Питомий опір меді ом. Опір провідників

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.

Електричний опір, що виражається в омах, відрізняється від поняття «питомий опір». Щоб зрозуміти, що такий питомий опір, треба пов'язати його з фізичними властивостями матеріалу.

Про питому провідність та питомий опір

Потік електронів не переміщається без перешкод через матеріал. При постійній температурі елементарні частки коливаються навколо стану спокою. Крім того, електрони в зоні провідності заважають один одному взаємним відштовхуванням через аналогічний заряд. У такий спосіб виникає опір.

Питома провідність є власною характеристикою матеріалів та кількісно визначає легкість, з якою заряди можуть рухатися, коли речовина піддається впливу електричного поля. Питомий опір є зворотною величиною і характеризується ступенем труднощі, яку електрони зустрічають при своїх переміщеннях всередині матеріалу, даючи уявлення про те, наскільки хороший чи поганий провідник.

Важливо!Питомий електричний опір з високим значенням вказує на те, що матеріал погано проводить, а з низьким значенням - визначає хорошу провідну речовину.

Питома провідність позначається літерою і розраховується за формулою:

Питомий опір ρ як зворотний показник можна знайти так:

У цьому вся виразі E є напруженістю створюваного електричного поля (В/м), а J – щільністю електроструму (А/м²). Тоді одиниця виміру ρ буде:

В/м х м²/А = ом м.

Для питомої провідності одиницею, в якій вона вимірюється, служить См/м або сименс на метр.

Типи матеріалів

Відповідно до питомого опору матеріалів, їх можна класифікувати на кілька типів:

1. Провідники. До них відносяться всі метали, сплави, розчини, що дисоціюються на іони, а також термічно збуджені гази, включаючи плазму. З неметалів можна навести приклад графіт;
2. Напівпровідники, що фактично є непровідними матеріалами, кристалічні грати яких цілеспрямовано леговані включенням чужорідних атомів з більшою або меншою кількістю зв'язаних електронів. В результаті в структурі решітки утворюються квазівільні надлишкові електрони або дірки, які роблять внесок у провідність струму;
3. Діелектрики чи ізолятори дисоційовані – всі матеріали, які в нормальних умовах не мають вільних електронів.

Для транспортування електричної енергії або в електроустановках побутового та промислового призначення матеріал, що часто використовується – мідь у вигляді одножильних або багатожильних кабелів. Альтернативно застосовується метал алюміній, хоча питомий опір міді становить 60% такого ж показника для алюмінію. Але він набагато легший за мідь, що зумовило його використання в лініях електропередач мереж високої напруги. Золото як провідник застосовується в електроланцюжках спеціального призначення.

Цікаво.Електропровідність чистої міді була прийнята Міжнародною електротехнічною комісією у 1913 році як стандарт за цією величиною. Відповідно до визначення, провідність міді, виміряна при 20°, дорівнює 0,58108 См/м. Це значення називається 100% LACS, а провідність інших матеріалів виражається певний відсоток LACS.

Більшість металів мають значення провідності менше 100% LACS. Однак є винятки, такі як срібло або спеціальна мідь з дуже високою провідністю, позначені С-103 та С-110, відповідно.

Діелектрики не проводять електрику та використовуються як ізолятори. Приклади ізоляторів:

• Скло,
• кераміка,
• пластмаса,
• гума,
• слюда,
• віск,
• папір,
• суха деревина,
• фарфор,
• деякі жири для промислового та електротехнічного використання та бакеліт.

Між трьома групами переходи є текучими. Відомо точно: абсолютно непровідних середовищ та матеріалів немає. Наприклад, повітря – ізолятор при кімнатній температурі, але за умов потужного сигналу низької частоти може стати провідником.

Визначення питомої провідності

Якщо порівнювати питомий електричний опір різних речовин, потрібні стандартизовані умови вимірювання:

1. У разі рідин, поганих провідників та ізоляторів, використовують кубічні зразки з довжиною ребра 10 мм;
2. Величини питомого опору ґрунтів та геологічних утворень визначаються на кубах з довжиною кожного ребра 1 м;
3. Провідність розчину залежить від концентрації його іонів. Концентрований розчин менш дисоційований і має менше носіїв заряду, що знижує провідність. У міру збільшення розведення збільшується кількість іонних пар. Концентрація розчинів встановлюється 10%;
4. Для визначення питомого опору металевих провідників використовуються дроти метрової довжини та перерізу 1 мм².

Якщо матеріал, такий як метал, може забезпечити вільні електрони, коли прикласти різницю потенціалів, по дроту потече електричний струм. У міру збільшення напруги більше електронів переміщається через речовину в тимчасову одиницю. Якщо всі додаткові параметри (температура, площа поперечного перерізу, довжина та матеріал дроту) незмінні, то відношення сили струму до прикладеної напруги теж завжди і називається провідністю:

Відповідно, електроопір буде:

Результат виходить у ом.

У свою чергу, провідник може бути різних довжин, розмірів перерізу і виготовлятися з різних матеріалів, від чого залежить значення R. Математично ця залежність виглядає так:

Чинник матеріалу враховує коефіцієнт ρ.

Звідси можна вивести формулу для питомого опору:

Якщо значення S і l відповідають заданим умовам порівняльного розрахунку питомого опору, тобто 1 мм² і 1 м, то = R. При зміні габаритів провідника кількість омів теж змінюється.

Зміст:

У електротехніці одними з основних елементів електричних ланцюгів є дроти. Їхнє завдання полягає в тому, щоб з мінімальними втратами пропустити електричний струм. Експериментальним шляхом вже давно визначено, що для мінімізації втрат електроенергії дроту найкраще виготовляти зі срібла. Саме цей метал забезпечує властивості провідника з мінімальним опором у омах. Але оскільки цей шляхетний метал дорогий, у промисловості його застосування дуже обмежене.

А головними металами для дротів стали алюміній та мідь. На жаль, опір заліза як провідника електрики дуже великий для того, щоб з нього вийшов хороший провід. Незважаючи на нижчу вартість, воно застосовується тільки як основа проводів ліній електропередачі, що несе.

Такі різні опори

Опір вимірюється в омах. Але для дротів ця величина виходить дуже маленькою. Якщо спробувати провести замір тестером у режимі вимірювання опору, отримати правильний результат буде складно. Причому, який би провід ми не взяли, результат на табло приладу мало відрізнятиметься. Але це не означає, що насправді електроопір цих проводів однаково впливатиме на втрати електроенергії. Щоб переконатися, треба проаналізувати формулу, за якою робиться розрахунок опору:

У цій формулі використовуються такі величини, як:

Виходить, що опір визначає опір. Існує опір, що обчислюється за формулою з використанням іншого опору. Цей питомий електричний опір ρ (грецька буква ро) якраз і зумовлює перевагу того чи іншого металу як електричного провідника:

Тому, якщо застосувати мідь, залізо, срібло або будь-який інший матеріал для виготовлення однакових проводів або провідників спеціальної конструкції, головну роль його електротехнічних властивостей буде грати саме матеріал.

Але насправді ситуація з опором складніша, ніж просто обчислення за формулами, наведеними вище. Ці формули не враховують температуру та форму діаметра провідника. А при збільшенні температури питомий опір міді, як і будь-якого іншого металу, стає більшим. Дуже наочним прикладом цього може бути лампочка розжарювання. Можна виміряти тестером опір її спіралі. Потім, вимірявши силу струму в ланцюзі з цією лампою, за законом Ома обчислити її опір може свічення. Результат вийде значно більше, ніж під час вимірювання опору тестером.

Так само і мідь не дасть очікуваної ефективності при струмі великої сили, якщо знехтувати формою поперечного перерізу провідника. Скін-ефект, який проявляється прямо пропорційно до збільшення сили струму, робить неефективними провідники з круглим поперечним перерізом, навіть якщо використовується срібло або мідь. Тому опір круглого мідного дроту при струмі великої сили може виявитися вищим, ніж у плоского дроту з алюмінію.

Причому навіть якщо їх площі діаметрів однакові. При змінному струмі скін-ефект також проявляється, збільшуючись зі зростанням частоти струму. Скін-ефект означає прагнення струму текти ближче до поверхні провідника. Тому в деяких випадках вигідніше використовувати покриття проводів сріблом. Навіть незначне зменшення питомого опору поверхні посрібленого мідного провідника значно зменшує втрати сигналу.

Узагальнення уявлення про питомий опір

Як і будь-якому іншому випадку, який пов'язаний з відображенням розмірностей, питомий опір виражається в різних системах одиниць. У СІ (Міжнародна система одиниць) використовується ом м, але допустимо використання також Ом*кВ мм/м (це позасистемна одиниця виміру питомого опору). Але у реальному провіднику величина питомого опору непостійна. Оскільки всі матеріали характеризуються певною чистотою, яка може змінюватися від точки до точки, необхідно створити відповідне уявлення про опір в реальному матеріалі. Таким виявом став закон Ома у диференційній формі:

Цей закон, швидше за все, не застосовуватиметься для розрахунків у побуті. Однак у процесі проектування різних електронних компонентів, наприклад, резисторів, кристалічних елементів він обов'язково використовується. Оскільки дозволяє виконати розрахунки, виходячи з цієї точки, для якої існує щільність струму та напруженість електричного поля. І відповідний питомий опір. Формула застосовується для неоднорідних ізотропних, а також анізотропних речовин (кристалів, розряду у газі тощо).

Як отримують чисту мідь

Для того щоб максимально зменшити втрати у проводах та жилах кабелів із міді, вона повинна бути особливо чистою. Це досягається спеціальними технологічними процесами:

• на основі електронно-променевої, а також зонної плавки;
• багаторазовим електролізним очищенням.

Електричний опір -фізична величина, яка показує, яка перешкода створюється струму при його проходженні по провіднику. Одиницями виміру є Оми, на честь Георга Ома. У своєму законі він вивів формулу для знаходження опору, яка наведена нижче.

Розглянемо опір провідників з прикладу металів. Метали мають внутрішню будову у вигляді кристалічних ґрат. Ця гра має строгу впорядкованість, а її вузлами є позитивно заряджені іони. Носіями заряду у металі виступають “вільні” електрони, які належать певному атому, а хаотично переміщаються між вузлами решітки. З квантової фізики відомо, що рух електронів у металі це поширення електромагнітної хвилі у твердому тілі. Тобто електрон у провіднику рухається зі швидкістю світла (практично), і доведено, що він виявляє властивості не лише як частинка, а й як хвиля. А опір металу виникає внаслідок розсіювання електромагнітних хвиль (тобто електронів) на теплових коливаннях решітки та її дефектах. При зіткненні електронів із вузлами кристалічної ґрати частина енергії передається вузлам, унаслідок чого виділяється енергія. Цю енергію можна обчислити при постійному струмі завдяки закону Джоуля-Ленца – Q=I 2 Rt. Як бачите що більше опір, то більше енергії виділяється.

Питомий опір

Існує таке важливе поняття як питомий опір, це теж опір, тільки в одиниці довжини. У кожного металу воно своє, наприклад, у міді воно дорівнює 0,0175 Ом*мм2/м, у алюмінію 0,0271 Ом*мм2/м. Це означає, що брусок з міді довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм2 матиме опір 0,0175 Ом, а такий же брусок, але з алюмінію матиме опір 0,0271 Ом. Виходить, що електропровідність міді вище ніж у алюмінію. У кожного металу питомий опір свій, а розрахувати опір всього провідника можна за формулою

де p– питомий опір металу, l – довжина провідника, s – площа поперечного перерізу.

Значення питомих опорів наведено в таблиці питомих опорів металів(20°C)

Крім питомого опору в таблиці є значення ТКС, про цей коефіцієнт трохи пізніше.

Залежність питомого опору від деформацій

При холодній обробці металів тиском метал відчуває пластичну деформацію. При пластичній деформації кристалічні грати спотворюються, кількість дефектів стає більше. Зі збільшенням дефектів кристалічних ґрат, опір течії електронів по провіднику зростає, отже, питомий опір металу збільшується. Наприклад, дріт виготовляють шляхом протяжки, це, що метал відчуває пластичну деформацію, у результаті, питомий опір зростає. Насправді зменшення опору застосовують рекристалізаційний відпал, це складний технологічний процес, після якого кристалічні грати як би, “розправляється” і кількість дефектів зменшується, отже, і опір металу теж.

При розтягуванні або стисненні метал відчуває пружну деформацію. При пружній деформації викликаної розтягуванням, амплітуди теплових коливань вузлів кристалічних ґрат збільшуються, отже, електрони зазнають великих труднощів, і у зв'язку з цим, збільшується питомий опір. При пружній деформації викликаної стиском, амплітуди теплових коливань вузлів зменшуються, отже, електронам простіше рухатися, і питомий опір зменшується.

Вплив температури на питомий опір

Як ми вже з'ясували вище, причиною опору в металі є вузли кристалічних грат та їх коливання. Так ось, при збільшенні температури теплові коливання вузлів збільшуються, а значить, питомий опір також збільшується. Існує така величина як температурний коефіцієнт опору(ТКС), який показує, наскільки збільшується, або зменшується питомий опір металу при нагріванні або охолодженні. Наприклад, температурний коефіцієнт міді при 20 градусах за цельсієм дорівнює 4.1 · 10 - 3 1/градус. Це означає, що при нагріванні, наприклад, мідного дроту на 1 градус цельсія, його питомий опір збільшиться на 4.1 · 10 - 3 Ом. Питомий опір при зміні температури можна визначити за формулою

де r це питомий опір після нагрівання, r 0 – питомий опір до нагрівання, a – температурний коефіцієнт опору, t 2 – температура до нагрівання, t 1 – температура після нагрівання.

Підставивши наші значення ми отримаємо: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм 2 /м. Як бачите наш брусок з міді довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм 2 після нагрівання до 154 градусів, мав би опір, як у такого ж бруска, тільки з алюмінію і при температурі рівної 20 градусів цельсія.

Властивість зміни опору при зміні температури, що використовується в термометрах опору. Ці прилади можуть вимірювати температуру, ґрунтуючись на показаннях опору. Термометри опору мають високу точність вимірювань, але малі діапазони температур.

На практиці властивості провідників перешкоджати проходженнюструму використовуються дуже широко. Прикладом може служити лампа розжарювання, де нитка з вольфраму, що нагрівається за рахунок високого опору металу, великої довжини і вузького перерізу. Або будь-який нагрівальний прилад, де спіраль розігрівається завдяки високому опору. У електротехніці, елемент основною властивістю якого є опір, називається - резистор. Резистор застосовується практично у будь-якій електричній схемі.

Що таке питомий опір речовини? Щоб відповісти простими словами це питання, треба згадати курс фізики і уявити фізичне втілення цього визначення. Через речовину пропускається електричний струм, а вона, у свою чергу, перешкоджає з якоюсь силою проходження струму.

Поняття питомого опору речовини

Саме ця величина, яка показує, наскільки сильно перешкоджає речовина струму і є питомий опір (латинська буква «ро»). У міжнародній системі одиниць опір виражається в Омах, помножених на метр. Формула для обчислення звучить так: Опір множиться на площу поперечного перерізу і ділиться на довжину провідника.

Постає питання: «Чому при знаходженні питомого опору використовується ще один опір?». Відповідь проста, є дві різних величини - питомий опір та опір. Друге показує наскільки речовина здатна перешкоджати проходженню через нього струму, а перше показує практично те саме, тільки йдеться вже не про речовину в загальному сенсі, а про провідника з конкретною довжиною і площею перерізу, які виконані з цієї речовини.

Зворотна величина, яка характеризує здатність речовини пропускати електрику називається питомою електричною провідністю і формула за якою обчислюється питома опірність безпосередньо з питомою провідністю.

Застосування міді

Поняття питомого опору широко застосовується для обчислення провідності електричного струму різними металами. На основі цих обчислень приймаються рішення про доцільність застосування того чи іншого металу для виготовлення електричних провідників, які використовуються у будівництві, приладобудуванні та інших галузях.

Таблиця опору металів

Чи існують певні таблиці? в яких зведені воєдино наявні відомості про пропускання та опір металів, як правило, ці таблиці розраховані для певних умов.

Зокрема, широко відома таблиця опору металевих монокристалівпри температурі двадцять градусів за Цельсієм, а також таблиця опору металів та сплавів.

Цими таблицями користуються обчислення різних даних у про ідеальних умовах, щоб обчислити значення конкретних цілей потрібно користуватися формулами.

Мідь. Її характеристики та властивості

Опис речовини та властивості

Мідь - це метал, який дуже давно був відкритий людством і також застосовується для різних технічних цілей. Мідь дуже ковкий та пластичний метал з високою електричною провідністю, це робить її дуже популярною для виготовлення різних дротів та провідників.

Фізичні властивості міді:

• температура плавлення – 1084 градусів за Цельсієм;
• температура кипіння – 2560 градусів за Цельсієм;
• щільність при 20 градусах – 8890 кілограм поділений на кубічний метр;
• питома теплоємність при постійному тиску та температурі 20 градусів - 385 кДж/Дж*кг
• питомий електричний опір – 0,01724;

Марки міді

Даний метал можна розділити на кілька груп або марок, кожна з яких має свої властивості та своє застосування у промисловості:

1. Марки М00, М0, М1 - добре підходять для кабелів і провідників, за її переплавлення виключається перенасичення киснем.
2. Марки М2 та М3 – дешеві варіанти, які призначені для дрібного прокату та задовольняють більшості технічних та промислових завдань невеликого масштабу.
3. Марки М1, М1ф, М1р, М2р, М3р – це дорогі марки міді, які виготовляються для конкретного споживача зі специфічними вимогами та запитами.

Між собою марки відрізняються за кількома параметрами:

Вплив домішок на властивості міді

Домішки можуть впливати на механічні, технічні та експлуатаційні властивості продукції.

На закінчення слід наголосити, що мідь - це унікальний метал з унікальними властивостями. Вона застосовується в автомобілебудуванні, виготовленні елементів для електроіндустрії, електроприладів, предметів споживання, годинників, комп'ютерів та багато іншого. Зі своїм низьким питомим опором цей метал є відмінним матеріалом для виготовлення провідників та інших електричних приладів. Цією властивістю мідь обганяє лише срібло, але через вищу вартість воно не знайшло такого ж застосування в електроіндустрії.