Tablica električnog otpora materijala. Otpor bakra prema temperaturi

Kao što znamo iz Ohmovog zakona, struja u krugu je u sljedećem odnosu: I=U/R. Zakon je izveden kao rezultat niza eksperimenata njemačkog fizičara Georga Ohma u 19. stoljeću. Primijetio je obrazac: snaga struje u bilo kojem dijelu kruga izravno ovisi o naponu koji se primjenjuje na ovaj dio, i obrnuto - o njegovom otporu.

Kasnije je utvrđeno da otpor presjeka ovisi o njegovim geometrijskim karakteristikama na sljedeći način: R=ρl/S,

gdje je l duljina vodiča, S je površina njegovog presjeka, a ρ je određeni koeficijent proporcionalnosti.

Dakle, otpor je određen geometrijom vodiča, kao i takvim parametrom kao što je otpornost(u daljnjem tekstu - u.s.) - tako se zvao ovaj koeficijent. Ako uzmete dva vodiča s istim presjekom i duljinom i stavite ih u strujni krug naizmjenično, tada mjerenjem struje i otpora možete vidjeti da će u dva slučaja ti pokazatelji biti različiti. Dakle, specifična električni otpor - to je karakteristika materijala od kojeg je vodič izrađen, točnije tvari.

Vodljivost i otpor

W.s. označava sposobnost tvari da blokira prolaz struje. Ali u fizici postoji i inverzna vrijednost - vodljivost. Pokazuje sposobnost da se struja. Ovako izgleda:

σ=1/ρ, gdje je ρ otpornost tvari.

Ako govorimo o vodljivosti, onda je određena karakteristikama nositelja naboja u ovoj tvari. Dakle, u metalima postoje slobodni elektroni. Na vanjskoj ljusci ih nema više od tri, a atomu je isplativije da ih "pokloni", što se događa kada kemijske reakcije sa tvarima s desne strane periodnog sustava. U situaciji kada imamo čisti metal, on ima kristalnu strukturu u kojoj su ti vanjski elektroni uobičajeni. Nose naboj ako se na metal primijeni električno polje.

U otopinama nositelji naboja su ioni.

Ako govorimo o tvarima kao što je silicij, onda je to po svojim svojstvima poluvodič i radi na nešto drugačiji način, ali o tome kasnije. U međuvremenu, shvatimo kako se takve klase tvari razlikuju, kao što su:

  1. dirigenti;
  2. poluvodiči;
  3. Dielektrici.

Vodiči i dielektrici

Postoje tvari koje gotovo ne provode struju. Zovu se dielektrici. Takve tvari mogu se polarizirati u električnom polju, odnosno njihove se molekule mogu okretati u tom polju, ovisno o tome kako su u njima raspoređene. elektroni. No budući da ti elektroni nisu slobodni, već služe za povezivanje atoma, oni ne provode struju.

Vodljivost dielektrika je gotovo nula, iako među njima nema idealnih (ovo je ista apstrakcija kao apsolutno crno tijelo ili idealan plin).

Uvjetna granica pojma "dirigent" je ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Između ove dvije klase nalaze se tvari koje se nazivaju poluvodiči. Ali njihov odabir u zasebnu skupinu tvari povezan je ne toliko s njihovim srednjim stanjem u liniji "vodljivost - otpor", već sa značajkama ove vodljivosti u različitim uvjetima.

Ovisnost o čimbenicima okoliša

Vodljivost nije točno konstantna. Podaci u tablicama, odakle je ρ uzet za izračun, postoje za normalne uvjete okoline, odnosno za temperaturu od 20 stupnjeva. U stvarnosti je teško pronaći takve idealne uvjete za rad sklopa; zapravo u.s. (a time i vodljivost) ovise o sljedećim čimbenicima:

  1. temperatura;
  2. pritisak;
  3. prisutnost magnetskih polja;
  4. svjetlo;
  5. agregatno stanje.

Različite tvari imaju vlastiti raspored promjena ovog parametra pod različitim uvjetima. Dakle, feromagneti (željezo i nikal) ga povećavaju kada se smjer struje podudara sa smjerom linija magnetskog polja. Što se tiče temperature, ovisnost je ovdje gotovo linearna (postoji čak i koncept temperaturnog koeficijenta otpora, a to je također tablična vrijednost). Ali smjer ove ovisnosti je drugačiji: za metale raste s porastom temperature, dok za elemente rijetkih zemalja i otopine elektrolita raste - i to unutar istog agregatnog stanja.

Za poluvodiče ovisnost o temperaturi nije linearna, već hiperbolična i inverzna: s porastom temperature njihova vodljivost raste. Ovo kvalitativno razlikuje vodiče od poluvodiča. Ovako izgleda ovisnost ρ o temperaturi vodiča:

Ovdje su otpori bakra, platine i željeza. Nešto drugačiji grafikon za neke metale, na primjer, živu - kada temperatura padne na 4 K, izgubi je gotovo u potpunosti (ta se pojava naziva supravodljivost).

A za poluvodiče, ova će ovisnost biti otprilike ova:

Prilikom prelaska u tekuće stanje ρ metala raste, ali tada se svi ponašaju drugačije. Na primjer, u rastaljenom bizmutu je niža nego na sobnoj temperaturi, au bakru je 10 puta veća od normalne. Nikal izlazi iz linijskog grafikona na 400 stupnjeva, nakon čega ρ pada.

Ali u volframu, ovisnost o temperaturi je toliko visoka da uzrokuje izgaranje žarulja sa žarnom niti. Kada je uključena, struja zagrijava zavojnicu, a njezin se otpor povećava nekoliko puta.

Također na. S. legura ovisi o tehnologiji njihove proizvodnje. Dakle, ako imamo posla s jednostavnom mehaničkom smjesom, tada se otpor takve tvari može izračunati u prosjeku, ali isto je i za supstitucijsku leguru (to je kada se dva ili više elemenata dodaju u jednu kristalnu rešetku) bit će drugačije, u pravilu, mnogo veće. Na primjer, nichrome, od kojeg se izrađuju spirale za električne peći, ima takav broj za ovaj parametar da se ovaj vodič, kada je spojen na krug, zagrijava do crvenila (zbog čega se, zapravo, koristi).

Ovdje je karakteristika ρ ugljičnih čelika:

Kao što se može vidjeti, kada se približi temperaturi taljenja, stabilizira se.

Otpornost raznih vodiča

Bilo kako bilo, ρ se koristi u izračunima pod normalnim uvjetima. Evo tablice pomoću koje možete usporediti ovu karakteristiku za različite metale:

Kao što se može vidjeti iz tablice, najbolji dirigent je srebro. I samo njegova cijena sprječava njegovu masovnu upotrebu u proizvodnji kabela. W.s. aluminij je također mali, ali manji od zlata. Iz tablice postaje jasno zašto je ožičenje u kućama ili bakar ili aluminij.

U tablici nije uvršten nikal koji, kao što smo već rekli, ima malo neobičnu y krivulju. S. od temperature. Specifična otpornost nikla nakon podizanja temperature na 400 stupnjeva ne počinje rasti, već padati. Zanimljivo se ponaša i u drugim supstitucijskim legurama. Ovako se ponaša legura bakra i nikla, ovisno o postotku jednog i drugog:

A ovaj zanimljiv grafikon pokazuje otpornost legura cinka i magnezija:

Visokootporne legure koriste se kao materijali za proizvodnju reostata, evo njihovih karakteristika:

To su složene legure koje se sastoje od željeza, aluminija, kroma, mangana, nikla.

Što se tiče ugljičnih čelika, to je približno 1,7 * 10 ^ -7 Ohm m.

Razlika između u. S. različitih vodiča određuje njihovu primjenu. Tako se bakar i aluminij široko koriste u proizvodnji kabela, a zlato i srebro se koriste kao kontakti u brojnim proizvodima radiotehnike. Vodiči visokog otpora našli su svoje mjesto među proizvođačima električnih uređaja (točnije za to su stvoreni).

Varijabilnost ovog parametra ovisno o uvjetima okoline čini osnovu takvih uređaja kao što su senzori magnetskog polja, termistori, mjerači naprezanja i fotootpornici.

Znamo da je uzrok električnog otpora vodiča međudjelovanje elektrona s ionima metalne kristalne rešetke (§ 43). Stoga se može pretpostaviti da otpor vodiča ovisi o njegovoj duljini i površini presjeka, kao io tvari od koje je izrađen.

Slika 74 prikazuje postavku za takav eksperiment. U strujni krug izvora struje uključeni su različiti vodiči, na primjer:

  1. Žice od nikla iste debljine, ali različite duljine;
  2. Žice od nikla iste duljine, ali različite debljine (različita površina presjeka);
  3. žice od nikla i nikroma iste duljine i debljine.

Struja u krugu mjeri se ampermetrom, a napon voltmetrom.

Poznavajući napon na krajevima vodiča i snagu struje u njemu, prema Ohmovom zakonu, možete odrediti otpor svakog od vodiča.

Riža. 74. Ovisnost otpora vodiča o njegovoj veličini i vrsti tvari

Provodeći ove pokuse, utvrdit ćemo da:

  1. od dvije poniklane žice iste debljine, duža žica ima veći otpor;
  2. od dvije niklene žice iste duljine veći otpor ima žica manjeg presjeka;
  3. žice od nikla i nikroma iste veličine imaju različit otpor.

Ovisnost otpora vodiča o njegovim dimenzijama i tvari od koje je vodič izrađen prvi je pokusima proučavao Ohm. Otkrio je da je otpor izravno proporcionalan duljini vodiča, obrnuto proporcionalan površini njegova presjeka i ovisi o tvari vodiča.

Kako uzeti u obzir ovisnost otpora o tvari od koje je izrađen vodič? Za to se koristi tzv otpornost materije.

Otpor je fizikalna veličina koja određuje otpor vodiča izrađenog od određene tvari, duljine 1 m, površine poprečnog presjeka od 1 m 2.

Uvedimo slovne oznake: ρ - specifični otpor vodiča, I - duljina vodiča, S - površina njegovog presjeka. Tada se otpor vodiča R izražava formulom

Iz toga dobivamo da:

Iz posljednje formule možete odrediti jedinicu otpora. Budući da je jedinica za otpor 1 ohm, jedinica za površinu poprečnog presjeka 1 m2, a jedinica za duljinu 1 m, tada je jedinica za otpor:

Prikladnije je izraziti površinu poprečnog presjeka vodiča u kvadratnim milimetrima, jer je najčešće mala. Tada će jedinica otpora biti:

Tablica 8 prikazuje vrijednosti otpora nekih tvari na 20 °C. Otpor se mijenja s temperaturom. Empirijski je utvrđeno da u metalima, na primjer, otpor raste s porastom temperature.

Tablica 8. Električni otpor nekih tvari (pri t = 20 °C)

Od svih metala, srebro i bakar imaju najmanji otpor. Stoga su srebro i bakar najbolji vodiči električne struje.

Za ožičenje električnih krugova koriste se aluminijske, bakrene i željezne žice.

U mnogim slučajevima potrebni su uređaji s visokim otporom. Izrađene su od posebno stvorenih legura - tvari s visokim otporom. Na primjer, kao što se može vidjeti iz tablice 8, legura nikroma ima otpor gotovo 40 puta veći od aluminija.

Porculan i ebonit imaju tako visoku otpornost da gotovo uopće ne provode struju, koriste se kao izolatori.

Pitanja

  1. Kako otpor vodiča ovisi o njegovoj duljini i površini presjeka?
  2. Kako eksperimentalno pokazati ovisnost otpora vodiča o njegovoj duljini, površini presjeka i tvari od koje je izrađen?
  3. Koliki je specifični otpor vodiča?
  4. Kojom se formulom može izračunati otpor vodiča?
  5. Koja je jedinica otpora vodiča?
  6. Od kojih se materijala izrađuju vodiči koji se koriste u praksi?

Većina zakona fizike temelji se na eksperimentima. Imena eksperimentatora ovjekovječena su u naslovima ovih zakona. Jedan od njih bio je Georg Ohm.

Eksperimenti Georga Ohma

Tijekom pokusa o interakciji elektriciteta s različitim tvarima, uključujući metale, utvrdio je temeljni odnos između gustoće, jakosti električnog polja i svojstva tvari, koje se naziva "vodljivost". Formula koja odgovara ovom uzorku, nazvana "Ohmov zakon" je sljedeća:

j= λE , pri čemu

  • j- gustoća električne struje;
  • λ — specifična vodljivost, koja se također naziva "električna vodljivost";
  • E- jakost električnog polja.

U nekim slučajevima, drugo slovo grčke abecede koristi se za označavanje vodljivosti - σ . Specifična vodljivost ovisi o nekim parametrima tvari. Na njegovu vrijednost utječu temperatura, tvari, tlak, ako se radi o plinu, i što je najvažnije, struktura ove tvari. Ohmov zakon se poštuje samo za homogene tvari.

Za praktičnije izračune koristi se recipročna vrijednost vodljivosti. Nazvana je "otpornost", koja se također povezuje sa svojstvima tvari u kojoj teče električna struja, a označava se grčkim slovom ρ i ima dimenziju Ohm*m. Ali budući da se za različite fizikalne pojave primjenjuju različita teorijska opravdanja, za otpornost se mogu koristiti alternativne formule. Oni su odraz klasične elektroničke teorije metala, kao i kvantne teorije.

Formule

U ovim zamornim, za obične čitatelje, formulama pojavljuju se faktori poput Boltzmannove konstante, Avogadrove konstante i Planckove konstante. Ove se konstante koriste za izračune koji uzimaju u obzir slobodni put elektrona u vodiču, njihovu brzinu tijekom toplinskog gibanja, stupanj ionizacije, koncentraciju i gustoću tvari. Jednom riječju, sve je prilično teško za nespecijaliste. Da ne budemo neutemeljeni, dalje se možete upoznati kako sve izgleda u stvarnosti:

Značajke metala

Budući da kretanje elektrona ovisi o homogenosti tvari, struja u metalnom vodiču teče sukladno njegovoj strukturi, što utječe na raspored elektrona u vodiču, uzimajući u obzir njegovu nehomogenost. Određuje se ne samo prisutnošću inkluzija nečistoća, već i fizičkim nedostacima - pukotinama, prazninama itd. Nehomogenost vodiča povećava njegov otpor, što je određeno Matthiesenovim pravilom.

Ovo jednostavno razumljivo pravilo zapravo kaže da se u vodiču kroz koji teče struja može razlikovati nekoliko zasebnih otpora. A dobivena vrijednost bit će njihov zbroj. Pojmovi će biti otpornost kristalne rešetke metala, nečistoće i defekti vodiča. Budući da ovaj parametar ovisi o prirodi tvari, za njegov izračun određuju se odgovarajuće zakonitosti, uključujući i za miješane tvari.

Unatoč činjenici da su legure također metali, one se smatraju otopinama s kaotičnom strukturom, a za izračunavanje otpora važno je koji su metali uključeni u sastav legure. U osnovi, većina dvokomponentnih legura koje ne pripadaju prijelaznim i rijetkim zemnim metalima spadaju pod opis Nodheimovog zakona.

Kao posebna tema razmatra se otpor metalnih tankih slojeva. Sasvim je logično pretpostaviti činjenicu da bi njegova vrijednost trebala biti veća od vrijednosti masovnog vodiča od istog metala. No istovremeno se za film uvodi posebna Fuchsova empirijska formula koja opisuje međuovisnost otpora i debljine filma. Ispada da u filmovima metali pokazuju svojstva poluvodiča.

A na proces prijenosa naboja utječu elektroni koji se kreću u smjeru debljine filma i ometaju kretanje "uzdužnih" naboja. Pritom se reflektiraju od površine filmskog vodiča, pa jedan elektron oscilira dovoljno dugo između njegovih dviju površina. Drugi značajan faktor u povećanju otpora je temperatura vodiča. Što je viša temperatura, veći je otpor. Nasuprot tome, što je niža temperatura, manji je otpor.

Metali su tvari s najmanjim otporom na takozvanoj "sobnoj" temperaturi. Jedini nemetal koji opravdava svoju upotrebu kao vodiča je ugljik. Grafit, koji je jedna od njegovih vrsta, naširoko se koristi za izradu kliznih kontakata. Ima vrlo uspješnu kombinaciju svojstava kao što su otpornost i koeficijent trenja klizanja. Stoga je grafit neizostavan materijal za motorne četke i druge klizne kontakte. Vrijednosti otpora glavnih tvari koje se koriste u industrijske svrhe prikazane su u donjoj tablici.

Supravodljivost

Na temperaturama koje odgovaraju ukapljivanju plinova, odnosno do temperature tekućeg helija, koja je jednaka - 273 stupnja Celzijusa, otpor se smanjuje gotovo do potpunog nestanka. I to ne samo dobri metalni vodiči kao što su srebro, bakar i aluminij. Gotovo svi metali. U takvim uvjetima, koji se nazivaju supravodljivost, metalna struktura nema inhibicijski učinak na kretanje naboja pod djelovanjem električnog polja. Stoga živa i većina metala postaju supravodiči.

No, kako se pokazalo, relativno nedavno, 80-ih godina 20. stoljeća, neke vrste keramike također su sposobne za supravodljivost. A za to ne morate koristiti tekući helij. Takvi materijali nazivaju se visokotemperaturnim supravodičima. Međutim, već je prošlo nekoliko desetljeća, a raspon visokotemperaturnih vodiča značajno se proširio. No masovna uporaba takvih visokotemperaturnih supravodljivih elemenata nije opažena. U nekim su zemljama napravljene pojedinačne instalacije uz zamjenu konvencionalnih bakrenih vodiča visokotemperaturnim supravodičima. Za održavanje normalnog načina visokotemperaturne supravodljivosti neophodan je tekući dušik. I to se pokazalo preskupo tehničko rješenje.

Stoga niska vrijednost otpora, koju je priroda podarila bakru i aluminiju, čini ih još uvijek nezamjenjivim materijalima za izradu raznih vodiča električne struje.

  • dirigenti;
  • dielektrici (s izolacijskim svojstvima);
  • poluvodiči.

Elektroni i struja

U središtu suvremenog poimanja električne struje je pretpostavka da se ona sastoji od materijalnih čestica – naboja. Ali različiti fizikalni i kemijski eksperimenti daju temelje za tvrdnju da ti nositelji naboja mogu biti različitih vrsta u istom vodiču. I ta nehomogenost čestica utječe na gustoću struje. Za proračune koji se odnose na parametre električne struje koriste se određene fizikalne veličine. Među njima važno mjesto uz otpor zauzima vodljivost.

  • Vodljivost je povezana s otporom međusobnim inverznim odnosom.

Poznato je da kada se na električni krug dovede određeni napon, u njemu se pojavljuje električna struja čija je vrijednost povezana s vodljivošću tog kruga. Ovo temeljno otkriće svojedobno je napravio njemački fizičar Georg Ohm. Od tada je u upotrebi zakon koji se zove Ohmov zakon. Postoji za različite opcije sklopova. Stoga se formule za njih mogu razlikovati jedna od druge, budući da odgovaraju potpuno različitim uvjetima.

Svaki električni krug ima vodič. Ako sadrži jednu vrstu čestica nositelja naboja, struja u vodiču je poput protoka fluida koji ima određenu gustoću. Određuje se sljedećom formulom:

Većina metala odgovara istoj vrsti nabijenih čestica, zbog kojih postoji električna struja. Za metale, izračun električne vodljivosti provodi se prema sljedećoj formuli:

Budući da se vodljivost može izračunati, sada je lako odrediti električni otpor. Gore je već spomenuto da je otpor vodiča recipročna vrijednost vodljivosti. Stoga,

U ovoj se formuli grčko slovo ρ (rho) koristi za označavanje električnog otpora. Ova oznaka se najčešće koristi u tehničkoj literaturi. Međutim, možete pronaći i nešto drugačije formule pomoću kojih se izračunava otpornost vodiča. Ako se za proračune koristi klasična teorija metala i elektronska vodljivost u njima, otpor se izračunava prema sljedećoj formuli:

Međutim, postoji jedan "ali". Na stanje atoma u metalnom vodiču utječe trajanje procesa ionizacije koji se provodi pomoću električnog polja. Uz jednokratno ionizirajuće djelovanje na vodič, atomi u njemu će dobiti jednokratnu ionizaciju, što će stvoriti ravnotežu između koncentracije atoma i slobodnih elektrona. A vrijednosti tih koncentracija bit će jednake. U ovom slučaju postoje sljedeće ovisnosti i formule:

Odstupanja vodljivosti i otpora

Zatim ćemo razmotriti što određuje specifičnu vodljivost, koja je obrnuto proporcionalna otporu. Otpor tvari je prilično apstraktna fizikalna veličina. Svaki vodič postoji u obliku određenog uzorka. Karakterizira ga prisutnost raznih nečistoća i nedostataka u unutarnjoj strukturi. Oni se uzimaju u obzir kao zasebni članovi u izrazu koji određuje otpor prema Matthiessenovom pravilu. Ovo pravilo također uzima u obzir raspršenje pokretne struje elektrona na čvorovima kristalne rešetke uzorka koji fluktuiraju ovisno o temperaturi.

Prisutnost unutarnjih nedostataka, kao što su inkluzije raznih nečistoća i mikroskopske šupljine, također povećava otpornost. Da bi se odredila količina nečistoća u uzorcima, mjeri se otpornost materijala za dvije temperaturne vrijednosti materijala uzorka. Jedna vrijednost temperature je sobna temperatura, a druga odgovara tekućem heliju. Iz omjera rezultata mjerenja na sobnoj temperaturi i rezultata na temperaturi tekućeg helija dobiva se koeficijent koji ilustrira strukturnu savršenost materijala i njegovu kemijsku čistoću. Koeficijent se označava slovom β.

Ako se metalna legura s neuređenom strukturom čvrste otopine smatra vodičem električne struje, vrijednost zaostalog otpora može biti znatno veća od otpora. Takvo svojstvo dvokomponentnih metalnih legura koje se ne odnose na elemente rijetkih zemalja, kao i na prijelazne elemente, obuhvaćeno je posebnim zakonom. Zove se Nordheimov zakon.

Suvremene tehnologije u elektronici sve više idu prema minijaturizaciji. I to toliko da će se uskoro umjesto mikrosklopa pojaviti riječ "nanokrug". Vodiči u takvim uređajima su toliko tanki da bi ih bilo ispravno nazvati metalnim filmovima. Sasvim je jasno da će se uzorak filma svojim otporom prema gore razlikovati od većeg vodiča. Mala debljina metala u filmu dovodi do pojave svojstava poluvodiča u njemu.

Počinje se pojavljivati ​​proporcionalnost između debljine metala i slobodnog puta elektrona u ovom materijalu. Malo je prostora za kretanje elektrona. Stoga počinju sprječavati jedni druge da se kreću na uredan način, što dovodi do povećanja otpora. Za metalne filmove, otpor se izračunava pomoću posebne formule dobivene eksperimentima. Formula je nazvana po Fuchsu, znanstveniku koji je proučavao otpornost filmova.

Filmovi su vrlo specifične tvorevine koje je teško ponoviti tako da su svojstva više uzoraka ista. Za prihvatljivu točnost u ocjeni filmova koristi se poseban parametar - specifični površinski otpor.

Otpornici se formiraju od metalnih filmova na podlozi mikrokruga. Zbog toga su izračuni otpora vrlo zahtjevan zadatak u mikroelektronici. Na vrijednost otpora, očito, utječe temperatura i povezana je s njom izravnom proporcionalnom ovisnošću. Za većinu metala ova ovisnost ima određeni linearni presjek u određenom temperaturnom području. U ovom slučaju, otpornost se određuje formulom:

U metalima električna struja nastaje zbog velikog broja slobodnih elektrona, čija je koncentracija relativno visoka. Štoviše, elektroni također određuju visoku toplinsku vodljivost metala. Zbog toga je uspostavljena veza između električne vodljivosti i toplinske vodljivosti posebnim zakonom, što je eksperimentalno potkrijepljeno. Ovaj Wiedemann-Franzov zakon karakteriziraju sljedeće formule:

Primamljivi izgledi za supravodljivost

Međutim, najnevjerojatniji procesi događaju se na najnižoj tehnički ostvarivoj temperaturi tekućeg helija. U takvim uvjetima hlađenja svi metali praktički gube svoj otpor. Bakrene žice ohlađene na temperaturu tekućeg helija sposobne su provoditi struje koje su višestruko veće nego u normalnim uvjetima. Kad bi to u praksi postalo moguće, ekonomski bi učinak bio neprocjenjiv.

Još više iznenađujuće bilo je otkriće visokotemperaturnih vodiča. Te su vrste keramike u normalnim uvjetima bile vrlo daleko u svojoj otpornosti od metala. Ali na temperaturi od oko tri tuceta stupnjeva iznad tekućeg helija, postali su supravodiči. Otkriće ovakvog ponašanja nemetalnih materijala postalo je snažan poticaj za istraživanje. Zbog golemih ekonomskih posljedica praktične primjene supravodljivosti, u tom su smjeru uložena vrlo značajna financijska sredstva i započela su velika istraživanja.

Ali za sada, kako kažu, "stvari su još uvijek tu" ... Pokazalo se da su keramički materijali neprikladni za praktičnu upotrebu. Uvjeti za održavanje stanja supravodljivosti zahtijevali su tako velike troškove da su sve koristi od njezine uporabe bile uništene. Ali eksperimenti sa supravodljivošću se nastavljaju. Ima napretka. Supravodljivost je već postignuta na temperaturi od 165 stupnjeva Kelvina, ali za to je potreban visok tlak. Stvaranje i održavanje takvih posebnih uvjeta ponovno uskraćuje komercijalnu uporabu ovog tehničkog rješenja.

Dodatni čimbenici utjecaja

Trenutno sve nastavlja ići svojim putem, a za bakar, aluminij i neke druge metale, otpornost i dalje osigurava njihovu industrijsku upotrebu za proizvodnju žica i kabela. Zaključno, vrijedi dodati još neke informacije da ne samo otpor materijala vodiča i temperatura okoline utječu na gubitke u njemu tijekom prolaska električne struje. Geometrija vodiča je vrlo značajna kada se koristi na povišenoj frekvenciji napona i pri visokoj jakosti struje.

Pod tim uvjetima, elektroni se koncentriraju blizu površine žice, a njezina debljina kao vodiča gubi smisao. Stoga je moguće opravdano smanjiti količinu bakra u žici tako da se od nje izradi samo vanjski dio vodiča. Drugi čimbenik povećanja otpornosti vodiča je deformacija. Stoga, unatoč visokoj učinkovitosti nekih električno vodljivih materijala, pod određenim uvjetima oni se možda neće pojaviti. Potrebno je odabrati prave vodiče za specifične zadatke. U tome će vam pomoći donje tablice.

Električni otpor glavna je karakteristika vodljivih materijala. Ovisno o opsegu vodiča, vrijednost njegovog otpora može imati i pozitivnu i negativnu ulogu u funkcioniranju električnog sustava. Također, značajke uporabe vodiča mogu uzrokovati potrebu uzimanja u obzir dodatnih karakteristika, čiji se utjecaj u određenom slučaju ne može zanemariti.

Vodiči su čisti metali i njihove legure. U metalu, atomi fiksirani u jednoj "jakoj" strukturi imaju slobodne elektrone (tzv. "elektronski plin"). Upravo su te čestice u ovom slučaju nositelji naboja. Elektroni su u stalnom nasumičnom kretanju od jednog atoma do drugog. Kada se pojavi električno polje (izvor napona spojen je na krajeve metala), kretanje elektrona u vodiču postaje uređeno. Elektroni koji se kreću nailaze na prepreke na svom putu uzrokovane osobitostima molekularne strukture vodiča. Prilikom sudara s strukturom, nositelji naboja gube svoju energiju predajući je vodiču (grijajući ga). Što više prepreka nositeljima naboja stvara vodljiva struktura, to je otpor veći.

S povećanjem presjeka vodljive strukture za jedan broj elektrona, "kanal prijenosa" će postati širi, a otpor će se smanjiti. Sukladno tome, s povećanjem duljine žice, bit će više takvih prepreka i otpor će se povećati.

Dakle, osnovna formula za izračun otpora uključuje duljinu žice, površinu poprečnog presjeka i određeni koeficijent koji povezuje te dimenzionalne karakteristike s električnim vrijednostima napona i struje (1). Taj se koeficijent naziva otpornost.
R=r*L/S (1)

Otpornost

Otpor nepromijenjen a svojstvo je tvari od koje je izrađen vodič. Mjerne jedinice r - ohm * m. Često se vrijednost otpora daje u ohm * mm sq. / m. To je zbog činjenice da je poprečni presjek kabela koji se najčešće koriste relativno mali i mjeri se u kvadratnim mm. Uzmimo jednostavan primjer.

Zadatak broj 1. Duljina bakrene žice L = 20 m, presjek S = 1,5 mm. kvadrat Izračunajte otpor žice.
Rješenje: specifični otpor bakrene žice r = 0,018 ohm*mm. sq./m Zamjenom vrijednosti u formulu (1) dobivamo R = 0,24 ohma.
Pri proračunu otpora elektroenergetskog sustava otpor jedne žice mora se pomnožiti s brojem žica.
Ako se umjesto bakra koristi aluminij s većim otporom (r = 0,028 ohm * mm sq. / m), tada će se otpor žica u skladu s time povećati. Za gornji primjer, otpor bi bio R = 0,373 ohma (55% više). Bakar i aluminij su glavni materijali za žice. Postoje metali s manjim otporom od bakra, poput srebra. Međutim, njegova je uporaba ograničena zbog očite visoke cijene. Donja tablica navodi otpore i druge osnovne karakteristike materijala vodiča.
Tablica - glavne karakteristike vodiča

Toplinski gubici žica

Ako je pomoću kabela iz gornjeg primjera opterećenje od 2,2 kW spojeno na jednofaznu mrežu od 220 V, tada će struja I = P / U ili I = 2200/220 = 10 A teći kroz žice. Formula za izračunavanje gubitka snage u vodiču:
Ppr \u003d (I ^ 2) * R (2)
Primjer br. 2. Izračunajte aktivne gubitke pri prijenosu snage 2,2 kW u mreži napona 220 V za navedeni vodič.
Rješenje: zamjenom vrijednosti struje i otpora žica u formulu (2), dobivamo Ppr \u003d (10 ^ 2) * (2 * 0,24) \u003d 48 W.
Dakle, pri prijenosu energije iz mreže na opterećenje, gubici u žicama bit će nešto više od 2%. Ta se energija pretvara u toplinu koju vodič oslobađa u okolinu. Prema stanju zagrijavanja vodiča (prema veličini struje), odabire se njegov presjek, vođen posebnim tablicama.
Na primjer, za gornji vodič, maksimalna struja je 19 A ili 4,1 kW u mreži od 220 V.

Povećani napon koristi se za smanjenje aktivnih gubitaka u električnim vodovima. U ovom slučaju, struja u žicama se smanjuje, gubici padaju.

Učinak temperature

Povećanje temperature dovodi do povećanja oscilacija kristalne rešetke metala. Sukladno tome, elektroni nailaze na više prepreka, što dovodi do povećanja otpora. Vrijednost "osjetljivosti" otpora metala na porast temperature naziva se temperaturni koeficijent α. Formula za uzimanje u obzir temperature je sljedeća
R=Rn*, (3)
gdje je Rn otpor žice u normalnim uvjetima (pri temperaturi t°n); t° je temperatura vodiča.
Obično je t ° n = 20 ° C. Vrijednost α također je naznačena za temperaturu t ° n.
Zadatak 4. Izračunajte otpor bakrene žice na temperaturi od t ° \u003d 90 ° C. α bakar = 0,0043, Rn = 0,24 Ohm (zadatak 1).
Rješenje: zamjenom vrijednosti u formuli (3) dobivamo R = 0,312 Ohma. Otpor analizirane zagrijane žice je 30% veći od otpora na sobnoj temperaturi.

Učinak frekvencije

S povećanjem frekvencije struje u vodiču dolazi do procesa pomicanja naboja bliže njegovoj površini. Kao rezultat povećanja koncentracije naboja u površinskom sloju, povećava se i otpor žice. Taj se proces naziva "učinak kože" ili površinski učinak. Skin koeficijent– učinak ovisi i o veličini i obliku žice. Za gornji primjer, s izmjeničnom frekvencijom od 20 kHz, otpor žice će se povećati za približno 10%. Imajte na umu da visokofrekventne komponente mogu imati trenutni signal mnogih modernih industrijskih i kućanskih potrošača (štedne žarulje, prekidački izvori napajanja, pretvarači frekvencije itd.).

Utjecaj susjednih vodiča

Oko svakog vodiča kroz koji teče struja postoji magnetsko polje. Međudjelovanje polja susjednih vodiča također uzrokuje gubitke energije i naziva se "efekt blizine". Također imajte na umu da svaki metalni vodič ima induktivitet koji stvara vodljiva jezgra i kapacitet koji stvara izolacija. Ovi parametri također imaju učinak blizine.

Tehnologije

Visokonaponske žice bez otpora

Ova vrsta žice naširoko se koristi u sustavima paljenja automobila. Otpor visokonaponskih žica vrlo je malen i iznosi nekoliko djelića ohma po metru duljine. Podsjetimo da se otpor takve vrijednosti ne može mjeriti ohmmetrom opće namjene. Često se mjerni mostovi koriste za mjerenje malih otpora.
Strukturno, takve žice imaju veliki broj bakrenih vodiča s izolacijom na bazi silikona, plastike ili drugih dielektrika. Osobitost korištenja takvih žica nije samo u radu na visokom naponu, već iu prijenosu energije u kratkom vremenskom razdoblju (impulsni način).

Bimetalni kabel

Osnovna namjena navedenih kabela je prijenos visokofrekventnih signala. Jezgra žice je izrađena od jedne vrste metala, čija je površina presvučena drugom vrstom metala. Budući da je samo površinski sloj vodiča vodljiv na visokim frekvencijama, moguće je zamijeniti unutrašnjost žice. Time se štedi skupi materijal i poboljšavaju mehanička svojstva žice. Primjeri takvih žica su posrebreni bakar, pobakreni čelik.

Zaključak

Otpor žice je vrijednost koja ovisi o skupini čimbenika: vrsti vodiča, temperaturi, frekvenciji struje, geometrijskim parametrima. Značaj utjecaja ovih parametara ovisi o uvjetima rada žice. Kriteriji optimizacije ovisno o zadacima za žice mogu biti: smanjenje aktivnih gubitaka, poboljšanje mehaničkih karakteristika, smanjenje cijene.

Udio: