14.04.2018
Przewodniki wykonane z miedzi, aluminium i ich stopów oraz żelaza (stal) stosowane są jako elementy przewodzące w instalacjach elektrycznych.
Miedź jest jednym z najlepiej przewodzących materiałów. Gęstość miedzi w temperaturze 20°C wynosi 8,95 g/cm 3, temperatura topnienia 1083° C. Miedź jest chemicznie mało aktywna, ale łatwo rozpuszcza się w kwasie azotowym, a w rozcieńczonych kwasach solnym i siarkowym rozpuszcza się tylko w obecności utleniacze (tlen). Na powietrzu miedź szybko pokrywa się cienką warstwą ciemnego tlenku, ale to utlenianie nie wnika głęboko w metal i służy jako ochrona przed dalszą korozją. Miedź dobrze nadaje się do kucia i walcowania bez ogrzewania.
Do produkcji jest używany miedź elektrolityczna w sztabkach zawierających 99,93% czystej miedzi.
Przewodność elektryczna miedzi silnie zależy od ilości i rodzaju zanieczyszczeń oraz w mniejszym stopniu od obróbki mechanicznej i termicznej. w 20°C wynosi 0,0172-0,018 oma x mm2/m.
Do produkcji przewodników stosuje się miedź miękką, półtwardą lub twardą o ciężarze właściwym odpowiednio 8,9, 8,95 i 8,96 g/cm3.
Jest szeroko stosowany do produkcji części pod napięciem. miedź w stopach z innymi metalami. Najczęściej stosowane są następujące stopy.
Mosiądz jest stopem miedzi i cynku, zawierającym w stopie co najmniej 50% miedzi, z dodatkiem innych metali. mosiądz 0,031 - 0,079 oma x mm2/m. Istnieje mosiądz - tombak o zawartości miedzi przekraczającej 72% (ma wysoką ciągliwość, właściwości antykorozyjne i przeciwcierne) oraz specjalny mosiądz z dodatkiem aluminium, cyny, ołowiu lub manganu.
Kontakt mosiężny
Brąz to stop miedzi i cyny z dodatkami różnych metali. W zależności od zawartości głównego składnika brązu w stopie nazywa się je cyną, aluminium, krzemem, fosforem i kadmem. Oporność brązowy 0,021 - 0,052 oma x mm2/m.
Mosiądz i brąz mają dobre właściwości mechaniczne i fizykochemiczne. Można je łatwo przetwarzać metodą odlewania i wtryskiwania oraz są odporne na korozję atmosferyczną.
Aluminium - zgodnie z jego właściwościami drugi po miedzi materiał przewodzący. Temperatura topnienia 659,8° C. Gęstość aluminium w temperaturze 20° wynosi 2,7 g/cm 3 . Aluminium jest łatwe do odlewania i łatwe w obróbce. W temperaturze 100 - 150°C aluminium jest kowalne i ciągliwe (można je walcować na arkusze o grubości do 0,01 mm).
Przewodność elektryczna aluminium w dużym stopniu zależy od zanieczyszczeń, a w niewielkim stopniu od obróbki mechanicznej i cieplnej. Im czystszy skład aluminium, tym wyższa jego przewodność elektryczna i lepsza odporność wpływy chemiczne. Obróbka skrawaniem, walcowanie i wyżarzanie znacząco wpływają na wytrzymałość mechaniczną aluminium. Obróbka na zimno aluminium zwiększa jego twardość, elastyczność i wytrzymałość na rozciąganie. Rezystywność aluminium w 20° C 0,026 - 0,029 oma x mm 2 /m.
Zastępując miedź aluminium, należy zwiększyć przekrój przewodu pod względem przewodności, tj. 1,63 razy.
Przy równej przewodności przewodnik aluminiowy będzie 2 razy lżejszy niż miedziany.
Do produkcji przewodów stosuje się aluminium zawierające co najmniej 98% czystego aluminium, krzem nie więcej niż 0,3%, żelazo nie więcej niż 0,2%
Do produkcji części części przewodzących prąd używają stopy aluminium z innymi metalami, na przykład: Duraluminium - stop aluminium z miedzią i manganem.
Silumin to lekki stop odlewniczy wykonany z aluminium z domieszką krzemu, magnezu i manganu.
Stopy aluminium charakteryzują się dobrymi właściwościami odlewniczymi i dużą wytrzymałością mechaniczną.
W elektrotechnice najczęściej stosowane są: stopy aluminium:
Odkształcalny stop aluminium w gatunku AD o zawartości aluminium co najmniej 98,8 i innych zanieczyszczeń do 1,2.
Odkształcalny stop aluminium w gatunku AD1 o zawartości glinu co najmniej 99,3 n i innych zanieczyszczeń do 0,7.
Odkształcalny stop aluminium marki AD31, zawierający aluminium 97,35 - 98,15 i inne zanieczyszczenia 1,85 -2,65.
Do produkcji obudów i matryc zacisków okuć stosuje się stopy w gatunkach AD i AD1. Stop w gatunku AD31 służy do wykonywania profili i szyn zbiorczych stosowanych na przewody elektryczne.
W wyniku obróbki cieplnej wyroby ze stopów aluminium uzyskują wysokie granice wytrzymałości i plastyczności (pełzania).
Żelazo - temperatura topnienia 1539°C. Gęstość żelaza wynosi 7,87. Żelazo rozpuszcza się w kwasach i jest utleniane przez halogeny i tlen.
W elektrotechnice stosuje się różne gatunki stali, na przykład:
Stale węglowe to ciągliwe stopy żelaza z węglem i innymi zanieczyszczeniami metalurgicznymi.
Rezystywność stali węglowych wynosi 0,103 - 0,204 oma x mm 2 /m.
Stale stopowe to stopy z dodatkami chromu, niklu i innych pierwiastków dodawanymi do stali węglowej.
Stale mają dobre właściwości.
Następujące substancje są szeroko stosowane jako dodatki do stopów, a także do produkcji lutów i produkcji metali przewodzących:
Kadm jest metalem ciągliwym. Temperatura topnienia kadmu wynosi 321°C. Rezystywność 0,1 oma x mm 2 /m. W elektrotechnice kadm stosuje się do przygotowania lutów niskotopliwych oraz do powłok ochronnych (kadmowanie) na powierzchniach metalowych. Pod względem właściwości antykorozyjnych kadm jest zbliżony do cynku, ale powłoki kadmowe są mniej porowate i nakładane cieńszą warstwą niż cynk.
Nikiel - temperatura topnienia 1455°C. Rezystywność niklu 0,068 - 0,072 oma x mm 2 /m. W zwykłych temperaturach nie ulega utlenieniu przez tlen atmosferyczny. Nikiel stosowany jest w stopach oraz do powłok ochronnych (niklowanie) powierzchni metalowych.
Cyna - temperatura topnienia 231,9°C. Rezystywność cyny wynosi 0,124 - 0,116 oma x mm2/m. Cyna służy do lutowania powłoki ochronnej (cynowania) metali czysta forma oraz w postaci stopów z innymi metalami.
Ołów - temperatura topnienia 327,4°C. Rezystancja właściwa 0,217 - 0,227 oma x mm 2 /m. Ołów stosowany jest w stopach z innymi metalami jako materiał kwasoodporny. Dodawany do stopów lutowniczych (lutowia).
Srebro jest bardzo plastycznym i kowalnym metalem. Temperatura topnienia srebra wynosi 960,5°C. Srebro jest najlepszym przewodnikiem ciepła i prądu elektrycznego. Rezystywność srebra wynosi 0,015 - 0,016 oma x mm2/m. Srebro służy do pokrywania ochronnego (srebrzenia) powierzchni metalowych.
Antymon to błyszczący, kruchy metal o temperaturze topnienia 631°C. Antymon stosowany jest jako dodatek do stopów lutowniczych (lutowia).
Chrom to twardy, błyszczący metal. Temperatura topnienia 1830°C. W powietrzu w zwykłej temperaturze nie zmienia się. Rezystywność chromu wynosi 0,026 oma x mm2/m. Chrom stosowany jest w stopach i do powlekania ochronnego (chromowania) powierzchni metalowych.
Cynk - temperatura topnienia 419,4°C. Oporność cynku 0,053 - 0,062 oma x mm2/m. W wilgotnym powietrzu cynk utlenia się, pokrywając się warstwą tlenku, która chroni przed późniejszymi wpływami chemicznymi. W elektrotechnice cynk stosuje się jako dodatek do stopów i lutowiów, a także do powłok ochronnych (cynkowanie) powierzchni części metalowych.
Gdy tylko elektryczność opuściła laboratoria naukowców i zaczęła być powszechnie wprowadzana do praktyki Życie codzienne pojawiło się pytanie o poszukiwanie materiałów posiadających pewne, czasem zupełnie przeciwne, właściwości w stosunku do przepływu przez nie prądu elektrycznego.
Na przykład podczas przesyłania energii elektrycznej na duże odległości wymagany był materiał drutu, aby zminimalizować straty spowodowane nagrzewaniem Joule'a w połączeniu z niską wagą. Przykładem są znane linie wysokiego napięcia wykonane z drutów aluminiowych ze stalowym rdzeniem.
Lub odwrotnie, aby stworzyć kompaktowe rurowe grzejniki elektryczne, potrzebne były materiały o stosunkowo dużej rezystancji elektrycznej i wysokiej stabilności termicznej. Najprostszym przykładem urządzenia wykorzystującego materiały o podobnych właściwościach jest palnik zwykłej kuchenki elektrycznej.
Przewodniki stosowane w biologii i medycynie jako elektrody, sondy i sondy wymagają dużej odporności chemicznej i kompatybilności z biomateriałami, w połączeniu z niską rezystancją styku.
Cała galaktyka wynalazców z różne kraje: Anglia, Rosja, Niemcy, Węgry i USA. Thomas Edison, po przeprowadzeniu ponad tysiąca eksperymentów sprawdzających właściwości materiałów odpowiednich do roli żarników, stworzył lampę ze spiralą platynową. Lampy Edisona, choć miały długą żywotność, nie były praktyczne ze względu na wysoki koszt materiału źródłowego.
Późniejsze prace rosyjskiego wynalazcy Lodygina, który zaproponował zastosowanie jako materiałów ciągłych stosunkowo taniego, ogniotrwałego wolframu i molibdenu o wyższej rezystywności, znalazły praktyczne zastosowanie. Ponadto Lodygin zaproponował wypompowanie powietrza z cylindrów lamp żarowych i zastąpienie go gazami obojętnymi lub szlachetnymi, co doprowadziło do powstania nowoczesnych lamp żarowych. Pionierem masowej produkcji niedrogich i trwałych lamp elektrycznych była firma General Electric, której Lodygin przekazał prawa do swoich patentów, a następnie przez długi czas z sukcesem pracował w laboratoriach firmy.
Tę listę można kontynuować, gdyż dociekliwy umysł ludzki jest na tyle pomysłowy, że czasami, aby rozwiązać konkretny problem techniczny, potrzebuje materiałów o niespotykanych dotychczas właściwościach lub o niesamowitych kombinacjach tych właściwości. Natura nie nadąża już za naszymi apetytami, a naukowcy z całego świata włączyli się w wyścig o stworzenie materiałów niemających naturalnych odpowiedników.
Jest to celowe połączenie obudowy lub obudowy urządzeń elektrycznych z uziemieniem ochronnym. Zazwyczaj uziemienie wykonuje się w postaci stalowych lub miedzianych pasków, rur, prętów lub narożników zakopanych w ziemi na głębokość większą niż 2,5 metra, które w razie wypadku zapewniają przepływ prądu wzdłuż urządzenia obwodowego - obudowa lub obudowa - masa - przewód neutralny źródła prądu przemiennego. Rezystancja tego obwodu nie powinna przekraczać 4 omów. W takim przypadku napięcie na korpusie urządzenia awaryjnego zostaje zredukowane do wartości bezpiecznych dla człowieka, a automatyczne urządzenia zabezpieczające obwód w taki czy inny sposób wyłączają urządzenie awaryjne.
Przy obliczaniu elementów uziemienia ochronnego znaczącą rolę odgrywa znajomość rezystywności gruntów, która może się znacznie różnić.
Zgodnie z danymi w tabelach referencyjnych wybiera się powierzchnię urządzenia uziemiającego, z niej oblicza się liczbę elementów uziemiających i rzeczywistą konstrukcję całego urządzenia. Elementy konstrukcyjne uziemienia ochronnego są łączone poprzez spawanie.
Tomografia elektryczna
Poszukiwanie elektryczne bada przypowierzchniowe środowisko geologiczne i służy do poszukiwania rud i minerałów niemetalicznych oraz innych obiektów w oparciu o badanie różnych sztucznych pól elektrycznych i elektromagnetycznych. Szczególnym przypadkiem poszukiwań elektrycznych jest tomografia elektryczna (ang. Electric Resistivity Tomography) – metoda określania właściwości skał na podstawie ich oporności.
Istota metody polega na tym, że w określonym położeniu źródła pola elektrycznego dokonuje się pomiaru napięcia na różnych sondach, następnie źródło pola przenosi się w inne miejsce lub przełącza na inne źródło i powtarza pomiary. Źródła pola i sondy odbiornika pola umieszczane są na powierzchni i w studniach.
Otrzymane dane są następnie przetwarzane i interpretowane przy użyciu nowoczesnych metod metody komputerowe przetwarzanie umożliwiające wizualizację informacji w postaci obrazów dwuwymiarowych i trójwymiarowych.
Będąc bardzo precyzyjna metoda W poszukiwaniach tomografia elektryczna stanowi nieocenioną pomoc dla geologów, archeologów i paleozoologów.
Określenie formy występowania złóż kopalin oraz granic ich rozmieszczenia (zarysowanie) pozwala na identyfikację występowania złóż żyłkowych minerałów, co znacząco obniża koszty ich późniejszego zagospodarowania.
Dla archeologów ta metoda poszukiwań dostarcza cennych informacji na temat lokalizacji starożytnych pochówków i obecności w nich artefaktów, zmniejszając tym samym koszty wykopalisk.
Paleozoolodzy wykorzystują tomografię elektryczną do poszukiwania skamieniałych szczątków starożytnych zwierząt; efekty ich pracy można oglądać w muzeach przyrodniczych w postaci zachwycających rekonstrukcji szkieletów prehistorycznej megafauny.
Ponadto tomografię elektryczną wykorzystuje się podczas budowy i późniejszej eksploatacji obiektów inżynierskich: wieżowców, zapór, wałów, nasypów i innych.
Definicje rezystancji w praktyce
Czasami, aby rozwiązać problemy praktyczne, możemy stanąć przed zadaniem określenia składu substancji, na przykład drutu do cięcia styropianu. Posiadamy dwie cewki drutu o odpowiedniej średnicy z różnych, nieznanych nam materiałów. Aby rozwiązać problem, należy znaleźć ich rezystywność elektryczną, a następnie korzystając z różnicy znalezionych wartości lub korzystając z tabeli przeglądowej, określić materiał drutu.
Mierzymy za pomocą miarki i odcinamy 2 metry drutu z każdej próbki. Określmy średnice drutów d₁ i d₂ za pomocą mikrometru. Po włączeniu multimetru do dolnej granicy pomiaru rezystancji mierzymy rezystancję próbki R₁. Czynność powtarzamy dla kolejnej próbki i mierzymy także jej rezystancję R₂.
Weźmy pod uwagę, że teren Przekrój drut oblicza się według wzoru
S = π ∙ re 2 /4
Teraz wzór na obliczenie oporności elektrycznej będzie wyglądał następująco:
ρ = R ∙ π ∙ re 2 /4 ∙ L
Podstawiając otrzymane wartości L, d₁ i R₁ do wzoru na obliczenie rezystywności podanego w powyższym artykule, obliczamy wartość ρ₁ dla pierwszej próbki.
ρ 1 = 0,12 oma mm 2 /m
Podstawiając otrzymane wartości L, d₂ i R₂ do wzoru, obliczamy wartość ρ₂ dla drugiej próbki.
ρ2 = 1,2 oma mm2/m
Z porównania wartości ρ₁ i ρ₂ z danymi referencyjnymi w tabeli 2 powyżej wnioskujemy, że materiałem pierwszej próbki jest stal, a drugiej nichrom, z którego wykonamy strunę tnącą.
Nazywają to zdolnością metalu do przepuszczania przez siebie naładowanego prądu. Z kolei odporność jest jedną z cech materiału. Im większy opór elektryczny przy danym napięciu, tym będzie on mniejszy.Charakteryzuje siłę oporu przewodnika na ruch naładowanych elektronów skierowanych wzdłuż niego. Ponieważ właściwością przesyłania prądu jest odwrotność oporu, oznacza to, że będzie on wyrażony w postaci wzorów jako stosunek 1/R.
Rezystywność zawsze zależy od jakości materiału użytego do produkcji urządzeń. Mierzy się go na podstawie parametrów przewodnika o długości 1 metra i polu przekroju poprzecznego 1 milimetra kwadratowego. Na przykład właściwość rezystancji właściwej dla miedzi jest zawsze równa 0,0175 oma, dla aluminium - 0,029, żelaza - 0,135, stałego - 0,48, nichromu - 1-1,1. Rezystywność stali jest równa liczbie 2*10-7 Ohm.m
Opór prądu jest wprost proporcjonalny do długości przewodnika, po którym się on porusza. Im dłuższe urządzenie, tym większy opór. Łatwiej będzie zrozumieć tę zależność, jeśli wyobrazisz sobie dwie wyimaginowane pary naczyń komunikujących się ze sobą. Niech rurka łącząca pozostanie cieńsza dla jednej pary urządzeń i grubsza dla drugiej. Gdy obie pary napełnimy wodą, przepływ cieczy przez grubą rurkę będzie znacznie szybszy, gdyż będzie stawiał mniejszy opór przepływowi wody. Dzięki tej analogii łatwiej mu przejść przez gruby przewodnik niż cienki.
Rezystywność jako jednostka SI jest mierzona w omach. Przewodność zależy od średniej długości lotu swobodnego cząstek naładowanych, która charakteryzuje się strukturą materiału. Metale bez zanieczyszczeń, które mają najbardziej prawidłowe wartości, mają najniższe wartości rezystancji. I odwrotnie, zanieczyszczenia zniekształcają siatkę, zwiększając w ten sposób jej wydajność. Rezystywność metali mieści się w wąskim zakresie wartości przy normalna temperatura: od srebra od 0,016 do 10 μOhm.m (stopy żelaza i chromu z aluminium).
O cechach ruchu ładunku
temperatura ma wpływ na elektrony w przewodniku, ponieważ wraz ze wzrostem wzrasta amplituda oscylacji fal istniejących jonów i atomów. W rezultacie elektrony mają mniej wolnej przestrzeni do normalnego poruszania się w sieci krystalicznej. Oznacza to, że wzrasta przeszkoda w uporządkowanym poruszaniu się. Rezystywność dowolnego przewodnika, jak zwykle, rośnie liniowo wraz ze wzrostem temperatury. Natomiast półprzewodniki charakteryzują się spadkiem wraz ze wzrostem stopnia, ponieważ powoduje to uwolnienie wielu ładunków, które bezpośrednio wytwarzają prąd elektryczny.
Znany jest proces chłodzenia niektórych przewodników metalowych żądaną temperaturę doprowadza ich opór do stanu nagłego i spada do zera. Zjawisko to odkryto w 1911 roku i nazwano nadprzewodnictwem.
Rezystancja, lub po prostu oporność substancja - wielkość fizyczna charakteryzująca zdolność substancji do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego.
Rezystywność jest oznaczona grecką literą ρ. Odwrotność rezystywności nazywana jest przewodnością właściwą (przewodnością elektryczną). W przeciwieństwie do rezystancji elektrycznej, która jest właściwością konduktor i w zależności od materiału, kształtu i rozmiaru, oporność elektryczna jest tylko właściwością Substancje.
Opór elektryczny jednorodnego przewodnika o rezystywności ρ, długość l i pole przekroju S można obliczyć za pomocą wzoru R = ρ ⋅ l S (\ Displaystyle R = (\ Frac (\ rho \ cdot l) (S)})(zakłada się, że wzdłuż przewodu nie zmienia się ani powierzchnia, ani kształt przekroju). Odpowiednio dla ρ mamy ρ = R ⋅ S l . (\ Displaystyle \ rho = (\ Frac (R \ cdot S) (l)).)
Z ostatniego wzoru wynika: znaczenie fizyczne Rezystywność substancji polega na tym, że reprezentuje ona opór jednorodnego przewodnika o jednostkowej długości i jednostkowym polu przekroju poprzecznego wykonanego z tej substancji.
Encyklopedyczny YouTube
-
1 / 5
Jednostką rezystywności w międzynarodowym układzie jednostek (SI) jest om · . Z relacji ρ = R ⋅ S l (\ Displaystyle \ rho = (\ Frac (R \ cdot S) (l))) Wynika z tego, że jednostką miary rezystywności w układzie SI jest rezystywność substancji, przy której wykonany z tej substancji jednorodny przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 m² ma rezystancję równą do 1 oma. Odpowiednio, rezystywność dowolnej substancji, wyrażona w jednostkach SI, jest liczbowo równa rezystancji odcinka obwodu elektrycznego wykonanego z danej substancji o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 m².
W technologii stosuje się również przestarzałą, niesystemową jednostkę Om mm²/m, równą 10 -6 z 1 Om m. Jednostka ta jest równa rezystywności substancji, przy której jednorodny przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm², wykonany z tej substancji, ma rezystancję równą 1 om. Odpowiednio, rezystywność substancji wyrażona w tych jednostkach jest liczbowo równa rezystancji odcinka obwodu elektrycznego wykonanego z tej substancji o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm².
Uogólnienie pojęcia rezystywności
Rezystywność można również określić dla niejednorodnego materiału, którego właściwości różnią się w zależności od punktu. W tym przypadku nie jest to stała, ale skalarna funkcja współrzędnych – współczynnik odnoszący się do natężenia pola elektrycznego mi → (r →) (\ Displaystyle (\ vec (E)) ({\ vec (r)))) i gęstość prądu J → (r →) (\ Displaystyle (\ vec (J)) ({\ vec (r)))) w tym momencie r → (\ Displaystyle (\ vec (r))). Zależność tę wyraża prawo Ohma w postaci różniczkowej:
mi → (r →) = ρ (r →) jot → (r →) . (\ Displaystyle (\ vec (E)) ({\ vec (r)}) = \ rho ({\ vec (r)}) (\ vec (J)) ({\ vec (r)}).)Wzór ten dotyczy substancji heterogenicznej, ale izotropowej. Substancja może być również anizotropowa (większość kryształów, namagnesowana plazma itp.), to znaczy jej właściwości mogą zależeć od kierunku. W tym przypadku rezystancja jest zależnym od współrzędnych tensorem drugiego rzędu, zawierającym dziewięć składowych. W substancji anizotropowej wektory gęstości prądu i natężenia pola elektrycznego w każdym danym punkcie substancji nie są współkierunkowane; związek między nimi wyraża się poprzez relację
mi ja (r →) = ∑ jot = 1 3 ρ ja jot (r →) jot (r →) . (\ Displaystyle E_ (i) ({\ vec (r))} = \ suma _ (j = 1) ^ (3) \ rho _ (ij) ({\ vec (r))) J_ (j) (( \vec (r))).)W substancji anizotropowej, ale jednorodnej, tensor ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) nie zależy od współrzędnych.
Napinacz ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) symetryczny, czyli dla każdego ja (\ displaystyle ja) I jot (\ displaystyle j) wykonane ρ ja jot = ρ jot ja (\ Displaystyle \ rho _ (ij) = \ rho _ (ji)}.
Jeśli chodzi o każdy tensor symetryczny, np ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) można wybrać ortogonalny układ współrzędnych kartezjańskich, w którym znajduje się macierz ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) staje się przekątna, czyli przybiera postać, w której z dziewięciu składników ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) Tylko trzy są niezerowe: ρ 11 (\ displaystyle \ rho _ (11)), ρ 22 (\ displaystyle \ rho _ (22)) I ρ 33 (\ displaystyle \ rho _ (33)). W tym przypadku oznaczenie ρ ja ja (\ displaystyle \ rho _ (ii)) jak zamiast poprzedniej formuły otrzymamy prostszą
mi ja = ρ ja jot ja . (\ Displaystyle E_ (i) = \ rho _ (i) J_ (i).)Wielkie ilości ρ ja (\ displaystyle \ rho _ (i)) zwany główne wartości tensor rezystancji.
Związek z przewodnością
W materiałach izotropowych zależność między rezystywnością ρ (\ displaystyle \ rho) i przewodność właściwa σ (\ displaystyle \ sigma) wyrażone przez równość
ρ = 1 σ. (\ Displaystyle \ rho = (\ Frac (1) (\ sigma)).)W przypadku materiałów anizotropowych zależność między składowymi tensora rezystywności ρ ja jot (\ displaystyle \ rho _ (ij)) a tensor przewodności jest bardziej złożony. Faktycznie, prawo Ohma forma różnicowa dla materiałów anizotropowych ma postać:
jot ja (r →) = ∑ jot = 1 3 σ ja jot (r →) mi jot (r →) . (\ Displaystyle J_ (i) ({\ vec (r))} = \ suma _ (j = 1) ^ (3) \ sigma _ (ij) ({\ vec (r))) E_ (j) (( \vec (r))).)Z tej równości i podanej wcześniej relacji dla mi ja (r →) (\ Displaystyle E_ (i) ({\ vec (r})))) wynika z tego, że tensor rezystywności jest odwrotnością tensora przewodności. Biorąc to pod uwagę, dla składowych tensora rezystywności obowiązują następujące zasady:
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)],)Gdzie det (σ) (\ Displaystyle \ det (\ sigma)) jest wyznacznikiem macierzy złożonej ze składników tensorowych σ ja jot (\ displaystyle \ sigma _ (ij)). Pozostałe składowe tensora rezystywności otrzymuje się z powyższych równań w wyniku cyklicznego przegrupowania wskaźników 1 , 2 I 3 .
Oporność elektryczna niektórych substancji
Monokryształy metali
W tabeli przedstawiono główne wartości tensora rezystywności monokryształów w temperaturze 20°C.
Kryształ ρ 1 = ρ 2, 10 -8 Ohm m ρ 3, 10 -8 Ohm m Cyna 9,9 14,3 Bizmut 109 138 Kadm 6,8 8,3 Cynk 5,91 6,13 Opór elektryczny -wielkość fizyczna pokazująca, jakiego rodzaju przeszkodę tworzy prąd przepływający przez przewodnik. Jednostką miary są Ohmy, na cześć Georga Ohma. W swoim prawie wyprowadził wzór na znalezienie oporu, który podano poniżej.
Rozważmy rezystancję przewodników na przykładzie metali. Metale mają Struktura wewnętrzna w postaci sieci krystalicznej. Sieć ta ma ścisły porządek, a jej węzłami są jony naładowane dodatnio. Nośniki ładunku w metalu to „wolne” elektrony, które nie należą do konkretnego atomu, ale przemieszczają się losowo pomiędzy miejscami w siatce. Z Fizyka kwantowa Wiadomo, że ruch elektronów w metalu jest rozchodzeniem się fali elektromagnetycznej w ciele stałym. Oznacza to, że elektron w przewodniku porusza się z prędkością światła (praktycznie) i udowodniono, że wykazuje właściwości nie tylko jako cząstka, ale także jako fala. A opór metalu powstaje w wyniku rozproszenia fale elektromagnetyczne(czyli elektronów) na drgania termiczne sieci i jej defekty. Kiedy elektrony zderzają się z węzłami sieci krystalicznej, część energii przekazywana jest do węzłów, w wyniku czego uwalniana jest energia. Energię tę można obliczyć przy prądzie stałym, dzięki prawu Joule'a-Lenza - Q=I 2 Rt. Jak widać, im większy opór, tym więcej uwalnianej energii.
Oporność
Istnieje tak ważne pojęcie jak rezystywność, jest to ten sam opór, tylko w jednostce długości. Każdy metal ma swój własny, na przykład dla miedzi jest to 0,0175 oma*mm2/m, dla aluminium jest to 0,0271 oma*mm2/m. Oznacza to, że pręt miedziany o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm2 będzie miał rezystancję 0,0175 oma, a ten sam pręt, ale wykonany z aluminium, będzie miał rezystancję 0,0271 oma. Okazuje się, że przewodność elektryczna miedzi jest wyższa niż aluminium. Każdy metal ma swój specyficzny opór, a opór całego przewodnika można obliczyć za pomocą wzoru
Gdzie P– rezystywność metalu, l – długość przewodu, s – pole przekroju poprzecznego.
Wartości rezystancji podano w tabela oporności metalu(20°C)
Substancja
P, Om*mm 2 /2
α,10 -3 1/K
Aluminium
0.0271
Wolfram
0.055
Żelazo
0.098
Złoto
0.023
Mosiądz
0.025-0.06
Manganina
0.42-0.48
0,002-0,05
Miedź
0.0175
Nikiel
Konstantan
0.44-0.52
0.02
Nichrom
0.15
Srebro
0.016
Cynk
0.059
Oprócz rezystywności tabela zawiera wartości TCR, o tym współczynniku nieco później.
Zależność oporu od odkształcenia
Podczas obróbki metali na zimno pod ciśnieniem metal ulega działaniu ciśnienia odkształcenia plastyczne. Podczas odkształcenia plastycznego sieć krystaliczna ulega odkształceniu i zwiększa się liczba defektów. Wraz ze wzrostem defektów sieci krystalicznej wzrasta opór przepływu elektronów przez przewodnik, dlatego wzrasta rezystywność metalu. Przykładowo drut wytwarza się metodą ciągnienia, co oznacza, że metal ulega odkształceniu plastycznemu, w wyniku czego wzrasta jego rezystywność. W praktyce w celu zmniejszenia oporu stosuje się wyżarzanie rekrystalizujące, co jest złożone proces technologiczny, po czym sieć krystaliczna wydaje się „prostować” i liczba defektów maleje, a co za tym idzie, również odporność metalu.
Podczas rozciągania lub ściskania metal ulega odkształceniu sprężystemu. Podczas odkształcenia sprężystego spowodowanego rozciąganiem wzrastają amplitudy drgań termicznych węzłów sieci krystalicznej, dlatego elektrony doświadczają dużych trudności, a w związku z tym wzrasta rezystywność. Podczas odkształcenia sprężystego spowodowanego ściskaniem amplitudy drgań cieplnych węzłów zmniejszają się, dlatego elektronom łatwiej się poruszać, a rezystywność maleje.
Wpływ temperatury na rezystywność
Jak już ustaliliśmy powyżej, przyczyną oporu w metalu są węzły sieci krystalicznej i ich drgania. Zatem wraz ze wzrostem temperatury zwiększają się wibracje termiczne węzłów, co oznacza, że wzrasta również rezystywność. Jest taka ilość jak temperaturowy współczynnik oporu(TKS), który pokazuje, jak bardzo rezystywność metalu wzrasta lub maleje podczas ogrzewania lub chłodzenia. Na przykład współczynnik temperaturowy miedzi przy 20 stopniach Celsjusza wynosi 4.1 · 10 - 3 1/stopień. Oznacza to, że gdy np. drut miedziany zostanie podgrzany o 1 stopień Celsjusza, jego rezystywność wzrośnie o 4.1 · 10 - 3 Ohm. Rezystywność przy zmianach temperatury można obliczyć za pomocą wzoru
gdzie r to oporność po podgrzaniu, r 0 to oporność przed ogrzewaniem, a to współczynnik temperaturowy rezystancji, t 2 to temperatura przed ogrzewaniem, t 1 to temperatura po ogrzaniu.
Podstawiając nasze wartości otrzymujemy: r=0,0175*(1+0,0041*(154-20))=0,0271 Ohm*mm 2 /m. Jak widać nasz pręt miedziany o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm 2 po nagrzaniu do 154 stopni miałby taki sam opór jak ten sam pręt, tyle że wykonany z aluminium i przy temperatura 20 stopni Celsjusza.
W termometrach rezystancyjnych wykorzystuje się właściwość zmiany rezystancji wraz ze zmianami temperatury. Urządzenia te mogą mierzyć temperaturę na podstawie odczytów rezystancji. Termometry oporowe mają wysoką dokładność pomiaru, ale małe zakresy temperatur.
W praktyce właściwości przewodników uniemożliwiają przejście aktualny są bardzo szeroko stosowane. Przykładem jest lampa żarowa, w której żarnik wolframowy nagrzewa się ze względu na dużą rezystancję metalu, jego dużą długość i wąski przekrój. Lub dowolne urządzenie grzewcze, w którym cewka nagrzewa się z powodu dużej rezystancji. W elektrotechnice element, którego główną właściwością jest rezystancja, nazywany jest rezystorem. Rezystor jest używany w prawie każdym obwodzie elektrycznym.
Wiele osób słyszało o prawie Ohma, ale nie każdy wie, co to jest. Nauka rozpoczyna się od szkolnego kursu fizyki. Szerzej nauczane są na Wydziale Fizyki i Elektrodynamiki. Wiedza ta raczej nie będzie przydatna dla przeciętnego człowieka, ale jest konieczna ogólny rozwój i dla kogoś przyszły zawód. Z drugiej strony podstawowa wiedza na temat elektryczności, jej budowy i cech w domu pomoże uchronić się przed szkodami. Nie bez powodu prawo Ohma nazywane jest podstawowym prawem elektryczności. Domowa złota rączka musi posiadać wiedzę z zakresu elektryki, aby zapobiec przepięciom, które mogą prowadzić do wzrostu obciążenia i pożaru.
Pojęcie oporu elektrycznego
Zależność pomiędzy podstawowymi wielkościami fizycznymi obwodu elektrycznego – rezystancją, napięciem, natężeniem prądu – odkrył niemiecki fizyk Georg Simon Ohm.
Opór elektryczny przewodnika jest wielkością charakteryzującą jego odporność na prąd elektryczny. Inaczej mówiąc, część elektronów pod wpływem prądu elektrycznego na przewodnik opuszcza swoje miejsce w sieci krystalicznej i kierowana jest do dodatniego bieguna przewodnika. Część elektronów pozostaje w siatce, nadal krążąc wokół atomu jądrowego. Te elektrony i atomy tworzą opór elektryczny, który zapobiega ruchowi uwolnionych cząstek.
Powyższy proces dotyczy wszystkich metali, jednak opór występuje w nich inaczej. Wynika to z różnicy w wielkości, kształcie i materiale, z którego wykonany jest przewodnik. W związku z tym wymiary sieci krystalicznej mają różne kształty dla różnych materiałów, dlatego opór elektryczny dla przepływu prądu przez nie nie jest taki sam.
Z tę koncepcję wynika z tego, że określa się odporność właściwą substancji, tj indywidualny wskaźnik dla każdego metalu osobno. Opór elektryczny (SER) to wielkość fizyczna oznaczona grecką literą ρ, charakteryzująca się zdolnością metalu do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego.
Miedź jest głównym materiałem na przewodniki
Rezystywność substancji oblicza się za pomocą wzoru, gdzie jeden z ważne wskaźniki jest współczynnikiem temperaturowym oporu elektrycznego. Tabela zawiera wartości rezystywności trzech znanych metali w zakresie temperatur od 0 do 100°C.
Jeśli przyjmiemy rezystywność żelaza jako jednego z dostępnych materiałów równą 0,1 oma, to na 1 om potrzeba 10 metrów. Srebro ma najniższy opór elektryczny, dla jego wartości 1 oma będzie to 66,7 metra. Znacząca różnica, ale srebro to drogi metal, którego nie wszędzie można zastosować. Kolejnym najlepszym wskaźnikiem jest miedź, gdzie na 1 om potrzeba 57,14 metra. Ze względu na swoją dostępność i cenę w porównaniu ze srebrem, miedź jest jednym z najpopularniejszych materiałów stosowanych w sieciach elektrycznych. Niska rezystywność drutu miedzianego lub rezystancja drutu miedzianego umożliwia zastosowanie przewodnika miedzianego w wielu dziedzinach nauki, technologii, a także do celów przemysłowych i domowych.Wartość rezystancji
Wartość rezystywności nie jest stała; zmienia się w zależności od następujących czynników:
- Rozmiar. Im większa średnica przewodnika, tym więcej elektronów przepuszcza przez siebie. Dlatego im mniejszy rozmiar, tym większa rezystancja.
- Długość. Elektrony przechodzą przez atomy, więc im dłuższy drut, tym więcej elektronów musi przez nie przejść. Dokonując obliczeń należy wziąć pod uwagę długość i rozmiar drutu, ponieważ im dłuższy lub cieńszy drut, tym większa jest jego rezystywność i odwrotnie. Nieobliczenie obciążenia używanego sprzętu może prowadzić do przegrzania drutu i pożaru.
- Temperatura. Wiadomo, że reżim temperaturowy ma bardzo ważne na temat zachowania substancji w różny sposób. Metal jak nic innego zmienia swoje właściwości w różnych temperaturach. Rezystywność miedzi zależy bezpośrednio od współczynnika temperaturowego rezystancji miedzi i wzrasta po podgrzaniu.
- Korozja. Powstawanie korozji znacznie zwiększa obciążenie. Dzieje się tak na skutek uderzenia środowisko, wnikanie wilgoci, soli, brudu itp. objawy. Zaleca się zaizolowanie i zabezpieczenie wszystkich połączeń, końcówek, skrętek, zainstalowanie zabezpieczeń dla sprzętu znajdującego się na ulicy oraz niezwłoczną wymianę uszkodzonych przewodów, komponentów i zespołów.
Obliczanie rezystancji
Obliczeń dokonuje się przy projektowaniu obiektów o różnym przeznaczeniu i przeznaczeniu, gdyż życie każdego człowieka zapewnia energia elektryczna. Pod uwagę brane jest wszystko, od opraw oświetleniowych po sprzęt skomplikowany technicznie. W domu przydatne byłoby również wykonanie obliczeń, zwłaszcza jeśli planowana jest wymiana przewodów elektrycznych. W przypadku budownictwa prywatnego konieczne jest obliczenie obciążenia, w przeciwnym razie „prowizoryczny” montaż przewodów elektrycznych może doprowadzić do pożaru.
Celem obliczeń jest określenie całkowitej rezystancji przewodów wszystkich zastosowanych urządzeń, biorąc pod uwagę ich parametry techniczne. Oblicza się go ze wzoru R=p*l/S, gdzie:
R – obliczony wynik;
p – wskaźnik rezystywności z tabeli;
l – długość drutu (przewodnika);
S – średnica przekroju.
Jednostki
W systemie międzynarodowym jednostki wielkości fizyczne(SI) rezystancję elektryczną mierzy się w omach (omach). Jednostką miary rezystywności według układu SI jest rezystywność substancji, przy której przewodnik wykonany z jednego materiału o długości 1 m i przekroju 1 m2. m. ma rezystancję 1 oma. Tabela wyraźnie pokazuje użycie 1 oma/m dla różnych metali.
Znaczenie rezystywności
Zależność między rezystywnością a przewodnością można uznać za wielkości odwrotne. Im wyższy wskaźnik jednego przewodnika, tym niższy wskaźnik drugiego i odwrotnie. Dlatego przy obliczaniu przewodności elektrycznej stosuje się obliczenie 1/r, ponieważ odwrotnością X jest 1/X i odwrotnie. Konkretny wskaźnik jest oznaczony literą g.
Zalety miedzi elektrolitycznej
Zaletą miedzi jest nie tylko niski wskaźnik rezystywności (po srebrze). Posiada unikalne w swojej charakterystyce właściwości, a mianowicie plastyczność i wysoką plastyczność. Dzięki tym właściwościom miedź elektrolityczna jest produkowana o wysokim stopniu czystości do produkcji kabli stosowanych w urządzeniach elektrycznych, technologia komputerowa, elektrotechnicznego i motoryzacyjnego.
Zależność wskaźnika rezystancji od temperatury
Współczynnik temperaturowy to wartość równa zmianie napięcia części obwodu i rezystywności metalu w wyniku zmian temperatury. Większość metali ma tendencję do zwiększania rezystywności wraz ze wzrostem temperatury z powodu drgań termicznych sieci krystalicznej. Współczynnik temperaturowy rezystancji miedzi wpływa na rezystywność drutu miedzianego iw temperaturach od 0 do 100°C wynosi 4,1 10− 3(1/Kelwin). W przypadku srebra wskaźnik ten w tych samych warunkach wynosi 3,8, a dla żelaza 6,0. To po raz kolejny potwierdza skuteczność wykorzystania miedzi jako przewodnika.
Jednym z najpowszechniejszych metali do produkcji drutów jest miedź. Jego opór elektryczny jest najniższy wśród niedrogich metali. Jest mniejszy tylko w metale szlachetne(srebro i złoto) i zależy od różnych czynników.
Co to jest prąd elektryczny
Na różnych biegunach akumulatora lub innego źródła prądu znajdują się różne nośniki ładunek elektryczny. Jeśli są podłączone do przewodnika, nośniki ładunku zaczynają przemieszczać się z jednego bieguna źródła napięcia na drugi. Nośnikami tymi w cieczach są jony, a w metalach wolne elektrony.
Definicja. Prąd elektryczny to ukierunkowany ruch naładowanych cząstek.
Oporność
Oporność elektryczna to wartość określająca opór elektryczny próbki odniesienia materiału. Do oznaczenia tej wielkości używana jest grecka litera „p”. Wzór do obliczeń:
p=(R*S)/ l.
Wartość tę mierzy się w omach*m. Można go znaleźć w podręcznikach, tabelach rezystancji lub w Internecie.
Swobodne elektrony przemieszczają się przez metal w sieci krystalicznej. Na opór tego ruchu i rezystywność przewodnika wpływają trzy czynniki:
- Materiał. Różne metale mają różną gęstość atomową i liczbę wolnych elektronów;
- Zanieczyszczenia. W czystych metalach sieć krystaliczna jest bardziej uporządkowana, dlatego rezystancja jest mniejsza niż w stopach;
- Temperatura. Atomy nie są nieruchome na swoich miejscach, ale wibrują. Im wyższa temperatura, tym większa amplituda drgań zakłócających ruch elektronów i tym większy opór.
Na poniższym rysunku widać tabelę rezystywności metali.
Ciekawy. Istnieją stopy, których opór elektryczny spada po podgrzaniu lub się nie zmienia.
Przewodność i opór elektryczny
Ponieważ wymiary kabla mierzone są w metrach (długość) i mm² (przekrój), oporność elektryczna ma wymiar Ohm mm²/m. Znając wymiary kabla, jego rezystancję oblicza się ze wzoru:
R=(p* l)/S.
Oprócz oporności elektrycznej w niektórych wzorach wykorzystuje się pojęcie „przewodnictwa”. To jest odwrotność oporu. Jest on oznaczony jako „g” i obliczany według wzoru:
Przewodność cieczy
Przewodnictwo cieczy różni się od przewodnictwa metali. Nośnikami ładunku w nich są jony. Ich liczba i przewodność elektryczna zwiększają się po podgrzaniu, więc moc kotła elektrodowego wzrasta kilkakrotnie po podgrzaniu od 20 do 100 stopni.
Ciekawy. Woda destylowana jest izolatorem. Rozpuszczone zanieczyszczenia nadają mu przewodność.
Opór elektryczny przewodów
Najpopularniejszymi metalami do produkcji drutów są miedź i aluminium. Aluminium ma wyższą odporność, ale jest tańsze niż miedź. Rezystywność miedzi jest niższa, dlatego można wybrać mniejszy przekrój drutu. Ponadto jest mocniejszy, a z tego metalu wykonane są elastyczne przewody skręcone.
Poniższa tabela przedstawia oporność elektryczną metali w temperaturze 20 stopni. Aby ją wyznaczyć w innych temperaturach należy wartość z tabeli pomnożyć przez współczynnik korygujący, inny dla każdego metalu. Współczynnik ten można znaleźć w odpowiednich podręcznikach lub za pomocą kalkulatora internetowego.
Dobór przekroju kabla
Ponieważ drut ma opór, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, wytwarza się ciepło i następuje spadek napięcia. Przy wyborze przekrojów kabli należy wziąć pod uwagę oba te czynniki.
Wybór na podstawie dopuszczalnego ogrzewania
Kiedy w przewodzie płynie prąd, uwalniana jest energia. Jego ilość można obliczyć korzystając ze wzoru na moc elektryczną:
W drucie miedzianym o przekroju 2,5 mm² i długości 10 metrów R = 10 * 0,0074 = 0,074 oma. Przy prądzie 30A P=30²*0,074=66W.
Moc ta nagrzewa przewodnik i sam kabel. Temperatura, do której się nagrzewa, zależy od warunków instalacji, liczby żył w kablu i innych czynników dopuszczalna temperatura– na materiale izolacyjnym. Miedź ma większą przewodność, więc moc wyjściowa i wymagany przekrój są mniejsze. Określa się go za pomocą specjalnych tabel lub za pomocą kalkulatora internetowego.
Dopuszczalna strata napięcia
Oprócz ogrzewania, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewody, napięcie w pobliżu obciążenia maleje. Wartość tę można obliczyć korzystając z prawa Ohma:
Odniesienie. Według standardów PUE nie powinno być ono większe niż 5%, a w sieci 220V - nie więcej niż 11V.
Dlatego im dłuższy kabel, tym większy powinien być jego przekrój. Możesz to ustalić za pomocą tabel lub kalkulatora internetowego. W przeciwieństwie do wyboru przekroju na podstawie dopuszczalnego nagrzewania, straty napięcia nie zależą od warunków ułożenia i materiału izolacyjnego.
W sieci 220V napięcie dostarczane jest dwoma przewodami: fazowym i neutralnym, dlatego do obliczeń stosuje się podwójną długość kabla. W kablu z poprzedniego przykładu będzie to U=I*R=30A*2*0,074Ohm=4,44V. To niewiele, ale przy długości 25 metrów okazuje się, że wynosi 11,1 V - maksymalna dopuszczalna wartość, trzeba będzie zwiększyć przekrój.
Opór elektryczny innych metali
Oprócz miedzi i aluminium w elektrotechnice stosuje się inne metale i stopy:
- Żelazo. Stal ma wyższą rezystywność, ale jest mocniejsza niż miedź i aluminium. Sploty stalowe są wplecione w kable przeznaczone do układania w powietrzu. Opór żelaza jest zbyt duży, aby przenosić prąd, dlatego przy obliczaniu przekroju nie bierze się pod uwagę przekrojów rdzenia. Ponadto jest bardziej ogniotrwały i wykonuje się z niego przewody do podłączania grzejników w piecach elektrycznych dużej mocy;
- Nichrom (stop niklu i chromu) i fechral (żelazo, chrom i aluminium). Mają niską przewodność i ogniotrwałość. Z tych stopów wykonane są rezystory drutowe i grzejniki;
- Wolfram. Jego oporność elektryczna jest wysoka, ale jest to metal ogniotrwały (3422°C). Służy do wytwarzania żarników do lamp elektrycznych i elektrod do spawania łukowego argonem;
- Konstantan i mangan (miedź, nikiel i mangan). Rezystywność tych przewodników nie zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Stosowany w precyzyjnych urządzeniach do produkcji rezystorów;
- Metale szlachetne – złoto i srebro. Mają najwyższą przewodność właściwą, jednak ze względu na wysoką cenę ich zastosowanie jest ograniczone.
Reaktywność indukcyjna
Wzory do obliczania przewodności przewodów obowiązują tylko w sieci prądu stałego lub w prostych przewodach przy niskich częstotliwościach. Reaktancja indukcyjna pojawia się w cewkach i sieciach wysokiej częstotliwości, wielokrotnie większa niż zwykle. Ponadto prąd o wysokiej częstotliwości płynie tylko po powierzchni drutu. Dlatego czasami powleka się go cienką warstwą srebra lub stosuje się drut Litz.
