14.04.2018
Jako vodivé části v elektroinstalacích se používají vodiče z mědi, hliníku, jejich slitin a železa (oceli).
Měď je jedním z nejlépe vodivých materiálů. Hustota mědi při 20°C je 8,95 g/cm 3, bod tání 1083°C Měď je chemicky málo aktivní, ale snadno se rozpouští v kyselině dusičné a ve zředěné kyselině chlorovodíkové a sírové se rozpouští pouze za přítomnosti oxidační činidla (kyslík). Na vzduchu se měď rychle pokryje tenkou vrstvou tmavého oxidu, ale tato oxidace nepronikne hluboko do kovu a slouží jako ochrana proti další korozi. Měď se dobře hodí ke kování a válcování bez zahřívání.
Pro výrobu se používá elektrolytická měď v ingotech obsahujících 99,93 % čisté mědi.
Elektrická vodivost mědi silně závisí na množství a druhu nečistot a v menší míře na mechanickém a tepelném zpracování. při 20°C je to 0,0172-0,018 ohm x mm2/m.
Pro výrobu vodičů se používá měkká, polotvrdá nebo tvrdá měď o měrné hmotnosti 8,9, 8,95 a 8,96 g/cm3.
Je široce používán pro výrobu živých částí. měď ve slitinách s jinými kovy. Nejpoužívanější jsou následující slitiny.
Mosaz je slitina mědi a zinku, obsahující minimálně 50 % mědi ve slitině, s přídavkem dalších kovů. mosaz 0,031 - 0,079 ohm x mm2/m. Existují mosaz - tombak s obsahem mědi více než 72% (má vysokou tažnost, antikorozní a protitřecí vlastnosti) a speciální mosaz s přídavkem hliníku, cínu, olova nebo manganu.
Mosazný kontakt
Bronz je slitina mědi a cínu s přísadami různých kovů. Podle obsahu hlavní složky bronzu ve slitině se nazývají cín, hliník, křemík, fosfor a kadmium. Odpor bronz 0,021 - 0,052 ohm x mm 2 /m.
Mosaz a bronz mají dobré mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti. Snadno se zpracovávají litím a vstřikováním a jsou odolné vůči atmosférické korozi.
Hliník - podle jeho kvalit druhý vodivý materiál po mědi. Teplota tání 659,8 °C. Hustota hliníku při teplotě 20 °C je 2,7 g/cm3. Hliník se snadno odlévá a snadno obrábí. Při teplotě 100 - 150 °C je hliník kujný a tažný (lze svinout do tabulí o tloušťce 0,01 mm).
Elektrická vodivost hliníku je vysoce závislá na nečistotách a málo na mechanickém a tepelném zpracování. Čím je hliníkové složení čistší, tím vyšší je jeho elektrická vodivost a lepší odolnost chemické vlivy. Obrábění, válcování a žíhání výrazně ovlivňují mechanickou pevnost hliníku. Opracování hliníku za studena zvyšuje jeho tvrdost, pružnost a pevnost v tahu. Hliníkový odpor při 20 °C 0,026 - 0,029 ohm x mm2/m.
Při výměně mědi hliníkem je třeba zvětšit průřez vodiče z hlediska vodivosti, tedy 1,63krát.
Při stejné vodivosti bude hliníkový vodič 2krát lehčí než měděný.
Pro výrobu vodičů se používá hliník obsahující minimálně 98 % čistého hliníku, křemík maximálně 0,3 %, železo maximálně 0,2 %.
Pro výrobu dílů proudových dílů, které používají slitin hliníku s jinými kovy, například: Duralumin - slitina hliníku s mědí a manganem.
Silumin je lehká licí slitina vyrobená z hliníku s příměsí křemíku, hořčíku a manganu.
Slitiny hliníku mají dobré odlévací vlastnosti a vysokou mechanickou pevnost.
V elektrotechnice se nejčastěji používají následující: slitin hliníku:
Hliníková deformovatelná slitina třídy AD s obsahem hliníku minimálně 98,8 a dalšími nečistotami do 1,2.
Hliníková deformovatelná slitina třídy AD1 s obsahem hliníku minimálně 99,3 n a dalšími nečistotami do 0,7.
Hliníková deformovatelná slitina značky AD31, s hliníkem 97,35 - 98,15 a dalšími nečistotami 1,85 -2,65.
Slitiny jakosti AD a AD1 se používají pro výrobu pouzder a zápustek hardwarových svorek. Slitina AD31 se používá k výrobě profilů a přípojnic používaných pro elektrické vodiče.
V důsledku tepelného zpracování získávají výrobky z hliníkových slitin vysokou pevnost a meze kluzu (tečení).
Železo - bod tání 1539°C. Hustota železa je 7,87. Železo se rozpouští v kyselinách a je oxidováno halogeny a kyslíkem.
V elektrotechnice se používají různé třídy oceli, například:
Uhlíkové oceli jsou kujné slitiny železa s uhlíkem a dalšími metalurgickými nečistotami.
Měrný odpor uhlíkových ocelí je 0,103 - 0,204 ohm x mm 2 /m.
Legované oceli jsou slitiny s přísadami chrómu, niklu a dalších prvků přidávaných do uhlíkové oceli.
Oceli mají dobré vlastnosti.
Následující jsou široce používány jako přísady do slitin, jakož i pro výrobu pájek a výrobu vodivých kovů:
Kadmium je kujný kov. Bod tání kadmia je 321°C. Odpor 0,1 ohm x mm 2 /m. V elektrotechnice se kadmium používá pro přípravu nízkotavitelných pájek a pro ochranné povlaky (kadmiování) na kovových površích. Z hlediska svých antikorozních vlastností se kadmium blíží zinku, ale kadmiové povlaky jsou méně porézní a nanášejí se v tenčí vrstvě než zinek.
Nikl - bod tání 1455°C. Odpor niklu 0,068 - 0,072 ohm x mm 2 /m. Za běžných teplot není oxidován vzdušným kyslíkem. Nikl se používá ve slitinách a pro ochranné povlaky (niklování) kovových povrchů.
Cín - bod tání 231,9°C. Měrný odpor cínu je 0,124 - 0,116 ohm x mm 2 /m. Cín se používá k pájení ochranného povlaku (cínování) kovů v čistá forma a ve formě slitin s jinými kovy.
Olovo - bod tání 327,4°C. Měrný odpor 0,217 - 0,227 ohm x mm 2 /m. Olovo se používá ve slitinách s jinými kovy jako kyselinovzdorný materiál. Přidává se do pájecích slitin (pájek).
Stříbro je velmi tvárný, kujný kov. Teplota tání stříbra je 960,5°C. Stříbro je nejlepší vodič tepla a elektrického proudu. Měrný odpor stříbra je 0,015 - 0,016 ohm x mm 2 /m. Stříbro se používá k ochrannému nátěru (stříbření) kovových povrchů.
Antimon je lesklý, křehký kov s teplotou tání 631°C. Antimon se používá jako přísada do pájecích slitin (pájek).
Chrom je tvrdý, lesklý kov. Teplota tání 1830 °C. Na vzduchu při běžné teplotě se nemění. Měrný odpor chrómu je 0,026 ohm x mm 2 /m. Chrom se používá ve slitinách a pro ochranné nátěry (chromování) kovových povrchů.
Zinek - bod tání 419,4°C. Odpor zinku 0,053 - 0,062 ohm x mm2/m. Ve vlhkém vzduchu zinek oxiduje a pokrývá se vrstvou oxidu, která chrání před následnými chemickými vlivy. V elektrotechnice se zinek používá jako přísada do slitin a pájek a také k ochrannému nátěru (zinkování) povrchů kovových dílů.
Jakmile elektřina opustila laboratoře vědců a začala se široce zavádět do praxe Každodenní život, vyvstala otázka hledání materiálů, které mají určité, někdy zcela opačné vlastnosti ve vztahu k toku elektrického proudu jimi.
Například při přenosu elektrické energie na dlouhé vzdálenosti bylo požadováno, aby materiál drátu minimalizoval ztráty způsobené Jouleovým ohřevem v kombinaci s nízkou hmotností. Příkladem toho jsou známá vedení vysokého napětí z hliníkových drátů s ocelovým jádrem.
Nebo naopak pro vytvoření kompaktních trubkových elektrických ohřívačů byly zapotřebí materiály s relativně vysokým elektrickým odporem a vysokou tepelnou stabilitou. Nejjednodušším příkladem zařízení, které využívá materiály s podobnými vlastnostmi, je hořák běžného kuchyňského elektrického sporáku.
Vodiče používané v biologii a medicíně jako elektrody, sondy a sondy vyžadují vysokou chemickou odolnost a kompatibilitu s biomateriály v kombinaci s nízkým přechodovým odporem.
Celá galaxie vynálezců z rozdílné země: Anglie, Rusko, Německo, Maďarsko a USA. Thomas Edison, který provedl více než tisíc experimentů testujících vlastnosti materiálů vhodných pro roli filamentů, vytvořil lampu s platinovou spirálou. Edisonovy lampy, ačkoli měly dlouhou životnost, nebyly praktické kvůli vysoké ceně výchozího materiálu.
Následná práce ruského vynálezce Lodygina, který navrhl použití relativně levného, žáruvzdorného wolframu a molybdenu s vyšším měrným odporem jako vláknitých materiálů, našla praktické uplatnění. Lodygin navíc navrhl odčerpání vzduchu z válců žárovek a jeho nahrazení inertními nebo vzácnými plyny, což vedlo k vytvoření moderních žárovek. Průkopníkem hromadné výroby cenově dostupných a odolných elektrických lamp byla společnost General Electric, které Lodygin postoupil práva na své patenty a poté dlouhou dobu úspěšně pracoval ve firemních laboratořích.
V tomto výčtu lze pokračovat, neboť zvídavá lidská mysl je natolik vynalézavá, že někdy k vyřešení určitého technického problému potřebuje materiály s dosud nevídanými vlastnostmi nebo s neuvěřitelnou kombinací těchto vlastností. Příroda už nestíhá držet krok s našimi choutky a vědci z celého světa se připojili k závodu ve vytváření materiálů, které nemají přírodní analogy.
Jde o záměrné připojení pláště nebo krytu elektrických zařízení k ochrannému uzemňovacímu zařízení. Obvykle se uzemnění provádí ve formě ocelových nebo měděných pásků, trubek, tyčí nebo rohů zakopaných v zemi do hloubky více než 2,5 metru, které v případě nehody zajišťují tok proudu podél obvodového zařízení - pouzdro nebo plášť - zem - nulový vodič zdroje střídavého proudu. Odpor tohoto obvodu by neměl být větší než 4 ohmy. V tomto případě se napětí na těle nouzového zařízení sníží na hodnoty, které jsou pro člověka bezpečné, a automatická zařízení na ochranu obvodu tak či onak nouzové zařízení vypnou.
Při výpočtu ochranných uzemňovacích prvků hraje významnou roli znalost měrného odporu zemin, který se může velmi lišit.
V souladu s údaji v referenčních tabulkách se vybere plocha zemnícího zařízení, z ní se vypočítá počet uzemňovacích prvků a skutečné provedení celého zařízení. Konstrukční prvky ochranného uzemňovacího zařízení jsou spojeny svařováním.
Elektrická tomografie
Elektrická prospekce studuje blízkopovrchové geologické prostředí a využívá se k vyhledávání rudných a nekovových minerálů a dalších objektů na základě studia různých umělých elektrických a elektromagnetických polí. Speciálním případem elektrické prospekce je elektrická tomografie (Electrical Resistivity Tomography) – metoda zjišťování vlastností hornin podle jejich rezistivity.
Podstata metody spočívá v tom, že při určité poloze zdroje elektrického pole se provádějí měření napětí na různých sondách, poté se zdroj pole přesune na jiné místo nebo se přepne na jiný zdroj a měření se opakují. Polní zdroje a polní přijímačové sondy jsou umístěny na povrchu a ve studních.
Přijatá data jsou následně zpracována a interpretována pomocí modern počítačové metody zpracování, které umožňuje vizualizovat informace ve formě dvourozměrných a trojrozměrných obrázků.
Být velmi přesná metoda vyhledávání, elektrická tomografie poskytuje neocenitelnou pomoc geologům, archeologům a paleozoologům.
Určení formy výskytu ložisek nerostů a hranic jejich rozložení (konturování) umožňuje identifikovat výskyt žilných ložisek nerostů, což výrazně snižuje náklady na jejich následný rozvoj.
Pro archeology tato vyhledávací metoda poskytuje cenné informace o umístění starověkých pohřbů a přítomnosti artefaktů v nich, čímž snižuje náklady na vykopávky.
Paleozoologové používají elektrickou tomografii k hledání zkamenělých pozůstatků starověkých zvířat; výsledky jejich práce jsou k vidění v přírodovědných muzeích v podobě ohromujících rekonstrukcí koster prehistorické megafauny.
Kromě toho se elektrická tomografie používá při výstavbě a následném provozu inženýrských staveb: výškové budovy, přehrady, hráze, náspy a další.
Definice rezistivity v praxi
Někdy, abychom vyřešili praktické problémy, můžeme stát před úkolem určit složení látky, například drátu pro řezání polystyrenové pěny. Máme dvě cívky drátu vhodného průměru z různých nám neznámých materiálů. Pro vyřešení problému je nutné zjistit jejich elektrický odpor a následně pomocí rozdílu v nalezených hodnotách nebo pomocí vyhledávací tabulky určit materiál drátu.
Změříme svinovacím metrem a z každého vzorku ustřihneme 2 metry drátu. Určíme průměry drátů d₁ a d₂ pomocí mikrometru. Po zapnutí multimetru na spodní hranici měření odporu změříme odpor vzorku R₁. Postup opakujeme pro další vzorek a také změříme jeho odpor R₂.
Vezměme v úvahu, že oblast průřez drát se vypočítá podle vzorce
S = π ∙ d 2 /4
Nyní bude vzorec pro výpočet elektrického odporu vypadat takto:
ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L
Dosazením získaných hodnot L, d₁ a R₁ do vzorce pro výpočet měrného odporu uvedeného v článku výše vypočteme hodnotu ρ₁ pro první vzorek.
ρ 1 = 0,12 ohm mm2/m
Dosazením získaných hodnot L, d₂ a R₂ do vzorce vypočteme hodnotu ρ₂ pro druhý vzorek.
p2 = 1,2 ohm mm2/m
Z porovnání hodnot ρ₁ a ρ₂ s referenčními údaji v tabulce 2 výše jsme usoudili, že materiálem prvního vzorku je ocel a druhým je nichrom, ze kterého vyrobíme řezací strunu.
Nazývají schopnost kovu procházet skrz sebe nabitý proud. Odpor je zase jednou z charakteristik materiálu. Čím větší je elektrický odpor při daném napětí, tím menší bude Charakterizuje sílu odporu vodiče vůči pohybu nabitých elektronů směřujících podél něj. Protože vlastnost přenosu elektřiny je převrácená hodnota odporu, znamená to, že bude vyjádřen ve formě vzorců jako poměr 1/R.
Odpor vždy závisí na kvalitě materiálu použitého při výrobě zařízení. Měří se na základě parametrů vodiče o délce 1 metr a ploše průřezu 1 milimetr čtvereční. Například vlastnost specifického odporu pro měď je vždy rovna 0,0175 Ohm, pro hliník - 0,029, železo - 0,135, konstantan - 0,48, nichrom - 1-1,1. Rezistivita oceli se rovná číslu 2*10-7 Ohm.m
Odpor vůči proudu je přímo úměrný délce vodiče, po kterém se pohybuje. Čím delší zařízení, tím vyšší odpor. Tento vztah snáze pochopíte, když si představíte dva pomyslné páry nádob, které spolu komunikují. Nechte spojovací trubici u jednoho páru zařízení tenčí a u druhého silnější. Když jsou oba páry naplněny vodou, bude přenos kapaliny tlustou trubicí mnohem rychlejší, protože bude mít menší odpor proti proudění vody. Podle této analogie je pro něj snazší projít tlustým vodičem než tenkým.
Odpor jako jednotka SI se měří pomocí Ohm.m. Vodivost závisí na průměrné délce volného letu nabitých částic, která je charakterizována strukturou materiálu. Kovy bez příměsí, které mají nejsprávnější hodnoty, mají nejnižší hodnoty odporu. Nečistoty naopak mřížku deformují, a tím zvyšují její výkon. Odpor kovů se nachází v úzkém rozmezí hodnot při normální teplota: od stříbra od 0,016 do 10 μOhm.m (slitiny železa a chrómu s hliníkem).
O vlastnostech pohybu nabitých
elektrony ve vodiči jsou ovlivněny teplotou, protože jak se zvyšuje, amplituda vlnových oscilací existujících iontů a atomů se zvyšuje. V důsledku toho mají elektrony méně volného prostoru pro normální pohyb v krystalové mřížce. To znamená, že se zvyšuje překážka uspořádaného pohybu. Odpor jakéhokoli vodiče se jako obvykle zvyšuje lineárně s rostoucí teplotou. Polovodiče se naopak vyznačují poklesem s rostoucími stupni, protože to vede k uvolnění mnoha nábojů, které přímo vytvářejí elektrický proud.
Proces chlazení některých kovových vodičů je známý požadovanou teplotu přivede jejich odpor do náhlého stavu a klesne na nulu. Tento jev byl objeven v roce 1911 a nazýván supravodivostí.
Elektrický odpor, nebo jednoduše odpor látka - fyzikální veličina charakterizující schopnost látky bránit průchodu elektrického proudu.
Odpor se označuje řeckým písmenem ρ. Převrácená hodnota měrného odporu se nazývá specifická vodivost (elektrická vodivost). Na rozdíl od elektrického odporu, který je vlastností dirigent a v závislosti na jeho materiálu, tvaru a velikosti je elektrický odpor pouze vlastností látek.
Elektrický odpor homogenního vodiče s měrným odporem ρ, délka l a průřezová plocha S lze vypočítat pomocí vzorce R = ρ ⋅ l S (\displaystyle R=(\frac (\rho \cdot l)(S)))(předpokládá se, že se podél vodiče nemění plocha ani tvar průřezu). Podle toho pro ρ máme ρ = R ⋅ Sl. (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l)).)
Z posledního vzorce vyplývá: fyzický význam Rezistivita látky je taková, že představuje odpor homogenního vodiče jednotkové délky a jednotkové plochy průřezu vyrobeného z této látky.
Encyklopedický YouTube
-
1 / 5
Jednotkou měrného odporu v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) je Ohm · . Ze vztahu ρ = R ⋅ S l (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l))) Z toho vyplývá, že jednotka měření měrného odporu v soustavě SI je rovna měrnému odporu látky, při které homogenní vodič o délce 1 m s plochou průřezu 1 m², vyrobený z této látky, má odpor rovný na 1 Ohm. V souladu s tím je měrný odpor libovolné látky, vyjádřený v jednotkách SI, číselně rovna odporu části elektrického obvodu vyrobeného z dané látky o délce 1 m a ploše průřezu 1 m².
V technologii se také používá zastaralá nesystémová jednotka Ohm mm²/m, která se rovná 10 −6 z 1 Ohm m. Tato jednotka se rovná měrnému odporu látky, při které homogenní vodič o délce 1 m s plochou průřezu 1 mm² vyrobený z této látky má odpor rovný 1 Ohm. V souladu s tím je měrný odpor látky vyjádřený v těchto jednotkách číselně rovna odporu části elektrického obvodu vyrobeného z této látky o délce 1 m a ploše průřezu 1 mm².
Zobecnění pojmu rezistivita
Odpor lze také určit pro nestejnorodý materiál, jehož vlastnosti se bod od bodu liší. V tomto případě se nejedná o konstantu, ale o skalární funkci souřadnic - koeficient týkající se intenzity elektrického pole E → (r →) (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))) a proudovou hustotou J → (r →) (\displaystyle (\vec (J))((\vec (r)))) v tomto bodě r → (\displaystyle (\vec (r))). Tento vztah je vyjádřen Ohmovým zákonem v diferenciální formě:
E → (r →) = ρ (r →) J → (r →) . (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))=\rho ((\vec (r)))(\vec (J))((\vec (r))).)Tento vzorec platí pro heterogenní, ale izotropní látku. Látka může být také anizotropní (většina krystalů, magnetizované plazma atd.), to znamená, že její vlastnosti mohou záviset na směru. V tomto případě je měrný odpor koordinačně závislým tenzorem druhé řady, který obsahuje devět složek. V anizotropní látce nejsou vektory proudové hustoty a intenzity elektrického pole v každém daném bodě látky spoluřízeny; souvislost mezi nimi je vyjádřena vztahem
E i (r →) = ∑ j = 1 3 ρ i j (r →) J j (r →) . (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))=\součet _(j=1)^(3)\rho _(ij)((\vec (r)))J_(j)(( \vec (r))).)V anizotropní, ale homogenní látce, tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) nezávisí na souřadnicích.
Tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) symetrický, tedy pro jakékoli i (\displaystyle i) A j (\displaystyle j) provedeno ρ i j = ρ j i (\displaystyle \rho _(ij)=\rho _(ji)).
Pokud jde o jakýkoli symetrický tenzor, pro ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) můžete zvolit ortogonální systém kartézských souřadnic, ve kterém je matice ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) se stává úhlopříčka, to znamená, že na sebe bere podobu, ve které z devíti složek ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) Pouze tři jsou nenulové: ρ 11 (\displaystyle \rho _(11)), ρ 22 (\displaystyle \rho _(22)) A ρ 33 (\displaystyle \rho _(33)). V tomto případě označující ρ i i (\displaystyle \rho _(ii)) jak místo předchozího vzorce získáme jednodušší
E i = ρ i J i. (\displaystyle E_(i)=\rho _(i)J_(i).)Množství ρ i (\displaystyle \rho _(i)) volal hlavní hodnoty odporový tenzor.
Vztah k vodivosti
V izotropních materiálech vztah mezi měrným odporem ρ (\displaystyle \rho ) a specifická vodivost σ (\displaystyle \sigma ) vyjádřeno rovností
ρ = 1 σ. (\displaystyle \rho =(\frac (1)(\sigma )).)V případě anizotropních materiálů vztah mezi složkami tenzoru měrného odporu ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) a tenzor vodivosti je složitější. Opravdu, Ohmův zákon rozdílová forma pro anizotropní materiály má tvar:
J i (r →) = ∑ j = 1 3 σ i j (r →) E j (r →) . (\displaystyle J_(i)((\vec (r)))=\součet _(j=1)^(3)\sigma _(ij)((\vec (r)))E_(j)(( \vec (r))).)Z této rovnosti a dříve daného vztahu pro E i (r →) (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))) z toho vyplývá, že tenzor odporu je inverzní tenzor vodivosti. Vezmeme-li toto v úvahu, pro součásti tenzoru odporu platí následující:
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)],)Kde det (σ) (\displaystyle \det(\sigma)) je determinant matice složené z tenzorových složek σ i j (\displaystyle \sigma _(ij)). Zbývající složky tenzoru měrného odporu jsou získány z výše uvedených rovnic jako výsledek cyklického přeskupování indexů 1 , 2 A 3 .
Elektrický odpor některých látek
Kovové monokrystaly
V tabulce jsou uvedeny hlavní hodnoty tenzoru odporu monokrystalů při teplotě 20 °C.
Krystal ρ 1 =ρ 2, 10 −8 Ohm m ρ 3, 10 −8 Ohm m Cín 9,9 14,3 Vizmut 109 138 Kadmium 6,8 8,3 Zinek 5,91 6,13 Elektrický odpor -fyzikální veličina, která ukazuje, jakou překážku vytváří proud při průchodu vodičem. Jednotky měření jsou Ohmy, na počest Georga Ohma. Ve svém zákoně odvodil vzorec pro nalezení odporu, který je uveden níže.
Uvažujme jako příklad odpor vodičů používajících kovy. Kovy mají vnitřní struktura ve formě krystalové mřížky. Tato mřížka má přísný řád a její uzly jsou kladně nabité ionty. Nosiče náboje v kovu jsou „volné“ elektrony, které nepatří konkrétnímu atomu, ale náhodně se pohybují mezi místy mřížky. Z kvantová fyzika Je známo, že pohyb elektronů v kovu je šířením elektromagnetické vlny v pevné látce. Tedy, že elektron ve vodiči se pohybuje rychlostí světla (prakticky) a je prokázáno, že vykazuje vlastnosti nejen jako částice, ale i jako vlna. A odpor kovu vzniká v důsledku rozptylu elektromagnetické vlny(tedy elektrony) na tepelné vibrace mřížky a jejích defektů. Při srážce elektronů s uzly krystalové mřížky se část energie přenese do uzlů, v důsledku čehož se energie uvolní. Tuto energii lze vypočítat při konstantním proudu díky Joule-Lenzově zákonu - Q=I 2 Rt. Jak vidíte, čím větší odpor, tím více energie se uvolní.
Odpor
Existuje tak důležitý pojem jako odpor, jedná se o stejný odpor, pouze v jednotce délky. Každý kov má své, např. u mědi je to 0,0175 Ohm*mm2/m, u hliníku je to 0,0271 Ohm*mm2/m. To znamená, že měděná tyč o délce 1 m a ploše průřezu 1 mm2 bude mít odpor 0,0175 Ohm a stejná tyč, ale vyrobená z hliníku, bude mít odpor 0,0271 Ohm. Ukazuje se, že elektrická vodivost mědi je vyšší než hliníku. Každý kov má svůj specifický odpor a odpor celého vodiče lze vypočítat pomocí vzorce
Kde p– rezistivita kovu, l – délka vodiče, s – plocha průřezu.
Hodnoty odporu jsou uvedeny v kovová tabulka odporu(20 °C)
Látka
p, Ohm*mm 2 /2
a,10-3 1/K
Hliník
0.0271
Wolfram
0.055
Žehlička
0.098
Zlato
0.023
Mosaz
0.025-0.06
Manganin
0.42-0.48
0,002-0,05
Měď
0.0175
Nikl
Konstantan
0.44-0.52
0.02
nichrom
0.15
stříbrný
0.016
Zinek
0.059
Kromě měrného odporu obsahuje tabulka hodnoty TCR, více o tomto koeficientu o něco později.
Závislost měrného odporu na deformaci
Při tváření kovů za studena tlakem dochází k kovu plastická deformace. Při plastické deformaci se krystalová mřížka deformuje a zvyšuje se počet defektů. S nárůstem poruch krystalové mřížky se zvyšuje odpor vůči toku elektronů vodičem, a proto se zvyšuje odpor kovu. Například drát se vyrábí tažením, což znamená, že kov podléhá plastické deformaci, v důsledku čehož se zvyšuje odpor. V praxi se ke snížení odporu používá rekrystalizační žíhání, které je komplexní technologický postup, po kterém se krystalová mřížka jakoby „narovná“ a počet defektů klesá, tedy i odolnost kovu.
Při natahování nebo stlačení dochází k elastické deformaci kovu. Během elastické deformace způsobené natahováním se zvyšují amplitudy tepelných vibrací uzlů krystalové mřížky, proto elektrony zažívají velké potíže a v souvislosti s tím se zvyšuje odpor. Při elastické deformaci způsobené kompresí se amplitudy tepelných vibrací uzlů snižují, proto se elektrony snáze pohybují a měrný odpor klesá.
Vliv teploty na měrný odpor
Jak jsme již zjistili výše, příčinou odporu v kovu jsou uzly krystalové mřížky a jejich vibrace. Takže s rostoucí teplotou se zvyšují tepelné vibrace uzlů, což znamená, že se také zvyšuje odpor. Existuje takové množství jako teplotní koeficient odporu(TKS), který ukazuje, jak moc se měrný odpor kovu zvyšuje nebo snižuje při zahřátí nebo ochlazení. Například teplotní koeficient mědi při 20 stupních Celsia je 4.1 · 10 − 3 1/stupeň. To znamená, že když se například měděný drát zahřeje o 1 stupeň Celsia, jeho odpor se zvýší o 4.1 · 10 − 3 Ohm. Odpor se změnami teploty lze vypočítat pomocí vzorce
kde r je měrný odpor po ohřevu, r 0 je měrný odpor před ohřevem, a je teplotní koeficient odporu, t 2 je teplota před ohřevem, t 1 je teplota po ohřevu.
Dosazením našich hodnot dostaneme: r=0,0175*(1+0,0041*(154-20))=0,0271 Ohm*mm 2 /m. Jak vidíte, naše měděná lišta o délce 1 m a ploše průřezu 1 mm 2 by po zahřátí na 154 stupňů měla stejný odpor jako stejná lišta, pouze z hliníku a při teplota 20 stupňů Celsia.
Vlastnost měnit odpor se změnami teploty se využívá u odporových teploměrů. Tato zařízení mohou měřit teplotu na základě měření odporu. Odporové teploměry mají vysokou přesnost měření, ale malé teplotní rozsahy.
V praxi vlastnosti vodičů brání průchodu aktuální se používají velmi široce. Příkladem je žárovka, kde se díky vysokému odporu kovu, jeho velké délce a úzkému průřezu zahřívá wolframové vlákno. Nebo jakékoli topné zařízení, kde se spirála zahřívá kvůli vysokému odporu. V elektrotechnice se prvek, jehož hlavní vlastností je odpor, nazývá rezistor. Rezistor se používá téměř v každém elektrickém obvodu.
Mnoho lidí slyšelo o Ohmově zákonu, ale ne každý ví, co to je. Studium začíná školním kurzem fyziky. Podrobněji se vyučují na Fakultě fyziky a elektrodynamiky. Je nepravděpodobné, že tyto znalosti budou užitečné pro průměrného člověka, ale jsou nezbytné obecný vývoj a pro někoho budoucí povolání. Na druhou stranu základní znalosti o elektřině, její struktuře a vlastnostech doma vám pomohou chránit se před poškozením. Ne nadarmo se Ohmův zákon nazývá základním zákonem elektřiny. Domácí kutil potřebuje mít znalosti v oblasti elektřiny, aby nedocházelo k přepětí, které může vést ke zvýšení zátěže a požáru.
Koncepce elektrického odporu
Vztah mezi základními fyzikálními veličinami elektrického obvodu – odpor, napětí, síla proudu – objevil německý fyzik Georg Simon Ohm.
Elektrický odpor vodiče je hodnota, která charakterizuje jeho odpor vůči elektrickému proudu. Jinými slovy, část elektronů vlivem elektrického proudu na vodič opustí své místo v krystalové mřížce a směřuje ke kladnému pólu vodiče. Některé elektrony zůstávají v mřížce a pokračují v rotaci kolem atomu jádra. Tyto elektrony a atomy tvoří elektrický odpor, který brání pohybu uvolněných částic.
Výše uvedený proces platí pro všechny kovy, ale odpor se u nich vyskytuje odlišně. To je způsobeno rozdílem ve velikosti, tvaru a materiálu, ze kterého je vodič vyroben. V souladu s tím mají rozměry krystalové mřížky různé tvary pro různé materiály, proto elektrický odpor vůči pohybu proudu skrze ně není stejný.
Z tento koncept z toho vyplývá, že se určuje měrná odolnost látky, která je individuální ukazatel pro každý kov zvlášť. Elektrický odpor (SER) je fyzikální veličina, označovaná řeckým písmenem ρ a charakterizovaná schopností kovu bránit průchodu elektřiny skrz něj.
Měď je hlavním materiálem pro vodiče
Rezistivita látky se vypočítá pomocí vzorce, kde jeden z důležité ukazatele je teplotní koeficient elektrického odporu. Tabulka obsahuje hodnoty měrného odporu tří známých kovů v teplotním rozsahu od 0 do 100°C.
Pokud vezmeme měrný odpor železa, jako jeden z dostupných materiálů, rovný 0,1 Ohm, pak na 1 Ohm budete potřebovat 10 metrů. Nejnižší elektrický odpor má stříbro, pro jeho hodnotu 1 ohm to bude 66,7 metru. Významný rozdíl, ale stříbro je drahý kov, který není praktické používat všude. Dalším nejlepším indikátorem je měď, kde je potřeba 57,14 metru na 1 ohm. Díky své dostupnosti a ceně ve srovnání se stříbrem je měď jedním z oblíbených materiálů pro použití v elektrických sítích. Nízký měrný odpor měděného drátu nebo odpor měděného drátu umožňuje použití měděného vodiče v mnoha odvětvích vědy, techniky, jakož i pro průmyslové a domácí účely.Hodnota odporu
Hodnota odporu není konstantní, liší se v závislosti na následujících faktorech:
- Velikost. Čím větší je průměr vodiče, tím více elektronů propustí. Proto čím menší je jeho velikost, tím větší je odpor.
- Délka. Elektrony procházejí atomy, takže čím delší je drát, tím více elektronů jimi musí projít. Při výpočtech je nutné vzít v úvahu délku a velikost drátu, protože čím delší nebo tenčí drát, tím větší je jeho měrný odpor a naopak. Nedodržení výpočtu zatížení použitého zařízení může vést k přehřátí drátu a požáru.
- Teplota. Je známo, že teplotní režim má velká důležitost na chování látek odlišně. Kov, jako nic jiného, mění své vlastnosti při různých teplotách. Odpor mědi přímo závisí na teplotním koeficientu odporu mědi a při zahřívání se zvyšuje.
- Koroze. Vznik koroze výrazně zvyšuje zatížení. To se děje v důsledku nárazu životní prostředí, pronikání vlhkosti, soli, nečistot atd. projevy. Doporučuje se izolovat a chránit všechna připojení, svorky, zkroucení, instalovat ochranu pro zařízení umístěná na ulici a okamžitě vyměnit poškozené vodiče, součásti a sestavy.
Výpočet odporu
Výpočty se provádějí při navrhování objektů pro různé účely a použití, protože život každého člověka zajišťuje elektřina. Počítá se se vším, od svítidel až po technicky složité vybavení. Doma by se také hodilo provést kalkulaci, zvláště pokud se plánuje výměna elektroinstalace. U soukromé bytové výstavby je nutné vypočítat zatížení, jinak může „provizorní“ montáž elektrického vedení vést k požáru.
Účelem výpočtu je stanovení celkového odporu vodičů všech použitých zařízení s přihlédnutím k jejich technickým parametrům. Vypočítá se pomocí vzorce R=p*l/S, kde:
R – vypočtený výsledek;
p – indikátor měrného odporu z tabulky;
l – délka drátu (vodiče);
S – průměr sekce.
Jednotky
V mezinárodní systém Jednotky fyzikální veličiny(SI) elektrický odpor se měří v ohmech (ohmech). Jednotka měření měrného odporu podle soustavy SI je rovna měrnému odporu látky, při které je vodič z jednoho materiálu dlouhý 1 m o průřezu 1 m2. m. má odpor 1 Ohm. Použití 1 ohm/m pro různé kovy je jasně uvedeno v tabulce.
Význam rezistivity
Vztah mezi měrným odporem a vodivostí lze považovat za reciproké veličiny. Čím vyšší je indikátor jednoho vodiče, tím nižší je indikátor druhého a naopak. Při výpočtu elektrické vodivosti se tedy používá výpočet 1/r, protože převrácená hodnota X je 1/X a naopak. Specifický ukazatel se označuje písmenem g.
Výhody elektrolytické mědi
Výhodou mědi není pouze její nízký index odporu (po stříbře). Má vlastnosti jedinečné svými vlastnostmi, a to plasticitu a vysokou kujnost. Díky těmto vlastnostem se elektrolytická měď vyrábí ve vysokém stupni čistoty pro výrobu kabelů, které se používají v elektrických spotřebičích, počítačová technologie, elektrotechnický průmysl a automobilový průmysl.
Závislost indexu odporu na teplotě
Teplotní koeficient je hodnota, která se rovná změně napětí části obvodu a měrnému odporu kovu v důsledku změn teploty. Většina kovů má tendenci zvyšovat měrný odpor se zvyšující se teplotou v důsledku tepelných vibrací krystalové mřížky. Teplotní koeficient odporu mědi ovlivňuje měrný odpor měděného drátu a při teplotách od 0 do 100°C je 4,1 10− 3 (1/Kelvin). Pro stříbro je tento indikátor za stejných podmínek 3,8 a pro železo je 6,0. To opět dokazuje účinnost použití mědi jako vodiče.
Jedním z nejběžnějších kovů pro výrobu drátů je měď. Jeho elektrický odpor je nejnižší mezi cenově dostupnými kovy. Menší je pouze v drahé kovy(stříbro a zlato) a závisí na různých faktorech.
Co je elektrický proud
Na různých pólech baterie nebo jiného zdroje proudu jsou různé nosiče elektrický náboj. Pokud jsou připojeny k vodiči, začnou se nosiče náboje pohybovat z jednoho pólu zdroje napětí na druhý. Těmito nosiči v kapalinách jsou ionty a v kovech jsou to volné elektrony.
Definice. Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic.
Odpor
Elektrický odpor je hodnota, která určuje elektrický odpor referenčního vzorku materiálu. K označení této veličiny se používá řecké písmeno „p“. Vzorec pro výpočet:
p=(R*S)/ l.
Tato hodnota se měří v Ohm*m. Můžete jej najít v referenčních knihách, v tabulkách odporu nebo na internetu.
Volné elektrony se pohybují kovem v krystalové mřížce. Odolnost vůči tomuto pohybu a odpor vodiče ovlivňují tři faktory:
- Materiál. Různé kovy mají různé atomové hustoty a počty volných elektronů;
- Nečistoty. V čistých kovech je krystalová mřížka uspořádanější, proto je odpor nižší než u slitin;
- Teplota. Atomy nejsou na svých místech nehybné, ale vibrují. Čím vyšší je teplota, tím větší je amplituda vibrací, které ruší pohyb elektronů, a tím vyšší je odpor.
Na následujícím obrázku vidíte tabulku měrného odporu kovů.
Zajímavý. Existují slitiny, jejichž elektrický odpor při zahřívání klesá nebo se nemění.
Vodivost a elektrický odpor
Protože se rozměry kabelu měří v metrech (délka) a mm² (sekce), má elektrický odpor rozměr Ohm mm²/m. Při znalosti rozměrů kabelu se jeho odpor vypočítá podle vzorce:
R=(p* l)/S.
Kromě elektrického odporu používají některé vzorce pojem „vodivost“. To je reciproční odpor. Označuje se „g“ a počítá se pomocí vzorce:
Vodivost kapalin
Vodivost kapalin je jiná než vodivost kovů. Nosiče náboje v nich jsou ionty. Jejich počet a elektrická vodivost se při zahřátí zvyšuje, takže výkon elektrodového kotle se při zahřátí z 20 na 100 stupňů několikrát zvyšuje.
Zajímavý. Destilovaná voda je izolant. Rozpuštěné nečistoty mu dodávají vodivost.
Elektrický odpor vodičů
Nejběžnějšími kovy pro výrobu drátů jsou měď a hliník. Hliník má vyšší odolnost, ale je levnější než měď. Odpor mědi je nižší, takže průřez drátu lze volit menší. Navíc je pevnější a z tohoto kovu jsou vyrobeny ohebné lankové dráty.
Následující tabulka ukazuje elektrický odpor kovů při 20 stupních. Abychom ji určili při jiných teplotách, je třeba hodnotu z tabulky vynásobit korekčním faktorem, odlišným pro každý kov. Tento koeficient můžete zjistit z příslušných referenčních knih nebo pomocí online kalkulačky.
Výběr průřezu kabelu
Protože drát má odpor, při průchodu elektrického proudu se vytváří teplo a dochází k poklesu napětí. Oba tyto faktory je třeba vzít v úvahu při výběru průřezů kabelů.
Výběr podle přípustného ohřevu
Když drátem protéká proud, uvolňuje se energie. Jeho množství lze vypočítat pomocí vzorce elektrické energie:
V měděném drátu o průřezu 2,5 mm² a délce 10 metrů R = 10 * 0,0074 = 0,074 Ohm. Při proudu 30A P=30²*0,074=66W.
Tento výkon ohřívá vodič a samotný kabel. Teplota, na kterou se zahřeje, závisí na podmínkách instalace, počtu žil v kabelu a dalších faktorech a přípustná teplota– na izolačním materiálu. Měď má větší vodivost, takže výkon a potřebný průřez jsou nižší. Určuje se pomocí speciálních tabulek nebo pomocí online kalkulačky.
Přípustná ztráta napětí
Kromě zahřívání se při průchodu elektrického proudu dráty snižuje napětí v blízkosti zátěže. Tuto hodnotu lze vypočítat pomocí Ohmova zákona:
Odkaz. Podle standardů PUE by to nemělo být více než 5% nebo v síti 220V - ne více než 11V.
Čím delší je tedy kabel, tím větší by měl být jeho průřez. Můžete ji určit pomocí tabulek nebo pomocí online kalkulačky. Na rozdíl od volby průřezu na základě dovoleného ohřevu nejsou ztráty napětí závislé na podmínkách pokládky a izolačním materiálu.
V síti 220 V je napětí přiváděno přes dva vodiče: fázový a nulový, takže výpočet se provádí pomocí dvojnásobné délky kabelu. V kabelu z předchozího příkladu to bude U=I*R=30A*2*0,074Ohm=4,44V. To není mnoho, ale s délkou 25 metrů se ukazuje jako 11,1 V - maximální přípustná hodnota, budete muset zvětšit průřez.
Elektrický odpor ostatních kovů
Kromě mědi a hliníku se v elektrotechnice používají i další kovy a slitiny:
- Žehlička. Ocel má vyšší měrný odpor, ale je pevnější než měď a hliník. Ocelové prameny jsou vetkány do kabelů určených k položení vzduchem. Odpor železa je příliš vysoký na přenos elektřiny, takže průřezy jádra se při výpočtu průřezu neberou v úvahu. Navíc je žáruvzdornější a vyrábějí se z něj přívody pro připojení topidel ve výkonných elektrických pecích;
- Nichrom (slitina niklu a chrómu) a fechral (železo, chrom a hliník). Mají nízkou vodivost a žáruvzdornost. Z těchto slitin jsou vyrobeny drátové odpory a ohřívače;
- Wolfram. Jeho elektrický odpor je vysoký, ale je to žáruvzdorný kov (3422 °C). Používá se k výrobě vláken v elektrických lampách a elektrodách pro argonové obloukové svařování;
- Konstantan a manganin (měď, nikl a mangan). Odpor těchto vodičů se nemění se změnami teploty. Používá se ve vysoce přesných zařízeních pro výrobu rezistorů;
- Drahé kovy – zlato a stříbro. Mají nejvyšší měrnou vodivost, ale vzhledem k jejich vysoké ceně je jejich použití omezené.
Indukční reaktance
Vzorce pro výpočet vodivosti vodičů platí pouze ve stejnosměrné síti nebo v přímých vodičích při nízkých frekvencích. Indukční reaktance se objevuje v cívkách a ve vysokofrekvenčních sítích mnohonásobně vyšší než obvykle. Navíc vysokofrekvenční proud prochází pouze po povrchu drátu. Proto se někdy potahuje tenkou vrstvou stříbra nebo se používá Litz drát.
