13 Сопротивление металлов.

ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ. Ч. 2

1. Закон сохранения заряда.

2. Закон Кулона.

3. Электростатическое поле, его характеристики.

4. Теорема Остроградского-Гаусса и ее применение.

5. Работа сил поля при перемещении заряда.

6. Потенциал.

7. Эквипотенциальные поверхности.

8. Связь между напряженностью и потенциалом.

9. Проводники в электрическом поле.

10. Электроемкость проводников.

11. Конденсаторы и их соединение.

12. Постоянный электрический ток.

13. Сопротивление металлов.

14. Электродвижущая сила источников тока.

15. Законы Ома и Джоуля-Ленца.

16. Законы Кирхгофа для разветвленных цепей.

17. Классическая теория электропроводности металлов.

18. Зависимость сопротивления металлов от температуры.

19. Магнитное поле. Закон Ампера.

20. Напряженность магнитного поля.

21. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение.

22. Магнитная индукция.

23. Поток вектора магнитной индукции.

24. Сила Ампера.

25. Работа сил Ампера.

26. Сила Лоренца.

27. Электромагнитная индукция.

28. Законы Фарадея и Ленца.

29. Самоиндукция. Индуктивность.

30. Энергия магнитного поля.

31. Диамагнетизм.

32. Парамагнетизм.

33. Ферромагнетизм.

34. Гистерезис,

35. точка Кюри.

36. Вращение рамки в магнитном поле переменный ток.

37. Реактивные сопротивления.

38. Обобщенный закон Ома.

39. Электромагнитные волны.

40. Уравнения Максвелла.

41. Колебательный контур.

1. Закон сохранения заряда утверждает, что во время взаимодействия некоторой замкнутой системы с окружающим пространством количество заряда которое выходит из системы через ее поверхность равно количеству заряда поступившего внутрь системы. Другими словами алгебраическая сумма всех зарядов системы равна нулю.

Основная идея закона сохранения заряда состоит в том, что заряд не возникает из неоткуда и не исчезает в никуда. При возникновении заряда одного знака тут же появляется заряд противоположного знака той же величины.

2. Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.             |q₁||q₂|  F=k —————.                  r²

Эта сила называется кулоновской. Она направлена вдоль прямой, соединяющей тела, то есть является центральной. Кулоновская сила может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания; положительной считают силу отталкивания. Поэтому закон Кулона можно записать в векторном виде:  ͢          q₁

q₂          ͢ F₁₂=k————— r₁₂.                  r₁₂³

3. Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.

Напряжённость — векторная величина определяющая силу 

действующую на заряженную частицу или тело со стороныэлектрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.

Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q  [Дж/Кл] или [В]

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля  величине её заряда.

φ = W/Q [В]

Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.

4. Теорема Гаусса: поток электрической индукции через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме всех зарядов, находящихся внутри поверхности: .

Применение: 1. Электрическое поле равномерно заряженной сферической поверхности.

Сфера радиусом R. Пусть заряд +q равномерно распределён по сферической поверхности радиуса R. Распределение заряда по поверхности характеризуется поверхностной плотностью заряда 

(рис.4). Поверхностной плотностью заряда называют отношение заряда к площади поверхности, по которой он распределён. . В СИ .

Определим напряжённость поля:

а) вне сферической поверхности, б) внутри сферической поверхности.

а) Возьмём точку А, отстоящую от центра заряженной сферической поверхности на расстоянии r>R. Проведём через неё мысленно сферическую поверхность S радиуса r, имеющую общий центр с заряженной сферической поверхностью. Из соображения симметрии очевидно, что силовые линии являются радиальными прямыми перпендикулярными к поверхности S и равномерно пронизывают эту поверхность, т.е. напряжённость по всех точках этой поверхности постоянна по величине. Применим теорему Остроградского-Гаусса к этой сферической поверхности S радиуса r. Поэтому полный поток через сферу равен N = E? S; N=E

. С другой стороны . Приравниваем:  . Отсюда: при r>R.

Таким образом: напряжённость, создаваемая равномерно заряженной сферической поверхностью, вне её такая же, как если бы весь заряд находился в её центре (рис.5).

б) Найдём напряжённость поля в точках, лежащих внутри заряженной сферической поверхности. Возьмём точку В отстоящую от центра сферы на расстоянии <R, и проведём через эту точку сферическую поверхность имеющую общий центр с заряженной сферической поверхностью. Из соображения симметрии ясно, что напряжённость 

должна быть численно одинакова на всей выбранной поверхности сферы S и нормальна к ней. Применяя теорему Остроградского-Гаусса к сферической поверхности S на основании формулы: N=E? S, S=4p т.к. заряд внутри сферы S q = 0, то. Тогда , E = 0 при r<R. Следовательно, напряжённость электрического поля во всех точках внутри равномерно заряженной сферической поверхности равна нулю.

2. Напряжённость поля равномерно заряженной бесконечной плоскости

Рассмотрим электрическое поле создаваемое бесконечной плоскостью, заряженной с плотностью , постоянной во всех точках плоскости. По соображениям симметрии можно считать, что линии напряжённости перпендикулярны к плоскости и направлены от неё в обе стороны (рис.6).

Выберем точку А, лежащую справа от плоскости и вычислим 

в этой точке, применяя теорему Остроградского-Гаусса. В качестве замкнутой поверхности выберем цилиндрическую поверхность таким образом, чтобы боковая поверхность цилиндра была параллельна силовым линиям, а его основания и параллельны плоскости и основание проходит через точку А (рис. 7). Рассчитаем поток напряжённости через рассматриваемую цилиндрическую поверхность. Поток через боковую поверхность равен 0, т.к. линии напряжённости параллельны боковой поверхности. Тогда полный поток складывается из потоков  и проходящих через основания цилиндра и . Оба эти потока положительны =+; =; =; ==; N = 2.

 –участок плоскости лежащий внутри выбранной цилиндрической поверхности. Заряд внутри этой поверхности равен q.

 . Тогда ; 

СГСЭ ; 

Итак величина не зависит от положения рассматриваемой точки А и определяется только поверхностной плоскостью зарядов . Вектор всюду направлен перпендикулярно плоскости,

а) если >0 от плоскости (рис. 8).

б) если <0 тогда к плоскости (рис. 9).

3. Поле двух параллельных плоскостей

Плоскости заряжены разноимёнными зарядами с плотностями +s и -s (рис.10). напряжённость полей обеих плоскостей между плоскостями направлены в одну сторону, следовательно, их геометрическая сумма является их арифметической суммой в вакууме .

И так: во всех точках пространства между плоскостями, вектор напряжённости имеет одинаковую величину и направлен от положительно заряженной плоскости до отрицательно заряженной плоскости, т.е. поле между плоскостями однородное. Вне этих плоскостей поле равно “0” .

5. Элементарная работа, совершаемая силой F при перемещении точечного электрического заряда из одной точки электростатического поля в другую на отрезке пути, по определению равна

где — угол между вектором силы F и направлением движения. Если работа совершается внешними силами, то dA0. Интегрируя последнее выражение, получим, что работа против сил поля при перемещении пробного зарядаиз точки “а” в точку “b” будет равна

где — кулоновская сила, действующая на пробный зарядв каждой точке поля с напряженностью Е. Тогда работа

Пусть заряд перемещается в поле заряда q из точки “а”, удалённой от q на расстояниив точку “b”, удаленную от q на расстоянии(рис 1.12).

Как видно из рисунка тогда получим

Как было сказано выше, работа сил электростатического поля, совершаемая против внешних сил, равна по величине и противоположна по знаку работе внешних сил, следовательно

6.

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду:   — энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной. За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

— следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываются алгебраически).

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность. В СИ потенциал измеряется в вольтах:

7. Эквипотенциальные поверхности

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.

Между двумя любыми точками на эквипотзенциальной поверхности разность потенциалов равна нулю, поэтому работа сил электрического поля при любом перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Это означает, что вектор силы в любой точке траектории движения заряда по эквипотенциальной поверхности перпендикулярен вектору скорости. Следовательно, линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.

Эквипотенциальными поверхностями поля точечного электрического заряда являются сферы, в центре которых расположен заряд (рис. 112).

Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные линиям напряженности (рис. 113).

8. Из выше сказанного следует, что электрическое поле характеризуется двумя физическими величинами: напряженностью (силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика). Выясним как они связаны между собой. Пусть положительный заряд q перемещается силой электрического поля с эквипотенциальной поверхности, имеющей потенциал , на близко расположенную эквипотенциальную поверхность, имеющую потенциал(рис. 13.16).

Напряженность поля Е на всем малом пути dx можно считать постоянной. Тогда работа перемещения С другой стороны. Из этих уравнений получаем

(13.22)

Знак минус обусловлен тем, что напряженность поля направлена в сторону убывания потенциала, тогда как градиент потенциала направлен в сторону возрастания потенциала.

9. Проводник в электрическом поле

Вещество или материальное тело, в котором имеются заряды, способные переносить электрический ток, называется проводником. В металлах переносчиками тока служат свободные (т.е. не привязанные к атомам) электроны, в электролитах — ионы, в плазме — и электроны, и ионы. Для электростатических явлений поле внутри проводника равно нулю:

E→in ≡ 0 .

Механизм исчезновения электрического поля в проводниках связан со смещением свободных зарядов ровно настолько, чтобы как раз компенсировать внешнее электрическое поле, если таковое имеется. При изменении внешнего поля свободные заряды в проводнике перераспределяются, а в момент перераспределения в проводнике течет ток.

Поскольку E→in = 0, то и плотность заряда внутри проводника также равна нулю:

ρin = 1 4π divE→in ≡ 0.

Заряды, компенсирующие внешнее поле, могут размещаться только на поверхности проводника. В связи с этим говорят, что проводник квазинейтрален. По аналогии с объёмной плотностью заряда ρ = limΔV →0Δq∕ΔV , поверхностную плотность определяют, как предел отношения заряда на физически малом участке поверхности Δq к площади этого участка ΔS:

σ = limΔS→0Δq∕ΔS .

Все точки проводника имеют одинаковый потенциал, так как gradϕin = −E→in = 0. Поверхность проводника также эквипотенциальна. Следовательно, электрическое поле перпендикулярно к ней. Этот факт иногда формулируют в виде равенства нулю тангенциальной (касательной к поверхности проводника) проекции внешнего электрического поля E→t =[[n→,E→],n→]:

E→t = 0.

Здесь и далее n→ обозначает внешнюю нормаль к поверхности проводника.

Нормальная компонента электрического поля на поверхности проводника En = (n→,E→) однозначно связана с поверхностной плотностью зарядов. Применяя теорему Гаусса к параллелепипеду, натянутому на элемент поверхности проводника (рис. 1.26), получаем:

E→n = 4πσ .

Обычно распределение зарядов σ по поверхности проводника неизвестно. Если нужно, его находят в результате решения задачи. Однако одну существенную закономерность можно указать из качественных соображений Так как одноименные заряды (заряды одного знака) отталкиваются, они стремятся разойтись в проводнике как можно дальше. Это приводит к накоплению зарядов на наиболее удаленных участках проводников, например на остриях. Поле вблизи острия можно приближенно представить, как поле заряженной сферы того же радиуса кривизны r. Отсюда можно оценить напряженность электрического поля и поверхностную плотность заряда 4πσ ∼ E ∼ ϕ∕r, гдеϕ — потенциал проводника относительно соседних тел. При этом полезно отметить, что полный заряд острия q ∼ πr2σ ∼ ϕr все-таки составляет малую долю заряда всего проводящего телаQ ∼ ϕR, где R — его характерный размер.

10. Электроемкость проводников — это физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрические заряды.

Еденица электроемкости — фарад (Ф).

Сообщенный проводнику заряд Q распределяется по его поверхности так, что напряженность поля внутри проводника равна нулю. Если проводнику сообщить такой же заряд Q, то он распределится по поверхности проводника. Отсюда следует, что потенциал проводника пропорционален находящемуся на нем заряду (Q = Cfi).

Электроемкость проводников равна С = Q/fi.

11. Электрические конденсаторы являются средством накопления электроэнергии в электрическом поле. Типичными областями применения электрических конденсаторов являются сглаживающие фильтры в источниках электропитания, цепи межкаскадной связи в усилителях переменных сигналов, фильтрация помех, возникающих на шинах электропитания электронной аппаратуры и т д.

Для равнозначного конденсатора выполняется условие: если подводимое к обкладкам равнозначного конденсатора напряжение равно напряжению, подводимому к крайним зажимам группы конденсаторов, то равнозначный конденсатор накопит такой же заряд, как и группа конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов

На рис. 1 изображено параллельное соединение нескольких конденсаторов. В этом случае напряжения, подводимые к отдельным конденсаторам, одинаковы: U1 = U2 = U3 = U. Заряды на обкладках отдельных конденсаторов: Q1 = C1U, Q2 = C2U, Q3 = C3U, а заряд, полученный от источника Q = Q1 + Q2 + Q3.

Рис. 1. Схема параллельного соединения конденсаторов

Общая емкость равнозначного (эквивалентного) конденсатора:

C = Q / U = (Q1 + Q2 + Q3) / U = C1 + C2 + C3,

т. е. при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов (рис. 3) на обкладках отдельных конденсаторов электрические заряды по величине равны:Q1 = Q2 = Q3 = Q

Действительно, от источника питания заряды поступают лишь на внешние обкладки цепи конденсаторов, а на соединенных между собой внутренних обкладках смежных конденсаторов происходит лишь перенос такого же по величине заряда с одной обкладки на другую (наблюдается электростатическая индукция), поэтому и на них по- являются равные и разноименые электрические заряды. 

Рис. 3. Схема последовательного соединения конденсаторов

Напряжения между обкладками отдельных конденсаторов при их последовательном соединении зависят от емкостей отдельных конденсаторов: U1 = Q/C1, U1 = Q/C2, U1 = Q/C3, а общее напряжение U = U1 + U2 + U3

Общая емкость равнозначного (эквивалентного) конденсатора C = Q / U = Q / (U1 + U2 + U3), т. е. при последовательном соединении конденсаторов величина, обратная общей емкости, равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов.

Формулы эквивалентных емкостей аналогичны формулам эквивалентных проводимостей. 

12.постоянный электрический ток

1. Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

Плотность тока — векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где j —плотность тока,  S — площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.

Электрическое сопротивление

Закон Ома для однородного участка цепи.

Закон Ома для полной цепи.

Короткое замыкание.

Во всех  последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова:

I₁= I₂=I

 

Сопротивление всего участка равно сумме сопротивлений всех отдельно взятых проводников:

R = R₁+ R₂

 

 

 

Падение напряжения на всем участке равно сумме паданий напряжений на всех отдельно взятых проводниках:

U= U₁ +U₂

 

Напряжения на последовательно соединенных проводниках пропорциональны их сопротивлениям.

При параллельном соединении 

Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов, текущих в каждом проводнике:

I = I₁+ I₂

 

Величина, обратная сопротивлению разветвленного участка,  равна сумме обратных величин обратных сопротивлениям каждого отдельно взятого проводника:

 

   

Падение напряжения во всех проводниках одинаково:

U= U₁ = U₂

 

 

Силы тока в проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям

1 правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю;

2 правило Кирхгофа: в любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма произведений сил токов и сопротивлений каждого из участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре.

1. Электрическое сопротивление металлов. Квантовая теория электропроводности металлов сводится к следующему:

а. В идеальной кристаллической решетке электроны проводимости при своем движении не должны испытывать сопротивления. Сопротивление возникает тогда, когда в решетке появляются дефекты структуры, то есть нарушается периодичность решетки.

б. В реальных кристаллах есть два механизма нарушения структуры: примесный и тепловой. Соответственно различают примесное удельное сопротивление r_n и тепловое (колебательное) r_Т. Согласно правилу аддитивности сопротивлений полное сопротивление металла r равно их сумме, r = r_n + r_Т. (13.1)

в. Примесное сопротивление r_n обусловлено наличием инородных атомов в решетке (атомов примеси). Если металл достаточно чистый и концентрация атомов примеси невелика, то примесное сопротивление практически не зависит от температуры и становиться заметным лишь вблизи абсолютного нуля. Благодаря примеси удельное сопротивление металла не должно обращаться в нуль даже при Т = 0 К.

г. Тепловое сопротивление r_Т возникает благодаря рассеянию электронов проводимости на флуктуациях плотности узлов кристаллической решетки, возникающих при тепловом колебательном движении узлов. В квантовой теории тепловое колебательное движение атомов решетки трактуется как система стоячих звуковых волн в кристалле — фононов. Поэтому говорят о рассеянии электронов проводимости на фононах.

14. Электродвижущая сила источников тока.

Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с. Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

При параллельном соединении источников тока общая электродвижущая сила останется такой же, как у каждого отдельного источника тока, входящего в соединение Е=Е₁=Е₂=Е₃=Е4_.

15. Законы Ома и Джоуля-Ленца

Ома Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

  

Выполняется для металлов и электролитов.

Закон Ома для полной цепи.

Ленса Количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого шел ток: 

16. Законы Кирхгофа для разветвленных цепей

Первый закон Кирхгофа относится к узлам электрической цепи. Согласно этому  закону: алгебраическая сумма токов в любом узле равна нулю.

∑ I = 0   (2.38)

На рисунке  I – I₁ – I₂ = 0  или  I = I₁ + I₂

 

Второй закон Кирхгофа характеризует равновесие в замкнутых контурах электрической цепи. Согласно этому закону в любом замкнутом электрическом контуре алгебраическая сумма  ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на резисторах, входящих в этот контур, иными словами, в любом замкнутом  электрическом контуре сумма всех падений напряжений равна сумме всех ЭДС в нём.

∑ Е = ∑ I·R   (2.40)

Удельное сопротивление металлов и сплавов таблица

Электрическое сопротивление 1 метра провода (в Ом), сечением 1 мм², при температуре 20 С°. Формула: ρ = Ом · мм²/м.

Материал проводника	Удельное сопротивление ρ в Ом
Серебро	0.015
Медь	0.0175
Золото	0.023
Латунь	0,025. 0,108
Хром	0,027
Алюминий	0.028
Натрий	0.047
Иридий	0.0474
Вольфрам	0.05
Цинк	0.054
Молибден	0.059
Никель	0.087
Бронза	0,095. 0,1
Железо	0.1
Сталь	0,103. 0,137
Олово	0.12
Свинец	0.22
Никелин (сплав меди, никеля и цинка)	0.42
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)	0,43. 0,51
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)	0,44-0,52
Копель ( медно-никелевый сплав с 43% никеля и 0,5% марганца)	0.5
Титан	0.6
Ртуть	0.94
Хромель (хром 8,7—10 %; никель 89—91 %; кремний, медь, марганец, кобальт — примеси)	1.01
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)	1,05. 1,4
Фехраль	1,15. 1,35
Висмут	1.2
Хромаль (Сплав 4.5 – 6% алюминия, 17%-30% хрома, остальное железо)	1,3. 1,5

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

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

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

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

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных 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, оно численно равно полному сопротивлению изотропного проводника, имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 .

Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от состава и температуры. При повышении температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Поэтому, с ростом температуры сопротивление стали увеличивается.

Изменение состава стали и процента содержания в ней легирующих добавок значительно сказывается на величине электросопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали в несколько раз лучше проводят электрический ток, чем высоколегированные и жаропрочные, которые имеют высокое содержание никеля и хрома.

Углеродистые стали

Углеродистые стали при комнатной температуре, как уже было сказано, имеют низкое удельное электросопротивление за счет высокого содержания железа. При 20°С значение их удельного сопротивления находится в диапазоне от 13·10 -8 (для стали 08КП) до 20·10 -8 Ом·м (для У12).

При нагревании до температур более 1000°С способность углеродистых сталей проводить электрический ток сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление углеродистых сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Температура, °С	Сталь 08КП	Сталь 08	Сталь 20	Сталь 40	Сталь У8	Сталь У12
	12	13,2	15,9	16	17	18,4
20	13	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

Низколегированные стали

Низколегированные стали способны чуть более сильно сопротивляться прохождению электричества, чем углеродистые. Их удельное электросопротивление составляет (20…43)·10 -8 Ом·м при комнатной температуре.

Следует отметить марки стали этого типа, которые наиболее плохо проводят электрический ток — это 18Х2Н4ВА и 50С2Г. Однако при высоких температурах, способность проводить электрический ток у сталей, приведенных в таблице, практически не различается.

Удельное электрическое сопротивление низколегированных сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
15ХФ	—	28,1	42,1	60,6	83,3	—	—	—
30Х	21	25,9	41,7	63,6	93,4	114,5	120,5	125,1
12ХН2	33	36	52	67	—	112	—	—
12ХН3	29,6	—	—	67	—	116	—	—
20ХН3	24	29	46	66	—	123	—	—
30ХН3	26,8	31,7	46,9	68,1	98,1	114,8	120,1	124,6
20ХН4Ф	36	41	56	72	102	118	—	—
18Х2Н4ВА	41	44	58	73	97	115	—	—
30Г2	20,8	25,9	42,1	64,5	94,6	114,3	120,2	125
12МХ	24,6	27,4	40,6	59,8	—	—	—	—
40Х3М	—	33,1	48,2	69,5	96,2	—	—	—
20Х3ФВМ	—	39,8	54,4	74,3	98,2	—	—	—
50С2Г	42,9	47	60,1	78,8	105,7	119,7	124,9	128,9
30Н3	27,1	32	47	67,9	99,2	114,9	120,4	124,8

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали имеют удельное электрическое сопротивление в несколько раз выше чем углеродистые и низколегированные. По данным таблицы видно, что при температуре 20°С его величина составляет (30…86)·10 -8 Ом·м.

При температуре 1300°С сопротивление высоко- и низко- легированных сталей становится почти одинаковым и не превышает 131·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление высоколегированных сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Г13	68,3	75,6	93,1	95,2	114,7	123,8	127	130,8
Г20Х12Ф	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—	—
Г21Х15Т	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—	—
Х13Н13К10	—	90	100,8	109,6	115,4	119,6	—	—
Х19Н10К47	—	90,5	98,6	105,2	110,8	—	—	—
Р18	41,9	47,2	62,7	81,5	103,7	117,3	123,6	128,1
ЭХ12	31	36	53	75	97	119	—	—
40Х10С2М (ЭИ107)	86	91	101	112	122	—	—	—

Хромистые нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали имеют высокую концентрацию атомов хрома, что увеличивает их удельное сопротивление — электропроводность такой нержавеющей стали не высока. При обычных температурах ее сопротивление составляет (50…60)·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромистых нержавеющих сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Х13	50,6	58,4	76,9	93,8	110,3	115	119	125,3
2Х13	58,8	65,3	80	95,2	110,2	—	—	—
3Х13	52,2	59,5	76,9	93,5	109,9	114,6	120,9	125
4Х13	59,1	64,6	78,8	94	108	—	—	—

Хромоникелевые аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали также являются нержавеющими, но за счет добавки никеля имеют удельное сопротивление почти в полтора раза выше, чем у хромистых — оно достигает величины (70…90)·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромоникелевых нержавеющих сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100
12Х18Н9	—	74,3	89,1	100,1	109,4	114	—
12Х18Н9Т	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—
17Х18Н9	72	73,5	92,5	103	111,5	118,5	—
Х18Н11Б	—	84,6	97,6	107,8	115	—	—
Х18Н9В	71	77,6	91,6	102,6	111,1	117,1	122
4Х14НВ2М (ЭИ69)	81,5	87,5	100	110	117,5	—	—
1Х14Н14В2М (ЭИ257)	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—
1х14Н18М3Т	—	89	100	107,5	115	—	—
36Х18Н25С2 (ЭЯ3С)	—	98,5	105,5	110	117,5	—	—
Х13Н25М2В2	—	103	112,1	118,1	121	—	—
Х7Н25 (ЭИ25)	—	—	109	115	121	127	—
Х2Н35 (ЭИ36)	87,5	92,5	103	110	116	120,5	—
Н28	84,2	89,1	99,6	107,7	114,2	118,4	122,5

Жаропрочные и жаростойкие стали

По своим электропроводящим свойствам жаропрочные и жаростойкие стали близки к хромоникелевым. Высокое содержание в этих сплавах хрома и никеля не позволяет им проводить электрический ток, подобно обычным углеродистым с высокой концентрацией железа.

Значительное удельное электросопротивление и высокая рабочая температура таких сталей делают возможным их применение в качестве рабочих элементов электрических нагревателей. В частности, сталь 20Х23Н18 по своему сопротивлению и жаростойкости в некоторых случаях способна заменить такой популярный сплав для нагревателей, как нихром Х20Н80.

Удельное сопротивление железа, алюминия и других проводников

Передача электроэнергии на дальние расстояния требует заботиться о минимизации потерь, происходящих от преодоления током сопротивления проводников, составляющих электрическую линию. Разумеется, это не значит, что подобные потери, происходящие уже конкретно в цепях и устройствах потребления, не играют роли.

Пожалуй, даже наоборот, но только в устройствах имеют значение не потери энергии как таковые, а другие эффекты, связанные с сопротивлением: нагревание проводников от активных сопротивлений, «размазывание» сигналов от паразитных реактивных сопротивлений. И их минимизация связана не с экономическим последствием потери энергии, а с правильной работой и работоспособностью электрических и электронных схем. Потому что в компактных устройствах большую роль играет защита от перегрева схем или отдельных высокоинтегрированных компонент, а не потеря энергии, которая в абсолютном выражении в общем-то невелика. И вообще, оплачивается потребителями.

Поэтому важно знать параметры всех используемых элементов и материалов. И не только электрические, но и механические. И иметь в распоряжении какие-то удобные справочные материалы, позволяющие сравнивать характеристики разных материалов и выбирать для проектирования и работы именно то, что будет оптимальным в конкретной ситуации.В линиях передачи энергии, где задачей ставится наиболее продуктивно, то есть с высоким КПД, довести энергию до потребителя, учитывается как экономика потерь, так и механика самих линий. От механики — то есть устройства и расположения проводников, изоляторов, опор, повышающих/понижающих трансформаторов, веса и прочности всех конструкций, включая провода, растянутые на больших расстояниях, а также от выбранных для выполнения каждого элемента конструкции материалов, зависит и конечная экономическая эффективность линии, ее работы и затрат на эксплуатацию. Кроме того, в линиях, передающих электроэнергию, более высоки требования на обеспечение безопасности как самих линий, так и всего окружающего, где они проходят. А это добавляет затрат как на обеспечение проводки электроэнергии, так и на дополнительный запас прочности всех конструкций.

Для сравнения данные обычно приводятся к единому, сопоставимому виду. Зачастую к таким характеристикам добавляется эпитет «удельный», а сами значения рассматриваются на неких унифицированных по физическим параметрам эталонах. Например, удельное электрическое сопротивление — это сопротивление (ом) проводника, выполненного из какого-то металла (меди, алюминия, стали, вольфрама, золота), имеющего единичную длину и единичное сечение в используемой системе единиц измерения (обычно в СИ). Кроме того, оговаривается температура, так как при нагревании сопротивление проводников может вести себя по-разному. За основу берутся нормальные средние условия эксплуатации — при 20 градусах Цельсия. А там, где важны свойства при изменении параметров среды (температуры, давления), вводятся коэффициенты и составляются дополнительные таблицы и графики зависимостей.

Виды удельного сопротивления

Так как сопротивление бывает:

• активное — или омическое, резистивное, — происходящее от затрат электроэнергии на нагревание проводника (металла) при прохождении в нем электрического тока, и
• реактивное — емкостное или индуктивное, — которое происходит от неизбежных потерь на создание всякими изменениями тока, проходящего через проводник электрических полей, то и удельное сопротивление проводника бывает двух разновидностей:

1. Удельное электрическое сопротивление постоянному току (имеющее резистивный характер) и
2. Удельное электрическое сопротивление переменному току (имеющее реактивный характер).

Здесь удельное сопротивление 2 типа является величиной комплексной, оно состоит из двух компонент ТП — активной и реактивной, так как резистивное сопротивление существует всегда при прохождении тока, независимо от его характера, а реактивное бывает только при любом изменении тока в цепях. В цепях постоянного тока реактивное сопротивление возникает только при переходных процессах, которые связаны с включением тока (изменение тока от 0 до номинала) или выключением (перепад от номинала до 0). И их учитывают обычно только при проектировании защиты от перегрузок.

В цепях же переменного тока явления, связанные с реактивными сопротивлениями, гораздо более многообразны. Они зависят не только от собственно прохождения тока через некоторое сечение, но и от формы проводника, причем зависимость не является линейной.

Дело в том, что переменный ток наводит электрическое поле как вокруг проводника, по которому протекает, так и в самом проводнике. И от этого поля возникают вихревые токи, которые дают эффект «выталкивания» собственно основного движения зарядов, из глубины всего сечения проводника на его поверхность, так называемый «скин-эффект» (от skin — кожа). Получается, вихревые токи как бы «воруют» у проводника его сечение. Ток течет в некотором слое, близком к поверхности, остальная толщина проводника остается неиспользуемой, она не уменьшает его сопротивление, и увеличивать толщину проводников просто нет смысла. Особенно на больших частотах. Поэтому для переменного тока измеряют сопротивления в таких сечениях проводников, где все его сечение можно считать приповерхностным. Такой провод называется тонким, его толщина равна удвоенной глубине этого поверхностного слоя, куда вихревые токи и вытесняют текущий в проводнике полезный основной ток.

Разумеется, уменьшением толщины круглых в сечении проводов не исчерпывается эффективное проведение переменного тока. Проводник можно утончить, но при этом сделать его плоским в виде ленты, тогда сечение будет выше, чем у круглого провода, соответственно, и сопротивление ниже. Кроме того, простое увеличение площади поверхности даст эффект увеличения эффективного сечения. Того же можно добиться, используя многожильный провод вместо одножильного, к тому же, многожилка по гибкости превосходит одножилку, что часто тоже бывает ценно. С другой стороны, принимая во внимание скин-эффект в проводах, можно сделать провода композитными, выполнив сердцевину из металла, обладающего хорошими прочностными характеристиками, например, стали, но невысокими электрическими. При этом поверх стали делается алюминиевая оплетка, имеющая меньшее удельное сопротивление.

Кроме скин-эффекта на протекание переменного тока в проводниках влияет возбуждение вихревых токов в окружающих проводниках. Такие токи называются токами наводки, и они наводятся как в металлах, не играющих роль проводки (несущие элементы конструкций), так и в проводах всего проводящего комплекса — играющих роль проводов других фаз, нулевых, заземляющих.

Все перечисленные явления встречаются во всех конструкциях, связанных с электричеством, это еще более усиливает важность иметь в своем распоряжении сводные справочные сведения по самым разным материалам.

Удельное сопротивление для проводников измеряется очень чувствительными и точными приборами, так как для проводки и выбираются металлы, имеющие самое низкое сопротивление —порядка ом *10-6 на метр длины и кв. мм. сечения. Для измерения же удельного сопротивления изоляции нужны приборы, наоборот, имеющие диапазоны очень больших значений сопротивления — обычно это мегомы. Понятно, что проводники обязаны хорошо проводить, а изоляторы хорошо изолировать.

Таблица

Железо как проводник в электротехнике

Железо — самый распространенный в природе и технике металл (после водорода, который металлом тоже является). Он и самый дешевый, и имеет прекрасные прочностные характеристики, поэтому применяется повсюду как основа прочности различных конструкций.

В электротехнике в качестве проводника железо используется в виде стальных гибких проводов там, где нужна физическая прочность и гибкость, а нужное сопротивление может быть достигнуто за счет соответствующего сечения.

Имея таблицу удельных сопротивлений различных металлов и сплавов, можно посчитать сечения проводов, выполненных из разных проводников.

В качестве примера попробуем найти электрически эквивалентное сечение проводников из разных материалов: проволоки медной, вольфрамовой, никелиновой и железной. За исходную возьмем проволоку алюминиевую сечением 2,5 мм.

Нам нужно, чтобы на длине в 1 м сопротивление провода из всех этих металлов равнялось сопротивлению исходной. Сопротивление алюминия на 1 м длины и 2,5 мм сечения будет равно

, где R – сопротивление, ρ – удельное сопротивление металла из таблицы, S – площадь сечения, L – длина.

Подставив исходные значения, получим сопротивление метрового куска провода алюминия в омах.

После этого разрешим формулу относительно S

, будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.

Так как удельное сопротивление в таблице измерено на проводе длиной в 1 м, в микроомах на 1 мм2 сечения, то у нас и получилось оно в микроомах. Чтобы получить его в омах, нужно умножить значение на 10-6. Но число ом с 6 нулями после запятой нам получать совсем не обязательно, так как конечный результат все равно находим в мм2.

1. Медь
2. Вольфрам
3. Никелин
4. Железо

Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.

Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.

Таблица удельного электрического сопротивления металлов и сплавов в электротехнике

Удельное сопротивление металлов.

Металл ρ, Ом·мм²/м

Серебро	0,015..0,0162
Медь	0,01724..0,018
Золото	0,023
Алюминий	0,0262..0,0295
Иридий	0,0474
Молибден	0,054
Вольфрам	0,053..0,055
Цинк	0,059
Никель	0,087
Железо	0,098
Платина	0,107
Олово	0,12
Свинец	0,217..0,227
Титан	0,5562 — 0,7837
Висмут	1,2

Удельное сопротивление сплавов.

Сплав ρ, Ом·мм²/м

Сталь	0,103..0,137
Никелин	0,42
Константан	0,5
Манганин	0,43…0,51
Нихром	1,05…1,4
Фехраль	1,15…1,35
Хромаль	1,3…1,5
Латунь	0,025..0,108
Бронза	0,095..0,1

Значения даны при температуре t = 20° C. Сопротивления сплавов зависят от их точного состава.

comments powered by HyperComments

Удельное электрическое сопротивление | Мир сварки

Удельное электрическое сопротивление материалов

Удельное электрическое сопротивление (удельное сопротивление) — способность вещества препятствовать прохождению электрического тока.

Единица измерения (СИ) — Ом·м; также измеряется в Ом·см и Ом·мм2/м.

1 Ом·м = 1·106 Ом·мм2/м

Материал Температура, °С Удельное электрическоесопротивление, Ом·м

Металлы
Алюминий	20	0,028·10-6
Бериллий	20	0,036·10-6
Бронза фосфористая	20	0,08·10-6
Ванадий	20	0,196·10-6
Вольфрам	20	0,055·10-6
Гафний	20	0,322·10-6
Дюралюминий	20	0,034·10-6
Железо	20	0,097·10-6
Золото	20	0,024·10-6
Иридий	20	0,063·10-6
Кадмий	20	0,076·10-6
Калий	20	0,066·10-6
Кальций	20	0,046·10-6
Кобальт	20	0,097·10-6
Кремний	27	0,58·10-4
Латунь	20	0,075·10-6
Магний	20	0,045·10-6
Марганец	20	0,050·10-6
Медь	20	0,017·10-6
Магний	20	0,054·10-6
Молибден	20	0,057·10-6
Натрий	20	0,047·10-6
Никель	20	0,073·10-6
Ниобий	20	0,152·10-6
Олово	20	0,113·10-6
Палладий	20	0,107·10-6
Платина	20	0,110·10-6
Родий	20	0,047·10-6
Ртуть	20	0,958·10-6
Свинец	20	0,221·10-6
Серебро	20	0,016·10-6
Сталь	20	0,12·10-6
Тантал	20	0,146·10-6
Титан	20	0,54·10-6
Хром	20	0,131·10-6
Цинк	20	0,061·10-6
Цирконий	20	0,45·10-6
Чугун	20	0,65·10-6
Пластмассы
Гетинакс	20	109–1012
Капрон	20	1010–1011
Лавсан	20	1014–1016
Органическое стекло	20	1011–1013
Пенопласт	20	1011
Поливинилхлорид	20	1010–1012
Полистирол	20	1013–1015
Полиэтилен	20	1015
Стеклотекстолит	20	1011–1012
Текстолит	20	107–1010
Целлулоид	20	109
Эбонит	20	1012–1014
Резины
Резина	20	1011–1012
Жидкости
Масло трансформаторное	20	1010–1013
Газы
Воздух		1015–1018
Дерево
Древесина сухая	20	109–1010
Минералы
Кварц	230	109
Слюда	20	1011–1015
Различные материалы
Стекло	20	109–1013

ЛИТЕРАТУРА

• Альфа и омега. Краткий справочник / Таллин: Принтэст, 1991 – 448 с.
• Справочник по элементарной физике / Н.Н. Кошкин, М.Г. Ширкевич. М., Наука. 1976. 256 с.
• Справочник по сварке цветных металлов / С.М. Гуревич. Киев.: Наукова думка. 1990. 512 с.

Удельное сопротивление металлов, электролитов и веществ (Таблица)

Удельное сопротивление металлов и изоляторов

В справочной таблице даны значения удельного сопротивления р некоторых металлов и изоляторов при температуре 18—20° С, выраженные в ом·см. Величина р для металлов в сильной степени зависит от примесей, в таблице даны значения р для химически чистых металлов, для изоляторов даны приближенно. Металлы и изоляторы расположены в таблице в порядке возрастающих значений р.

Удельное электрическое сопротивление стали — таблицы при различных температурах

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных 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, оно численно равно полному сопротивлению изотропного проводника, имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м².

Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от состава и температуры. При повышении температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Поэтому, с ростом температуры сопротивление стали увеличивается.

Изменение состава стали и процента содержания в ней легирующих добавок значительно сказывается на величине электросопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали в несколько раз лучше проводят электрический ток, чем высоколегированные и жаропрочные, которые имеют высокое содержание никеля и хрома.

Углеродистые стали

Углеродистые стали при комнатной температуре, как уже было сказано, имеют низкое удельное электросопротивление за счет высокого содержания железа. При 20°С значение их удельного сопротивления находится в диапазоне от 13·10^-8 (для стали 08КП) до 20·10^-8 Ом·м (для У12).

При нагревании до температур более 1000°С способность углеродистых сталей проводить электрический ток сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10^-8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление углеродистых сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Температура, °С	Сталь 08КП	Сталь 08	Сталь 20	Сталь 40	Сталь У8	Сталь У12
0	12	13,2	15,9	16	17	18,4
20	13	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

Низколегированные стали

Низколегированные стали способны чуть более сильно сопротивляться прохождению электричества, чем углеродистые. Их удельное электросопротивление составляет (20…43)·10^-8 Ом·м при комнатной температуре.

Следует отметить марки стали этого типа, которые наиболее плохо проводят электрический ток — это 18Х2Н4ВА и 50С2Г. Однако при высоких температурах, способность проводить электрический ток у сталей, приведенных в таблице, практически не различается.

Удельное электрическое сопротивление низколегированных сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
15ХФ	—	28,1	42,1	60,6	83,3	—	—	—
30Х	21	25,9	41,7	63,6	93,4	114,5	120,5	125,1
12ХН2	33	36	52	67	—	112	—	—
12ХН3	29,6	—	—	67	—	116	—	—
20ХН3	24	29	46	66	—	123	—	—
30ХН3	26,8	31,7	46,9	68,1	98,1	114,8	120,1	124,6
20ХН4Ф	36	41	56	72	102	118	—	—
18Х2Н4ВА	41	44	58	73	97	115	—	—
30Г2	20,8	25,9	42,1	64,5	94,6	114,3	120,2	125
12МХ	24,6	27,4	40,6	59,8	—	—	—	—
40Х3М	—	33,1	48,2	69,5	96,2	—	—	—
20Х3ФВМ	—	39,8	54,4	74,3	98,2	—	—	—
50С2Г	42,9	47	60,1	78,8	105,7	119,7	124,9	128,9
30Н3	27,1	32	47	67,9	99,2	114,9	120,4	124,8

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали имеют удельное электрическое сопротивление в несколько раз выше чем углеродистые и низколегированные. По данным таблицы видно, что при температуре 20°С его величина составляет (30…86)·10^-8 Ом·м.

При температуре 1300°С сопротивление высоко- и низко- легированных сталей становится почти одинаковым и не превышает 131·10^-8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление высоколегированных сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Г13	68,3	75,6	93,1	95,2	114,7	123,8	127	130,8
Г20Х12Ф	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—	—
Г21Х15Т	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—	—
Х13Н13К10	—	90	100,8	109,6	115,4	119,6	—	—
Х19Н10К47	—	90,5	98,6	105,2	110,8	—	—	—
Р18	41,9	47,2	62,7	81,5	103,7	117,3	123,6	128,1
ЭХ12	31	36	53	75	97	119	—	—
40Х10С2М (ЭИ107)	86	91	101	112	122	—	—	—

Хромистые нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали имеют высокую концентрацию атомов хрома, что увеличивает их удельное сопротивление — электропроводность такой нержавеющей стали не высока. При обычных температурах ее сопротивление составляет (50…60)·10^-8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромистых нержавеющих сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Х13	50,6	58,4	76,9	93,8	110,3	115	119	125,3
2Х13	58,8	65,3	80	95,2	110,2	—	—	—
3Х13	52,2	59,5	76,9	93,5	109,9	114,6	120,9	125
4Х13	59,1	64,6	78,8	94	108	—	—	—

Хромоникелевые аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали также являются нержавеющими, но за счет добавки никеля имеют удельное сопротивление почти в полтора раза выше, чем у хромистых — оно достигает величины (70…90)·10^-8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромоникелевых нержавеющих сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100
12Х18Н9	—	74,3	89,1	100,1	109,4	114	—
12Х18Н9Т	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—
17Х18Н9	72	73,5	92,5	103	111,5	118,5	—
Х18Н11Б	—	84,6	97,6	107,8	115	—	—
Х18Н9В	71	77,6	91,6	102,6	111,1	117,1	122
4Х14НВ2М (ЭИ69)	81,5	87,5	100	110	117,5	—	—
1Х14Н14В2М (ЭИ257)	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—
1х14Н18М3Т	—	89	100	107,5	115	—	—
36Х18Н25С2 (ЭЯ3С)	—	98,5	105,5	110	117,5	—	—
Х13Н25М2В2	—	103	112,1	118,1	121	—	—
Х7Н25 (ЭИ25)	—	—	109	115	121	127	—
Х2Н35 (ЭИ36)	87,5	92,5	103	110	116	120,5	—
Н28	84,2	89,1	99,6	107,7	114,2	118,4	122,5

Жаропрочные и жаростойкие стали

По своим электропроводящим свойствам жаропрочные и жаростойкие стали близки к хромоникелевым. Высокое содержание в этих сплавах хрома и никеля не позволяет им проводить электрический ток, подобно обычным углеродистым с высокой концентрацией железа.

Значительное удельное электросопротивление и высокая рабочая температура таких сталей делают возможным их применение в качестве рабочих элементов электрических нагревателей. В частности, сталь 20Х23Н18 по своему сопротивлению и жаростойкости в некоторых случаях способна заменить такой популярный сплав для нагревателей, как нихром Х20Н80.

Удельное электрическое сопротивление жаропрочных и жаростойких сталей ρ_э·10⁸, Ом·м

Температура, °С	15Х25Т (ЭИ439)	15Х28 (ЭИ349)	40Х9С2 (ЭСХ8)	Х25С3Н (ЭИ261)	20Х23Н18 (ЭИ 417)	Х20Н35
0	—	—	—	—	—	106
20	—	—	75	80	—	—
100	—	—	—	—	97	—
200	—	—	—	—	98	113
400	102	—	—	—	105	120
600	113	—	—	—	115	124
800	—	122	—	—	121	128
900	—	—	—	—	123	—
1000	—	127	—	—	—	132

Источники:

1. Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
2. Физические величины. Справочник. Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

Удельное сопротивление стали

Содержание:

1. Технические характеристики стали
2. Удельное сопротивление и другие показатели
3. Видео

Удельным сопротивлением металлов считается их способность к противодействию электрическому току, проходящему через них. Единицей измерения данной величины служит Ом*м (Ом-метр). В качестве символа используется греческая буква ρ (ро). Высокие показатели удельного сопротивления означают плохую проводимость электрического заряда тем или иным материалом.

Технические характеристики стали

Прежде чем подробно рассматривать удельное сопротивление стали, следует ознакомиться с ее основными физико-механическими свойствами. Благодаря своим качествам, этот материал получил широкое распространение в производственной сфере и других областях жизни и деятельности людей.

Сталь представляет собой сплав железа и углерода, содержащегося в количестве, не превышающем 1,7%. Кроме углерода, сталь содержит определенное количество примесей – кремния, марганца, серы и фосфора. По своим качествам она значительно лучше чугуна, легко поддается закаливанию, ковке, прокату и другим видам обработки. Все виды сталей отличаются высокой прочностью и пластичностью.

По своему назначению сталь подразделяется на конструкционную, инструментальную, а также с особыми физическими свойствами. В каждой из них содержится различное количество углерода, благодаря которому материал приобретает те или иные специфические качества, например, жаропрочность, жаростойкость, устойчивость к действию ржавчины и коррозии.

Особое место занимают электротехнические стали, выпускаемые в листовом формате и применяющиеся в производстве электротехнических изделий. Для получения этого материала производится легирование кремнием, способным улучшить его магнитные и электрические свойства.

Для того чтобы электротехническая сталь приобрела необходимые характеристики, необходимо соблюдение определенных требований и условий. Материал должен легко намагничиваться и перемагничиваться, то есть, обладать высокой магнитной проницаемостью. Такие стали имеют хорошую магнитную индукцию, а их перемагничивание осуществляется с минимальными потерями.

От соблюдения этих требований зависят габариты и масса магнитных сердечников и обмоток, а также коэффициент полезного действия трансформаторов и величина их рабочей температуры. На выполнение условий оказывают влияние многие факторы, в том числе и удельное сопротивление стали.

Удельное сопротивление и другие показатели

Величина удельного электрического сопротивления представляет собой отношение напряженности электрического поля в металле и плотности тока, протекающего в нем. Для практических расчетов используется формула: в которой ρ является удельным сопротивлением металла (Ом*м), Е – напряженностью электрического поля (В/м), а J – плотностью электротока в металле (А/м²). При очень большой напряженности электрического поля и низкой плотности тока, удельное сопротивление металла будет высоким.

Существует еще одна величина, называемая удельной электропроводностью, обратная удельному сопротивлению, указывающая на степень проводимости электрического тока тем или иным материалом. Она определяется по формуле и выражается в единицах См/м – сименс на метр.

Удельное сопротивление тесно связано с электрическим сопротивлением. Однако они имеют различия между собой. В первом случае – это свойство материала, в том числе и стали, а во втором случае определяется свойство всего объекта. На качество резистора влияет сочетание нескольких факторов, прежде всего, формы и удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен. Например, если для изготовления проволочного резистора использовалась тонкая и длинная проволока, то его сопротивление будет больше, чем у резистора, изготовленного из толстой и короткой проволоки одинакового металла. 

В качестве другого примера можно привести резисторы из проволоки с одинаковым диаметром и длиной. Однако, если в одном из них материал имеет высокое удельное сопротивление, а в другом низкое, то соответственно в первом резисторе электрическое сопротивление будет выше, чем во втором.

Зная основные свойства материала, можно использовать удельное сопротивление стали для определения величины сопротивления стального проводника. Для вычислений, кроме удельного электрического сопротивления потребуется диаметр и длина самого провода. Расчеты выполняются по следующей формуле: , в которой R является сопротивлением проводника (Ом), ρ – удельным сопротивлением стали (Ом*м), L – соответствует длине провода, А – площади его поперечного сечения.

Существует зависимость удельного сопротивления стали и других металлов от температуры. В большинстве расчетов используется комнатная температура – 20⁰С. Все изменения под влиянием этого фактора учитываются с помощью температурного коэффициента.

Предел прочности — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Преде́л про́чности — механическое напряжение σB{\displaystyle \sigma _{B}}, выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина, превышая которую механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Следует различать статический и динамический пределы прочности. Также различают пределы прочности на сжатие и растяжение.

Статический предел прочности[править | править код]

Статический предел прочности, также часто называемый просто пределом прочности есть пороговая величина постоянного механического напряжения, превышая который постоянное механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Согласно ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение», более корректным термином является временное сопротивление разрушению — напряжение, соответствующее наибольшему усилию, предшествующему разрыву образца при (статических) механических испытаниях. Термин происходит от представления, по которому материал может бесконечно долго выдержать любую статическую нагрузку, если она создаёт напряжения, меньшие статического предела прочности, то есть не превышающие временное сопротивление. При нагрузке, соответствующей временному сопротивлению (или даже превышающей её — в реальных и квазистатических испытаниях), материал разрушится (произойдет дробление испытываемого образца на несколько частей) спустя какой-то конечный промежуток времени (возможно, что и практически сразу, — то есть не дольше чем за 10 с).

Динамический предел прочности[править | править код]

Динамический предел прочности есть пороговая величина переменного механического напряжения (например при ударном воздействии), превышая которую переменное механическое напряжение разрушит тело из конкретного материала. В случае динамического воздействия на это тело время его нагружения часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения. В такой ситуации соответствующая характеристика называется также условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности.

Предел прочности на сжатие[править | править код]

Предел прочности на сжатие есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) сожмет тело из конкретного материала — тело разрушится или неприемлемо деформируется.

Предел прочности на растяжение[править | править код]

Предел прочности на растяжение есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) разорвет тело из конкретного материала. (На практике, для детали какой либо конструкции достаточно и неприемлемого истончения детали.)

Мерами прочности также могут быть предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости, предел прочности на сдвиг и др. так как для выхода конкретной детали из строя (приведения детали в негодное к использованию состояние) часто достаточно и чрезмерно большого изменения размеров детали. При этом деталь может и не разрушиться, а лишь только деформироваться. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином «предел прочности».

Прочностные особенности некоторых материалов[править | править код]

Значения предельных напряжений (пределов прочности) на растяжение и на сжатие у многих материалов обычно различаются.

У композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие. Для керамики (и других хрупких материалов) — наоборот, характерно многократное превышение пределом прочности на сжатие предела прочности на растяжение. Для металлов, металлических сплавов, многих пластиков, как правило, характерно равенство предела прочности на сжатие и предела прочности на растяжение. В большей степени это связано не с физикой материалов, а с особенностями нагружения, схемами напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.

Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами, составляющими тело. При увеличении расстояния между атомами они начинают притягиваться, причем на критическом расстоянии сила притяжения по абсолютной величине максимальна. Напряжение, отвечающее этой силе, называется теоретической прочностью на растяжение и составляет σ_теор ≈ 0,1E, где E — модуль Юнга . Однако на практике наблюдается разрушение материалов значительно раньше, это объясняется неоднородностями структуры тела, из-за которых нагрузка распределяется неравномерно.

Некоторые значения прочности на растяжение σ0{\displaystyle \sigma _{0}} в МПа (1 кгс/мм² = 100 кгс/см² ≈ 10 МН/м² = 10 МПа) (1 МПа = 1 Н/мм² ≈ 10 кгс/см²)^[1]:

Материалы	σ0{\displaystyle \sigma _{0}}, МПа	σ0/E{\displaystyle \sigma _{0}/E}
Бор	5700	0,083
Графит (нитевидный кристалл)	2401	0,024
Сапфир (нитевидный кристалл)	1500	0,028
Железо (нитевидный кристалл)	1300	0,044
Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали	420	0,02
Тянутая проволока из вольфрама	380	0,009
Стекловолокно	360	0,035
Мягкая сталь	60	0,003
Нейлон	50	0,0025

1. ↑ Диапазон пределов прочности для стали составляет 500—3000 МПа (Б. Н. Арзамасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др. Конструкционные материалы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.).