Удельное сопротивление медных, алюминиевых, нихромовых, стальных и других проводников

Что означают показатели удельного сопротивления?

Чтобы сравнить удельное сопротивление различных материалов, от таких предметов, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.

Единицей удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) является Ом·м.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление 1 Ом. Следовательно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, изготовленного из этого вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2

Обобщение понятия удельного сопротивления

Удельное сопротивление можно определить и для неоднородного материала, свойства которого меняются от точки к точке. В данном случае это не константа, а скалярная функция координат — коэффициент, связывающий напряженность электрического поля и плотность тока в данной точке J → (р →) {displaystyle {vec {J}}({vec {r}}}} . Эта связь выражается законом Ома в дифференциальной форме :

E → (r →) знак равно ρ (r →) J → (r →) . { displaystyle { vec {E}} ({ vec {r}}) = rho ({ vec {r}}) { vec {J}} ({ vec {r}}).}

Эта формула справедлива для неоднородного, но изотропного вещества. Вещество может быть и анизотропным (большинство кристаллов, замагниченная плазма и т д.), то есть его свойства могут зависеть от направления. В этом случае удельное сопротивление представляет собой зависящий от координат тензор второго порядка, содержащий девять компонент. В анизотропном веществе векторы плотности тока и напряженности электрического поля в любой данной точке вещества не совпадают; связь между ними выражается отношением

E я (р →) знак равно ∑ j знак равно 1 3 ρ ij (р →) J j (р →) . { displaystyle E_ {i} ({ vec {r}}} = sum _ {j = 1} ^ {3} rho _ {ij} ({ vec {r}}) J_ {j} {{ vec{r}}).}

В анизотропном, но однородном веществе тензор не зависит от координат.

Тензор симметричен, то есть для всех я { displaystyle i} и j { displaystyle j} ρ ij = ρ ji { displaystyle rho _ {ij} = ро _ {дзи}}

.

Как и для любого симметричного тензора, для ρ ij {displaystyle rho _{ij}} можно выбрать ортогональную систему декартовых координат, где матрица становится диагональной, т.е форма, в которой только три из девяти компонентов не равны нулю: ρ ij { displaystyle rho _ {ij}} , ρ 11 { displaystyle rho _ {11}} , ρ 22 { displaystyle rho _ {22 }} и ρ 33 { displaystyle rho _ {33}} . В этом случае, устанавливая вместо предыдущей формулы ρ ii { displaystyle rho _ {ii}}, мы получаем более простую формулу

E я знак равно ρ я J я { displaystyle E_ {i} = rho _ {i} J_ {i}.}

Величины называются главными значениями тензора удельного сопротивления.

Параметры, определяющие сопротивление проводника

В предыдущих уроках мы уже затрагивали вопрос о том, как электрическое сопротивление влияет на силу тока в цепи, но не обсуждали, от каких именно факторов зависит сопротивление проводника. На сегодняшнем уроке мы узнаем о параметрах проводника, определяющих его сопротивление, и узнаем, как Георг Ом исследовал сопротивление проводников в своих опытах.

Для того чтобы получить зависимость силы тока в цепи от сопротивления Ом, пришлось провести большое количество опытов, в которых необходимо было изменить сопротивление проводника. В связи с этим перед ним встала задача изучения сопротивления проводника в зависимости от его отдельных параметров. В первую очередь Георг Ом обратил внимание на зависимость сопротивления проводника от длины, о которой уже вскользь упоминалось в предыдущих уроках. Он сделал вывод, что с увеличением длины проводника сопротивление также увеличивается прямо пропорционально. Кроме того, было установлено, что на сопротивление влияет и сечение проводника, то есть площадь фигуры, которая получается поперечным сечением. При этом чем больше площадь сечения, тем меньше сопротивление. Отсюда можно сделать вывод, что чем толще провод, тем меньше сопротивление. Все эти факты были получены эмпирическим путем.

Помимо геометрических параметров, на сопротивление проводника также влияет величина, характеризующая тип материала, из которого изготовлен проводник. В своих опытах Ом использовал проводники из разных материалов. При использовании медных проводов сопротивление было как-то одно, серебряных – другое, железных – третье и т д. Величина, характеризующая род вещества в этом случае, называется удельным сопротивлением.

Таким образом, можно получить следующие зависимости для сопротивления проводника (рис. 1):

1. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, которая измеряется в СИ им;

2. Сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника, которую мы будем измерять в мм2 из-за его малости;

3. Сопротивление зависит от удельного сопротивления вещества (читается «ro»), которое является табличной величиной и обычно измеряется в .

Рис. 1. Проводник

Формулировка закона Ома

Ток в конкретном участке цепи будет прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Закон Ома для участка цепи

Задается по классической формуле: ​(I=U/R )​

Он не учитывает сопротивление всей цепи, но есть возможность измерить показатель сопротивления на каждом отдельном участке.

Закон Ома для полной цепи

Определяется по формуле:

I=E/R+r

В качестве определения эта формулировка будет звучать так: сила тока прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению. Полное сопротивление представляет собой сумму внешнего и внутреннего сопротивления.

Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах

• В дифференциальной форме применяется при необходимости определения параметров ничтожно малого участка цепи.
• В интегральном виде рассматривается схема, как с расчетом на наличие источника тока, так и без него.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь при комнатной температуре, как уже упоминалось, имеет низкое удельное электрическое сопротивление из-за высокого содержания железа. При 20°С величина их удельного сопротивления находится в пределах от 13·10 -8 (для стали 08КП) до 20·10 -8 Ом·м (для У12).

При нагреве до температуры выше 1000°С способность углеродистой стали проводить электричество сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление для углеродистой стали ρe 10 8 , Ом·м

Температура, °С	Сталь 08КП	Сталь 08	Сталь 20	Сталь 40	Сталь У8	Сталь U12
12	13.2	15,9	16	17	18,4
20	1. 3	14.2	16,9	17.1	18	19,6
50	14,7	15,9	18,7	18,9	19,8	21,6
100	17,8	19	21,9	22.1	23,2	25,2
150	21,3	22,4	25,4	25,7	26,8	29
200	25,2	26,3	29,2	29,6	30,8	33,3
250	29,5	30,5	33,4	33,9	35,1	37,9
300	34,1	35,2	38.1	38,7	39,8	43
350	39,3	40,2	43,2	43,8	45	48,3
400	44,8	45,8	48,7	49,3	50,5	54
450	50,9	51,8	54,6	55,3	56,5	60
500	57,5	58,4	60,1	61,9	62,8	66,5
550	64,8	65,7	68,2	68,9	69,9	73,4
600	72,5	73,4	75,8	76,6	77,2	80,2
650	80,7	81,6	83,7	84,4	85,2	87,8
700	89,8	90,5	92,5	93,2	93,5	96,4
750	100,3	101.1	105	107,9	110,5	113
800	107,3	108.1	109,4	111,1	112,9	115
850	110,4	111,1	111,8	113,1	114,8	117,6
900	112,4	113	113,6	114,9	116,4	119,6
950	114,2	114,8	115,2	116,6	117,8	121,2
1000	116	116,5	116,7	117,9	119,1	122,6
1050	117,5	117,9	118,1	119,3	120,4	123,8
1100	118,9	119,3	119,4	120,7	121,4	124,9
1150	120,3	120,7	120,7	122	122,3	126
1200	121,7	122	121,9	123	123,1	127,1
1250	123	123,3	122,9	124	123,8	128,2
1300	124,1	124,4	123,9	—	124,6	128,7
1350	125,2	125,3	125,1	—	125	129,5

Удельное сопротивление металлов, электролитов и веществ (Таблица)

Удельное сопротивление металлов и изоляторов

В справочной таблице приведены значения удельного сопротивления р для некоторых металлов и диэлектриков при температуре 18-20°С, выраженные в Ом·см. Значение р для металлов сильно зависит от примесей, в таблице приведены значения р для химически чистых металлов, для изоляторов они даны приблизительно. Металлы и изоляторы расположены в таблице в порядке возрастания p-значения.

Удельное сопротивление чистых металлов при низких температурах

В таблице приведены значения удельного сопротивления (в Ом·см) для некоторых чистых металлов при низких температурах (0°С).

Чистые металлы	ч (°С)	Удельное сопротивление, 104 ρ (Ом·см)
Висмут	-200	0,348
Золото	-262,8	0,00018
Утюг	-252,7	0,00011
Медь	-258,6	0,00014 1
Платина	-265	0,0010
Меркурий	-183,5	0,0697
Вести	-252,9	0,0059
Серебряный	-258,6	0,00009

Удельное сопротивление электролитов

В таблице приведены значения удельного сопротивления электролитов в Ом·см при температуре 18 °С. Концентрация растворов с дана в процентах, что определяет количество граммов безводной соли или кислоты в 100 г решение.

Читайте также: Медные трубы для отопления, преимущества и недостатки, функции при монтаже и эксплуатации, технология сварки

с (%)	NH 4 Cl	NaCl	ZnSO4	CuSO4	КОН	NaOH	H2SO4
5	10,9	14,9	52,4	52,9	5,8	5.1	4,8
10	5.6	8.3	31,2	31,3	3.2	3.2	2,6
пятнадцать	3,9	6.1	24.1	23,8	2,4	2,9	1,8
20	3.0	5.1	21,3	—	2.0	3.0	1,5
25	2,5	4.7	20,8	—	1,9	3,7	1,4

 

Удельное электрическое сопротивление стали при различных температурах

Приведены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей разных типов и марок в зависимости от температуры, в диапазоне от 0 до 1350 °С.

В общем случае удельное сопротивление определяется только составом вещества и его температурой, численно оно равно полному сопротивлению изотропного проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.

Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от ее состава и температуры. С повышением температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Следовательно, при повышении температуры сопротивление стали увеличивается.

Изменение состава стали и процентного содержания в ней легирующих добавок существенно влияет на величину электрического сопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали проводят электричество в несколько раз лучше, чем высоколегированные и жаропрочные стали, имеющие высокое содержание никеля и хрома.

Как просто вычислить сопротивление по закону Ома из электрических величин

Закон необходим для понимания того, как протекает ток по цепи, каково ее сопротивление и параметр напряжения, сформулирован закон Ома.

Он выражается формулой:

И=У/Р

Согласно заявлению, сопротивление будет зависеть от напряжения и мощности.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от его температуры. Их значения обычно приводятся для комнатной температуры (20 °С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (термисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в прецизионной электронике это довольно нежелательный эффект. Металлопленочные резисторы обладают отличной температурной стабильностью. Это достигается не только из-за низкого удельного сопротивления материала, но и из-за механической конструкции самого резистора.

При изготовлении резисторов используется множество различных материалов и сплавов. Нихром (сплав никеля и хрома) благодаря высокому удельному сопротивлению и стойкости к окислению при высоких температурах часто используется в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Минус в том, что нельзя паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Плотность, теплопроводность, теплоемкость алюминиевых сплавов Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16

Приведены значения плотности (при температуре 293К), теплопроводности, Вт/(м°С), и удельной (массовой) теплоемкости, кДж/(кг°С) для некоторых алюминиевых сплавов в зависимости от температуры (свойства приведены при температурах 25, 100, 200, 300, 400°С).

В таблице приведены плотность, теплопроводность, теплоемкость следующих алюминиевых сплавов: Амц, Амг1, Амг2, Д1, Д16. Следует отметить, что плотность алюминиевых сплавов примерно одинакова, но мало выделяется такой алюминиевый сплав, как Д-1 — его плотность составляет 2800 кг/м 3 .

Единицы измерения удельного сопротивления

Из формулы (1) следует, что, поскольку сопротивление в международной системе СИ измеряется в омах, а длина и площадь в метрах и квадратных метрах соответственно, единицей измерения удельного сопротивления будет Ом*м:

$ ρ = {{Om*m^2}over m} = Om*m $ (2).

Для практических расчетов часто используют внесистемную единицу Ом*мм2/м.Эта единица равна удельному сопротивлению материала, из которого изготовлен проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Числовые значения ρ становятся более комфортными для восприятия. Другая причина в том, что сечение реальных проводов и кабелей составляет 1-10 мм2, и для расчета их параметров удобнее использовать внесистемный прибор.

Теплофизические свойства алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn

В таблице приведены теплофизические свойства алюминиевых сплавов, содержащих медь и марганец, рассмотрены такие сплавы, как сплав 01205, 1201, Д21, Д20. Представлены свойства сплавов в зависимости от температуры в диапазоне от 25 до 400°С. Из рассмотренных сплавов наиболее теплопроводным является сплав Д20 с теплопроводностью 138 Вт/(м·град) при температуре 25°С.

Приведены следующие теплофизические свойства сплавов:

• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг град);
• коэффициент линейного теплового расширения, 1/град.

Влияние температуры на удельное сопротивление

В энциклопедиях значения ρ для металлов приводятся при комнатной температуре 200С. Но эксперименты показали, что зависимость ρ(Т) носит линейный характер и описывается формулой:

$ ρ(T) = ρ0 * (1 + α*T)$ (3),

где: ρ0 – удельное сопротивление проводника при температуре 00С, α – температурный коэффициент сопротивления, который также имеет индивидуальное значение для каждого вещества. Значения α, полученные опытным путем, можно найти в энциклопедиях. Ниже приведены значения α для некоторых металлов:

• Серебро — 0,0035;
• Медь — 0,004;
• Алюминий — 0,004;
• Железо — 0,0066;
• Платина — 0,0032;
• Вольфрам — 0,0045.

Таким образом, с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается. Это объясняется тем, что с повышением температуры увеличивается количество дефектов в кристаллической решетке из-за более интенсивных тепловых колебаний ионов, тормозящих поток электронов.

Рис. 3. Температурная зависимость удельного сопротивления металлов.

Когда температура металла приближается к абсолютному нулю, удельное сопротивление резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью, а материалы, обладающие этой способностью, называются сверхпроводниками. Этот эффект был открыт в 1911 году голландским физиком Камерлинг-Оннесом. В его эксперименте удельное сопротивление ртути упало до нуля при температуре 4,10 К.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — легкий металл, который легко обрабатывается и отливается. Обладает высокой электропроводностью: стоит на 4-м месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд преимуществ (дешевизна, легкий вес, простота обработки и др.), алюминиевые провода в долгосрочной перспективе менее рентабельны, чем медные.

В электротехнике важны 2 понятия:

• Проводимость: Отвечает за передачу тока из одной точки в другую. Чем выше электропроводность металла, тем лучше он пропускает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 млн сименс на метр (См/м), алюминия — 38 млн См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
• Электрическое сопротивление: чем выше это понятие, тем хуже материал будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Вас заинтересуют функции питания постоянного тока

Алюминиевые кабели востребованы не меньше, чем медные

Другими словами, медь имеет более высокую проводимость и меньшее сопротивление, чем алюминий.

Формула расчета удельного сопротивления

Эта величина характеризует некоторое свойство материала, препятствующее прохождению тока.

Похоже на то:

ρ=R⋅Sl

Значения температурного коэффициента для некоторых металлов

Металл	а
Серебро Медь Железо Вольфрам Платина	0,0035 0,0040 0,0066 0,0045 0,0032	Ртуть Никелин Константан Нихром Манганин	0,0090 0,0003 0,000005 0,00016 0,00005

Из формулы температурного коэффициента сопротивления определяем rt:

Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°С, если сопротивление при 0°С равно 100 Ом.

Пример 7 Термометр сопротивления из платиновой проволоки в комнате при 15°С имел сопротивление 20 Ом. Термометр помещали в печь и через некоторое время измеряли сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в духовке.

Тест по теме

1. /10 Вопрос 1 из 10

Величина удельного сопротивления характеризует способность вещества сопротивляться росту…?

• Деформации
• Электрический ток
• Температура
• Испарение
• Пока их нет. Быть первым!

Свойства и характеристики металла

Железо — довольно легкий, умеренно тугоплавкий металл серебристо-серого цвета. Он легко реагирует с разбавленными кислотами и поэтому считается элементом средней активности. В сухом воздухе металл постепенно покрывается оксидной пленкой, препятствующей дальнейшей реакции.

Но при малейшем увлажнении вместо пленки появляется ржавчина – рыхлая и неоднородная по составу. Ржавчина не препятствует дальнейшей коррозии железа. Однако физические свойства металла и, главное, его сплавов с углеродом таковы, что применение железа, несмотря на его низкую коррозионную стойкость, более чем оправдано.

Далее вы узнаете, какова плотность железа (в кг на м3) по сравнению, например, с медью или алюминием.

Масса и плотность

Молекулярная масса железа составляет 55,8, что указывает на относительную легкость вещества. Какова плотность железа? Этот показатель определяется фазовой модификацией:

• A-Fe — 7,87 г/см3 при 20 С и 7,67 г/см3 при 600 С;
• γ-фаза отличается еще меньшей плотностью — 7,59 г/см3 при 1000С;
• плотность δ-фазы 7,409 г/см3.

При повышении температуры плотность железа естественным образом уменьшается.

А теперь давайте узнаем, какова температура плавления железа в градусах Цельсия, сравним ее, например, с медью или чугуном.

Температурный диапазон

Металл относится к категории умеренно тугоплавких, что означает относительно низкую температуру изменения агрегатного состояния:

• температура плавления — 1539 С;
• температура кипения — 2862 С;
• температура Кюри, то есть потеря способности намагничиваться — 719 С.

Следует помнить, что когда говорят о температуре плавления или кипения, имеют в виду δ-фазу вещества.

Это видео расскажет вам о физических и химических свойствах железа:

Механические характеристики

Железо и его сплавы настолько распространены, что, хотя и вошли в употребление позже, чем, например, медь и бронза, стали своего рода эталоном. При сравнении металлов указывают на железо: прочнее стали, в 2 раза мягче железа и так далее.

Характеристики даны для металла, содержащего небольшие доли примесей:

• твердость по шкале Мооса – 4–5;
• твердость по Бринеллю — 350-450 Мн/кв.м. Также более высокой твердостью обладает химически чистое железо — 588-686;

Показатели прочности чрезвычайно зависят от количества и характера примесей. Это значение регламентируется ГОСТом для каждой марки сплава или чистого металла. Так, предел прочности при сжатии нелегированной стали составляет 400–550 МПа. При закалке до этой марки предел прочности увеличивается до 700 МПа.

• ударная вязкость металла 300 МН/м2;
• предел текучести –100 МН/кв.м.

Узнаем подробнее, что нужно для определения удельной теплоемкости железа.

Теплоемкость и теплопроводность

Как и любой металл, железо проводит тепло, хотя его показатели в этой области низкие: по теплопроводности металл уступает алюминию — в 2 раза меньше, а меди — в 5 раз.

Теплопроводность при 25°С составляет 74,04 Вт/(м·К). Значение зависит от температуры;

• при 100 К теплопроводность составляет 132 [Вт/(мК)];
• при 300 К — 80,3 [Вт/(мК)];
• при 400 — 69,4 [Вт/(мК)];
• а в 15:00 — 31,8 [Вт/(мК)].

Важный:

• Коэффициент теплового расширения при 20°С составляет 11,7·10-6.
• Теплоемкость металла определяется его фазовым строением и довольно сложно зависит от температуры. При повышении до 250 С теплоемкость медленно увеличивается, затем резко увеличивается до достижения точки Кюри, а затем начинает уменьшаться.
• Удельная теплоемкость в интервале температур от 0 до 1000°С составляет 640,57 Дж/(кг·К).

Выбор сечения кабеля

Сопротивление медной проволоки

Поскольку провод имеет сопротивление, при прохождении по нему электрического тока выделяется тепло и происходит падение напряжения. Оба эти фактора необходимо учитывать при выборе сечения кабеля.

Выбор по допустимому нагреву

При протекании тока по проводнику выделяется энергия. Количество можно рассчитать по формуле для электрической мощности:

P=I²*R.

В медном проводе сечением 2,5 мм² и длиной 10 метров R=10*0,0074=0,074Ом. При токе 30А Р = 30² * 0,074 = 66Вт.

Эта сила нагревает проводник и сам кабель. Температура, до которой он нагревается, зависит от условий прокладки, количества жил в кабеле и других факторов, а допустимая температура зависит от материала изоляции. Медь имеет более высокую проводимость, поэтому выходная мощность и требуемое сечение меньше. Его определяют по специальным таблицам или с помощью онлайн-калькулятора.

Таблица выбора сечения кабеля для допустимого нагрева

Допустимые потери напряжения

Помимо нагрева, при прохождении электрического тока по проводам вблизи нагрузки снижается напряжение. Это значение можно рассчитать по закону Ома:

У=И*Р.

Ссылка. По нормам ПУЭ оно должно быть не более 5% или в сети 220В — не более 11В.

Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше должно быть сечение. Определить его можно по таблицам или с помощью онлайн-калькулятора. В отличие от выбора сечения по допустимому нагреву, потери напряжения не зависят от состояния прокладки и материала изоляции.

В сети 220В напряжение подается по двум проводам: фазе и нейтрали, поэтому расчет производится на удвоенную длину кабеля. В кабеле из предыдущего примера это будет U=I*R=30A*2*0,074 Ом=4,44 В. Это немного, но при длине 25 метров получается 11,1В — максимально допустимое значение, нужно увеличивать сечение.

Максимально допустимая длина кабеля для данного сечения

Достоинства и недостатки медных проводов

Медь является пластичным переходным металлом. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Он использовался людьми с древних времен – в его честь была названа целая эпоха.

В таблице указано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов

Сегодня медные провода часто используются в электронных устройствах. Их преимущества включают в себя:

• Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медный в 1,7 раза эффективнее: при том же сечении медный кабель пропускает больший ток.
• Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
• Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно скручивать и гнуть без особых повреждений.

Медь лишь немного уступает серебру

Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за ряда недостатков:

• Высокая плотность: медная проволока разных размеров будет весить больше, чем алюминиевая;
• Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
• Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, на работу это не влияет и легко устраняется.

Описание критериев

Удельное электрическое сопротивление – это величина, определяющая электрическое сопротивление эталонной модели вещества. Нахождение этого параметра осуществляется по формуле удельного электрического сопротивления, которая имеет следующий вид:

• R — электрическое сопротивление токопроводящего материала (показывает вид сопротивления электрическому току в момент его прохождения по проводнику) (Ом);
• S — значение сечения проводника (м 2);
• l – длина провода (м).

Для любого материала характерно проявление двух видов сопротивления, которые зависят от подведенного к нему электричества. Переменный ток или постоянный ток могут оказывать существенное влияние на технические свойства веществ. Сопротивление может быть:

• активный или омический;
• реактивный или индуктивный.

Первый вид исходит из затрат энергии на нагрев металла (проводника) в момент прохождения по нему электрического тока. Реактивное сопротивление возникает из-за неизбежных затрат на формирование различных преобразований тока, протекающего через проводник электрических полей. Удельное электрическое сопротивление также делится на два типа:

1. В цепи постоянного тока;
2. Для цепи переменного тока.

Этот параметр измеряется в Ом*м. Для его нахождения пользуются справочной литературой, формулой удельного сопротивления проводника и таблицами разных размеров удельного сопротивления. Электроны, свободно перемещаясь в пространстве, движутся в пространственном каркасе, который также называют кристаллической решеткой. Факторами, влияющими на показатели удельного сопротивления, являются температура, посторонние вещества и материал.

Материалы высокой проводимости

Наиболее часто используемыми материалами с высокой проводимостью являются медь и алюминий (сверхпроводящие материалы с типичным сопротивлением в 10-20 раз ниже, чем у обычных проводящих материалов (металлов), обсуждаются в разделе «Сверхпроводимость).

Медь

Преимущества меди, обеспечивающие широкое применение в качестве проводникового материала, заключаются в следующем:

1. низкое удельное сопротивление;
2. достаточно высокая механическая прочность;
3. удовлетворительная стойкость к коррозии в большинстве случаев применения;
4. хорошая обрабатываемость: медь раскатывается в листы, полосы и вытягивается в проволоку, толщина которой может быть уменьшена до тысячных долей миллиметра;
5. относительно простая пайка и сварка.

Медь чаще всего получают при переработке сульфидной руды. После серии плавок и обжигов руды с интенсивным взрывом медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве материала проводников чаще всего используют медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99,9 % Cu, а в общей сумме примесей (0,1 %) кислорода не должно быть более 0,08 %. Наличие кислорода в меди ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь М0, содержащая не более 0,05 % примесей, в том числе не более 0,02 % кислорода.

Медь является относительно дорогим и малогабаритным материалом, поэтому ее все чаще заменяют другими металлами, особенно алюминием.

В ряде случаев применяют сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием и кадмием. Такие сплавы, называемые бронзами, при правильно подобранном составе обладают значительно более высокими механическими свойствами, чем чистая медь.

Алюминий

Алюминий является вторым по важности материалом проводника после меди. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия составляет примерно 2,6, а проката — 2,7 мг/м3. Так, алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди. Из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления нагрев алюминия до его температуры плавления и перевод его в расплавленное состояние требует большего количества тепла, чем нагрев и плавление того же количества меди, даже несмотря на то, что температура плавления алюминия ниже чем у меди.

Алюминий имеет более низкие механические и электрические свойства по сравнению с медью. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1,63 раза больше, чем у медного провода. Очень важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.

В электротехнических целях используется алюминий, содержащий не более 0,5% примесей, класс А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0,03% примесей) используется для изготовления алюминиевой фольги, электродов и электролитических конденсаторов. Алюминий высшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0,004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe в количестве 0,5% снижают γ отожженного алюминия не более чем на 2-3%. Более заметное влияние оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при одинаковом массовом содержании восстанавливающие γ-алюминий на 5-10%. Очень сильно снижает электропроводность алюминия Ti и Mn.

Алюминий очень активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с высоким электрическим сопротивлением. Эта пленка защищает металл от дальнейшей коррозии.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является Aldrey, который содержит 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7% Si и 0,2-0,3% Fe. В Aldrey образуется соединение Mg2Si, придающее сплаву высокие механические свойства.

Железо и сталь

Железо (сталь), как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет гораздо более высокое удельное сопротивление по сравнению с медью и алюминием; ρ стали, т.е железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обыкновенная сталь обладает низкой коррозионной стойкостью: даже при нормальных температурах, особенно в условиях повышенной влажности, быстро ржавеет; При повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проволок необходимо защитить слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели используется цинковое покрытие.

В некоторых случаях для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, и оба металла прочно и непрерывно соединены друг с другом.

Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников

В таблице ниже приведены значения удельного сопротивления для различных материалов, особенно металлов, используемых для обеспечения электропроводности.

Значения удельного сопротивления приведены для таких «популярных» материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и другие.

Латунь	~0,6 – 0,9 х 10-7
Серебряный	1,59×10−8	[3][4]
Медь	1,68×10−8	[5] [6]
Обожженная медь	1,72×10−8	[7]
Золото	2,44×10−8	[3]
Алюминий	2,65×10−8	[3]
Кальций	3,36×10−8
Вольфрам	5,60×10−8	[3]
Цинк	5,90×10−8
Кобальт	6,24×10−8
Никель	6,99×10−8
Рутений	7,10×10−8
Литий	9,28×10−8
Утюг	9,70×10−8	[3]
Платина	1,06×10−7	[3]
Банка	1,09×10−7
Тантал	1,3×10−7
Галлий	1,40×10-7
Ниобий	1,40×10-7	[восемь]
Углеродистая сталь (1010)	1,43×10−7	[9]
Вести	2,20×10−7	[2][3]
Галинстан	2,89×10−7	[10]
Титан	4,20×10−7
Электросталь	4,60×10−7	[одиннадцать]
Манганин (сплав)	4,82×10−7	[2]
Константан (сплав)	4,90×10−7	[2]
Нержавеющая сталь	6,90×10−7
Меркурий	9,80×10−7	[2]
Марганец	1,44×10−6
Нихром (сплав)	1,10×10−6	[2][3]
Углерод (аморфный)	5×10−4 – 8×10−4	[3]
Углерод (графит) параллельно-базовая плоскость	2,5×10-6 – 5,0×10-6
Углерод (графит) перпендикулярно базисной плоскости	3×10−3
Арсенид галлия	от 10–3 до 108
Германий	4,6×10−1	[3][4]
Морская вода	2,1×10−1
Вода в бассейне	3,3×10-1 – 4,0×10-1
Питьевая вода	2×101 – 2×103
Кремний	2,3×103	[2][3]
Древесина (мокрая)	103-104
Деионизированная вода	1,8×105
Стакан	1011 — 1015	[3][4]
Углерод (алмаз)	1012
Твердая резина	1013	[3]
Воздуха	109 — 1015
Дерево (сухое)	1014 — 1016
Сера	1015	[3]
Плавленый кварц	7,5×1017	[3]
ХЛОПОК	1021
Тефлон	1023 — 1025

Можно видеть, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни являются низкими, и, учитывая их стоимость по сравнению с серебром и золотом, они становятся экономичными материалами для использования во многих проводах. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она очень часто использовалась в качестве материала для проводников на печатных платах.

Алюминий и особенно медь иногда используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в настоящее время для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкое удельное сопротивление по разумной цене.

Удельное сопротивление золота также важно, потому что золото используется в некоторых важных приложениях, несмотря на его стоимость. Золотое покрытие часто встречается на высококачественных слаботочных контактах, где оно обеспечивает самое низкое контактное сопротивление. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно придать контактам необходимые свойства.

Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но широко не используется из-за стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому контактному сопротивлению.

Однако он используется в некоторых катушках радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании для таких целей серебро обычно наносили только на существующую медную проволоку. Покрытие проволоки серебром значительно снижает затраты по сравнению с сплошной серебряной проволокой без значительного снижения производительности.

Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь таких очевидных применений. Тантал указан в таблице, потому что он используется в конденсаторах — никель и палладий используются в концевых соединениях многих компонентов для поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.

Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотно-определяющих элементов во многих генераторах, где высокое значение добротности позволяет создавать схемы с очень стабильной частотой. Точно так же они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, что означает, что он классифицируется как диэлектрик.

Особенности вычислений электросопротивления

Измерение электрического сопротивления металлов проводят с помощью специальных измерительных приборов — микроомметров. На сегодняшний день они выпускаются в цифровом формате, поэтому информация, полученная с их помощью, очень достоверна. Объясняется это тем, что изделия из металла отличаются высокой степенью электропроводности и имеют крайне низкое сопротивление.

При использовании микроомметров появляется возможность быстро и точно установить качество контакта и понять электрическое сопротивление катушек трансформаторов, генераторов, электробусов, а также электродвигателей.

С помощью этих электрических приборов можно легко определить наличие в заготовке включений других металлов. Например, вольфрамовый стержень, покрытый золотым покрытием, будет иметь проводимость, в два раза меньшую, чем у золотого слитка, не содержащего примесей. С помощью этой методики можно диагностировать внутренние повреждения и пустоты в проводниках.