Când este închis circuit electric, la bornele cărora există o diferență de potențial, a curent electric. Electroni liberi sub influență forte electrice câmpurile se deplasează de-a lungul conductorului. În mișcarea lor, electronii se ciocnesc cu atomii conductorului și le oferă o aprovizionare cu energia lor cinetică. Viteza electronilor se modifică continuu: atunci când electronii se ciocnesc cu atomi, molecule și alți electroni, aceasta scade, apoi sub influența câmp electric crește și scade din nou cu o nouă coliziune. Ca urmare, se stabilește un flux uniform de electroni în conductor cu o viteză de câteva fracțiuni de centimetru pe secundă. În consecință, electronii care trec printr-un conductor întâmpină întotdeauna rezistență la mișcarea lor din partea acestuia. Când curentul electric trece printr-un conductor, acesta din urmă se încălzește.
Rezistenta electrica
Rezistența electrică a conductorului, care este notat cu litera latină r, este proprietatea unui corp sau a unui mediu de a se transforma energie electricaîn căldură atunci când trece un curent electric prin ea.
În diagrame, rezistența electrică este indicată așa cum se arată în Figura 1, O.
Se numește rezistență electrică variabilă care servește la schimbarea curentului într-un circuit reostat. În diagrame, reostatele sunt desemnate așa cum se arată în Figura 1, b. ÎN vedere generală Un reostat este realizat dintr-un fir de o rezistență sau alta, înfășurat pe o bază izolatoare. Glisorul sau pârghia reostatului este plasată într-o anumită poziție, drept urmare rezistența necesară este introdusă în circuit.
Conductor lung mic secţiune transversală creează rezistență ridicată la curent. Conductoarele scurte cu o secțiune transversală mare oferă o rezistență mică la curent.
Dacă luăm doi conductori din materiale diferite, dar aceeași lungime și secțiune transversală, atunci conductorii vor conduce curentul diferit. Aceasta arată că rezistența unui conductor depinde de materialul conductorului însuși.
Temperatura conductorului afectează și rezistența acestuia. Pe măsură ce temperatura crește, rezistența metalelor crește, iar rezistența lichidelor și a cărbunelui scade. Doar unele aliaje metalice speciale (manganină, constantan, nichel și altele) își schimbă cu greu rezistența odată cu creșterea temperaturii.
Deci, vedem că rezistența electrică a unui conductor depinde de: 1) lungimea conductorului, 2) secțiunea transversală a conductorului, 3) materialul conductorului, 4) temperatura conductorului.
Unitatea de rezistență este un ohm. Om este adesea desemnat în greacă majusculăΩ (omega). Prin urmare, în loc să scrieți „Rezistența conductorului este de 15 ohmi”, puteți scrie pur și simplu: r= 15 Ω.
1.000 de ohmi se numește 1 kiloohm(1kOhm sau 1kΩ),
1.000.000 de ohmi se numesc 1 megaohm(1mOhm sau 1MΩ).
La compararea rezistenţei conductoarelor din diverse materiale Este necesar să se ia o anumită lungime și secțiune transversală pentru fiecare probă. Apoi vom putea judeca ce material conduce mai bine sau mai rău curentul electric.
Video 1. Rezistența conductorului
Rezistivitatea electrică
Se numește rezistența în ohmi a unui conductor de 1 m lungime, cu o secțiune transversală de 1 mm² rezistivitateși este notat cu litera greacă ρ (ro).
Tabelul 1 prezintă rezistivitățile unor conductori.
Tabelul 1
Rezistivitățile diverșilor conductori
Tabelul arată că un fir de fier cu o lungime de 1 m și o secțiune transversală de 1 mm² are o rezistență de 0,13 Ohm. Pentru a obține 1 ohm de rezistență trebuie să luați 7,7 m de astfel de sârmă. Argintul are cea mai scăzută rezistivitate. 1 Ohm de rezistență poate fi obținut prin luarea a 62,5 m de sârmă de argint cu o secțiune transversală de 1 mm². Argintul este cel mai bun conductor, dar costul argintului exclude posibilitatea utilizării în masă a acestuia. După argint din tabel vine cuprul: 1 m de sârmă de cupru cu o secțiune transversală de 1 mm² are o rezistență de 0,0175 Ohm. Pentru a obține o rezistență de 1 ohm, trebuie să luați 57 m dintr-un astfel de fir.
Cuprul chimic pur obținut prin rafinare a găsit o utilizare pe scară largă în inginerie electrică pentru fabricarea de fire, cabluri și înfășurări. mașini electriceși dispozitive. Aluminiul și fierul sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă ca conductori.
Rezistența conductorului poate fi determinată prin formula:
Unde r– rezistența conductorului în ohmi; ρ – rezistivitate conductor; l– lungimea conductorului în m; S– secțiunea conductorului în mm².
Exemplul 1. Determinați rezistența a 200 m de sârmă de fier cu o secțiune transversală de 5 mm².
Exemplul 2. Calculați rezistența a 2 km de sârmă de aluminiu cu o secțiune transversală de 2,5 mm².
Din formula de rezistență puteți determina cu ușurință lungimea, rezistivitatea și secțiunea transversală a conductorului.
Exemplul 3. Pentru un receptor radio, este necesar să înfășurați un rezistor de 30 ohmi dintr-un fir de nichel cu o secțiune transversală de 0,21 mm². Determinați lungimea necesară a firului.
Exemplul 4. Determinați secțiunea transversală 20 m fir nicrom, dacă rezistența sa este de 25 ohmi.
Exemplul 5. Un fir cu o secțiune transversală de 0,5 mm² și o lungime de 40 m are o rezistență de 16 ohmi. Determinați materialul firului.
Materialul conductorului îi caracterizează rezistivitatea.
Pe baza tabelului de rezistivitate, constatăm că plumbul are această rezistență.
S-a afirmat mai sus că rezistența conductorilor depinde de temperatură. Să facem următorul experiment. Să înfășurăm câțiva metri de sârmă subțire de metal sub formă de spirală și să conectăm această spirală la circuitul bateriei. Pentru a măsura curentul, conectăm un ampermetru la circuit. Când bobina este încălzită în flacăra arzătorului, veți observa că citirile ampermetrului vor scădea. Aceasta arată că rezistența unui fir metalic crește odată cu încălzirea.
Pentru unele metale, atunci când sunt încălzite cu 100°, rezistența crește cu 40–50%. Există aliaje care își schimbă ușor rezistența la încălzire. Unele aliaje speciale nu prezintă practic nicio modificare a rezistenței atunci când se schimbă temperatura. Rezistența conductorilor metalici crește odată cu creșterea temperaturii, rezistența electroliților (conductoare lichide), a cărbunelui și a unora. solide, dimpotrivă, scade.
Capacitatea metalelor de a-și modifica rezistența cu schimbările de temperatură este folosită pentru a construi termometre de rezistență. Acest termometru este un fir de platină înfășurat pe un cadru de mica. Prin plasarea unui termometru, de exemplu, într-un cuptor și măsurarea rezistenței firului de platină înainte și după încălzire, se poate determina temperatura în cuptor.
Modificarea rezistenței unui conductor atunci când este încălzit la 1 ohm de rezistență inițială și la 1 ° temperatură se numește coeficient de rezistență la temperaturăși este notat cu litera α.
Dacă la temperatură t 0 rezistența conductorului este r 0 și la temperatură t egală r t, apoi coeficientul de temperatură al rezistenței
Nota. Calculul folosind această formulă se poate face numai într-un anumit interval de temperatură (până la aproximativ 200°C).
Prezentăm valorile coeficientului de temperatură al rezistenței α pentru unele metale (Tabelul 2).
Tabelul 2
Valorile coeficientului de temperatură pentru unele metale
Din formula pentru coeficientul de temperatură de rezistență determinăm r t:
r t = r 0 .
Exemplul 6. Determinați rezistența unui fir de fier încălzit la 200°C dacă rezistența lui la 0°C a fost de 100 ohmi.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohmi.
Exemplul 7. Un termometru de rezistență realizat din sârmă de platină avea o rezistență de 20 ohmi într-o încăpere la 15°C. Termometrul a fost introdus în cuptor și după un timp i s-a măsurat rezistența. S-a dovedit a fi egal cu 29,6 ohmi. Determinați temperatura în cuptor.
Conductivitate electrică
Până acum am considerat rezistența unui conductor drept obstacolul pe care conductorul îl asigură curentului electric. Dar totuși, curentul trece prin conductor. Prin urmare, pe lângă rezistență (obstacol), conductorul are și capacitatea de a conduce curentul electric, adică conductivitatea.
Cu cât un conductor are mai multă rezistență, cu atât are mai puțină conductivitate, cu atât conduce mai rău curentul electric și, invers, cu cât rezistența unui conductor este mai mică, cu atât are mai multă conductivitate, cu atât este mai ușor trecerea curentului prin conductor. Prin urmare, rezistența și conductivitatea unui conductor sunt mărimi reciproce.
Din matematică se știe că inversul lui 5 este 1/5 și, invers, inversul lui 1/7 este 7. Prin urmare, dacă rezistența unui conductor se notează cu litera r, atunci conductivitatea este definită ca 1/ r. Conductibilitatea este de obicei indicată cu litera g.
Conductivitatea electrică se măsoară în (1/Ohm) sau în siemens.
Exemplul 8. Rezistența conductorului este de 20 ohmi. Determinați-i conductivitatea.
Dacă r= 20 Ohm, atunci
Exemplul 9. Conductivitatea conductorului este de 0,1 (1/Ohm). Determinați rezistența acestuia
Dacă g = 0,1 (1/Ohm), atunci r= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)
Majoritatea legilor fizicii se bazează pe experimente. Numele experimentatorilor sunt imortalizate în titlurile acestor legi. Unul dintre ei a fost Georg Ohm.
Experimentele lui Georg Ohm
În timpul experimentelor privind interacțiunea electricității cu diferite substanțe, inclusiv metale, el a stabilit o relație fundamentală între densitate, puterea câmpului electric și proprietatea unei substanțe, care a fost numită „conductivitate specifică”. Formula corespunzătoare acestui model, numită „Legea lui Ohm”, este următoarea:
j= λE , în care
- j— densitatea curentului electric;
- λ — conductivitate specifică, numită și „conductivitate electrică”;
- E – intensitatea câmpului electric.
În unele cazuri, o literă diferită a alfabetului grecesc este folosită pentru a indica conductivitatea - σ . Conductivitatea specifică depinde de anumiți parametri ai substanței. Valoarea acestuia este influențată de temperatură, substanțe, presiune, dacă este un gaz și, cel mai important, de structura acestei substanțe. Legea lui Ohm este respectată numai pentru substanțele omogene.
Pentru mai mult calcule convenabile se foloseşte reciproca conductibilităţii specifice. Se numește „rezistivitate”, care este, de asemenea, asociată cu proprietățile substanței în care curge curentul electric, notate cu litera greacă. ρ și are dimensiunea Ohm*m. Dar din moment ce pentru diferit fenomene fizice Se aplică diferite justificări teoretice pentru rezistivitate. Ele sunt o reflectare a teoriei electronice clasice a metalelor, precum și a teoriei cuantice.
Formule
În aceste formule, care sunt plictisitoare pentru cititorii obișnuiți, apar factori precum constanta lui Boltzmann, constanta lui Avogadro și constanta lui Planck. Aceste constante sunt utilizate pentru calcule care iau în considerare calea liberă a electronilor într-un conductor, viteza lor în timpul mișcării termice, gradul de ionizare, concentrația și densitatea substanței. Pe scurt, totul este destul de complicat pentru un nespecialist. Pentru a nu fi nefondat, mai jos vă puteți familiariza cu cum arată de fapt totul:
Caracteristicile metalelor
Deoarece mișcarea electronilor depinde de omogenitatea substanței, curentul dintr-un conductor metalic circulă în funcție de structura acestuia, ceea ce afectează distribuția electronilor în conductor, ținând cont de eterogenitatea acestuia. Este determinată nu numai de prezența incluziunilor de impurități, ci și de defecte fizice - fisuri, goluri etc. Eterogenitatea conductorului crește rezistivitatea acestuia, care este determinată de regula lui Matthiesen.
Această regulă ușor de înțeles spune în esență că mai multe rezistivități separate pot fi distinse într-un conductor care poartă curent. Iar valoarea rezultată va fi suma lor. Termenii vor fi rezistivitatea rețea cristalină metal, impurități și defecte de conductor. Deoarece acest parametru depinde de natura substanței, au fost definite legi corespunzătoare pentru a-l calcula, inclusiv pentru substanțele amestecate.
În ciuda faptului că aliajele sunt și metale, ele sunt considerate soluții cu o structură haotică, iar pentru calcularea rezistivității, contează ce metale sunt incluse în aliaj. Practic, majoritatea aliajelor din două componente care nu aparțin metalelor de tranziție, precum și metalele pământurilor rare, se încadrează în descrierea legii lui Nodheim.
Rezistivitatea filmelor subțiri metalice este considerată ca un subiect separat. Este destul de logic să presupunem că valoarea sa ar trebui să fie mai mare decât cea a unui conductor în vrac din același metal. Dar, în același timp, pentru film este introdusă o formulă Fuchs empirică specială, care descrie interdependența rezistivității și a grosimii filmului. Se pare că metalele din filme prezintă proprietăți semiconductoare.
Și procesul de transfer al sarcinii este influențat de electroni, care se mișcă în direcția grosimii filmului și interferează cu mișcarea sarcinilor „longitudinale”. În același timp, ele sunt reflectate de suprafața conductorului de film și, astfel, un electron oscilează între cele două suprafețe ale sale pentru o perioadă destul de lungă de timp. Un alt factor semnificativ în creșterea rezistivității este temperatura conductorului. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. Dimpotrivă, cu cât temperatura este mai mică, cu atât rezistența este mai mică.
Metalele sunt substanțele cu cea mai scăzută rezistivitate la așa-numita temperatură „camere”. Singurul nemetal care justifică utilizarea sa ca conductor este carbonul. Grafitul, care este una dintre soiurile sale, este utilizat pe scară largă pentru realizarea de contacte glisante. Are o foarte buna combinatie proprietăți precum rezistivitatea și coeficientul de frecare de alunecare. Prin urmare, grafitul este un material indispensabil pentru periile motoarelor electrice și alte contacte glisante. Valorile rezistivității principalelor substanțe utilizate în scopuri industriale sunt prezentate în tabelul de mai jos.
Supraconductivitate
La temperaturi corespunzătoare lichefierii gazelor, adică până la temperatura heliului lichid, care este egală cu -273 grade Celsius, rezistivitatea scade aproape până la dispariția completă. Și nu doar conductoare metalice bune, cum ar fi argintul, cuprul și aluminiul. Aproape toate metalele. În astfel de condiții, numite supraconductivitate, structura metalului nu are efect inhibitor asupra mișcării sarcinilor sub influența unui câmp electric. Prin urmare, mercurul și majoritatea metalelor devin supraconductori.
Dar, după cum sa dovedit, relativ recent, în anii 80 ai secolului XX, unele tipuri de ceramică sunt, de asemenea, capabile de supraconductivitate. Mai mult, nu trebuie să utilizați heliu lichid pentru aceasta. Astfel de materiale au fost numite supraconductori la temperatură înaltă. Cu toate acestea, au trecut deja câteva decenii, iar gama de conductori de înaltă temperatură s-a extins semnificativ. Dar utilizare în masă nu au fost observate astfel de elemente supraconductoare la temperaturi ridicate. În unele țări, s-au realizat instalații unice cu înlocuirea conductorilor convenționali de cupru cu supraconductori de temperatură înaltă. Pentru a menține regimul normal de supraconductivitate la temperatură înaltă, este necesar azotul lichid. Și aceasta se dovedește a fi o soluție tehnică prea costisitoare.
Prin urmare, valoarea scăzută a rezistivității dată de Natură cuprului și aluminiului le face în continuare materiale de neînlocuit pentru fabricarea diverșilor conductori electrici.
După cum știm din legea lui Ohm, curentul într-o secțiune a circuitului este în următoarea relație: I=U/R. Legea a fost derivată printr-o serie de experimente de către fizicianul german Georg Ohm în secolul al XIX-lea. El a observat un model: puterea curentului în orice secțiune a circuitului depinde direct de tensiunea care este aplicată acestei secțiuni și invers de rezistența acesteia.
Ulterior s-a constatat că rezistența unei secțiuni depinde de ea caracteristici geometrice după cum urmează: R=ρl/S,
unde l este lungimea conductorului, S este aria secțiunii sale transversale și ρ este un anumit coeficient de proporționalitate.
Astfel, rezistența este determinată de geometria conductorului, precum și de un astfel de parametru precum rezistivitatea (denumită în continuare rezistivitate) - acesta este numele acestui coeficient. Dacă luați doi conductori cu aceeași secțiune transversală și lungime și îi plasați pe rând într-un circuit, atunci măsurând curentul și rezistența, puteți vedea că în cele două cazuri acești indicatori vor fi diferiți. Astfel, specificul rezistenta electrica- aceasta este o caracteristică a materialului din care este realizat conductorul sau, mai precis, substanța.
Conductivitate și rezistență
NE. arată capacitatea unei substanţe de a împiedica trecerea curentului. Dar în fizică există și o mărime inversă - conductivitatea. Demonstrează capacitatea de a conduce curentul electric. Arata cam asa:
σ=1/ρ, unde ρ este rezistivitatea substanței.
Dacă vorbim despre conductivitate, aceasta este determinată de caracteristicile purtătorilor de sarcină din această substanță. Deci, metalele au electroni liberi. Nu există mai mult de trei dintre ele pe învelișul exterior și este mai profitabil ca atomul să le „dea departe”, ceea ce se întâmplă atunci când reactii chimice cu substanțe din partea dreaptă a tabelului periodic. Într-o situație în care avem un metal pur, acesta are o structură cristalină în care acești electroni exteriori sunt împărțiți. Ei sunt cei care transferă sarcina dacă metalului i se aplică un câmp electric.
În soluții, purtătorii de sarcină sunt ioni.
Dacă vorbim despre substanțe precum siliciul, atunci este în proprietățile sale semiconductorși funcționează pe un principiu ușor diferit, dar mai multe despre asta mai târziu. Între timp, să ne dăm seama cum diferă aceste clase de substanțe:
- Conductori;
- Semiconductori;
- Dielectrice.
Conductoare și dielectrice
Există substanțe care aproape nu conduc curentul. Se numesc dielectrici. Astfel de substanțe sunt capabile de polarizare în câmp electric, adică moleculele lor se pot roti în acest câmp în funcție de modul în care sunt distribuite în ele electroni. Dar, deoarece acești electroni nu sunt liberi, ci servesc pentru comunicarea între atomi, ei nu conduc curentul.
Conductivitatea dielectricilor este aproape zero, deși nu există printre ei ideali (aceasta este aceeași abstractizare ca un corp absolut negru sau un gaz ideal).
Limita convențională a conceptului de „conductor” este ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.
Între aceste două clase există substanțe numite semiconductori. Dar clasificarea lor într-un grup separat de substanțe este asociată nu atât cu starea lor intermediară în linia „conductivitate - rezistență”, ci cu caracteristicile acestei conductivitati în condiții diferite.
Dependența de factorii de mediu
Conductibilitatea nu este o valoare complet constantă. Datele din tabelele din care se ia ρ pentru calcule există pentru condiții normale de mediu, adică pentru o temperatură de 20 de grade. În realitate, este dificil să găsești astfel de condiții ideale pentru funcționarea unui circuit; de fapt SUA (și, prin urmare, conductivitatea) depind de următorii factori:
- temperatură;
- presiune;
- prezența câmpurilor magnetice;
- aprinde;
- starea de agregare.
Diferitele substanțe au propriul program de modificare a acestui parametru în diferite condiții. Astfel, feromagneții (fier și nichel) îl măresc atunci când direcția curentului coincide cu direcția liniilor câmpului magnetic. În ceea ce privește temperatura, dependența aici este aproape liniară (există chiar și un concept de coeficient de temperatură de rezistență, iar aceasta este și o valoare tabelară). Dar direcția acestei dependențe este diferită: pentru metale crește odată cu creșterea temperaturii, iar pentru elementele de pământuri rare și soluțiile de electroliți crește - și aceasta este în aceeași stare de agregare.
Pentru semiconductori, dependența de temperatură nu este liniară, ci hiperbolică și inversă: odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea lor crește. Acest lucru distinge calitativ conductorii de semiconductori. Iată cum arată dependența lui ρ de temperatură pentru conductori:
Rezistivitățile cuprului, platinei și fierului sunt prezentate aici. Unele metale, de exemplu, mercurul, au un grafic ușor diferit - atunci când temperatura scade la 4 K, o pierde aproape complet (acest fenomen se numește supraconductivitate).
Și pentru semiconductori această dependență va fi cam așa:
La trecerea la starea lichidă, ρ metalului crește, dar apoi toate se comportă diferit. De exemplu, pentru bismut topit este mai mic decât pentru temperatura camerei, iar pentru cupru - de 10 ori mai mare decât în mod normal. Nichelul părăsește graficul liniar la alte 400 de grade, după care ρ scade.
Dar wolfram are o dependență atât de mare de temperatură încât provoacă arderea lămpilor cu incandescență. Când este pornit, curentul încălzește bobina, iar rezistența acesteia crește de câteva ori.
De asemenea, y. Cu. aliajele depinde de tehnologia de producere a acestora. Deci, dacă avem de-a face cu un amestec mecanic simplu, atunci rezistența unei astfel de substanțe poate fi calculată folosind media, dar pentru un aliaj de substituție (acesta este atunci când două sau mai multe elemente sunt combinate într-o rețea cristalină) va fi diferit. , de regulă, mult mai mare. De exemplu, nicromul, din care se fac spirale pentru sobe electrice, are o asemenea valoare pentru acest parametru, încât atunci când este conectat la circuit, acest conductor se încălzește până la punctul de roșeață (de aceea, de fapt, este folosit).
Iată caracteristica ρ a oțelurilor carbon:
După cum se vede, pe măsură ce se apropie de temperatura de topire, se stabilizează.
Rezistivitatea diverșilor conductori
Oricum ar fi, în calcule ρ este folosit tocmai în condiții normale. Iată un tabel prin care puteți compara această caracteristică a diferitelor metale:
După cum se vede din tabel, cel mai bun dirijor este argintul. Și numai costul său împiedică utilizarea sa pe scară largă în producția de cabluri. NE. aluminiul este, de asemenea, mic, dar mai puțin decât aurul. Din tabel devine clar de ce cablajul din case este fie din cupru, fie din aluminiu.
Tabelul nu include nichelul, care, așa cum am spus deja, are un grafic ușor neobișnuit al lui y. Cu. asupra temperaturii. Rezistivitatea nichelului după creșterea temperaturii la 400 de grade începe să nu crească, ci să scadă. Se comportă interesant și în alte aliaje de substituție. Așa se comportă un aliaj de cupru și nichel, în funcție de procentul ambelor:
Și acest grafic interesant arată rezistența aliajelor de zinc - magneziu:
Aliajele de înaltă rezistivitate sunt folosite ca materiale pentru fabricarea reostatelor, iată caracteristicile acestora:
Acestea sunt aliaje complexe formate din fier, aluminiu, crom, mangan și nichel.
În ceea ce privește oțelurile carbon, este de aproximativ 1,7*10^-7 Ohm m.
Diferența dintre y. Cu. Diferiții conductori sunt determinati de aplicarea lor. Astfel, cuprul și aluminiul sunt utilizate pe scară largă în producția de cabluri, iar aurul și argintul sunt folosite ca contacte într-o serie de produse de inginerie radio. Conductoarele de înaltă rezistență și-au găsit locul în rândul producătorilor de aparate electrice (mai exact, au fost creați în acest scop).
Variabilitatea acestui parametru în funcție de condițiile de mediu a constituit baza pentru dispozitive precum senzori de câmp magnetic, termistori, tensiometre și fotorezistoare.
S-a stabilit experimental că rezistența R conductorul metalic este direct proporțional cu lungimea sa Lși invers proporțional cu aria secțiunii sale transversale O:
R = ρ L/ O (26.4)
unde este coeficientul ρ se numeste rezistivitate si serveste ca o caracteristica a substantei din care este realizat conductorul. Acesta este de bun simț: un fir gros ar trebui să aibă mai puțină rezistență decât un fir subțire, deoarece electronii se pot deplasa pe o zonă mai mare într-un fir gros. Și ne putem aștepta la o creștere a rezistenței odată cu creșterea lungimii conductorului, pe măsură ce crește numărul de obstacole în calea fluxului de electroni.
Valori tipice ρ pentru diferite materiale sunt date în prima coloană a tabelului. 26.2. (Valorile reale variază în funcție de puritate, tratament termic, temperatură și alți factori.)
|
Tabelul 26.2. Rezistență specifică și coeficient de rezistență la temperatură (TCR) (la 20 °C) |
||
| Substanţă | ρ , Ohm m | TKS α ,°C -1 |
| Conductori | ||
| Argint | 1,59·10 -8 | 0,0061 |
| Cupru | 1,68·10 -8 | 0,0068 |
| Aluminiu | 2,65·10 -8 | 0,00429 |
| Tungsten | 5,6·10 -8 | 0,0045 |
| Fier | 9,71·10 -8 | 0,00651 |
| Platină | 10,6·10 -8 | 0,003927 |
| Mercur | 98·10 -8 | 0,0009 |
| Nicrom (aliaj de Ni, Fe, Cr) | 100·10 -8 | 0,0004 |
| Semiconductori 1) | ||
| Carbon (grafit) | (3-60)·10 -5 | -0,0005 |
| germaniu | (1-500)·10 -5 | -0,05 |
| Siliciu | 0,1 - 60 | -0,07 |
| Dielectrice | ||
| Sticlă | 10 9 - 10 12 | |
| Cauciuc dur | 10 13 - 10 15 | |
| 1) Valorile reale depind puternic de prezența chiar și a unor cantități mici de impurități. | ||
Argintul are cea mai scăzută rezistivitate, care se dovedește astfel a fi cel mai bun conductor; oricum este scump. Cuprul este ușor inferior argintului; Este clar de ce firele sunt cel mai adesea făcute din cupru.
Aluminiul are o rezistivitate mai mare decât cuprul, dar are o densitate mult mai mică și este preferat în unele aplicații (de exemplu, în liniile electrice) deoarece rezistența firelor de aluminiu de aceeași masă este mai mică decât cea a cuprului. Se folosește adesea reciproca rezistivității:
σ = 1/ρ (26.5)
σ numită conductivitate specifică. Conductivitatea specifică se măsoară în unități (Ohm m) -1.
Rezistivitatea unei substanțe depinde de temperatură. De regulă, rezistența metalelor crește odată cu temperatura. Acest lucru nu ar trebui să fie surprinzător: pe măsură ce temperatura crește, atomii se mișcă mai repede, aranjamentul lor devine mai puțin ordonat și ne putem aștepta ca ei să interfereze mai mult cu fluxul de electroni. În intervale înguste de temperatură, rezistivitatea metalului crește aproape liniar cu temperatura:
Unde ρ T- rezistivitate la temperatura T, ρ 0 - rezistivitate la temperatura standard T 0, a α - coeficientul de rezistență la temperatură (TCR). Valorile lui a sunt date în tabel. 26.2. Rețineți că pentru semiconductori, TCR poate fi negativ. Acest lucru este evident, deoarece odată cu creșterea temperaturii, numărul de electroni liberi crește și ei îmbunătățesc proprietățile conductoare ale substanței. Astfel, rezistența unui semiconductor poate scădea odată cu creșterea temperaturii (deși nu întotdeauna).
Valorile lui depind de temperatură, așa că ar trebui să acordați atenție intervalului de temperatură în care această valoare este valabilă (de exemplu, conform unei cărți de referință a cantităților fizice). Dacă intervalul de schimbări de temperatură se dovedește a fi larg, atunci liniaritatea va fi încălcată și, în loc de (26.6), este necesar să se folosească o expresie care să conțină termeni care depind de a doua și a treia putere a temperaturii:
ρ T = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + yT 3),
unde sunt coeficienții β Şi γ de obicei foarte mici (punem T 0 = 0°С), dar în general T contribuţiile acestor membri devin semnificative.
La temperaturi foarte scăzute, rezistivitatea unor metale, precum și a aliajelor și compușilor, scade la zero, în limitele preciziei măsurătorilor moderne. Această proprietate se numește supraconductivitate; a fost observat pentru prima dată de fizicianul olandez Geike Kamerling-Onnes (1853-1926) în 1911, când mercurul a fost răcit sub 4,2 K. La această temperatură, rezistența electrică a mercurului a scăzut brusc la zero.
Supraconductorii intră într-o stare supraconductivă sub temperatura de tranziție, care este de obicei de câteva grade Kelvin (chiar peste zero absolut). Un curent electric a fost observat într-un inel supraconductor, care practic nu s-a slăbit în absența tensiunii timp de câțiva ani.
În ultimii ani, supraconductivitatea a fost studiată intens pentru a înțelege mecanismul ei și pentru a găsi materiale care supraconduc la temperaturi mai ridicate pentru a reduce costul și inconvenientul de a trebui să se răcească la temperaturi foarte scăzute. Prima teorie de succes a supraconductivității a fost creată de Bardeen, Cooper și Schrieffer în 1957. Supraconductorii sunt deja utilizați la magneții mari, unde câmpul magnetic este creat de un curent electric (vezi capitolul 28), ceea ce reduce semnificativ consumul de energie. Desigur, menținerea unui supraconductor la o temperatură scăzută necesită și energie.
Comentariile și sugestiile sunt acceptate și binevenite!
În ciuda faptului că acest subiect poate părea complet banal, în el voi răspunde la o întrebare foarte importantă despre calcularea pierderii de tensiune și calcularea curenților de scurtcircuit. Cred că aceasta va fi aceeași descoperire pentru mulți dintre voi ca și pentru mine.
Am studiat recent un GOST foarte interesant:
GOST R 50571.5.52-2011 Instalatii electrice de joasa tensiune. Partea 5-52. Alegerea si montarea echipamentelor electrice. Cablaje electrice.
Acest document oferă o formulă pentru calcularea pierderii de tensiune și afirmă:
p este rezistivitatea conductoarelor în condiții normale, luată egală cu rezistivitatea la temperatură în condiții normale, adică 1,25 rezistivitate la 20 °C, sau 0,0225 Ohm mm 2 /m pentru cupru și 0,036 Ohm mm 2 / m pentru aluminiu;
N-am înțeles nimic =) Aparent, la calcularea pierderilor de tensiune și la calcularea curenților de scurtcircuit, trebuie să luăm în considerare rezistența conductorilor, ca în condiții normale.
Este de remarcat faptul că toate valorile tabelului sunt date la o temperatură de 20 de grade.
Care sunt condițiile normale? Credeam la 30 de grade Celsius.
Să ne amintim de fizică și să calculăm la ce temperatură rezistența cuprului (aluminiului) va crește de 1,25 ori.
R1=R0
R0 – rezistenta la 20 de grade Celsius;
R1 - rezistenta la T1 grade Celsius;
T0 - 20 de grade Celsius;
α=0,004 pe grad Celsius (cuprul și aluminiul sunt aproape la fel);
1,25=1+α (T1-T0)
Т1=(1,25-1)/ α+Т0=(1,25-1)/0,004+20=82,5 grade Celsius.
După cum puteți vedea, nu este deloc 30 de grade. Aparent, toate calculele trebuie efectuate la temperaturile maxime admise ale cablului. Temperatura maxima de functionare a cablului este de 70-90 de grade in functie de tipul de izolatie.
Sincer să fiu, nu sunt de acord cu asta, pentru că... aceasta temperatura corespunde unui regim practic de urgenta al instalatiei electrice.
În programele mele, am stabilit rezistivitatea cuprului la 0,0175 Ohm mm 2 /m, iar pentru aluminiu la 0,028 Ohm mm 2 /m.
Dacă vă amintiți, am scris că în programul meu pentru calcularea curenților de scurtcircuit, rezultatul este cu aproximativ 30% mai mic decât valorile din tabel. Acolo, rezistența buclei de fază zero este calculată automat. Am încercat să găsesc eroarea, dar nu am reușit. Aparent, inexactitatea calculului constă în rezistivitatea utilizată în program. Și toată lumea poate întreba despre rezistivitate, așa că nu ar trebui să existe întrebări despre program dacă indicați rezistivitatea din documentul de mai sus.
Dar cel mai probabil va trebui să fac modificări la programele de calcul a pierderilor de tensiune. Acest lucru va duce la o creștere cu 25% a rezultatelor calculului. Deși în programul ELECTRIC, pierderile de tensiune sunt aproape la fel ca ale mele.
Dacă este prima dată când accesați acest blog, atunci puteți vedea toate programele mele pe pagină
După părerea dumneavoastră, la ce temperatură trebuie calculate pierderile de tensiune: la 30 sau 70-90 de grade? Există reglementări care să răspundă la această întrebare?