Tabla de resistencias eléctricas de materiales. Resistencia del cobre frente a la temperatura

Como sabemos por la ley de Ohm, la corriente en la sección del circuito está en la siguiente relación: I=U/R. La ley se derivó como resultado de una serie de experimentos realizados por el físico alemán Georg Ohm en el siglo XIX. Notó un patrón: la intensidad de la corriente en cualquier sección del circuito depende directamente del voltaje que se aplica a esta sección, y viceversa, de su resistencia.

Posteriormente se comprobó que la resistencia de la sección depende de sus características geométricas así: R=ρl/S,

donde l es la longitud del conductor, S es el área de su sección transversal y ρ es un cierto coeficiente de proporcionalidad.

Por lo tanto, la resistencia está determinada por la geometría del conductor, así como por un parámetro como resistividad(en adelante, EE. UU.): así se llamó este coeficiente. Si toma dos conductores con la misma sección transversal y longitud y los coloca en un circuito a la vez, al medir la intensidad y la resistencia de la corriente, puede ver que en dos casos estos indicadores serán diferentes. Así, específico resistencia eléctrica - esta es una característica del material del que está hecho el conductor y, para ser más precisos, de la sustancia.

Conductividad y resistencia

W.s. indica la capacidad de una sustancia para bloquear el paso de la corriente. Pero en física también hay un valor inverso: la conductividad. Muestra la capacidad de electricidad. Se parece a esto:

σ=1/ρ, donde ρ es la resistividad de la sustancia.

Si hablamos de conductividad, está determinada por las características de los portadores de carga en esta sustancia. Entonces, en los metales hay electrones libres. No hay más de tres de ellos en la capa exterior, y es más rentable para el átomo "regalarlos", lo que sucede cuando reacciones químicas con sustancias del lado derecho de la tabla periódica. En una situación en la que tenemos un metal puro, tiene una estructura cristalina en la que estos electrones externos son comunes. Llevan una carga si se aplica un campo eléctrico al metal.

En soluciones, los portadores de carga son iones.

Si hablamos de sustancias como el silicio, entonces por sus propiedades es semiconductor y funciona de una manera ligeramente diferente, pero hablaremos de eso más adelante. Mientras tanto, averigüemos cómo difieren tales clases de sustancias, como:

1. conductores;
2. semiconductores;
3. Dieléctricos.

Conductores y dieléctricos

Hay sustancias que casi no conducen corriente. Se llaman dieléctricos. Tales sustancias son capaces de polarizarse en un campo eléctrico, es decir, sus moléculas pueden rotar en este campo, dependiendo de cómo se distribuyan en ellas. electrones. Pero como estos electrones no son libres, sino que sirven para enlazar entre átomos, no conducen corriente.

La conductividad de los dieléctricos es casi cero, aunque entre ellos no hay ideales (esta es la misma abstracción que un cuerpo absolutamente negro o un gas ideal).

El límite condicional del concepto de "conductor" es ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Entre estas dos clases hay sustancias llamadas semiconductores. Pero su selección en un grupo separado de sustancias está asociada no tanto con su estado intermedio en la línea "conductividad - resistencia", sino con las características de esta conductividad en diversas condiciones.

Dependencia de factores ambientales.

La conductividad no es exactamente constante. Los datos de las tablas, de donde se toma ρ para los cálculos, existen para condiciones ambientales normales, es decir, para una temperatura de 20 grados. En realidad, es difícil encontrar tales condiciones ideales para el funcionamiento del circuito; en realidad nosotros (y, por tanto, la conductividad) dependen de los siguientes factores:

1. la temperatura;
2. presión;
3. la presencia de campos magnéticos;
4. luz;
5. estado de agregación.

Diferentes sustancias tienen su propio programa de cambios en este parámetro bajo diferentes condiciones. Así, los ferroimanes (hierro y níquel) lo aumentan cuando la dirección de la corriente coincide con la dirección de las líneas del campo magnético. En cuanto a la temperatura, la dependencia aquí es casi lineal (incluso existe el concepto de coeficiente de temperatura de resistencia, y este también es un valor tabular). Pero la dirección de esta dependencia es diferente: para los metales, aumenta con el aumento de la temperatura, mientras que para los elementos de tierras raras y las soluciones de electrolitos aumenta, y esto se encuentra dentro del mismo estado de agregación.

Para los semiconductores, la dependencia de la temperatura no es lineal, sino hiperbólica e inversa: a medida que aumenta la temperatura, aumenta su conductividad. Esto distingue cualitativamente a los conductores de los semiconductores. Así es como se ve la dependencia de ρ con la temperatura de los conductores:

Aquí están las resistividades del cobre, platino y hierro. Un gráfico ligeramente diferente para algunos metales, por ejemplo, el mercurio: cuando la temperatura desciende a 4 K, la pierde casi por completo (este fenómeno se denomina superconductividad).

Y para los semiconductores, esta dependencia será algo así:

Durante la transición al estado líquido, la ρ del metal aumenta, pero luego todos se comportan de manera diferente. Por ejemplo, en bismuto fundido es más bajo que a temperatura ambiente, y en cobre es 10 veces más alto de lo normal. El níquel sale del gráfico de líneas a 400 grados, después de lo cual cae ρ.

Pero en el tungsteno, la dependencia de la temperatura es tan alta que hace que las lámparas incandescentes se quemen. Cuando se enciende, la corriente calienta la bobina y su resistencia aumenta varias veces.

También en. Con. aleaciones depende de la tecnología de su producción. Entonces, si estamos tratando con una mezcla mecánica simple, entonces la resistencia de dicha sustancia se puede calcular en promedio, pero es lo mismo para una aleación de sustitución (esto es cuando se agregan dos o más elementos en una red cristalina) será diferente, por regla general, mucho más grande. Por ejemplo, el nicromo, del que se hacen las espirales para las estufas eléctricas, tiene tal figura para este parámetro que este conductor, cuando se conecta al circuito, se calienta hasta enrojecerse (por eso, de hecho, se usa).

Aquí está la característica ρ de los aceros al carbono:

Como puede verse, al acercarse a la temperatura de fusión, se estabiliza.

Resistividad de varios conductores.

Sea como fuere, ρ se utiliza en los cálculos en condiciones normales. Aquí hay una tabla con la que puede comparar esta característica para diferentes metales:

Como puede verse en la tabla, el mejor conductor es la plata. Y solo su costo impide su uso masivo en la producción de cable. W.s. el aluminio también es pequeño, pero menor que el del oro. De la tabla queda claro por qué el cableado en las casas es de cobre o de aluminio.

La tabla no incluye el níquel que, como ya hemos dicho, tiene una curva en y un poco inusual. Con. de la temperatura La resistencia específica del níquel después de elevar la temperatura a 400 grados no comienza a crecer, sino a disminuir. También se comporta de manera interesante en otras aleaciones de sustitución. Así se comporta una aleación de cobre y níquel, dependiendo del porcentaje de ambos:

Y este interesante gráfico muestra la resistencia de las aleaciones de zinc-magnesio:

Las aleaciones de alta resistencia se utilizan como materiales para la fabricación de reóstatos, aquí están sus características:

Estas son aleaciones complejas que consisten en hierro, aluminio, cromo, manganeso, níquel.

En cuanto a los aceros al carbono, es de aproximadamente 1,7*10^-7 Ohm m.

La diferencia entre ud. Con. diferentes conductores determina su aplicación. Por lo tanto, el cobre y el aluminio se usan ampliamente en la producción de cables, y el oro y la plata se usan como contactos en varios productos de ingeniería de radio. Los conductores de alta resistencia han encontrado su lugar entre los fabricantes de electrodomésticos (más precisamente, fueron creados para esto).

La variabilidad de este parámetro en función de las condiciones ambientales formó la base de dispositivos tales como sensores de campo magnético, termistores, galgas extensométricas y fotorresistores.

Sabemos que la causa de la resistencia eléctrica de un conductor es la interacción de los electrones con los iones de la red cristalina metálica (§ 43). Por lo tanto, se puede suponer que la resistencia de un conductor depende de su longitud y área de la sección transversal, así como de la sustancia de la que está hecho.

La Figura 74 muestra la configuración para tal experimento. Varios conductores se incluyen a su vez en el circuito fuente de corriente, por ejemplo:

1. Alambres de níquel del mismo espesor, pero de diferentes longitudes;
2. Alambres de níquel de la misma longitud, pero de diferentes espesores (diferente área transversal);
3. alambres de níquel y nicromo de la misma longitud y espesor.

La corriente en el circuito se mide con un amperímetro, el voltaje con un voltímetro.

Conociendo el voltaje en los extremos del conductor y la intensidad de la corriente en él, según la ley de Ohm, se puede determinar la resistencia de cada uno de los conductores.

Arroz. 74. Dependencia de la resistencia de un conductor de su tamaño y tipo de sustancia

Una vez realizados estos experimentos, estableceremos que:

1. de dos alambres niquelados del mismo espesor, el alambre más largo tiene mayor resistencia;
2. de dos hilos de níquel de la misma longitud, el hilo de menor sección tiene mayor resistencia;
3. Los alambres de níquel y nicromo del mismo tamaño tienen diferente resistencia.

La dependencia de la resistencia de un conductor en sus dimensiones y la sustancia de la que está hecho el conductor fue estudiada por primera vez por Ohm en experimentos. Encontró que la resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor, inversamente proporcional a su área de sección transversal y depende de la sustancia del conductor.

¿Cómo tener en cuenta la dependencia de la resistencia de la sustancia de la que está hecho el conductor? Para ello, los llamados resistividad de la materia.

La resistividad es una cantidad física que determina la resistencia de un conductor hecho de una sustancia dada, de 1 m de largo, con un área de sección transversal de 1 m 2.

Introduzcamos designaciones de letras: ρ - resistencia específica del conductor, I - longitud del conductor, S - área de su sección transversal. Entonces la resistencia del conductor R se expresa mediante la fórmula

De ella obtenemos que:

A partir de la última fórmula, puede determinar la unidad de resistividad. Dado que la unidad de resistencia es 1 ohm, la unidad del área de la sección transversal es 1 m2 y la unidad de longitud es 1 m, entonces la unidad de resistividad es:

Es más conveniente expresar el área de la sección transversal del conductor en milímetros cuadrados, ya que la mayoría de las veces es pequeña. Entonces la unidad de resistividad será:

La tabla 8 muestra los valores de resistividad de algunas sustancias a 20 °C. La resistividad cambia con la temperatura. Empíricamente, se encontró que en los metales, por ejemplo, la resistividad aumenta al aumentar la temperatura.

Tabla 8. Resistividad eléctrica de algunas sustancias (a t = 20 °C)

De todos los metales, la plata y el cobre tienen la resistividad más baja. Por lo tanto, la plata y el cobre son los mejores conductores de la electricidad.

Cuando se cablean circuitos eléctricos, se utilizan cables de aluminio, cobre y hierro.

En muchos casos, se necesitan dispositivos con alta resistencia. Están hechos de aleaciones especialmente creadas, sustancias con alta resistividad. Por ejemplo, como se puede ver en la tabla 8, la aleación de nicromo tiene una resistividad casi 40 veces mayor que el aluminio.

La porcelana y la ebonita tienen una resistividad tan alta que casi no conducen la electricidad, se usan como aislantes.

Preguntas

1. ¿Cómo depende la resistencia de un conductor de su longitud y del área de la sección transversal?
2. ¿Cómo mostrar experimentalmente la dependencia de la resistencia de un conductor con su longitud, área de sección transversal y la sustancia de la que está hecho?
3. ¿Qué es la resistencia específica de un conductor?
4. ¿Qué fórmula se puede utilizar para calcular la resistencia de los conductores?
5. ¿Cuál es la unidad de resistividad de un conductor?
6. ¿De qué materiales están hechos los conductores que se utilizan en la práctica?

La mayoría de las leyes de la física se basan en experimentos. Los nombres de los experimentadores están inmortalizados en los títulos de estas leyes. Uno de ellos fue Georg Ohm.

Los experimentos de Georg Ohm

Estableció en el curso de experimentos sobre la interacción de la electricidad con varias sustancias, incluidos los metales, la relación fundamental entre la densidad, la fuerza del campo eléctrico y la propiedad de una sustancia, que se denominó "conductividad". La fórmula correspondiente a este patrón, llamada "Ley de Ohm" es la siguiente:

j= λE , en donde

• j- densidad de corriente eléctrica;
• λ — conductividad específica, también denominada "conductividad eléctrica";
• MI- fuerza del campo eléctrico.

En algunos casos, se usa otra letra del alfabeto griego para denotar conductividad: σ . La conductividad específica depende de algunos parámetros de la sustancia. Su valor está influenciado por la temperatura, las sustancias, la presión, si es un gas y, lo más importante, la estructura de esta sustancia. La ley de Ohm se cumple solo para sustancias homogéneas.

Para cálculos más convenientes, se usa el recíproco de la conductividad. Se le llamó "resistividad", que también está asociada con las propiedades de la sustancia en la que fluye la corriente eléctrica, denotada por la letra griega ρ y tiene la dimensión de Ohm*m. Pero dado que se aplican diferentes justificaciones teóricas para diferentes fenómenos físicos, se pueden usar fórmulas alternativas para la resistividad. Son un reflejo de la teoría electrónica clásica de los metales, así como de la teoría cuántica.

fórmulas

En estas tediosas fórmulas para lectores ordinarios aparecen factores como la constante de Boltzmann, la constante de Avogadro y la constante de Planck. Estas constantes se utilizan para cálculos que tienen en cuenta el camino libre de los electrones en un conductor, su velocidad durante el movimiento térmico, el grado de ionización, la concentración y la densidad de la sustancia. En una palabra, todo es bastante difícil para un no especialista. Para no ser infundado, además puede familiarizarse con cómo se ve todo en la realidad:

caracteristicas de los metales

Dado que el movimiento de electrones depende de la homogeneidad de la sustancia, la corriente en un conductor metálico fluye de acuerdo con su estructura, lo que afecta la distribución de electrones en el conductor, teniendo en cuenta su falta de homogeneidad. Está determinado no solo por la presencia de inclusiones de impurezas, sino también por defectos físicos: grietas, huecos, etc. La falta de homogeneidad del conductor aumenta su resistividad, que está determinada por la regla de Matthiesen.

Esta regla fácil de entender, de hecho, dice que se pueden distinguir varias resistividades separadas en un conductor que lleva corriente. Y el valor resultante será su suma. Los términos serán la resistividad de la red cristalina del metal, impurezas y defectos conductores. Dado que este parámetro depende de la naturaleza de la sustancia, se determinan las regularidades correspondientes para su cálculo, incluso para sustancias mixtas.

A pesar de que las aleaciones también son metales, se consideran soluciones con una estructura caótica, y para calcular la resistividad importa qué metales están incluidos en la composición de la aleación. Básicamente, la mayoría de las aleaciones de dos componentes que no pertenecen a la transición y los metales de tierras raras se incluyen en la descripción de la ley de Nodheim.

Como tema aparte, se considera la resistividad de películas delgadas metálicas. El hecho de que su valor deba ser mayor que el de un conductor a granel hecho del mismo metal es bastante lógico de suponer. Pero al mismo tiempo, se introduce una fórmula empírica especial de Fuchs para la película, que describe la interdependencia de la resistividad y el espesor de la película. Resulta que en las películas, los metales exhiben las propiedades de los semiconductores.

Y el proceso de transferencia de carga está influenciado por electrones que se mueven en la dirección del espesor de la película e interfieren con el movimiento de cargas "longitudinales". Al mismo tiempo, se reflejan en la superficie de la película conductora y, por lo tanto, un electrón oscila durante un tiempo suficientemente largo entre sus dos superficies. Otro factor significativo en el aumento de la resistividad es la temperatura del conductor. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la resistencia. Por el contrario, cuanto menor sea la temperatura, menor será la resistencia.

Los metales son sustancias con la resistividad más baja a la llamada temperatura "ambiente". El único no metal que justifica su uso como conductor es el carbono. El grafito, que es una de sus variedades, es muy utilizado para hacer contactos deslizantes. Tiene una combinación muy acertada de propiedades como la resistividad y el coeficiente de fricción por deslizamiento. Por lo tanto, el grafito es un material indispensable para las escobillas de motor y otros contactos deslizantes. Los valores de resistividad de las principales sustancias utilizadas con fines industriales se muestran en la siguiente tabla.

Superconductividad

A temperaturas correspondientes a la licuefacción de los gases, es decir, hasta la temperatura del helio líquido, que es igual a - 273 grados centígrados, la resistividad disminuye casi hasta desaparecer por completo. Y no solo buenos conductores metálicos como la plata, el cobre y el aluminio. Casi todos los metales. En tales condiciones, que se denominan superconductividad, la estructura metálica no tiene ningún efecto inhibitorio sobre el movimiento de cargas bajo la acción de un campo eléctrico. Por lo tanto, el mercurio y la mayoría de los metales se vuelven superconductores.

Pero resultó que, relativamente recientemente, en los años 80 del siglo XX, algunas variedades de cerámica también son capaces de superconductividad. Y para esto no necesitas usar helio líquido. Estos materiales se denominan superconductores de alta temperatura. Sin embargo, ya han pasado varias décadas y la gama de conductores de alta temperatura se ha ampliado significativamente. Pero no se observa el uso masivo de tales elementos superconductores de alta temperatura. En algunos países se han realizado instalaciones únicas con la sustitución de conductores de cobre convencionales por superconductores de alta temperatura. Para mantener el modo normal de superconductividad a alta temperatura, se necesita nitrógeno líquido. Y esto resulta ser una solución técnica demasiado costosa.

Por lo tanto, el bajo valor de resistividad, otorgado por la naturaleza al cobre y al aluminio, todavía los convierte en materiales indispensables para la fabricación de diversos conductores de corriente eléctrica.

• conductores;
• dieléctricos (con propiedades aislantes);
• semiconductores

electrones y corriente

En el corazón del concepto moderno de corriente eléctrica se encuentra la suposición de que consiste en partículas materiales: cargas. Pero varios experimentos físicos y químicos dan pie para afirmar que estos portadores de carga pueden ser de diferentes tipos en un mismo conductor. Y esta falta de homogeneidad de las partículas afecta a la densidad de corriente. Para los cálculos que están relacionados con los parámetros de la corriente eléctrica, se utilizan ciertas cantidades físicas. Entre ellos, un lugar importante lo ocupa la conductividad junto con la resistencia.

• La conductividad está relacionada con la resistencia por una relación inversa mutua.

Se sabe que cuando se aplica un determinado voltaje a un circuito eléctrico, aparece en él una corriente eléctrica cuyo valor está relacionado con la conductividad de dicho circuito. Este descubrimiento fundamental fue realizado en su momento por el físico alemán Georg Ohm. Desde entonces, se ha utilizado una ley llamada ley de Ohm. Existe para diferentes opciones de circuito. Por lo tanto, las fórmulas para ellos pueden ser diferentes entre sí, ya que corresponden a condiciones completamente diferentes.

Todo circuito eléctrico tiene un conductor. Si contiene un tipo de partículas portadoras de carga, la corriente en el conductor es como un flujo de fluido que tiene una cierta densidad. Se determina mediante la siguiente fórmula:

La mayoría de los metales corresponden al mismo tipo de partículas cargadas, por lo que existe una corriente eléctrica. Para los metales, el cálculo de la conductividad eléctrica se realiza según la siguiente fórmula:

Dado que se puede calcular la conductividad, ahora es fácil determinar la resistividad eléctrica. Ya se ha mencionado anteriormente que la resistividad de un conductor es el recíproco de la conductividad. Como consecuencia,

En esta fórmula, la letra griega ρ (rho) se usa para indicar la resistividad eléctrica. Esta designación se usa con mayor frecuencia en la literatura técnica. Sin embargo, también puede encontrar fórmulas ligeramente diferentes con la ayuda de las cuales se calcula la resistividad de los conductores. Si se utiliza la teoría clásica de los metales y la conductividad electrónica en ellos para los cálculos, la resistividad se calcula mediante la siguiente fórmula:

Sin embargo, hay un "pero". El estado de los átomos en un conductor metálico se ve afectado por la duración del proceso de ionización, que se lleva a cabo por un campo eléctrico. Con un solo efecto ionizante en el conductor, los átomos en él recibirán una sola ionización, lo que creará un equilibrio entre la concentración de átomos y electrones libres. Y los valores de estas concentraciones serán iguales. En este caso, se producen las siguientes dependencias y fórmulas:

Desviaciones de conductividad y resistencia

A continuación, consideramos qué determina la conductividad específica, que está inversamente relacionada con la resistividad. La resistividad de una sustancia es una cantidad física bastante abstracta. Cada conductor existe en forma de una muestra específica. Se caracteriza por la presencia de diversas impurezas y defectos en la estructura interna. Se tienen en cuenta como términos separados en la expresión que determina la resistividad de acuerdo con la regla de Matthiessen. Esta regla también tiene en cuenta la dispersión de un flujo de electrones en movimiento sobre los nodos de la red cristalina de la muestra que fluctúan en función de la temperatura.

La presencia de defectos internos, como inclusiones de diversas impurezas y huecos microscópicos, también aumenta la resistividad. Para determinar la cantidad de impurezas en las muestras, se mide la resistividad de los materiales para dos valores de temperatura del material de muestra. Un valor de temperatura es la temperatura ambiente y el otro corresponde al helio líquido. A partir de la relación entre el resultado de la medición a temperatura ambiente y el resultado a temperatura de helio líquido, se obtiene un coeficiente que ilustra la perfección estructural del material y su pureza química. El coeficiente se denota con la letra β.

Si una aleación de metal con una estructura de solución sólida desordenada se considera conductora de corriente eléctrica, el valor de la resistividad residual puede ser significativamente mayor que la resistividad. Tal característica de las aleaciones metálicas de dos componentes que no están relacionadas con elementos de tierras raras, así como con elementos de transición, está cubierta por una ley especial. Se llama ley de Nordheim.

Las tecnologías modernas en electrónica se están moviendo cada vez más hacia la miniaturización. Y tanto es así que pronto aparecerá la palabra "nanocircuito" en lugar de microcircuito. Los conductores de tales dispositivos son tan delgados que sería correcto llamarlos películas metálicas. Está bastante claro que la muestra de película con su resistividad diferirá hacia arriba del conductor más grande. El pequeño espesor del metal en la película conduce a la aparición de propiedades semiconductoras en ella.

La proporcionalidad entre el espesor del metal y el camino libre de los electrones en este material empieza a aparecer. Hay poco espacio para que los electrones se muevan. Por lo tanto, comienzan a impedir que los demás se muevan de manera ordenada, lo que conduce a un aumento de la resistividad. Para películas metálicas, la resistividad se calcula usando una fórmula especial obtenida de experimentos. La fórmula lleva el nombre de Fuchs, un científico que estudió la resistividad de las películas.

Las películas son formaciones muy específicas que son difíciles de repetir por lo que las propiedades de varias muestras son las mismas. Para una precisión aceptable en la evaluación de las películas, se utiliza un parámetro especial: la resistencia superficial específica.

Las resistencias se forman a partir de películas metálicas sobre el sustrato del microcircuito. Por esta razón, los cálculos de resistividad son una tarea muy demandada en microelectrónica. El valor de la resistividad, obviamente, está influenciado por la temperatura y está relacionado con ella por una dependencia de proporcionalidad directa. Para la mayoría de los metales, esta dependencia tiene una cierta sección lineal en un cierto rango de temperatura. En este caso, la resistividad está determinada por la fórmula:

En los metales, la corriente eléctrica surge debido a la gran cantidad de electrones libres, cuya concentración es relativamente alta. Además, los electrones también determinan la alta conductividad térmica de los metales. Por esta razón, se ha establecido una conexión entre la conductividad eléctrica y la conductividad térmica mediante una ley especial, que se comprobó experimentalmente. Esta ley de Wiedemann-Franz se caracteriza por las siguientes fórmulas:

Perspectivas tentadoras para la superconductividad

Sin embargo, los procesos más asombrosos ocurren a la temperatura más baja técnicamente alcanzable del helio líquido. Bajo tales condiciones de enfriamiento, todos los metales prácticamente pierden su resistividad. Los alambres de cobre enfriados a la temperatura del helio líquido son capaces de conducir corrientes que son muchas veces mayores que en condiciones normales. Si en la práctica esto fuera posible, el efecto económico sería invaluable.

Aún más sorprendente fue el descubrimiento de los conductores de alta temperatura. Estas variedades de cerámica en condiciones normales estaban muy alejadas en su resistividad de los metales. Pero a una temperatura de unas tres docenas de grados por encima del helio líquido, se convirtieron en superconductores. El descubrimiento de este comportamiento de los materiales no metálicos se ha convertido en un poderoso estímulo para la investigación. Debido a las enormes consecuencias económicas de la aplicación práctica de la superconductividad, se destinaron recursos financieros muy significativos en esta dirección y se iniciaron investigaciones a gran escala.

Pero por ahora, como dicen, "las cosas siguen ahí" ... Los materiales cerámicos resultaron inadecuados para el uso práctico. Las condiciones para mantener el estado de superconductividad requerían gastos tan grandes que se destruyeron todos los beneficios de su uso. Pero los experimentos con superconductividad continúan. Hay progreso. La superconductividad ya se ha obtenido a una temperatura de 165 grados Kelvin, pero esto requiere alta presión. La creación y mantenimiento de tales condiciones especiales niega nuevamente el uso comercial de esta solución técnica.

Factores de influencia adicionales

En la actualidad, todo sigue su curso, y para el cobre, el aluminio y algunos otros metales, la resistividad sigue asegurando su uso industrial para la fabricación de alambres y cables. Como conclusión, vale agregar algún dato más que no solo la resistividad del material conductor y la temperatura ambiente inciden en las pérdidas en el mismo durante el paso de una corriente eléctrica. La geometría del conductor es muy importante cuando se utiliza a una frecuencia de voltaje mayor y con una intensidad de corriente elevada.

En estas condiciones, los electrones tienden a concentrarse cerca de la superficie del alambre, y su grosor como conductor pierde su significado. Por lo tanto, es posible reducir justificadamente la cantidad de cobre en el cable haciendo solo la parte exterior del conductor. Otro factor que aumenta la resistividad de un conductor es la deformación. Por lo tanto, a pesar del alto rendimiento de algunos materiales eléctricamente conductores, bajo ciertas condiciones pueden no aparecer. Es necesario elegir los conductores adecuados para tareas específicas. Las siguientes tablas le ayudarán con esto.

La resistencia eléctrica es la principal característica de los materiales conductores. Dependiendo del alcance del conductor, el valor de su resistencia puede desempeñar un papel tanto positivo como negativo en el funcionamiento de un sistema eléctrico. Además, las características del uso del conductor pueden generar la necesidad de tener en cuenta características adicionales, cuya influencia en un caso particular no puede despreciarse.

Los conductores son metales puros y sus aleaciones. En un metal, los átomos fijados en una sola estructura "fuerte" tienen electrones libres (el llamado "gas de electrones"). Son estas partículas en este caso las que son portadoras de carga. Los electrones están en constante movimiento aleatorio de un átomo a otro. Cuando aparece un campo eléctrico (se conecta una fuente de voltaje a los extremos del metal), se ordena el movimiento de electrones en el conductor. Los electrones en movimiento encuentran obstáculos en su camino causados ​​por las peculiaridades de la estructura molecular del conductor. Al chocar con la estructura, los portadores de carga pierden su energía, dándosela al conductor (calentándolo). Cuantos más obstáculos cree la estructura conductora para los portadores de carga, mayor será la resistencia.

Con un aumento en la sección transversal de la estructura conductora para una cantidad de electrones, el "canal de transmisión" se ensanchará y la resistencia disminuirá. En consecuencia, con un aumento en la longitud del cable, habrá más obstáculos de este tipo y aumentará la resistencia.

Así, la fórmula básica para calcular la resistencia incluye la longitud del cable, el área de la sección transversal y un determinado coeficiente que relaciona estas características dimensionales con los valores eléctricos de tensión y corriente (1). Este coeficiente se llama resistividad.
R = r * L / S (1)

Resistividad

Resistividad sin cambios y es una propiedad de la sustancia de la que está hecho el conductor. Unidades de medida r - ohm * m. A menudo, el valor de la resistividad se da en ohmios * mm cuadrados / m. Esto se debe a que la sección transversal de los cables más utilizados es relativamente pequeña y se mide en mm cuadrados. Tomemos un ejemplo simple.

Tarea número 1. Longitud del cable de cobre L = 20 m, sección S = 1,5 mm. cuadrados Calcular la resistencia del alambre.
Solución: resistencia específica del alambre de cobre r = 0.018 ohm*mm. m2/m. Sustituyendo los valores en la fórmula (1) obtenemos R=0,24 ohm.
Al calcular la resistencia del sistema de potencia, la resistencia de un cable debe multiplicarse por la cantidad de cables.
Si se usa aluminio con una resistividad más alta (r = 0.028 ohm * mm sq. / m) en lugar de cobre, la resistencia de los cables aumentará en consecuencia. Para el ejemplo anterior, la resistencia sería R = 0.373 ohm (55% más). El cobre y el aluminio son los materiales principales para los cables. Hay metales con menor resistividad que el cobre, como la plata. Sin embargo, su uso es limitado debido al evidente alto costo. La siguiente tabla enumera las resistencias y otras características básicas de los materiales conductores.
Tabla - las principales características de los conductores.

Pérdidas térmicas de cables

Si, utilizando el cable del ejemplo anterior, se conecta una carga de 2,2 kW a una red monofásica de 220 V, entonces la corriente I \u003d P / U o I \u003d 2200/220 \u003d 10 A fluirá a través de la alambre La fórmula para calcular la pérdida de potencia en el conductor:
Ppr\u003d (I^2) * R (2)
Ejemplo No. 2. Calcular pérdidas activas durante la transmisión de potencia de 2,2 kW en una red con tensión de 220 V para el mencionado cable.
Solución: al sustituir los valores de corriente y resistencia de los cables en la fórmula (2), obtenemos Ppr \u003d (10 ^ 2) * (2 * 0.24) \u003d 48 W.
Así, al transferir energía de la red a la carga, las pérdidas en los cables serán de poco más del 2%. Esta energía se convierte en calor liberado por el conductor al medio ambiente. Según la condición de calentamiento del conductor (según la magnitud de la corriente), se selecciona su sección transversal, guiada por tablas especiales.
Por ejemplo, para el conductor anterior, la corriente máxima es de 19 A o 4,1 kW en una red de 220 V.

El aumento de voltaje se utiliza para reducir las pérdidas activas en las líneas eléctricas. En este caso, la corriente en los cables disminuye, las pérdidas caen.

Efecto de la temperatura

Un aumento de la temperatura conduce a un aumento de las oscilaciones de la red cristalina del metal. En consecuencia, los electrones encuentran más obstáculos, lo que conduce a un aumento de la resistencia. El valor de la "sensibilidad" de la resistencia del metal a un aumento de temperatura se denomina coeficiente de temperatura α. La fórmula para tener en cuenta la temperatura es la siguiente
R=Rí*, (3)
donde Rn es la resistencia del alambre en condiciones normales (a temperatura t°n); t° es la temperatura del conductor.
Usualmente t°n = 20° C. El valor de α también se indica para la temperatura t°n.
Tarea 4. Calcule la resistencia de un cable de cobre a una temperatura de t ° \u003d 90 ° C. α cobre \u003d 0.0043, Rn \u003d 0.24 Ohm (tarea 1).
Solución: sustituyendo los valores en la fórmula (3) obtenemos R = 0.312 Ohm. La resistencia del hilo calentado analizado es un 30% mayor que su resistencia a temperatura ambiente.

Efecto de frecuencia

Con un aumento en la frecuencia de la corriente en el conductor, ocurre el proceso de desplazar las cargas más cerca de su superficie. Como resultado de un aumento en la concentración de cargas en la capa superficial, también aumenta la resistencia del cable. Este proceso se denomina “efecto piel” o efecto de superficie. Coeficiente de piel– el efecto también depende del tamaño y la forma del cable. Para el ejemplo anterior, con una frecuencia de CA de 20 kHz, la resistencia del cable aumentará aproximadamente un 10 %. Tenga en cuenta que los componentes de alta frecuencia pueden tener la señal actual de muchos consumidores industriales y domésticos modernos (lámparas de bajo consumo, fuentes de alimentación conmutadas, convertidores de frecuencia, etc.).

Influencia de conductores adyacentes

Alrededor de cualquier conductor a través del cual fluye la corriente, existe un campo magnético. La interacción de los campos de los conductores vecinos también provoca pérdidas de energía y se denomina "efecto de proximidad". También tenga en cuenta que cualquier conductor de metal tiene una inductancia creada por un núcleo conductor y una capacitancia creada por el aislamiento. Estos parámetros también tienen un efecto de proximidad.

Tecnología

Cables de resistencia cero de alto voltaje

Este tipo de cable es muy utilizado en los sistemas de encendido de automóviles. La resistencia de los cables de alto voltaje es bastante pequeña y asciende a unas pocas fracciones de ohm por metro de longitud. Recuerde que la resistencia de tal valor no se puede medir con un ohmímetro de uso general. A menudo, los puentes de medición se utilizan para la tarea de medir resistencias bajas.
Estructuralmente, tales cables tienen una gran cantidad de conductores de cobre con aislamiento a base de silicona, plástico u otros dieléctricos. La peculiaridad del uso de tales cables no solo está en funcionamiento a alto voltaje, sino también en la transferencia de energía en un corto período de tiempo (modo de pulso).

cable bimetálico

El ámbito principal de los cables mencionados es la transmisión de señales de alta frecuencia. El núcleo del cable está hecho de un tipo de metal, cuya superficie está recubierta con otro tipo de metal. Dado que solo la capa superficial del conductor es conductora a altas frecuencias, es posible reemplazar el interior del cable. Esto ahorra material costoso y mejora las características mecánicas del alambre. Ejemplos de tales cables son el cobre revestido de plata, el acero revestido de cobre.

Conclusión

La resistencia del cable es un valor que depende de un grupo de factores: tipo de conductor, temperatura, frecuencia de corriente, parámetros geométricos. La importancia de la influencia de estos parámetros depende de las condiciones de funcionamiento del cable. Los criterios de optimización en función de las tareas para los cables pueden ser: reducción de pérdidas activas, mejora de las características mecánicas, reducción de precios.