Основные характеристики проводников
Дата публикации: .
Категория: Электротехника.
Основными характеристиками проводниковых материалов являются:
- Удельное электрическое сопротивление;
- Температурный коэффициент сопротивления;
- Теплопроводность;
- Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;
- Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.
Удельное электрическое сопротивление
ρ – величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:
Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S – в мм², сопротивление проводника r – в Ом, тогда размерность удельного сопротивления
Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены в статье «Электрическое сопротивление и проводимость».
Температурный коэффициент сопротивления
α – величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры.
Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t2° — t1° может быть найдена по формуле:
Данные температурных коэффициентов сопротивления различных проводниковых материалов приведены ниже в таблице.
Значение температурных коэффициентов сопротивления металлов
| Наименование металла | Температурный коэффициент сопротивления, 1/°С |
| Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун | 0,00403 – 0,00429 0,0036 – 0,0038 0,004 0,004 – 0,005 0,0036 0,002 0,004 0,0047 – 0,005 0,006 0,0043 – 0,0044 0,0025 – 0,0039 0,009 0,0057 – 0,006 0,0034 – 0,0036 0,0038 – 0,004 0,0039 – 0,0041 0,0009 – 0,001 |
Теплопроводность
λ – величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой вещества. Размерность теплопроводности
Теплопроводность имеет большое значение при тепловых расчетах машин, аппаратов, кабелей и других электротехнических устройств.
Значение теплопроводности λ для некоторых материалов
| Серебро Медь Алюминий Латунь Железо, сталь Бронза Бетон Кирпич Стекло Асбест Дерево Пробка | 350 – 360 340 180 – 200 90 – 100 40 – 50 30 – 40 0,7 – 1,2 0,5 – 1,2 0,6 – 0,9 0,13 – 0,18 0,1 – 0,15 0,04 – 0,08 |  |
Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяю специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловлена теми же электронами проводимости, что и электропроводность.
Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила
Как было указано в статье «Металлические проводники», положительные ионы металла расположены в узлах кристаллической решетки, образующей как бы ее каркас. Свободные электроны заполняют решетку наподобие газа, который называют иногда «электронным газом». Давление электронного газа в металле пропорционально абсолютной температуре и числу свободных электронов в единице объема, которое зависит от свойств металла. При соприкосновении двух разнородных металлов в месте соприкосновения происходит выравнивание давления электронного газа. В результате диффузии электронов металл, у которого число электронов уменьшается, заряжается положительно, а металл, у которого число электронов увеличивается, заряжается отрицательно. В месте контакта возникает разность потенциалов. Эта разность пропорциональна разности температур металлов и зависит от их вида. В замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Электродвижущая сила (ЭДС), которая создает этот ток, называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС).
Явление контактной разности потенциалов применяется в технике для измерения температуры при помощи термопар. При измерении малых токов и напряжений в цепи в местах соединения различных металлов может возникнуть большая разность потенциалов, которая будет искажать результаты измерений. В этом случае необходимо подобрать материалы так, чтобы точность измерений была высокой.
Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении
При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием силы, приложенной к материалу, последний удлиняется. Если обозначить первоначальную длину l1, а конечную длину l2, то разность l1 – l2 = Δ
Отношение
называется относительным удлинением.
Сила, производящая разрыв материала, называется разрушающей нагрузкой, а отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала в момент разрушения называется временным сопротивлением на разрыв
Данные временных сопротивлений на разрыв для различных материалов приведены ниже.
Значение предела прочности на разрыв для различных металлов
| Наименование металла | |
| Алюминий Альдрей Бронза Вольфрам Золото Латунь Медь Молибден Никель Олово Платина Ртуть Сталь Серебро Свинец Цинк Чугун | 8 – 25 30 – 38 31 – 135 100 – 300 – 30 – 70 27 – 44,9 80 – 250 40 – 70 2 – 5 15 – 35 – 70 – 75 15 – 30 0,95 – 2,0 14 – 29 12 – 32 |
Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.
от чего зависит и единицы измерения
Это понятие используют для точной оценки пути прохождения тока через определенный материал. Удельное сопротивление не обязательно знать, чтобы рассчитать радиотехническую схему на базе типовых деталей. Однако этот параметр будет много значить при передаче электроэнергии на большие расстояния. Его учитывают для создания эффективных изоляционных слоев и в ходе решения других практических задач.
Измерение удельного электросопротивления грунта необходимо для организации качественной защиты с применением заземления
Единицы измерения
Чтобы узнать сопротивление (R) проводника, нужно учесть размеры, площадь поперечного сечения (S) и длину (L). При однородном составе вещества можно вычислить удельное значение параметра (p) по следующей формуле:
p = (R * S)/L.
Подставив базовые физические единицы, получают определение для p.
- L = 1 м;
- S = 1 м кв.;
- R = 1 Ом.
К сведению. Для упрощения расчета кабельной продукции часто применяют производную величину (Ом*мм кв./м). С помощью табличных значений удельного сопротивления проводника из алюминия диаметром 1 мм кв. несложно вычислить необходимое сечение для безопасного пропускания тока определенной силы.
Обобщение понятия удельного сопротивления
Некоторые материалы неспособны обеспечить равномерное распределение электропроводности. Для нахождения удельного сопротивления в сложных ситуациях пользуются векторным представлением основных параметров. Напряженность в определенной точке будет прямо пропорциональна плотности тока и удельному сопротивлению. Дифференциальная формула сопротивления проводника применяется для вычислений тензорных значений (pij), когда необходимо учитывать изменение свойств вещества в зависимости от направлений.
Связь с удельной проводимостью
Для оценки этого параметра (Ϭ) используют простую обратную зависимость, если речь идет об изотропных веществах:
p = 1/Ϭ.
В кристалле или другой анизотропной среде базовые соотношения сохраняются. Однако приходится делать коррекцию с учетом разной направленности векторных значений в отдельных точках. Для точных расчетов в формулу удельного сопротивления добавляют деление на определитель матрицы, которая содержит составляющие тензора проводимостей.
Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ
Выше показано, что рассматриваемый параметр будет зависеть от свойств определенного вещества. Для корректных вычислений следует учитывать различные характеристики полупроводника и металла, других материалов, сплавов, химических соединений в твердом и жидком состоянии.
Металлические монокристаллы
Для примера в следующем перечне приведены тензорные значения (p1=p2 в 10-8 Ом на метр) для некоторых материалов:
- цинк – 5,9;
- висмут – 109;
- олово – 9,89;
- кадмий – 6,78.
Металлы и сплавы, применяемые в электротехнике
В следующем списке представлены разные проводники, которые применяют для создания электротехнических устройств и силовых агрегатов, линий связи, передачи электроэнергии. Для удобства практических расчетов удельное электрическое сопротивление приведено в Ом*мм кв./м при поддержании постоянной температуры в процессе измерений на уровне +20°C:
- платина – 0,107:
- никель – 0,087;
- нихром – от 1,05 до 1,4;
- медь – от 0,017 до 0,018;
- сталь – от 0,1 до 0,137;
- золото – 0,023;
- железо – 0,098;
- алюминий – от 0,026 до 0,03.
Приведенные числа демонстрируют, что в сплавах проводимость существенно зависит от состава и количественного распределения составляющих. Определенное значение для металлических проводников имеет чистота материала.
Качественная электротехническая медь отличается минимальным содержанием примесей и небольшим удельным сопротивлением
К сведению. Для создания экономичных линий электропередач нужны соответствующие начальные инвестиции. Однако чистые материалы обеспечивают уменьшение потерь, что уменьшает эксплуатационные затраты.
Другие вещества
При той же контрольной температуре +20°C измеряются удельные сопротивления иных материалов и веществ (значения приведены в Ом*мм кв./м):
- резина – от 1016 до 1018;
- углеводородные соединения в сжиженном состоянии – 0,8*1010;
- воздух (при разном уровне относительной влажности) – от 1021 до 1032;
- древесина – от 1015 до 1016.
Тонкие плёнки
При уменьшении слоя толщиной можно пренебречь. Для расчета удельного электрического сопротивления формулу преобразуют следующим образом:
Rs = (R*W)/L,
где:
- Rs – значение сопротивления для прямоугольного участка;
- R – результат измерений;
- W (L) – ширина (длина) контрольного образца.
Определение удельной проводимости
С учетом приведенных сведений можно уточнить физические процессы и основные определения. Если к проводнику подсоединить источник тока, напряжение создаст разницу потенциалов между контрольными точками. За счет внешнего источника энергии обеспечивается движение зараженных частиц. На их перемещение оказывают влияние:
- свойства и структура вещества;
- наличие посторонних примесей;
- однородность материала;
- механические дефекты.
Базовые характеристики
Перечисленные факторы определяют удельный параметр, что будет означать эталонную величину. Чтобы найти полное собственное сопротивление, учитывают поправочный коэффициент, который обусловлен свойствами и перечисленными выше особенностями материала. Как показано на рисунке, для расчета определенного изделия надо знать его размеры. Проводимость – обратная величина.
Удельное сопротивление и температура
Из приведенных данных можно сделать правильный вывод о существенном влиянии на проводимость внешних условий. Если материал не пропускает воду и защищен слоем изоляции, влажностью можно пренебречь. Однако в любом случае придется учесть действительную температуру.
Изменение удельного сопротивления в разных температурных режимах
Явление сверхпроводимости
По мере снижения температуры уменьшается амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки. Этот процесс сопровождается улучшением условий для перемещения свободных электронов. На определенном уровне возникает явление сверхпроводимости, когда сопротивление становится близким к нулю.
Формула расчета
Для вычислений берут справочное значение удельного сопротивления. Математическим преобразованием основной формулы получают следующее выражение:
R = (p*L)/S.
Формулы для расчета
Как показано на рисунке, при параллельном соединении удобнее пользоваться проводимостью для определения характеристик цепи. Сложные схемы упрощают последовательно, чтобы вычислить итоговое значение эквивалентного сопротивления участка цепи.
Видео
Удельное сопротивление — проводник — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Удельное сопротивление — проводник
Cтраница 1
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры, давления, материала и др., вследствие чего от этих же факторов зависит и сопротивление проводника. Наибольшее практическое значение имеет зависимость удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивления проводника, от температуры. В общем случае эта зависимость достаточно сложна. [1]
Удельное сопротивление проводников является величиной не постоянной, а зависящей от температуры. Для всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры. При небольших колебаниях температуры зависимость удельного сопротивления от температуры следует линейному закону. Для каждого металла существует определенный температурный коэффициент сопротивления а, который определяет собой изменение удельного сопротивления проводника, отнесенное к одному ому при повышении температуры на ГС. [2]
Удельное сопротивление проводников лежит в пределах от 10 — 6 до 10 — 2 ом-см, а технических диэлектриков от 109 до 1020 ом-см. Эти пределы в известной мере условны, но приближенно отражают установившиеся в технике представления. [3]
Удельное сопротивление проводника представляет собой сопротивление провода длиной I м и площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 20 С. [4]
Удельное сопротивление проводников и непроводников зависит от температуры. [5]
Удельное сопротивление проводников первого рода зависит от температуры. Как правило, с ростом температуры оно повышается. Исключение составляют графит и уголь. [6]
Чем меньше удельное сопротивление проводника, тем меньшее количество тепла ( при том же токе) в нем выделяется. При состоянии сверхпроводимости, когда удельное сопротивление становится неизмерим э малым, в проводнике при прохождении тока не выделяется сколько-нибудь заметного количества тепла. Так как при этом энергия тока никуда не тратится, то раз возбужденный в замкнутом сверхпроводнике то; поддерживается в нем неопределенно долго без затраты энергии извне. [7]
Изменение удельного сопротивления проводника под действием растягивающих или сжимающих усилий называют тензорезистивным эффектом. Он характеризуется тензочувст-вительностью, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией. [8]
Здесь р — удельное сопротивление проводника, остальные обозначения расшифрованы в предыдущей задаче. [9]
От чего зависит удельное сопротивление проводника. [10]
Если бы величина удельного сопротивления проводника р не зависела от его температуры, соотношение между допустимой плотностью тока / 1ДОп и допустимым превышением температуры проводника при коротком замыкании было бы относительно простым. В действительности удельное сопротивление р изменяется с нагревом проводника, и соотношение между плотностью тока и превышением температуры получается более сложным. [11]
Чтобы повысить величину удельного сопротивления проводников, применяют сплавы нескольких металлов. Установлено, что только сплавы с неупорядоченной структурой обладают повышенными значениями удельного сопротивления и малыми значениями температурного коэффициента сопротивления. Сплавами с неупорядоченной структурой называются такие, в кристаллической решетке которых нет правильного чередования атомов металлов, составляющих сплав. Эти сплавы составляют группу проводниковых материалов с большим удельным сопротивлением и малыми значениями температурного коэффициента удельного сопротивления. Все перечисленные группы проводников обладают высокой пластичностью, позволяющей получать провода диаметром до 0 01 мм и ленты толщиной 0 05 — 0 1 мм. [12]
Величина р называется удельным сопротивлением проводника. [13]
Ом; Р — удельное сопротивление проводника. [14]
При этом учитывается возрастание удельного сопротивления проводника при его нагреве. [15]
Страницы: 1 2 3 4
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ — это… Что такое УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ?
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ электрическое, физическая величина , равная электрическому сопротивлению (см. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) R цилиндрического проводника единичной длины (l = 1м) и единичной площади поперечного сечения (S =1 м2)..r = R S/l.
В Си единицей удельного сопротивления является Ом.м.
Удельное сопротивление могут выражать также в Ом.см.
Удельное сопротивление является характеристикой материала, по которому протекает ток, и зависит от материала, из которого он изготовлен. Удельное сопротивление, равное r = 1 Ом.м означает, что цилиндрический проводник, изготовленный из данного материала, длиной l = 1м и с площадью поперечного сечения S = 1 м2 имеет сопротивление R = 1 Ом.м.
Величина удельного сопротивления металлов (см. МЕТАЛЛЫ), являющихся хорошими проводниками (см. ПРОВОДНИКИ), может иметь значения порядка 10-8 – 10-6Ом.м (например, медь, серебро, железо и т. д.). Удельное сопротивление некоторых твердых диэлектриков (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) может достигать значения 1016-1018Ом.м (например, кварцевое стекло, полиэтилен, электрофарфор и др.). Величина удельного сопротивления многих материалов (особенного полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ)) существенно зависит от степени их очистки, наличия легирующих добавок, термических и механических обработок и т. д.
Величина s, обратная удельному сопротивлению , называется удельной проводимостью:
s = 1/r
Удельная проводимость измеряется в сименсах (см. СИМЕНС (единица проводимости)) на метр См/м.
Удельное электрическое сопротивление (проводимость) является скалярной величиной для изотропного вещества; и тензорной — для анизотропного вещества.
В анизотропным монокристаллах анизотропия электропроводности является следствием анизотропии обратной эффективной массы (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА) электронов и дырок.
Что такое удельное сопротивление проводника
Каждое тело по отношению к электрическому току характеризуется своим сопротивлением. Если вспомнить электронную теорию, то согласно ей, все вещества состоят из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы в разных веществах имеют разную структуру. И именно они встречаются на пути движения свободных электронов в проводнике, когда по электрической цепи идет ток. То есть, когда свободный электрон сталкивается с ионом кристаллической решетки материала проводника, он неизбежно теряет часть своей кинетической энергии и испытывает как бы сопротивление своему движению.Чем больше сопротивление проводника, тем он хуже пропускает электрический ток. Обозначается электрическое сопротивление латинской буквой R, а за единицу измерения принят 1 Ом.
Обратной характеристикой сопротивления вещества является его проводимость. Чем выше электрическая проводимость материала, тем лучше он проводит ток. Изоляторы отличаются от проводников по проводимости в огромное число раз, измеряемое единицей с двадцатью двумя нулями!
Итак, электрическое сопротивление зависит от материала, из которого изготовлен проводник. Но есть еще два важных параметра – это длина проводника и площадь его поперечного сечения. Очевидно, что чем длиннее проводник, тем дольше ионы его вещества будут мешать движению свободных электронов.
А вот чтобы лучше понять, почему сопротивление зависит от площади поперечного сечения, нужно провести аналогию с водой. Представьте два одинаковых сосуда, соединенных в одном случае тонкой трубкой, а в другом – толстой. По тонкой или по толстой трубке вода быстрее перельется из одного сосуда в другой? Ясно, что по толстой.
Удельное сопротивление – это сопротивление проводника, длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 мм2.
Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь.
Таким образом, чтобы вычислить электрическое сопротивление проводника, надо воспользоваться формулой:
R = pl/S,
где p – удельное сопротивление, l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения проводника.
При повышении температуры металлического проводника, его сопротивление увеличивается. Объяснить это явление можно тем, что при передаче тепловой энергии телу повышается интенсивность движения атомов его вещества, и это в большей степени препятствует свободному току электронов.
С понижением же температуры в металлах создаются лучшие условия для проведения электрического тока. Существует даже такое понятие, как сверхпроводимость, то есть такое состояние металлического проводника, когда его сопротивление равно нулю. При этом атомы металла практически застывают на месте, абсолютно не препятствуя движению свободных электронов. Происходит это при температуре -273оС.
