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Der spezifische Widerstand von Metallen ist ihre Fähigkeit, dem durch sie fließenden elektrischen Strom zu widerstehen. Die Maßeinheit dieses Wertes ist Ohm * m (Ohmmeter). Als Symbol wird der griechische Buchstabe ρ (rho) verwendet. Hoher spezifischer Widerstand bedeutet schlechte elektrische Ladungsleitung durch ein bestimmtes Material.

Stahlspezifikationen

Bevor Sie den spezifischen Widerstand von Stahl im Detail betrachten, sollten Sie sich mit seinen grundlegenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften vertraut machen. Aufgrund seiner Eigenschaften findet dieses Material in der verarbeitenden Industrie und anderen Bereichen des Lebens und der Aktivitäten der Menschen breite Anwendung.

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die in einer Menge von nicht mehr als 1,7 % enthalten ist. Neben Kohlenstoff enthält Stahl eine gewisse Menge an Verunreinigungen - Silizium, Mangan, Schwefel und Phosphor. In Bezug auf seine Eigenschaften ist es viel besser als Gusseisen, es lässt sich leicht härten, schmieden, walzen und andere Verarbeitungsarten. Alle Arten von Stählen zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Duktilität aus.

Stahl wird je nach Verwendungszweck in Konstruktions-, Werkzeug- und auch mit besonderen physikalischen Eigenschaften unterteilt. Jeder von ihnen enthält eine andere Menge an Kohlenstoff, wodurch das Material bestimmte spezifische Eigenschaften erhält, z. B. Hitzebeständigkeit, Hitzebeständigkeit, Rost- und Korrosionsbeständigkeit.

Einen besonderen Platz nehmen Elektrostähle ein, die im Blechformat hergestellt und bei der Herstellung von Elektroprodukten verwendet werden. Um dieses Material zu erhalten, wird eine Dotierung mit Silizium durchgeführt, was seine magnetischen und elektrischen Eigenschaften verbessern kann.

Damit Elektroband die notwendigen Eigenschaften erhält, müssen bestimmte Anforderungen und Bedingungen erfüllt werden. Das Material sollte leicht magnetisierbar und remagnetisierbar sein, dh eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen. Solche Stähle haben gute Eigenschaften, und ihre Ummagnetisierung erfolgt mit minimalen Verlusten.

Von der Einhaltung dieser Anforderungen hängen Abmessungen und Masse von Magnetkernen und Wicklungen sowie der Wirkungsgrad von Transformatoren und deren Betriebstemperatur ab. Die Erfüllung der Bedingungen wird von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich des spezifischen Widerstands von Stahl.

Widerstand und andere Indikatoren

Der spezifische elektrische Widerstandswert ist das Verhältnis der elektrischen Feldstärke im Metall und der darin fließenden Stromdichte. Für praktische Berechnungen wird die Formel verwendet: in der ρ ist der spezifische Widerstand des Metalls (Ohm * m), E- elektrische Feldstärke (V/m) und J- die Dichte des elektrischen Stroms im Metall (A / m 2). Bei sehr hoher elektrischer Feldstärke und niedriger Stromdichte ist der spezifische Widerstand des Metalls hoch.

Es gibt eine andere Größe namens elektrische Leitfähigkeit, die Umkehrung des spezifischen Widerstands, die den Grad der Leitfähigkeit von elektrischem Strom durch ein bestimmtes Material angibt. Es wird durch die Formel bestimmt und in Einheiten von Sm / m - Siemens pro Meter ausgedrückt.

Der spezifische Widerstand ist eng mit dem elektrischen Widerstand verbunden. Sie haben jedoch Unterschiede untereinander. Im ersten Fall ist dies eine Eigenschaft des Materials, einschließlich Stahl, und im zweiten Fall wird die Eigenschaft des gesamten Objekts bestimmt. Die Qualität eines Widerstands wird durch eine Kombination mehrerer Faktoren beeinflusst, vor allem durch die Form und den spezifischen Widerstand des Materials, aus dem er besteht. Wenn beispielsweise ein dünner und langer Draht zur Herstellung eines Drahtwiderstands verwendet wurde, ist sein Widerstand größer als der eines Widerstands, der aus einem dicken und kurzen Draht aus demselben Metall besteht.

Ein weiteres Beispiel sind Drahtwiderstände mit gleichem Durchmesser und gleicher Länge. Wenn jedoch das Material in einem von ihnen einen hohen spezifischen Widerstand hat und in dem anderen einen niedrigen, dann ist dementsprechend der elektrische Widerstand im ersten Widerstand höher als im zweiten.

Wenn Sie die grundlegenden Eigenschaften des Materials kennen, können Sie den spezifischen Widerstand von Stahl verwenden, um den Widerstandswert des Stahlleiters zu bestimmen. Für Berechnungen werden neben dem spezifischen elektrischen Widerstand auch der Durchmesser und die Länge des Drahtes selbst benötigt. Berechnungen werden nach folgender Formel durchgeführt: , in denen R ist (Ohm), ρ - Widerstand von Stahl (Ohm * m), L- entspricht der Länge des Drahtes, SONDERN- Bereich seines Querschnitts.

Der spezifische Widerstand von Stahl und anderen Metallen ist temperaturabhängig. In den meisten Berechnungen wird die Raumtemperatur verwendet - 20 0 C. Alle Änderungen unter dem Einfluss dieses Faktors werden mit dem Temperaturkoeffizienten berücksichtigt.

Was ist der spezifische Widerstand eines Stoffes? Um diese Frage in einfachen Worten zu beantworten, müssen Sie sich an den Ablauf der Physik erinnern und die physikalische Verkörperung dieser Definition darstellen. Durch die Substanz wird ein elektrischer Strom geleitet, der wiederum mit einiger Kraft den Stromfluss verhindert.

Das Konzept des spezifischen Widerstands einer Substanz

Dieser Wert, der anzeigt, wie stark der Stoff den Strom stört, ist der spezifische Widerstand (der lateinische Buchstabe „ro“). Im internationalen Einheitensystem Widerstand in Ohm ausgedrückt multipliziert mit dem Meter. Die Formel zur Berechnung lautet: "Widerstand multipliziert mit der Querschnittsfläche und dividiert durch die Länge des Leiters."

Es stellt sich die Frage: „Warum wird bei der Ermittlung des spezifischen Widerstands ein anderer Widerstand verwendet?“. Die Antwort ist einfach, es gibt zwei verschiedene Größen - spezifischer Widerstand und Widerstand. Der zweite zeigt, wie sehr der Stoff den Stromdurchgang durch ihn verhindern kann, und der erste zeigt fast dasselbe, nur sprechen wir nicht mehr von einem Stoff im allgemeinen Sinne, sondern von einem Leiter mit einer bestimmten Länge und Querschnittsfläche, die aus diesem Stoff bestehen.

Der Kehrwert, der die Fähigkeit eines Stoffes charakterisiert, Elektrizität zu leiten, wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet und die Formel, mit der der spezifische Widerstand berechnet wird, steht in direktem Zusammenhang mit der spezifischen Leitfähigkeit.

Die Verwendung von Kupfer

Das Konzept des spezifischen Widerstands wird häufig bei der Berechnung der Leitfähigkeit von elektrischem Strom durch verschiedene Metalle verwendet. Basierend auf diesen Berechnungen werden Entscheidungen über die Zweckmäßigkeit getroffen, ein bestimmtes Metall für die Herstellung von elektrischen Leitern zu verwenden, die im Bauwesen, im Instrumentenbau und in anderen Bereichen verwendet werden.

Widerstandstabelle von Metallen

Gibt es spezielle Tische? in denen die verfügbaren Daten zur Transmission und Beständigkeit von Metallen zusammengeführt werden, werden diese Tabellen in der Regel für bestimmte Bedingungen berechnet.

Vor allem die Bekannten Widerstandstabelle von Metall-Einkristallen bei einer Temperatur von zwanzig Grad Celsius sowie eine Widerstandstabelle von Metallen und Legierungen.

Mit diesen Tabellen werden verschiedene Daten unter sogenannten Idealbedingungen berechnet, um Werte für bestimmte Zwecke zu berechnen, müssen Formeln verwendet werden.

Kupfer. Seine Merkmale und Eigenschaften

Beschreibung des Stoffes und der Eigenschaften

Kupfer ist ein Metall, das schon sehr lange von der Menschheit entdeckt und auch seit langem für verschiedene technische Zwecke genutzt wird. Kupfer ist ein sehr formbares und duktiles Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, was es sehr beliebt für die Herstellung verschiedener Drähte und Leiter macht.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer:

• Schmelzpunkt - 1084 Grad Celsius;
• Siedepunkt - 2560 Grad Celsius;
• Dichte bei 20 Grad - 8890 Kilogramm geteilt durch einen Kubikmeter;
• spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck und konstanter Temperatur von 20 Grad - 385 kJ / J * kg
• spezifischer elektrischer Widerstand - 0,01724;

Kupfersorten

Dieses Metall kann in mehrere Gruppen oder Sorten unterteilt werden, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften und ihre Anwendung in der Industrie hat:

1. Die Güten M00, M0, M1 eignen sich hervorragend zur Herstellung von Kabeln und Leitungen, beim Umschmelzen ist eine Sauerstoffübersättigung ausgeschlossen.
2. Die Sorten M2 und M3 sind kostengünstige Optionen, die für kleine Walzprodukte entwickelt wurden und die meisten technischen und industriellen Anwendungen im kleinen Maßstab erfüllen.
3. Die Sorten M1, M1f, M1r, M2r, M3r sind teure Kupfersorten, die für einen bestimmten Verbraucher mit bestimmten Anforderungen und Wünschen hergestellt werden.

Marken unter sich unterscheiden sich in mehrfacher Hinsicht:

Der Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von Kupfer

Verunreinigungen können die mechanischen, technischen und betrieblichen Eigenschaften von Produkten beeinträchtigen.

Abschließend sei betont, dass Kupfer ein einzigartiges Metall mit einzigartigen Eigenschaften ist. Es wird in der Automobilindustrie, der Herstellung von Elementen für die Elektroindustrie, Elektrogeräten, Konsumgütern, Uhren, Computern und vielem mehr verwendet. Mit seinem geringen spezifischen Widerstand ist dieses Metall ein hervorragendes Material für die Herstellung von Leitern und anderen elektrischen Geräten. Mit dieser Eigenschaft übertrifft Kupfer nur Silber, aber aufgrund seiner höheren Kosten hat es in der Elektroindustrie nicht die gleiche Anwendung gefunden.

Die meisten Gesetze der Physik basieren auf Experimenten. Die Namen der Experimentatoren sind in den Titeln dieser Gesetze verewigt. Einer von ihnen war Georg Ohm.

Experimente von Georg Ohm

Er stellte im Zuge von Experimenten zur Wechselwirkung von Elektrizität mit verschiedenen Stoffen, darunter Metallen, den grundlegenden Zusammenhang zwischen Dichte, elektrischer Feldstärke und der Eigenschaft eines Stoffes, die „Leitfähigkeit“ genannt wurde, fest. Die Formel, die diesem Muster entspricht, das "Ohmsche Gesetz" genannt wird, lautet wie folgt:

j= λE , wobei

• j- elektrische Stromdichte;
• λ — spezifische Leitfähigkeit, auch als "elektrische Leitfähigkeit" bezeichnet;
• E- elektrische Feldstärke.

In einigen Fällen wird ein anderer Buchstabe des griechischen Alphabets verwendet, um die Leitfähigkeit zu bezeichnen - σ . Die spezifische Leitfähigkeit hängt von einigen Parametern der Substanz ab. Sein Wert wird durch Temperatur, Substanzen, Druck, wenn es sich um ein Gas handelt, und vor allem durch die Struktur dieser Substanz beeinflusst. Das Ohmsche Gesetz gilt nur für homogene Stoffe.

Für bequemere Berechnungen wird der Kehrwert der Leitfähigkeit verwendet. Es wurde "spezifischer Widerstand" genannt, der auch mit den Eigenschaften der Substanz in Verbindung gebracht wird, in der der elektrische Strom fließt, bezeichnet mit dem griechischen Buchstaben ρ und hat die Dimension Ohm*m. Da aber für unterschiedliche physikalische Phänomene unterschiedliche theoretische Begründungen gelten, können für den spezifischen Widerstand alternative Formeln verwendet werden. Sie spiegeln die klassische elektronische Metalltheorie sowie die Quantentheorie wider.

Formeln

In diesen für gewöhnliche Leser langweiligen Formeln tauchen Faktoren wie die Boltzmann-Konstante, die Avogadro-Konstante und die Planck-Konstante auf. Diese Konstanten werden für Berechnungen verwendet, die die freie Weglänge von Elektronen in einem Leiter, ihre Geschwindigkeit bei thermischer Bewegung, den Ionisationsgrad, die Konzentration und Dichte der Substanz berücksichtigen. Mit einem Wort, für einen Nichtfachmann ist alles ziemlich schwierig. Um nicht unbegründet zu sein, können Sie sich weiter damit vertraut machen, wie alles in der Realität aussieht:

Eigenschaften von Metallen

Da die Bewegung von Elektronen von der Homogenität des Stoffes abhängt, fließt der Strom in einem metallischen Leiter entsprechend seiner Struktur, was die Verteilung der Elektronen im Leiter unter Berücksichtigung seiner Inhomogenität beeinflusst. Es wird nicht nur durch das Vorhandensein von Verunreinigungseinschlüssen bestimmt, sondern auch durch physikalische Defekte - Risse, Hohlräume usw. Die Inhomogenität des Leiters erhöht seinen spezifischen Widerstand, der durch die Matthiesen-Regel bestimmt wird.

Diese einfach zu verstehende Regel besagt nämlich, dass in einem stromdurchflossenen Leiter mehrere separate Widerstände unterschieden werden können. Und der resultierende Wert wird ihre Summe sein. Die Begriffe sind der spezifische Widerstand des Kristallgitters des Metalls, Verunreinigungen und Leiterdefekte. Da dieser Parameter von der Beschaffenheit des Stoffes abhängt, werden zu seiner Berechnung auch für Mischstoffe die entsprechenden Gesetzmäßigkeiten ermittelt.

Obwohl Legierungen auch Metalle sind, werden sie als Lösungen mit chaotischer Struktur betrachtet, und für die Berechnung des spezifischen Widerstands spielt es eine Rolle, welche Metalle in der Zusammensetzung der Legierung enthalten sind. Grundsätzlich fallen die meisten Zweikomponentenlegierungen, die nicht zu den Übergangs- und Seltenerdmetallen gehören, unter die Beschreibung des Nodheimschen Gesetzes.

Als separates Thema wird der spezifische Widerstand metallischer Dünnschichten betrachtet. Die Tatsache, dass sein Wert höher sein sollte als der eines massiven Leiters aus demselben Metall, ist ziemlich logisch anzunehmen. Gleichzeitig wird aber für den Film eine spezielle Fuchs-Summenformel eingeführt, die die Abhängigkeit von spezifischem Widerstand und Filmdicke beschreibt. Es zeigt sich, dass Metalle in Filmen die Eigenschaften von Halbleitern aufweisen.

Und der Prozess der Ladungsübertragung wird durch Elektronen beeinflusst, die sich in Richtung der Filmdicke bewegen und die Bewegung von „Längs“-Ladungen stören. Gleichzeitig werden sie von der Oberfläche des Folienleiters reflektiert, wodurch ein Elektron ausreichend lange zwischen seinen beiden Oberflächen schwingt. Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Erhöhung des spezifischen Widerstands ist die Temperatur des Leiters. Je höher die Temperatur, desto größer der Widerstand. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Temperatur, desto niedriger der Widerstand.

Metalle sind Stoffe mit dem geringsten spezifischen Widerstand bei der sogenannten "Raumtemperatur". Das einzige Nichtmetall, das seine Verwendung als Leiter rechtfertigt, ist Kohlenstoff. Graphit, eine seiner Varietäten, wird häufig zur Herstellung von Schleifkontakten verwendet. Es hat eine sehr gelungene Kombination von Eigenschaften wie spezifischer Widerstand und Gleitreibungskoeffizient. Daher ist Graphit ein unverzichtbares Material für Motorbürsten und andere Schleifkontakte. Die Widerstandswerte der wichtigsten für industrielle Zwecke verwendeten Substanzen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Supraleitung

Bei Temperaturen, die der Verflüssigung von Gasen entsprechen, dh bis zur Temperatur von flüssigem Helium, die gleich - 273 Grad Celsius ist, nimmt der spezifische Widerstand fast bis zum vollständigen Verschwinden ab. Und nicht nur gute Metallleiter wie Silber, Kupfer und Aluminium. Fast alle Metalle. Unter solchen Bedingungen, die als Supraleitung bezeichnet werden, hat die Metallstruktur keine hemmende Wirkung auf die Bewegung von Ladungen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Daher werden Quecksilber und die meisten Metalle zu Supraleitern.

Aber wie sich erst vor relativ kurzer Zeit in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts herausstellte, sind einige Keramiksorten auch supraleitend. Und dafür brauchen Sie kein flüssiges Helium zu verwenden. Solche Materialien werden Hochtemperatur-Supraleiter genannt. Es sind jedoch bereits mehrere Jahrzehnte vergangen und das Angebot an Hochtemperaturleitern hat sich erheblich erweitert. Aber die Massenverwendung solcher Hochtemperatur-Supraleiterelemente wird nicht beobachtet. In einigen Ländern wurden einzelne Installationen mit dem Ersatz herkömmlicher Kupferleiter durch Hochtemperatur-Supraleiter durchgeführt. Um den normalen Modus der Hochtemperatur-Supraleitung aufrechtzuerhalten, ist flüssiger Stickstoff erforderlich. Und das erweist sich als zu teure technische Lösung.

Daher macht der niedrige Widerstandswert, den die Natur Kupfer und Aluminium verleiht, sie immer noch zu unverzichtbaren Materialien für die Herstellung verschiedener elektrischer Stromleiter.

• Dirigenten;
• Dielektrika (mit isolierenden Eigenschaften);
• Halbleiter.

Elektronen und Strom

Im Mittelpunkt des modernen Konzepts des elektrischen Stroms steht die Annahme, dass er aus materiellen Teilchen besteht – Ladungen. Aber verschiedene physikalische und chemische Experimente geben Anlass zu der Annahme, dass diese Ladungsträger in demselben Leiter von unterschiedlicher Art sein können. Und diese Inhomogenität der Partikel beeinflusst die Stromdichte. Für Berechnungen, die sich auf die Parameter des elektrischen Stroms beziehen, werden bestimmte physikalische Größen verwendet. Unter ihnen nimmt die Leitfähigkeit zusammen mit dem Widerstand einen wichtigen Platz ein.

• Die Leitfähigkeit hängt mit dem Widerstand durch eine gegenseitige umgekehrte Beziehung zusammen.

Es ist bekannt, dass, wenn eine bestimmte Spannung an einen Stromkreis angelegt wird, darin ein elektrischer Strom erscheint, dessen Wert mit der Leitfähigkeit dieses Stromkreises zusammenhängt. Diese grundlegende Entdeckung wurde damals von dem deutschen Physiker Georg Ohm gemacht. Seitdem gilt ein Gesetz namens Ohmsches Gesetz. Es existiert für verschiedene Schaltungsvarianten. Daher können sich die Formeln für sie voneinander unterscheiden, da sie völlig unterschiedlichen Bedingungen entsprechen.

Jeder Stromkreis hat einen Leiter. Enthält er eine Art von Ladungsträgerteilchen, ist der Strom im Leiter wie eine Flüssigkeitsströmung, die eine bestimmte Dichte hat. Sie wird nach folgender Formel bestimmt:

Die meisten Metalle entsprechen der gleichen Art von geladenen Teilchen, aufgrund derer ein elektrischer Strom fließt. Bei Metallen erfolgt die Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit nach folgender Formel:

Da die Leitfähigkeit berechnet werden kann, ist es jetzt einfach, den spezifischen elektrischen Widerstand zu bestimmen. Oben wurde bereits erwähnt, dass der spezifische Widerstand eines Leiters der Kehrwert der Leitfähigkeit ist. Somit,

In dieser Formel wird der griechische Buchstabe ρ (rho) verwendet, um den spezifischen elektrischen Widerstand zu bezeichnen. Diese Bezeichnung wird am häufigsten in der Fachliteratur verwendet. Allerdings findet man auch leicht abweichende Formeln, mit deren Hilfe der spezifische Widerstand von Leitern berechnet wird. Wenn die klassische Theorie der Metalle und die elektronische Leitfähigkeit in ihnen für Berechnungen verwendet werden, wird der spezifische Widerstand nach folgender Formel berechnet:

Allerdings gibt es ein "aber". Der Zustand von Atomen in einem Metallleiter wird durch die Dauer des Ionisierungsprozesses beeinflusst, der durch ein elektrisches Feld durchgeführt wird. Mit einem einzigen ionisierenden Effekt auf den Leiter erhalten die darin enthaltenen Atome eine einzige Ionisierung, die ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration von Atomen und freien Elektronen herstellt. Und die Werte dieser Konzentrationen sind gleich. Dabei finden folgende Abhängigkeiten und Formeln statt:

Leitfähigkeits- und Widerstandsabweichungen

Als nächstes betrachten wir, was die spezifische Leitfähigkeit bestimmt, die in umgekehrter Beziehung zum spezifischen Widerstand steht. Der spezifische Widerstand eines Stoffes ist eine ziemlich abstrakte physikalische Größe. Jeder Leiter existiert in Form eines bestimmten Musters. Es ist durch das Vorhandensein verschiedener Verunreinigungen und Defekte in der inneren Struktur gekennzeichnet. Sie werden als separate Terme in dem Ausdruck berücksichtigt, der den spezifischen Widerstand gemäß der Matthiessen-Regel bestimmt. Diese Regel berücksichtigt auch die Streuung eines bewegten Elektronenstroms an den temperaturabhängig schwankenden Knoten des Kristallgitters der Probe.

Das Vorhandensein von inneren Defekten, wie Einschlüssen verschiedener Verunreinigungen und mikroskopischer Hohlräume, erhöht ebenfalls den spezifischen Widerstand. Um die Menge an Verunreinigungen in den Proben zu bestimmen, wird der spezifische Widerstand der Materialien für zwei Temperaturwerte des Probenmaterials gemessen. Ein Temperaturwert ist Raumtemperatur, der andere entspricht flüssigem Helium. Aus dem Verhältnis des Messergebnisses bei Raumtemperatur zum Ergebnis bei flüssigem Helium ergibt sich ein Koeffizient, der die strukturelle Perfektion des Materials und seine chemische Reinheit verdeutlicht. Der Koeffizient wird mit dem Buchstaben β bezeichnet.

Wenn eine Metalllegierung mit ungeordneter Mischkristallstruktur als elektrischer Stromleiter betrachtet wird, kann der Wert des Restwiderstands erheblich größer sein als der spezifische Widerstand. Ein solches Merkmal von Zweikomponenten-Metalllegierungen, die nicht mit Seltenerdelementen verwandt sind, sowie mit Übergangselementen wird von einem besonderen Gesetz erfasst. Es heißt Nordheimsches Gesetz.

Moderne Technologien in der Elektronik bewegen sich zunehmend in Richtung Miniaturisierung. Und zwar so sehr, dass bald anstelle eines Mikroschaltkreises das Wort "Nanoschaltkreis" erscheinen wird. Die Leiter in solchen Geräten sind so dünn, dass man sie als Metallfilme bezeichnen könnte. Es ist ziemlich klar, dass sich die Folienprobe mit ihrem spezifischen Widerstand nach oben von dem größeren Leiter unterscheiden wird. Die geringe Dicke des Metalls im Film führt zum Auftreten von Halbleitereigenschaften darin.

Die Proportionalität zwischen der Dicke des Metalls und der freien Weglänge der Elektronen in diesem Material beginnt sich abzuzeichnen. Es gibt wenig Platz für Elektronen, um sich zu bewegen. Daher beginnen sie, sich gegenseitig daran zu hindern, sich in geordneter Weise zu bewegen, was zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands führt. Für Metallfilme wird der spezifische Widerstand unter Verwendung einer speziellen Formel berechnet, die aus Experimenten gewonnen wurde. Die Formel ist nach Fuchs benannt, einem Wissenschaftler, der den spezifischen Widerstand von Filmen untersuchte.

Filme sind sehr spezifische Formationen, die schwer zu wiederholen sind, sodass die Eigenschaften mehrerer Proben gleich sind. Für eine akzeptable Genauigkeit bei der Bewertung von Filmen wird ein spezieller Parameter verwendet - der spezifische Oberflächenwiderstand.

Widerstände werden aus Metallfilmen auf dem Mikroschaltungssubstrat gebildet. Aus diesem Grund sind Widerstandsberechnungen eine sehr gefragte Aufgabe in der Mikroelektronik. Der Wert des spezifischen Widerstands hat offensichtlich einen Einfluss auf die Temperatur und ist damit durch eine direkte Proportionalitätsabhängigkeit verbunden. Bei den meisten Metallen hat diese Abhängigkeit in einem bestimmten Temperaturbereich einen gewissen linearen Abschnitt. In diesem Fall wird der spezifische Widerstand durch die Formel bestimmt:

In Metallen entsteht elektrischer Strom durch die große Anzahl freier Elektronen, deren Konzentration relativ hoch ist. Darüber hinaus bestimmen Elektronen auch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen. Aus diesem Grund wurde durch ein spezielles Gesetz ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit hergestellt, der experimentell untermauert wurde. Dieses Wiedemann-Franz-Gesetz ist durch folgende Formeln gekennzeichnet:

Verlockende Aussichten für die Supraleitung

Die erstaunlichsten Prozesse laufen jedoch bei der niedrigsten technisch erreichbaren Temperatur von flüssigem Helium ab. Unter solchen Kühlbedingungen verlieren praktisch alle Metalle ihren spezifischen Widerstand. Auf die Temperatur von flüssigem Helium gekühlte Kupferdrähte erweisen sich als in der Lage, Ströme zu leiten, die um ein Vielfaches höher sind als unter normalen Bedingungen. Wenn dies in der Praxis möglich wäre, wäre der wirtschaftliche Effekt von unschätzbarem Wert.

Noch überraschender war die Entdeckung von Hochtemperaturleitern. Diese Arten von Keramiken waren unter normalen Bedingungen in ihrer Resistivität sehr weit von Metallen entfernt. Aber bei einer Temperatur von etwa drei Dutzend Grad über flüssigem Helium wurden sie zu Supraleitern. Die Entdeckung dieses Verhaltens nichtmetallischer Materialien ist zu einem starken Impuls für die Forschung geworden. Aufgrund der enormen wirtschaftlichen Folgen der praktischen Anwendung der Supraleitung wurden sehr erhebliche finanzielle Mittel in diese Richtung geworfen und eine groß angelegte Forschung begonnen.

Aber vorerst, wie man so schön sagt, „die Sachen sind noch da“ ... Keramische Werkstoffe erwiesen sich als ungeeignet für den praktischen Einsatz. Die Bedingungen für die Aufrechterhaltung des Zustands der Supraleitung erforderten so große Kosten, dass alle Vorteile aus seiner Nutzung zerstört wurden. Aber Experimente mit Supraleitung gehen weiter. Es gibt Fortschritte. Supraleitung wurde bereits bei einer Temperatur von 165 Grad Kelvin erreicht, aber dazu braucht es hohen Druck. Die Schaffung und Aufrechterhaltung solcher Sonderkonditionen spricht wiederum gegen die kommerzielle Nutzung dieser technischen Lösung.

Zusätzliche Einflussfaktoren

Derzeit geht alles seinen eigenen Weg, und bei Kupfer, Aluminium und einigen anderen Metallen sichert der spezifische Widerstand weiterhin deren industriellen Einsatz für die Herstellung von Drähten und Kabeln. Abschließend lohnt es sich, noch einige Informationen hinzuzufügen, dass nicht nur der spezifische Widerstand des Leitermaterials und die Umgebungstemperatur die Verluste beim Durchgang eines elektrischen Stroms beeinflussen. Die Geometrie des Leiters ist sehr wichtig, wenn er bei einer erhöhten Spannungsfrequenz und bei hoher Stromstärke verwendet wird.

Unter diesen Bedingungen neigen Elektronen dazu, sich nahe der Oberfläche des Drahtes zu konzentrieren, und seine Dicke als Leiter verliert seine Bedeutung. Daher ist es möglich, die Kupfermenge im Draht vertretbar zu reduzieren, indem nur der äußere Teil des Leiters daraus hergestellt wird. Ein weiterer Faktor bei der Erhöhung des spezifischen Widerstands eines Leiters ist die Verformung. Trotz der hohen Leistung einiger elektrisch leitfähiger Materialien können sie daher unter bestimmten Bedingungen nicht erscheinen. Es ist notwendig, die richtigen Leiter für bestimmte Aufgaben auszuwählen. Die folgenden Tabellen helfen Ihnen dabei.

Durch das Schließen des Stromkreises mit einer Potentialdifferenz an den Klemmen entsteht elektrischer Strom. Die Feldkräfte wirken auf freie Elektronen und sie bewegen sich entlang des Leiters. Während dieser Reise treffen Elektronen auf Atome und übertragen einen Teil ihrer angesammelten Energie auf sie. Dadurch nimmt ihre Geschwindigkeit ab. Aber durch den Einfluss des elektrischen Feldes gewinnt es wieder an Fahrt. Dadurch erfahren die Elektronen ständig Widerstand, weshalb sich der elektrische Strom aufheizt.

Die Eigenschaft eines Stoffes, bei Einwirkung von Strom Strom in Wärme umzuwandeln, ist der elektrische Widerstand und wird mit R bezeichnet, seine Einheit ist Ohm. Die Höhe des Widerstands hängt hauptsächlich von der Fähigkeit verschiedener Materialien ab, Strom zu leiten.
Erstmals kündigte der deutsche Forscher G. Ohm Widerstand an.

Um die Abhängigkeit der Stromstärke vom Widerstand herauszufinden, führte ein berühmter Physiker viele Experimente durch. Für Experimente verwendete er verschiedene Leiter und erhielt verschiedene Indikatoren.
Als erstes stellte G. Ohm fest, dass der spezifische Widerstand von der Länge des Leiters abhängt. Das heißt, wenn die Länge des Leiters zunahm, nahm auch der Widerstand zu. Als Ergebnis wurde diese Beziehung als direkt proportional bestimmt.

Die zweite Abhängigkeit ist die Querschnittsfläche. Sie könnte durch einen Querschnitt des Leiters bestimmt werden. Die Fläche der Figur, die sich beim Schnitt gebildet hat, ist die Querschnittsfläche. Hier ist das Verhältnis umgekehrt proportional. Das heißt, je größer die Querschnittsfläche ist, desto geringer ist der Widerstand des Leiters.

Und die dritte, wichtige Größe, von der der Widerstand abhängt, ist das Material. Aufgrund der Tatsache, dass Ohm in den Experimenten unterschiedliche Materialien verwendete, fand er unterschiedliche Widerstandseigenschaften. Alle diese Experimente und Indikatoren wurden in einer Tabelle zusammengefasst, aus der man die unterschiedlichen Werte des spezifischen Widerstands verschiedener Substanzen entnehmen kann.

Es ist bekannt, dass Metalle die besten Leiter sind. Welche Metalle sind die besten Leiter? Die Tabelle zeigt, dass Kupfer und Silber den geringsten Widerstand haben. Kupfer wird aufgrund seiner geringeren Kosten häufiger verwendet, während Silber in den wichtigsten und kritischsten Geräten verwendet wird.

Substanzen mit hohem spezifischem Widerstand in der Tabelle leiten Elektrizität nicht gut, was bedeutet, dass sie hervorragende Isoliermaterialien sein können. Stoffe mit dieser Eigenschaft sind im größten Umfang Porzellan und Ebonit.

Im Allgemeinen ist der elektrische Widerstand ein sehr wichtiger Faktor, denn durch die Bestimmung seines Indikators können wir herausfinden, aus welcher Substanz der Leiter besteht. Dazu ist es notwendig, die Querschnittsfläche zu messen, die Stromstärke mit einem Voltmeter und Amperemeter zu ermitteln und auch die Spannung zu messen. So finden wir den Wert des spezifischen Widerstands heraus und können anhand der Tabelle leicht die Substanz erreichen. Es stellt sich heraus, dass der spezifische Widerstand wie der Fingerabdruck einer Substanz ist. Außerdem ist der spezifische Widerstand wichtig bei der Planung langer Stromkreise: Wir müssen diesen Wert kennen, um ein Gleichgewicht zwischen Länge und Fläche zu finden.

Es gibt eine Formel, die bestimmt, dass der Widerstand 1 Ohm beträgt, wenn bei einer Spannung von 1 V seine Stromstärke 1 A beträgt. Das heißt, der Widerstand einer Einheitsfläche und einer Einheitslänge, hergestellt aus einer bestimmten Substanz, ist der spezifische Widerstand.

Es sollte auch beachtet werden, dass der Widerstandsindex direkt von der Frequenz der Substanz abhängt. Das heißt, ob es Verunreinigungen hat. Dass die Zugabe von nur einem Prozent Mangan den Widerstand der leitfähigsten Substanz - Kupfer - um das Dreifache erhöht.

Diese Tabelle zeigt den spezifischen elektrischen Widerstand einiger Substanzen.

Hochleitfähige Materialien

Kupfer
Wie wir bereits gesagt haben, wird Kupfer am häufigsten als Leiter verwendet. Das liegt nicht nur an seinem geringen Widerstand. Kupfer hat die Vorteile hoher Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Benutzerfreundlichkeit und guter Bearbeitbarkeit. Gute Kupferqualitäten sind M0 und M1. In ihnen übersteigt die Menge an Verunreinigungen 0,1% nicht.

Die hohen Kosten des Metalls und seine jüngste Knappheit ermutigen die Hersteller, Aluminium als Leiter zu verwenden. Auch Kupferlegierungen mit verschiedenen Metallen werden verwendet.
Aluminium
Dieses Metall ist viel leichter als Kupfer, aber Aluminium hat eine hohe Wärmekapazität und einen hohen Schmelzpunkt. Um es in einen geschmolzenen Zustand zu bringen, ist in dieser Hinsicht mehr Energie erforderlich als bei Kupfer. Dennoch muss die Tatsache des Kupfermangels berücksichtigt werden.
Bei der Herstellung von Elektroprodukten wird in der Regel Aluminium der Güteklasse A1 verwendet. Es enthält nicht mehr als 0,5 % Verunreinigungen. Und das Metall mit der höchsten Frequenz ist die Aluminiumsorte AB0000.
Eisen
Die Billigkeit und Verfügbarkeit von Eisen wird durch seinen hohen spezifischen Widerstand überschattet. Außerdem korrodiert es schnell. Aus diesem Grund werden Stahlleiter oft mit Zink beschichtet. Weit verbreitet ist das sogenannte Bimetall - das ist Stahl, der zum Schutz mit Kupfer beschichtet ist.
Natrium
Natrium ist ebenfalls ein erschwingliches und vielversprechendes Material, aber sein Widerstand ist fast dreimal so hoch wie der von Kupfer. Außerdem hat metallisches Natrium eine hohe chemische Aktivität, was es erforderlich macht, einen solchen Leiter hermetisch abzudecken. Außerdem soll es den Leiter vor mechanischer Beschädigung schützen, da Natrium ein sehr weiches und eher zerbrechliches Material ist.

Supraleitung
Die folgende Tabelle zeigt den spezifischen Widerstand von Substanzen bei einer Temperatur von 20 Grad. Die Angabe der Temperatur ist kein Zufall, da der spezifische Widerstand direkt von diesem Indikator abhängt. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass beim Erhitzen auch die Geschwindigkeit der Atome zunimmt, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sie auf Elektronen treffen, ebenfalls zunimmt.

Interessant ist, was mit dem Widerstand unter Kühlbedingungen passiert. Das Verhalten von Atomen bei sehr tiefen Temperaturen wurde erstmals 1911 von G. Kamerling-Onnes bemerkt. Er kühlte den Quecksilberdraht auf 4 K ab und stellte fest, dass sein Widerstand auf Null abfiel. Supraleitung nannte der Physiker die Änderung des spezifischen Widerstandsindex einiger Legierungen und Metalle unter Tieftemperaturbedingungen.

Supraleiter gehen beim Abkühlen in den Zustand der Supraleitung über, und ihre optischen und strukturellen Eigenschaften ändern sich nicht. Die wichtigste Entdeckung ist, dass sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Metallen im supraleitenden Zustand sehr von ihren eigenen Eigenschaften im gewöhnlichen Zustand sowie von den Eigenschaften anderer Metalle unterscheiden, die diesen Zustand nicht annehmen können, wenn die Temperatur gesenkt wird.
Die Verwendung von Supraleitern erfolgt hauptsächlich, um ein superstarkes Magnetfeld zu erhalten, dessen Stärke 107 A/m erreicht. Es werden auch Systeme von supraleitenden Stromleitungen entwickelt.

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