14.04.2018
Provodnici od bakra, aluminija, njihovih legura i željeza (čelika) koriste se kao provodni dijelovi u električnim instalacijama.
Bakar je jedan od najboljih provodljivih materijala. Gustoća bakra na 20°C je 8,95 g/cm 3, tačka topljenja je 1083°C Bakar je slabo hemijski aktivan, ali se lako rastvara u azotnoj kiselini, a u razblaženim hlorovodoničnim i sumpornim kiselinama otapa se samo u prisustvu. oksidirajuća sredstva (kiseonik). Na zraku se bakar brzo prekriva tankim slojem tamnog oksida, ali ta oksidacija ne prodire duboko u metal i služi kao zaštita od daljnje korozije. Bakar je pogodan za kovanje i valjanje bez zagrijavanja.
Za proizvodnju se koristi elektrolitički bakar u ingotima koji sadrže 99,93% čistog bakra.
Električna provodljivost bakra u velikoj meri zavisi od količine i vrste nečistoća i, u manjoj meri, od mehaničke i termičke obrade.
na 20°C iznosi 0,0172-0,018 oma x mm2/m.
Za proizvodnju vodiča koristi se meki, polutvrdi ili tvrdi bakar specifične težine 8,9, 8,95 i 8,96 g/cm3. Široko se koristi za proizvodnju dijelova pod naponom. bakra u legurama sa drugim metalima
. Sljedeće legure se najčešće koriste. Mesing je legura bakra i cinka, koja sadrži najmanje 50% bakra u leguri, uz dodatak drugih metala. mesing 0,031 - 0,079 ohm x mm2/m. Postoje mesing - tombak sa sadržajem bakra većim od 72% (ima visoku duktilnost, antikorozivna i antifrikciona svojstva) i
specijalni mesing sa dodatkom aluminijuma, kalaja, olova ili mangana.
Kontakt od mesinga Bronza je legura bakra i kalaja sa dodacima raznih metala. U zavisnosti od sadržaja glavne komponente bronce u leguri, nazivaju se kalaj, aluminijum, silicijum, fosfor i kadmijum. Otpornost bronza
Mesing i bronza imaju dobra mehanička i fizičko-hemijska svojstva. Lako se obrađuju lijevanjem i brizganjem, a otporni su na atmosfersku koroziju.
Aluminijum - prema svojim kvalitetima drugi provodljivi materijal nakon bakra. Tačka topljenja 659,8° C. Gustina aluminijuma na temperaturi od 20° je 2,7 g/cm 3 . Aluminij se lako lijeva i lako se obrađuje. Na temperaturi od 100 - 150°C, aluminijum je savitljiv i duktilan (može se valjati u limove debljine do 0,01 mm).
Električna provodljivost aluminija u velikoj mjeri ovisi o nečistoćama i malo o mehaničkoj i toplinskoj obradi. Što je sastav aluminijuma čistiji, to je veća njegova električna provodljivost i bolja otpornost hemijski uticaji. Obrada, valjanje i žarenje značajno utiču mehanička čvrstoća aluminijum Aluminij za hladnu obradu povećava svoju tvrdoću, elastičnost i vlačnu čvrstoću. Otpornost aluminijuma na 20° C 0,026 - 0,029 ohm x mm 2 /m.
Prilikom zamjene bakra aluminijem potrebno je povećati poprečni presjek provodnika u smislu provodljivosti, odnosno za 1,63 puta.
Uz jednaku provodljivost, aluminijski provodnik će biti 2 puta lakši od bakrenog.
Za proizvodnju provodnika koristi se aluminijum koji sadrži najmanje 98% čistog aluminijuma, silicijum ne više od 0,3%, gvožđe ne više od 0,2%
Za proizvodnju dijelova koji nose struju koriste se legure aluminijuma sa drugim metalima, na primjer: Duralumin - legura aluminija s bakrom i manganom.
Silumin je lagana legura za livenje napravljena od aluminijuma sa dodatkom silicijuma, magnezijuma i mangana.
Aluminijske legure imaju dobra svojstva livenja i visoku mehaničku čvrstoću.
U elektrotehnici se najčešće koriste sljedeće: legure aluminijuma:
Aluminijumska deformabilna legura AD klase, sa sadržajem aluminijuma od najmanje 98,8 i ostalih nečistoća do 1,2.
Aluminijumska deformabilna legura razreda AD1, sa sadržajem aluminijuma od najmanje 99,3 n i drugih nečistoća do 0,7.
Aluminijska deformabilna legura AD31, koja ima aluminijum 97,35 - 98,15 i ostale nečistoće 1,85 -2,65.
Legure razreda AD i AD1 koriste se za izradu kućišta i kalupa za okove stezaljki. Legura AD31 se koristi za izradu profila i sabirnica koje se koriste za električne provodnike.
Kao rezultat termičke obrade, proizvodi izrađeni od aluminijskih legura stiču visoku čvrstoću i granice popuštanja (puzanja).
Gvožđe - tačka topljenja 1539°C. Gustina gvožđa je 7,87. Gvožđe se rastvara u kiselinama i oksidira ga halogenima i kiseonikom.
U elektrotehnici se koriste različite vrste čelika, na primjer:
Ugljični čelici su kovne legure željeza s ugljikom i drugim metalurškim nečistoćama.
Otpornost ugljeničnih čelika je 0,103 - 0,204 ohm x mm 2 /m.
Legirani čelici su legure s dodacima hroma, nikla i drugih elemenata ugljičnom čeliku.
Čelici imaju dobra svojstva.
Sljedeće se široko koriste kao aditivi u legurama, kao i za proizvodnju lemova i proizvodnju provodljivih metala:
Kadmijum je savitljiv metal. Tačka topljenja kadmijuma je 321°C. Otpornost 0,1 ohm x mm 2 /m. U elektrotehnici, kadmij se koristi za pripremu lemova niskog taljenja i za zaštitne premaze (kadmij) na metalnim površinama. Po svojim antikorozivnim svojstvima kadmijum je blizak cinku, ali kadmijumski premazi su manje porozni i nanose se u tanjem sloju od cinka.
Nikl - tačka topljenja 1455°C. Otpornost nikla 0,068 - 0,072 ohm x mm 2 /m. Na uobičajenim temperaturama ne oksidira se atmosferskim kisikom. Nikl se koristi u legurama i za zaštitno premazivanje (nikliranje) metalnih površina.
Kalaj - tačka topljenja 231,9°C. Otpornost kalaja je 0,124 - 0,116 ohm x mm 2 /m. Kalaj se koristi za lemljenje zaštitnog premaza (kalajisanje) metala čista forma iu obliku legura sa drugim metalima.
Olovo - tačka topljenja 327,4°C. Specifični otpor 0,217 - 0,227 ohm x mm 2 /m. Olovo se koristi u legurama sa drugim metalima kao materijal otporan na kiseline. Dodaje se legurama za lemljenje (lemovi).
Srebro je veoma savitljiv, savitljiv metal. Tačka topljenja srebra je 960,5°C. Srebro - najbolji vodič toplote i električne struje. Otpornost srebra je 0,015 - 0,016 ohm x mm 2 /m. Srebro se koristi za zaštitno premazivanje (srebrenje) metalnih površina.
Antimon je sjajan, lomljiv metal sa tačkom topljenja od 631°C. Antimon se koristi kao aditiv u legurama za lemljenje (lemovima).
Hrom je tvrd, sjajan metal. Tačka topljenja 1830°C. U vazduhu na običnoj temperaturi se ne menja. Otpornost hroma je 0,026 ohm x mm 2 /m. Krom se koristi u legurama i za zaštitne prevlake (hromiranje) metalnih površina.
Cink - tačka topljenja 419,4°C. Otpornost cinka 0,053 - 0,062 ohm x mm 2 /m. U vlažnom zraku cink oksidira, prekrivajući se slojem oksida, koji štiti od naknadnih kemijskih utjecaja. U elektrotehnici, cink se koristi kao aditivi u legurama i lemovima, kao i za zaštitno premazivanje (pocinkovanje) površina metalnih delova.
Čim je električna energija napustila laboratorije naučnika i počela se široko uvoditi u praksu svakodnevni život, postavilo se pitanje traženja materijala koji imaju određene, ponekad potpuno suprotne karakteristike u odnosu na protok električne struje kroz njih.
Na primjer, prilikom prijenosa električna energija na velikim udaljenostima, materijal žice je podvrgnut zahtjevima da se minimiziraju gubici zbog Joule zagrijavanja u kombinaciji s karakteristikama male težine. Primjer za to su poznati visokonaponski dalekovodi od aluminijskih žica sa čeličnom jezgrom.
Ili, obrnuto, da bi se stvorili kompaktni cijevni električni grijači, bili su potrebni materijali s relativno visokim električnim otporom i visokom toplinskom stabilnošću. Najjednostavniji primjer uređaja koji koristi materijale sličnih svojstava je plamenik običnog kuhinjskog električnog štednjaka.
Provodnici koji se koriste u biologiji i medicini kao elektrode, sonde i sonde zahtijevaju visoku hemijsku otpornost i kompatibilnost sa biomaterijalima, u kombinaciji sa niskom otpornošću na kontakt.
Čitava galaksija pronalazača iz različitim zemljama: Engleska, Rusija, Njemačka, Mađarska i SAD. Thomas Edison, nakon što je proveo više od hiljadu eksperimenata testirajući svojstva materijala prikladnih za ulogu niti, stvorio je lampu s platinastom spiralom. Edisonove lampe, iako su imale dug vijek trajanja, nisu bile praktične zbog visoke cijene izvornog materijala.
Naknadni rad ruskog pronalazača Lodygina, koji je predložio korištenje relativno jeftinog, vatrostalnog volframa i molibdena s većom otpornošću kao filamentnih materijala, našao je praktičnu primjenu. Osim toga, Lodygin je predložio ispumpavanje zraka iz cilindara žarulja sa žarnom niti, zamjenjujući ga inertnim ili plemenitim plinovima, što je dovelo do stvaranja modernih žarulja sa žarnom niti. Pionir masovne proizvodnje pristupačnih i izdržljivih električnih lampi bila je kompanija General Electric, kojoj je Lodygin ustupio prava na svoje patente, a zatim je dugo vremena uspješno radio u laboratorijima kompanije.
Ova lista se može nastaviti, budući da je radoznali ljudski um toliko inventivan da su mu ponekad, za rješavanje određenog tehničkog problema, potrebni materijali sa do sada neviđenim svojstvima ili sa nevjerovatnim kombinacijama ovih svojstava. Priroda više ne može da prati naše apetite i naučnici iz celog sveta su se uključili u trku u stvaranju materijala koji nemaju prirodne analoge.
To je namjerno povezivanje kućišta ili kućišta električnih uređaja na zaštitni uređaj za uzemljenje. Obično se uzemljenje izvodi u obliku čeličnih ili bakrenih traka, cijevi, šipki ili uglova zakopanih u zemlju do dubine veće od 2,5 metra, koji u slučaju nesreće osiguravaju protok struje duž uređaja strujnog kola - kućište ili kućište - uzemljenje - neutralna žica izvora naizmjenične struje. Otpor ovog kola ne bi trebao biti veći od 4 oma. U ovom slučaju, napon na tijelu uređaja za hitne slučajeve se smanjuje na vrijednosti koje su sigurne za ljude, a automatski uređaji za zaštitu kola na ovaj ili onaj način isključuju uređaj za hitne slučajeve.
Pri proračunu zaštitnih elemenata uzemljenja značajnu ulogu igra poznavanje otpornosti tla, koja može uvelike varirati.
U skladu sa podacima u referentnim tabelama, odabire se površina uređaja za uzemljenje, iz njega se izračunava broj elemenata za uzemljenje i stvarni dizajn cijelog uređaja. Konstruktivni elementi uređaja zaštitnog uzemljenja spojeni su zavarivanjem.
Električna tomografija
Električna prospekcija proučava geološko okruženje blizu površine i koristi se za traženje rudnih i nemetalnih minerala i drugih objekata na osnovu proučavanja različitih veštačkih električnih i elektromagnetnih polja. Poseban slučaj elektroprospekcije je električna tomografija (Electrical Resistivity Tomography) - metoda za određivanje svojstava stijena prema njihovoj otpornosti.
Suština metode je da se na određenoj poziciji izvora električnog polja mjere napona na različitim sondama, zatim se izvor polja premješta na drugu lokaciju ili prebacuje na drugi izvor i mjerenja se ponavljaju. Izvori polja i sonde prijemnika polja postavljaju se na površinu iu bunare.
Primljeni podaci se zatim obrađuju i interpretiraju koristeći moderne kompjuterske metode obrada koja vam omogućava vizualizaciju informacija u obliku dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih slika.
Biti veoma precizna metoda pretraga, električna tomografija pruža neprocjenjivu pomoć geolozima, arheolozima i paleozoolozima.
Utvrđivanje oblika pojavljivanja mineralnih naslaga i granica njihove distribucije (ocrtavanje) omogućava identifikaciju pojave venskih naslaga minerala, što značajno smanjuje troškove njihovog naknadnog razvoja.
Za arheologe, ova metoda pretraživanja pruža vrijedne informacije o lokaciji drevnih ukopa i prisutnosti artefakata u njima, čime se smanjuju troškovi iskopavanja.
Paleozoolozi koriste električnu tomografiju za traženje fosiliziranih ostataka drevnih životinja; rezultati njihovog rada mogu se vidjeti u muzejima prirodnih nauka u obliku zapanjujućih rekonstrukcija skeleta praistorijske megafaune.
Osim toga, električna tomografija se koristi prilikom izgradnje i naknadnog rada inženjerskih objekata: visokih zgrada, brana, nasipa, nasipa i drugih.
Definicije otpora u praksi
Ponekad, kako bismo riješili praktične probleme, možemo se suočiti sa zadatkom određivanja sastava tvari, na primjer, žice za rezanje polistirenske pjene. Imamo dva namotaja žice odgovarajućeg prečnika od raznih nama nepoznatih materijala. Da bi se riješio problem, potrebno je pronaći njihovu električnu otpornost, a zatim, koristeći razliku u pronađenim vrijednostima ili pomoću tabele za pretraživanje, odrediti materijal žice.
Mjerimo mjernom trakom i odrežemo 2 metra žice od svakog uzorka. Odredimo prečnike žica d₁ i d₂ mikrometrom. Uključujući multimetar na donju granicu mjerenja otpora, mjerimo otpor uzorka R₁. Ponavljamo postupak za drugi uzorak i također mjerimo njegovu otpornost R₂.
Uzmimo u obzir to područje presjekžica se izračunava po formuli
S = π ∙ d 2 /4
Sada će formula za izračunavanje električne otpornosti izgledati ovako:
ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L
Zamjenom dobivenih vrijednosti L, d₁ i R₁ u formulu za izračunavanje otpornosti datu u gornjem članku, izračunavamo vrijednost ρ₁ za prvi uzorak.
ρ 1 = 0,12 ohm mm 2 /m
Zamjenom dobijenih vrijednosti L, d₂ i R₂ u formulu, izračunavamo vrijednost ρ₂ za drugi uzorak.
ρ 2 = 1,2 ohm mm 2 /m
Iz poređenja vrijednosti ρ₁ i ρ₂ sa referentnim podacima u Tabeli 2. iznad, zaključujemo da je materijal prvog uzorka čelik, a drugog nihrom, od kojeg ćemo napraviti konopac.
Oni nazivaju sposobnost metala da propušta nabijenu struju kroz sebe. Zauzvrat, otpor je jedna od karakteristika materijala. Što je veći električni otpor pri datom naponu, to će biti manji karakterizira sila otpora provodnika na kretanje nabijenih elektrona usmjerenih duž njega. Budući da je svojstvo prenosa električne energije recipročno otporu, to znači da će biti izraženo u obliku formula kao omjer 1/R.
Otpornost uvijek ovisi o kvaliteti materijala koji se koristi u proizvodnji uređaja. Mjeri se na osnovu parametara vodiča dužine 1 metar i površine poprečnog presjeka od 1 kvadratni milimetar. Na primjer, svojstvo specifičnog otpora za bakar je uvijek jednako 0,0175 Ohm, za aluminijum - 0,029, željezo - 0,135, konstantan - 0,48, nichrome - 1-1,1. Otpor čelika je jednak broju 2*10-7 Ohm.m
Otpor struji je direktno proporcionalan dužini vodiča duž kojeg se kreće. Što je uređaj duži, to je veći otpor. Biće lakše razumjeti ovaj odnos ako zamislite dva zamišljena para plovila koji međusobno komuniciraju. Neka spojna cijev ostane tanja za jedan par uređaja, a deblja za drugi. Kada su oba para napunjena vodom, prijenos tekućine kroz debelu cijev će biti mnogo brži, jer će imati manji otpor protoku vode. Po ovoj analogiji, lakše mu je proći duž debelog provodnika nego tankog.
Otpornost, kao SI jedinica, mjeri se Ohm.m. Provodljivost ovisi o prosječnoj dužini slobodnog leta nabijenih čestica, koju karakterizira struktura materijala. Metali bez primesa, koje imaju najispravnije najmanjih vrednosti kontraakcija. Suprotno tome, nečistoće iskrivljuju rešetku, čime se povećava njen učinak. Otpornost metala nalazi se u uskom rasponu vrijednosti pri normalna temperatura: od srebra od 0,016 do 10 μOhm.m (legure gvožđa i hroma sa aluminijumom).
O karakteristikama kretanja naelektrisanih
na elektrone u provodniku utiče temperatura, jer kako ona raste, raste amplituda talasnih oscilacija postojećih jona i atoma. Kao rezultat toga, elektroni imaju manje slobodnog prostora za normalno kretanje u kristalnoj rešetki. To znači da se povećava prepreka pravilnom kretanju. Otpornost bilo kojeg vodiča, kao i obično, raste linearno s povećanjem temperature. Poluprovodnike, naprotiv, karakterizira smanjenje s povećanjem stupnjeva, jer to rezultira oslobađanjem mnogih naboja koji direktno stvaraju električnu struju.
Poznat je proces hlađenja nekih metalnih provodnika željenu temperaturu dovodi njihov otpor u naglo stanje i pada na nulu. Ovaj fenomen je otkriven 1911. godine i nazvan je supravodljivost.
Električna otpornost, ili samo otpornost supstanca - fizička veličina koja karakteriše sposobnost supstance da spreči prolaz električne struje.
Otpornost se označava grčkim slovom ρ. Recipročna vrijednost otpora naziva se specifična provodljivost (električna provodljivost). Za razliku od električnog otpora, koji je svojstvo kondukter a ovisno o njegovom materijalu, obliku i veličini, električna otpornost je samo svojstvo supstance.
Električni otpor homogenog vodiča otpornosti ρ, dužina l i površinu poprečnog presjeka S može se izračunati pomoću formule R = ρ ⋅ l S (\displaystyle R=(\frac (\rho \cdot l)(S)))(pretpostavlja se da se ni površina ni oblik poprečnog presjeka ne mijenjaju duž provodnika). Prema tome, za ρ imamo ρ = R ⋅ S l .
(\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l)).) Iz posljednje formule slijedi: Otpornost tvari je da ona predstavlja otpor homogenog vodiča jedinične dužine i jedinične površine poprečnog presjeka napravljenog od ove tvari.
Enciklopedijski YouTube
-
1 / 5
Jedinica otpora u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) je Ohm · . Iz odnosa ρ = R ⋅ S l (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l))) proizilazi da je jedinica mjere otpornosti u SI sistemu jednaka otpornosti tvari pri kojoj homogeni provodnik dužine 1 m sa površinom poprečnog presjeka od 1 m², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak do 1 Ohm. Prema tome, otpor proizvoljne tvari, izražen u SI jedinicama, brojčano je jednak otporu dijela električnog kruga napravljenog od date tvari dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 m².
U tehnologiji se također koristi zastarjela nesistemska jedinica Ohm mm²/m, jednaka 10 −6 od 1 Ohm m. Ova jedinica jednaka je otporu tvari pri kojoj homogeni vodič dužine 1 m s površinom poprečnog presjeka od 1 mm², napravljen od ove tvari, ima otpor jednak 1 Ohm. Prema tome, otpornost tvari, izražena u ovim jedinicama, brojčano je jednaka otporu dijela električnog kruga napravljenog od ove tvari, dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm².
Generalizacija koncepta otpornosti
Otpornost se takođe može odrediti za heterogeni materijal čija svojstva variraju od tačke do tačke. U ovom slučaju to nije konstanta, već skalarna funkcija koordinata - koeficijent koji povezuje jačinu električnog polja E → (r →) (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))) i gustina struje J → (r →) (\displaystyle (\vec (J))((\vec (r)))) u ovom trenutku r → (\displaystyle (\vec (r))). Ovaj odnos se izražava Omovim zakonom u diferencijalnom obliku:
E → (r →) = ρ (r →) J → (r →) .Ova formula vrijedi za heterogenu, ali izotropnu supstancu. Supstanca može biti i anizotropna (većina kristala, magnetizirana plazma, itd.), odnosno njena svojstva mogu ovisiti o smjeru. U ovom slučaju, otpornost je koordinatno ovisan tenzor drugog ranga, koji sadrži devet komponenti. U anizotropnoj tvari, vektori gustoće struje i jakosti električnog polja u svakoj datoj tački supstance nisu kousmjereni; veza između njih izražena je relacijom
E i (r →) = ∑ j = 1 3 ρ i j (r →) J j (r →) .(\displaystyle E_(i)((\vec (r)))=\suma _(j=1)^(3)\rho _(ij)((\vec (r)))J_(j)(( \vec (r))).) U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzorρ i j (\displaystyle \rho _(ij))
ne zavisi od koordinata. U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzor Tenzor simetrično , odnosno za bilo koje i (\displaystyle i) I j (\displaystyle j) trčanje.
ρ i j = ρ j i (\displaystyle \rho _(ij)=\rho _(ji)) U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzor Kao i za bilo koji simetrični tenzor, za U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzor možete odabrati ortogonalni sistem kartezijanskih koordinata u kojem je matrica postaje dijagonala U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzor, odnosno poprima oblik u kojem od devet komponenti Samo tri su različite od nule:, ρ 11 (\displaystyle \rho _(11)) i (\displaystyle i) ρ 22 (\displaystyle \rho _(22))ρ 33 (\displaystyle \rho _(33)) . U ovom slučaju, označavanjeρ i i (\displaystyle \rho _(ii))
kako umjesto prethodne formule dobijamo jednostavnijuE i = ρ i J i . (\displaystyle E_(i)=\rho _(i)J_(i).) Količine ρ i (\displaystyle \rho _(i)) pozvao
glavne vrednosti
tenzor otpornosti. Odnos prema provodljivosti U izotropnim materijalima, odnos između otpornosti ρ (\displaystyle \rho ) i specifična provodljivost
σ (\displaystyle \sigma )izraženo jednakošću U anizotropnoj, ali homogenoj supstanci, tenzorρ = 1 σ. (\displaystyle \rho =(\frac (1)(\sigma)).) U slučaju anizotropnih materijala, odnos između komponenti tenzora otpornosti
a tenzor provodljivosti je složeniji. Zaista, Ohmov zakondiferencijalni oblik za anizotropne materijale ima oblik: J i (r →) = ∑ j = 1 3 σ i j (r →) E j (r →) .
ρ 11 = 1 det (σ) [ σ 22 σ 33 − σ 23 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(11)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 22)\sigma _(33)-\sigma _(23)\sigma _(32)],) ρ 12 = 1 det (σ) [ σ 33 σ 12 − σ 13 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(12)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 33)\sigma _(12)-\sigma _(13)\sigma _(32)],)Gdje det (σ) (\displaystyle \det(\sigma)) je determinanta matrice sastavljene od tenzorskih komponenti σ i j (\displaystyle \sigma _(ij)). Preostale komponente tenzora otpornosti su dobijene iz gornjih jednadžbi kao rezultat cikličkog preuređivanja indeksa 1 , 2 i (\displaystyle i) 3 .
Električna otpornost nekih tvari
Metalni monokristali
U tabeli su prikazane glavne vrijednosti tenzora otpornosti monokristala na temperaturi od 20 °C.
Crystal ρ 1 =ρ 2, 10 −8 Ohm m ρ 3, 10 −8 Ohm m Tin 9,9 14,3 Bizmut 109 138 Kadmijum 6,8 8,3 Cink 5,91 6,13 Električni otpor -fizička veličina koja pokazuje kakvu prepreku stvara struja dok prolazi kroz provodnik. Mjerne jedinice su Ohm, u čast Georga Ohma. U svom zakonu je izveo formulu za pronalaženje otpora, koja je data u nastavku.
Razmotrimo otpor provodnika koristeći metale kao primjer. Metali imaju unutrašnja struktura u obliku kristalne rešetke. Ova rešetka ima strogi red, a njeni čvorovi su pozitivno nabijeni joni. Nosioci naboja u metalu su "slobodni" elektroni, koji ne pripadaju određenom atomu, već se nasumično kreću između mjesta rešetke. Od kvantna fizika Poznato je da je kretanje elektrona u metalu širenje elektromagnetnog talasa u čvrstom stanju. Odnosno, elektron u provodniku se kreće brzinom svjetlosti (praktično), a dokazano je da pokazuje svojstva ne samo kao čestica, već i kao val. A otpor metala nastaje kao rezultat raspršivanja elektromagnetnih talasa(odnosno elektrona) na termičke vibracije rešetke i njene defekte. Kada se elektroni sudare sa čvorovima kristalne rešetke, dio energije se prenosi na čvorove, uslijed čega se energija oslobađa. Ova energija se može izračunati pri konstantnoj struji, zahvaljujući Joule-Lenzovom zakonu - Q=I 2 Rt. Kao što vidite, što je veći otpor, oslobađa se više energije.
Bronza je legura bakra i kalaja sa dodacima raznih metala. U zavisnosti od sadržaja glavne komponente bronce u leguri, nazivaju se kalaj, aluminijum, silicijum, fosfor i kadmijum.
Postoji tako važan koncept kao što je otpor, to je isti otpor, samo u jedinici dužine. Svaki metal ima svoje, na primjer, za bakar je 0,0175 Ohm*mm2/m, za aluminijum je 0,0271 Ohm*mm2/m. To znači da će bakrena šipka dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm2 imati otpor od 0,0175 Ohma, a ista šipka, ali napravljena od aluminija, imat će otpor od 0,0271 Ohm. Ispostavilo se da je električna provodljivost bakra veća od one u aluminijumu. Svaki metal ima svoj specifični otpor, a otpor cijelog vodiča može se izračunati pomoću formule
Gdje str– otpornost metala, l – dužina provodnika, s – površina poprečnog presjeka.
Vrijednosti otpornosti su date u tabela otpornosti metala(20°C)
Supstanca
str, Ohm*mm 2 /2
α,10 -3 1/K
Aluminijum
0.0271
Tungsten
0.055
Iron
0.098
Zlato
0.023
Brass
0.025-0.06
Manganin
0.42-0.48
0,002-0,05
Bakar
0.0175
Nikl
Constantan
0.44-0.52
0.02
Nichrome
0.15
Srebro
0.016
Cink
0.059
Osim otpornosti, tabela sadrži vrijednosti TCR-a nešto kasnije.
Ovisnost otpora od deformacije
Prilikom hladne obrade metala pritiskom, metal doživljava plastična deformacija. Tokom plastične deformacije kristalna rešetka se izobličuje i broj defekata se povećava. S povećanjem defekata kristalne rešetke, otpor protoku elektrona kroz provodnik se povećava, stoga se povećava otpornost metala. Na primjer, žica se izrađuje izvlačenjem, što znači da se metal podvrgava plastičnoj deformaciji, uslijed čega raste otpor. U praksi, rekristalizacijsko žarenje se koristi za smanjenje otpora; proces, nakon čega se čini da se kristalna rešetka „ispravlja“ i smanjuje se broj defekata, a samim tim i otpor metala.
Kada se rastegne ili stisne, metal doživljava elastičnu deformaciju. Tijekom elastične deformacije uzrokovane rastezanjem povećavaju se amplitude toplinskih vibracija čvorova kristalne rešetke, pa elektroni doživljavaju velike poteškoće, a u vezi s tim raste otpornost. Tijekom elastične deformacije uzrokovane kompresijom, amplitude toplinskih vibracija čvorova se smanjuju, pa se elektronima lakše kreće, a otpornost se smanjuje.
Utjecaj temperature na otpornost
Kao što smo već ranije saznali, uzrok otpora u metalu su čvorovi kristalne rešetke i njihove vibracije. Dakle, kako temperatura raste, toplotne vibracije čvorova se povećavaju, što znači da raste i otpor. Postoji takva količina kao temperaturni koeficijent otpora(TKS), koji pokazuje koliko se otpornost metala povećava ili smanjuje kada se zagrije ili ohladi. Na primjer, temperaturni koeficijent bakra na 20 stepeni Celzijusa je 4.1 · 10 − 3 1/stepen. To znači da kada se, na primjer, bakarna žica zagrije za 1 stepen Celzijusa, njen otpor će se povećati za 4.1 · 10 − 3 Ohm. Otpor s promjenama temperature može se izračunati pomoću formule
gdje je r otpornost nakon zagrijavanja, r 0 je otpornost prije zagrijavanja, a je temperaturni koeficijent otpora, t 2 je temperatura prije zagrijavanja, t 1 je temperatura nakon zagrijavanja.
Zamjenom naših vrijednosti dobijamo: r=0,0175*(1+0,0041*(154-20))=0,0271 Ohm*mm 2 /m. Kao što vidite, naša bakarna šipka dužine 1 m i površine poprečnog presjeka 1 mm 2, nakon zagrijavanja na 154 stepena, imala bi isti otpor kao ista šipka, samo od aluminijuma i na temperatura od 20 stepeni Celzijusa.
Svojstvo promjene otpora s promjenama temperature koristi se u otpornim termometrima. Ovi uređaji mogu mjeriti temperaturu na osnovu očitavanja otpora. Otporni termometri imaju visoku tačnost mjerenja, ali mali temperaturni raspon.
U praksi, svojstva provodnika sprečavaju prolaz struja koriste se veoma široko. Primjer je žarulja sa žarnom niti, gdje se volframova nit zagrijava zbog visokog otpora metala, njegove velike dužine i uskog presjeka. Ili bilo koji uređaj za grijanje gdje se zavojnica zagrijava zbog visokog otpora. U elektrotehnici, element čije je glavno svojstvo otpor naziva se otpornik. Otpornik se koristi u gotovo svakom električnom kolu.
Mnogi ljudi su čuli za Ohmov zakon, ali ne znaju svi šta je to. Studija počinje sa školski kurs fizike. Detaljnije se predaju na Fakultetu za fiziku i elektrodinamiku. Ovo znanje vjerovatno neće biti korisno prosječnom čovjeku, ali je neophodno za opšti razvoj, i za nekoga buduća profesija. S druge strane, osnovno znanje o elektricitetu, njegovoj strukturi i karakteristikama kod kuće pomoći će vam da se zaštitite od štete. Nije uzalud Ohmov zakon nazvan osnovnim zakonom elektriciteta. Kućni majstor mora imati znanje iz oblasti električne energije kako bi spriječio prenapon koji može dovesti do povećanja opterećenja i požara.
Koncept električnog otpora
Odnos između osnovnih fizičkih veličina električnog kola - otpora, napona, jačine struje - otkrio je njemački fizičar Georg Simon Ohm.
Električni otpor vodiča je vrijednost koja karakterizira njegov otpor prema električnoj struji. Drugim riječima, neki od elektrona pod utjecajem električne struje na provodnik napuštaju svoje mjesto u kristalnoj rešetki i usmjeravaju se na pozitivni pol provodnika. Neki elektroni ostaju u rešetki, nastavljajući rotirati oko nuklearnog atoma. Ovi elektroni i atomi formiraju električni otpor koji sprečava kretanje oslobođenih čestica.
Gornji proces se odnosi na sve metale, ali otpor se kod njih različito javlja. To je zbog razlike u veličini, obliku i materijalu od kojeg je vodič napravljen. Shodno tome, dimenzije kristalne rešetke imaju različite oblike za različite materijale, stoga električni otpor kretanju struje kroz njih nije isti.
Od ovaj koncept iz toga proizlazi da je određena specifična otpornost supstance, tj individualni indikator za svaki metal posebno. Električna otpornost (SER) je fizička veličina, označena grčkim slovom ρ, a karakterizirana je sposobnošću metala da spriječi prolaz električne energije kroz njega.
Bakar je glavni materijal za provodnike
Otpornost tvari izračunava se pomoću formule gdje je jedan od važni pokazatelji je temperaturni koeficijent električnog otpora. Tabela sadrži vrijednosti otpornosti tri poznata metala u temperaturnom rasponu od 0 do 100°C.
Ako uzmemo otpornost željeza, kao jednog od dostupnih materijala, jednaku 0,1 Ohm, tada će vam za 1 Ohm trebati 10 metara. Srebro ima najmanji električni otpor za svoju vrijednost od 1 oma iznosit će 66,7 metara. Značajna razlika, ali srebro je skup metal koji nije praktičan za upotrebu svuda. Sljedeći najbolji pokazatelj je bakar, gdje je potrebno 57,14 metara po 1 ohmu. Zbog svoje dostupnosti i cijene u usporedbi sa srebrom, bakar je jedan od popularnih materijala za korištenje u električnim mrežama. Niska otpornost bakrene žice ili otpornost bakarne žice omogućavaju upotrebu bakrenih provodnika u mnogim granama nauke, tehnologije, kao i za industrijske i kućne svrhe.Vrijednost otpornosti
Vrijednost otpora nije konstantna, ona varira u zavisnosti od sljedećih faktora:
- Veličina. Što je veći prečnik provodnika, to više elektrona propušta kroz sebe. Stoga, što je manja njegova veličina, to je veća otpornost.
- Dužina. Elektroni prolaze kroz atome, pa što je žica duža, više elektrona mora da putuje kroz njih. Prilikom proračuna potrebno je voditi računa o dužini i veličini žice, jer što je žica duža ili tanja, to je njena otpornost veća i obrnuto. Neproračun opterećenja korištene opreme može dovesti do pregrijavanja žice i požara.
- Temperatura. Poznato je da temperaturni režim ima velika vrijednost na ponašanje supstanci različito. Metal, kao ništa drugo, mijenja svoja svojstva na različitim temperaturama. Otpornost bakra direktno ovisi o temperaturnom koeficijentu otpora bakra i povećava se kada se zagrije.
- Korozija. Formiranje korozije značajno povećava opterećenje. To se dešava zbog uticaja okruženje, prodiranje vlage, soli, prljavštine itd. manifestacije. Preporučuje se izolacija i zaštita svih priključaka, terminala, uvijanja, ugradnja zaštite opreme koja se nalazi na ulici, te pravovremena zamjena oštećenih žica, komponenti i sklopova.
Proračun otpora
Proračuni se rade prilikom projektovanja objekata za različite namjene i namjene, jer život svima osigurava struja. Vodi se računa o svemu, od rasvjetnih tijela do tehnički složene opreme. Kod kuće bi također bilo korisno napraviti proračun, posebno ako se planira zamjena električnih instalacija. Za privatnu stambenu izgradnju potrebno je izračunati opterećenje, inače "provizorna" montaža električnih instalacija može dovesti do požara.
Svrha proračuna je odrediti ukupni otpor provodnika svih korištenih uređaja, uzimajući u obzir njihove tehničke parametre. Izračunava se pomoću formule R=p*l/S, gdje je:
R – izračunati rezultat;
p – indikator otpornosti iz tabele;
l – dužina žice (provodnika);
S – prečnik presjeka.
Jedinice mjerenja
IN međunarodni sistem jedinice fizičke veličine(SI) električni otpor se mjeri u omima (omima). Jedinica mjerenja otpornosti prema SI sistemu jednaka je otporu tvari pri kojoj je provodnik od jednog materijala dužine 1 m poprečnog presjeka 1 kvadrat. m ima otpor od 1 Ohm. Upotreba 1 ohm/m za različite metale jasno je prikazana u tabeli.
Značaj otpornosti
Odnos između otpornosti i vodljivosti može se smatrati recipročnim veličinama. Što je veći indikator jednog provodnika, to je niži indikator drugog i obrnuto. Stoga se pri proračunu električne provodljivosti koristi proračun 1/r, jer je inverz od X 1/X i obrnuto. Specifični indikator je označen slovom g.
Prednosti elektrolitičkog bakra
Bakar nije ograničen na svoj nizak indeks otpornosti (posle srebra) kao prednost. Ima jedinstvena svojstva po svojim karakteristikama, a to su plastičnost i visoka savitljivost. Zahvaljujući ovim kvalitetama, elektrolitički bakar se proizvodi do visokog stepena čistoće za proizvodnju kablova koji se koriste u električnim uređajima, kompjuterska tehnologija, elektroindustriju i automobilsku industriju.
Ovisnost indeksa otpornosti o temperaturi
Temperaturni koeficijent je vrijednost koja je jednaka promjeni napona dijela strujnog kola i otpornosti metala kao rezultat promjene temperature. Većina metala ima tendenciju povećanja otpornosti s povećanjem temperature zbog termičkih vibracija kristalne rešetke. Temperaturni koeficijent otpora bakra utiče na otpor bakarne žice i na temperaturama od 0 do 100°C iznosi 4,1 10−3(1/kelvin). Za srebro je ovaj pokazatelj pod istim uslovima 3,8, a za željezo 6,0. Ovo još jednom dokazuje efikasnost upotrebe bakra kao provodnika.
Jedan od najčešćih metala za izradu žica je bakar. Njegov električni otpor je najniži među pristupačnim metalima. Manji je samo u plemeniti metali(srebro i zlato) i zavisi od raznih faktora.
Šta je električna struja
Postoje različiti nosači na različitim polovima baterije ili drugog izvora struje električni naboj. Ako su spojeni na provodnik, nosioci naboja počinju da se kreću od jednog do drugog pola izvora napona. Ovi nosioci u tečnostima su joni, au metalima slobodni elektroni.
Definicija. Električna struja je usmjereno kretanje nabijenih čestica.
Otpornost
Električna otpornost je vrijednost koja određuje električni otpor referentnog uzorka materijala. Grčko slovo “p” koristi se za označavanje ove količine. Formula za obračun:
p=(R*S)/ l.
Ova vrijednost se mjeri u Ohm*m. Možete ga pronaći u referentnim knjigama, u tablicama otpornosti ili na internetu.
Slobodni elektroni se kreću kroz metal unutar kristalne rešetke. Na otpor ovom kretanju i otpor provodnika utiču tri faktora:
- Materijal. Različiti metali imaju različite atomske gustine i broj slobodnih elektrona;
- Nečistoće. U čistim metalima kristalna rešetka je uređenija, stoga je otpor manji nego u legurama;
- Temperatura. Atomi nisu stacionarni na svojim mjestima, već vibriraju. Što je temperatura viša, to je veća amplituda oscilacija koje ometaju kretanje elektrona, a otpor je veći.
Na sljedećoj slici možete vidjeti tabelu otpornosti metala.
Zanimljivo. Postoje legure čiji električni otpor opada kada se zagrije ili se ne mijenja.
Vodljivost i električni otpor
Budući da se dimenzije kabla mjere u metrima (dužina) i mm² (presjek), električna otpornost ima dimenziju Ohm mm²/m. Poznavajući dimenzije kabla, njegov otpor se izračunava pomoću formule:
R=(p* l)/S.
Pored električnog otpora, neke formule koriste koncept "provodljivosti". Ovo je recipročan otpor. Označava se "g" i izračunava se pomoću formule:
Provodljivost tečnosti
Vodljivost tekućina se razlikuje od provodljivosti metala. Nosioci naboja u njima su joni. Njihov broj i električna provodljivost se povećavaju kada se zagrijavaju, pa se snaga elektrodnog kotla povećava nekoliko puta kada se zagrije od 20 do 100 stupnjeva.
Zanimljivo. Destilovana voda je izolator. Otopljene nečistoće daju mu provodljivost.
Električni otpor žica
Najčešći metali za izradu žica su bakar i aluminij. Aluminij ima veću otpornost, ali je jeftiniji od bakra. Otpornost bakra je manja, pa se poprečni presjek žice može odabrati manji. Osim toga, jači je, a od ovog metala se prave fleksibilne žice.
Sledeća tabela prikazuje električnu otpornost metala na 20 stepeni. Da bi se to odredilo na drugim temperaturama, vrijednost iz tabele se mora pomnožiti sa faktorom korekcije, različitim za svaki metal. Ovaj koeficijent možete saznati iz relevantnih priručnika ili pomoću online kalkulatora.
Izbor poprečnog presjeka kabla
Budući da žica ima otpor, kada električna struja prolazi kroz nju, stvara se toplina i dolazi do pada napona. Oba ova faktora moraju se uzeti u obzir pri odabiru poprečnih presjeka kabela.
Odabir prema dozvoljenom grijanju
Kada struja teče u žici, energija se oslobađa. Njegova količina se može izračunati pomoću formule električne energije:
U bakrenoj žici poprečnog presjeka od 2,5 mm² i dužine od 10 metara R = 10 * 0,0074 = 0,074 Ohm. Pri struji od 30A P=30²*0,074=66W.
Ova snaga zagrijava provodnik i sam kabel. Temperatura na koju se zagreva zavisi od uslova ugradnje, broja žila u kablu i drugih faktora, i dozvoljena temperatura– na izolacionom materijalu. Bakar ima veću provodljivost, pa su izlazna snaga i potrebni poprečni presjek manji. Određuje se pomoću posebnih tabela ili pomoću online kalkulatora.
Dozvoljeni gubitak napona
Osim grijanja, kada električna struja prolazi kroz žice, smanjuje se napon u blizini opterećenja. Ova vrijednost se može izračunati koristeći Ohmov zakon:
Referenca. Prema PUE standardima, ne bi trebalo biti više od 5% ili u mreži od 220 V - ne više od 11 V.
Stoga, što je kabel duži, to bi njegov poprečni presjek trebao biti veći. Možete ga odrediti pomoću tabela ili pomoću online kalkulatora. Za razliku od izbora poprečnog presjeka na osnovu dozvoljenog grijanja, gubici napona ne ovise o uvjetima polaganja i izolacijskom materijalu.
U mreži od 220V napon se dovodi preko dvije žice: fazne i neutralne, tako da se proračun vrši korištenjem dvostruke dužine kabela. U kablu iz prethodnog primera biće U=I*R=30A*2*0,074Ohm=4,44V. Ovo nije mnogo, ali s dužinom od 25 metara ispada 11,1V - maksimalna dozvoljena vrijednost, morat ćete povećati poprečni presjek.
Električni otpor drugih metala
Pored bakra i aluminijuma, u elektrotehnici se koriste i drugi metali i legure:
- Iron. Čelik ima veću otpornost, ali je jači od bakra i aluminija. Čelične žice su utkane u kablove dizajnirane da se polažu kroz vazduh. Otpor gvožđa je prevelik za prenos električne energije, tako da se preseci jezgra ne uzimaju u obzir pri izračunavanju poprečnog preseka. Osim toga, on je vatrostalniji, a od njega se izrađuju vodovi za spajanje grijača u električnim pećima velike snage;
- Nihrom (legura nikla i hroma) i fechral (gvožđe, hrom i aluminijum). Imaju nisku provodljivost i vatrostalnost. Od ovih legura izrađuju se žičani otpornici i grijači;
- Tungsten. Njegov električni otpor je visok, ali je vatrostalni metal (3422 °C). Koristi se za izradu filamenata u električnim lampama i elektrodama za argon-lučno zavarivanje;
- Konstantan i manganin (bakar, nikl i mangan). Otpornost ovih provodnika se ne mijenja s promjenama temperature. Koristi se u uređajima visoke preciznosti za proizvodnju otpornika;
- Plemeniti metali – zlato i srebro. Imaju najveću specifičnu provodljivost, ali je zbog visoke cijene njihova upotreba ograničena.
Induktivna reaktansa
Formule za izračunavanje provodljivosti žica vrijede samo u mreži istosmjerne struje ili u ravnim vodičima na niskim frekvencijama. Induktivna reaktancija se pojavljuje u zavojnicama i u visokofrekventnim mrežama, mnogo puta veća nego inače. Osim toga, struja visoke frekvencije putuje samo duž površine žice. Stoga se ponekad premazuje tankim slojem srebra ili se koristi Litz žica.
