Główną cechą materiałów przewodzących jest opór elektryczny. W zależności od obszaru zastosowania przewodnika wartość jego rezystancji może odgrywać zarówno pozytywną, jak i negatywną rolę w funkcjonowaniu układu elektrycznego. Ponadto specyficzne zastosowanie przewodnika może wymagać uwzględnienia dodatkowych charakterystyk, których wpływu w konkretnym przypadku nie można pominąć.
Przewodnikami są czyste metale i ich stopy. W metalu atomy umocowane w jednej „mocnej” strukturze posiadają wolne elektrony (tzw. „gaz elektronowy”). To właśnie te cząstki w tym przypadku są nośnikami ładunku. Elektrony znajdują się w ciągłym, losowym ruchu od jednego atomu do drugiego. Gdy pole elektryczne(podłączenie źródła napięcia do końców metalu) ruch elektronów w przewodniku zostaje uporządkowany. Poruszające się elektrony napotykają na swojej drodze przeszkody spowodowane specyfiką struktury molekularnej przewodnika. W przypadku zderzenia z konstrukcją nośniki ładunku tracą energię, oddając ją przewodnikowi (ogrzewając go). Im więcej przeszkód tworzy struktura przewodząca dla ładowania nośników, tym wyższy jest opór.
Kiedy wzrasta Przekrój struktura przewodząca dla jednej liczby elektronów, „kanał transmisji” stanie się szerszy, rezystancja zmniejszy się. Odpowiednio, wraz ze wzrostem długości drutu, będzie więcej takich przeszkód, a opór wzrośnie.
Zatem podstawowy wzór na obliczenie rezystancji obejmuje długość drutu, pole przekroju poprzecznego i pewien współczynnik, który wiąże te cechy wymiarowe z wielkościami elektrycznymi napięcia i prądu (1). Współczynnik ten nazywany jest rezystywnością.
R= r*L/S (1)
Oporność
Rezystywność pozostaje niezmieniona i jest właściwością substancji, z której wykonany jest przewodnik. Jednostki miary r - om*m. Często rozmiar oporność podawane są w om*mm2/m. Wynika to z faktu, że pole przekroju poprzecznego najczęściej stosowanych kabli jest stosunkowo małe i mierzone jest w mm2. Podajmy prosty przykład.
Zadanie nr 1. Długość drutu miedzianego L = 20 m, przekrój S = 1,5 mm. kw. Oblicz opór drutu.
Rozwiązanie: rezystywność drutu miedzianego r = 0,018 oma*mm. mkw./m. Podstawiając wartości do wzoru (1) otrzymujemy R=0,24 oma.
Obliczając rezystancję systemu elektroenergetycznego, rezystancję jednego przewodu należy pomnożyć przez liczbę przewodów.
Jeśli zamiast miedzi użyjesz aluminium o wyższej rezystywności (r = 0,028 oma * mm2 / m), wówczas rezystancja drutów odpowiednio wzrośnie. W powyższym przykładzie rezystancja będzie wynosić R = 0,373 oma (55% więcej). Głównymi materiałami na druty są miedź i aluminium. Istnieją metale o niższej rezystywności niż miedź, takie jak srebro. Jednak jego zastosowanie jest ograniczone ze względu na oczywisty wysoki koszt. Poniższa tabela przedstawia rezystancję i inne podstawowe właściwości materiałów przewodzących.
Tabela - główne cechy przewodników
Straty ciepła przewodów
Jeżeli za pomocą kabla z powyższego przykładu obciążenie 2,2 kW zostanie podłączone do sieci jednofazowej 220 V, to przez przewód będzie płynął prąd I = P / U lub I = 2200/220 = 10 A. Wzór na obliczanie strat mocy w przewodniku:
Ppr=(I^2)*R (2)
Przykład nr 2. Oblicz straty czynne przy przesyłaniu mocy 2,2 kW w sieci o napięciu 220 V dla wspomnianego przewodu.
Rozwiązanie: podstawiając wartości prądu i rezystancji drutu do wzoru (2) otrzymujemy Ppr=(10^2)*(2*0,24)=48 W.
Zatem podczas przesyłania energii z sieci do obciążenia straty w przewodach wyniosą nieco ponad 2%. Energia ta zamieniana jest na ciepło wytwarzane przez przewodnik środowisko. W zależności od stanu nagrzewania przewodnika (według wartości prądu) dobiera się jego przekrój, kierując się specjalnymi tabelami.
Na przykład dla powyższego przewodnika maksymalny prąd wynosi 19 A lub 4,1 kW w sieci 220 V.
Aby zmniejszyć straty czynne w liniach elektroenergetycznych, stosuje się podwyższone napięcie. Jednocześnie maleje prąd w drutach, zmniejszają się straty.
Wpływ temperatury
Wzrost temperatury prowadzi do wzrostu drgań metalowej sieci krystalicznej. W związku z tym elektrony napotykają więcej przeszkód, co prowadzi do wzrostu oporu. Wielkość „wrażliwości” odporności metalu na wzrost temperatury nazywa się współczynnikiem temperaturowym α. Wzór na obliczenie temperatury jest następujący
R=Rn*, (3)
gdzie Rn – rezystancja drutu przy normalne warunki(w temperaturze t°n); t° to temperatura przewodnika.
Zwykle t°n = 20° C. Wartość α jest także wskazywana dla temperatury t°n.
Zadanie 4. Oblicz rezystancję drutu miedzianego w temperaturze t° = 90° C. α miedź = 0,0043, Rн = 0,24 oma (zadanie 1).
Rozwiązanie: podstawiając wartości do wzoru (3) otrzymujemy R = 0,312 oma. Rezystancja analizowanego nagrzanego drutu jest o 30% większa niż jego rezystancja w temperaturze pokojowej.
Wpływ częstotliwości
Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu w przewodniku następuje proces przemieszczania ładunków bliżej jego powierzchni. W wyniku wzrostu stężenia ładunków w warstwie powierzchniowej wzrasta również rezystancja drutu. Proces ten nazywany jest „efektem skóry” lub efektem powierzchniowym. Współczynnik skóry– efekt zależy również od wielkości i kształtu drutu. W powyższym przykładzie przy częstotliwości prądu przemiennego wynoszącej 20 kHz rezystancja drutu wzrośnie o około 10%. Należy pamiętać, że komponenty wysokiej częstotliwości mogą otrzymywać sygnał prądowy od wielu nowoczesnych odbiorców przemysłowych i domowych (lampy energooszczędne, zasilacze impulsowe, przetwornice częstotliwości itp.).
Wpływ sąsiadujących przewodów
Wokół każdego przewodnika, przez który przepływa prąd, istnieje pole magnetyczne. Interakcja pól sąsiadujących przewodników również powoduje straty energii i nazywa się to „efektem bliskości”. Należy również pamiętać, że każdy metalowy przewodnik ma indukcyjność wytworzoną przez przewodzący rdzeń i pojemność wytworzoną przez izolację. Parametry te charakteryzują się także efektem zbliżeniowym.
Technologie
Przewody wysokiego napięcia o zerowej rezystancji
Ten typ drutu jest szeroko stosowany w układach zapłonowych samochodów. Rezystancja przewodów wysokiego napięcia jest dość niska i wynosi kilka ułamków oma na metr długości. Przypomnijmy, że rezystancji tej wielkości nie można zmierzyć omomierzem. ogólnego stosowania. Często mostki pomiarowe służą do pomiaru małych rezystancji.
Strukturalnie takie druty mają dużą liczbę rdzeni miedzianych z izolacją na bazie silikonu, tworzyw sztucznych lub innych dielektryków. Osobliwością stosowania takich przewodów jest nie tylko praca przy wysokim napięciu, ale także przekazywanie energii w krótkim czasie (tryb impulsowy).
Kabel bimetaliczny
Głównym obszarem zastosowania wymienionych kabli jest transmisja sygnałów o wysokiej częstotliwości. Rdzeń drutu wykonany jest z jednego rodzaju metalu, którego powierzchnia jest pokryta innym rodzajem metalu. Ponieważ przy wysokich częstotliwościach przewodzi tylko warstwa powierzchniowa przewodnika, możliwa jest wymiana wnętrza drutu. Oszczędza to kosztowny materiał i poprawia właściwości mechaniczne drutu. Przykłady takich drutów: miedź posrebrzana, stal miedziowana.
Wniosek
Rezystancja drutu jest wartością zależną od zespołu czynników: rodzaju przewodnika, temperatury, częstotliwości prądu, parametrów geometrycznych. Znaczenie wpływu tych parametrów zależy od warunków pracy drutu. Kryteriami optymalizacji, w zależności od zadań stawianych drutom, mogą być: zmniejszenie strat aktywnych, poprawa właściwości mechanicznych, obniżenie ceny.
Rezystancja miedzi zmienia się wraz z temperaturą, ale najpierw musimy zdecydować, czy mówimy o oporności elektrycznej przewodników (oporności omowej), która jest ważna w przypadku zasilania prądem stałym przez Ethernet, czy też mówimy o sygnałach w sieciach danych i wtedy mówimy o tłumieniu wtrąceniowym podczas propagacji fala elektromagnetyczna w środowisku skrętki oraz zależność tłumienia od temperatury (i częstotliwości, co jest nie mniej ważne).
Rezystywność miedzi
W systemie międzynarodowym SI mierzy rezystywność przewodników w omach. W dziedzinie IT częściej stosuje się wymiar niesystemowy Ohm∙mm 2 /m, co jest wygodniejsze w obliczeniach, ponieważ przekroje przewodów są zwykle podawane w mm 2. Wartość 1 Ohm∙mm 2 /m jest milion razy mniejsza niż 1 Ohm∙m i charakteryzuje rezystywność substancji, której jednorodny przewodnik o długości 1 m i polu przekroju poprzecznego 1 mm 2 daje rezystancja 1 Ohm.
Rezystywność czystej miedzi elektrycznej w temperaturze 20°C wynosi 0,0172 Ω∙mm 2 /m. W różnych źródłach można znaleźć wartości do 0,018 Ohm∙mm 2 /m, które mogą dotyczyć również miedzi elektrycznej. Wartości różnią się w zależności od obróbki, której poddawany jest materiał. Przykładowo wyżarzanie po ciągnieniu („ciągnieniu”) drutu zmniejsza rezystywność miedzi o kilka procent, chociaż przeprowadza się je przede wszystkim w celu zmiany właściwości mechanicznych, a nie elektrycznych.
Rezystywność miedzi ma bezpośrednie konsekwencje dla zastosowań Power over Ethernet. Tylko część pierwotnego prądu stałego wprowadzonego do przewodnika dotrze do drugiego końca przewodnika — pewne straty po drodze są nieuniknione. Na przykład, PoE typu 1 wymaga, aby z 15,4 W dostarczanych przez źródło co najmniej 12,95 W docierało do zasilanego urządzenia na drugim końcu.
Rezystywność miedzi zmienia się wraz z temperaturą, ale dla temperatur IT zmiany są niewielkie. Zmianę rezystywności oblicza się za pomocą wzorów:
ΔR = αR ΔT
R 2 = R 1 (1 + α (T 2 - T 1))
gdzie ΔR jest zmianą rezystywności, R jest opornością w temperaturze przyjętej jako poziom podstawowy (zwykle 20°C), ΔT jest gradientem temperatury, α jest temperaturowym współczynnikiem rezystywności dla danego materiału (wymiar °C -1 ). W zakresie od 0°C do 100°C dla miedzi przyjmuje się współczynnik temperaturowy 0,004°C -1. Obliczmy rezystywność miedzi w temperaturze 60°C.
R 60°C = R 20°C (1 + α (60°C - 20°C)) = 0,0172 (1 + 0,004 40) ≈ 0,02 oma∙mm 2 /m
Rezystywność wzrosła o 16% wraz ze wzrostem temperatury o 40°C. Podczas obsługi systemów kablowych oczywiście skrętka nie powinna być włożona wysokie temperatury, nie powinno to być dozwolone. Przy odpowiednio zaprojektowanym i zainstalowanym systemie temperatura przewodów niewiele będzie odbiegać od zwyczajowych 20°C, a wtedy zmiana rezystywności będzie niewielka. Zgodnie ze standardami telekomunikacyjnymi rezystancja 100 m przewodu miedzianego w kablu skrętkowym kategorii 5e lub 6 nie powinna przekraczać 9,38 oma w temperaturze 20°C. W praktyce producenci wpisują się w tę wartość z marginesem, dlatego nawet w temperaturach 25°C ÷ 30°C rezystancja przewodu miedzianego nie przekracza tej wartości.
Tłumienie sygnału/utrata wtrąceniowa skrętki
Kiedy fala elektromagnetyczna rozchodzi się przez skrętkę miedzianą, część jej energii jest rozpraszana wzdłuż ścieżki od bliższego końca do drugiego końca. Im wyższa temperatura kabla, tym bardziej sygnał jest tłumiony. Przy wysokich częstotliwościach tłumienie jest większe niż przy niskich częstotliwościach, a nawet większe wysokie kategorie Dopuszczalne limity dla testów tłumienności wtrąceniowej są bardziej rygorystyczne. W tym przypadku wszystkie wartości graniczne są ustawione na temperaturę 20°C. Jeżeli w temperaturze 20°C oryginalny sygnał dotarł do drugiego końca odcinka o długości 100 m i poziomie mocy P, wówczas o godz. podwyższonych temperaturach ach, taką siłę sygnału będzie można zaobserwować na krótszych dystansach. Jeśli konieczne jest zapewnienie tej samej mocy sygnału na wyjściu segmentu, będziesz musiał albo zainstalować krótszy kabel (co nie zawsze jest możliwe), albo wybrać marki kabli o niższym tłumieniu.
- Dla kabli ekranowanych o temperaturze powyżej 20°C zmiana temperatury o 1 stopień powoduje zmianę tłumienia o 0,2%
- Dla wszystkich typów kabli i dowolnych częstotliwości w temperaturach do 40°C zmiana temperatury o 1 stopień powoduje zmianę tłumienia o 0,4%
- Dla wszystkich typów kabli i dowolnych częstotliwości w temperaturach od 40°C do 60°C zmiana temperatury o 1 stopień powoduje zmianę tłumienia o 0,6%
- W kablach kategorii 3 tłumienie może wynosić 1,5% na stopień Celsjusza
Już na początku 2000 r. Norma TIA/EIA-568-B.2 zaleca zmniejszenie maksymalnej dopuszczalnej długości łącza/kanału stałego kategorii 6, jeśli kabel był instalowany w środowiskach o podwyższonej temperaturze, a im wyższa temperatura, tym krótszy powinien być segment.
Biorąc pod uwagę, że pułap częstotliwości w kategorii 6A jest dwukrotnie wyższy niż w kategorii 6, ograniczenia temperaturowe dla takich systemów będą jeszcze bardziej rygorystyczne.
Dziś przy wdrażaniu aplikacji PoE Mówimy o maksymalnej prędkości 1-gigabitowej. Jednak w przypadku aplikacji 10-Gigabitowych zasilanie przez Ethernet nie wchodzi w grę, przynajmniej jeszcze nie. Zatem w zależności od potrzeb, gdy zmienia się temperatura, należy wziąć pod uwagę zmianę rezystywności miedzi lub zmianę tłumienia. W obu przypadkach najbardziej sensowne jest przechowywanie kabli w temperaturze bliskiej 20°C.
Doświadczalnie ustalono tę odporność R metalowy przewodnik jest wprost proporcjonalny do jego długości L i odwrotnie proporcjonalna do jego pola przekroju poprzecznego A:
R = ρ L/ A (26.4)
gdzie jest współczynnik ρ nazywa się rezystywnością i służy jako charakterystyka substancji, z której wykonany jest przewodnik. Jest to zdrowy rozsądek: gruby drut powinien mieć mniejszy opór niż cienki drut, ponieważ elektrony mogą poruszać się po większym obszarze w grubym drucie. Możemy się też spodziewać wzrostu rezystancji wraz ze wzrostem długości przewodnika, w miarę wzrostu liczby przeszkód w przepływie elektronów.
Typowe wartości ρ dla różnych materiałów podano w pierwszej kolumnie tabeli. 26.2. (Rzeczywiste wartości różnią się w zależności od czystości, obróbki cieplnej, temperatury i innych czynników.)
|
Tabela 26.2. Opór właściwy i współczynnik temperaturowy oporu (TCR) (przy 20 °C) |
||
| Substancja | ρ ,Om m | TKS α ,°C -1 |
| Przewodnicy | ||
| Srebro | 1,59·10 -8 | 0,0061 |
| Miedź | 1,68·10 -8 | 0,0068 |
| Aluminium | 2,65·10 -8 | 0,00429 |
| Wolfram | 5,6·10 -8 | 0,0045 |
| Żelazo | 9,71·10 -8 | 0,00651 |
| Platyna | 10,6·10 -8 | 0,003927 |
| Rtęć | 98·10 -8 | 0,0009 |
| Nichrom (stop Ni, Fe, Cr) | 100·10 -8 | 0,0004 |
| Półprzewodniki 1) | ||
| Węgiel (grafit) | (3-60)·10 -5 | -0,0005 |
| German | (1-500)·10 -5 | -0,05 |
| Krzem | 0,1 - 60 | -0,07 |
| Dielektryki | ||
| Szkło | 10 9 - 10 12 | |
| Twarda guma | 10 13 - 10 15 | |
| 1) Rzeczywiste wartości silnie zależą od obecności nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń. | ||
Srebro ma najniższą rezystywność i dlatego okazuje się najlepszym przewodnikiem; jednak jest to drogie. Miedź jest nieco gorsza od srebra; Jasne jest, dlaczego druty są najczęściej wykonane z miedzi.
Aluminium ma wyższą rezystywność niż miedź, ale ma znacznie mniejszą gęstość i jest preferowane w niektórych zastosowaniach (na przykład w liniach energetycznych), ponieważ rezystancja drutów aluminiowych o tej samej masie jest mniejsza niż miedzi. Często stosuje się odwrotność rezystancji:
σ = 1/ρ (26.5)
σ zwane przewodnictwem właściwym. Przewodność właściwa mierzona jest w jednostkach (om m) -1.
Rezystywność substancji zależy od temperatury. Z reguły odporność metali wzrasta wraz z temperaturą. Nie powinno to być zaskakujące: wraz ze wzrostem temperatury atomy poruszają się szybciej, ich układ staje się mniej uporządkowany i możemy się spodziewać, że będą w większym stopniu zakłócać przepływ elektronów. W wąskich zakresach temperatur rezystywność metalu rośnie prawie liniowo wraz z temperaturą:
Gdzie ρ T- oporność w temperaturze T, ρ 0 - rezystywność w temperaturze standardowej T 0, A α - współczynnik temperaturowy oporu (TCR). Wartości a podano w tabeli. 26.2. Należy pamiętać, że w przypadku półprzewodników TCR może być ujemny. Jest to oczywiste, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się liczba wolnych elektronów, co poprawia właściwości przewodzące substancji. Zatem rezystancja półprzewodnika może zmniejszać się wraz ze wzrostem temperatury (choć nie zawsze).
Wartości a zależą od temperatury, dlatego należy zwrócić uwagę na zakres temperatur, w jakim ta wartość obowiązuje (np. według podręcznika wielkości fizyczne). Jeśli zakres zmian temperatury okaże się szeroki, wówczas zostanie naruszona liniowość i zamiast (26.6) konieczne będzie użycie wyrażenia zawierającego wyrazy zależne od drugiej i trzeciej potęgi temperatury:
ρ T = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + γT 3),
gdzie są współczynniki β I γ zwykle bardzo małe (umieściliśmy T 0 = 0°С), ale ogólnie T wkład tych członków staje się znaczący.
W bardzo niskich temperaturach rezystywność niektórych metali, a także stopów i związków spada do zera w ramach dokładności współczesnych pomiarów. Ta właściwość nazywa się nadprzewodnictwem; po raz pierwszy zaobserwował ją holenderski fizyk Geike Kamerling Onnes (1853-1926) w 1911 r., kiedy rtęć schłodzono poniżej 4,2 K. W tej temperaturze opór elektryczny rtęci nagle spadł do zera.
Nadprzewodniki wchodzą w stan nadprzewodnictwa poniżej temperatury przejścia, która zwykle wynosi kilka stopni Kelvina (tuż powyżej zera absolutnego). W pierścieniu nadprzewodzącym zaobserwowano prąd elektryczny, który przez kilka lat praktycznie nie słabł przy braku napięcia.
W ostatnie lata Trwają intensywne badania nad nadprzewodnictwem, aby zrozumieć jego mechanizm i znaleźć materiały, które przewodzą w wyższych temperaturach, aby zmniejszyć koszty i niedogodności związane z koniecznością schładzania do bardzo niskich temperatur. Pierwszą udaną teorię nadprzewodnictwa stworzyli Bardeen, Cooper i Schrieffer w 1957 roku. Nadprzewodniki są już stosowane w dużych magnesach, gdzie pole magnetyczne jest wytwarzane przez prąd elektryczny (patrz rozdział 28), co znacznie zmniejsza zużycie energii. Oczywiście utrzymanie nadprzewodnika w niskiej temperaturze również wymaga energii.
Komentarze i sugestie są akceptowane i mile widziane!
Jaka jest oporność substancji? Odpowiedzieć w prostych słowach Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz pamiętać kurs fizyki i wyobrazić sobie fizyczne ucieleśnienie tej definicji. Prąd elektryczny przepływa przez substancję, co z kolei zapobiega przepływowi prądu z pewną siłą.
Pojęcie rezystywności substancji
To właśnie ta wartość pokazuje, jak mocno substancja utrudnia przepływ prądu, czyli opór właściwy (łacińska litera „rho”). W międzynarodowym układzie jednostek opór wyrażona w omach, pomnożone przez metr. Wzór do obliczeń jest następujący: „Rezystancję mnoży się przez pole przekroju poprzecznego i dzieli przez długość przewodnika”.
Powstaje pytanie: „Dlaczego przy wyznaczaniu rezystancji stosuje się inny opór?” Odpowiedź jest prosta, istnieją dwie różne wielkości - rezystywność i rezystancja. Drugie pokazuje, jak substancja jest w stanie zapobiec przepływowi prądu, a pierwsze pokazuje praktycznie to samo, tyle że nie mówimy już o substancji w sensie ogólnym, ale o przewodniku o określonej długości i przekroju powierzchni przekroju, które są wykonane z tej substancji.
Odwrotność wielkości charakteryzującej zdolność substancji do przenoszenia energii elektrycznej nazywana jest przewodnością właściwą, a wzór, za pomocą którego obliczana jest oporność właściwa, jest bezpośrednio powiązany z przewodnością właściwą.
Zastosowania miedzi
Pojęcie rezystywności jest szeroko stosowane do obliczania przewodności prądu elektrycznego przez różne metale. Na podstawie tych obliczeń podejmowane są decyzje o celowości wykorzystania określonego metalu do produkcji przewodów elektrycznych stosowanych w budownictwie, produkcji instrumentów i innych dziedzinach.
Tabela rezystancji metalu
Istnieć określone tabele? które gromadzą dostępne informacje na temat transmisji i odporności metali, z reguły tabele te są obliczane dla określonych warunków.
Zwłaszcza, że jest powszechnie znany metalowy stół oporowy monokrystaliczny w temperaturze dwudziestu stopni Celsjusza, a także tabelę wytrzymałości metali i stopów.
Tabele te służą do obliczania różnych danych w tak zwanych idealnych warunkach, aby obliczyć wartości dla określonych celów, należy skorzystać ze wzorów.
Miedź. Jego cechy i właściwości
Opis substancji i właściwości
Miedź jest metalem odkrytym przez ludzkość dawno temu i od dawna wykorzystywanym do różnych celów technicznych. Miedź jest bardzo kowalnym i ciągliwym metalem o wysokiej przewodności elektrycznej, dzięki czemu jest bardzo popularna do produkcji różnych drutów i przewodników.
Właściwości fizyczne miedzi:
- temperatura topnienia - 1084 stopni Celsjusza;
- temperatura wrzenia - 2560 stopni Celsjusza;
- gęstość w temperaturze 20 stopni - 8890 kilogramów podzielonych przez metr sześcienny;
- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i temperaturze 20 stopni - 385 kJ/J*kg
- oporność elektryczna - 0,01724;
Gatunki miedzi
Metal ten można podzielić na kilka grup lub gatunków, z których każdy ma swoje własne właściwości i własne zastosowanie w przemyśle:
- Gatunki M00, M0, M1 doskonale nadają się do produkcji kabli i przewodników, podczas przetapiania eliminuje się przesycenie tlenem.
- Gatunki M2 i M3 to niedrogie opcje przeznaczone do walcowania na małą skalę i spełniające większość zadań technicznych i przemysłowych na małą skalę.
- Marki M1, M1f, M1r, M2r, M3r to drogie gatunki miedzi produkowane dla konkretnego konsumenta o określonych wymaganiach i żądaniach.
Znaczki między sobą różnią się na kilka sposobów:
Wpływ zanieczyszczeń na właściwości miedzi
Zanieczyszczenia mogą wpływać na właściwości mechaniczne, techniczne i użytkowe produktów.
Podsumowując, należy podkreślić, że miedź jest metalem wyjątkowym, posiadającym wyjątkowe właściwości. Znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, przy produkcji elementów dla przemysłu elektrycznego, sprzętu AGD, towarów konsumpcyjnych, zegarków, komputerów i wielu innych. Dzięki niskiej rezystywności metal ten jest doskonałym materiałem do produkcji przewodników i innych urządzeń elektrycznych. Pod tą właściwością miedź ustępuje jedynie srebru, ale ze względu na wyższy koszt nie znalazła takiego samego zastosowania w przemyśle elektrycznym.
Kiedy obwód elektryczny jest zamknięty, na jego zaciskach występuje różnica potencjałów, pojawia się prąd elektryczny. Swobodne elektrony pod wpływem sił pola elektrycznego poruszają się wzdłuż przewodnika. W swoim ruchu elektrony zderzają się z atomami przewodnika i przekazują im energię kinetyczną. Prędkość ruchu elektronów stale się zmienia: gdy elektrony zderzają się z atomami, cząsteczkami i innymi elektronami, maleje, następnie pod wpływem pola elektrycznego wzrasta i ponownie maleje podczas nowego zderzenia. W rezultacie przewodnik jest zainstalowany ruch jednolity przepływ elektronów z prędkością kilku ułamków centymetra na sekundę. W rezultacie elektrony przechodzące przez przewodnik zawsze napotykają opór z jego strony. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik, ten ostatni nagrzewa się.
Opór elektryczny
Opór elektryczny przewodnika, który jest wyznaczony Litera łacińska R, to właściwość ciała lub ośrodka polegająca na przekształcaniu energii elektrycznej w energię cieplną, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.
Na schematach opór elektryczny jest wskazany, jak pokazano na rysunku 1, A.
Nazywa się zmiennym oporem elektrycznym, który służy do zmiany prądu w obwodzie opornica. Na schematach reostaty oznaczono jak pokazano na rysunku 1, B. W ogólna perspektywa Reostat jest wykonany z drutu o takiej lub innej rezystancji, nawiniętego na izolacyjną podstawę. Suwak lub dźwignia reostatu ustawiana jest w określonej pozycji, w wyniku czego do obwodu wprowadzany jest wymagany opór.
Długi przewodnik o małym przekroju powoduje duży opór dla prądu. Krótkie przewodniki o dużym przekroju poprzecznym stawiają niewielki opór prądowi.
Jeśli weźmiesz dwa przewodniki z różnych materiałów, ale o tej samej długości i przekroju, wówczas przewodniki będą przewodzić prąd inaczej. To pokazuje, że opór przewodnika zależy od materiału, z którego jest wykonany przewodnik.
Temperatura przewodnika wpływa również na jego rezystancję. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta opór metali, a maleje opór cieczy i węgla. Tylko niektóre specjalne stopy metali (manganina, konstantan, nikiel i inne) prawie nie zmieniają swojej odporności wraz ze wzrostem temperatury.
Widzimy więc, że opór elektryczny przewodnika zależy od: 1) długości przewodnika, 2) przekroju przewodnika, 3) materiału przewodnika, 4) temperatury przewodnika.
Jednostką oporu jest jeden om. W języku greckim często oznacza się om Wielka literaΩ (omegi). Dlatego zamiast pisać „Rezystancja przewodnika wynosi 15 omów”, możesz po prostu napisać: R= 15 Ω.
1000 omów nazywa się 1 kiloomy(1 kOhm lub 1 kΩ),
1 000 000 omów nazywa się 1 megaom(1 mOhm lub 1 MΩ).
Porównując rezystancję przewodów z różnych materiałów, dla każdej próbki należy przyjąć określoną długość i przekrój. Wtedy będziemy mogli ocenić, który materiał lepiej lub gorzej przewodzi prąd elektryczny.
Wideo 1. Rezystancja przewodu
Rezystancja
Nazywa się rezystancją w omach przewodu o długości 1 m i przekroju 1 mm² oporność i jest oznaczony grecką literą ρ (ro).
Tabela 1 pokazuje rezystancje niektórych przewodników.
Tabela 1
Rezystancje różnych przewodników
Z tabeli wynika, że żelazny drut o długości 1 m i przekroju 1 mm² ma rezystancję 0,13 oma. Aby uzyskać rezystancję 1 oma, należy wziąć 7,7 m takiego drutu. Srebro ma najniższą rezystancję. Opór 1 oma można uzyskać, biorąc 62,5 m srebrnego drutu o przekroju 1 mm². Srebro jest najlepszym przewodnikiem, jednak cena srebra wyklucza możliwość jego masowego wykorzystania. Po srebrze w tabeli pojawia się miedź: 1 m drutu miedzianego o przekroju 1 mm² ma rezystancję 0,0175 oma. Aby uzyskać rezystancję 1 oma, należy wziąć 57 m takiego drutu.
Chemicznie czysta miedź, otrzymywana w drodze rafinacji, znalazła szerokie zastosowanie w elektrotechnice do produkcji drutów, kabli, uzwojeń maszyn i urządzeń elektrycznych. Aluminium i żelazo są również szeroko stosowane jako przewodniki.
Rezystancję przewodnika można określić ze wzoru:
Gdzie R– rezystancja przewodu w omach; ρ – rezystancja właściwa przewodnika; l– długość przewodu w m; S– przekrój przewodu w mm².
Przykład 1. Wyznacz opór 200 m drutu żelaznego o przekroju 5 mm².
Przykład 2. Oblicz opór 2 km drutu aluminiowego o przekroju 2,5 mm².
Ze wzoru na rezystancję można łatwo określić długość, rezystywność i przekrój przewodnika.
Przykład 3. W przypadku odbiornika radiowego konieczne jest nawinięcie rezystancji 30 omów z drutu niklowego o przekroju 0,21 mm². Określ wymaganą długość drutu.
Przykład 4. Określ przekrój 20 m drutu nichromowego, jeśli jego rezystancja wynosi 25 omów.
Przykład 5. Drut o przekroju 0,5 mm² i długości 40 m ma rezystancję 16 omów. Określ materiał drutu.
Materiał przewodnika charakteryzuje jego rezystywność.
Na podstawie tabeli oporności stwierdzamy, że ołów ma tę rezystancję.
Powyżej stwierdzono, że rezystancja przewodników zależy od temperatury. Wykonajmy następujący eksperyment. Nawińmy kilka metrów cienkiego metalowego drutu w formie spirali i podłączmy tę spiralę do obwodu akumulatora. Aby zmierzyć prąd, podłączamy amperomierz do obwodu. Gdy cewka zostanie podgrzana w płomieniu palnika, można zauważyć, że wskazania amperomierza zmniejszą się. To pokazuje, że opór metalowego drutu wzrasta wraz z ogrzewaniem.
W przypadku niektórych metali po podgrzaniu do 100° rezystancja wzrasta o 40–50%. Istnieją stopy, które pod wpływem ogrzewania nieznacznie zmieniają swoją rezystancję. Niektóre stopy specjalne nie wykazują praktycznie żadnej zmiany oporu przy zmianach temperatury. Opór przewodników metalowych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, natomiast opór elektrolitów (przewodników cieczy), węgla i niektórych ciał stałych, wręcz przeciwnie, maleje.
Do budowy termometrów rezystancyjnych wykorzystuje się zdolność metali do zmiany oporu pod wpływem temperatury. Ten termometr to drut platynowy nawinięty na ramkę z miki. Umieszczając termometr na przykład w piecu i mierząc rezystancję drutu platynowego przed i po nagrzaniu, można określić temperaturę w piecu.
Nazywa się zmianę rezystancji przewodnika po jego nagrzaniu na 1 om rezystancji początkowej i na 1° temperatury temperaturowy współczynnik oporu i jest oznaczony literą α.
Jeśli w temp T 0 rezystancja przewodu wynosi R 0 i w temperaturze T równa się rt, a następnie współczynnik temperaturowy oporu
Notatka. Obliczenia przy użyciu tego wzoru można wykonać tylko w określonym zakresie temperatur (do około 200°C).
Przedstawiamy wartości temperaturowego współczynnika rezystancji α dla niektórych metali (tabela 2).
Tabela 2
Wartości współczynników temperaturowych dla niektórych metali
Ze wzoru na współczynnik temperaturowy oporu określamy rt:
rt = R 0 .
Przykład 6. Wyznacz rezystancję drutu żelaznego nagrzanego do temperatury 200°C, jeśli jego rezystancja w temperaturze 0°C wynosiła 100 omów.
rt = R 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 omów.
Przykład 7. Termometr oporowy wykonany z drutu platynowego miał rezystancję 20 omów w pomieszczeniu o temperaturze 15°C. Termometr włożono do piekarnika i po pewnym czasie zmierzono jego rezystancję. Okazało się, że jest równe 29,6 oma. Określ temperaturę w piekarniku.
Przewodnictwo elektryczne
Do tej pory uważaliśmy opór przewodnika za przeszkodę, jaką przewodnik stanowi dla prądu elektrycznego. Ale mimo to prąd przepływa przez przewodnik. Dlatego oprócz rezystancji (przeszkody) przewodnik ma również zdolność przewodzenia prądu elektrycznego, czyli przewodnictwa.
Im większy opór ma przewodnik, tym mniejszą ma przewodność, tym gorzej przewodzi prąd elektryczny i odwrotnie, im niższy opór przewodnika, tym większa jego przewodność, tym łatwiej jest przepływać prąd przez przewodnik. Dlatego opór i przewodność przewodnika są wielkościami odwrotnymi.
Z matematyki wiadomo, że odwrotnością 5 jest 1/5 i odwrotnie, odwrotnością 1/7 jest 7. Dlatego też, jeśli opór przewodnika jest oznaczony literą R, wówczas przewodność definiuje się jako 1/ R. Przewodność jest zwykle symbolizowana literą g.
Przewodność elektryczną mierzy się w (1/om) lub w siemensach.
Przykład 8. Rezystancja przewodnika wynosi 20 omów. Określ jego przewodność.
Jeśli R= 20 omów
Przykład 9. Przewodność przewodnika wynosi 0,1 (1/om). Określ jego opór
Jeśli g = 0,1 (1/om), to R= 1 / 0,1 = 10 (om)
