Kada je zatvoren električno kolo, na čijim stezaljkama postoji razlika potencijala, a struja. Slobodni elektroni pod uticajem električne sile polja se kreću duž provodnika. U svom kretanju, elektroni se sudaraju s atomima provodnika i daju im zalihu svoje kinetičke energije. Brzina elektrona se kontinuirano mijenja: kada se elektroni sudare s atomima, molekulama i drugim elektronima, ona se smanjuje, a zatim pod utjecajem električno polje raste i ponovo opada sa novim sudarom. Kao rezultat toga, u vodiču se uspostavlja ravnomjeran tok elektrona brzinom od nekoliko djelića centimetra u sekundi. Posljedično, elektroni koji prolaze kroz provodnik uvijek nailaze na otpor svom kretanju sa njegove strane. Kada električna struja prolazi kroz provodnik, potonji se zagrijava.
Električni otpor
Električni otpor vodiča, koji je označen latiničnim slovom r, je svojstvo tijela ili medija da se transformira električna energija u toplotu kada električna struja prođe kroz njega.
Na dijagramima je električni otpor prikazan kao što je prikazano na slici 1, A.
Promjenljivi električni otpor, koji služi za promjenu struje u kolu, naziva se reostat. Na dijagramima su reostati označeni kao što je prikazano na slici 1, b. IN opšti pogled Reostat je napravljen od žice jednog ili drugog otpora, namotane na izolacijsku podlogu. Poluga klizača ili reostata postavlja se u određeni položaj, zbog čega se potreban otpor uvodi u krug.
Dugi provodnik mali presjek stvara visoku otpornost na struju. Kratki provodnici velikog poprečnog presjeka pružaju mali otpor struji.
Ako uzmemo dva provodnika iz različitih materijala, ali iste dužine i poprečnog presjeka, onda će provodnici različito provoditi struju. Ovo pokazuje da otpor provodnika zavisi od materijala samog vodiča.
Temperatura provodnika takođe utiče na njegov otpor. Kako temperatura raste, otpor metala raste, a otpor tekućina i uglja opada. Samo neke specijalne legure metala (manganin, konstantan, nikl i druge) jedva mijenjaju svoju otpornost s povećanjem temperature.
Dakle, vidimo da električni otpor provodnika zavisi od: 1) dužine provodnika, 2) poprečnog preseka provodnika, 3) materijala provodnika, 4) temperature provodnika.
Jedinica otpora je jedan ohm. Om se često označava na grčkom veliko slovoΩ (omega). Stoga, umjesto da napišete "Otpor provodnika je 15 oma", možete jednostavno napisati: r= 15 Ω.
1.000 oma se zove 1 kiloohm(1kOhm, ili 1kΩ),
1.000.000 oma se naziva 1 megaohm(1mOhm, ili 1MΩ).
Kada se poredi otpor provodnika iz razni materijali Za svaki uzorak potrebno je uzeti određenu dužinu i poprečni presjek. Tada ćemo moći procijeniti koji materijal provodi električnu struju bolje ili lošije.
Video 1. Otpor provodnika
Električna otpornost
Otpor u omima provodnika dužine 1 m, poprečnog presjeka 1 mm² naziva se otpornost i označava se grčkim slovom ρ (ro).
Tabela 1 prikazuje otpore nekih provodnika.
Tabela 1
Otpornosti različitih provodnika
Tabela pokazuje da željezna žica dužine 1 m i poprečnog presjeka 1 mm² ima otpor od 0,13 Ohma. Da biste dobili 1 Ohm otpora, potrebno je uzeti 7,7 m takve žice. Srebro ima najmanju otpornost. Otpor od 1 oma može se dobiti uzimanjem 62,5 m srebrne žice poprečnog presjeka od 1 mm². Srebro je najbolji provodnik, ali cijena srebra isključuje mogućnost njegove masovne upotrebe. Nakon srebra u tabeli dolazi bakar: 1 m bakarne žice poprečnog presjeka 1 mm² ima otpor od 0,0175 Ohma. Da biste dobili otpor od 1 ohma, potrebno je uzeti 57 m takve žice.
Hemijski čisti bakar dobijen rafiniranjem našao je široku upotrebu u elektrotehnici za proizvodnju žica, kablova i namotaja. električne mašine i uređaja. Aluminij i željezo se također široko koriste kao provodnici.
Otpor vodiča može se odrediti po formuli:
Gdje r– otpor provodnika u omima; ρ – otpornost dirigent; l– dužina provodnika u m; S– poprečni presjek provodnika u mm².
Primjer 1. Odrediti otpor 200 m željezne žice poprečnog presjeka 5 mm².
Primjer 2. Izračunajte otpor 2 km aluminijske žice poprečnog presjeka 2,5 mm².
Iz formule otpora možete lako odrediti dužinu, otpornost i poprečni presjek vodiča.
Primjer 3. Za radio prijemnik potrebno je namotati otpor od 30 Ohma od nikalne žice poprečnog presjeka od 0,21 mm². Odredite potrebnu dužinu žice.
Primjer 4. Odrediti poprečni presjek 20 m nihrom žice, ako je njegov otpor 25 Ohma.
Primjer 5.Žica poprečnog presjeka od 0,5 mm² i dužine 40 m ima otpor od 16 Ohma. Odredite materijal žice.
Materijal vodiča karakteriše njegovu otpornost.
Na osnovu tabele otpornosti, nalazimo da olovo ima ovaj otpor.
Gore je navedeno da otpor provodnika zavisi od temperature. Hajde da uradimo sledeći eksperiment. Namotamo nekoliko metara tanke metalne žice u obliku spirale i spojimo ovu spiralu na krug baterije. Da bismo izmjerili struju, povezujemo ampermetar u krug. Kada se zavojnica zagrije u plamenu plamenika, primijetit ćete da će se očitanja ampermetra smanjiti. Ovo pokazuje da se otpor metalne žice povećava zagrijavanjem.
Za neke metale, kada se zagreju za 100°, otpor se povećava za 40-50%. Postoje legure koje malo mijenjaju otpor zagrijavanjem. Neke specijalne legure ne pokazuju praktički nikakvu promjenu otpora pri promjenama temperature. Otpor metalnih provodnika raste sa porastom temperature, otpor elektrolita (tečnih provodnika), uglja i nekih čvrste materije, naprotiv, opada.
Sposobnost metala da mijenjaju svoj otpor s promjenama temperature koristi se za konstruiranje otpornih termometara. Ovaj termometar je platinasta žica namotana na okvir od liskuna. Postavljanjem termometra, na primjer, u peć i mjerenjem otpora platinaste žice prije i nakon zagrijavanja, može se odrediti temperatura u peći.
Promjena otpora provodnika kada se zagrije na 1 om početnog otpora i na temperaturu od 1° naziva se temperaturni koeficijent otpora i označava se slovom α.
Ako na temperaturi t 0 otpor provodnika je r 0 i na temperaturi t jednaki r t, zatim temperaturni koeficijent otpora
Bilješka. Izračun pomoću ove formule može se izvršiti samo u određenom temperaturnom rasponu (do približno 200°C).
Predstavljamo vrijednosti temperaturnog koeficijenta otpora α za neke metale (tabela 2).
tabela 2
Vrijednosti temperaturnog koeficijenta za neke metale
Iz formule za temperaturni koeficijent otpora određujemo r t:
r t = r 0 .
Primjer 6. Odredite otpor gvozdene žice zagrijane na 200°C ako je njen otpor na 0°C bio 100 Ohma.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 oma.
Primjer 7. Otporni termometar od platinaste žice imao je otpor od 20 oma u prostoriji na 15°C. Termometar je stavljen u pećnicu i nakon nekog vremena izmjeren mu je otpor. Ispostavilo se da je jednako 29,6 Ohma. Odredite temperaturu u rerni.
Električna provodljivost
Do sada smo smatrali otpor provodnika kao prepreku koju vodič pruža električnoj struji. Ali ipak, struja teče kroz provodnik. Dakle, osim otpora (prepreke), provodnik ima i sposobnost da provodi električnu struju, odnosno provodljivost.
Što veći otpor ima vodič, to ima manju vodljivost, lošije provodi električnu struju, i obrnuto, što je manji otpor vodiča, što ima veću provodljivost, struja lakše prolazi kroz provodnik. Dakle, otpor i provodljivost provodnika su recipročne veličine.
Iz matematike je poznato da je inverz od 5 1/5 i obrnuto, inverz od 1/7 je 7. Dakle, ako je otpor provodnika označen slovom r, tada je provodljivost definirana kao 1/ r. Provodljivost se obično simbolizira slovom g.
Električna provodljivost se mjeri u (1/Ohm) ili u simensu.
Primjer 8. Otpor provodnika je 20 oma. Odredite njegovu provodljivost.
Ako r= 20 Ohm, dakle
Primjer 9. Provodljivost provodnika je 0,1 (1/Ohm). Odredite njegov otpor
Ako je g = 0,1 (1/Ohm), onda r= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)
Većina zakona fizike zasnovana je na eksperimentima. Imena eksperimentatora ovjekovječena su u imenima ovih zakona. Jedan od njih je bio Georg Ohm.
Eksperimenti Georga Ohma
Tokom eksperimenata o interakciji elektriciteta sa različitim supstancama, uključujući metale, uspostavio je fundamentalni odnos između gustine, jačine električnog polja i svojstva supstance, koja je nazvana "specifična provodljivost". Formula koja odgovara ovom obrascu, nazvana “Ohmov zakon” je sljedeća:
j= λE , pri čemu
- j— gustina električne struje;
- λ — specifična provodljivost, takođe nazvana "električna provodljivost";
- E – jačina električnog polja.
U nekim slučajevima, različito slovo grčke abecede se koristi za označavanje provodljivosti - σ . Specifična provodljivost ovisi o određenim parametrima tvari. Na njegovu vrijednost utječu temperatura, tvari, tlak, ako je plin, i što je najvažnije, struktura ove tvari. Ohmov zakon se poštuje samo za homogene supstance.
Za više zgodne kalkulacije koristi se recipročna vrijednost specifične provodljivosti. Zove se "otpornost", što je također povezano sa svojstvima tvari u kojoj teče električna struja, što je označeno grčkim slovom ρ i ima dimenziju Ohm*m. Ali pošto za drugačije fizičke pojave Primjenjuju se različita teorijska opravdanja; za otpornost se mogu koristiti alternativne formule. Oni su odraz klasične elektronske teorije metala, kao i kvantne teorije.
Formule
U ovim formulama, koje su zamorne za obične čitaoce, pojavljuju se faktori kao što su Boltzmanova konstanta, Avogadrova konstanta i Plankova konstanta. Ove konstante se koriste za proračune koji uzimaju u obzir slobodni put elektrona u provodniku, njihovu brzinu pri termičkom kretanju, stepen jonizacije, koncentraciju i gustinu supstance. Ukratko, sve je prilično komplikovano za nespecijalista. Da ne budete neosnovani, u nastavku se možete upoznati kako sve zapravo izgleda:
Karakteristike metala
Pošto kretanje elektrona zavisi od homogenosti supstance, struja u metalnom provodniku teče prema njegovoj strukturi, što utiče na raspodelu elektrona u vodiču, uzimajući u obzir njegovu heterogenost. Utvrđuje ga ne samo prisustvo nečistoća, već i fizički nedostaci - pukotine, šupljine itd. Heterogenost provodnika povećava njegovu otpornost, koja je određena Matthiesenovim pravilom.
Ovo lako razumljivo pravilo u suštini kaže da se u provodniku sa strujom može razlikovati nekoliko odvojenih otpornosti. I rezultirajuća vrijednost će biti njihov zbir. Termini će biti otpornost kristalna rešetka metala, nečistoća i nedostataka provodnika. Pošto ovaj parametar zavisi od prirode supstance, definisani su odgovarajući zakoni za njegovo izračunavanje, uključujući i za mešane supstance.
Unatoč činjenici da su legure također metali, smatraju se rješenjima sa haotičnom strukturom, a za izračunavanje otpora bitno je koji metali su uključeni u leguru. U osnovi, većina legura od dvije komponente koje ne pripadaju prelaznim metalima, kao i metali retkih zemnih metala, potpadaju pod opis Nodheimovog zakona.
Otpornost metalnih tankih filmova razmatra se kao posebna tema. Sasvim je logično pretpostaviti da bi njegova vrijednost trebala biti veća od vrijednosti masivnog vodiča napravljenog od istog metala. Ali istovremeno se uvodi posebna empirijska Fuchsova formula za film, koja opisuje međuzavisnost otpornosti i debljine filma. Ispostavilo se da metali u filmovima pokazuju poluvodička svojstva.
A na proces prijenosa naboja utječu elektroni, koji se kreću u smjeru debljine filma i ometaju kretanje "uzdužnih" naboja. Istovremeno se reflektiraju od površine filmskog provodnika, pa tako jedan elektron oscilira između njegove dvije površine prilično dugo. Drugi značajan faktor u povećanju otpornosti je temperatura provodnika. Što je temperatura viša, to je veći otpor. Suprotno tome, što je temperatura niža, to je manji otpor.
Metali su supstance sa najmanjom otpornošću na takozvanoj „sobnoj“ temperaturi. Jedini nemetal koji opravdava njegovu upotrebu kao provodnika je ugljenik. Grafit, koji je jedna od njegovih sorti, široko se koristi za izradu kliznih kontakata. On ima veoma dobra kombinacija svojstva kao što su otpornost i koeficijent trenja klizanja. Stoga je grafit nezamjenjiv materijal za četke elektromotora i druge klizne kontakte. Vrijednosti otpornosti glavnih tvari koje se koriste u industrijske svrhe date su u donjoj tabeli.
Superprovodljivost
Na temperaturama koje odgovaraju ukapljivanju gasova, odnosno do temperature tečnog helijuma, koja je jednaka -273 stepena Celzijusa, otpornost se smanjuje skoro do potpunog nestanka. I ne samo dobri metalni provodnici kao što su srebro, bakar i aluminijum. Gotovo svi metali. U takvim uslovima, koji se nazivaju supravodljivost, struktura metala nema inhibitorni efekat na kretanje naelektrisanja pod uticajem električnog polja. Stoga živa i većina metala postaju supravodnici.
Ali, kako se pokazalo, relativno nedavno, 80-ih godina 20. stoljeća, neke vrste keramike su također sposobne za supravodljivost. Štaviše, za to ne morate koristiti tečni helijum. Takvi materijali su nazvani visokotemperaturnim supravodičima. Međutim, već je prošlo nekoliko decenija, a raspon visokotemperaturnih provodnika značajno se proširio. Ali masovnu upotrebu nisu uočeni takvi visokotemperaturni supravodljivi elementi. U nekim zemljama su napravljene pojedinačne instalacije sa zamjenom konvencionalnih bakrenih provodnika sa visokotemperaturnim supravodičima. Za održavanje normalnog režima visokotemperaturne supravodljivosti potreban je tekući dušik. A ovo se ispostavilo kao preskupo tehničko rješenje.
Stoga, niska vrijednost otpora koju je priroda dala bakru i aluminiju još uvijek ih čini nezamjenjivim materijalima za proizvodnju različitih električnih vodiča.
Kao što znamo iz Ohmovog zakona, struja u dijelu kola je u sljedećem odnosu: I=U/R. Zakon je izveden nizom eksperimenata njemačkog fizičara Georga Ohma u 19. vijeku. Primijetio je obrazac: jačina struje u bilo kojem dijelu kruga izravno ovisi o naponu koji se primjenjuje na ovaj dio, i obrnuto od njegovog otpora.
Kasnije je ustanovljeno da otpor preseka zavisi od njegove geometrijske karakteristike na sljedeći način: R=ρl/S,
gdje je l dužina provodnika, S je njegova površina poprečnog presjeka, a ρ je određeni koeficijent proporcionalnosti.
Dakle, otpor je određen geometrijom vodiča, kao i parametrom kao što je specifični otpor (u daljnjem tekstu otpornost) - tako se naziva ovaj koeficijent. Ako uzmete dva vodiča istog poprečnog presjeka i dužine i stavite ih u krug jedan po jedan, tada mjerenjem struje i otpora možete vidjeti da će u dva slučaja ovi pokazatelji biti različiti. Dakle, specifično električni otpor- ovo je karakteristika materijala od kojeg je napravljen provodnik, ili, još preciznije, supstance.
Provodljivost i otpor
U.S. pokazuje sposobnost tvari da spriječi prolaz struje. Ali u fizici postoji i inverzna veličina - provodljivost. Pokazuje sposobnost provođenja električne struje. izgleda ovako:
σ=1/ρ, gdje je ρ otpornost tvari.
Ako govorimo o vodljivosti, ona je određena karakteristikama nosilaca naboja u ovoj tvari. Dakle, metali imaju slobodne elektrone. Na vanjskoj ljusci ih nema više od tri, a atomu je isplativije da ih „pokloni“, što se događa kada hemijske reakcije sa supstancama sa desne strane periodnog sistema. U situaciji kada imamo čisti metal, on ima kristalnu strukturu u kojoj su ovi vanjski elektroni zajednički. Oni su ti koji prenose naelektrisanje ako se na metal primeni električno polje.
U rastvorima, nosioci naboja su joni.
Ako govorimo o supstancama kao što je silicijum, onda je to po svojim svojstvima poluprovodnik i radi na malo drugačijem principu, ali o tome kasnije. U međuvremenu, hajde da shvatimo kako se ove klase supstanci razlikuju:
- Dirigenti;
- Semiconductors;
- Dielektrici.
Provodnici i dielektrici
Postoje tvari koje gotovo ne provode struju. Zovu se dielektrici. Takve supstance su sposobne za polarizaciju električno polje, odnosno njihovi molekuli mogu rotirati u ovom polju ovisno o tome kako su raspoređeni u njima elektrona. Ali pošto ti elektroni nisu slobodni, već služe za komunikaciju između atoma, oni ne provode struju.
Vodljivost dielektrika je gotovo nula, iako među njima nema idealnih (ovo je ista apstrakcija kao apsolutno crno tijelo ili idealni plin).
Konvencionalna granica koncepta “provodnika” 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 njihovo odvajanje u zasebnu grupu supstanci povezano je ne toliko s njihovim srednjim stanjem u liniji "vodljivost - otpor", već sa karakteristikama ove vodljivosti pod različitim uvjetima.
Ovisnost o faktorima okoline
Provodljivost nije potpuno konstantna vrijednost. Podaci u tabelama iz kojih se uzima ρ za proračune postoje za normalne uslove okoline, odnosno za temperaturu od 20 stepeni. U stvarnosti, teško je naći tako idealne uslove za rad kola; zapravo SAD (a samim tim i provodljivost) zavise od sljedećih faktora:
- temperatura;
- pritisak;
- prisustvo magnetnih polja;
- svjetlo;
- stanje agregacije.
Različite supstance imaju svoj raspored za promjenu ovog parametra pod različitim uvjetima. Dakle, feromagneti (gvožđe i nikal) ga povećavaju kada se smer struje poklopi sa smerom linija magnetnog polja. Što se tiče temperature, ovisnost je ovdje gotovo linearna (postoji čak i koncept temperaturnog koeficijenta otpora, a to je i tabela). Ali smjer ove ovisnosti je drugačiji: za metale se povećava s povećanjem temperature, a za rijetke zemlje i otopine elektrolita raste - i to je unutar istog agregacijskog stanja.
Za poluvodiče, ovisnost o temperaturi nije linearna, već hiperbolična i inverzna: s povećanjem temperature, njihova vodljivost raste. Ovo kvalitativno razlikuje provodnike od poluvodiča. Ovako izgleda zavisnost ρ od temperature za provodnike:
Ovdje su prikazane otpornosti bakra, platine i željeza. Neki metali, na primjer, živa, imaju nešto drugačiji grafikon - kada temperatura padne na 4 K, on ga gotovo potpuno gubi (ovaj fenomen se naziva supravodljivost).
A za poluprovodnike ova zavisnost će biti otprilike ovako:
Pri prelasku u tečno stanje, ρ metala raste, ali se tada svi ponašaju drugačije. Na primjer, za rastopljeni bizmut je niži nego za sobnoj temperaturi, a za bakar - 10 puta više od normalnog. Nikl napušta linearni grafikon na još 400 stepeni, nakon čega ρ pada.
Ali volfram ima tako visoku temperaturnu zavisnost da uzrokuje da žarulje sa žarnom niti pregore. Kada se uključi, struja zagrijava zavojnicu, a njegov otpor se povećava nekoliko puta.
Također y. With. legure zavisi od tehnologije njihove proizvodnje. Dakle, ako imamo posla s jednostavnom mehaničkom smjesom, tada se otpor takve tvari može izračunati pomoću prosjeka, ali za supstitucijsku leguru (ovo je kada se dva ili više elemenata kombiniraju u jednu kristalnu rešetku) bit će drugačije , po pravilu, mnogo veći. Na primjer, nihrom, od kojeg se izrađuju spirale za električne peći, ima takvu vrijednost za ovaj parametar da se, kada je spojen na krug, ovaj vodič zagrijava do točke crvenila (zbog čega se, zapravo, koristi).
Evo karakteristike ρ ugljičnih čelika:
Kao što se može vidjeti, kako se približava temperaturi topljenja, stabilizira se.
Otpornost različitih provodnika
Kako god bilo, u proračunima se ρ koristi upravo u normalnim uslovima. Evo tabele pomoću koje možete uporediti ovu karakteristiku različitih metala:
Kao što se vidi iz tabele, najbolji provodnik je srebrni. I samo njegova cijena sprječava njegovu široku upotrebu u proizvodnji kabela. U.S. aluminijum je takođe mali, ali manje od zlata. Iz tabele postaje jasno zašto je ožičenje u kućama ili bakar ili aluminij.
Tabela ne uključuje nikl, koji, kao što smo već rekli, ima pomalo neobičan grafikon y. With. na temperaturi. Otpornost nikla nakon povećanja temperature na 400 stepeni ne počinje da raste, već pada. Također se zanimljivo ponaša u drugim supstitucijskim legurama. Ovako se ponaša legura bakra i nikla, u zavisnosti od procenta oba:
I ovaj zanimljiv grafikon pokazuje otpor legura cink-magnezijum:
Legure visoke otpornosti koriste se kao materijali za proizvodnju reostata, evo njihovih karakteristika:
To su složene legure koje se sastoje od željeza, aluminija, hroma, mangana i nikla.
Što se tiče ugljeničnih čelika, to je otprilike 1,7*10^-7 Ohm m.
Razlika između y. With. Različiti provodnici određuju se njihovom primjenom. Tako se bakar i aluminij naširoko koriste u proizvodnji kablova, a zlato i srebro se koriste kao kontakti u brojnim radiotehničkim proizvodima. Provodniki visokog otpora našli su svoje mjesto među proizvođačima električnih uređaja (tačnije, stvoreni su za tu svrhu).
Promjenjivost ovog parametra u zavisnosti od uslova okoline činila je osnovu za takve uređaje kao što su senzori magnetnog polja, termistori, mjerači naprezanja i fotootpornici.
Eksperimentalno je utvrđeno da je otpor R metalni provodnik je direktno proporcionalan njegovoj dužini L i obrnuto proporcionalna njegovoj površini poprečnog presjeka A:
R = ρ L/ A (26.4)
gdje je koeficijent ρ naziva se otpornost i služi kao karakteristika tvari od koje je vodič napravljen. Ovo je zdrav razum: debela žica treba da ima manji otpor od tanke žice jer se elektroni mogu kretati preko veće površine u debeloj žici. I možemo očekivati povećanje otpora sa povećanjem dužine provodnika, kako se povećava broj prepreka protoku elektrona.
Tipične vrijednosti ρ za različite materijale date su u prvoj koloni tabele. 26.2. (Stvarne vrijednosti variraju ovisno o čistoći, toplinskoj obradi, temperaturi i drugim faktorima.)
|
Tabela 26.2. Specifični otpor i temperaturni koeficijent otpornosti (TCR) (na 20 °C) |
||
| Supstanca | ρ ,Ohm m | TKS α ,°C -1 |
| Dirigenti | ||
| Srebro | 1,59·10 -8 | 0,0061 |
| Bakar | 1,68·10 -8 | 0,0068 |
| Aluminijum | 2,65·10 -8 | 0,00429 |
| Tungsten | 5,6·10 -8 | 0,0045 |
| Iron | 9,71·10 -8 | 0,00651 |
| Platinum | 10,6·10 -8 | 0,003927 |
| Merkur | 98·10 -8 | 0,0009 |
| Nihrom (legura Ni, Fe, Cr) | 100·10 -8 | 0,0004 |
| Poluprovodnici 1) | ||
| ugljik (grafit) | (3-60)·10 -5 | -0,0005 |
| germanijum | (1-500)·10 -5 | -0,05 |
| Silicijum | 0,1 - 60 | -0,07 |
| Dielektrici | ||
| Staklo | 10 9 - 10 12 | |
| Tvrda guma | 10 13 - 10 15 | |
| 1) Realne vrijednosti jako zavise od prisustva čak i malih količina nečistoća. | ||
Srebro ima najmanju otpornost, pa se stoga ispostavlja da je najbolji provodnik; međutim to je skupo. Bakar je nešto inferiorniji od srebra; Jasno je zašto se žice najčešće prave od bakra.
Aluminij ima veću otpornost od bakra, ali ima mnogo manju gustoću i poželjan je u nekim primjenama (na primjer, u dalekovodima) jer je otpor aluminijskih žica iste mase manji od otpora bakra. Često se koristi recipročna vrijednost otpornosti:
σ = 1/ρ (26.5)
σ nazvana specifična provodljivost. Specifična provodljivost se mjeri u jedinicama (Ohm m) -1.
Otpornost tvari ovisi o temperaturi. Otpornost metala po pravilu raste s temperaturom. To ne treba da čudi: kako temperatura raste, atomi se kreću brže, njihov raspored postaje manje uređen i možemo očekivati da će više ometati tok elektrona. U uskim temperaturnim rasponima, otpornost metala raste gotovo linearno s temperaturom:
Gdje ρ T- otpornost na temperaturi T, ρ 0 - otpornost na standardnoj temperaturi T 0 , a α - temperaturni koeficijent otpora (TCR). Vrijednosti a date su u tabeli. 26.2. Imajte na umu da za poluvodiče TCR može biti negativan. To je očito, budući da se s povećanjem temperature povećava broj slobodnih elektrona i oni poboljšavaju provodljiva svojstva tvari. Dakle, otpor poluvodiča može se smanjiti s povećanjem temperature (iako ne uvijek).
Vrijednosti a ovise o temperaturi, pa treba obratiti pažnju na temperaturni raspon unutar kojeg ova vrijednost vrijedi (na primjer, prema referentnoj knjizi fizičkih veličina). Ako se raspon temperaturnih promjena pokaže širokim, linearnost će biti narušena, a umjesto (26.6) potrebno je koristiti izraz koji sadrži pojmove koji ovise o drugoj i trećoj stepenu temperature:
ρ T = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + γT 3),
gdje su koeficijenti β I γ obično vrlo mali (mi stavljamo T 0 = 0°S), ali u velikoj meri T doprinosi ovih članova postaju značajni.
Na veoma niskim temperaturama, otpornost nekih metala, kao i legura i jedinjenja, pada na nulu u okviru tačnosti savremenih merenja. Ovo svojstvo se naziva supravodljivost; prvi ga je uočio holandski fizičar Geike Kamerling-Onnes (1853-1926) 1911. godine kada je živa ohlađena ispod 4,2 K. Na ovoj temperaturi, električni otpor žive iznenada je pao na nulu.
Superprovodnici ulaze u supravodljivo stanje ispod temperature prijelaza, koja je tipično nekoliko stepeni Kelvina (nešto iznad apsolutne nule). Uočena je električna struja u supravodljivom prstenu, koji praktički nije oslabio u odsustvu napona nekoliko godina.
Posljednjih godina, supravodljivost je intenzivno proučavana kako bi se razumio njen mehanizam i pronašli materijali koji su superprovodni na višim temperaturama kako bi se smanjili troškovi i neugodnosti hlađenja na vrlo niske temperature. Prvu uspješnu teoriju supravodljivosti stvorili su Bardeen, Cooper i Schrieffer 1957. godine. Superprovodnici se već koriste u velikim magnetima, gdje se magnetsko polje stvara električnom strujom (vidi Poglavlje 28), što značajno smanjuje potrošnju energije. Naravno, održavanje superprovodnika na niskoj temperaturi takođe zahteva energiju.
Komentari i prijedlozi su prihvaćeni i dobrodošli!
Unatoč činjenici da ova tema može izgledati potpuno banalno, u njoj ću odgovoriti na jedno vrlo važno pitanje o proračunu gubitka napona i proračunu struja kratkog spoja. Mislim da će ovo biti isto otkriće za mnoge od vas kao i za mene.
Nedavno sam proučavao jedan vrlo zanimljiv GOST:
GOST R 50571.5.52-2011 Električne instalacije niskog napona. Dio 5-52. Izbor i montaža elektro opreme. Električno ožičenje.
Ovaj dokument daje formulu za izračunavanje gubitka napona i navodi:
p je otpor provodnika u normalnim uslovima, uzet jednak otpornosti na temperaturi u normalnim uslovima, odnosno 1,25 otpornosti na 20 °C, odnosno 0,0225 Ohm mm 2 /m za bakar i 0,036 Ohm mm 2 / m za aluminijum;
Ništa nisam razumio =) Očigledno, pri izračunavanju gubitka napona i pri izračunavanju struja kratkog spoja, moramo uzeti u obzir otpor vodiča, kao u normalnim uvjetima.
Vrijedi napomenuti da su sve vrijednosti tablice date na temperaturi od 20 stepeni.
Šta su normalni uslovi? Mislio sam na 30 stepeni Celzijusa.
Prisjetimo se fizike i izračunajmo na kojoj temperaturi će se otpor bakra (aluminija) povećati za 1,25 puta.
R1=R0
R0 – otpor na 20 stepeni Celzijusa;
R1 - otpor na T1 stepeni Celzijusa;
T0 - 20 stepeni Celzijusa;
α=0,004 po stepenu Celzijusa (bakar i aluminijum su skoro isti);
1,25=1+α (T1-T0)
T1=(1,25-1)/ α+T0=(1,25-1)/0,004+20=82,5 stepeni Celzijusa.
Kao što vidite, ovo uopšte nije 30 stepeni. Očigledno, svi proračuni moraju biti izvedeni na maksimalno dozvoljenim temperaturama kabela. Maksimalna radna temperatura kabla je 70-90 stepeni u zavisnosti od vrste izolacije.
Da budem iskren, ne slažem se sa ovim, jer... ova temperatura odgovara praktično hitnom režimu električne instalacije.
U svojim programima sam postavio otpor bakra na 0,0175 Ohm mm 2 /m, a za aluminijum na 0,028 Ohm mm 2 /m.
Ako se sjećate, napisao sam da je u svom programu za izračunavanje struja kratkog spoja rezultat otprilike 30% manji od vrijednosti u tabeli. Tu se automatski izračunava otpor petlje faza-nula. Pokušao sam pronaći grešku, ali nisam mogao. Očigledno, nepreciznost proračuna leži u otpornosti korištenom u programu. I svako može pitati za otpor, tako da ne bi trebalo biti pitanja o programu ako navedete otpornost iz gore navedenog dokumenta.
Ali najvjerovatnije ću morati napraviti izmjene u programima za izračunavanje gubitaka napona. To će rezultirati povećanjem rezultata proračuna za 25%. Iako u ELEKTRIČNOM programu gubici napona su skoro isti kao i moji.
Ako ste prvi put na ovom blogu, onda možete vidjeti sve moje programe na stranici
Po vašem mišljenju, na kojoj temperaturi treba izračunati gubitke napona: na 30 ili 70-90 stepeni? Postoje li propisi koji će odgovoriti na ovo pitanje?