Meď je jedným z najbežnejších materiálov drôtu. Jeho elektrický odpor je najnižší z cenovo dostupných kovov. Menej je len v drahých kovoch (striebro a zlato) a závisí od rôznych faktorov.
Čo je elektrický prúd
Na rôznych póloch batérie alebo iného zdroja prúdu sú opačne pomenované nosiče elektrického náboja. Ak sú pripojené k vodiču, nosiče náboja sa začnú pohybovať z jedného pólu zdroja napätia na druhý. Týmito nosičmi v kvapalinách sú ióny a v kovoch sú to voľné elektróny.
Definícia. Elektrický prúd je riadený pohyb nabitých častíc.
Odpor
Elektrický odpor je veličina, ktorá určuje elektrický odpor vzorky referenčného materiálu. Na označenie tejto hodnoty sa používa grécke písmeno „r“. Vzorec na výpočet:
p=(R*S)/ l.
Táto hodnota sa meria v Ohm*m. Môžete ho nájsť v referenčných knihách, v tabuľkách odporu alebo na internete.
Voľné elektróny sa pohybujú cez kov vo vnútri kryštálovej mriežky. Odolnosť voči tomuto pohybu a odpor vodiča ovplyvňujú tri faktory:
- Materiál. Rôzne kovy majú rôznu atómovú hustotu a počet voľných elektrónov;
- nečistoty. V čistých kovoch je kryštálová mriežka usporiadanejšia, takže odpor je nižší ako v zliatinách;
- Teplota. Atómy nesedia na svojich miestach, ale kmitajú. Čím vyššia je teplota, tým väčšia je amplitúda kmitov, ktoré rušia pohyb elektrónov, a tým väčší odpor.
Na nasledujúcom obrázku môžete vidieť tabuľku rezistivity kovov.
zaujímavé. Existujú zliatiny, ktorých elektrický odpor pri zahrievaní klesá alebo sa nemení.
Vodivosť a elektrický odpor
Keďže rozmery káblov sú merané v metroch (dĺžka) a mm² (sekcia), elektrický odpor má rozmer Ohm mm² / m. Pri znalosti rozmerov kábla sa jeho odpor vypočíta podľa vzorca:
R=(p* l)/S.
Okrem elektrického odporu niektoré vzorce používajú pojem "vodivosť". Toto je recipročný odpor. Označuje sa „g“ a vypočíta sa podľa vzorca:
Vodivosť kvapalín
Vodivosť kvapalín je iná ako vodivosť kovov. Nosičmi náboja v nich sú ióny. Ich počet a elektrická vodivosť sa pri zahrievaní zvyšuje, takže výkon elektródového kotla sa niekoľkokrát zvyšuje pri zahrievaní z 20 na 100 stupňov.
zaujímavé. Destilovaná voda je izolant. Vodivosť mu dodávajú rozpustené nečistoty.
Elektrický odpor vodičov
Najbežnejšími materiálmi drôtov sú meď a hliník. Odolnosť hliníka je vyššia, ale je lacnejšia ako meď. Špecifický odpor medi je nižší, takže veľkosť drôtu môže byť zvolená menšia. Navyše je pevnejší a z tohto kovu sú vyrobené ohybné lankové drôty.
Nasledujúca tabuľka ukazuje elektrický odpor kovov pri 20 stupňoch. Aby ste to mohli určiť pri iných teplotách, hodnotu z tabuľky treba vynásobiť korekčným faktorom, ktorý je pre každý kov iný. Tento koeficient môžete zistiť z príslušných referenčných kníh alebo pomocou online kalkulačky.
Výber sekcie kábla
Keďže drôt má odpor, pri prechode elektrického prúdu sa vytvára teplo a dochádza k poklesu napätia. Pri výbere veľkostí káblov treba brať do úvahy oba tieto faktory.
Výber podľa prípustného ohrevu
Keď prúd preteká drôtom, uvoľňuje sa energia. Jeho množstvo možno vypočítať podľa vzorca elektrickej energie:
V medenom drôte s prierezom 2,5 mm² a dĺžkou 10 metrov R=10*0,0074=0,074Ohm. Pri prúde 30A, P \u003d 30² * 0,074 \u003d 66W.
Tento výkon ohrieva vodič a samotný kábel. Teplota, na ktorú sa ohrieva, závisí od podmienok kladenia, počtu žíl v kábli a ďalších faktorov a prípustná teplota závisí od izolačného materiálu. Meď má vyššiu vodivosť, takže výkon a požadovaný prierez sú menšie. Určuje sa pomocou špeciálnych tabuliek alebo pomocou online kalkulačky.
Prípustné straty napätia
Okrem vykurovania, keď elektrický prúd prechádza drôtmi, napätie v blízkosti záťaže klesá. Túto hodnotu možno vypočítať pomocou Ohmovho zákona:
Odkaz. Podľa noriem PUE by to nemalo byť viac ako 5% alebo v sieti 220V - nie viac ako 11V.
Preto čím dlhší je kábel, tým väčší by mal byť jeho prierez. Môžete to určiť z tabuliek alebo pomocou online kalkulačky. Na rozdiel od výberu úseku podľa prípustného ohrevu, straty napätia nezávisia od podmienok tesnenia a izolačného materiálu.
V sieti 220 V sa napätie dodáva cez dva vodiče: fázový a nulový, takže výpočet sa robí pre dvojnásobnú dĺžku kábla. V kábli z predchádzajúceho príkladu to bude U=I*R=30A*2*0,074Ω=4,44V. To nie je veľa, ale s dĺžkou 25 metrov sa ukáže 11,1 V - maximálna povolená hodnota, budete musieť zväčšiť prierez.
Elektrický odpor iných kovov
Okrem medi a hliníka sa v elektrotechnike používajú aj ďalšie kovy a zliatiny:
- železo. Špecifický odpor ocele je vyšší, ale je pevnejší ako meď a hliník. Oceľové vodiče sú votkané do káblov určených na kladenie vzduchom. Odpor železa je príliš vysoký na prenos elektriny, preto sa pri výpočte prierezu jadrá nezohľadňujú. Okrem toho je žiaruvzdornejší a vyrábajú sa z neho vodiče na pripojenie ohrievačov v elektrických peciach s vysokým výkonom;
- Nichróm (zliatina niklu a chrómu) a Fechral (železo, chróm a hliník). Majú nízku vodivosť a žiaruvzdornosť. Z týchto zliatin sú vyrobené drôtové odpory a ohrievače;
- Volfrám. Jeho elektrický odpor je vysoký, ale ide o žiaruvzdorný kov (3422 °C). Používa sa na výrobu vlákien v elektrických lampách a elektród na zváranie argónom;
- Konštantán a manganín (meď, nikel a mangán). Odpor týchto vodičov sa pri zmenách teploty nemení. Používajú sa v reklamačných zariadeniach na výrobu odporov;
- Drahé kovy - zlato a striebro. Majú najvyššiu vodivosť, ale kvôli vysokej cene je ich použitie obmedzené.
Indukčná reaktancia
Vzorce na výpočet vodivosti drôtov sú platné iba v jednosmernej sieti alebo v priamych vodičoch pri nízkej frekvencii. V cievkach a vo vysokofrekvenčných sieťach sa indukčný odpor javí mnohonásobne vyšší ako zvyčajne. Okrem toho sa vysokofrekvenčný prúd šíri iba po povrchu drôtu. Preto sa niekedy poťahuje tenkou vrstvou striebra alebo sa používa lanko.
Skúsenosti ukázali, že odpor R kovového vodiča je priamo úmerná jeho dĺžke L a nepriamo úmerné jeho prierezovej ploche ALE:
R = ρ L/ ALE (26.4)
kde koeficient ρ sa nazýva rezistivita a slúži ako charakteristika látky, z ktorej je vodič vyrobený. Toto je zdravý rozum: odpor hrubého drôtu by mal byť menší ako odpor tenkého drôtu, pretože elektróny sa môžu pohybovať po väčšej ploche v hrubom drôte. A môžeme očakávať nárast odporu so zvyšovaním dĺžky vodiča, pretože sa zvyšuje počet prekážok v ceste toku elektrónov.
Typické hodnoty ρ pre rôzne materiály sú uvedené v prvom stĺpci tabuľky. 26.2. (Skutočné hodnoty sa môžu líšiť v závislosti od čistoty, tepelného spracovania, teploty a iných faktorov.)
|
Tabuľka 26.2. Odpor a teplotný koeficient odporu (TCR) (pri 20 °C) |
||
| Látka | ρ ,Ohm m | tks α ,°C -1 |
| vodičov | ||
| Strieborná | 1,59 10-8 | 0,0061 |
| Meď | 1,68 10-8 | 0,0068 |
| hliník | 2,65 10-8 | 0,00429 |
| Volfrám | 5,6 10 -8 | 0,0045 |
| železo | 9,71 10-8 | 0,00651 |
| Platina | 10,6 10 -8 | 0,003927 |
| Merkúr | 98 10 -8 | 0,0009 |
| Nichróm (zliatina Ni, Fe, Cr) | 100 10 -8 | 0,0004 |
| Polovodiče 1) | ||
| uhlík (grafit) | (3-60) 10-5 | -0,0005 |
| Germánium | (1-500) 10-5 | -0,05 |
| kremík | 0,1 - 60 | -0,07 |
| Dielektrika | ||
| sklo | 10 9 - 10 12 | |
| Tvrdá guma | 10 13 - 10 15 | |
| 1) Skutočné hodnoty silne závisia od prítomnosti aj malého množstva nečistôt. | ||
Striebro má najnižší odpor a je teda najlepším vodičom; je to však drahé. Meď je o niečo nižšia ako striebro; je jasné, prečo sú drôty najčastejšie vyrobené z medi.
Špecifický odpor hliníka je vyšší ako odpor medi, ale má oveľa nižšiu hustotu a v niektorých prípadoch je preferovaný (napríklad v elektrických vedeniach), pretože odpor hliníkových drôtov rovnakej hmotnosti je menší ako z medi. Často sa používa recipročná hodnota odporu:
σ = 1/ρ (26.5)
σ nazývaná špecifická vodivosť. Vodivosť sa meria v jednotkách (Ohm m) -1.
Odpor látky závisí od teploty. Vo všeobecnosti sa odolnosť kovov zvyšuje s teplotou. To by nemalo byť prekvapujúce: so stúpajúcou teplotou sa atómy pohybujú rýchlejšie, ich usporiadanie je menej usporiadané a možno očakávať, že budú viac zasahovať do toku elektrónov. V úzkych teplotných rozsahoch sa odpor kovu zvyšuje takmer lineárne s teplotou:
kde ρT- rezistivita pri teplote T, ρ 0 - rezistivita pri štandardnej teplote T 0 a α - teplotný koeficient odporu (TCR). Hodnoty a sú uvedené v tabuľke. 26.2. Všimnite si, že pre polovodiče môže byť TCR záporné. Je to zrejmé, keďže so zvyšujúcou sa teplotou narastá počet voľných elektrónov a tie zlepšujú vodivé vlastnosti látky. Odpor polovodiča teda môže klesať so zvyšujúcou sa teplotou (aj keď nie vždy).
Hodnoty a závisia od teploty, preto by ste mali venovať pozornosť teplotnému rozsahu, v ktorom táto hodnota platí (napríklad podľa referenčnej knihy fyzikálnych veličín). Ak je rozsah zmeny teploty široký, bude porušená linearita a namiesto (26.6) by sa mal použiť výraz obsahujúci výrazy, ktoré závisia od druhého a tretieho stupňa teploty:
ρT = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + γT 3),
kde koeficienty β a γ zvyčajne veľmi malé (dávame T 0 = 0 °C), ale pri vysokej T príspevok týchto členov sa stáva významným.
Pri veľmi nízkych teplotách klesá rezistivita niektorých kovov, ako aj zliatin a zlúčenín na nulu v rámci presnosti moderných meraní. Táto vlastnosť sa nazýva supravodivosť; prvýkrát to pozoroval holandský fyzik Geike Kamer-ling-Onnes (1853-1926) v roku 1911, keď sa ortuť ochladila pod 4,2 K. Pri tejto teplote elektrický odpor ortuti náhle klesol na nulu.
Supravodiče prechádzajú do supravodivého stavu pod teplotou prechodu, ktorá je zvyčajne niekoľko stupňov Kelvina (mierne nad absolútnou nulou). V supravodivom prstenci bol pozorovaný elektrický prúd, ktorý pri absencii napätia niekoľko rokov prakticky neochaboval.
V posledných rokoch bola supravodivosť intenzívne skúmaná s cieľom objasniť jej mechanizmus a nájsť materiály, ktoré sú supravodivé pri vyšších teplotách, aby sa znížili náklady a nepríjemnosti spôsobené potrebou chladenia na veľmi nízke teploty. Prvú úspešnú teóriu supravodivosti vytvorili Bardeen, Cooper a Schrieffer v roku 1957. Supravodiče sa už používajú vo veľkých magnetoch, kde magnetické pole vzniká elektrickým prúdom (pozri kap. 28), čo výrazne znižuje spotrebu energie. Samozrejme, energia sa vynakladá aj na udržanie supravodiča na nízkej teplote.
Pripomienky a návrhy sú akceptované a vítané!
Pri uzavretí elektrického obvodu, na ktorého svorkách je potenciálny rozdiel, vzniká elektrický prúd. Voľné elektróny pod vplyvom síl elektrického poľa sa pohybujú pozdĺž vodiča. Pri svojom pohybe sa elektróny zrážajú s atómami vodiča a poskytujú im rezervu ich kinetickej energie. Rýchlosť pohybu elektrónov sa neustále mení: pri zrážke elektrónov s atómami, molekulami a inými elektrónmi klesá, potom sa vplyvom elektrického poľa zvyšuje a pri novej zrážke opäť klesá. Výsledkom je, že vo vodiči sa vytvorí rovnomerný tok elektrónov rýchlosťou niekoľkých zlomkov centimetra za sekundu. V dôsledku toho elektróny prechádzajúce vodičom vždy narážajú na odpor z jeho strany voči ich pohybu. Keď elektrický prúd prechádza vodičom, tento sa zahrieva.
Elektrický odpor
Elektrický odpor vodiča, ktorý je označený latinským písmenom r, je vlastnosť telesa alebo média premieňať elektrickú energiu na tepelnú energiu, keď ním prechádza elektrický prúd.
V diagramoch je elektrický odpor znázornený na obrázku 1, a.
Premenlivý elektrický odpor, ktorý slúži na zmenu prúdu v obvode, sa nazýva reostat. V diagramoch sú reostaty označené tak, ako je znázornené na obrázku 1, b. Vo všeobecnosti je reostat vyrobený z drôtu jedného alebo druhého odporu, navinutého na izolačnej základni. Posúvač alebo páka reostatu je umiestnená v určitej polohe, v dôsledku čoho sa do obvodu zavádza požadovaný odpor.
Dlhý vodič s malým prierezom vytvára vysoký prúdový odpor. Krátke vodiče s veľkým prierezom majú malý odpor voči prúdu.
Ak vezmeme dva vodiče z rôznych materiálov, ale rovnakej dĺžky a prierezu, potom budú vodiče viesť prúd rôznymi spôsobmi. To ukazuje, že odpor vodiča závisí od materiálu samotného vodiča.
Teplota vodiča tiež ovplyvňuje jeho odpor. So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje odolnosť kovov a znižuje sa odolnosť kvapalín a uhlia. Len niektoré špeciálne zliatiny kovov (manganín, konštantán, nikelín a iné) so zvyšujúcou sa teplotou takmer nemenia svoj odpor.
Takže vidíme, že elektrický odpor vodiča závisí od: 1) dĺžky vodiča, 2) prierezu vodiča, 3) materiálu vodiča, 4) teploty vodiča.
Jednotkou odporu je jeden ohm. Om sa často označuje gréckym veľkým písmenom Ω (omega). Takže namiesto písania „Odpor vodiča je 15 ohmov“ môžete jednoducho napísať: r= 15Ω.
1000 ohmov sa nazýva 1 kiloohm(1kΩ alebo 1kΩ),
1 000 000 ohmov sa nazýva 1 megaohm(1 mgOhm alebo 1MΩ).
Pri porovnávaní odporu vodičov z rôznych materiálov je potrebné odobrať pre každú vzorku určitú dĺžku a prierez. Potom budeme vedieť posúdiť, ktorý materiál vedie elektrický prúd lepšie alebo horšie.
Video 1. Odpor vodiča
Špecifický elektrický odpor
Nazýva sa odpor vodiča dlhého 1 m s prierezom 1 mm² v ohmoch odpor a označuje sa gréckym písmenom ρ (ro).
Tabuľka 1 uvádza špecifické odpory niektorých vodičov.
stôl 1
Odpor rôznych vodičov
Tabuľka ukazuje, že železný drôt s dĺžkou 1 m a prierezom 1 mm² má odpor 0,13 ohmu. Ak chcete získať odpor 1 ohm, musíte si vziať 7,7 m takéhoto drôtu. Striebro má najnižší odpor. Odpor 1 ohm možno získať odoberaním 62,5 m strieborného drôtu s prierezom 1 mm². Striebro je najlepší vodič, ale cena striebra vylučuje jeho široké použitie. Po striebre v tabuľke nasleduje meď: 1 m medeného drôtu s prierezom 1 mm² má odpor 0,0175 ohmov. Ak chcete získať odpor 1 ohm, musíte si vziať 57 m takéhoto drôtu.
Chemicky čistá meď získaná rafináciou našla široké využitie v elektrotechnike na výrobu drôtov, káblov, vinutí elektrických strojov a prístrojov. Hliník a železo sú tiež široko používané ako vodiče.
Odpor vodiča možno určiť podľa vzorca:
kde r- odpor vodiča v ohmoch; ρ - špecifický odpor vodiča; l je dĺžka vodiča vm; S– prierez vodiča v mm².
Príklad 1 Určte odpor 200 m železného drôtu s prierezom 5 mm².
Príklad 2 Vypočítajte odpor 2 km hliníkového drôtu s prierezom 2,5 mm².
Z odporového vzorca ľahko určíte dĺžku, rezistivitu a prierez vodiča.
Príklad 3 Pre rádiový prijímač je potrebné navinúť odpor 30 ohmov z niklového drôtu s prierezom 0,21 mm². Určite požadovanú dĺžku drôtu.
Príklad 4 Určte prierez 20 m nichrómového drôtu, ak je jeho odpor 25 ohmov.
Príklad 5 Drôt s prierezom 0,5 mm² a dĺžkou 40 m má odpor 16 ohmov. Určite materiál drôtu.
Materiál vodiča charakterizuje jeho odpor.
Podľa tabuľky rezistivity zistíme, že olovo má takýto odpor.
Vyššie bolo uvedené, že odpor vodičov závisí od teploty. Urobme nasledujúci experiment. Navinieme niekoľko metrov tenkého kovového drôtu vo forme špirály a premeníme túto špirálu na batériový obvod. Ak chcete merať prúd v obvode, zapnite ampérmeter. Pri zahrievaní špirály v plameni horáka môžete vidieť, že hodnoty ampérmetra sa znížia. To ukazuje, že odpor kovového drôtu sa zahrievaním zvyšuje.
Pri niektorých kovoch sa pri zahriatí o 100 ° zvyšuje odpor o 40 - 50%. Existujú zliatiny, ktoré mierne menia svoj odpor teplom. Niektoré špeciálne zliatiny takmer nemenia odpor s teplotou. Odpor kovových vodičov so zvyšujúcou sa teplotou stúpa, odpor elektrolytov (kvapalné vodiče), uhlia a niektorých pevných látok, naopak, klesá.
Schopnosť kovov meniť svoj odpor zmenami teploty sa využíva na konštrukciu odporových teplomerov. Takým teplomerom je platinový drôt navinutý na sľudovom ráme. Vložením teplomera napríklad do pece a meraním odporu platinového drôtu pred a po zahriatí možno určiť teplotu v peci.
Zmena odporu vodiča pri jeho zahrievaní na 1 ohm počiatočného odporu a 1 ° teploty sa nazýva teplotný koeficient odporu a označuje sa písmenom α.
Ak pri teplote t 0 odpor vodiča je r 0 a pri teplote t rovná sa r t, potom teplotný koeficient odporu
Poznámka. Tento vzorec je možné vypočítať len v určitom teplotnom rozsahu (asi do 200 °C).
Pre niektoré kovy uvádzame hodnoty teplotného koeficientu odporu α (tabuľka 2).
tabuľka 2
Hodnoty teplotných koeficientov pre niektoré kovy
Zo vzorca pre teplotný koeficient odporu určíme r t:
r t = r 0 .
Príklad 6 Určte odpor železného drôtu zahriateho na 200 °C, ak jeho odpor pri 0 °C bol 100 ohmov.
r t = r 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohmov.
Príklad 7 Odporový teplomer z platinového drôtu v miestnosti s teplotou 15°C mal odpor 20 ohmov. Teplomer sa umiestnil do pece a po chvíli sa zmeral jeho odpor. Ukázalo sa, že sa rovná 29,6 ohmov. Určte teplotu v rúre.
elektrická vodivosť
Doteraz sme odpor vodiča považovali za prekážku, ktorú vodič poskytuje elektrickému prúdu. Vodičom však preteká prúd. Preto má vodič okrem odporu (prekážok) aj schopnosť viesť elektrický prúd, teda vodivosť.
Čím väčší odpor má vodič, tým má menšiu vodivosť, tým horšie vedie elektrický prúd, a naopak, čím je odpor vodiča nižší, tým má väčšiu vodivosť, tým ľahšie prechádza vodičom. Preto sú odpor a vodivosť vodiča recipročné veličiny.
Z matematiky je známe, že prevrátená 5 je 1/5 a naopak prevrátená 1/7 je 7. Ak teda odpor vodiča označíme písm. r potom je vodivosť definovaná ako 1/ r. Vodivosť sa zvyčajne označuje písmenom g.
Elektrická vodivosť sa meria v (1/ohm) alebo siemens.
Príklad 8 Odpor vodiča je 20 ohmov. Určite jeho vodivosť.
Ak r= 20 Ohm, teda
Príklad 9 Vodivosť vodiča je 0,1 (1/ohm). Určte jeho odpor
Ak g \u003d 0,1 (1 / Ohm), potom r= 1 / 0,1 = 10 (ohm)
Elektrický prúd vzniká v dôsledku uzavretia obvodu s rozdielom potenciálov na svorkách. Sily poľa pôsobia na voľné elektróny a tie sa pohybujú po vodiči. Počas tejto cesty sa elektróny stretávajú s atómami a odovzdávajú im časť svojej nahromadenej energie. V dôsledku toho sa ich rýchlosť znižuje. Ale vplyvom elektrického poľa opäť naberá na sile. Elektróny teda neustále zažívajú odpor, a preto sa elektrický prúd zahrieva.
Vlastnosťou látky premieňať elektrickú energiu na teplo pri pôsobení prúdu je elektrický odpor a označuje sa ako R, jej jednotkou je Ohm. Veľkosť odporu závisí najmä od schopnosti rôznych materiálov viesť prúd.
Nemecký výskumník G. Ohm prvýkrát ohlásil odpor.
S cieľom zistiť závislosť sily prúdu od odporu vykonal slávny fyzik mnoho experimentov. Na experimenty používal rôzne vodiče a získaval rôzne indikátory.
Prvá vec, ktorú G. Ohm určil, bola, že rezistivita závisí od dĺžky vodiča. To znamená, že ak sa dĺžka vodiča zväčšila, zvýšil sa aj odpor. V dôsledku toho bol tento vzťah určený ako priamo úmerný.
Druhou závislosťou je plocha prierezu. Dá sa určiť podľa prierezu vodiča. Plocha obrázku, ktorá sa vytvorila na reze, je plocha prierezu. Tu je vzťah nepriamo úmerný. To znamená, že čím väčšia je plocha prierezu, tým nižší je odpor vodiča.
A treťou, dôležitou veličinou, od ktorej odpor závisí, je materiál. V dôsledku toho, že Ohm použil pri experimentoch rôzne materiály, zistil rôzne vlastnosti odolnosti. Všetky tieto experimenty a ukazovatele boli zhrnuté v tabuľke, z ktorej je možné vidieť rôzne hodnoty špecifickej odolnosti rôznych látok.
Je známe, že najlepšími vodičmi sú kovy. Ktoré kovy sú najlepšie vodiče? Tabuľka ukazuje, že meď a striebro majú najmenší odpor. Meď sa používa častejšie kvôli jej nižším nákladom, zatiaľ čo striebro sa používa v najdôležitejších a kritických zariadeniach.
Látky s vysokým odporom v tabuľke nevedú dobre elektrický prúd, čo znamená, že môžu byť vynikajúcimi izolačnými materiálmi. Látky s touto vlastnosťou sú v najväčšej miere porcelán a ebonit.
Vo všeobecnosti je elektrický odpor veľmi dôležitým faktorom, pretože určením jeho indikátora môžeme zistiť, z akej látky je vodič vyrobený. K tomu je potrebné zmerať plochu prierezu, zistiť silu prúdu pomocou voltmetra a ampérmetra a tiež zmerať napätie. Zistíme teda hodnotu rezistivity a pomocou tabuľky sa k látke ľahko dostaneme. Ukazuje sa, že odpor je ako odtlačky prstov látky. Okrem toho je pri plánovaní dlhých elektrických obvodov dôležitý odpor: tento údaj potrebujeme poznať, aby sme dosiahli rovnováhu medzi dĺžkou a plochou.
Existuje vzorec, ktorý určuje, že odpor je 1 ohm, ak pri napätí 1V je jeho prúdová sila 1A. To znamená, že odpor jednotky plochy a jednotky dĺžky, vyrobený z určitej látky, je odpor.
Treba tiež poznamenať, že index odporu priamo závisí od frekvencie látky. Teda či má nečistoty. To, že pridanie len jedného percenta mangánu zvyšuje odolnosť najvodivejšej látky – medi, trojnásobne.
Táto tabuľka ukazuje elektrický odpor niektorých látok.
Vysoko vodivé materiály
Meď
Ako sme už povedali, najčastejšie sa ako vodič používa meď. Je to spôsobené nielen jeho nízkym odporom. Meď má výhody vysokej pevnosti, odolnosti proti korózii, jednoduchosti použitia a dobrej opracovateľnosti. Dobré triedy medi sú M0 a M1. V nich množstvo nečistôt nepresahuje 0,1%.
Vysoká cena kovu a jeho nedávny nedostatok povzbudzuje výrobcov, aby ako vodič používali hliník. Používajú sa aj zliatiny medi s rôznymi kovmi.
hliník
Tento kov je oveľa ľahší ako meď, ale hliník má vysokú tepelnú kapacitu a bod topenia. V tomto ohľade, aby sa dostal do roztaveného stavu, je potrebných viac energie ako meď. Napriek tomu je potrebné vziať do úvahy skutočnosť nedostatku medi.
Pri výrobe elektrických výrobkov sa spravidla používa hliník triedy A1. Neobsahuje viac ako 0,5% nečistôt. A kov s najvyššou frekvenciou je hliník triedy AB0000.
železo
Lacnosť a dostupnosť železa je zatienená jeho vysokou špecifickou odolnosťou. Navyše rýchlo koroduje. Z tohto dôvodu sú oceľové vodiče často potiahnuté zinkom. Takzvaný bimetal je široko používaný - ide o oceľ potiahnutú meďou na ochranu.
Sodík
Sodík je tiež cenovo dostupný a perspektívny materiál, ale jeho odolnosť je takmer trojnásobná oproti medi. Okrem toho má kovový sodík vysokú chemickú aktivitu, čo si vyžaduje zakrytie takéhoto vodiča hermetickou ochranou. Mal by tiež chrániť vodič pred mechanickým poškodením, pretože sodík je veľmi mäkký a dosť krehký materiál.
Supravodivosť
Nižšie uvedená tabuľka ukazuje odpor látok pri teplote 20 stupňov. Indikácia teploty nie je náhodná, pretože odpor priamo závisí od tohto indikátora. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri zahrievaní sa zvyšuje aj rýchlosť atómov, čo znamená, že sa zvýši aj pravdepodobnosť ich stretnutia s elektrónmi.
Je zaujímavé, čo sa stane s odporom v podmienkach chladenia. Prvýkrát si správanie atómov pri veľmi nízkych teplotách všimol G. Kamerling-Onnes v roku 1911. Ochladil ortuťový drôt na 4K a zistil, že jeho odpor klesol na nulu. Fyzik nazval zmenu špecifického indexu odporu niektorých zliatin a kovov v podmienkach nízkej teploty supravodivosťou.
Supravodiče pri ochladzovaní prechádzajú do stavu supravodivosti a ich optické a štrukturálne charakteristiky sa nemenia. Hlavným objavom je, že elektrické a magnetické vlastnosti kovov v supravodivom stave sú veľmi odlišné od ich vlastných vlastností v bežnom stave, ako aj od vlastností iných kovov, ktoré pri znížení teploty nemôžu prejsť do tohto stavu.
Použitie supravodičov sa uskutočňuje najmä pri získavaní supersilného magnetického poľa, ktorého sila dosahuje 107 A/m. Vyvíjajú sa aj systémy supravodivých elektrických vedení.
Podobné materiály.
Pojem elektrického odporu a vodivosti
Každé teleso, ktorým preteká elektrický prúd, má voči nemu určitý odpor. Vlastnosť materiálu vodiča brániť prechodu elektrického prúdu cez neho sa nazýva elektrický odpor.
Elektronická teória týmto spôsobom vysvetľuje podstatu elektrického odporu kovových vodičov. Pri pohybe po vodiči sa voľné elektróny stretávajú na svojej ceste nespočetnekrát s atómami a inými elektrónmi a pri interakcii s nimi nevyhnutne strácajú časť svojej energie. Elektróny majú akoby odpor voči svojmu pohybu. Rôzne kovové vodiče s rôznou atómovou štruktúrou majú rôznu odolnosť voči elektrickému prúdu.
Presne to isté vysvetľuje odpor kvapalných vodičov a plynov voči prechodu elektrického prúdu. Netreba však zabúdať, že v týchto látkach nie elektróny, ale nabité častice molekúl pri svojom pohybe narážajú na odpor.
Odpor je označený latinskými písmenami R alebo r.
Ohm sa považuje za jednotku elektrického odporu.
Ohm je odpor ortuťového stĺpca vysokého 106,3 cm s prierezom 1 mm2 pri teplote 0 °C.
Ak je napríklad elektrický odpor vodiča 4 ohmy, potom je napísaný takto: R \u003d 4 ohmy alebo r \u003d 4 ohmy.
Na meranie odporu veľkej hodnoty sa používa jednotka nazývaná megohm.
Jeden meg sa rovná miliónu ohmov.
Čím väčší je odpor vodiča, tým horšie vedie elektrický prúd, a naopak, čím je odpor vodiča menší, tým ľahšie elektrický prúd týmto vodičom prechádza.
Preto na charakterizáciu vodiča (z hľadiska prechodu elektrického prúdu cez neho) je možné zvážiť nielen jeho odpor, ale aj prevrátenú hodnotu odporu a nazýva sa vodivosť.
elektrická vodivosť Schopnosť materiálu prechádzať cez seba elektrický prúd sa nazýva.
Pretože vodivosť je prevrátená hodnota odporu, vyjadruje sa ako 1/R, vodivosť sa označuje latinským písmenom g.
Vplyv materiálu vodiča, jeho rozmerov a teploty okolia na hodnotu elektrického odporu
Odolnosť rôznych vodičov závisí od materiálu, z ktorého sú vyrobené. Na charakterizáciu elektrického odporu rôznych materiálov bol zavedený koncept takzvaného odporu.
Odpor je odpor vodiča s dĺžkou 1 m a plochou prierezu 1 mm2. Odpor sa označuje gréckym písmenom p. Každý materiál, z ktorého je vodič vyrobený, má svoj vlastný odpor.
Napríklad rezistivita medi je 0,017, to znamená, že medený vodič s dĺžkou 1 m a prierezom 1 mm2 má odpor 0,017 ohmov. Rezistivita hliníka je 0,03, merný odpor železa je 0,12, merný odpor konštantánu je 0,48, merný odpor nichrómu je 1-1,1.
Odpor vodiča je priamo úmerný jeho dĺžke, to znamená, že čím dlhší je vodič, tým väčší je jeho elektrický odpor.
Odpor vodiča je nepriamo úmerný jeho prierezovej ploche, to znamená, že čím je vodič hrubší, tým je jeho odpor menší, a naopak, čím je vodič tenší, tým väčší je jeho odpor.
Aby ste lepšie pochopili tento vzťah, predstavte si dva páry komunikujúcich ciev, pričom jeden pár ciev má tenkú spojovaciu rúrku a druhý má hrubú. Je jasné, že keď je jedna z nádob (každý pár) naplnená vodou, jej prechod do inej nádoby cez hrubú rúru nastane oveľa rýchlejšie ako cez tenkú, t.j. hrubá rúra bude klásť menší odpor prietoku vody. voda. Rovnako je pre elektrický prúd ľahší prechod cez hrubý vodič ako cez tenký, to znamená, že prvý mu kladie menší odpor ako druhý.
Elektrický odpor vodiča sa rovná špecifickému odporu materiálu, z ktorého je tento vodič vyrobený, vynásobený dĺžkou vodiča a deleným plochou prierezu vodiča:
R = R l / S,
Kde - R - odpor vodiča, ohm, l - dĺžka vodiča vm, S - prierez vodiča, mm 2.
Plocha prierezu okrúhleho vodiča vypočítané podľa vzorca:
S = π d 2 / 4
Kde π - konštantná hodnota rovná 3,14; d je priemer vodiča.
A tak je určená dĺžka vodiča:
l = S R / p ,
Tento vzorec umožňuje určiť dĺžku vodiča, jeho prierez a odpor, ak sú známe ďalšie veličiny zahrnuté vo vzorci.
Ak je potrebné určiť plochu prierezu vodiča, vzorec sa zníži na nasledujúci tvar:
S = Rl/R
Transformáciou rovnakého vzorca a riešením rovnosti vzhľadom na p nájdeme merný odpor vodiča:
R = RS/l
Posledný vzorec sa musí použiť v prípadoch, keď je známy odpor a rozmery vodiča a jeho materiál je neznámy a navyše je ťažké ho určiť podľa vzhľadu. Na to je potrebné určiť odpor vodiča a pomocou tabuľky nájsť materiál, ktorý má takýto odpor.
Ďalším dôvodom, ktorý ovplyvňuje odpor vodičov, je teplota.
Zistilo sa, že so zvyšujúcou sa teplotou sa odpor kovových vodičov zvyšuje a so znižovaním klesá. Toto zvýšenie alebo zníženie odporu pre čisté kovové vodiče je takmer rovnaké a v priemere je 0,4 % na 1 °C. Odpor kvapalných vodičov a uhlia klesá so zvyšujúcou sa teplotou.
Elektrónová teória štruktúry hmoty dáva nasledujúce vysvetlenie nárastu odporu kovových vodičov so zvyšujúcou sa teplotou. Pri zahrievaní vodič dostáva tepelnú energiu, ktorá sa nevyhnutne prenáša na všetky atómy látky, v dôsledku čoho sa zvyšuje intenzita ich pohybu. Zvýšený pohyb atómov vytvára väčší odpor voči usmernenému pohybu voľných elektrónov, preto sa odpor vodiča zvyšuje. S poklesom teploty sa vytvárajú lepšie podmienky pre usmernený pohyb elektrónov a znižuje sa odpor vodiča. To vysvetľuje zaujímavý jav - supravodivosť kovov.
Supravodivosť t.j. zníženie odolnosti kovov na nulu, nastáva pri obrovskej negatívnej teplote - 273 ° C, nazývanej absolútna nula. Zdá sa, že pri teplote absolútnej nuly kovové atómy zamrznú na mieste bez toho, aby vôbec bránili pohybu elektrónov.
