3. Электрические характеристики

3. Электрические характеристики

Удельное электрическое сопротивление (р).

Любой электротехнический материал — проводник, полупроводник и даже диэлектрик проводит электрический ток. Для того чтобы определить степень электропроводности того или иного материала надо определить его удельное электрическое сопротивление р (Ом *м) рассчитывается по формуле:

R − общее электрическое сопротивление образца материала Ом.

L − длина пути тока в образце материала м.

S − площадь образца материала, через которую протекают токи проводимости м²

Удельные сопротивления металлических проводников очень малы. Это указывает на большую электрическую проводимость проводниковых материалов.

Большие удельные сопротивления диэлектриков указывает на их весьма малую электрическую проводимость. У диэлектриков надо учитывать два удельных сопротивления: Удельное объёмное сопротивление р_и и удельное поверхностное сопротивление p_s.

?_u  позволяет оценить электрическое сопротивление диэлектрика при прохождении тока через его объём, a p_s  − электрическое сопротивление при протекании тока по его поверхности. Численное значение р_u всегда больше p_s В проводниковых и полупроводниковых материалах измеряют общее р, т.к. в них нельзя рассчитать токи р_и и p_s. Это объясняется повышенной электрической проводимостью данных материалов.

Для газообразных и жидких диэлектриков поверхностное сопротивление не рассчитывается.

Электропроводность диэлектриков зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от содержания примесей, от температуры, влажностных характеристик материала, состояния поверхности  и других характеристик.

 1- проводник;2- полупроводник; 3- диэлектрик

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТК_Р

С увеличением температуры объёмное сопротивление уменьшается, т.е. ТКр для диэлектриков имеет отрицательное значение.

ТК_р. − позволяет оценить изменение удельного электрического сопротивления материалов при изменении его t. При линейном изменении удельного сопротивления (в узком интервале t) значение  рассчитывается по формуле:

где p₁ и p₂ удельное электрическое сопротивление материала при начальной . На рисунке видно ТК_Р проводников >0. Это указывает на рост сопротивления с повышением температуры.  У диэлектриков ТК_Р < 0, что указывает на уменьшение сопротивления этих материалов с повышением t.

Электрическая прочность Е_пр.

Под воздействием внешнего электрического поля и других факторов в диэлектрике может образоваться проводящий канал, т.е. могут теряться изоляционные свойства. Потеря диэлектриком изоляционных свойств называется пробоем.

Минимальное напряжение, приложенное к диэлектрику, при котором наступает пробой, называется пробивным напряжением U_пр.

Напряжение пробоя зависит от толщины диэлектрика и не является однозначной характеристикой его прочности. Электрической прочностью (Е_пр) диэлектриков считается минимальная напряжённость однородного электрического поля (однородным называется электрическое поле, напряжённость во всех точках которого одинакова),  при которой происходит пробой — разрушение диэлектрика с образованием в нём сквозного канала с очень большой проводимостью. Рассчитывается по формуле:

U_np-пробивное напряжение, при котором наступает пробой диэлектрика (В).

h − толщина диэлектрика в месте пробоя (м).

Т.к. диэлектики пробиваются при очень больших напряжениях (1000В) значения электрической прочности выражают в MB на м толщины.

Электрическая прочность диэлектриков зависит от агрегатного состояния и структуры материала, наличия примесей, однородности поля, расстояния между электродами (толщины диэлектрика), площади электродов и других факторов.

Е_пр уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и с повышением температуры. Это связано с увеличением тока проводимости и возрастанием количества теплоты, выделяемой в диэлектрике.

При изготовлении электротехнического оборудования электрическая прочность изоляции (Е_пр) должна обеспечить надёжную работу оборудования в течение срока службы (20-40 лет). Это означает, что напряжение пробоя изоляции U_пр должно быть больше как максимального рабочего напряжения, так и возможных перенапряжений, которые могут возникать в электрических установках и системах. Эти перенапряжения могут превышать рабочие напряжения в 2-3 раза и более.

Виды пробоя.

В зависимости от механизма развития проводящего канала различают следующие виды пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает в сильных электрических полях и обусловлен электронными процессами – ударной и фотонной ионизацией. Этот вид пробоя преобладает в газообразных диэлектриках.

В жидких и твёрдых диэлектриках электрический пробой имеет место при  больших   значениях напряжённости электрического поля  и при наличии в этих материалах газовых включений.

Тепловой пробой возникает при уменьшении электрического сопротивления диэлектрика за счёт нагрева. увеличение температуры диэлектрика возможно как за счёт увеличения тока утечки через диэлектрик, так и в результате нагрева токоведущих проводников при перегрузках и недостаточном охлаждении. Этот процесс может носить лавинообразный характер – вплоть до термического разрушения диэлектрика. Такой механизм пробоя характерен для жидких и твёрдых материалов.

Электрохимическим пробоем называется механизм образования проводящего канала в диэлектрике в результате одновременного воздействия как электрических, так и химических процессов. Он может развиваться в жидких и твёрдых диэлектриках, а также на поверхности твёрдых материалов.

Видео о электрическом пробое

удельное электрическое сопротивление — английский перевод

изоляционные свойства очень высокое удельное поверхностное электрическое сопротивление	Electrical insulation very high electrical surface resistivity
удельное электрическое сопротивление 2 х 10 4 Ом см или более.	An electrical resistivity of 2 x 10 4 ohm cm or more.
удельное электрическое сопротивление 2 х 10 4 Ом см или более.	A bandwidth exceeding 2 MHz per electronic channel or track and having more than 42 tracks or
Но что же такое электрическое сопротивление?	But what is electrical resistance?
Удельное поверхностное сопротивление при 25 C 1012 Ом см2	Surface resistivity at 25  C 1012 ohm cm2
Удельное поверхностное сопротивление при 25 C gt 1012 Ом см2	Surface resistivity at 25 C gt 1012 ohm cm2
сила тока. .. напряжение, разность потенциалов, и электрическое сопротивление.	… the current … voltage, potential difference, and electrical resistance.
Удельное объемное сопротивление при 25 C не менее 1012 Ом см	Volume resistivity at 25  C minimum 1012 ohm cm
Удельное объемное сопротивление при 25 C не менее 1012 Ом см	Volume resistivity at 25 C minimum 1012 ohm cm
Явление сверхпроводимости возникает, когда металл полностью теряет свое электрическое сопротивление.	Superconductivity occurs when a metal loses all resistance to the flow of an electric current.
Шаманы племени карис на Делиусе7 проводят ритуал, который повышает электрическое сопротивление кожи.	The shamans of the Karis Tribe on DeIios VII practice a ritual that increases the electrical resistance of their skin.
Удельное среднеквадратичное отклонение ( )	relative standard deviation (per cent)
Объемная электропроводность и поверхностное удельное сопротивление должны определяться в соответствии со стандартной методикой ASTM D 257 или ее национальным эквивалентом.	Bulk electrical conductivity and sheet (surface) resistivity should be determined using ASTM D 257 or national equivalents.
Объемная электропроводность и поверхностное удельное сопротивление должны определяться в соответствии со стандартной методикой ASTM D 257 или ее национальным эквивалентом.	Field Programmable Interconnects (FPICs)
Удельное давление ветра Рwd, (Па)	Specific wind pressure Pwd,(Pa)
Удельное давление ветра Рwd, (Па)	wd,(Pa)
Удельное давление ветра Рwd, (Па)	Specific wind pressure Pwd (Pa)
Что такое удельное демографическое давление ?	What is specific demographic pressure?
Электрическое оборудование	Electrical
Электрическое оборудование	Construction equipment
Электрическое оборудование	Electrical equipment
Электрическое оборудование	All the statistical options highlighted above were reviewed.
Электрическое оборудование	Electrical equipment
Электрическое оборудование	Electrical Equipment
Электрическое шипение	Electrical Crackling
Электрическое покрывало.	An electric blanket.
Чтото электрическое?	Electrical? No, no.
Удельное потребление топлива на этапе торможения	Brake specific fuel consumption
Медицинское электрическое оборудование	Electrical medical equipment
3.4 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ	3.4. ELECTRICAL EQUIPMENT
3.4 Электрическое оборудование	3.4. Electrical Equipment
5. Электрическое оборудование	5. Electrical equipment
8.2.4.3 Электрическое заземление	8.2.4.3.
3.4 Электрическое оборудование	Electrical Equipment
Молния электрическое явление.	Lightning is an electrical phenomenon.
Когда датчик подвергается изменению давления, изменяется электрическое сопротивление и компьютер тонометра вычисляет изменение давления в соответствии с изменением сопротивления.	When the sensor is subjected to a change in pressure, the electrical resistance is altered and the tonometer’s computer calculates a change in pressure according to the change in resistance.
Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно.	The resistivity of plutonium at room temperature is very high for a metal, and it gets even higher with lower temperatures, which is unusual for metals.
Сопротивление… Сопротивление бесполезно.	Struggling… struggling is pointless.
ГЛАВА 9 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ	Earthing. Earthing means electrical connection to the mass of the hull.
15 10 Электрическое оборудование	15 10.1 Only electrical equipment is permitted for lighting.
Электрическое и фотометрическое испытание	Electrical and photometric test
электрическое и электронное оборудование.	n electrical and electronic appliances
i. Зубоврачебное кресло, электрическое	i. Dental chair, electrical
Электрическое и электронное оборудование	Electrical and electronics equipment
15 10 Электрическое оборудование	15 10 ELECTRICAL EQUIPMENT

Краткий словарь терминов, используемых при удалении и нанесении статических зарядов

Краткий словарь терминов, используемых при удалении и нанесении статических зарядов

• +7 (926) 204-72-73   sp@anti-static. ru

• О компании

• Как купить

• Продукция
  • Измерители
    • Измеритель 715
    • Тестер 720
    • Измеритель 740 SRM
  • Пассивное удаление
    • Щетки 101, 201
    • Щетки 406/7, 409/11
    • Шнуры 850, 850Е
    • Компактная щетка 660
    • Гирлянда-мишура 801
  • Ближнее действие
    • Ионизатор 1260
    • Ионизатор 1265
    • Ионизаторы 1100
    • Ионизаторы 1250, 1250-S
    • Ионизаторы 1255, 1255-S
    • Ионизатор Super80
    • Ионизатор AirBar
    • Ионизатор 3014
    • Ионизатор 3024 Ultra-Compact
    • Ионизаторы 3024 Compact
    • Ионизаторы 3024-F/L
    • Ионизатор NEOS 12F
    • Ионизатор NEOS 12L
  • Дальние расстояния
    • Ионизаторы 3024-F/L
    • Вентиляторы 2050
    • Вентиляторы 2010
    • Ионизатор 3810 Ionstorm
    • Ионизатор 3850 Ionstorm
    • Ионизатор 3850-HP Ionstorm
    • Ионизатор 3100 Jupiter
    • Ионизатор XIFOS 33
  • Серия NEOS/XIFOS
    • Ионизатор NEOS 12F/L
    • Ионизатор NEOS 20
    • Ионизатор NEOS 30
    • Ионизатор NEOS 30 OEM
    • Ионизатор XIFOS 33
  • Воздух и очистка
    • Ионизатор 4200 SP
    • Форсунка 4300
    • Форсунка 4510
    • Шина с форсунками 4200
    • Воздушные ножи 5000/5100
    • Пистолет 4125
    • 4900 Roto-Clean
    • Ионизатор 4400
    • Ионная труба 6000
    • Воздушный нож 5500
  • Блоки питания
    • Блок HP50-1
    • Блок HP50-2
    • Блок HP50-2 OEM
    • Блоки HP50-4
    • Блоки HP50-F
    • Разъем HP-ILC
    • Блок HP 4:1
    • Блок 9055‑2
    • Блок HP80
  • Генерация статики
    • Компактные электроды
    • Зарядный жезл 7097
    • Ионизаторы зарядные
    • Генераторы серии 7
    • Генератор IONFIX Compact
    • Генератор IONFIX Pro
    • Компоненты IML

• Решения
  • Печать
    • Цифровая печать и постпечатная обработка
    • Широкоформатная печать
    • Флексопечать и высечка этикеток
    • Шелкотрафаретная печать
    • Тампонная печать
    • Офсетная печать и фальцовка
  • Пластики
    • Термоусадочная упаковка
    • Производство пакетов
    • Намотчики
    • Формовка пластика
    • Формовка легких изделий
    • Изготовление бутылок из пластика
  • Упаковка
    • Вертикальные упаковочные автоматы
    • Блистерная упаковка
    • Струйное кодирование и маркировка
    • Разное
  • Текстильные производства
  • Чистые комнаты
  • Удары током
  • Генерация статики
    • Закрепление краёв пленки
    • Непрерывная намотка пленки
    • Этикетки при формовке пластика (IML)

• Статьи и обзоры
  • Немного теории о статике
  • Часто задаваемые вопросы
  • Обзор антистатических ионизаторов
  • Измеритель статики Fraser на НТВ

• Контакты

• Буклет Fraser
• Измерение статики
  • Измеритель статики 715
  • Тестер-измеритель заряда 720
  • Измеритель сопротивления 740 SRM
• Пассивное удаление
  • Антистатические щетки 101, 201
  • Самоклеящиеся ленточные щетки 406/7, 409/11
  • Антистатические шнуры 850, 850Е
  • Антистатическая компактная щетка 660
  • Антистатическая гирлянда-мишура 801
• Ближнее действие
  • Шины-ионизаторы 1100
  • Шины-ионизаторы 1250, 1250-S
  • Шины-ионизаторы 1255, 1255-S
  • Шина-ионизатор с раздувом 1250 Air Bar
  • Точечный ионизатор 1260
  • Точечный ионизатор 1265
  • Шина-ионизатор 3014
  • Точечный ионизатор 3024 Ultra-Compact
  • Шины-ионизаторы 3024 Compact
  • Шины-ионизаторы 3024-F и 3024-L
  • Шина-ионизатор Super80
• Дальнее действие
  • 3024-F и 3024-L
  • Вентиляторы антистатические серии 2050
  • Вентиляторы антистатические серии 2010
  • Точечный ионизатор 3810 Ionstorm
  • Шина-ионизатор 3850 Ionstorm
  • Шина-ионизатор 3850-HP Ionstorm
  • Шина-ионизатор 3100 Jupiter
• NEOS/XIFOS
  • Ионизаторы NEOS 12F/L
  • Ионизатор NEOS 20
  • Ионизатор NEOS 30
  • Ионизатор NEOS 30 OEM
  • Ионизатор XIFOS 33
• Очистка от пыли
  • Точечный ионизатор 4200 SP
  • Встраиваемая форсунка 4300
  • Воздушная форсунка 4510
  • Шина-ионизатор с форсунками 4200
  • Воздушные ножи 5000/5100
  • Воздушный пистолет 4125
  • Очиститель 4900 Roto-Clean
  • Точечный ионизатор с форсункой 4400
  • Ионная труба 6000
  • Воздушный нож с вентилятором 5500
• Блоки питания
  • Блок питания HP50-1
  • Блок питания HP50-2
  • Блок питания HP50-2 OEM
  • Блоки питания HP50-4
  • Блоки питания HP50-F
  • Внутрикабельный разъем HP-ILC
  • Блок разъемов HP 4:1
  • Блок питания 9055‑2
  • Блок питания HP80
• Генерация статики
  • Электроды для закрепления зарядом 7090, 7095
  • Жезл для закрепления зарядом 7097
  • Шина-ионизатор генерирующая 7080
  • Генераторы статики серии 7 (30/50 кВ)
  • Генератор статики IONFIX Compact (30 кВ)
  • Генератор статики IONFIX Pro (30/60 кВ)
  • Блок разъемов для генератора
  • Компоненты для технологии IML

Статическое электричество (статика)

Явления, связанные с возникновением, сохранением и освобождением электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках. Подробно о возникновении статического заряда смотрите в статье на сайте.

Удельное электрическое сопротивление (удельное сопротивление)

Характеризует его способность проводить электрический ток.Единица измерения удельного сопротивления в СИ — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм²/м.Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м².

Поверхностное сопротивление

Характеризуется «удельным сопротивлением на квадрат», .В этом случае удельное сопротивление не зависит от линейных размеров образца если он имеет форму прямоугольника, а только от отношения (длины к ширине) L/W: , где R — измеренное сопротивление.Удельное поверхностное сопротивление диэлектриков является параметром диэлектрика и зависит от природы диэлектрика, температуры, влажности и приложенного напряжения.

Сопротивление заземления

Основной показатель заземляющего устройства, определяющий его способность выполнять свои функции и определяющий его качество в целом. Определяется, как величина «противодействия» растеканию электрического тока в земле, поступающего в нее через заземлитель.Измеряется в Омах и должно иметь минимально низкое значение.Идеальный случай — нулевая величина, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» электротоков, что гарантирует их полное поглощение землей.

Проводник

Тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля. Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных- хорошие проводники электрических зарядов.

Диэлектрик (изолятор)

Тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.В изоляторах электрический ток невозможен. Примеры диэлектриков: стекло, пластик, резина, картон, воздух.Тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами.

Постоянный ток, DC (англ. direct current)

Электрический ток, параметры, свойства, и направление которого не изменяются со временем.

Переменный ток, AC (англ. alternating current)

Электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.

Импульсный постоянный ток, Pulsed DC (англ.)

Ток который представляет из себя короткие импульсы с паузами.Применяется сейчас в основном в блоках питания с целью уменьшения веса.Также высоковольтные импульсы постоянного тока эффективны при применении в мощных ионизаторах для удаления статики.

Заземление

Это электрическое соединение какой-либо точки электросети, электроустановки или оборудования через проводник с землей.Защитное заземление — это заземление электрооборудования с целью обеспечения его защиты и защиты людей от воздействия опасных напряжений и токов, могущих возникнуть при поломках, неправильной эксплуатации техники и при разрядах молний.

Разрядник статики (антистатический разрядник)

Общее название устройств-нейтрализаторов статического электричества. Различают пассивные и активные разрядники статики.

Пассивные разрядники

Средства для удаления статики, не имеющие в своей конструкции каких-либо генерирующих электротехнических устройств, и, соответственно, не требующих электропитания.Обычно представляют собой проводящие щетки, шнуры и аналогичные приспособления, служащие для сбора статических зарядов с поверхностей диэлектриков и стекания их через заземление.

Активные устройства для удаления статики

Электротехнические приборы, генерирующие потоки положительных и отрицательных ионов для компенсации зарядов на поверхности материалов и последующей взаимной рекомбинации.

Ионизация

Процесс образования положительных и/или отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.

Ионизаторы

Устройства для получения свободных ионов.В основном используются для удаления или нанесения статического заряда в промышленности.Для удаления статики генерируются положительные и отрицательные ионы, а для нанесения — только положительные, либо только отрицательные ионы, в зависимости от свойств заряжаемого материала. Также ионизаторы применяются для очистки и улучшения свойств воздуха в бытовых и промышленных условиях.

Эмиттер

Металлическая игла (в устройствах Fraser применяется вольфрам или титан), на которую через резистор подается высоковольтный импульс, вызывающий электрический разряд на конце иглы и последующую ионизацию молекул окружающего воздуха.

Точечный ионизатор

Ионизатор для удаления или нанесения статического заряда, имеющий в конструкции только один эмиттер и предназначенный для локального воздействия.

Шина-ионизатор

Ионизатор для удаления или нанесения статического заряда, имеющий в конструкции несколько эмиттеров, расположенных линейно в один или два ряда, в зависимости от назначения.Может иметь различную длину в зависимости от требований клиента.Устанавливается на всю ширину обрабатываемого материала, конвейера и т.п.

Резистивная развязка

Способ соединения эмиттера с высоковольтным источником питания через резистор. Применяется во всех ионизаторах Fraser для обеспечения безопасной для оператора силы тока в 1 микроампер (согласно требованиям директив ЕС) и предотвращения ударов током и возможного травмирования движущимися частями механизмов.

IML (англ. In-Mould Labeling)

Технология нанесения этикеток на полимерные изделия, изготавливаемые в процессе литья под давлением в термопластавтоматах.Этикетка заряжается статическим электричеством и помещается на поверхность формы непосредственно перед производственным циклом литья.

«Ионный дождь»

Непрерывный поток одноименно заряженных ионов, отталкиваемых постоянно вновь образующимися ионами от каждого из двух рядов эмиттеров в ионизаторах постоянного тока.Эффективен для удаления мощных электростатических зарядов с поверхностей или для заполнения ионами закрытых рабочих пространств.

ATEX (ATmospheres EXplosibles)

Стандарт взрывобезопасности оборудования, разработанный Евросоюзом.Оборудование Fraser, предназначенное для работы в опасных средах, маркируется значком EX и изготовлено в соответствии с директивой 94/9/EC «Оборудование и защитные системы для использования во взрывоопасных средах».

• © ООО «Смарт Протекшн», Fraser Anti-Static Techniques Ltd., Москва, 2012 — 2022

Удельное электрическое сопротивление, калькулятор онлайн, конвертер

Содержание

Что влияет на сопротивление медного провода

Электрический импеданс медного кабеля зависит от нескольких факторов:

• Удельного сопротивления;
• Площади сечения проволоки;
• Длины провода;
• Внешней температуры.

Последним пунктом можно пренебречь в условиях бытового использования кабеля. Заметное изменение импеданса происходит при температурах более 100°C.

Зависимость сопротивления

Удельное сопротивление в системе СИ обозначается буквой ρ. Оно определяется, как величина сопротивления проводника, имеющего сечение 1 м2 и длину 1 м, измеряется в Ом ∙ м2. Такая размерность неудобна в электротехнических расчетах, поэтому часто используется единица измерения Ом ∙ мм2.

Важно! Данный параметр является характеристикой вещества — меди. Он не зависит от формы или площади сечения

Чистота меди, наличие примесей, метод изготовления проволоки, температура проводника — факторы, влияющие на удельное сопротивление.

Зависимость параметра от температуры описывается следующей формулой: ρt= ρ20. Здесь ρ20— удельное сопротивление меди при 20°C, α— эмпирически найденный коэффициент, от 0°Cдо 100°C для меди имеет значение, равное 0,004 °C-1, t — температура проводника.

Ниже приведена таблица значений ρ для разных металлов при температуре 20°C.

Таблица удельного сопротивления

Согласно таблице, медь имеет низкое удельное сопротивление, ниже только у серебра. Это обуславливает хорошую проводимость металла.

Чем толще провод, тем меньше его резистентность. Зависимость R проводника от сечения называется «обратно пропорциональной».

Важно! При увеличении поперечной площади кабеля, электронам легче проходить сквозь кристаллическую решетку. Поэтому, при увеличении нагрузки и возрастании плотности тока, следует увеличить площадь сечения

Увеличение длины медного кабеля влечет рост его резистентности. Импеданс прямо пропорционален протяженности провода. Чем длиннее проводник, тем больше атомов встречаются на пути свободных электронов.

Выводы

Последним элементом, влияющим на резистентность меди, является температура среды. Чем она выше, тем большую амплитуду движения имеют атомы кристаллической решетки. Тем самым, они создают дополнительное препятствие для электронов, участвующих в направленном движении.

Важно! Если понизить температуру до абсолютного нуля, имеющего значение 0° Kили -273°C, то будет наблюдаться обратный эффект — явление сверхпроводимости. В этом состоянии вещество имеет нулевое сопротивление

Температурная корреляция

Таблица удельных сопротивлений проводников

 

Материал проводника	Удельное сопротивление ρ в
Серебро Медь Золото Латунь Алюминий Натрий Иридий Вольфрам Цинк Молибден Никель Бронза Железо Сталь Олово Свинец Никелин (сплав меди, никеля и цинка) Манганин (сплав меди, никеля и марганца) Константан (сплав меди, никеля и алюминия) Титан Ртуть Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) Фехраль Висмут Хромаль	0,015 0,0175 0,023 0,025… 0,108 0,028 0,047 0,0474 0,05 0,054 0,059 0,087 0,095… 0,1 0,1 0,103… 0,137 0,12 0,22 0,42 0,43… 0,51 0,5 0,6 0,94 1,05… 1,4 1,15… 1,35 1,2 1,3… 1,5

 

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм2. Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм2.

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм2.

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм2.

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм2. Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 — 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

температурный коэффициент сопротивления
—
это изменение сопротивления проводника при его нагревании,
приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры,
обозначается буквой α.

Если при температуре t сопротивление проводника равно r, а при температуре t равно r_t, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Таблица 2

От чего зависит величина сопротивления R ?

Дальнейшие эксперименты показали, что:

• Величина R прямо пропорциональна длине проводника, то есть чем больше длина проводник L, тем больше тем больше его сопротивление, причем зависимость линейная, то есть R∼ L;
• Величина R , обратно пропорциональна поперечной площади проводника S, то есть $ R ∼ {1\over S } $;
• Поскольку у проводников из разных материалов с одинаковыми размерами S и L сопротивления отличались, то была введена физическая величина, названная удельным сопротивлением ρ.

Рис. 1. Проводник длиной L, поперечным сечением S и током I

Тогда выражение для величины сопротивления приобрело следующий вид:

$ R = ρ * {L\over S} $ (2).

Из уравнения (2) можно получить формулу удельного сопротивления проводника:

$ ρ = R * { S \over L } $ (3).

Пользуясь формулой (3), можно дать следующее определение: удельное сопротивление — это величина, равная сопротивлению проводника длиной один метр с площадью поперечного сечения в один метр квадратный. Тогда в Международной системе СИ получаем для ρ размерность :

$ = {{*}\over } = * $ (4).

Оказалось, для практического применения величину ρ удобнее определить как сопротивление проводника длиной один метр с площадью поперечного сечения в один миллиметр квадратный.

$ = {{*}\over } $ (5).

Тогда числовые значения ρ, становятся более удобными для восприятия. Например, удельное сопротивление железа ρ_ж = 130000 (Ом*м) = 0,13 (Ом*мм2)/м. В справочниках данные приводятся в этом в последнем, более компактном представлении.

Особенности вычислений электросопротивления

Измерение электросопротивления металлов осуществляется при помощи специальных измерительных приборов — микроомметров. На сегодняшний день они выпускаются в цифровом формате, поэтому информация, полученная с их помощью, отличается высокой достоверностью. Объясняется это тем, что металлические изделия характеризуются высокой степенью проводимости и обладают предельно низким сопротивлением.

При использовании микроомметров появляется возможность быстро и безошибочно установить качество контакта и понять, какое электросопротивление оказывают катушки трансформаторов, генераторов, электрических шин, а также электродвигателей.

Используя данные электроприборы, можно с легкостью определить наличие включений других металлов в заготовке. К примеру, вольфрамовый слиток, обработанный золотым напылением, будет показывать проводимость наполовину меньшую, чем слиток золота, не имеющий примесей. Применяя данную методику, можно диагностировать внутренние неисправности и пустоты в проводниках.

Надо ли каждый раз измерять удельное сопротивление?

Нет, не надо. Эта работа давно проделана физиками-экспериментаторами и сведена в таблицы для разных веществ, которые можно найти в технических справочниках или в их интернет-версиях. Для примера ниже приведена таблица для некоторых веществ:

Удельное сопротивление металлов, Ом*мм2/м

(при Т = 20С)

Серебро	0,016	Бронза (сплав)	0,1
Медь	0,017	Олово	0,12
Золото	0,024	Сталь (сплав)	0,12
Алюминий	0,028	Свинец	0,21
Иридий	0,047	Никелин (сплав)	0,42
Молибден	0,054	Манганин (сплав)	0,45
Вольфрам	0,055	Константан (сплав)	0,48
Цинк	0,06	Титан	0,58
Латунь (сплав)	0,071	Ртуть	0,958
Никель	0,087	Нихром (сплав)	1,1
Платина	0,1	Висмут	1,2

Надо иметь в виду, что в этих таблицах значения удельного сопротивления приводятся, как правило, при комнатной температуре, которая в среднем равна . Более подробные исследования показали, что зависит от температуры. Но это уже тема для другого занятия.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что такое удельное сопротивление. Зная эту величину и геометрические размеры образца (например, провода), можно вычислить его сопротивление. Если же нет табличных (справочных) данных, то можно определить с помощью закона Ома и формулы: $ρ=R*{S \over L}$.

Сопротивление и удельное сопротивление

Сопротивление – электрическое свойство, создающее препятствия течению. Перемещающийся по проводу ток напоминает воду, текущую в трубе, а падение напряжения – перепад давления. Сопротивление выступает пропорциональным давлению, которое нужно для формирования конкретного потока, а проводимость пропорциональна скорости потока. Проводимость и сопротивление выступают соотносимыми.

Сопротивление основывается на форме и материале объекта. Легче всего рассматривать цилиндрический резистор и уже от него переходить к сложным формам. Электрическое сопротивление цилиндра (R) будет прямо пропорциональным длине (L). Чем длиннее, тем больше столкновений будет происходить с атомами.

Единый цилиндр с длиной (L) и площадью поперечного сечения (А). Сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению жидкости в трубе. Чем длиннее цилиндр, тем сильнее сопротивление. А вот с ростом площади поперечного сечения уменьшается сопротивление

Разные материалы гарантируют различное сопротивление. Определим удельное сопротивление (p) вещества так, чтобы сопротивление (R) было прямо пропорциональным p. Если удельное выступает неотъемлемым свойством, то простое сопротивление – внешнее.

Типичный осевой резистор

Что определяет удельное сопротивление проводника? Сопротивление в зависимости от материала может сильно отличаться. Например, у тефлона проводимость в 1030 раз ниже, чем показатель меди. Откуда такое отличие? У металла наблюдается огромное количество делокализованных электронов, которые не задерживаются в конкретном месте, а свободно путешествуют на большие дистанции. Однако в изоляторе (тефлон) электроны тесно связаны с атомами и нужна серьезная сила, чтобы оторвать их. В некоторых керамических изоляторах можно встретить сопротивление больше 1012 Ом. У сухого человека – 105 Ом.

Разность напряжения в сети отображает сумму всех напряжений и общее сопротивление передается формулой:

R_eq = R₁ + R₂ + ⋯ + R_N.

Резисторы в параллельной конфигурации проходят сквозь одинаковую разность напряжения. Поэтому можно вычислить эквивалентное сопротивление сети:

1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + ⋯ + 1/R_N.

Параллельное эквивалентное сопротивление можно представить в формуле двумя вертикальными линиями или слешем (//). Например:

Каждое сопротивление R задается как R/N. Резисторная сеть отображает комбинацию параллельных и последовательных соединений. Ее можно разбить на более мелкие составляющие.

Эту комбинированную схему можно разбить на последовательные и параллельные компоненты

Некоторые сложные сети нельзя рассмотреть таким способом. Но нестандартное значение сопротивления можно синтезировать, если объединить несколько стандартных показателей последовательно и параллельно. Это также можно использовать для получения сопротивления с более высокой номинальной мощностью, чем у отдельных резисторов. В конкретном случае все резисторы подключены последовательно или параллельно и номинал индивидуальных умножается на N.

Обзор

Электрический ток

Батарея
Измерения тока и напряжения в цепях
Микроскопический вид: скорость дрейфа

Сопротивление и резисторы

Закон Ома
Температура и сверхпроводимость
Сопротивление и удельное сопротивление
Зависимость сопротивления от температуры

Электрическая энергия и энергия

Переменные токи

Фазоры
Средниеквадратное значение корня
Меры предосторожности в домашнем хозяйстве

Электричество в мире

Люди и электрическая опасность
Проводимость нервов и электрокардиограммы
Электрическая активность в сердце

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.

Электропроводность металлов

Ещё до открытия электронов было обнаружено, что протекание тока в металлах, в отличие от тока в жидких электролитах, не обусловлено переносом вещества металла. Эксперимент, который выполнил немецкий физик Карл Виктор Эдуард Рикке (Riecke Carl Viktor Eduard) в 1901 году, состоял в том, что через контакты различных металлов, — двух медных и одного алюминиевого цилиндра с тщательно отшлифованными торцами, поставленными один на другой, в течение года пропускался постоянный электрический ток. Затем исследовался состав материала вблизи контактов. Оказалось, что переноса вещества металла через границу не происходит и вещество по разные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока. {2}}T,}

где k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд. Эта связь основана на том факте, что как электропроводность, так и теплопроводность в металлах обусловлены движением свободных электронов проводимости.

Единицы измерения удельного сопротивления

Из уравнения (3) следует, что в Международной системе СИ единицей измерения ρ будет (Ом*м), так как сопротивление измеряется в омах, а длина и площадь — в метрах и метрах квадратных соответственно. То есть единица удельного сопротивления равна сопротивлению образца площадью 1 м2 и длиной 1 м. Но на практике эта единица оказалась не очень удобной из-за слишком больших числовых значений. Поэтому для электротехнических расчетов чаще используют внесистемную единицу (Ом*мм2/м), для которой площадь поперечного сечения берется в мм2. Характерные размеры сечений соединительных проводов и кабелей лежат в диапазоне 1-15 мм2, чем и объясняется удобство применения внесистемной единицы.

Алюминиевые провода устойчивы к коррозии, имеют низкое удельное сопротивление 0,026 (Ом*мм2/м) и небольшой вес на метр длины, что делает этот материал очень востребованным при изготовлении проводов и кабелей, работающих за пределами помещений. Недостатком чисто алюминиевой проводки является потеря прочности (целостности) при изгибах и скручиваниях. Решение этой проблемы было найдено путем вплетения в провода высоковольтных линий электропередач небольшого количества токопроводящих стальных нитей, имеющих высокие показатели прочности ко всем видам нагрузок

Это особенно важно при сильных порывах ветра, и при образовании наледи на проводах в зимнее время

Девиации удельных проводимостей и сопротивлений

Далее рассмотрим, от чего зависит удельная проводимость, связанная обратной зависимостью с удельным сопротивлением. Удельное сопротивление вещества — это довольно-таки абстрактная физическая величина. Каждый проводник существует в виде конкретного образца. Для него характерно наличие различных примесей и дефектов внутренней структуры. Они учитываются как отдельные слагаемые выражения, определяющего удельное сопротивление в соответствии с правилом Маттиссена. Это правило также учитывает рассеяние движущегося потока электронов на колеблющихся в зависимости от температуры узлах кристаллической решетки образца.

Наличие внутренних дефектов, таких как вкрапление различных примесей и микроскопические пустоты, также увеличивает удельное сопротивление. Для определения количества примесей в образцах удельное сопротивление материалов измеряется для двух значений температуры материала образца. Одна температурная величина — комнатная, а другая соответствует жидкому гелию. По отношению результата измерения при комнатной температуре к результату при температуре жидкого гелия получают коэффициент, который иллюстрирует структурное совершенство материала и его химическую чистоту. Коэффициент обозначается буквой β.

Правило Маттиссена

Если в качестве проводника электрического тока рассматривается металлический сплав со структурой твердого раствора, которая неупорядочена, величина остаточного удельного сопротивления может быть существенно больше удельного сопротивления. Такая особенность металлических сплавов из двух составляющих, не относящихся к редкоземельным элементам, так же, как и к переходным элементам, охватывается специальным законом. Его называют законом Нордгейма.

Закон Нордгейма

Современные технологии в электронике все больше стремятся в сторону миниатюризации. Причем настолько, что вскоре появится слово «наносхема» взамен микросхемы. Проводники в таких устройствах настолько тонкие, что правильным будет называть их пленками из металла. Вполне понятно то, что пленочный образец своим удельным сопротивлением будет отличаться в большую сторону от более крупного проводника. Малая толщина металла в пленке приводит к появлению в нем свойств полупроводников.

Начинает проявляться соразмерность толщины металла со свободным пробегом электронов в этом материале. Места для движения электронов остается мало. Потому они начинают мешать друг другу двигаться упорядоченно, что и приводит к увеличению удельного сопротивления. Для пленок из металла удельное сопротивление рассчитывают по специальной формуле, полученной на основе экспериментов. Формула названа именем Фукса — ученого, который изучал удельное сопротивление пленок.

Формула Фукса

Пленки — это весьма специфические образования, которые сложно повторить так, чтобы свойства нескольких образцов были одинаковыми. Для приемлемой точности в оценке пленок применяют специальный параметр — удельное поверхностное сопротивление.

Формула для вычисления удельного поверхностного сопротивления

Из металлических пленок на подложке микросхем формируются резисторы. По этой причине расчеты удельного сопротивления — это весьма востребованная задача в микроэлектронике. Величина удельного сопротивления, очевидно, имеет влияние со стороны температуры и связана с ней зависимостью прямой пропорциональности. Для большинства металлов эта зависимость имеет некоторый линейный участок в определенном температурном диапазоне. В таком случае удельное сопротивление определяется формулой:

Расчет удельного сопротивления при заданной температуре

В металлах электроток возникает по причине большого числа свободных электронов, концентрация которых относительно велика. Причем, электроны так же определяют и большую теплопроводность металлов. По этой причине между удельной электрической проводимостью и удельной теплопроводностью установлена связь особым законом, который был обоснован экспериментальным путем. Этот закон Видемана-Франца характерен такими формулами:

Закон Видемана — Франца
Закон Видемана-Франца

Сверхпроводимость

При температурах соответствующих сжижению газов, то есть вплоть до температуры жидкого гелия, которая равна – 273 градуса по Цельсию удельное сопротивление уменьшается почти до полного исчезновения. И не только у хороших металлических проводников, таких как серебро, медь и алюминий. Практически у всех металлов. При таких условиях, которые называются сверхпроводимостью, структура металла не имеет тормозящего влияния на движение зарядов под действием электрического поля. Поэтому ртуть и большинство металлов становятся сверхпроводниками.

Но, как выяснилось, относительно недавно в 80-х годах 20-го века, некоторые разновидности керамики тоже способны к сверхпроводимости. Причём для этого не надо использовать жидкий гелий. Такие материалы назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Однако уже прошло несколько десятков лет, и ассортимент высокотемпературных проводников существенно расширился. Но массового использования таких высокотемпературных сверхпроводящих элементов не наблюдается. В некоторых странах сделаны единичные инсталляции с заменой обычных медных проводников на высокотемпературные сверхпроводники. Для поддержания нормального режима высокотемпературной сверхпроводимости необходим жидкий азот. А это получается слишком дорогим техническим решением.

Поэтому, малое значение удельного сопротивления, дарованное Природой меди и алюминию, по-прежнему делает их незаменимыми материалами для изготовления разнообразных проводников электрического тока.

Физика для средней школы

Сопротивление проводников. Удельное сопротивление

Как уже отмечалось, сила тока в цепи зависит не только от напряжения на концах участка, но также и от свойств проводника, включенного в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводников объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление R — физическая скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике. Обозначается сопротивление буквой R. В СИ единицей сопротивления проводника является ом (Ом).

1 Ом — сопротивление такого проводника, сила тока в котором равна 1 А при напряжении на нем 1 В.

Применяются и другие единицы: килоом (кОм), мегаом (МОм), миллиом (мОм): 1 кОм = 103 Ом; 1 МОм = 106 Ом; 1 мОм = 10-3 Ом.

Физическую величину G, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью

Единицей электрической проводимости в СИ является сименс: 1 См — это проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Проводник содержит не только свободные заряженные частицы — электроны, но и нейтральные частицы и связанные заряды. Все они участвуют в хаотическом тепловом движении, равновероятном в любых направлениях. При включении электрического поля под действием электрических сил будет преобладать направленное упорядоченное движение свободных зарядов, которые должны двигаться с ускорением и их скорость должна была бы со временем возрастать. Но в проводниках свободные заряды движутся с некоторой постоянной средней скоростью. Следовательно, проводник оказывает сопротивление упорядоченному движению свободных зарядов, часть энергии этого движения передается проводнику, в результате чего повышается его внутренняя энергия. Из-за движения свободных зарядов искажается даже идеальная кристаллическая решетка проводника, на искажениях кристаллической структуры рассеивается энергия упорядоченного движения свободных зарядов. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, длины проводника и площади поперечного сечения. Для проверки этой зависимости можно воспользоваться той же электрической схемой, что и для проверки закона Ома (рис. 2), включая в участок цепи MN различные по размерам проводники цилиндрической формы, изготовленные из одного и того же материала, а также из разных материалов.

Результаты эксперимента показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине l проводника, обратно пропорционально площади S его поперечного сечения и зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник:

где — удельное сопротивление проводника.

Удельное сопротивление проводника — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2, или сопротивлению куба с ребром 1 м. Единицей удельного сопротивления в СИ является ом-метр (Ом·м).

Удельное сопротивление металлического проводника зависит от

1. концентрации свободных электронов в проводнике;
2. интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
3. интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца — «нихрома». Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Средства воспроизведения сопротивления

Для определения меры электрического сопротивления используют:

• Магазин сопротивлений – специальный набор радиоэлементов различного номинала. Данные компоненты специально изготовлены таким образом, чтобы содержать эталонное сопротивление проводников. При подключении электропроводника с постоянным или переменным током к магазину сопротивления можно выбрать подходящий по величине резистор и получить на выходе определенное напряжение, которое затем можно измерить при помощи вольтметра;
• Катушка – устройство, которое работает по сходному с магазином принципу. При подключении на вход прибора можно при помощи имеющихся рычагов и переключателей отрегулировать величину сопротивления агрегата и получить на выходе требуемый вольтаж.

Сопротивление тела человека

Для расчёта опасной величины силы тока, протекающего через человека при попадании его под электрическое напряжение частотой 50 Гц, сопротивление тела человека условно принимается равным 1 кОм. Эта величина имеет малое отношение к реальному сопротивлению человеческого тела. В реальности сопротивление человека не является омическим, так как эта величина, во-первых, нелинейна по отношению к приложенному напряжению, во-вторых меняется во времени, в третьих, гораздо меньше у человека, который волнуется и, следовательно, потеет и т. д.

Серьёзные поражения тканей человека наблюдаются обычно при прохождении тока силой около 100 мА. Совершенно безопасным считается ток силой до 1 мА. Удельное сопротивление тела человека зависит от состояния кожных покровов. Сухая кожа обладает удельным сопротивлением порядка 10000 Ом·м, поэтому опасные токи могут быть достигнуты только при значительном напряжении. Однако при наличии сырости сопротивление тела человека резко снижается и безопасным может считаться напряжение только ниже 12 В. Удельное сопротивление крови 1 Ом·м при 50 Гц.

Применение электропроводности материалов

Многие из материалов, найденных в таблице удельного сопротивления, широко используются в электронике. Алюминий и особенно медь используются из-за их низкого уровня сопротивления. Большинство проводов и кабелей, используемых в наши дни для соединений в электросетях, изготавливаются из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень ρ, и имеют доступную цену. Хорошая проводимость золота, несмотря на цену, также используется в некоторых особо точных приборах.

Часто покрытие золотом встречается на высококачественных низковольтных соединениях, где стоит задача обеспечить наименьшее контактное сопротивление. Серебро не так широко используется в промышленной электротехнике, так как оно быстро окисляется, и это приводит к большому контактному сопротивлению. В некоторых случаях оксид может выступать в качестве выпрямителя. Сопротивление тантала используют в конденсаторах, никель и палладий — в концевых соединениях для многих компонентов поверхностного монтажа. Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кристаллы кварца используются в качестве частотных элементах во многих генераторах, где его высокое значение позволяет создавать надежные частотные контуры.

Почему у металлов самые низкие удельные сопротивления

Из приведенной таблицы видно, что самыми низкими значениями удельных сопротивлений обладают металлы: серебро, медь, золото, алюминий и др. Такое свойство металлов связано с большой концентрацией свободных электронов, “не привязанных” к конкретному атому, а блуждающих в пространстве кристаллической решетки. Напряжение, приложенное к концам проводника, создает электрическое поле, которое действует на электроны, заставляя их двигаться согласованно, в одном направлении.

Рис. 2. Электрический ток в металлах, свободные электроны.

Самым низким значением ρ обладает серебро — 0,016 Ом*мм2/м. Но для повсеместного, массового, использования в сетях электроснабжения и оборудовании этот металл не используется в виду слишком большой цены. Серебро применяется для создания самых ответственных контактов в специальных электротехнических устройствах. В следующей таблице приведены величины удельных сопротивлений металлов и сплавов, часто используемых металлов в электротехнике:

Таблица

Удельные сопротивления металлов, Ом*мм2/м

(при Т = 20С)

Серебро	0,016	Бронза (сплав)	0,1
Медь	0,017	Олово	0,12
Золото	0,024	Сталь (сплав)	0,12
Алюминий	0,028	Свинец	0,21
Иридий	0,047	Никелин (сплав)	0,42
Молибден	0,054	Манганин (сплав)	0,45
Вольфрам	0,055	Константан (сплав)	0,48
Цинк	0,06	Титан	0,58
Латунь (сплав)	0,071	Ртуть	0,958
Никель	0,087	Нихром (сплав)	1,1
Платина	0,1	Висмут	1,2

Наиболее популярными в электротехнике являются медь и алюминий. Медь и медные сплавы применяются для изготовления кабельной продукции и шунтов — деталей, ограничивающих большие токи через измерительные приборы.

 

 

Помогла ли вам статья?

Задать вопрос

Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях

Чему равно удельное сопротивление проводника. Удельное сопротивление проводников: меди, алюминия, стали

Электрическое сопротивление — физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику . Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже.

Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах. При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе , благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I 2 Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется.

Удельное сопротивление

Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м. Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле

где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)

Вещество	p , Ом*мм 2 /2	α,10 -3 1/K
Алюминий	0.0271
Вольфрам	0.055
Железо	0.098
Золото	0.023
Латунь	0. 025-0.06
Манганин	0.42-0.48	0,002-0,05
Медь	0.0175
Никель
Константан	0.44-0.52	0.02
Нихром		0.15
Серебро	0.016
Цинк	0.059

Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

Зависимость удельного сопротивления от деформаций

При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4.1 · 10 − 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 − 3 Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле

где r это удельное сопротивление после нагрева, r 0 – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t 2 – температура до нагрева, t 1 — температура после нагрева.

Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм 2 /м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 , после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия.

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко. Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор . Резистор применяется практически в любой электрической схеме.

Удельное электрическое сопротивление является физической величиной, которая показывает, в какой степени материал может сопротивляться прохождению через него электрического тока. Некоторые люди могут перепутать данную характеристику с обыкновенным электрическим сопротивлением. Несмотря на схожесть понятий, разница между ними заключается в том, что удельное касается веществ, а второй термин относится исключительно к проводникам и зависит от материала их изготовления.

Обратной величиной данного материала является удельная электрическая проводимость. Чем выше этот параметр, тем лучше проходит ток по веществу. Соответственно, чем выше сопротивление, тем больше потерь предвидится на выходе.

Формула расчета и величина измерения

Рассматривая, в чем измеряется удельное электрическое сопротивление, также можно проследить связь с не удельным, так как для обозначения параметра используются единицы Ом·м. Сама величина обозначается как ρ. С таким значением можно определять сопротивление вещества в конкретном случае, исходя из его размеров. Эта единица измерения соответствует системе СИ, но могут встречаться и другие варианты. В технике периодически можно увидеть устаревшее обозначение Ом·мм 2 /м. Для перевода из этой системы в международного не потребуется использовать сложные формулы, так как 1 Ом·мм 2 /м равняется 10 -6 Ом·м.

Формула удельного электрического сопротивления выглядит следующим образом:

R= (ρ·l)/S, где:

• R – сопротивление проводника;
• Ρ – удельное сопротивление материал;
• l – длина проводника;
• S – сечение проводника.

Зависимость от температуры

Удельное электрическое сопротивление зависит от температуры. Но все группы веществ проявляют себя по-разному при ее изменении. Это необходимо учитывать при расчете проводов, которые будут работать в определенных условиях. К примеру, на улице, где значения температуры зависят от времени года, необходимые материалы с меньшей подверженностью изменениям в диапазоне от -30 до +30 градусов Цельсия. Если же планируется применение в технике, которая будет работать в одних и тех же условиях, то здесь также нужно оптимизировать проводку под конкретные параметры. Материал всегда подбирается с учетом эксплуатации.

В номинальной таблице удельное электрическое сопротивление берется при температуре 0 градусов Цельсия. Повышение показателей данного параметра при нагреве материала обусловлено тем, что интенсивность передвижения атомов в веществе начинает возрастать. Носители электрических зарядов хаотично рассеиваются во всех направлениях, что приводит к созданию препятствий при передвижении частиц. Величина электрического потока снижается.

При уменьшении температуры условия прохождения тока становятся лучше. При достижении определенной температуры, которая для каждого металла будет отличаться, появляется сверхпроводимость, при которой рассматриваемая характеристика почти достигает нуля.

Отличия в параметрах порой достигают очень больших значений. Те материалы, которые обладают высокими показателями, могут использовать в качестве изоляторов. Они помогают защищать проводку от замыкания и ненамеренного контакта с человеком. Некоторые вещества вообще не применимы для электротехники, если у них высокое значение этого параметра. Этому могут мешать другие свойства. Например, удельная электрическая проводимость воды не будет иметь большого значения для данный сферы. Здесь приведены значения некоторых веществ с высокими показателями.

Материалы с высоким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Бакелит	10 16
Бензол	10 15 …10 16
Бумага	10 15
Вода дистиллированная	10 4
Вода морская	0.3
Дерево сухое	10 12
Земля влажная	10 2
Кварцевое стекло	10 16
Керосин	10 1 1
Мрамор	10 8
Парафин	10 1 5
Парафиновое масло	10 14
Плексиглас	10 13
Полистирол	10 16
Полихлорвинил	10 13
Полиэтилен	10 12
Силиконовое масло	10 13
Слюда	10 14
Стекло	10 11
Трансформаторное масло	10 10
Фарфор	10 14
Шифер	10 14
Эбонит	10 16
Янтарь	10 18

Более активно в электротехнике применяются вещества с низкими показателями. Зачастую это металлы, которые служат проводниками. В них также наблюдается много различий. Чтобы узнать удельное электрическое сопротивление меди или других материалов, стоит посмотреть в справочную таблицу.

Материалы с низким удельным сопротивлением	ρ (Ом·м)
Алюминий	2.7·10 -8
Вольфрам	5.5·10 -8
Графит	8.0·10 -6
Железо	1.0·10 -7
Золото	2.2·10 -8
Иридий	4.74·10 -8
Константан	5.0·10 -7
Литая сталь	1.3·10 -7
Магний	4.4·10 -8
Манганин	4.3·10 -7
Медь	1.72·10 -8
Молибден	5.4·10 -8
Нейзильбер	3.3·10 -7
Никель	8.7·10 -8
Нихром	1. 12·10 -6
Олово	1.2·10 -7
Платина	1.07·10 -7
Ртуть	9.6·10 -7
Свинец	2.08·10 -7
Серебро	1.6·10 -8
Серый чугун	1.0·10 -6
Угольные щетки	4.0·10 -5
Цинк	5.9·10 -8
Никелин	0,4·10 -6

Удельное объемное электрическое сопротивление

Данный параметр характеризует возможность пропускать ток через объем вещества. Для измерения необходимо приложить потенциал напряжения с разных сторон материала, изделие из которого будет включено в электрическую цепь. На него подается ток с номинальными параметрами. После прохождения измеряются данные на выходе.

Использование в электротехнике

Изменение параметра при разных температурах широко применяется в электротехнике. Наиболее простым примером является лампа накаливания, где используется нихромовая нить. При нагревании она начинает светиться. При прохождении через нее тока она начинает нагреваться. С ростом нагрева возрастает и сопротивление. Соответственно, ограничивается первоначальный ток, который нужен был для получения освещения. Нихромовая спираль, используя тот же принцип, может стать регулятором на различных аппаратах.

Широкое применение коснулось и благородных металлов, которые обладают подходящими характеристиками для электротехники. Для ответственных схем, которым требуется быстродействие, подбираются серебряные контакты. Они обладают высокой стоимостью, но с учетом относительно небольшого количества материалов их применение вполне оправданно. Медь уступает серебру по проводимости, но обладает более доступной ценой, благодаря чему ее чаще используют для создания проводов.

В условиях, где можно использовать предельно низкие температуры, применяются сверхпроводники. Для комнатной температуры и уличной эксплуатации они не всегда уместны, так как при повышении температуры их проводимость начнет падать, поэтому для таких условий лидерами остаются алюминий, медь и серебро.

На практике учитывается много параметров и этот является одним из наиболее важных. Все расчеты проводятся еще на стадии проектирования, для чего и используются справочные материалы.

Как уже отмечалось, сила тока в цепи зависит не только от напряжения на концах участка, но также и от свойств проводника, включенного в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводников объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление R — физическая скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике. Обозначается сопротивление буквой R. В СИ единицей сопротивления проводника является ом (Ом).

1 Ом — сопротивление такого проводника, сила тока в котором равна 1 А при напряжении на нем 1 В.

Применяются и другие единицы: килоом (кОм), мегаом (МОм), миллиом (мОм): 1 кОм = 10 3 Ом; 1 МОм = 10 6 Ом; 1 мОм = 10 -3 Ом.

Физическую величину G, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью

Единицей электрической проводимости в СИ является сименс: 1 См — это проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Проводник содержит не только свободные заряженные частицы — электроны, но и нейтральные частицы и связанные заряды. Все они участвуют в хаотическом тепловом движении, равновероятном в любых направлениях. При включении электрического поля под действием электрических сил будет преобладать направленное упорядоченное движение свободных зарядов, которые должны двигаться с ускорением и их скорость должна была бы со временем возрастать. Но в проводниках свободные заряды движутся с некоторой постоянной средней скоростью. Следовательно, проводник оказывает сопротивление упорядоченному движению свободных зарядов, часть энергии этого движения передается проводнику, в результате чего повышается его внутренняя энергия. Из-за движения свободных зарядов искажается даже идеальная кристаллическая решетка проводника, на искажениях кристаллической структуры рассеивается энергия упорядоченного движения свободных зарядов. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, длины проводника и площади поперечного сечения. Для проверки этой зависимости можно воспользоваться той же электрической схемой, что и для проверки закона Ома (рис. 2), включая в участок цепи MN различные по размерам проводники цилиндрической формы, изготовленные из одного и того же материала, а также из разных материалов.

Результаты эксперимента показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине l проводника, обратно пропорционально площади S его поперечного сечения и зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник:

где — удельное сопротивление проводника.

Скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 , или сопротивлению куба с ребром 1 м. Единицей удельного сопротивления в СИ является ом-метр (Ом·м).

Удельное сопротивление металлического проводника зависит от

1. концентрации свободных электронов в проводнике;
2. интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
3. интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца — «нихрома». Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих , выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный , изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

• Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
• Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

Где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:

Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Каждое вещество способно проводить ток в разной степени, на эту величину влияет сопротивление материала. Обозначается удельное сопротивление меди, алюминия, стали и любого другого элемента буквой греческого алфавита ρ. Эта величина не зависит от таких характеристик проводника, как размеры, форма и физическое состояние, обычное же электросопротивление учитывает эти параметры. Измеряется удельное сопротивление в Омах, умноженных на мм² и разделенных на метр.

Категории и их описание

Любой материал способен проявлять два типа сопротивления в зависимости от подаваемого на него электричества. Ток бывает переменным или постоянным, что значительно влияет на технические показатели вещества. Так, существуют такие сопротивления:

1. Омическое. Проявляется под воздействием постоянного тока. Характеризует трение, которое создается движением электрически заряженных частиц в проводнике.
2. Активное. Определяется по такому же принципу, но создается уже под действием переменного тока.

В связи с этим определений удельной величины тоже два. Для постоянного тока она равна сопротивлению, которое оказывает единица длины проводящего материала единичной фиксированной площади сечения. Потенциальное электрополе воздействует на все проводники, а также полупроводники и растворы, способные проводить ионы. Эта величина определяет проводящие свойства самого материала. Форма проводника и его размеры не учитываются, поэтому ее можно назвать базовой в электротехнике и материаловедении.

При условии прохождения переменного тока удельная величина рассчитывается с учетом толщины проводящего материала. Здесь уже происходит воздействие не только потенциального, но и вихревого тока, кроме того, принимается во внимание частота электрических полей. Удельное сопротивление этого типа больше, чем при постоянном токе, поскольку здесь идет учет положительной величины сопротивления вихревому полю. Также эта величина зависит от формы и размеров самого проводника. Именно эти параметры и определяют характер вихревого движения заряженных частиц.

Переменный ток вызывает в проводниках определенные электромагнитные явления. Они очень важны для электротехнических характеристик проводящего материала:

1. Скин-эффект характеризуется ослаблением электромагнитного поля тем больше, чем дальше оно проникает в среду проводника. Это явление также носит название поверхностного эффекта.
2. Эффект близости снижает плотность тока благодаря близости соседних проводов и их влиянию.

Эти эффекты являются очень важными при расчете оптимальной толщины проводника, так как при использовании провода, у которого радиус больше глубины проникновения тока в материал, остальная его масса останется незадействованной, а следовательно, такой подход будет неэффективным. В соответствии с проведенными расчетами эффективный диаметр проводящего материала в некоторых ситуациях будет следующим:

• для тока в 50 Гц — 2,8 мм;
• 400 Гц — 1 мм;
• 40 кГц — 0,1 мм.

Ввиду этого для высокочастотных токов активно применяется использование плоских многожильных кабелей, состоящих из множества тонких проводов.

Характеристики металлов

Удельные показатели металлических проводников содержатся в специальных таблицах. По этим данным можно производить необходимые дальнейшие расчеты. Пример такой таблицы удельных сопротивлений можно увидеть на изображении.

На таблице видно, что наибольшей проводимостью обладает серебро — это идеальный проводник среди всех существующих металлов и сплавов. Если рассчитать, сколько потребуется провода из этого материала для получения сопротивления в 1 Ом, то выйдет 62,5 м. Проволоки из железа для такой же величины понадобится целых 7,7 м.

Какими бы замечательными свойствами ни обладало серебро, оно является слишком дорогим материалом для массового использования в электросетях, поэтому широкое применение в быту и промышленности нашла медь. По величине удельного показателя она стоит на втором месте после серебра, а по распространенности и простоте добычи намного лучше его. Медь обладает и другими преимуществами, позволившими ей стать самым распространенным проводником. К ним относятся:

Для применения в электротехнике используют рафинированную медь, которая после плавки из сульфидной руды проходит процессы обжигания и дутья, а далее обязательно подвергается электролитической очистке. После такой обработки можно получить материал очень высокого качества (марки М1 и М0), который будет содержать от 0,1 до 0,05% примесей. Важным нюансом является присутствие кислорода в крайне малых количествах, так как он негативно влияет на механические характеристики меди.

Часто этот металл заменяют более дешевыми материалами — алюминием и железом, а также различными бронзами (сплавами с кремнием, бериллием, магнием, оловом, кадмием, хромом и фосфором). Такие составы обладают более высокой прочностью по сравнению с чистой медью, хотя и меньшей проводимостью.

Преимущества алюминия

Хоть алюминий обладает большим сопротивлением и более хрупок, его широкое использование объясняется тем, что он не настолько дефицитен, как медь, а следовательно, стоит дешевле. Удельное сопротивление алюминия составляет 0,028, а его низкая плотность обеспечивает ему вес в 3,5 раза меньше, чем медь.

Для электрических работ применяют очищенный алюминий марки А1, содержащий не более 0,5% примесей. Более высокую марку АВ00 используют для изготовления электролитических конденсаторов, электродов и алюминиевой фольги. Содержание примесей в этом алюминии составляет не более 0,03%. Существует и чистый металл АВ0000 , включающий не более 0,004% добавок. Имеют значение и сами примеси: никель, кремний и цинк незначительно влияют на проводимость алюминия, а содержание в этом металле меди, серебра и магния дает ощутимый эффект. Наиболее сильно уменьшают проводимость таллий и марганец.

Алюминий отличается хорошими антикоррозийными свойствами. При контакте с воздухом он покрывается тонкой пленкой окиси, которая и защищает его от дальнейшего разрушения. Для улучшения механических характеристик металл сплавляют с другими элементами.

Показатели стали и железа

Удельное сопротивление железа по сравнению с медью и алюминием имеет очень высокие показатели, однако благодаря доступности, прочности и устойчивости к деформациям материал широко используют в электротехническом производстве.

Хоть железо и сталь, удельное сопротивление которой еще выше, имеют существенные недостатки, изготовители проводникового материала нашли методы их компенсирования. В частности, низкую стойкость к коррозии преодолевают путем покрытия стальной проволоки цинком или медью.

Свойства натрия

Металлический натрий также очень перспективен в проводниковом производстве. По показателям сопротивления он значительно превышает медь, однако имеет плотность в 9 раз меньше, чем у неё. Это позволяет использовать материал в изготовлении сверхлёгких проводов.

Металлический натрий очень мягкий и совершенно неустойчив к любого рода деформационным воздействиям, что делает его использование проблемным — провод из этого металла должен быть покрыт очень прочной оболочкой с крайне малой гибкостью. Оболочка должна быть герметичной, так как натрий проявляет сильную химическую активность в самых нейтральных условиях. Он моментально окисляется на воздухе и демонстрирует бурную реакцию с водой, в том числе и с содержащейся в воздухе.

Еще одним плюсом использования натрия является его доступность. Его можно получить в процессе электролиза расплавленного хлористого натрия, которого в мире существует неограниченное количество. Другие металлы в этом плане явно проигрывают.

Чтобы рассчитать показатели конкретного проводника, необходимо произведение удельного числа и длины проволоки разделить на площадь ее сечения. В результате получится значение сопротивления в Омах. Например, чтобы определить, чему равно сопротивление 200 м проволоки из железа с номинальным сечением 5 мм², нужно 0,13 умножить на 200 и разделить полученный результат на 5. Ответ — 5,2 Ом.

Правила и особенности вычисления

Для измерения сопротивления металлических сред пользуются микроомметрами. Сегодня их выпускают в цифровом варианте, поэтому проведенные с их помощью измерения отличаются точностью. Объяснить ее можно тем, что металлы обладают высоким уровнем проводимости и имеют крайне маленькое сопротивление. Для примера, нижний порог измерительных приборов имеет значение 10 -7 Ом.

С помощью микроомметров можно быстро определить, насколько качественен контакт и какое сопротивление проявляют обмотки генераторов, электродвигателей и трансформаторов, а также электрические шины. Можно вычислить присутствие включений другого металла в слитке. Например, вольфрамовый кусок, покрытый позолотой, показывает вдвое меньшую проводимость, чем полностью золотой. Тем же способом можно определить внутренние дефекты и полости в проводнике.

Формула удельного сопротивления выглядит следующим образом: ρ = Ом · мм 2 /м . Словами ее можно описать как сопротивление 1 метра проводника , имеющего площадь сечения 1 мм². Температура подразумевается стандартная — 20 °C.

Влияние температуры на измерение

Нагревание или охлаждение некоторых проводников оказывает значительное влияние на показатели измерительных приборов. В качестве примера можно привести следующий опыт: необходимо подключить к аккумулятору спирально намотанную проволоку и подключить в цепь амперметр.

Чем сильнее нагревается проводник, тем меньше становятся показания прибора. Сила тока имеет обратно пропорциональную зависимость от сопротивления. Следовательно, можно сделать вывод, что в результате нагрева проводимость металла уменьшается. В большей или меньшей степени так ведут себя все металлы, однако изменения проводимости у некоторых сплавов практически не наблюдается.

Примечательно, что жидкие проводники и некоторые твердые неметаллы имеют тенденцию уменьшать свое сопротивление с повышением температуры. Но и эту способность металлов ученые обратили себе на пользу. Зная температурный коэффициент сопротивления (α) при нагреве некоторых материалов, можно определять внешнюю температуру. Например, проволоку из платины, размещенную на каркасе из слюды, помещают в печь, после чего проводят измерение сопротивления. В зависимости от того, насколько оно изменилось, делают вывод о температуре в печи. Такая конструкция называется термометром сопротивления.

Если при температуре t 0 сопротивление проводника равно r 0, а при температуре t равно rt , то температурный коэффициент сопротивления равен

Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200 °C).

Поверхностное сопротивление, антистатическая краска, эмаль антистатическая, ГОСТ 6433.2-71, объемное электрическое сопротивление г. Санкт-Петербург

Органосиликатная композиция «Антистатик ОС» Покрытия стен, пола, оборудования, корпусов приборов, мебели промышленных  помещений  должны иметь  защиту от статического электричества. Возникновение статического электричества и его разряда предупреждают, заменяя стандартные, изолирующие покрытия стен, мебели и полов, корпусов приборов электропроводными материалами (антистатическими покрытиями). Органосиликатня композиция «Антистатик ОС»   за счет введения специальных антистатических (электропроводных) добавок постоянного действия образует антистатическое покрытие, на котором исключено накопление статического электричества, а как следствие пыли и грязи. Это  свойство краски сохраняется в течении всего срока эксплуатации покрытия. Органосиликатня композиция «Антистатик ОС»  применяется для создания специальных антистатических покрытий. После полимеризации покрытие эффективно способствует стеканию заряда статического электричества. Органосиликатня композиция «Антистатик ОС»   предназначена для высококачественных работ по металлу, цементно-песчаной и известково-цементной штукатуркам, по бетону, силикатному кирпич, гипсокартону, и др. Удельное объемное сопротивление  — 1.8х106Ом х см. Удельное поверхностное сопротивление — 2.3х104 Ом.     1.      Общие указания. Органосиликатная композиция «Антистатик ОС» (в дальнейшем композиция). Применяется для создания защитно-декоративных атмосферостойких антистатических покрытий металлических конструкций и технологического оборудования, фасадов зданий и сооружений, облицовочных строительных материалов, гипсокартонных, OSB поверхностей.   2. Подготовка поверхности.  Поверхность фасада, изделия, конструкции должна быть полностью очищена от пыли, грязи, льда, снега, слоев старой краски, имеющей слабое сцепление с поверхностью. На поверхности не должно быть масляных (жировых) и смоляных пятен. При наличии масляных (жировых) и смоляных пятен их вырубают, участки поверхности после вырубки заполняют шпатлевками ветонит, грунтовкой проникающей акриловой и другими материалами, совместимыми с композицией. На поверхности не должно быть участков выкрашивающегося бетона, поверхностного слоя, имеющего слабое сцепление с основной массой бетона. При использовании герметиков для уплотнения швов они должны быть проверены на адгезию и совместимость с композицией. Не допускается нанесение покрытия на влажные поверхности. Влажность поверхностного слоя бетона, кирпича не должна превышать 6 %. 3. Подготовка композиции.  Композиция перед применением перемешиваются электромеханической мешалкой не менее 15 минут в таре поставщика до полного исчезновения осадка и однородности по всему объему, после чего выдерживается в течение примерно 15 минут до исчезновения пузырей. Вязкость композиции должна быть в пределах: 25-35с. при нанесении кистью При нанесении первого слоя композиция в качестве пропиточного по бетону, кирпичу, шпатлевке для улучшения пропитки рекомендуется вязкость композиции поддерживать в пределах 16-20с. Разбавление композиции до нужной вязкости, производится растворителем непосредственно перед применением. Толуол при температуре нанесения композиции от  минус 20 до плюс 18°С. Ксилол при температуре от +10 до +35°С, с последующим перемешиванием в таре поставщика.  Количество вводимого растворителя не должно превышать 10% от общего объема. Введение 1 % растворителя к массе, композиция снижает вязкость, ориентировочно, на 2 сек. Для получения качественного покрытия температура композиции при нанесении должна быть близка к температуре поверхности окрашиваемого изделия. При перерывах в работе композиция должна храниться в плотно закрытой таре, перед началом работы композицию необходимо перемешать и выдержать не менее 10 минут.  4. Процесс окрашивания. Нанесение композиции производится не менее чем в 2 слоя (с учетом пропиточного) безвоздушным, пневматическим распылением, кистью. Процесс нанесения композиции производится при температуре не ниже минус 20°С и не выше +35°С и относительной влажности воздуха не более 80 %. Запрещается производить окрашивание во время дождя и скорости ветра более 10 м/сек. На труднодоступные места перед окрашиванием производится нанесение композиции в виде «полосового слоя» кистью. Нанесение второго и последующих слоев покрытия производится при положительной температуре окружающего воздуха не ранее, чем через 60 минут. При нанесении покрытия при температуре ниже 0°С толщина одного слоя уменьшается минимум в два раза, соответственно увеличивается количество наносимых слоев. При нанесении покрытия на горизонтальную поверхность рекомендуется наносить второй слой покрытия не ранее, чем через 24 часа. Места расположения на опорах, другие неокрашенные участки или повреждения покрытия окрашиваются вручную по режимам, описанным выше. Транспортирование и монтаж конструкций и оборудования можно производить не ранее, чем через 3 суток после окрашивания в зависимости от температурного режима полимеризации покрытия. Рекомендуемая толщина покрытия не менее 180мкм. Теоретический расход композиция (без учета технологических потерь, связанных с методами нанесения, применяемого оборудования, конструктивных особенностей окрашиваемой поверхности и т.д.) при толщине 180мкм (по высохшему слою) составляет 350-400 г/м2 , и определяется по расходу материала на 1 м2 .     5. Контроль качества.  Качество подготовки поверхности контролируется исполнителем работ. Контроль производится визуально на чистоту поверхности, отсутствие масляных и смоляных пятен, пыли, грязи, льда, снега, слоев старой краски, имеющей слабое сцепление с поверхностью. Качество подготовки композиции производится исполнителем работ на отсутствие осадка в таре, однородность состава и соответствие вязкости требованиям настоящей инструкции.   6. Требования безопасности. Охрана труда и техника безопасности осуществляется по техническим документам производителя работ с учетом свойств композиции. Токсичность и пожароопасность композиции обусловлена наличием в их составе растворителей толуола, (ксилола). Толуол (ксилол) по степени воздействия на организм человека относится к 3 классу опасности по ГОСТ 12.1. 007-76, ПДК в воздухе рабочей зоны — 150/50 мг /м3.  При нанесении композиции на открытом воздухе, в помещениях необходимо следить, чтобы рабочая зона хорошо проветривалась. Работники, занятые нанесением композиции, должны пользоваться резиновыми перчатками, защитными мазями типа «биологические перчатки». Для защиты органов дыхания пользоваться газо-пылезащитными респираторами. Категорически запрещается производить окрашивание композицией в непроветриваемых закрытых помещениях, ямах, колодцах без средств индивидуальной защиты. Для защиты органов дыхания использовать изолирующий шланговый противогаз. Композиция относятся к легковоспламеняющимся жидкостям в связи с наличием толуола (ксилола). При нанесении композиции необходимо соблюдать требования пожарной безопасности: иметь на рабочем месте средства пожаротушения, пользоваться инструментом и приспособлениями из искробезопасного материала, не применять на рабочих местах открытого огня, не курить.     Телефон: +7 (921) 9220571 E-Mail: [email protected]

© 2007 ООО СКБ-АНТИСТАТИКА Реклама в интернет. Создание сайта Мегагрупп   Поверхностное сопротивление, антистатическая краска, эмаль антистатическая, ГОСТ 6433.2-71, объемное электрическое сопротивление г. Санкт-Петербург

Разница между поверхностным сопротивлением и поверхностным сопротивлением

Что такое разница между поверхностным сопротивлением и поверхностным сопротивлением? Хотя вокруг этих параметров было много дискуссий, они, вероятно, являются одними из наименее понятных в индустрии электростатического разряда. Практикующим специалистам по ОУР необходимо иметь четкое представление о различиях, чтобы сделать осознанный выбор материалов в своей рабочей среде.

Начнем с основ. Поверхностное удельное сопротивление в Ом/квадрат используется для оценки изоляционных материалов, где желательны высокие характеристики сопротивления. Поверхностное сопротивление в омах — это измерение для оценки упаковочных материалов, рассеивающих статическое электричество, где требуются более низкие характеристики сопротивления. Теперь давайте рассмотрим стандарты и тесты, которые относятся к этим измерениям.

ASTM D-257 Удельное поверхностное сопротивление

В течение многих лет измерения поверхностного удельного сопротивления использовались для классификации упаковочных материалов, устойчивых к электростатическому разряду. Основным эталоном для этого измерения был ASTM D-257 Стандартный тест Методы определения сопротивления постоянному току или проводимости изоляционных материалов . ASTM D-257 измеряет резистивные или проводящие свойства изоляционных материалов, а не диссипативные характеристики материалов с защитой от электростатического разряда. Независимо от своего названия, ASTM D-257 используется в военном и коммерческом мире для классификации характеристик антистатических упаковочных материалов.

Устранение неправильного использования ASTM D-257

В конце 1980-х годов комитет ASTM D-9 уведомил Комитет по упаковке электронных продуктов для отгрузки (PEPS) Ассоциации электронной промышленности (EIA) о том, что использование ASTM D-257 для оценки упаковочных материалов технически неправильно. Комитет D-9 заявил, что его использование для оценки рассеивающих материалов привело к ошибкам, и потребовал, чтобы стандарт EIA Standard 541 «Стандарты упаковочных материалов для предметов, чувствительных к электростатическому разряду» исключил ASTM D-257 в качестве метода испытаний материалов, устойчивых к статическому электричеству.

Рекомендация комитета по изменению была совершенно правильной. ASTM D-257 содержит несколько процедур для измерения и оценки изоляционных материалов с высоким сопротивлением и обеспечивает наихудший сценарий для оценки самого низкого поверхностного сопротивления изоляционного материала, который указывает на самые низкие изоляционные свойства материала. В методе испытаний указаны высокие испытательные напряжения, относительная влажность (RH) от умеренной до высокой и высокое давление испытательного приспособления для снижения контактного сопротивления, что обеспечивает измерения изоляторов с более низким сопротивлением.

При оценке материалов, рассеивающих статическое электричество, вам необходимо знать максимальное сопротивление, которое может предотвратить перенос статического заряда на землю. Другими словами, метод ASTM D-257 для оценки изоляционных свойств дает оптимистичные данные о характеристиках материала, устойчивого к электростатическому разряду, а также дает противоречивые результаты измерений продуктов рассеяния.

Чтобы подтвердить мнение комитета, рабочая группа ESD № 1 Комитета EIA PEPS провела круговой тест среди пяти лабораторий с использованием пяти идентичных наборов образцов. Каждая лаборатория тестировала наборы образцов в контролируемых условиях, используя свою интерпретацию ASTM D-257. Анализ данных испытаний, полученных в лабораториях, показал, что использование ASTM D-257 для оценки материалов, устойчивых к статическому электричеству, привело к разнице между лабораториями на 4-й порядок величины. Оперативная группа №1 приступила к работе по исправлению ситуации.

Оценка проблемы

Первыми задачами было определить, что именно измерялось, и почему была обнаружена такая большая разница. Целевая группа пришла к выводу, что изоляторы представляют собой однородные материалы с высоким сопротивлением, предназначенные для предотвращения потока электронов через их поверхность; материалы, рассеивающие статическое электричество, представляли собой материалы с более низким сопротивлением, предназначенные для обеспечения протекания электронов через их поверхность и под ней.

Рассеивающие материалы не являются однородными, поскольку они могут состоять из любой комбинации проводников, органических химических веществ или металлов. Эти добавки стимулируют поток электронов. В то время как изоляторы сделаны из чисто непроводящих материалов, метод ASTM оценивает характеристики поверхностного удельного сопротивления однородных изоляторов и не подходит для оценки сложных неоднородных рассеивателей, содержащих проводящие элементы. Это ошибка в применении отличного инструмента, аналогичного плотнику, рубящему дерево молотком.

Влияние влажности

ASTM D-257 рекомендует проводить испытания материалов при относительной влажности 50 % или выше. Влажность создает проводящий слой на поверхности материала, снижая защитные свойства изолятора за счет увеличения потока электронов и эффективности материалов, рассеивающих статическое электричество. И наоборот, низкая относительная влажность повышает сопротивление изолятора и снижает функцию рассеивающего материала.

Вопросы крепления

ASTM D-257 обсуждает несколько конструкций приспособлений. Целью конструкции приспособления является обеспечение определенного сопротивления квадратной части поверхности материала; то есть удельное сопротивление в Ом/квадрат. Можно использовать любое приспособление, если определены его конфигурация и размеры. Целевая группа №1 по ОВОС сочла целесообразным использование концентрических колец для измерения материалов, рассеивающих статическое электричество, но различные конструкции и состав материалов привели к несоответствиям при оценке материалов, рассеивающих статическое электричество.

Давление приспособления

Высокое давление (от 20 до 100 фунтов на квадратный дюйм) прикладывается к испытательным приспособлениям с концентрическими кольцами или лопастями, чтобы уменьшить контактное сопротивление между электродами и испытуемым изолятором и оценить его наиболее проводящие свойства. Электронные устройства, защищенные материалами, устойчивыми к электростатическому разряду, относительно легкие и часто имеют дополнительное контактное сопротивление из-за своей конфигурации. В результате высокое давление крепления искажает функциональное сопротивление рассеивающих материалов, часто завышая характеристики материалов.

Испытательное напряжение и ток

Испытательное напряжение 500 В или выше прикладывается к материалу в течение длительного времени перед расчетом удельного поверхностного сопротивления. Эти более высокие испытательные напряжения необходимы для точного измерения изоляторов и обеспечения более низких измерений сопротивления, чем при низких испытательных напряжениях.

Высокие испытательные напряжения, применяемые к материалам со сравнительно низким сопротивлением ESD, создают значительный ток, который легко изменяет характеристики материала и обеспечивает индикацию более низкого сопротивления. Если к диссипативному материалу приложено напряжение 500 В, как указано в ASTM D-257, ток, протекающий через изолятор, в миллионы раз выше.

Протекание сильного тока вызывает разрушение материала или образование нагара между проводящими элементами и слоями ламинирования. Это приводит к неправильным измерениям, повреждению материала и ложным показаниям полезных характеристик материала.

Период электрификации

Подача испытательного напряжения приспособления в течение некоторого времени перед записью измерения называется периодом электрификации. При измерении изолятора длительные периоды электрификации приводят к более низкому показателю сопротивления. При измерении рассеивающих материалов длительные периоды электризации могут повлиять на характеристики поверхности и изменить предполагаемые характеристики.

Период электрификации четко не определен ASTM D-257, и практикующие специалисты используют разные периоды для измерения материалов. Результатом являются противоречивые значения измерений.

Модифицированный подход

После анализа данных испытаний ASTM D-257 и обсуждения цели измерения Целевая группа №1 разработала модифицированный подход к измерению сопротивления материалов, рассеивающих статическое электричество. Определенная процедура была разработана и протестирована первыми пятью лабораториями.

Окончательная версия процедуры уменьшила общую дисперсию до ± 0,25 1 порядка величины между лабораториями, или достоверность менее половины порядка величины. Это было сочтено достаточно хорошим, и в 1993 году Ассоциация ESD выпустила новую процедуру для промышленности под названием Измерение поверхностного сопротивления плоских материалов, рассеивающих статическое электричество, , EOS/ESD S11.11-1993.

Поверхностное сопротивление В соответствии с S11.11

S11.11 определяет процедуру измерения поверхностного сопротивления плоского (плоского) материала, рассеивающего статическое электричество. Вот критические элементы:

Электродный узел и сопутствующее оборудование

Конструкция крепления электродного узла основана на концентрическом кольце ( рис. 1 ). Узел электрода S11.11 определяется его размером, материалом поверхности электрода и общим весом. Любая лаборатория, измеряющая характеристики поверхностного сопротивления рассеивающего материала, должна использовать одну и ту же конфигурацию.

Круговые испытания показали, что поверхностное сопротивление материала, рассеивающего статическое электричество, значительно варьировалось, если образец измерялся на проводящем испытательном стенде. Эта переменная была устранена путем указания изолятора в качестве опорной поверхности образца.

Приборы, используемые для измерения поверхностного сопротивления, могут состоять либо из источника питания и амперметра, либо из интегрированного устройства, объединяющего эти функции прибора. Приборы должны измерять от 1,0 x 10 ³ до 1,0 x 10 ¹³ Вт и выдерживать испытательное напряжение 10 и 100 В (± 5 %). Поскольку все системы разные, S11.11 использует две процедуры для проверки и характеристики возможностей каждой системы.

Проверка системы в диапазоне низкого сопротивления

В S11.11 исключены критические переменные низкого сопротивления при измерении поверхности. Первая задача заключалась в обеспечении равномерного контакта узла электродов с испытуемым материалом при низком напряжении (10 В). Второй заключался в том, чтобы подтвердить, что вся система выполнила точное измерение низкого сопротивления (1,0 x 10 ⁶ Вт) при 10 В. Если блок электродов был не выровнен или испытательное напряжение системы было ненормально низким, результат был неточным. высокоомные измерения.

Точное калибровочное кольцо (приспособление для проверки системы с низким сопротивлением) используется для подтверждения выравнивания блока электродов. Если блок электродов исправен и имеет полный контакт с проверочным приспособлением, измеренное сопротивление системы будет составлять 5,0 x 10 ⁵ Вт, ± 1% при 10 В. При точном выравнивании поворот блока электродов на 90° снова приведет к обеспечить 5,0 x 10 ⁵ Вт, ± 1%.

Проверка системы в диапазоне высоких сопротивлений

Способность системы измерять высокое сопротивление (1,0 x 10 ¹² W ) и для определения соответствующего периода электрификации. Каждая система может быть разной и иметь различные источники питания, измерения тока, кабели и соединения электродного узла. Чтобы оценить эти переменные, используется приспособление для проверки системы с верхним диапазоном сопротивления, чтобы подтвердить работу системы при высоком сопротивлении.

Это второе приспособление для калибровки имеет два кольца, которые соответствуют контактной поверхности материала узла электрода. А 1,0 х 10 ¹² Резистор (±5%) устанавливается между внутренним и наружным кольцами. Эта конфигурация позволяет определить период электрификации системы с помощью следующей процедуры:

Блок электродов размещается на приспособлении для проверки верхнего диапазона и подключается к контрольно-измерительным приборам.

100 В подается на систему и блок электродов для измерения сопротивления поверочного приспособления. Фактическое сопротивление определяется как верхнее стабильное измерение сопротивления системы, которое должно составлять 1,0 x 10 ¹² , ± 5%. Как только определено верхнее стабильное измерение сопротивления, оно используется для определения периода электрификации.

Пять временных измерений (в секундах) выполняются с точностью до 10 % от стабильного измерения сопротивления.

Пять значений времени измерения усредняются и к ним добавляются 5 с. Результатом является период электрификации для этой конкретной системы.

Расчетный период электрификации позволяет системе выполнить измерение максимального сопротивления без чрезмерного воздействия на образец высокого напряжения. Период электрификации используется для всех измерений сопротивления, превышающих 1,0 x 10 ⁶ Вт и обеспечивает согласованность измерений.

Размер образца и предварительная подготовка

S11.11 определяет, что измерения поверхностного сопротивления должны быть получены на образцах размером не менее 3″ x 5″. Образцы должны быть немного больше, чем сборка электродов; и при сравнении различных материалов все образцы для испытаний должны быть одного размера.

Перед испытанием образцы выдерживают от 48 до 72 часов при определенной температуре и низкой относительной влажности; то есть 23° C (± 3° C) и 12 % относительной влажности (± 3 % относительной влажности). Измерение образцов одного и того же размера при определенной температуре и относительной влажности еще больше увеличивает воспроизводимость и повышает согласованность измерений.

Базовый S11.11 Процедура измерения

Для обеспечения минимального уровня статистической достоверности измеряют не менее шести образцов одного и того же материала. После того, как испытуемый образец помещен на изолированный испытательный стенд, а блок электродов расположен в его центральной точке, к блоку электродов прикладывается напряжение 10 В.

Если указанное сопротивление материала меньше 1,0 x 10 ⁶ Вт через 5 с, сопротивление записывают. Если указанное сопротивление равно или превышает 1,0 x 10 ⁶ Вт испытательное напряжение отключается и используется 100 В для повторного включения блока электродов. Указанное сопротивление после завершения расчетного периода электрификации системы считается поверхностным сопротивлением образца в омах в соответствии с S11.11.

Измеряются все шесть образцов и записываются данные:

Минимальное, максимальное и среднее поверхностное сопротивление всех образцов.

Период кондиционирования, относительная влажность и температура.

Испытательные напряжения и верхний диапазон сопротивления периода электрификации.

Сравнение данных S11.11 с данными ASTM D-257

Многие организации по-прежнему ссылаются на ASTM D-257 и указывают, что резистивная характеристика материала указывается в омах/квадрат. Хотя это может показаться проблемой, геометрия узла электрода S11.11 имеет коэффициент преобразования 10, что соответствует измерениям ASTM D-257. Чтобы преобразовать измерения S11.11 в удельное поверхностное сопротивление в омах/квадрат, просто умножьте на 10, потому что измерения S11.11 на 1 порядок ниже, чем полученные с использованием ASTM D-257, как показано на 9.0075 Рисунок 2 .

S11.11 предупреждает, что преобразование измерений в удельное сопротивление в омах/квадрат может быть недействительным для многих типов материалов. Сюда входят ламинированные, гальванические, металлизированные и другие материалы, включающие в себя токопроводящие элементы.

Резюме

Новая процедура S11.11 учитывает многие переменные измерения сопротивления и является гораздо более совершенным методом оценки и классификации материалов ESD между 1,0 x 10 ⁴ и 1,0 x 10 ¹¹ Вт . Это повышает воспроизводимость измерений и может значительно уменьшить путаницу среди поставщиков, переработчиков и пользователей материалов для электростатического разряда.

Об авторе

Стивен А. Гальперин является основателем и президентом независимой лаборатории и консалтинговой фирмы Stephen Halperin & Associates, специализирующейся на электростатических технологиях. Он известен своей работой по разработке стандартов с Ассоциацией EIA и ESD, а также своими оригинальными концепциями оценки объектов в средах, чувствительных к статическому электричеству. Г-н Гальперин получил степень B. S.B.A. получил степень в Университете Рузвельта и закончил аспирантуру в области наук об организационных коммуникациях, а также несколько курсов военной подготовки и программ AMA. Stephen Halperin & Associates, 1072 Tower Lane, Bensenville, IL 60106, (708) 238-8883.

SIDEBAR

Объяснение омов на квадрат

Тех, кто плохо знаком с измерениями, связанными с электростатическим разрядом, часто сбивает с толку термин «омы на квадрат». Любопытные всегда спрашивают: «За квадрат сколько? Дюймы? Ноги? Дворы? Ответ таков: на любой квадрат, если измерение связано с квадратом.

Прелесть стандарта ASTM D-257 заключается в том, что удельное поверхностное сопротивление является расчетом сопротивления участка, а не измерением между точками. На самом деле измерения в омах на квадрат всегда будут одинаковыми, независимо от размера квадрата материала.

Для иллюстрации предположим, что у нас есть квадрат материала 2″ x 2″, и мы используем стержневые электроды 2″ для измерения удельного сопротивления этого образца. Омметр показывает 5 Вт. Поскольку мы точно измерили этот 2-дюймовый квадрат, мы выражаем результат как 5 Вт / кв.

Теперь давайте прикрепим еще один 2-дюймовый квадрат материала к первому квадрату и переместим 2-дюймовый электродный стержень в конец второго квадрата. По сути, это похоже на измерение двух последовательных резисторов, потому что теперь у нас есть два материала мощностью 5 Вт, образующие прямоугольник 2″ x 4″. Это уже не квадрат, и наш прибор покажет примерно 10 Вт на 4-дюймовом участке материала.

R _TSERIES = R ₁ + R ₂

и

R _TSERIES = 5 W + 5 W

R _TSERIES = 10 W + 5 W

R _TSERIES = 10 W + 5 W

R _TSERIES = 10 W + 5 W

R _{TSERIE кусочки материала прикреплены к нижней части нашего прямоугольника 2″ x 4″, у нас есть два прямоугольника по 10 Вт, которые образуют один квадрат 4″ x 4″. Согласно основному расчету сопротивления для двух параллельных резисторов, если у нас есть два 4-дюймовых электрода, расположенных вдоль края нашего нового квадрата, мы должны измерить 5 Вт / кв на большем образце, потому что:}

R _TPARALLEL = R ₁ x R ₂

———

R _{1 +} R ₂

₊ R ₂ 9000189 + R ₂ 9000

_{. parallel}

R ₁ = resistance of the upper rectangle

R ₂ = resistance of the lower rectangle

therefore:

10 W x 10 W 100 W ²

R _Tparallel = —— ———- = ——— = 5 Вт

10 Вт + 10 Вт 20 Вт

Квадрат любого размера из одного и того же изоляционного материала будет измерять одинаковое приблизительное сопротивление.

Удельное поверхностное сопротивление в омах/квадрат является показателем этого расчета измерения. Количество квадратов, измеренных за один раз, зависит от узла электрода или приспособления, используемого для измерения. Независимо от конструкции приспособления окончательный расчет удельного поверхностного сопротивления в Ом/квадрат зависит от резистивных свойств квадрата.

Copyright 1996 Nelson Publishing Inc.

июня 1996 г.

Устойчивое сопротивление поверхности, удельное сопротивление, ASTM D257, IEC 62631-3-1

:
Поверхностное удельное сопротивление — это сопротивление току утечки вдоль поверхности изоляционного материала. Объемное удельное сопротивление — это сопротивление току утечки через тело из изоляционного материала. Чем выше удельное поверхностное/объемное сопротивление, тем меньше ток утечки и тем меньше проводимость материала.

Методика испытаний:
Образец стандартного размера помещается между двумя электродами. В течение шестидесяти секунд подается напряжение и измеряется сопротивление. Рассчитывается поверхностное или объемное удельное сопротивление и дается кажущееся значение (время электрификации 60 секунд).

Размер образца:
Предпочтителен 4-дюймовый диск или 4-дюймовый квадрат. Минимальный размер — 3,5-дюймовый диск.

Данные:
Расчет поверхностного и объемного сопротивления.
Поверхностное удельное сопротивление выражается в омах (на квадрат)
Объемное удельное сопротивление выражается в омах — см

**Обратите внимание, что это описание теста носит общий характер и предназначено для предоставления описательного резюме для улучшения понимания теста. Стандарты можно получить в соответствующих органах по стандартизации.

Сопутствующие услуги:

• Testlopedia — Энциклопедия по испытаниям пластмасс
• Диэлектрическая прочность ASTM D149, IEC 60243
• Диэлектрическая проницаемость и коэффициент рассеяния

Нужна помощь или есть вопрос? +1 413 499 0983

 

Нужна помощь или есть вопрос?

+1 413 499 0983

Уилтон, Великобритания:

+44 1642 435 788

Бенилюкс:

+31 88 126 8888

Азиатско-Тихоокеанский регион:

+65 6805 4800

Германия:

0800 5855888

+49 711 27311 152

Швейцария:

+41 61 686 4800

Мексика:

01 800 5468 3783

+52 55 5091 2150

Бразилия:

+55 11 2322 8033

Австралия:

+61 1300 046 837

Индия:

+91 22 4245 0207

Полимеры Новости и события

K-SHOW:  Посетите нас на K2022: Поддержка разработки полимеров и материалов

НОВАЯ УСЛУГА:  CircularAssure – Услуги, которые помогут вам замкнуть цикл в экономике замкнутого цикла для пластмасс

5

5 :  Программы переработки и оценки переработанных пластиковых материалов

Статья: Программы тестирования качества качества.

Статья: .

 

Ресурсы:

Справочное руководство по оценке разрушения композитов и пластмасс при сборке

Четырехзондовый метод | Формула сопротивления листа

---

В этом руководстве объясняется теория поверхностного сопротивления, электрическое свойство тонких пленок материалов, и демонстрируется, как можно использовать четырехзондовый метод для его измерения.

Что такое листовое сопротивление?

---

Поверхностное сопротивление (также известное как поверхностное сопротивление или удельное поверхностное сопротивление) — это обычное электрическое свойство, используемое для характеристики тонких пленок проводящих и полупроводниковых материалов. Это мера поперечного сопротивления тонкого квадрата материала, то есть сопротивления между противоположными сторонами квадрата. Основное преимущество поверхностного сопротивления по сравнению с другими измерениями сопротивления заключается в том, что оно не зависит от размера квадрата, что позволяет легко сравнивать различные образцы.

Это свойство можно легко измерить с помощью четырехточечного зонда, и оно имеет решающее значение при создании высокоэффективных перовскитных фотоэлектрических устройств, где для извлечения заряда необходимы материалы с низким поверхностным сопротивлением.

Примеры применения

---

Поверхностное сопротивление является критически важным свойством для любой тонкой пленки материала, в которой электрические заряды предназначены для прохождения (а не прохождения сквозь нее). Например, для тонкопленочных устройств (таких как перовскитные солнечные элементы или органические светодиоды) требуются проводящие электроды, толщина которых обычно составляет от нанометров до микрометров. На рисунке ниже показано, как заряды перемещаются внутри светодиодного устройства. Электроды должны переносить электрический заряд в поперечном направлении и должны иметь низкое поверхностное сопротивление, чтобы уменьшить потери во время этого процесса. Это становится еще более важным при попытке увеличить размер этих устройств, поскольку электрические заряды должны будут пройти дальше вдоль электродов, прежде чем их можно будет извлечь.

Схематическая диаграмма тонкопленочного светодиода, показывающая ток, протекающий в поперечном направлении через электроды к активному материалу. Поверхностное сопротивление электродов будет влиять на количество тока, проходящего через светодиод, влияя на его характеристики.

Кроме того, удельное сопротивление и проводимость можно рассчитать, если известны поверхностное сопротивление и толщина материала. Это позволяет электрически характеризовать материалы, просто измеряя поверхностное сопротивление.

Четырехзондовый метод измерения поверхностного сопротивления

---

Общая теория

Основным методом измерения поверхностного сопротивления является метод четырех датчиков (также известный как метод Кельвина), который выполняется с использованием четырехточечного датчика. Четырехточечный датчик состоит из четырех равноудаленных коллинеарных электрических датчиков, как показано на схеме ниже.

Принципиальная схема четырехточечного щупа. Четыре датчика имеют одинаковый интервал ( s ) и показаны в контакте с поверхностью. Ток ( I ) подается через датчик 1 и собирается через датчик 4, в то время как напряжение измеряется между датчиками 2 и 3.

Он работает путем подачи постоянного тока ( I ) между двумя внешними датчиками и измерения результирующего падения напряжения между двумя внутренними датчиками.

Уравнение поверхностного сопротивления

Затем поверхностное сопротивление можно рассчитать с помощью следующего уравнения: внешние зонды. Поверхностное сопротивление обычно измеряется в единицах Ω/□ (Ом на квадрат), чтобы отличить его от объемного сопротивления.

Следует отметить, что это уравнение справедливо только в том случае, если:

• Толщина тестируемого материала не превышает 40% расстояния между датчиками
• Боковой размер образца достаточно велик

Если это не так, то необходимы геометрические поправочные коэффициенты для учета размера, формы и толщины образца. Значение этого коэффициента зависит от используемой геометрии и подробно рассматривается в следующем разделе (Геометрические поправочные коэффициенты).

Если известна толщина измеряемого материала, то сопротивление листа можно использовать для расчета его удельного сопротивления:

Здесь ρ — удельное сопротивление, t — толщина материала.

Четырехточечный зонд

• Простой в использовании
• Неразрушающий контроль
• Встроенный SMU

Доступно от 1800,00 фунтов стерлингов

Устранение контактного сопротивления

Одним из основных преимуществ использования четырехточечного датчика для определения электрических характеристик является исключение контактного сопротивления и сопротивления проводов при измерении. На приведенной ниже диаграмме показаны сопротивления цепи измерения четырехточечного щупа..

Эквивалентная электрическая схема четырехточечного датчика с указанием сопротивления проводов ( R _W ), контактных сопротивлений ( R _C ) и сопротивлений образца ( R _S ). Зеленые стрелки представляют текущий поток.

Приложенный ток I входит в образец и выходит из него через внешние зонды, а также протекает через образец. Вольтметры обычно имеют высокий электрический импеданс, чтобы предотвратить их влияние на измеряемую цепь, поэтому ток не будет течь через два внутренних датчика. Между внутренними щупами измеряется только напряжение, а это означает, что сопротивления проводов ( R _W2 и R _W3 ) и контактные сопротивления ( R _C2 и R _C3 ) не влияют на измерение. Таким образом, любое измеренное снижение напряжения ( ΔV ) будет полностью зависеть от сопротивления образца ( R _S2 ). Это упрощает уравнение поверхностного сопротивления, так что для нахождения значения R _{S2 9 требуется только ΔV и приложенный ток.0190} (т.е. поверхностное сопротивление).

Геометрические поправочные коэффициенты

---

Хотя приведенное выше уравнение для поверхностного сопротивления не зависит от геометрии образца, оно применяется только в том случае, если образец значительно больше (обычно его размеры в 40 раз больше), чем расстояние между датчиками, и если образец тоньше 40% расстояния между зондами. Если это не так, возможные пути тока между зондами ограничены близостью к краям образца, что приводит к завышению поверхностного сопротивления. Для учета этой разницы требуется поправочный коэффициент, основанный на геометрии образца.

Все поправочные коэффициенты в этом руководстве были получены от Haldor Topsøe, Geometric Factors in Four Points Resistivity Measurement , 1966.

Круглые образцы

, поправочный коэффициент можно рассчитать, используя:

Где s — расстояние между датчиками. Для d >> s это уравнение стремится к единице, что позволяет использовать нескорректированное уравнение.

Прямоугольные образцы

Для прямоугольного образца определение геометрического поправочного коэффициента немного сложнее, так как отсутствует уравнение. Вместо этого используется таблица эмпирически определенных поправок факторов . Значения в этой таблице применимы только в том случае, когда зонды соприкасаются в центре образца и выровнены параллельно самому длинному краю образца ( l ), как показано ниже.

Иллюстрация расположения и размеров зонда для прямоугольного образца с л ≥ w .

В качестве примера предположим, что прямоугольный образец, показанный на рисунке выше, имеет длинный край l = 20 мм и короткий край w = 10 мм, а расстояние между используемыми датчиками составляет s = 2 мм. В этом случае l  /  w = 2 и w  /  s = 5, поэтому в таблице ищется поправочный коэффициент, который удовлетворяет этим двум значениям, ища по столбцам l  /  w = 2 и ряды по w  /  s = 5, что равно C = 0,7887. Измеренное поверхностное сопротивление умножается на это значение, чтобы получить правильное значение для образца.

ш/с	л/ш = 1	л/ш = 2	л/ш = 3	л/ш = 4
1			0,2204	0,2205
1,25			0,2751	0,2751
1,5		0,3263	0,3286	0,3286
1,75		0,3794	0,3803	0,3803
2		0,4292	0,4297	0,4297
2,5		0,5192	0,5194	0,5194
3	0,5422	0,5957	0,5958	0,5958
4	0,6870	0,7115	0,7115	0,7115
5	0,7744	0,7887	0,7887	0,7887
7,5	0,8846	0,8905	0,8905	0,8905
10	0,9313	0,9345	0,9345	0,9345
15	0,9682	0,9696	0,9696	0,9696
20	0,9822	0,9830	0,9830	0,9830
40	0,9955	0,9957	0,9957	0,9957
∞	1	1	1	1

Не каждый образец точно попадает в эти категории. В этом случае рекомендуется использовать интерполяцию кубическим сплайном для оценки соответствующего поправочного коэффициента для выборки.

Важно отметить, что приведенные выше поправочные коэффициенты для круглых и прямоугольных образцов применимы только к измерениям, проведенным в центре образца . Если измерение не в центре, необходимы другие поправочные коэффициенты.

Другие формы и положения зонда

Для образцов другой формы и для измерений, выполняемых не в центре образца, требуются альтернативные поправочные коэффициенты. Большинство из них можно найти в Haldor Topsøe, 9.0003 Геометрические факторы в четырехточечном измерении удельного сопротивления , 1966, или Ф. М. Смитс, Измерение поверхностных удельных сопротивлений с помощью четырехточечного зонда , Bell Syst. Тех. Дж., май 1958 г., с. 711.

Если форма образца неправильная, рассмотрите, ближе ли она к прямоугольной или круглой, а затем оцените, какой размер этой формы может поместиться в образце.

Толстые образцы

Если испытуемый образец толще 40% расстояния между зондами, требуется дополнительный поправочный коэффициент. Используемый поправочный коэффициент зависит от отношения толщины образца ( t ) к шагу датчика ( s ), а некоторые из возможных значений перечислены в таблице ниже:

т/с	Поправочный коэффициент
0,4	0,9995
0,5	0,9974
0,5555	0,9948
0,6250	0,9898
0,7143	0,9798
0,8333	0,9600
1,0	0,9214
1.1111	0,8907
1,25	0,8490
1. 4286	0,7938
1,6666	0,7225
2,0	0,6336

Как и в случае с прямоугольными образцами, если t / s не равно одному из значений, приведенных в таблице, рекомендуется интерполяция кубическим сплайном для оценки соответствующего поправочного коэффициента для образца.

Вывод уравнения четырехточечного датчика

---

Чтобы определить, как поверхностное сопротивление тонкой пленки измеряется с помощью четырехточечного датчика, сначала необходимо оценить упрощенный сценарий. Представьте себе контакт с произвольно острым зондом и подачу тока (через приложенное напряжение) в полубесконечный объем (бесконечный во всех направлениях, кроме направления к зонду) проводящего материала.

Зонд, вводящий ток I в полубесконечный объем проводящего материала. Зеленая полусфера представляет собой оболочку инжектированного тока радиусом р .

Ток течет наружу от точки контакта через концентрические полусферические оболочки эквипотенциала, каждая из которых имеет плотность тока ( Дж ) из:

Где r — радиальное расстояние от зонда площадь полушария). Применяя закон Ома ( E = ρJ ) с электрическим полем на каждой оболочке, равным падению напряжения по толщине оболочки, или -ΔV / Δr (этот член отрицателен, так как напряжение уменьшается с r ), и при толщине оболочки, стремящейся к нулю, получается следующее уравнение: приближается к нулю по мере того, как r приближается к бесконечности, уравнение упрощается до:

Теперь представьте, что есть четыре произвольно острых щупа (обозначенных от 1 до 4) в контакте с полубесконечным проводящим материалом, которые находятся на одной линии с равным интервалом. ( с ). Они настроены так, что ток подается через датчик 1 и собирается датчиком 4, как обсуждалось ранее в разделе «Общая теория». Если принять эквивалентные граничные условия для каждого датчика, то напряжение в любой точке равно сумме напряжений каждого датчика в отдельности, т.е. расстояния от датчика 1 и датчика 4 соответственно. Затем проводятся измерения напряжения между датчиками 2 и 3. Используя приведенное выше уравнение, напряжение на датчиках 2 и 3 составляет:

Следовательно, изменение напряжения ( ΔV ) между датчиками 2 и 3 составляет:

Следовательно, удельное сопротивление между датчиками составляет:

Это выражение применимо только в случае полубесконечного объема и не применяется в случае тонкой пленки. Однако с помощью аналогичного анализа можно получить новое выражение. Как и прежде, представьте себе контакт с произвольно острым зондом и ввод тока в тонкую пленку материала толщиной t .

Датчик подачи тока I в тонкую пленку из проводящего материала толщиной t . Зеленый цилиндр представляет собой оболочку инжектированного тока радиусом r .

В этом случае ток проходит от зонда (через материал) в коротких цилиндрических эквипотенциальных оболочках, каждая с плотностью тока: стремится к нулю), электрическое поле на каждой оболочке равно:

Удельное сопротивление уже было определено как поверхностное сопротивление, умноженное на толщину материалов, поэтому его можно заменить в приведенном выше уравнении, чтобы получить:

В отличие от предыдущего, нельзя предположить, что напряжение стремится к нулю, когда r приближается к бесконечности, поскольку натуральный логарифм бесконечности не равен нулю. Однако это не влияет на анализ, так как разница напряжения в разных точках ( ΔV ) — значение, измеренное четырехточечным датчиком.

Теперь представьте систему с четырьмя зондами, находящуюся в контакте с тонкой пленкой, с дополнительным условием, что толщина пленки ( t ) пренебрежимо мала по сравнению с расстоянием между зондами ( s ). Для тока, инжектируемого датчиком 1 и собираемого датчиком 4, уравнение принимает вид:

Таким образом, напряжения, измеренные на датчиках 2 и 3, составляют:

Следовательно, изменение напряжения равно:

Что можно преобразовать, чтобы получить:

Таким образом, измеряя изменение напряжения между внутренними зондами и приложенный ток между внешними зондами, мы можем измерить поверхностное сопротивление образца.

Четырехточечный зонд

• Простой в использовании
• Неразрушающий контроль
• Встроенный SMU

Доступно от 1800,00 фунтов стерлингов

Ссылки и дополнительная литература

---

• 100 годовщина четырехзондовой методики: роль геометрии зонда в изотропных и анизотропных системах , I.Miccoli et al., J. Phys.: Condens. Материя, 27, 223201 (2015)
• Измерения удельного сопротивления германия для транзисторов , Л. Б. Вальдес, Труды IRE, февраль, 420 (1954)
• Геометрические факторы в четырехточечном измерении удельного сопротивления , H. Topsøe, (1966)
• Измерение поверхностных сопротивлений с помощью четырехточечного датчика , F. M. Smits, Bell Syst. Тех. Дж., 711 (1958)

Журнал ESD — поверхностное сопротивление

Электростатический разрядник Журнал не является аффилированным лицом какой-либо торговой организации, ассоциации или Общество

ОУР Journal и esdjournal. com являются товарными знаками Fowler Associates, Inc. — Все права защищены

Содержание и внешний вид ESD Journal и esdjournal.com защищены авторским правом. by Fowler Associates, Inc. — Все права защищены Copyright 2011

Уильям Кляйн, K&S Labs Почему важна конфигурация электродов к электрическим испытаниям материалов Концентрические электроды использовать нельзя для определения сопротивлений неоднородных материалов а для имеющих направленность поверхностной проводимости ASTM D257, AATCC 76 и ESD S11. 11 могут использоваться для характеристики материалов, если технолог понимает тестируемый материал и его предполагаемое применение      Ложные предположения неявны в большинстве простых измерителей и методов испытаний, предназначенных для измерения поверхности сопротивление напрямую. Они используют конфигурации электродов действительны только для особых случаев. Измерения удельного поверхностного сопротивления предположить желание знать электрическое сопротивление от точки до точку на поверхности. Это можно измерить непосредственно использование пары электродов, круглых или прямоугольных, на поверхности независимо от пути течения. Это принята основа измерения сопротивления пола по типу NFPA как ASTM, так и UL, а также для рабочих поверхностей и пешеходных поверхностей Ассоциацией ESD. необходимо указать размер электродов, расстояние между ними и напряжение.      Недостаток этого метода заключается в том, что он не измеряет неотъемлемое свойство материала, но только конкретного образца для испытаний в конфигурации занят. Преимущество в том, что это обычно дает желаемый результат. результаты без приписывания ложных свойств, которые могут привести к серьезным ошибки проектирования.      Использование только концентрических электроды не позволяют достоверно характеризовать материалы если материал имеет какую-либо неоднородность в своей проводимости либо в направлении поверхности или объема. Эти электроды могут маскируют серьезные проблемы с непрерывностью.   ASTM D257 : Наиболее цитируемый тест метод поверхностного или объемного удельного сопротивления носит скорее учебный характер чем метод, указан только для изоляционных материалов, имеет широкая применимость и дает широкие возможности методологии как в конфигурации электродов и приложенном напряжении в зависимости от предполагаемого использовать.   AATCC 76 : Используется текстильным промышленности как простой, прямой метод измерения поверхностного сопротивления свойства тканей. Результаты значимы для худых, гибкие, относительно однородные материалы с проводящей способностью на поверхности или вблизи нее; и для таких материалов, имеющих направленное различия в поверхностной проводимости, например, с текстильными материалами. Метод является частным случаем измерения удельного поверхностного сопротивления. от D257, в котором параллельные электроды или концентрические кольца используемые, с размерами и расстоянием, соответствующими применению, и защитный электрод не используется.   ESD S11.11 : Используется для электростатических контроль применения плоских материалов. Метод конкретный случай ASTM D257 с конфигурацией электрода, вес и приложенное напряжение фиксированы в попытке уменьшить межлабораторное вариации. Электроды представляют собой внутренний диск, окруженный концентрическим кольцом в фиксированном трехмерном отношении. Приложенное напряжение составляет 100 вольт для материалов в диссипативной диапазон.   Пользователи ASTM D257 обычно не читают его полностью перед они используют его или цитируют его. Особенно важно отметить, что «поверхностное удельное сопротивление» часто не поддается определению или измерению, даже в изоляционных материалах, которые специально рассматриваются в Д257. Поверхностное удельное сопротивление не существует в качестве основного свойство материала в большинстве материалов, представляющих интерес для электростатического разряда защита. Это связано с тем, что поверхности обычно не имеют электрические свойства, отличные от объемных свойств и течение тока от точки к точке по поверхности не может можно охарактеризовать только как поверхностное явление. Рис. 1 Параллельные электроды квадрата, отсюда и термин «Ом/квадрат». Хотя по размерам то же самое, «Ом/квадрат» отличает измерения поверхностного удельного сопротивления от простого сопротивления измерения (R). Рис. 2. Концентрические кольцевые электроды     Понятие удельного поверхностного сопротивления не требуется. и часто ошибочны в материалах, используемых для контроля электростатического разряда. Если материал тонкий, однородный и объемный, как показано на рисунке на рис.1, то кажущееся поверхностное сопротивление равно к истинному объемному удельному сопротивлению , деленному на толщину. Рис. 3. Токопроводящая подложка A — площадь контакта каждого электрода. Если L намного больше, чем t и схема можно приблизительно представить, как на рис. 3б. это на самом деле объемное удельное сопротивление, которое измеряется, и поверхностное удельное сопротивление, фактически несуществующее материальное свойство, приобретает свою видимую значение зависит от объемного удельного сопротивления и геометрии образца. Примечание что R не зависит от расстояния между электродами.        В материалах, которые поверхность обработана, чтобы быть проводящей, и большая часть которых гораздо более активное сопротивление, понятие удельного поверхностного сопротивления делает смысла, хотя обычно в этом нет необходимости. Это указано на рис. 4. Рис. 4. Проводящий поверхностный слой 9.0076      Если материал с направленные различия в проводимости, такие как тканая ткань или некоторых материалов, содержащих волокна, измеряется, то свойство Удельное сопротивление не может быть определено или измерено. концентрический Вариант электрода недействителен, если есть какие-либо заметные осевые или направленная неравномерность. Как показано ниже, концентрические электроды маскируют серьезные проблемы с непрерывностью, в то время как это уместно использование параллельных электродов позволяет характеризовать материал. Рис. 5 Направленная проводимость Рис. 6. Случайные волокна

Разница между антистатическими, диссипативными, проводящими и изолирующими

Статическое электричество

Как следует из названия, статическое электричество — это электричество в состоянии покоя. Электрический заряд — это перенос электронов, возникающий при скольжении, трении или разделении материала, который является генератором электростатических напряжений. Например: пластмассы, стекловолокно, резина, текстиль и т. д. При правильных условиях этот индуцированный заряд может достигать от 30 000 до 40 000 вольт.

Когда это происходит с изоляционным материалом, таким как пластик, заряд имеет тенденцию оставаться в локализованной области контакта. Это электростатическое напряжение может затем разрядиться в виде дуги или искры, когда пластиковый материал вступает в контакт с телом с достаточно разным потенциалом, например с человеком или микросхемой.

Если у человека возникает электростатический разряд (ЭСР), результаты могут варьироваться от легкого до болезненного шока. Экстремальные случаи электростатического разряда или вспышки дуги могут даже привести к гибели людей. Эти типы искр особенно опасны в средах, которые могут содержать легковоспламеняющиеся жидкости, твердые вещества или газы, например, в операционной больницы или в сборке взрывных устройств.

Некоторые детали микроэлектроники могут быть разрушены или повреждены электростатическим разрядом при напряжении до 20 вольт. Поскольку люди являются основной причиной электростатического разряда, они часто вызывают повреждение чувствительных электронных компонентов, особенно во время производства и сборки. Последствия разряда через электрический компонент, чувствительный к электростатическому разряду, могут варьироваться от ошибочных показаний до необратимого повреждения, приводящего к чрезмерному простою оборудования и дорогостоящему ремонту или полной замене деталей.

Электростатический разряд (ESD)

Внезапный поток электричества между двумя электрически заряженными объектами, вызванный контактом, коротким замыканием или пробоем диэлектрика. Накопление статического электричества может быть вызвано трибозарядом или электростатической индукцией.

Антистатик

Предотвращение накопления статического электричества. Снижение статических электрических зарядов, например, на тканях, восках, полиролях и т. д. за счет сохранения достаточного количества влаги для обеспечения электропроводности.

Рассеивающий

Заряды стекают на землю медленнее и несколько более контролируемым образом, чем с проводящими материалами. Рассеивающие материалы имеют поверхностное удельное сопротивление, равное или превышающее 1 x 10 ⁵ Ом/кв., но менее 1 x 10 ¹² Ом/кв., или объемное удельное сопротивление, равное или превышающее 1 x 10 ⁴ Ом-см. но менее 1 x 10 ¹¹ Ом-см2

Проводящий

Благодаря низкому электрическому сопротивлению электроны легко проходят через поверхность или через объем этих материалов. Заряды уходят на землю или на другой проводящий объект, с которым контактирует или приближается материал. Проводящие материалы имеют удельное поверхностное сопротивление менее 1 x 10 ⁵ Ом/кв или объемное удельное сопротивление менее 1 x 10 ⁴ Ом-см.

Изолирующий

Изоляционные материалы предотвращают или ограничивают поток электронов через их поверхность или через их объем. Изоляционные материалы имеют высокое электрическое сопротивление и их трудно заземлить. Статические заряды остаются на этих материалах в течение очень долгого времени. Изоляционные материалы определяются как имеющие поверхностное удельное сопротивление не менее 1 x 10 ¹² Ом/кв или объемное удельное сопротивление не менее 1 x 10 ¹¹ Ом-см.

Материалы для защиты и предотвращения электростатического разряда можно разделить на три отдельные группы, разделенные диапазонами проводимости до электрических зарядов.

Металлы		Экранирующие композиты			Углерод Порошки и волокна			Проводящие композиты			Композиты, рассеивающие статическое электричество				Антистатические композиты			Изоляция Базовые полимеры
10 -5	10 -4	10 -3	10 -2	10 -1	1	10 1	10 2	10 3	10 4	10 5	10 6	10 7	10 8	10 9	10 10	10 11	10 12	10 13	10 14	10 15	10 16

Антистатик

Удельное сопротивление обычно от 10 ¹⁰ до 10 ¹² Ом на квадрат. Первоначальные электростатические заряды подавляются. Может иметь резистивную поверхность, покрытие поверхности или полное заполнение.

Рассеивающий статические заряды

Удельное сопротивление, как правило, от 10 ⁶ до 10 ⁹ Ом на квадрат. Низкие начальные заряды или их отсутствие предотвращают разрядку от контакта с человеком. Может быть как с поверхностным покрытием, так и заполненным по всей поверхности.

Проводящий

Удельное сопротивление обычно от 10 ³ до 10 ⁵ Ом на квадрат. Нет первоначальных зарядов, обеспечивает путь для сброса заряда. Обычно заполнены углеродными частицами или углеродным волокном.

Удельное поверхностное сопротивление

Для термопластичных материалов, предназначенных для рассеивания электростатических зарядов, наиболее распространенным показателем способности материала к этому является удельное поверхностное сопротивление.

Широко распространенный метод определения удельного поверхностного сопротивления – ASTM D257. Он заключается в измерении сопротивления (с помощью омметра) между двумя электродами, приложенными под нагрузкой к тестируемой поверхности. Вместо точечных зондов используются электроды из-за неоднородного состава компаундированных термопластов. Простое прикосновение к поверхности точечным контактом может не дать показаний, согласующихся со всей деталью (показания такого типа часто являются изолирующими, даже если деталь на самом деле является проводящей).

Также важно поддерживать хороший контакт между образцом и электродами, что может потребовать значительного давления. Затем показания сопротивления преобразуются в удельное сопротивление для учета размеров электродов, которые могут варьироваться в зависимости от размера и формы испытуемых образцов. Поверхностное удельное сопротивление равно сопротивлению, умноженному на периметр электродов, деленному на расстояние зазора, что дает Ом/квадрат.

Объемное удельное сопротивление

Объемное удельное сопротивление полезно для оценки относительной дисперсии проводящей добавки в полимерной матрице. Это может быть примерно связано с эффективностью экранирования электромагнитных и радиочастотных помех в некоторых проводящих наполнителях.

Объемное удельное сопротивление измеряется аналогично поверхностному удельному сопротивлению, однако электроды располагаются на противоположных сторонах испытуемого образца. ASTM D257 также относится к объемному удельному сопротивлению, и для получения значения удельного сопротивления из показаний сопротивления снова используется коэффициент преобразования, основанный на размерах электрода и толщине детали. [Объемное удельное сопротивление равно умножению сопротивления на площадь поверхности (см ² ), деленному на толщину детали (см), поддающейся деформации, ом-см.]

Чувствительность к электростатическому разряду

Символ подверженности электростатическому разряду представляет собой протянутую руку в треугольнике с перечеркнутой чертой и используется для обозначения того, что электрическое или электронное устройство или сборка подвержены повреждению в результате электростатического разряда. Используется для обозначения ESDS [предметов, чувствительных к электростатическому разряду] и того, что персонал должен быть заземлен при распаковке или обращении с этим предметом. Его также называют символом чувствительности к электростатическому разряду или символом предупреждения об электростатическом разряде.

Символ представляет собой протянутую руку с четкими пальцами и ногтем в контрастном треугольнике с косой чертой перед рукой.

Защита от электростатического разряда

Символ защиты от электростатического разряда отличается от символа восприимчивости к электростатическому разряду добавлением дуги вокруг внешней стороны треугольника и отсутствием косой черты на руке и треугольнике.

Символ защиты от электростатического разряда следует использовать для обозначения элементов, которые специально разработаны для обеспечения защиты от электростатического разряда для элементов электростатического разряда. Примерами этого являются упаковка, защитная одежда от электростатического разряда и оборудование для заземления персонала. Символ защиты от электростатического разряда также следует использовать на изделиях, предназначенных для замены материалов, создающих статическое электричество. Примерами таких предметов являются оборудование для защиты от электростатических разрядов на рабочих местах, вкладыши для мусорных баков и стулья. Элемент должен быть защищен от электростатических разрядов или не создавать статического электричества по своей конструкции.

Заземление общей точки электростатического разряда

Этот символ используется для обозначения заземления общей точки электростатического разряда, который определяется ANSI/ESD-S6.1 как «заземленное устройство, в котором соединены два или более проводников».

Этот символ состоит из жирного внешнего круга, внутри которого жирным шрифтом выделены слова ESD ОБЩАЯ ТОЧКА ЗАЗЕМЛЕНИЯ. Внутри находятся два толстых контрастных круга и один толстый круг, который может заполнять центр или доходить до центра, где может быть подсоединена кнопка, заглушка или другая застежка.

Удельное поверхностное сопротивление (ρS) — свойство материала печатной платы

Что такое удельное поверхностное сопротивление печатной платы?

 

Удельное сопротивление поверхности ( ρS ) является мерой электрического или изоляционного сопротивления поверхности материала печатной платы. Как и объемное удельное сопротивление, материалы для печатных плат должны иметь очень высокие значения ρS, порядка 10⁶Ом/кв. – 10¹⁰ МОм/кв. На него также в некоторой степени влияют как влажность, так и температура. См. также Объемное удельное сопротивление, Листовое сопротивление.

Поверхностное удельное сопротивление определяет электрическое сопротивление фиксированной длины поверхности изоляционного материала. Это измерение не принимает во внимание физические размеры, такие как толщина и диаметр. Поскольку он определяет только удельное сопротивление поверхности, требуется только одно физическое измерение. Соответственно, ρS измеряется между электродами вдоль поверхности материала изолятора.

При испытании материалов это измерение может определить ρS пластмасс. В ситуациях, связанных с рассеянием статического электричества, таких как производство электроники, идеально подходит низкое поверхностное сопротивление. Сами по себе инженерные пластики обладают высоким уровнем поверхностного сопротивления. Чтобы увеличить проводимость, производители часто добавляют углерод или обработку поверхности. В целом, тестирование ρS редко применяется к металлам, поскольку они уже обладают высокой проводимостью.

Поверхностное удельное сопротивление описывает локальное физическое поведение поверхности печатной платы в поле градиента напряжения. Совокупное поведение во всех таких точках создает эквивалентное паразитное поверхностное сопротивление (RPS) между любыми двумя точками. Объемное удельное сопротивление (ρV, в единицах МОм·см или эквивалент) описывает локальное физическое поведение внутри диэлектрика печатной платы в поле градиента напряжения. Совокупное поведение по всем таким точкам создает эквивалентное паразитное массовое сопротивление (RPB) между любыми двумя точками. Типичные удельные сопротивления для FR4, основанные на данных нескольких производителей, составляют:

• ρS ≈ 1 × 105 МОм
• ρВ ≈ 1 × 106 МОм·см

Различные условия работы и производственные потоки дадут разные значения; иногда на два-три порядка в любом направлении.

 

Как измерить сопротивление поверхности?

 

В приведенном ниже примере показаны две параллельные змеевидные дорожки на одной поверхности печатной платы. Эта геометрия полезна для измерения ρS в данном процессе производства печатных плат. Сделайте дорожки как можно длиннее и как можно ближе друг к другу, чтобы максимизировать поверхностный ток утечки. Например, печатная плата размером 6 дюймов × 6 дюймов (толщиной 60 мил) может иметь две змеевидные дорожки шириной 10 мил и расстоянием между ними 10 мил. Если площадь перекрытия составляет 5 дюймов × 5 дюймов, эквивалентная длина составит 1250 дюймов. При ρS = 1 × 105 МОм и ρV ≈ 1 × 106 МОм см мы оцениваем RPS ≈ 0,8 МОм и RPB ≈ 2 ГОм.

Удельное сопротивление поверхности печатной платы с параллельными дорожками

В приведенном ниже примере показаны две параллельные плоскости на противоположных поверхностях печатной платы. Эта геометрия полезна для измерения ρV в данном процессе производства печатных плат. Сделайте плоскости максимально большими, чтобы максимизировать объемный ток утечки. Например, печатная плата размером 6 дюймов × 6 дюймов (толщиной 60 мил) может иметь две плоскости: 5 дюймов в длину и 5 дюймов в ширину. При ρS = 1 × 105 МОм и ρV = 1 × 106 МОм см можно оценить RPS ≈ ∞ и RPB ≈ 0,9 ГОм.

Обязательно измерьте ρS и ρV в различных условиях вашей цепи. Эти значения также будут меняться в зависимости от производителя и процесса.

 

Численные решения

Программное обеспечение

При оптимизации сложной геометрии печатной платы может оказаться целесообразным использовать решатель уравнения в частных производных (PDE). Поиск в Интернете по запросу «программное обеспечение для дифференциальных уравнений в частных производных» или аналогичный должен привести к нескольким коммерчески доступным пакетам программного обеспечения.

 

Использование Spice

Можно использовать SPICE для реализации сети резисторов, представляющих тепловой поток между соседними точками. Выберите массив равноудаленных точек. Резисторы соединяют соседние точки и представляют местное сопротивление протеканию тока в этом направлении.

Чтобы смоделировать определенное паразитное сопротивление, подайте напряжение на его вход и измерьте ток на его выходе. Отношение напряжения к току и есть это сопротивление.

На рисунке ниже показана типичная точка массива в двумерном (2D) массиве. Центральная точка находится под напряжением V0. Четыре соседние точки соединены четырьмя резисторами R ₁ , R ₂ , R ₃ и R ₄ .

Резисторы представляют локальное удельное сопротивление между соседними точками.