышенной гигроскопичностью. Поэтому оксидную изоляцию необходимо пропитывать суспензиями на основе фторопласта-4.

У короткозамкнутых двигателей роторная обмотка не изолируется от сердечника, так как благодаря значительной разнице между удельными сопротивлениями алюминия и стали индуктированные токи, возникающие в обмотке, в основном замыкаются по ее стержням и кольцам.

Уэк — экономическая плотность тока, А / мм2; sincp — коэффициент мощнос / и нагрузки до компенсации; р — удельное сопротивление алюминия, Ом — м2 / км; / — протяженность линии, км; k APM HOM / SHOM — относительные потери в меди трансформатора при его номинальной нагрузке; ( Зт — коэффициент загрузки трансформатора.

Нанесение оксидной изоляции на алюминиевые проволоки.

Из оксидированного алюминия изготовляются катушки, обладающие способностью работать при высокой рабочей температуре; возможность нагрузки провода током большой плотности вместе с малой толщиной оксидной изоляции позволяет значительно компенсировать увеличение удельного сопротивления алюминия по сравнению с медью ( см. стр. В ряде случаев большие преимущества ( возможность автоматизации производства, улучшение условий охлаждения) дает изготовление обмоток не из круглых проводов, а из широкой алюминиевой ленты, анодируемой и затем наматываемой на сердечник.

Алюминий

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.

Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Прочная пленка окиси быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.

Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.

Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем.

Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.

Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов

Материал

Плотность, кг/м3·103

Температура плавления,

°C

Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10–6

Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 1/град

Примечание

Алюминий

2,7

660

0,026—0,028

4·10–3

Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин

Бронза

8,3—8,9

885—1050

0,021—0,052

4·10–3

Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины

Латунь

8,4—8,7

900—960

0,03—0,08

2·10–3

Контакты, зажимы

Медь

8,7—8,9

1080

0,0175—0,0182

3·10–2

Провода, кабели, шины

Олово

7,3

232

0,114—0,120

4,4·10–3

Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом

Свинец

11,34

327

0,217—0,222

3,8·10–3

Защитная обложка кабелей, вставки предохранителей, пластины аккумуляторов, припои в сплаве с оловом для лужения и пайки

Серебро

10,5

960

0,0160—0,0162

3,6·10–3

Контакты электроприборов и аппаратов

Сталь

7,8

1400

0,103—0,137

62·10–2

Шины заземления

Таблица 2. Сопротивление металлов или сплавов по сравнению с медью

Металл или сплав

Сопротивление

по сравнению с медью

Металл или сплав

Сопротивление

по сравнению с медью

Серебро

0,9

Олово

8,5

Медь

1,0

Сталь

12

Хром

1,6

Свинец

13

Алюминий

1,67

Нейзильбер

17

Магний

2,8

Никелин

25

Молибден

2,9

Манганин

26

Вольфрам

3,6

Реотан

28

Цинк

3,7

Константан

29

Латунь

4,5

Чугун

30

Платина

5,5

Ртуть

60

Кобальт

6,0

Нихром

60

Никель

6,5

Уголь

15000

Железо

7,7

Таблица 3. Изменение сопротивления медных проводов при нагревании (сопротивление при 15 °C принято за единицу)

Температура, °C (десятки)

Температура, °C (единицы)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,940

0,944

0,948

0,952

0,956

0,960

0,964

0,968

0,972

0,976

10

0,980

0,984

0,988

0,992

0,996

1,000

1,004

1,008

1,012

1,016

20

1,020

1,024

1,028

1,032

1,036

1,040

1,044

1,048

1,052

1,056

30

1,060

1,064

1,068

1,072

1,076

1,080

1,084

1,088

1,092

1,096

40

1,100

1,104

1,108

1,112

1,116

1,120

1,124

1,128

1,132

1,136

50

1,140

1,144

1,148

1,152

1,156

1,160

1,164

1,168

1,172

1,176

60

1,180

1,184

1,188

1,192

1,196

1,200

1,204

1,208

1,212

1,216

70

1,220

1,224

1,228

1,232

1,236

1,240

1,244

1,248

1,252

1,256

80

1,260

1,264

1,268

1,272

1,276

1,280

1,284

1,288

1,292

1,296

90

1,300

1,304

1,308

1,312

1,316

1,320

1,324

1,328

1,332

1,336

100

1,340

1,344

1,348

1,352

1,356

1,360

1,364

1,368

1,372

1,376

Примечание. Таблица служит для пересчета сопротивлений при температурах нагрева. Например, для подсчета сопротивления при температуре 44 °C надо по вертикали взять температуру 40 °C и по горизонтали поправку на 4 °C: получается изменение сопротивления в 1,116 раза.

Примечания[ | ]

  1. Электрическое сопротивление — статья из Большой советской энциклопедии.
  2. Василий Петров – основоположник отечественной электротехники // /infourok.ru.
  3. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 92nd Edition. — Ed. William M. Haynes. — 2011. — ISBN 978-1-4398-5511-9
  4. Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. — Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. — М.: Наука, 1968. — 939 с.
  5. Иногда в англоязычной литературе сименс называют mho («перевёрнутое» название обратной единицы ohm), соответственно для СГСЭ и СГСМ — statmho (=statsiemens) и abmho (=absiemens).
  6. 1 кОм в модели, принятой в стандарте IEEE Std 80 Архивная копия от 23 августа 2011 на Wayback Machine
  7. Новиков С. Г. Действие электрического тока на человека(неопр.) (недоступная ссылка). Московский энергетический институт. Дата обращения 2013-25-04. Архивировано 19 июня 2014 года.
Популярные статьи  Почему мигает включенная светодиодная лампа в ванной комнате?

Понятие электрического сопротивления

Этим термином называют свойство создавать препятствия прохождению в цепи электрического тока. Связь между физическими величинами описывается классической формулой R=U/I (обозначения сопротивления, напряжения и силы тока, соответственно). Движение электронов совершается под воздействием электромагнитного поля, разницы потенциалов. Повышает сопротивление металлов любое искажение кристаллической структуры молекулярной решетки. Данная причина объясняет сильную зависимость параметра от чистоты материала и температуры. Так, стандарты для трубной продукции допускают применение различных сплавов. Электротехническую медь (марка М006) создают с контролируемым количеством посторонних примесей не более 0,1%.

Квалифицированное применение этого материала предваряется оценкой всех значимых факторов. Кроме себестоимости, уточняют:

  • особенности механической и других видов обработки;
  • стабильность электрических параметров в определенных условиях эксплуатации;
  • стойкость к внешним воздействиям, долговечность.

В некоторых ситуациях значительные начальные инвестиции оправданы продленным сроком службы, надежностью.

Расчет сопротивления

Расчеты производятся при проектировании объектов разного назначения и использования, ведь жизнеобеспечение каждого происходит за счет электричества. Учитывается все, начиная с осветительных приборов, заканчивая технически сложным оборудованием. В домашних условиях также будет нелишним произвести расчет, особенно если предусматривается замена электропроводки. Для частного домостроения необходимо рассчитать нагрузку, иначе «кустарная» сборка электропроводки может привести к возгоранию.

Целью расчета является определение общего сопротивления проводников всех используемых устройств, учитывая их технические параметры. Оно вычисляется по формуле R=p*l/S, где:

R – вычисляемый результат;

p – показатель УЭС из таблицы;

l – длина провода (проводника);

S – диаметр сечения.

Медь – основной материал для проводников

Квалифицированный выбор подходящего материала сопровождается комплексной оценкой нескольких факторов. Медный проводник не повреждается коррозией, потому что на поверхности образуется защитный слой из окислов. Структурная целостность сохраняется при малом радиусе поворота, после многократных изгибов. Отмеченные параметры пригодятся для оснащения помещений с повышенной влажностью и прокладки линий сложной конфигурации.

Тем не менее, главным преимуществом является малое сопротивление проводов из меди. Кроме улучшения токопроводимости с одновременным снижением потерь при передаче энергии, следует отметить уменьшение веса и размеров кабельной продукции, по сравнению с альтернативными вариантами.

§ 45. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

Мы знаем, что причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие электронов с ионами кристаллической решётки металла (§ 43). Поэтому можно предположить, что сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от вещества, из которого он изготовлен.

На рисунке 74 изображена установка для проведения такого опыта. В цепь источника тока по очереди включают различные проводники, например:

  1. никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины;
  2. никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения);
  3. никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины.

Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.

Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.

Рис. 74. Зависимость сопротивления проводника от его размеров и рода вещества

Выполнив указанные опыты, мы установим, что:

  1. из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление;
  2. из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше;
  3. никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Как учесть зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник? Для этого вычисляют так называемое удельное сопротивление вещества.

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.

Введём буквенные обозначения: ρ — удельное сопротивление проводника, I — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника R выразится формулой

Из неё получим, что:

Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади поперечного сечения — 1 м2, а единицей длины — 1 м, то единицей удельного сопротивления будет:

Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметpax, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:

В таблице 8 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ при 20 °С. Удельное сопротивление с изменением температуры меняется. Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

Таблица 8. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С)

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.

При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.

Во многих случаях бывают нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов — веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы 8, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в 40 раз большее, чем алюминий.

Фарфор и эбонит имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток, их используют в качестве изоляторов.

Вопросы

  1. Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?
  2. Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен?
  3. Что называется удельным сопротивлением проводника?
  4. По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?
  5. В каких единицах выражается удельное сопротивление проводника?
  6. Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике?
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: