Таблица за електрическо съпротивление на материалите. Съпротивление на мед спрямо температура

Както знаем от закона на Ом, токът във веригата е в следната връзка: I=U/R. Законът е получен в резултат на серия от експерименти на немския физик Георг Ом през 19 век. Той забеляза модел: силата на тока във всеки участък от веригата директно зависи от напрежението, което се прилага към този участък, и обратно - от неговото съпротивление.

По-късно беше установено, че съпротивлението на сечението зависи от неговите геометрични характеристики, както следва: R=ρl/S,

където l е дължината на проводника, S е площта на неговото напречно сечение, а ρ е определен коефициент на пропорционалност.

По този начин съпротивлението се определя от геометрията на проводника, както и от такъв параметър като съпротивление(по-нататък - u.s.) - така се наричаше този коефициент. Ако вземете два проводника с еднакво напречно сечение и дължина и ги поставите във верига на свой ред, тогава чрез измерване на силата и съпротивлението на тока можете да видите, че в два случая тези индикатори ще бъдат различни. Така специфични електрическо съпротивление - това е характеристика на материала, от който е направен проводникът, и по-точно на веществото.

Проводимост и съпротивление

W.s. показва способността на дадено вещество да блокира преминаването на ток. Но във физиката има и обратна величина - проводимост. Показва способността да електричество. Изглежда така:

σ=1/ρ, където ρ е съпротивлението на веществото.

Ако говорим за проводимост, тогава тя се определя от характеристиките на носителите на заряд в това вещество. И така, в металите има свободни електрони. На външната обвивка има не повече от три и за атома е по-изгодно да ги "раздаде", което се случва, когато химична реакция с вещества от дясната страна на периодичната таблица. В ситуация, в която имаме чист метал, той има кристална структура, в която тези външни електрони са общи. Те носят заряд, ако върху метала се приложи електрическо поле.

В разтворите носителите на заряд са йони.

Ако говорим за вещества като силиций, то по свойствата си е така полупроводники работи по малко по-различен начин, но повече за това по-късно. Междувременно нека да разберем как се различават такива класове вещества, като например:

1. проводници;
2. полупроводници;
3. Диелектрици.

Проводници и диелектрици

Има вещества, които почти не провеждат ток. Те се наричат ​​диелектрици. Такива вещества могат да се поляризират в електрическо поле, тоест техните молекули могат да се въртят в това поле, в зависимост от това как са разпределени в тях. електрони. Но тъй като тези електрони не са свободни, а служат за свързване между атомите, те не провеждат ток.

Проводимостта на диелектриците е почти нулева, въпреки че сред тях няма идеални (това е същата абстракция като абсолютно черно тяло или идеален газ).

Условната граница на понятието "проводник" е ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Между тези два класа има вещества, наречени полупроводници. Но избирането им в отделна група вещества е свързано не толкова с междинното им състояние в линията "проводимост - съпротивление", а с особеностите на тази проводимост в различни условия.

Зависимост от факторите на околната среда

Проводимостта не е точно постоянна. Данните в таблиците, откъдето се взема ρ за изчисления, съществуват за нормални условия на околната среда, тоест за температура от 20 градуса. В действителност е трудно да се намерят такива идеални условия за работа на веригата; всъщност ни (и следователно проводимостта) зависи от следните фактори:

1. температура;
2. налягане;
3. наличието на магнитни полета;
4. светлина;
5. агрегатно състояние.

Различните вещества имат свой собствен график на промени в този параметър при различни условия. И така, феромагнетиците (желязо и никел) го увеличават, когато посоката на тока съвпада с посоката на линиите на магнитното поле. Що се отнася до температурата, зависимостта тук е почти линейна (има дори концепцията за температурния коефициент на съпротивление и това също е таблична стойност). Но посоката на тази зависимост е различна: за металите тя се увеличава с повишаване на температурата, докато за редкоземните елементи и електролитните разтвори се увеличава - и това е в рамките на същото агрегатно състояние.

За полупроводниците зависимостта от температурата не е линейна, а хиперболична и обратна: с повишаване на температурата тяхната проводимост се увеличава. Това качествено отличава проводниците от полупроводниците. Ето как изглежда зависимостта на ρ от температурата на проводниците:

Ето съпротивленията на медта, платината и желязото. Малко по-различна графика за някои метали, например живак - когато температурата падне до 4 K, тя я губи почти напълно (това явление се нарича свръхпроводимост).

А за полупроводниците тази зависимост ще бъде нещо подобно:

По време на прехода към течно състояние ρ на метала се увеличава, но тогава всички те се държат по различен начин. Например в разтопения бисмут той е по-нисък, отколкото при стайна температура, а в медта е 10 пъти по-висок от нормалното. Никелът излиза от линейната диаграма при 400 градуса, след което ρ пада.

Но във волфрама температурната зависимост е толкова висока, че причинява изгаряне на лампи с нажежаема жичка. Когато е включен, токът загрява намотката и нейното съпротивление се увеличава няколко пъти.

Също при. с. сплави зависи от технологията на тяхното производство. Така че, ако имаме работа с проста механична смес, тогава съпротивлението на такова вещество може да се изчисли средно, но то е същото за заместваща сплав (това е, когато два или повече елемента се добавят в една кристална решетка) ще бъдат различни, като правило, много по-големи. Например, нихромът, от който се правят спирали за електрически печки, има такава цифра за този параметър, че този проводник, когато е свързан към веригата, се нагрява до зачервяване (поради което всъщност се използва).

Ето характеристиката ρ на въглеродните стомани:

Както се вижда, при наближаване на температурата на топене тя се стабилизира.

Съпротивление на различни проводници

Както и да е, ρ се използва при изчисления при нормални условия. Ето таблица, чрез която можете да сравните тази характеристика за различни метали:

Както се вижда от таблицата, най-добрият проводник е среброто. И само цената му предотвратява масовото му използване в производството на кабели. W.s. алуминият също е малък, но по-малък от този на златото. От таблицата става ясно защо окабеляването в къщите е медно или алуминиево.

Таблицата не включва никел, който, както вече казахме, има малко необичайна крива y. с. от температурата. Специфичното съпротивление на никела след повишаване на температурата до 400 градуса не започва да расте, а да пада. Той се държи интересно и в други заместващи сплави. Ето как се държи сплав от мед и никел в зависимост от процентното съдържание и на двете:

И тази интересна графика показва съпротивлението на цинково-магнезиевите сплави:

Като материали за производството на реостати се използват сплави с висока устойчивост, ето техните характеристики:

Това са сложни сплави, състоящи се от желязо, алуминий, хром, манган, никел.

Що се отнася до въглеродните стомани, то е приблизително 1,7 * 10 ^ -7 Ohm m.

Разликата между u. с. различни проводници определя тяхното приложение. Така медта и алуминият се използват широко в производството на кабели, а златото и среброто се използват като контакти в редица радиотехнически продукти. Проводниците с високо съпротивление са намерили своето място сред производителите на електрически уреди (по-точно те са създадени за това).

Променливостта на този параметър в зависимост от условията на околната среда е в основата на такива устройства като сензори за магнитно поле, термистори, тензодатчици и фоторезистори.

Знаем, че причината за електрическото съпротивление на проводника е взаимодействието на електрони с йони от металната кристална решетка (§ 43). Следователно може да се приеме, че съпротивлението на проводника зависи от неговата дължина и площ на напречното сечение, както и от веществото, от което е направен.

Фигура 74 показва настройката за такъв експеримент. Различни проводници са включени на свой ред в веригата на източника на ток, например:

1. Никелови жици с еднаква дебелина, но различни дължини;
2. Никелови жици с еднаква дължина, но различни дебелини (различна площ на напречното сечение);
3. никелови и нихромови жици със същата дължина и дебелина.

Токът във веригата се измерва с амперметър, напрежението с волтметър.

Познавайки напрежението в краищата на проводника и силата на тока в него, според закона на Ом, можете да определите съпротивлението на всеки от проводниците.

Ориз. 74. Зависимост на съпротивлението на проводника от неговия размер и вида на веществото

След провеждането на тези експерименти ще установим, че:

1. от два никелирани проводника с еднаква дебелина, по-дългият проводник има по-голямо съпротивление;
2. от два никелови проводника с еднаква дължина по-голямо съпротивление има проводникът с по-малко напречно сечение;
3. никелови и нихромни проводници с еднакъв размер имат различно съпротивление.

Зависимостта на съпротивлението на проводника от неговите размери и веществото, от което е направен проводникът, е изследвана за първи път от Ом в експерименти. Той установи, че съпротивлението е право пропорционално на дължината на проводника, обратно пропорционално на площта на напречното му сечение и зависи от веществото на проводника.

Как да се вземе предвид зависимостта на съпротивлението от веществото, от което е направен проводникът? За това т.нар съпротивление на материята.

Съпротивлението е физична величина, която определя съпротивлението на проводник, изработен от дадено вещество, с дължина 1 m и площ на напречното сечение 1 m 2.

Нека въведем буквени обозначения: ρ - специфично съпротивление на проводника, I - дължина на проводника, S - площ на напречното му сечение. Тогава съпротивлението на проводника R се изразява с формулата

От него получаваме, че:

От последната формула можете да определите единицата за съпротивление. Тъй като единицата за съпротивление е 1 ом, единицата за площ на напречното сечение е 1 m2, а единицата за дължина е 1 m, тогава единицата за съпротивление е:

По-удобно е да изразите площта на напречното сечение на проводника в квадратни милиметри, тъй като най-често е малка. Тогава единицата за съпротивление ще бъде:

Таблица 8 показва стойностите на съпротивлението на някои вещества при 20 °C. Съпротивлението се променя с температурата. Емпирично е установено, че при металите, например, съпротивлението нараства с повишаване на температурата.

Таблица 8. Електрическо съпротивление на някои вещества (при t = 20 °C)

От всички метали среброто и медта имат най-ниско съпротивление. Следователно среброто и медта са най-добрите проводници на електричество.

При окабеляване на електрически вериги се използват алуминиеви, медни и железни проводници.

В много случаи са необходими устройства с висока устойчивост. Изработени са от специално създадени сплави - вещества с високо съпротивление. Например, както може да се види от таблица 8, нихромовата сплав има съпротивление почти 40 пъти по-голямо от алуминия.

Порцеланът и ебонитът имат толкова високо съпротивление, че почти не провеждат електричество, те се използват като изолатори.

Въпроси

1. Как съпротивлението на проводника зависи от неговата дължина и от площта на напречното сечение?
2. Как да се покаже експериментално зависимостта на съпротивлението на проводник от неговата дължина, площ на напречното сечение и веществото, от което е направен?
3. Какво е специфичното съпротивление на проводник?
4. Каква формула може да се използва за изчисляване на съпротивлението на проводниците?
5. Каква е единицата за съпротивление на проводник?
6. От какви материали се изработват използваните на практика проводници?

Повечето от законите на физиката се основават на експерименти. Имената на експериментаторите са увековечени в заглавията на тези закони. Един от тях беше Георг Ом.

Опитите на Георг Ом

Той установи в хода на експерименти върху взаимодействието на електричеството с различни вещества, включително метали, фундаменталната връзка между плътността, силата на електрическото поле и свойството на веществото, което се нарича "проводимост". Формулата, съответстваща на този модел, наречена "закон на Ом", е следната:

j= λE , при което

• j- плътност на електрически ток;
• λ — специфична проводимост, наричана още "електропроводимост";
• д- напрегнатост на електрическото поле.

В някои случаи друга буква от гръцката азбука се използва за обозначаване на проводимостта - σ . Специфичната проводимост зависи от някои параметри на веществото. Стойността му се влияе от температурата, веществата, налягането, ако е газ и най-важното - структурата на това вещество. Законът на Ом се спазва само за еднородни вещества.

За по-удобни изчисления се използва реципрочната стойност на проводимостта. Наричаше се "съпротивление", което също се свързва със свойствата на веществото, в което протича електрическият ток, обозначено с гръцката буква ρ и има размерността на Ohm*m. Но тъй като различни теоретични обосновки се прилагат за различни физични явления, могат да се използват алтернативни формули за съпротивление. Те са отражение на класическата електронна теория на металите, както и на квантовата теория.

Формули

В тези досадни за обикновените читатели формули се появяват фактори като константата на Болцман, константата на Авогадро и константата на Планк. Тези константи се използват за изчисления, които отчитат свободния път на електроните в проводник, тяхната скорост по време на топлинно движение, степента на йонизация, концентрацията и плътността на веществото. С една дума, всичко е доста трудно за неспециалист. За да не бъдете голословни, по-нататък можете да се запознаете с това как изглежда всичко в действителност:

Свойства на металите

Тъй като движението на електроните зависи от хомогенността на веществото, токът в метален проводник протича според неговата структура, което влияе върху разпределението на електроните в проводника, като се вземе предвид неговата нехомогенност. Определя се не само от наличието на примесни включвания, но и от физически дефекти - пукнатини, кухини и др. Нееднородността на проводника увеличава неговото съпротивление, което се определя от правилото на Матизен.

Това лесно за разбиране правило всъщност казва, че няколко отделни съпротивления могат да бъдат разграничени в проводник с ток. И получената стойност ще бъде тяхната сума. Термините ще бъдат съпротивлението на кристалната решетка на метала, примесите и дефектите на проводника. Тъй като този параметър зависи от естеството на веществото, се определят съответните закономерности за неговото изчисляване, включително за смесени вещества.

Въпреки факта, че сплавите също са метали, те се разглеждат като разтвори с хаотична структура и за изчисляване на съпротивлението има значение кои метали са включени в състава на сплавта. По принцип повечето от двукомпонентните сплави, които не принадлежат към преходните и редкоземните метали, попадат в описанието на закона на Нодхайм.

Като отделна тема се разглежда съпротивлението на метални тънки слоеве. Фактът, че неговата стойност трябва да бъде по-голяма от тази на обемен проводник, изработен от същия метал, е съвсем логично да се предположи. Но в същото време се въвежда специална емпирична формула на Фукс за филма, която описва взаимозависимостта на съпротивлението и дебелината на филма. Оказва се, че във филмите металите проявяват свойствата на полупроводници.

А процесът на пренос на заряд се влияе от електрони, които се движат по посока на дебелината на филма и пречат на движението на "надлъжни" заряди. В същото време те се отразяват от повърхността на филмовия проводник и по този начин един електрон осцилира достатъчно дълго време между двете му повърхности. Друг важен фактор за увеличаване на съпротивлението е температурата на проводника. Колкото по-висока е температурата, толкова по-голяма е устойчивостта. Обратно, колкото по-ниска е температурата, толкова по-ниско е съпротивлението.

Металите са вещества с най-ниско съпротивление при така наречената "стайна" температура. Единственият неметал, който оправдава използването му като проводник, е въглеродът. Графитът, който е една от неговите разновидности, се използва широко за направата на плъзгащи се контакти. Има много успешна комбинация от свойства като съпротивление и коефициент на триене при плъзгане. Следователно графитът е незаменим материал за моторни четки и други плъзгащи се контакти. Стойностите на съпротивлението на основните вещества, използвани за промишлени цели, са показани в таблицата по-долу.

Свръхпроводимост

При температури, съответстващи на втечняването на газовете, тоест до температурата на течния хелий, която е равна на - 273 градуса по Целзий, съпротивлението намалява почти до пълно изчезване. И не само добри метални проводници като сребро, мед и алуминий. Почти всички метали. При такива условия, които се наричат ​​свръхпроводимост, металната структура няма инхибиращ ефект върху движението на зарядите под действието на електрическо поле. Следователно живакът и повечето метали стават свръхпроводници.

Но, както се оказа, сравнително наскоро през 80-те години на 20-ти век някои разновидности на керамиката също са способни на свръхпроводимост. И за това не е необходимо да използвате течен хелий. Такива материали се наричат ​​високотемпературни свръхпроводници. Въпреки това вече са минали няколко десетилетия и гамата от високотемпературни проводници се е разширила значително. Но масовото използване на такива високотемпературни свръхпроводящи елементи не се наблюдава. В някои страни са направени единични инсталации със замяната на конвенционалните медни проводници с високотемпературни свръхпроводници. За поддържане на нормалния режим на високотемпературна свръхпроводимост е необходим течен азот. И това се оказва твърде скъпо техническо решение.

Следователно ниската стойност на съпротивлението, дарена от природата на медта и алуминия, все още ги прави незаменими материали за производството на различни проводници на електрически ток.

• проводници;
• диелектрици (с изолационни свойства);
• полупроводници.

Електрони и ток

В основата на съвременната концепция за електрическия ток е предположението, че той се състои от материални частици - заряди. Но различни физически и химични експерименти дават основание да се твърди, че тези носители на заряд могат да бъдат от различни видове в един и същи проводник. И тази нехомогенност на частиците се отразява на плътността на тока. За изчисления, които са свързани с параметрите на електрическия ток, се използват определени физически величини. Сред тях важно място заема проводимостта заедно със съпротивлението.

• Проводимостта е свързана със съпротивлението чрез взаимна обратна връзка.

Известно е, че когато има определено напрежение, приложено към електрическа верига, в нея се появява електрически ток, чиято стойност е свързана с проводимостта на тази верига. Това фундаментално откритие е направено навремето от немския физик Георг Ом. Оттогава се използва закон, наречен закон на Ом. Съществува за различни варианти на веригата. Следователно формулите за тях могат да се различават една от друга, тъй като отговарят на напълно различни условия.

Всяка електрическа верига има проводник. Ако съдържа един вид частици носител на заряд, токът в проводника е като поток от течност с определена плътност. Определя се по следната формула:

Повечето метали съответстват на един и същ тип заредени частици, поради което има електрически ток. За металите изчисляването на електрическата проводимост се извършва по следната формула:

Тъй като проводимостта може да се изчисли, сега е лесно да се определи електрическото съпротивление. Вече беше споменато по-горе, че съпротивлението на проводник е реципрочната на проводимостта. следователно

В тази формула гръцката буква ρ (rho) се използва за означаване на електрическо съпротивление. Това обозначение се използва най-често в техническата литература. Можете обаче да намерите и малко по-различни формули, с помощта на които се изчислява съпротивлението на проводниците. Ако за изчисления се използва класическата теория на металите и електронната проводимост в тях, съпротивлението се изчислява по следната формула:

Има обаче едно „но“. Състоянието на атомите в металния проводник се влияе от продължителността на йонизационния процес, който се извършва от електрическо поле. При еднократно йонизиращо въздействие върху проводника, атомите в него ще получат еднократна йонизация, което ще създаде баланс между концентрацията на атоми и свободни електрони. И стойностите на тези концентрации ще бъдат равни. В този случай се осъществяват следните зависимости и формули:

Отклонения на проводимост и съпротивление

След това разглеждаме какво определя специфичната проводимост, която е обратно пропорционална на съпротивлението. Съпротивлението на веществото е доста абстрактна физическа величина. Всеки проводник съществува под формата на определен образец. Характеризира се с наличието на различни примеси и дефекти във вътрешната структура. Те се вземат предвид като отделни членове в израза, който определя съпротивлението в съответствие с правилото на Матисен. Това правило също така взема предвид разсейването на движещ се електронен поток върху възлите на кристалната решетка на пробата, които се колебаят в зависимост от температурата.

Наличието на вътрешни дефекти, като включвания на различни примеси и микроскопични кухини, също повишава съпротивлението. За да се определи количеството на примесите в пробите, съпротивлението на материалите се измерва за две температурни стойности на материала на пробата. Едната температурна стойност е стайна температура, а другата съответства на течен хелий. От отношението на резултата от измерването при стайна температура към резултата при температура на течен хелий се получава коефициент, който илюстрира структурното съвършенство на материала и неговата химическа чистота. Коефициентът се обозначава с буквата β.

Ако метална сплав с неподредена структура на твърд разтвор се разглежда като проводник на електрически ток, стойността на остатъчното съпротивление може да бъде значително по-голяма от съпротивлението. Такава характеристика на двукомпонентни метални сплави, които не са свързани с редкоземни елементи, както и с преходни елементи, е обхваната от специален закон. Нарича се закон на Нордхайм.

Съвременните технологии в електрониката все повече се насочват към миниатюризация. И то толкова много, че скоро вместо микросхема ще се появи думата "наносхема". Проводниците в такива устройства са толкова тънки, че би било правилно да ги наричаме метални филми. Съвсем ясно е, че филмовата проба със своето съпротивление ще се различава нагоре от по-големия проводник. Малката дебелина на метала във филма води до появата на полупроводникови свойства в него.

Пропорционалността между дебелината на метала и свободния път на електроните в този материал започва да се появява. Има малко място за движение на електроните. Поради това те започват да пречат един на друг да се движат по подреден начин, което води до увеличаване на съпротивлението. За метални филми съпротивлението се изчислява по специална формула, получена от експерименти. Формулата е кръстена на Фукс, учен, който изучава съпротивлението на филмите.

Филмите са много специфични образувания, които трудно се повтарят, така че свойствата на няколко проби са еднакви. За приемлива точност при оценката на филмите се използва специален параметър - специфичното повърхностно съпротивление.

Резисторите се образуват от метални филми върху субстрата на микросхемата. Поради тази причина изчисленията на съпротивлението са много изисквана задача в микроелектрониката. Стойността на съпротивлението, очевидно, се влияе от температурата и е свързана с нея чрез пряка пропорционална зависимост. За повечето метали тази зависимост има определен линеен участък в определен температурен диапазон. В този случай съпротивлението се определя по формулата:

В металите електрическият ток възниква поради големия брой свободни електрони, чиято концентрация е сравнително висока. Освен това електроните също определят високата топлопроводимост на металите. Поради тази причина е установена връзка между електропроводимостта и топлопроводимостта по специален закон, който е експериментално обоснован. Този закон на Видеман-Франц се характеризира със следните формули:

Примамливи перспективи за свръхпроводимост

Най-удивителните процеси обаче се случват при най-ниската технически постижима температура на течния хелий. При такива условия на охлаждане всички метали практически губят своето съпротивление. Медните проводници, охладени до температурата на течен хелий, са способни да провеждат токове, които са многократно по-големи от тези при нормални условия. Ако на практика това стане възможно, икономическият ефект би бил неоценим.

Още по-изненадващо беше откритието на високотемпературни проводници. Тези разновидности на керамиката при нормални условия бяха много далеч по своето съпротивление от металите. Но при температура от около три дузини градуса над течния хелий те станаха свръхпроводници. Откриването на това поведение на неметалните материали се превърна в мощен стимул за научни изследвания. Поради огромните икономически последици от практическото приложение на свръхпроводимостта, в тази посока бяха хвърлени много значителни финансови средства и започнаха мащабни изследвания.

Но засега, както се казва, „нещата все още са там“ ... Керамичните материали се оказаха неподходящи за практическа употреба. Условията за поддържане на състоянието на свръхпроводимост изискваха толкова големи разходи, че всички ползи от използването му бяха унищожени. Но експериментите със свръхпроводимостта продължават. Има прогрес. Свръхпроводимостта вече е получена при температура от 165 градуса по Келвин, но това изисква високо налягане. Създаването и поддържането на такива специални условия отново отрича търговската употреба на това техническо решение.

Допълнителни влияещи фактори

В момента всичко продължава да върви по свой собствен път, а за медта, алуминия и някои други метали съпротивлението продължава да осигурява промишлената им употреба за производството на проводници и кабели. В заключение си струва да добавим още малко информация, че не само съпротивлението на материала на проводника и температурата на околната среда влияят върху загубите в него по време на преминаване на електрически ток. Геометрията на проводника е много важна, когато се използва при повишена честота на напрежението и при висока сила на тока.

При тези условия електроните са склонни да се концентрират близо до повърхността на жицата и нейната дебелина като проводник губи значението си. Следователно е възможно оправдано да се намали количеството мед в проводника, като се направи само външната част на проводника от него. Друг фактор за увеличаване на съпротивлението на проводника е деформацията. Следователно, въпреки високата производителност на някои електропроводими материали, при определени условия те може да не се появят. Необходимо е да изберете правилните проводници за конкретни задачи. Таблиците по-долу ще ви помогнат с това.

Електрическото съпротивление е основната характеристика на проводимите материали. В зависимост от обхвата на проводника стойността на неговото съпротивление може да играе както положителна, така и отрицателна роля във функционирането на електрическата система. Също така характеристиките на използването на проводника могат да доведат до необходимостта да се вземат предвид допълнителни характеристики, чието влияние в конкретен случай не може да бъде пренебрегнато.

Проводници са чистите метали и техните сплави. В един метал атомите, фиксирани в една "здрава" структура, имат свободни електрони (така наречения "електронен газ"). Именно тези частици в случая са носители на заряд. Електроните са в постоянно произволно движение от един атом към друг. Когато се появи електрическо поле (към краищата на метала е свързан източник на напрежение), движението на електроните в проводника става подредено. Движещите се електрони срещат препятствия по пътя си, причинени от особеностите на молекулярната структура на проводника. При сблъсък със структурата носителите на заряд губят енергията си, предавайки я на проводника (нагрявайки го). Колкото повече препятствия създава проводимата структура за носителите на заряд, толкова по-голямо е съпротивлението.

С увеличаване на напречното сечение на проводящата структура за един брой електрони, "предавателният канал" ще стане по-широк и съпротивлението ще намалее. Съответно, с увеличаване на дължината на жицата, ще има повече такива препятствия и съпротивлението ще се увеличи.

По този начин основната формула за изчисляване на съпротивлението включва дължината на проводника, площта на напречното сечение и определен коефициент, който свързва тези размерни характеристики с електрическите стойности на напрежението и тока (1). Този коефициент се нарича съпротивление.
R=r*L/S (1)

Съпротивление

Съпротивлението непромененои е свойство на веществото, от което е направен проводникът. Мерни единици r - ом * m. Често стойността на съпротивлението се дава в ohm * mm sq. / m. Това се дължи на факта, че напречното сечение на най-често използваните кабели е сравнително малко и се измерва в квадратни милиметри. Да вземем един прост пример.

Задача номер 1. Дължина на меден проводник L = 20 m, сечение S = 1,5 mm. кв. Изчислете съпротивлението на проводника.
Решение: специфично съпротивление на меден проводник r = 0,018 ohm*mm. кв./м. Замествайки стойностите във формула (1), получаваме R = 0,24 ома.
При изчисляване на съпротивлението на електроенергийната система съпротивлението на един проводник трябва да се умножи по броя на проводниците.
Ако вместо мед се използва алуминий с по-високо съпротивление (r = 0,028 ohm * mm sq. / m), тогава съпротивлението на проводниците ще се увеличи съответно. За горния пример съпротивлението ще бъде R = 0,373 ома (55% повече). Медта и алуминият са основните материали за проводниците. Има метали с по-ниско съпротивление от медта, като среброто. Използването му обаче е ограничено поради очевидната висока цена. Таблицата по-долу изброява съпротивленията и други основни характеристики на проводниковите материали.
Таблица - основните характеристики на проводниците

Топлинни загуби на проводници

Ако, използвайки кабела от горния пример, товар от 2,2 kW е свързан към еднофазна 220 V мрежа, тогава токът I \u003d P / U или I \u003d 2200/220 \u003d 10 A ще тече през тел. Формулата за изчисляване на загубата на мощност в проводника:
Ppr \u003d (I ^ 2) * R (2)
Пример № 2. Изчислете активните загуби при пренос на мощност от 2,2 kW в мрежа с напрежение 220 V за споменатия проводник.
Решение: чрез заместване на стойностите на тока и съпротивлението на проводниците във формулата (2), получаваме Ppr \u003d (10 ^ 2) * (2 * 0,24) \u003d 48 W.
Така при прехвърляне на енергия от мрежата към товара загубите в проводниците ще бъдат малко повече от 2%. Тази енергия се превръща в топлина, отделена от проводника в околната среда. Според състоянието на нагряване на проводника (според големината на тока) се избира неговото напречно сечение, ръководено от специални таблици.
Например, за горния проводник максималният ток е 19 A или 4,1 kW в мрежа от 220 V.

Повишеното напрежение се използва за намаляване на активните загуби в електропроводите. В този случай токът в проводниците намалява, загубите падат.

Температурен ефект

Повишаването на температурата води до увеличаване на трептенията на кристалната решетка на метала. Съответно електроните срещат повече препятствия, което води до увеличаване на съпротивлението. Стойността на "чувствителността" на устойчивостта на метала към повишаване на температурата се нарича температурен коефициент α. Формулата за отчитане на температурата е следната
R=Rн*, (3)
където Rn е съпротивлението на проводника при нормални условия (при температура t°n); t° е температурата на проводника.
Обикновено t ° n = 20 ° C. Стойността на α също е посочена за температурата t ° n.
Задача 4. Изчислете съпротивлението на медна жица при температура t ° \u003d 90 ° C. α мед \u003d 0,0043, Rn \u003d 0,24 Ohm (1 задача).
Решение: замествайки стойностите във формула (3), получаваме R = 0,312 Ohm. Съпротивлението на анализирания нагрят проводник е с 30% по-голямо от съпротивлението му при стайна температура.

Честотен ефект

С увеличаване на честотата на тока в проводника възниква процес на изместване на заряди по-близо до повърхността му. В резултат на увеличаване на концентрацията на заряди в повърхностния слой съпротивлението на жицата също се увеличава. Този процес се нарича "кожен ефект" или повърхностен ефект. Скин коефициент– ефектът зависи и от размера и формата на жицата. За горния пример, с AC честота от 20 kHz, съпротивлението на проводника ще се увеличи с приблизително 10%. Имайте предвид, че високочестотните компоненти могат да имат текущия сигнал на много съвременни промишлени и битови потребители (енергоспестяващи лампи, импулсни захранвания, честотни преобразуватели и т.н.).

Влияние на съседни проводници

Около всеки проводник, през който протича ток, има магнитно поле. Взаимодействието на полетата на съседните проводници също причинява загуби на енергия и се нарича "ефект на близост". Също така имайте предвид, че всеки метален проводник има индуктивност, създадена от проводимо ядро, и капацитет, създаден от изолация. Тези параметри също имат ефект на близост.

Технологии

Проводници с високо напрежение с нулево съпротивление

Този тип проводник се използва широко в системите за запалване на автомобили. Съпротивлението на проводниците с високо напрежение е доста малко и възлиза на няколко части от ома на метър дължина. Спомнете си, че съпротивлението на такава стойност не може да бъде измерено с универсален омметър. Често за измерване на ниски съпротивления се използват измервателни мостове.
Структурно такива проводници имат голям брой медни проводници с изолация на базата на силикон, пластмаса или други диелектрици. Особеността на използването на такива проводници е не само при работа при високо напрежение, но и при пренос на енергия за кратък период от време (импулсен режим).

Биметален кабел

Основната област на приложение на споменатите кабели е предаването на високочестотни сигнали. Сърцевината на жицата е направена от един вид метал, чиято повърхност е покрита с друг вид метал. Тъй като само повърхностният слой на проводника е проводим при високи честоти, е възможно да се замени вътрешността на проводника. Това спестява скъп материал и подобрява механичните характеристики на телта. Примери за такива проводници са посребрена мед, помеднена стомана.

Заключение

Съпротивлението на проводника е стойност, която зависи от група фактори: тип проводник, температура, честота на тока, геометрични параметри. Значението на влиянието на тези параметри зависи от условията на работа на проводника. Критериите за оптимизация в зависимост от задачите за проводниците могат да бъдат: намаляване на активните загуби, подобряване на механичните характеристики, намаляване на цената.