Таблиця питомого електричного опору речовин. Формула питомого опору

Як нам відомо із закону Ома, струм на ділянці ланцюга перебуває в наступній залежності: I=U/R. Закон було виведено в результаті серії експериментів німецьким фізиком Георгом Омом у XIX столітті. Він помітив закономірність: сила струму на якійсь ділянці ланцюга прямо залежить від напруги, яка до цієї ділянки прикладена, і назад - від його опору.

Пізніше було встановлено, що опір ділянки залежить від її геометричних характеристик таким чином: R=ρl/S,

де l-довжина провідника, S - площа його поперечного перерізу, А ρ - якийсь коефіцієнт пропорційності.

Таким чином, опір визначається геометрією провідника, а також таким параметром, як питомий опір(далі – у. с.) – так назвали цей коефіцієнт. Якщо взяти два провідники з однаковим перетином та довжиною і поставити їх у ланцюг по черзі, то, вимірюючи силу струму та опір, можна побачити, що у двох випадках ці показники будуть різними. Таким чином, питома електричний опір - це характеристика матеріалу, з якого зроблено провідник, а якщо бути ще точнішим, то речовини.

Провідність та опір

У.с. показує здатність речовини перешкоджати проходженню струму. Але у фізиці є і зворотна величина – провідність. Вона показує здатність проводити електричний струм. Виглядає вона так:

σ=1/ρ, де ρ - і є питомий опір речовини.

Якщо говорити про провідність, то вона визначається характеристиками носіїв зарядів у цій речовині. Так, у металах є вільні електрони. На зовнішній оболонці їх не більше трьох, і атому вигідніше їх віддати, що і відбувається при хімічних реакціях з речовинами із правої частини таблиці Менделєєва. У ситуації, коли ми маємо чистим металом, він має кристалічну структуру, у якій ці зовнішні електрони загальні. Вони і переносять заряд, якщо прикласти до металу електричне поле.

У розчинах носіями заряду є іони.

Якщо говорити про такі речовини, як кремній, то за своїми властивостями він є напівпровідникомі працює дещо за іншим принципом, але про це пізніше. А поки розберемося, чим відрізняються такі класи речовин, як:

Провідники;
Напівпровідники;
Діелектрики.

Провідники та діелектрики

Є речовини, які струму майже не проводять. Вони називаються діелектриками. Такі речовини здатні поляризуватися в електричному політобто їх молекули можуть повертатися в цьому полі залежно від того, як розподілені в них електрони. Але оскільки електрони ці є вільними, а служать зв'язку між атомами, струм вони проводять.

Провідність діелектриків майже нульова, хоча ідеальних серед них немає (це така абстракція, як абсолютно чорне тіло або ідеальний газ).

Умовною межею поняття «провідник» є ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Між цими двома класами існують речовини, які називають напівпровідниками. Але виділення їх в окрему групу речовин пов'язане не так з їх проміжним станом у лінійці «провідність - опір», як з особливостями цієї провідності в різних умовах.

Залежність від факторів зовнішнього середовища

Провідність – не зовсім постійна величина. Дані в таблицях, звідки беруть для розрахунків, існують для нормальних умов середовища, тобто для температури 20 градусів. Насправді для роботи ланцюга складно підібрати такі ідеальні умови; фактично у.с. (а отже, і провідність) залежать від наступних факторів:

температура;
тиск;
наявність магнітних полів;
світло;
агрегатний стан.

Різні речовини мають свій графік зміни цього параметра за різних умов. Так, феромагнетики (залізо та нікель) збільшують його при збігу напрямку струму з напрямком силових ліній магнітного поля. Щодо температури, то залежність тут майже лінійна (існує навіть поняття температурного коефіцієнта опору, і це теж таблична величина). Але напрямок цієї залежності різний: у металів воно підвищується з підвищенням температури, а у рідкісноземельних елементів і розчинів електролітів збільшується - і це в межах одного агрегатного стану.

У напівпровідників залежність від температури не лінійна, а гіперболічна та зворотна: у разі підвищення температури їх провідність збільшується. Це якісно відрізняє провідники від напівпровідників. Ось так виглядає залежність від температури у провідників:

Тут представлено питомий опір міді, платини та заліза. Дещо інший графік у деяких металів, наприклад, ртуті - при зниженні температури до 4 К вона втрачає його майже повністю (таке явище називається надпровідністю).

А для напівпровідників ця залежність буде приблизно такою:

При переході в рідкий стан ρ металу збільшується, а далі всі вони поводяться по-різному. Наприклад, у розплавленого вісмуту воно нижче, ніж при кімнатній температурі, а у міді - в 10 разів вище за нормальний. Нікель виходить з лінійного графіка ще за 400 градусів, після чого ρ падає.

Зате у вольфраму температурна залежність настільки висока, що стає причиною перегорання ламп розжарювання. При включенні струм нагріває спіраль і її опір збільшується в кілька разів.

Також у. с. сплавів залежить від технології їхнього виробництва. Так, якщо ми маємо справу з простою механічною сумішшю, то опір такої речовини можна порахувати по середньому, а от воно ж у сплаву заміщення (це коли два і більше елементи складаються в одну кристалічну решітку) буде іншим, як правило, значно більшим. Наприклад, ніхром, з якого роблять спіралі для електроплиток, має таку цифру цього параметра, що цей провідник при включенні в ланцюг гріється до почервоніння (через що, власне, і використовується).

Ось характеристика вуглецевих сталей:

Як бачимо, при наближенні до температури плавлення воно стабілізується.

Питомий опір різних провідників

Як би там не було, а при розрахунках використовується саме в нормальних умовах. Наведемо таблицю, за якою можна порівняти цю характеристику у різних металів:

Як видно з таблиці, найкращий провідник – це срібло. І лише його вартість заважає масово застосовувати його у виробництві кабелю. У.с. алюмінію теж невелике, але менше, ніж золото. З таблиці стає зрозуміло, чому проводка у будинках або мідна, або алюмінієва.

У таблицю не включено нікель, у якого, як ми вже сказали, трохи незвичайний графік залежності у. с. від температури. Питомий опір нікелю після підвищення температури до 400 градусів починає рости, а падати. Цікаво він поводиться і в інших сплавах заміщення. Ось так поводиться сплав міді та нікелю залежно від відсоткового співвідношення того й іншого:

А цей цікавий графік показує опір сплавів.

Як матеріали для виготовлення реостатів використовують високоомні сплави, ось їх характеристики:

Це складні сплави, що складаються із заліза, алюмінію, хрому, марганцю, нікелю.

Що ж до вуглецевих сталей, воно становить приблизно 1,7*10^-7 Ом · м.

Різниця між у. с. різних провідників визначає та його застосування. Так, мідь і алюміній масово застосовуються під час виробництва кабелю, а золото і срібло - як контакти у ряді радіотехнічних виробів. Високоомні провідники знайшли своє місце серед виробників електроприладів (точніше вони й створювалися для цього).

Мінливість цього параметра в залежності від умов довкілля лягла в основу таких приладів, як датчики магнітного поля, терморезистори, тензодатчики, фоторезистори.

Незважаючи на те, що дана тема може здатися зовсім банальною, у ній я відповім на одне дуже важливе питання щодо розрахунку втрати напруги та розрахунку струмів короткого замикання. Думаю, для багатьох із вас це стане таким самим відкриттям, як і для мене.

Нещодавно я вивчав один дуже цікавий ГОСТ:

ГОСТ Р 50571.5.52-2011 Електроустановки низьковольтні. Частина 5-52. Вибір та монтаж електроустаткування. Електропроводки.

У цьому документі наводиться формула для розрахунку втрати напруги та зазначено:

р - питомий опір провідників у нормальних умовах, взятий рівним питомому опору при температурі в нормальних умовах, тобто 1,25 питомого опору при 20 ° С, або 0,0225 Ом · мм 2 /м для міді та 0,036 Ом · мм 2 / м для алюмінію;

Я нічого не зрозумів =) Мабуть, при розрахунках втрати напруги та при розрахунку струмів короткого замикання ми повинні враховувати опір провідників, як за нормальних умов.

Усі табличні значення наводять при температурі 20 градусів.

А які нормальні умови? Я думав 30 градусів за Цельсієм.

Давайте пригадаємо фізику і порахуємо, за якої температури опір міді (алюмінію) збільшиться в 1,25 рази.

R1=R0

R0 – опір за 20 градусів Цельсія;

R1 – опір при Т1 градусах Цельсія;

Т0 - 20 градусів Цельсія;

α=0,004 на градус Цельсія (у міді та алюмінію майже однакові);

1,25=1+α (Т1-Т0)

Т1 = (1,25-1) / α + Т0 = (1,25-1) / 0,004 +20 = 82,5 градусів Цельсія.

Як бачимо, це зовсім не 30 градусів. Очевидно, всі розрахунки потрібно виконувати при максимально допустимих температурах кабелів. Максимальна робоча температура кабелю 70-90 градусів, залежно від типу ізоляції.

Чесно кажучи, з цим не згоден, т.к. Ця температура відповідає практично аварійному режиму електроустановки.

У своїх програмах я заклав питомий опір міді - 0,0175 Ом · мм 2 /м, а для алюмінію - 0,028 Ом · мм 2 /м.

Якщо пам'ятаєте, я писав, що в моїй програмі з розрахунку струмів короткого замикання виходить результат приблизно на 30% менше від табличних значень. Там опір петлі фаза-нуль розраховується автоматично. Я намагався знайти помилку, але так і не зміг. Очевидно, неточність розрахунку полягає у питомому опорі, що використовується у програмі. А питомий опір може поставити кожен, тому питань до програми не повинно бути, якщо вказати питомі опір із вищенаведеного документа.

А ось до програм з розрахунку втрат напруги мені швидше за все доведеться внести зміни. Це спричинить збільшення на 25% результатів розрахунку. Хоча в програмі ЕЛЕКТРИК, втрати напруги виходять практично такі, як у мене.

Якщо ви вперше потрапили на цей блог, то ознайомитись з усіма моїми програмами можна на сторінці

Як ви вважаєте, за якої температури потрібно вважати втрати напруги: при 30 або 70-90 градусах? Чи є нормативні документи, які дадуть відповідь на це питання?

Зміст:

Поява електричного струму настає при замиканні ланцюга, коли на затискачі виникає різниця потенціалів. Переміщення вільних електронів у провіднику здійснюється під впливом електричного поля. У процесі руху, електрони стикаються з атомами і частково передають їм свою енергію, що накопичилася. Це призводить до зменшення швидкості їхнього руху. Надалі під впливом електричного поля швидкість руху електронів знову збільшується. Результатом такого опору стає нагрівання провідника, яким тече струм. Існують різні способи розрахунків цієї величини, у тому числі формула питомого опору, що застосовується для матеріалів з індивідуальними фізичними властивостями.

Електричний питомий опір

Суть електричного опору полягає у здатності тієї чи іншої речовини перетворювати електричну енергію на теплову під час дії струму. Дана величина позначається символом R, а як одиниця виміру використовується Ом. Значення опору у разі пов'язані з здатністю тієї чи іншої .

У процесі досліджень було встановлено залежність від опору. Однією з основних якостей матеріалу стає його питомий опір, що змінюється залежно від довжини провідника. Тобто зі збільшенням довжини дроту зростає і значення опору. Ця залежність визначається як прямо пропорційна.

Іншою властивістю матеріалу є площа поперечного перерізу. Вона є розмірами поперечного зрізу провідника, незалежно від його конфігурації. У цьому випадку виходить обернено пропорційний зв'язок, коли зі збільшенням площі поперечного перерізу зменшується .

Ще одним фактором, що впливає на опір, є сам матеріал. Під час проведення досліджень було виявлено різну опірність у різних матеріалів. Таким чином, були отримані значення питомих електричних опорів для кожної речовини.

З'ясувалося, що найкращими провідниками є метали. Серед них найнижчу опірність і високу провідність мають і срібло. Вони використовуються у найбільш відповідальних місцях електронних схем, до того ж мідь має порівняно низьку вартість.

Речовини, питомий опір яких дуже високий, вважаються поганими провідниками електричного струму. Тому вони використовуються як ізоляційні матеріали. Діелектричні властивості найбільше притаманні фарфору та ебоніту.

Таким чином, питомий опір провідника має велике значення, оскільки за його допомогою можна визначити матеріал, з якого був виготовлений провідник. Для цього вимірюється площа перерізу, визначається сила струму та напруга. Це дозволяє встановити значення питомого електричного опору, після чого за допомогою спеціальної таблиці можна легко визначити речовину. Отже, питомий опір відноситься до найбільш характерних ознак того чи іншого матеріалу. Цей показник дозволяє визначити найбільш оптимальну довжину електричного ланцюга так, щоб дотримувався балансу.

Формула

На підставі отриманих даних можна зробити висновок, що питомим опором вважатиметься опір будь-якого матеріалу з одиничною площею та одиничною довжиною. Тобто опір, що дорівнює 1 Ом виникає при напрузі 1 вольт і силі струму 1 ампер. На цей показник впливає ступінь чистоти матеріалу. Наприклад, якщо до міді додати лише 1% марганцю, то її опір збільшиться в 3 рази.

Питомий опір та провідність матеріалів

Провідність та питомий опір розглядаються як правило при температурі 20 0 С. Ці властивості відрізнятимуться у різних металів:

Мідь. Найчастіше застосовується виготовлення проводів і кабелів. Вона має високу міцність, стійкість до корозії, легку і просту обробку. У добрій міді частка домішок становить трохи більше 0,1%. У разі потреби мідь може використовуватись у сплавах з іншими металами.
Алюміній. Його питома вага менша, ніж у міді, однак у нього більш висока теплоємність і температура плавлення. Щоб розплавити алюміній, потрібно енергії значно більше, ніж для міді. Домішки у якісному алюмінії не перевищують 0,5%.
Залізо. Поряд з доступністю та дешевизною, цей матеріал має високий питомий опір. Крім того, він має низьку стійкість до корозії. Тому практикується покриття сталевих провідників міддю чи цинком.

Окремо розглядається формула питомого опору за умов низьких температур. У цих випадках властивості тих самих матеріалів будуть зовсім іншими. У деяких із них опір може впасти до нульової позначки. Таке явище отримало назву надпровідності, коли оптичні і структурні характеристики матеріалу залишаються незмінними.

При замиканні електричного ланцюга, на затискачах якого є різниця потенціалів, виникає електричний струм. Вільні електрони під впливом електричних сил поля переміщуються вздовж провідника. У своєму русі електрони натрапляють на атоми провідника і віддають їм запас своєї кінетичної енергії. Швидкість руху електронів постійно змінюється: при зіткненні електронів з атомами, молекулами та іншими електронами вона зменшується, потім під дією електричного поля збільшується і знову зменшується при новому зіткненні. В результаті цього в провіднику встановлюється рівномірний рух потоку електронів зі швидкістю кількох частин сантиметра в секунду. Отже, електрони, проходячи провідником, завжди зустрічають з його боку опір своєму руху. При проходженні електричного струму через останній провідник нагрівається.

Електричний опір

Електричним опором провідника, що позначається латинською літерою rназивається властивість тіла або середовища перетворювати електричну енергію на теплову при проходженні по ньому електричного струму.

На схемах електричний опір позначається так, як показано на малюнку 1, а.

Змінний електричний опір, що служить для зміни струму в ланцюзі, називається реостатом. На схемах реостати позначаються як показано малюнку 1, б. Загалом реостат виготовляється з дроту того чи іншого опору, намотаної на ізолюючій підставі. Повзунок або важіль реостату ставиться у певне положення, внаслідок чого в ланцюг вводиться необхідний опір.

Довгий провідник малого поперечного перерізу створює струму великий опір. Короткі провідники великого поперечного перерізу надають току малого опору.

Якщо взяти два провідники з різного матеріалу, але однакової довжини та перерізу, то провідники будуть проводити струм по-різному. Це свідчить, що опір провідника залежить від матеріалу самого провідника.

Температура провідника також впливає його опір. З підвищенням температури опір металів збільшується, а опір рідин та вугілля зменшується. Тільки деякі спеціальні металеві сплави (манганін, констаїтан, нікелін та інші) із збільшенням температури свого опору майже не змінюють.

Отже, бачимо, що електричний опір провідника залежить від: 1) довжини провідника, 2) поперечного перерізу провідника, 3) матеріалу провідника, 4) температури провідника.

За одиницю опору прийнято один Ом. Ом часто позначається грецькою літерою Ω (омега). Тому замість того щоб писати "Опір провідника дорівнює 15 Ом", можна написати просто: r= 15 Ω.
1000 Ом називається 1 кілоом(1кОм, або 1кΩ),
1 000 000 Ом називається 1 мегаом(1мгОм, або 1МΩ).

При порівнянні опору провідників із різних матеріалів необхідно брати для кожного зразка певну довжину та переріз. Тоді ми зможемо судити про те, який матеріал краще чи гірше проводить електричний струм.

Відео 1. Опір провідників

Питомий електричний опір

Опір в омах провідника довжиною 1 м, перетином 1 мм² називається питомим опоромі позначається грецькою літерою ρ (Ро).

У таблиці 1 подано питомі опори деяких провідників.

Таблиця 1

Питомий опір різних провідників

З таблиці видно, що залізний дріт довжиною 1 м і перерізом 1 мм² має опір 0,13 Ом. Щоб отримати 1 Ом опору, потрібно взяти 7,7 м такого дроту. Найменший питомий опір має срібло. 1 Ом опору можна отримати, якщо взяти 62,5 м срібного дроту перерізом 1 мм2. Срібло – найкращий провідник, але вартість срібла унеможливлює його масове застосування. Після срібла в таблиці йде мідь: 1 м мідного дроту перетином 1 мм² має опір 0,0175 Ом. Щоб отримати опір 1 Ом, потрібно взяти 57 м такого дроту.

Хімічно чиста, отримана шляхом рафінування, мідь знайшла собі повсюдне застосування в електротехніці виготовлення проводів, кабелів, обмоток електричних машин і апаратів. Широко застосовують також як провідники алюміній і залізо.

Опір провідника можна визначити за такою формулою:

де r- Опір провідника в омах; ρ - Питомий опір провідника; l- Довжина провідника в м; S– переріз провідника у мм².

приклад 1.Визначити опір 200 м залізного дроту перетином 5 мм.

приклад 2.Обчислити опір 2 км алюмінієвого дроту перетином 2,5 мм.

З формули опору легко можна визначити довжину, питомий опір та переріз провідника.

приклад 3.Для радіоприймача необхідно намотати опір 30 Ом з нікелінового дроту перерізом 0,21 мм². Визначити необхідну довжину дроту.

приклад 4.Визначити перетин 20 м ніхромового дроту, якщо опір його дорівнює 25 Ом.

Приклад 5.Дріт перетином 0,5 мм і довжиною 40 м має опір 16 Ом. Визначити матеріал дроту.

Матеріал провідника характеризує його питомий опір.

За таблицею питомих опорів знаходимо, що такий опор має свинець.

Вище було зазначено, що опір провідників залежить від температури. Зробимо наступний досвід. Намотаємо у вигляді спіралі кілька метрів тонкого металевого дроту та включимо цю спіраль у ланцюг акумулятора. Для вимірювання струму в ланцюг вмикаємо амперметр. При нагріванні спіралі в полум'ї пальника можна побачити, що показання амперметра зменшуватимуться. Це показує, що з нагріванням опір металевого дроту збільшується.

У деяких металів при нагріванні на 100 ° опір збільшується на 40 - 50%. Є сплави, які трохи змінюють свій опір з нагріванням. Деякі спеціальні сплави практично не змінюють опору за зміни температури. Опір металевих провідників при підвищенні температури збільшується, опір електролітів (рідких провідників), вугілля та деяких твердих речовин, навпаки, зменшується.

Здатність металів змінювати свій опір із зміною температури використовується для влаштування термометрів опору. Такий термометр є платиновим дротом, намотаним на слюдяний каркас. Поміщаючи термометр, наприклад, у піч і вимірюючи опір платинового дроту до і після нагрівання, можна визначити температуру печі.

Зміна опору провідника при його нагріванні, що припадає на 1 Ом початкового опору та на 1° температури, називається температурним коефіцієнтом опорута позначається буквою α.

Якщо за температури t 0 опір провідника дорівнює r 0 , а при температурі tодно r t, то температурний коефіцієнт опору

Примітка.Розрахунок за цією формулою можна проводити лише у певному інтервалі температур (приблизно до 200°C).

Наводимо значення температурного коефіцієнта опору для деяких металів (таблиця 2).

Таблиця 2

Значення температурного коефіцієнта для деяких металів

З формули температурного коефіцієнта опору визначимо r t:

r t = r 0 .

Приклад 6.Визначити опір залізного дроту, нагрітого до 200°C, якщо опір його при 0°C було 100 Ом.

r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

Приклад 7.Термометр опору, виготовлений із платинового дроту, у приміщенні з температурою 15°C мав опір 20 Ом. Термометр помістили в піч і через деякий час виміряли його опір. Воно виявилося рівним 29,6 Ом. Визначити температуру печі.

Електрична провідність

Досі ми розглядали опір провідника як перешкоду, яку чинить провідник електричного струму. Але все ж таки струм по провіднику проходить. Отже, крім опору (перешкоди), провідник має здатність проводити електричний струм, тобто провідністю.

Чим більшим опором має провідник, тим меншу він має провідність, тим гірше він проводить електричний струм, і, навпаки, чим менше опір провідника, тим більшою провідністю він володіє, тим легше струму пройти провідником. Тому опір і провідність провідника є зворотні величини.

З математики відомо, що число, обернене 5, є 1/5 і, навпаки, число, обернене 1/7, є 7. Отже, якщо опір провідника позначається буквою r, то провідність визначається як 1/ r. Зазвичай провідність позначається літерою g.

Електрична провідність вимірюється в (1/Ом) або сименсах.

Приклад 8.Опір провідника дорівнює 20 Ом. Визначити його провідність.

Якщо r= 20 Ом, то

Приклад 9.Провідність провідника дорівнює 0,1 (1/Ом). Визначити його опір,

Якщо g = 0,1 (1/Ом), то r= 1/0,1 = 10 (Ом)

Кожна речовина здатна проводити струм різною мірою, на цю величину впливає опір матеріалу. Позначається питомий опір міді, алюмінію, сталі та іншого елемента буквою грецького алфавіту ρ. Ця величина не залежить від таких характеристик провідника, як розміри, форма і фізичний стан, звичайне електроопір враховує ці параметри. Вимірюється питомий опір Омах, помножених на мм² і розділених на метр.

Категорії та їх опис

Будь-який матеріал здатний виявляти два типи опору в залежності від електрики, що подається на нього. Струм буває змінним чи постійним, що впливає на технічні показники речовини. Так, існують такі опори:

Омічне. Виявляється під впливом постійного струму. Характеризує тертя, що створюється рухом електрично заряджених частинок у провіднику.
Активний. Визначається за таким самим принципом, але створюється вже під дією змінного струму.

У зв'язку з цим визначень питомої величини також два. Для постійного струму вона дорівнює опору, який має одиниця довжини провідного матеріалу одиничної фіксованої площі перерізу. Потенційне електрополе впливає на всі провідники, а також напівпровідники та розчини, здатні проводити іони. Ця величина визначає провідні властивості самого матеріалу. Форма провідника та його розміри не враховуються, тому її можна назвати базовою в електротехніці та матеріалознавстві.

За умови проходження змінного струму питома величина розраховується з урахуванням товщини провідного матеріалу. Тут вже відбувається вплив як потенційного, а й вихрового струму, крім того, береться до уваги частота електричних полів. Питома опір цього більше, ніж за постійному струмі, оскільки тут йде облік позитивної величини опору вихровому полю. Також ця величина залежить від форми та розмірів самого провідника. Саме ці параметри визначають характер вихрового руху заряджених частинок.

Змінний струм викликає у провідниках певні електромагнітні явища. Вони дуже важливі для електротехнічних характеристик провідного матеріалу:

Скін-ефект характеризується ослабленням електромагнітного поля тим більше, що далі воно проникає у середовище провідника. Це явище також називається поверхневого ефекту.
Ефект близькості знижує щільність струму завдяки близькості сусідніх проводів та їх впливу.

Ці ефекти є дуже важливими при розрахунку оптимальної товщини провідника, тому що при використанні дроту, у якого радіус більше глибини проникнення струму в матеріал, решта його маси залишиться незадіяною, а отже, такий підхід буде неефективним. Відповідно до проведених розрахунків ефективний діаметр провідного матеріалу в деяких ситуаціях буде наступним:

для струму 50 Гц - 2,8 мм;
400 Гц – 1 мм;
40 кГц – 0,1 мм.

Зважаючи на це для високочастотних струмів активно застосовується використання плоских багатожильних кабелів, що складаються з безлічі тонких проводів.

Характеристики металів

Питомі показники металевих провідників містяться у спеціальних таблицях. За цими даними можна проводити необхідні подальші розрахунки. Приклад такої таблиці питомих опорів можна побачити на зображенні.

На таблиці видно, що найбільшу провідність має срібло - це ідеальний провідник серед усіх існуючих металів і сплавів. Якщо розрахувати, скільки потрібно дроти з цього матеріалу для одержання опору в 1 Ом, то вийде 62,5 м. Дріт із заліза для такої ж величини знадобиться цілих 7,7 м.

Якими б чудовими властивостями не мало срібло, воно є дуже дорогим матеріалом для масового використання в електромережах, тому широке застосування в побуті та промисловості знайшла мідь. За величиною питомого показника вона стоїть на другому місці після срібла, а за поширеністю і простотою видобутку набагато краще за нього. Мідь має й інші переваги, що дозволили їй стати найпоширенішим провідником. До них відносяться:

Для застосування в електротехніці використовують рафіновану мідь, яка після плавки із сульфідної руди проходить процеси випалювання та дуття, а далі обов'язково піддається електролітичному очищенню. Після такої обробки можна отримати матеріал дуже високої якості (марки М1 та М0), який міститиме від 0,1 до 0,05% домішок. Важливим нюансом є присутність кисню у вкрай малих кількостях, оскільки негативно впливає на механічні характеристики міді.

Часто цей метал замінюють дешевшими матеріалами - алюмінієм і залізом, а також різними бронзами (сплавами з кремнієм, бериллієм, магнієм, оловом, кадмієм, хромом та фосфором). Такі склади мають більш високу міцність у порівнянні з чистою міддю, хоча і меншою провідністю.

Переваги алюмінію

Хоча алюміній має великий опор і більш крихкий, його широке використання пояснюється тим, що він не настільки дефіцитний, як мідь, а отже, коштує дешевше. Питомий опір алюмінію становить 0,028, яке низька щільність забезпечує йому вага в 3,5 рази менше, ніж мідь.

Для електричних робіт застосовують очищений алюміній марки А1, що містить трохи більше 0,5% домішок. Більш високу марку АВ00 використовують для виготовлення електролітичних конденсаторів, електродів та алюмінієвої фольги. Вміст домішок цього алюмінію становить трохи більше 0,03%. Існує й чистий метал АВ0000, Що включає трохи більше 0,004% добавок. Мають значення й самі домішки: нікель, кремній та цинк незначно впливають на провідність алюмінію, а вміст у цьому металі міді, срібла та магнію дає відчутний ефект. Найбільш сильно зменшують провідність талій та марганець.

Алюміній відрізняється добрими антикорозійними властивостями. При контакті з повітрям він покривається тонкою плівкою окису, який і захищає його від подальшого руйнування. Для покращення механічних характеристик метал сплавляють з іншими елементами.

Показники сталі та заліза

Питомий опір заліза порівняно з міддю та алюмінієм має дуже високі показники, проте завдяки доступності, міцності та стійкості до деформацій матеріал широко використовують у електротехнічному виробництві.

Хоча залізо та сталь, питомий опір якої ще вищий, мають істотні недоліки, виробники провідникового матеріалу знайшли методи їхнього компенсування. Зокрема, низьку стійкість до корозії долають шляхом покриття сталевого дроту цинком чи міддю.

Властивості натрію

Металевий натрій також дуже перспективний у провідниковому виробництві. За показниками опору він значно перевищує мідь, проте має щільність у 9 разів меншу, ніж у неї. Це дозволяє використовувати матеріал у виготовленні надлегких дротів.

Металевий натрій дуже м'який і абсолютно нестійкий до будь-яких деформаційних впливів, що робить його використання проблемним - провід з цього металу повинен бути покритий дуже міцною оболонкою з вкрай малою гнучкістю. Оболонка повинна бути герметичною, оскільки натрій виявляє сильну хімічну активність у найнейтральніших умовах. Він миттєво окислюється на повітрі і демонструє бурхливу реакцію з водою, в тому числі і з повітрі, що міститься.

Ще одним плюсом використання натрію є його доступність. Його можна отримати в процесі електролізу розплавленого хлористого натрію, якого у світі існує необмежену кількість. Інші метали у цьому плані явно програють.

Щоб розрахувати показники конкретного провідника, необхідно добуток питомої кількості та довжини дроту розділити на площу її перерізу. В результаті вийде значення опору в Омах. Наприклад, щоб визначити, чому рівний опір 200 м дроту із заліза з номінальним перерізом 5 мм², потрібно 0,13 помножити на 200 і розділити отриманий результат на 5. Відповідь - 5,2 Ом.

Правила та особливості обчислення

Для вимірювання опору металевих середовищ користуються мікроомметрами. Сьогодні їх випускають у цифровому варіанті, тому проведені за допомогою їх вимірювання відрізняються точністю. Пояснити її можна тим, що метали мають високий рівень провідності і мають вкрай маленький опір. Наприклад, нижній поріг вимірювальних приладів має значення 10-7 Ом.

За допомогою мікроомметрів можна швидко визначити, наскільки якісний контакт і який опір виявляють обмотки генераторів, електродвигунів та трансформаторів, а також електричні шини. Можна обчислити наявність включень іншого металу в злитку. Наприклад, вольфрамовий шматок, покритий позолотою, показує вдвічі меншу провідність, ніж золотий. Тим же способом можна визначити внутрішні дефекти та порожнини у провіднику.

Формула питомого опору виглядає так: ρ = Ом · мм 2 /м. Словами її можна описати як опір 1 метра провідникамає площу перерізу 1 мм². Температура передбачається стандартна – 20 °C.

Вплив температури на вимірювання

Нагрівання або охолодження деяких провідників значно впливає на показники вимірювальних приладів. Як приклад можна навести наступний досвід: необхідно підключити до акумулятора спірально намотаний дріт і підключити до ланцюга амперметр.

Чим сильніше нагрівається провідник, тим меншими стають показання приладу. Сила струму має обернено пропорційну залежність від опору. Отже, можна зробити висновок, що в результаті нагрівання провідність металу зменшується. Більшою чи меншою мірою так поводяться всі метали, проте зміни провідності деяких сплавів практично немає.

Примітно, що рідкі провідники та деякі тверді неметали мають тенденцію зменшувати свій опір із підвищенням температури. Але й цю здатність металів вчені звернули на користь. Знаючи температурний коефіцієнт опору (α) під час нагрівання деяких матеріалів, можна визначати зовнішню температуру. Наприклад, дріт із платини, розміщену на каркасі зі слюди, поміщають у піч, після чого проводять вимір опору. Залежно від того, наскільки воно змінилося, роблять висновок про температуру печі. Така конструкція називається термометром опору.

Якщо за температури t 0 опір провідника дорівнює r 0, а при температурі tодно rt, то температурний коефіцієнт опору дорівнює

Розрахунок за цією формулою можна проводити лише у певному інтервалі температур (приблизно до 200 °C).