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:
- Удельное электрическое сопротивление постоянному току (имеющее резистивный характер) и
- 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.
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.После этого разрешим формулу относительно S
, будем подставлять значения из таблицы и получать площади сечений для разных металлов.Итак,
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.
- Медь
- Вольфрам
- Никелин
- Железо
Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.
Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.
Похожие статьи: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 электрическое сопротивление, 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 | 0 | 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 железа ом м. Опыты Георга Ома. Зависимость удельного сопротивления от деформаций
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.
Электрическое сопротивление
Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r , называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.
На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рисунке 1, а .
Переменное электрическое сопротивление, служащее для изменения тока в цепи, называется реостатом . На схемах реостаты обозначаются как показано на рисунке 1, б . В общем виде реостат изготовляется из проволоки того или иного сопротивления, намотанной на изолирующем основании. Ползунок или рычаг реостата ставится в определенное положение, в результате чего в цепь вводится нужное сопротивление.
Длинный проводник малого поперечного сечения создает току большое сопротивление. Короткие проводники большого поперечного сечения оказывают току малое сопротивление.
Если взять два проводника из разного материала, но одинаковой длины и сечения, то проводники будут проводить ток по-разному. Это показывает, что сопротивление проводника зависит от материала самого проводника.
Температура проводника также оказывает влияние на его сопротивление. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, констаитан, никелин и другие) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют.
Итак, мы видим, что электрическое сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.
За единицу сопротивления принят один Ом. Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому вместо того чтобы писать «Сопротивление проводника равно 15 Ом», можно написать просто: r = 15 Ω.
1 000 Ом называется 1 килоом (1кОм, или 1кΩ),
1 000 000 Ом называется 1 мегаом (1мгОм, или 1МΩ).
При сравнении сопротивления проводников из различных материалов необходимо брать для каждого образца определенную длину и сечение. Тогда мы сможем судить о том, какой материал лучше или хуже проводит электрический ток.
Видео 1. Сопротивление проводников
Удельное электрическое сопротивление
Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм² называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ (ро).
В таблице 1 даны удельные сопротивления некоторых проводников.
Таблица 1
Удельные сопротивления различных проводников
Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм². Серебро – лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм² обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.
Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.
Сопротивление проводника можно определить по формуле:
где r – сопротивление проводника в омах; ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника в м; S – сечение проводника в мм
| | Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru: главная страница / / Техническая информация / / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины / / Электрическое сопротивление и проводимость проводников, растворов, почв…. / / Удельное электрическое сопротивление обычных электроизоляционных материалов при 20 ° C. Ом*м. Таблица. Поделиться:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||