- Удельное электрическое сопротивление проводника
- Удельное сопротивление
- Почему возникает сопротивление
- Как вычислить сопротивление
- Удельное сопротивление
- Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ
- Металлические монокристаллы
- Металлы и сплавы, применяемые в электротехнике
- Другие вещества
- Тонкие плёнки
- Как вычислить?
- Таблица значений
- В каких единицах измеряют ?
- Надо ли каждый раз измерять удельное сопротивление?
- Что влияет на сопротивление медного провода
Удельное электрическое сопротивление проводника
Под удельным сопротивлением проводника понимают его сопротивление при длине, равной 1 метру, и площади поперечного сечения 1мм2.
Значение удельного сопротивления проводника применяется при расчете электрического сопротивления проводника, которое находится по формуле: R=p (l/S), где:
R— сопротивление, Ом ;
p— удельное сопротивление,
Ом*мм І /м;
l-длина проводника, метров;
S — площадь поперечного сечения проводника, мм І .
Отсюда значение удельного сопротивления проводника может быть найдено по формуле p=(R*S)/l. При нормальных условиях электрическое сопротивление меньше у того материала, у которого меньше значение удельного сопротивления. Резисторы — электронные элементы, обладающие определенным электрическим сопротивлением. Бывают постоянные и переменные, проволочные и непроволочные. В электронных схемах применяются в качестве нагрузок и делителей напряжения.
- 1.Номинальное сопротивление
- 2.%
- 3.Номинальная мощность рассеивания
- 4.ТКС
- 5.Уровень собственных шумов
- 6.Надежность
Выпускаются: общего применения,переменные,подстроеч- ные,специальные (варисторы-R при изм.U; терморезисторы-R при изм.TC; фоторезисторы-R при освещ-ти; магниторезисторы- R от напряженности магнитного поля).
Источник
Удельное сопротивление
Почему возникает сопротивление
Электроны, сталкиваясь с заряженными атомами (ионами), из которых стоит кристаллическая решетка проводника, теряют скорость. Масса атома значительно превосходит массу электрона, поэтому их столкновение приводит к потере скорости (“торможению”) и изменению направления движения электрона. Таким образом возникает сопротивление протеканию (нарастанию) тока. Значит сопротивление — это физическая величина.
Рис. 1. Столкновения электронов с атомами.
Как вычислить сопротивление
Величину сопротивления можно определить по формуле закона Ома:
R — сопротивление, единица измерения Ом;
U — напряжение в вольтах, В;
I — сила тока в амперах, А.
Напряжение и ток измеряются приборами — вольтметром и амперметром.
Рис. 2. Измерение электрического тока
Единицы для обозначения напряжения, тока и сопротивления получили свое название в честь итальянского физиолога Алессандро Вольты, французского физика Андре Ампера и немецкого ученого Георга Ома. Поэтому сокращенное написание этих единиц полагается писать с заглавных букв В, А, Ом.
Удельное сопротивление
Экспериментально было обнаружено, что значение сопротивления любого проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. Другими словами — сопротивление провода тем больше, чем он длиннее и меньше его толщина. В виде формулы это выглядит так:
L — длина, измеряется в метрах, м;
S — площадь поперечного сечения в метрах квадратных, м2;
ρ — удельное сопротивление, .
Рис. 3. Поперечное сечение
Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ
Выше показано, что рассматриваемый параметр будет зависеть от свойств определенного вещества. Для корректных вычислений следует учитывать различные характеристики полупроводника и металла, других материалов, сплавов, химических соединений в твердом и жидком состоянии.
Металлические монокристаллы
Для примера в следующем перечне приведены тензорные значения (p1=p2 в 10-8 Ом на метр) для некоторых материалов:
- цинк – 5,9;
- висмут – 109;
- олово – 9,89;
- кадмий – 6,78.
Металлы и сплавы, применяемые в электротехнике
В следующем списке представлены разные проводники, которые применяют для создания электротехнических устройств и силовых агрегатов, линий связи, передачи электроэнергии. Для удобства практических расчетов удельное электрическое сопротивление приведено в Ом*мм кв./м при поддержании постоянной температуры в процессе измерений на уровне +20°C
- платина – 0,107:
- никель – 0,087;
- нихром – от 1,05 до 1,4;
- медь – от 0,017 до 0,018;
- сталь – от 0,1 до 0,137;
- золото – 0,023;
- железо – 0,098;
- алюминий – от 0,026 до 0,03.
Приведенные числа демонстрируют, что в сплавах проводимость существенно зависит от состава и количественного распределения составляющих. Определенное значение для металлических проводников имеет чистота материала.
Качественная электротехническая медь отличается минимальным содержанием примесей и небольшим удельным сопротивлением
К сведению. Для создания экономичных линий электропередач нужны соответствующие начальные инвестиции. Однако чистые материалы обеспечивают уменьшение потерь, что уменьшает эксплуатационные затраты.
Другие вещества
При той же контрольной температуре +20°C измеряются удельные сопротивления иных материалов и веществ (значения приведены в Ом*мм кв./м):
- резина – от 1016 до 1018;
- углеводородные соединения в сжиженном состоянии – 0,8*1010;
- воздух (при разном уровне относительной влажности) – от 1021 до 1032;
- древесина – от 1015 до 1016.
Тонкие плёнки
При уменьшении слоя толщиной можно пренебречь. Для расчета удельного электрического сопротивления формулу преобразуют следующим образом:
- Rs – значение сопротивления для прямоугольного участка;
- R – результат измерений;
- W (L) – ширина (длина) контрольного образца.
Как вычислить?
Значение коэффициента можно определить из последнего уравнения. Таким образом мы получаем формулу удельного сопротивления: $ρ=R*$.
Каждое вещество характеризуется с помощью своего, индивидуального, значения . Поэтому, например, два совершенно одинаковых по длине и толщине (сечению) провода, но из разных металлов, будут иметь значительно отличающиеся сопротивления. Это связано с тем, что атомы различных веществ отличаются друг от друга массой, которая зависит от количества, протонов, нейтронов и электронов.
Таблица значений
Измерение материалов опытным путём позволило установить, чему равно удельное сопротивление проводника без выполнения расчётов. Эти значения были записаны в таблице как постоянные величины и их используют при вычислениях любого проводника правильной формы. Следует отметить, что изначально использовался параметр, называемый удельной проводимостью: σ = 1/ρ. Но из-за большего удобства в задачах применяют не его, а сопротивление.
| Название материала | Значение [Ом * м] |
| Алюминий | 2,5 * 10-8 |
| Вольфрам | 5,3 * 10-8 |
| Железо | 9,9 * 10-8 |
| Олово | 1,13 * 10-7 |
| Серебро | 1,58 * 10-8 |
| Цинк | 5,95 * 10-8 |
| Медь | 1,68 * 10-8 |
| Свинец | 2,07 * 10−7 |
| Полиэтилен | 1016 |
| Этилцеллюлоза | 1014 |
| Каучук | 1015 |
| Трансформаторное масло | 1014 |
| Дистиллированная вода | 104 |
Из приведённого списка можно видеть, чем отличаются проводниковые материалы от изолирующих. Если у первых значения параметра кратно 10-8, как, например, для металлических веществ, то у вторых он имеет значение порядка 1014. Но значение удельного сопротивления для веществ будет отличаться при изменении температуры окружающей среды. В справочниках и приведённой таблице результаты измерений указаны при 200С.
Опыты показали, что с увеличением температуры проводимость для металлов уменьшается, а с уменьшением нагревания — увеличивается. Причём изменение сопротивления составляет порядка 0,4% на 1 градус по Цельсию. Так как при охлаждении или нагреве линейные характеристики материала изменяются ничтожно мало, основное влияние здесь оказывает удельное сопротивление.
Если известно значение ρ при 200C, его можно пересчитать для любой другой температуры. Для этого используют формулу расчёта удельного сопротивления с учётом температурного коэффициента: ρ = ρt * (1 + a *(t — 200С), где:
- ρt — табличное значение;
- t — температура;
- a — коэффициент, зависящий от температуры.
Температурный коэффициент можно найти как отношение изменения ρ при увеличении или снижении нагрева на один градус: a = (1/ρ) * (dρ/dT). C физической точки зрения зависимость можно объяснить тем, что с ростом температуры происходит увеличение числа рассеивания электронов на фотонах (рост тепловых колебаний), поэтому кривая зависимости сопротивления от температуры имеет вид возрастающей части параболы.
В каких единицах измеряют ?
Из последней формулы видно, что если R = 1 Ом, S = 1 м2, а L = 1 м, то = 1 .
Это и есть единица измерения удельного сопротивления. Но на практике оказалось, что у реальных проводов площади сечений гораздо меньше 1 м2. Поэтому было решено при вычислении использовать значение площади S в мм2, чтобы итоговое значение имело компактный вид. Тогда получаются более удобные (меньше нулей после запятой) для восприятия числовые значения удельного сопротивления:
Например, медь имеет одно из самых низких значений ρ — 0,017 . Поэтому медные провода имеют небольшое сопротивление и по ним можно пропускать большие токи. Тогда становится понятно, почему большинство электротехнических устройств (трансформаторы, электродвигатели и т.д.) изготавливаются с применением этого провода.
Надо ли каждый раз измерять удельное сопротивление?
Нет, не надо. Эта работа давно проделана физиками-экспериментаторами и сведена в таблицы для разных веществ, которые можно найти в технических справочниках или в их интернет-версиях. Для примера ниже приведена таблица для некоторых веществ:
Удельное сопротивление металлов, Ом*мм2/м
| Серебро | 0,016 | Бронза (сплав) | 0,1 |
| Медь | 0,017 | Олово | 0,12 |
| Золото | 0,024 | Сталь (сплав) | 0,12 |
| Алюминий | 0,028 | Свинец | 0,21 |
| Иридий | 0,047 | Никелин (сплав) | 0,42 |
| Молибден | 0,054 | Манганин (сплав) | 0,45 |
| Вольфрам | 0,055 | Константан (сплав) | 0,48 |
| Цинк | 0,06 | Титан | 0,58 |
| Латунь (сплав) | 0,071 | Ртуть | 0,958 |
| Никель | 0,087 | Нихром (сплав) | 1,1 |
| Платина | 0,1 | Висмут | 1,2 |
Надо иметь в виду, что в этих таблицах значения удельного сопротивления приводятся, как правило, при комнатной температуре, которая в среднем равна . Более подробные исследования показали, что зависит от температуры. Но это уже тема для другого занятия.
Что влияет на сопротивление медного провода
Электрический импеданс медного кабеля зависит от нескольких факторов:
- Удельного сопротивления;
- Площади сечения проволоки;
- Длины провода;
- Внешней температуры.
Последним пунктом можно пренебречь в условиях бытового использования кабеля. Заметное изменение импеданса происходит при температурах более 100°C.
Зависимость сопротивления
Удельное сопротивление в системе СИ обозначается буквой ρ. Оно определяется, как величина сопротивления проводника, имеющего сечение 1 м2 и длину 1 м, измеряется в Ом ∙ м2. Такая размерность неудобна в электротехнических расчетах, поэтому часто используется единица измерения Ом ∙ мм2.
Вам это будет интересно Миллиамперы в амперы
Важно! Данный параметр является характеристикой вещества — меди. Он не зависит от формы или площади сечения. Чистота меди, наличие примесей, метод изготовления проволоки, температура проводника — факторы, влияющие на удельное сопротивление.
Зависимость параметра от температуры описывается следующей формулой: ρt= ρ20[1+ α(t−20°C)]. Здесь ρ20— удельное сопротивление меди при 20°C, α— эмпирически найденный коэффициент, от 0°Cдо 100°C для меди имеет значение, равное 0,004 °C-1, t — температура проводника.
Ниже приведена таблица значений ρ для разных металлов при температуре 20°C.
Таблица удельного сопротивления
Согласно таблице, медь имеет низкое удельное сопротивление, ниже только у серебра. Это обуславливает хорошую проводимость металла.
Чем толще провод, тем меньше его резистентность. Зависимость R проводника от сечения называется «обратно пропорциональной».
Важно! При увеличении поперечной площади кабеля, электронам легче проходить сквозь кристаллическую решетку. Поэтому, при увеличении нагрузки и возрастании плотности тока, следует увеличить площадь сечения.
Увеличение длины медного кабеля влечет рост его резистентности. Импеданс прямо пропорционален протяженности провода. Чем длиннее проводник, тем больше атомов встречаются на пути свободных электронов.
Выводы
Последним элементом, влияющим на резистентность меди, является температура среды. Чем она выше, тем большую амплитуду движения имеют атомы кристаллической решетки. Тем самым, они создают дополнительное препятствие для электронов, участвующих в направленном движении.
Важно! Если понизить температуру до абсолютного нуля, имеющего значение 0° Kили -273°C, то будет наблюдаться обратный эффект — явление сверхпроводимости. В этом состоянии вещество имеет нулевое сопротивление.
Температурная корреляция
Источник
