Удельное сопротивление для распространенных материалов: таблица. Удельное сопротивлене меди и ее влияние на свойства металла
Что означают показатели удельного сопротивления?
Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.
Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.
Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2
[1]
Характеристики сплавов
Зависеть электропроводность металлов может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.
Читайте также: Как починить радиатор автомобиля своими руками
Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.
Электропроводность медных сплавов
| Сплав | Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая) | Электропроводность (%) |
| Чистая медь | О | 101 |
| Т | 98 | |
| Оловянная бронза (0.75 %) | О | 55-60 |
| Т | 50-55 | |
| Кадмиевая бронза (0.9 %) | О | 95 |
| Т | 83-90 | |
| Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn) | О | 15-18 |
| Т | 15-18 | |
| Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ) | О | 10-15 |
| Т | 10-15 |
Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.
Значения температурного коэффициента для некоторых металлов
Из формулы температурного коэффициента сопротивления определим rt:
Читайте также: Преимущества и недостатки посуды из алюминия: правила использования
Пример 6. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.
Пример 7. Термометр сопротивления, изготовленный из платиновой проволоки, в помещении с температурой 15°C имел сопротивление 20 Ом. Термометр поместили в печь и через некоторое время было измерено его сопротивление. Оно оказалось равным 29,6 Ом. Определить температуру в печи.
Проектирование СКС – основные требования
Правильным ответом на такой вопрос было бы процитировать от начала и до конца все тексты телекоммуникационных стандартов :), поскольку все они либо прямо, либо косвенно имеют отношение к проектированию СКС. На основе этих стандартов написаны учебные руководства производителей СКС по проектированию и монтажу их фирменных систем. Различных требований и правил очень много, такие курсы обучения занимают несколько полных дней. На узко сформулированные вопросы мы можем привести в качестве ответа цитату из стандарта, но ваш вопрос слишком широк. Единственное, чем мы можем вам помочь – перечислить основные тематические разделы самых популярных стандартов, чтобы вы могли ориентироваться в том, какой стандарт вам надо найти и прочесть.
TIA/EIA-568-B.1 Commercial Building Telecommunications Cabling Standard, Part 1: General Requirements Стандарт телекоммуникационных кабельных систем коммерческих зданий. Часть 1: Общие требования
- Горизонтальная подсистема
- Магистральная подсистема
- Рабочее место
- Телекоммуникационные
- Аппаратные
- Городские вводы
- Требования к монтажу
- Требования к характеристикам передачи и тестированию
TIA/EIA-568-B.2 Commercial Building Telecommunications Cabling Standard, Part 2: Balanced Twisted-Pair Cabling Components Стандарт телекоммуникационных кабельных систем коммерческих зданий. Часть 2: Компоненты кабельных систем на основе сбалансированной витой пары
- Кабели сбалансированная витая пара 100 Ом
- Коммутационное оборудование для сбалансированной витой пары 100 Ом
- Патч-шнуры и кроссировочные перемычки
В приложениях к этому стандарту приводится важная информация о параметрах и методике тестирования характеристик медных кабельных систем, требования к измерительному оборудованию и т.п.
TIA/EIA-568-B.3 Optical Fiber Cabling Components Standard Компоненты волоконно-оптических кабельных систем
- Волоконно-оптические кабели
- Коммутационное оборудование
- Патч-шнуры
- Полевые тестеры
TIA/EIA-569 Commercial Building Standard for Telecommunications Pathways and Spaces Стандарт на телекоммуникационные трассы и пространства коммерческих зданий
- Горизонтальные трассы и связанные с ними пространства
- Магистральные трассы внутри здания и связанные с ними пространства
- Рабочее место
- Телекоммуникационный шкаф
- Аппаратная
- Городской ввод
В одном из приложений приводятся также требования к магистральным трассам между зданиями и связанным с ними пространствам.
Применение меди в электрических и электронных системах
Для того чтобы понять, причину популярности меди как материала для изготовления элементов электрических и электронных систем, достаточно посмотреть в таблице значение ее удельного сопротивления. У меди данный параметр равен 0,0175 Ом*мм2/метр. В этом отношении медь уступает только серебру.
Именно низкое удельное сопротивление, измеряемое при температуре 20 градусов Цельсия, является основной причиной того, что без меди сегодня не обходится практически ни одно электронное и электротехническое устройство. Медь – это основной материал для производства проводов и кабелей, печатных плат, электродвигателей и деталей силовых трансформаторов.
Низкое удельное сопротивление, которым характеризуется медь, позволяет использовать ее для изготовления электротехнических устройств, отличающихся высокими энергосберегающими свойствами. Кроме того, температура проводников из меди повышается очень незначительно при прохождении через них электрического тока.
Зависимость сопротивления меди от температуры
Сравнение проводимости меди и алюминия
Первый вывод можно сделать после изучения табличных данных. Сопротивление алюминия примерно на 80% выше, по сравнению с медью. В такой же пропорции хуже проводимость. Но для корректного анализа необходимо изучить дополнительно следующие факты:
- алюминий легче, но для получения аналогичных электрических параметров понадобится увеличить поперечное сечение (толщину проводника);
- медные изделия (многожильные кабели) не повреждаются неоднократным сгибанием;
- удельное сопротивление алюминия изменяется больше при повышении/ снижении температуры;
- пленка из окислов на его поверхности образуется быстрее, поэтому для надежности (долговечности) современную проводку делают из меди.
Медный и алюминиевый кабель соединяют через стальной переходник, чтобы предотвратить электрохимическую коррозию
Выбор сечения кабеля
Сопротивление медного провода
Поскольку у провода есть сопротивление, при прохождении по нему электрического тока выделяется тепло, и происходит падение напряжения. Оба этих фактора необходимо учитывать при выборе сечения кабелей.
Выбор по допустимому нагреву
При протекании тока в проводе выделяется энергия. Её количество можно рассчитать по формуле электрической мощности:
P=I²*R.
В медном проводе сечением 2,5мм² и длиной 10 метров R=10*0.0074=0.074Ом. При токе 30А Р=30²*0,074=66Вт.
Эта мощность нагревает токопроводящую жилу и сам кабель. Температура, до которой он нагревается, зависит от условий прокладки, числа жил в кабеле и других факторов, а допустимая температура – от материала изоляции. Медь обладает большей проводимостью, поэтому меньше выделяемая мощность и необходимое сечение. Определяется оно по специальным таблицам или при помощи онлайн-калькулятора.
Таблица выбора сечения провода по допустимому нагреву
Допустимые потери напряжения
Кроме нагрева, при прохождении электрического тока по проводам происходит уменьшение напряжения возле нагрузки. Эту величину можно рассчитать по закону Ома:
U=I*R.
Справка. По нормам ПУЭ оно должно составлять не более 5% или в сети 220В – не больше 11В.
Поэтому, чем длиннее кабель, тем больше должно быть его сечение. Определить его можно по таблицам или при помощи онлайн-калькулятора. В отличие от выбора сечения по допустимому нагреву, потери напряжения не зависят от условий прокладки и материала изоляции.
В сети 220В напряжение подаётся по двум проводам: фазному и нулевому, поэтому расчёт производится по двойной длине кабеля. В кабеле из предыдущего примера оно составит U=I*R=30A*2*0.074Ом=4,44В. Это немного, но при длине 25 метров получается 11,1В – предельно допустимая величина, придётся увеличивать сечение.
Максимально допустимая длина кабеля данного сечения
Применение медных проводников
Медь является не только хорошим проводником электрического тока, но и очень пластичным материалом. Благодаря этому свойству медная проводка лучше укладывается, она устойчива к изгибам и растяжению.
Медь очень востребована на рынке. Из этого материала производят множество различных изделий:
- Огромное многообразие проводников;
- Автозапчасти (например, радиаторы);
- Часовые механизмы;
- Компьютерные составляющие;
- Детали электрических и электронных приборов.
Удельное электрическое сопротивление меди является одним из лучших среди проводящих ток материалов, поэтому на ее основе создается множество товаров электроиндустрии. К тому же медь легко поддается пайке, поэтому очень распространена в радиолюбительстве.
Высокая теплопроводность меди позволяет использовать ее в охлаждающих и обогревающих устройствах, а пластичность дает возможность создавать мельчайшие детали и тончайшие проводники.
Тест по теме
- /5Вопрос 1 из 5
Какой из металлов имеет наименьшее удельное сопротивление:?
- Медь
- Золото
- Серебро
- Платина
Начать тест Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Наталия Шишкина5/5
Достоинства и недостатки медных проводов
Медь — это пластичный переходный металл. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Используется человеком с давних времен — в его честь была названа целая эпоха.
В таблице дано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов
Сегодня медные провода часто используют в электронных устройствах. К их достоинствам относятся:
- Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медь эффективнее в 1,7 раза: при равном сечении медный кабель пропускает больше тока.
- Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
- Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно сворачивать и сгибать без особого вреда.
Медь лишь немного уступает серебру
Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за нескольких недостатков:
- Высокая плотность: при разных размерах медный провод будет весить больше, чем алюминиевый;
- Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
- Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, это не влияет на ее работу и легко устраняется.
Параметры, определяющие сопротивление проводника
На предыдущих уроках мы уже поднимали вопрос о том, каким образом электрическое сопротивление влияет на силу тока в цепи, но не обсуждали, от каких же конкретно факторов зависит сопротивление проводника. На сегодняшнем уроке мы узнаем о параметрах проводника, которые определяют его сопротивление, и узнаем, каким образом Георг Ом в своих экспериментах исследовал сопротивление проводников.
Для получения зависимости силы тока в цепи от сопротивления Ому пришлось провести огромное количество экспериментов, в которых необходимо было изменять сопротивление проводника. В связи с этим он столкнулся с проблемой изучения сопротивления проводника в зависимости от его отдельно взятых параметров. В первую очередь, Георг Ом обратил внимание на зависимость сопротивления проводника от его длины, о которой уже вскользь шла речь на предыдущих уроках. Он сделал вывод, что при увеличении длины проводника прямо пропорционально увеличивается и его сопротивление. Кроме того, было выяснено, что на сопротивление влияет еще и сечение проводника, т. е. площадь фигуры, которая получается при поперечном разрезе. При этом, чем площадь сечения больше, тем сопротивление меньше. Из этого можно сделать вывод, что чем провод толще, тем его сопротивление меньше. Все эти факты были получены опытным путем.
Кроме геометрических параметров на сопротивление проводника влияет еще и величина, описывающая род вещества, из которого состоит проводник. В своих опытах Ом использовал проводники, изготовленные из различных материалов. При использовании медных проводов сопротивление было каким-то одним, серебряных – другим, железных – третьим и т. д. Величину, которая характеризует род вещества в таком случае, называют удельным сопротивлением.
Таким образом, можно получить следующие зависимости для сопротивления проводника (рис. 1):
1. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника , которую в СИ измеряют в м;
2. Сопротивление обратно пропорционально площади сечения проводника , которую мы будем измерять в мм2 из-за малости;
3. Сопротивление зависит от удельного сопротивления вещества (читается «ро»), которое является табличной величиной и измеряется обыкновенно в .
Рис. 1. Проводник
Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников
В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.
Показатели удельного сопротивления приведены для таких “популярных” материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.
| Латунь | ~0.6 – 0.9 x 10-7 | |
| Серебро | 1.59×10−8 | [3][4] |
| Медь | 1.68×10−8 | [5][6] |
| Обожжённая медь | 1.72×10−8 | [7] |
| Золото | 2.44×10−8 | [3] |
| Алюминий | 2.65×10−8 | [3] |
| Кальций | 3.36×10−8 | |
| Вольфрам | 5.60×10−8 | [3] |
| Цинк | 5.90×10−8 | |
| Кобальт | 6.24×10−8 | |
| Никель | 6.99×10−8 | |
| Рутений | 7.10×10−8 | |
| Литий | 9.28×10−8 | |
| Железо | 9.70×10−8 | [3] |
| Платина | 1.06×10−7 | [3] |
| Олово | 1.09×10−7 | |
| Тантал | 1.3×10−7 | |
| Галлий | 1.40×10−7 | |
| Ниобий | 1.40×10−7 | [8] |
| Углеродистая сталь (1010) | 1.43×10−7 | [9] |
| Свинец | 2.20×10−7 | [2][3] |
| Галинстан | 2.89×10−7 | [10] |
| Титан | 4.20×10−7 | |
| Электротехническая сталь | 4.60×10−7 | [11] |
| Манганин (сплав) | 4.82×10−7 | [2] |
| Константан (сплав) | 4.90×10−7 | [2] |
| Нержавеющая сталь | 6.90×10−7 | |
| Ртуть | 9.80×10−7 | [2] |
| Марганец | 1.44×10−6 | |
| Нихром (сплав) | 1.10×10−6 | [2][3] |
| Углерод (аморфный) | 5×10−4 – 8×10−4 | [3] |
| Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость | 2.5×10−6 – 5.0×10−6 | |
| Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость | 3×10−3 | |
| Арсенид галлия | 10−3 to 108 | |
| Германий | 4.6×10−1 | [3][4] |
| Морская вода | 2.1×10−1 | |
| Вода в плавательном бассейне | 3.3×10−1 – 4.0×10−1 | |
| Питьевая вода | 2×101 – 2×103 | |
| Кремний | 2.3×103 | [2][3] |
| Древесина (влажная) | 103 – 104 | |
| Деионизированная вода | 1.8×105 | |
| Стекло | 1011 – 1015 | [3][4] |
| Углерод (алмаз) | 1012 | |
| Твердая резина | 1013 | [3] |
| Воздух | 109 – 1015 | |
| Древесина (сухая) | 1014 – 1016 | |
| Сера | 1015 | [3] |
| Плавленый кварц | 7.5×1017 | [3] |
| ПЭТ | 1021 | |
| Тефлон | 1023 – 1025 |
Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.
Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.
Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.
Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.
Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.
Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах – никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.
Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.
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 мм 2 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 мм 2 .
Как видим, сопротивление железа достаточно большое, проволока получается толстая.
Но существуют материалы, у которых оно еще больше, например, никелин или константан.
Про закон Ома многие слышали, но не все знают, что это такое. Изучение начинается со школьного курса физики. Более подробно проходят на физфаке и электродинамике. Рядовому обывателю эти знания маловероятно пригодятся, но они необходимы для общего развития, а кому-то для будущей профессии. С другой стороны, элементарные знания об электричестве, его устройстве, особенностей в домашних условиях помогут предостеречь себя от беды. Недаром закон Ома называют основным законом электричества. Домашнему мастеру нужно обладать знаниями в области электричества, чтобы не допустить перенапряжения, что может повлечь увеличению нагрузки и возникновению пожара.
Влияние примесей на электропроводность меди
Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.
Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.
Как правильно рассчитать сопротивление провода по сечению
Проектируя электрическую сеть, необходимо правильно подобрать сечение кабеля, чтобы его резистентность не была высокой. Большой импеданс вызовет падение напряжения выше допустимого значения. В результате подключенное к сети электрическое устройство может не заработать. Также, провода начнут перегреваться.
Для правильного расчета минимального сечения необходимо учесть следующие факторы:
- По стандартам ПУЭ падение напряжения не должно быть больше 5%.
- В бытовых условиях ток проходит по двум проводам. Поэтому, при расчете величину сопротивления нужно умножить на 2.
- Учитывать нужно мощность всех подключенных приборов на линии. Для развития предусмотреть запас по нагрузке.
Как вычислить сопротивление проводника по формуле? Для примера можно рассмотреть задачу. Требуется определить: достаточно ли будет медного кабеля сечением 2,5 мм2 и длиной 30 метров для подключения оборудования мощностью 9 кВт.
Формулы электрической цепи
Задача решается следующим образом:
- Резистентность медного кабеля будет равна:
2 ∙ (ρ ∙ L) / S = 2 ∙ (0,0175 ∙ 30) / 2,5 = 0,42 Ом.
- Для нахождения падения напряжения нужно определить силу тока, по формуле: I= P/U.
Вам это будет интересно Особенности расчета конденсатора
Здесь P — суммарная мощность оборудования, U — напряжение в цепи. Тогда сила тока будет равна: I = 9000 / 220 = 40,91 А.
- Используя закон Ома, можно найти падение напряжения по кабелю: ΔU = I ∙ R = 40, 91 ∙ 0,42 = 17,18 В.
- От 220 В процент падения составит: U% = (ΔU / U) ∙ 100% = (17,18 / 220) ∙ 100% = 7, 81%>5%.
Падение напряжение выходит за пределы допустимого значения, значит необходимо использовать кабель большего сечения.
Читайте также: Хотите купить внутришлифовальный станок 3А227 в Москве?
Удельное сопротивление чистых металлов при низких температурах
Удельное сопротивление
Колебательные процессы в молекулярной решетке препятствуют свободному перемещению электронов. Этим объясняется увеличение сопротивления по мере роста температуры. Линейная зависимость наблюдается от небольшой положительной температуры, вплоть до точки начала плавления. Соответствующий фазовый переход сопровождается резким увеличением электрического сопротивления. Разумеется, подобный режим после разрушения не является рабочим.
Удельное сопротивление натрия
Теоретические показатели «а» подтверждаются результатами эксперимента «б». Если структуру чистого металла исказить примесями (загрязнениями, компонентами сплавов), произойдет беспорядочное распределение носителей электрического заряда. Это, в свою очередь, увеличит потери в цепи (сопротивление).
Что влияет на величину удельного сопротивления?
Важно знать, что существует зависимость величины удельного сопротивления от химической чистоты металла. При содержании в меди даже незначительного количества алюминия (0,02%) величина этого ее параметра может значительно возрасти (до 10%).
Влияет на этот коэффициент и температура проводника. Объясняется это тем, что при повышении температуры усиливаются колебания атомов металла в узлах его кристаллической решетки, что и приводит к тому, что коэффициент удельного сопротивления возрастает.
Именно поэтому во всех справочных таблицах значение данного параметра приведено с учетом температуры 20 градусов.
Почему низкое удельное сопротивление – основная причина применения меди
С точки зрения физики, удельное сопротивление меди и других материалов показывает способность вещества препятствовать прохождению электрического тока, уровень потерь на единицу длины проводника. По сравнению с другими металлами, медь обладает низким удельным сопротивлением в 0,017, по данному показателю уступает только серебру. Благодаря подобным характеристикам медь является востребованным на рынке проводником:
- низкое удельное сопротивление гарантирует минимальный уровень потерь при прохождении электрического тока;
- внешние климатические нагрузки не оказывают значительного воздействия на технические характеристики металла;
- расчет сечения кабеля выполнить намного проще за счет минимальных потерь между входом и выходом;
- низкое сопротивление позволяет использовать для прокладки силовых, контрольных, специальных кабелей более тонкие проводники.
Стандартный медный провод поставляется в нескольких вариантах исполнения, отличается содержанием примесей, толщиной, характеристиками. При этом сопротивление меди может незначительно изменяться в зависимости от внешних условий.
Примеры электротехнической продукции с применением меди
Приведем примеры использования меди в электротехнических изделиях:
- Кабельные изделия различного назначения;
- Шины (медные полосы) контактных проводов, телеграфного и телефонного оборудования, электронных плат;
- Катушки и обмотки электродвигателей;
- Первичные и вторичные обмотки трансформаторов.
Рис. 2. Электрические двигатели с обмотками из меди.
Электрические параметры меди имеют сильную зависимость от количества примесей, которые оказываются центрами дефектов внутри кристаллической решетки и увеличивают удельное сопротивление. Например, присутствие 1% примеси марганца увеличивает удельное сопротивление в 3 раза. Поэтому перед массовым изготовлением продукции контролю чистоты исходной меди придается особое значение.
Рис. 3. Кабельная продукция и провода из меди.
Плюсы использования электролитической меди
Применение электролитической меди позволяет добиться следующего:
- Обеспечить высокую электропроводность;
- Добиться отличной способности к уложению;
- Обеспечить высокую степень пластичности.
Это интересно: Плотность латуни, ее цвет и другие свойства и характеристики
Удельное сопротивление различных материалов
Говорить об удельном сопротивлении можно только при наличии элементов, проводящих ток, так как диэлектрики обладают бесконечным или близким к нему электросопротивлением. В отличие от них, металлы — очень хорошие проводники тока. Измерить электросопротивление металлического проводника можно с помощью прибора миллиомметра, или еще более точного — микроомметра. Значение измеряется между их щупами, приложенными к участку проводника. Они позволяют проверить цепи, проводку, обмотки двигателей и генераторов.
Металлы разнятся между собой по способности проводить ток. Удельное сопротивление различных металлов — параметр, характеризующий это отличие. Данные приведены при температуре материала 20 градусов по шкале Цельсия:
- Серебро (ρ = 0,01498 Ом•мм2/м);
- Алюминий (ρ = 0,027);
Медь (ρ = 0,01721);- Ртуть (ρ = 0,94);
- Золото (ρ = 0,023);
- Железо (ρ = 0,1);
- Вольфрам (ρ = 0,0551);
- Латунь (ρ = 0,026…0,109);
- Бронза (ρ = 0,095);
- Сталь (ρ = 0,103…0,14);
- Сплав никеля, марганца, железа и хрома — нихром (ρ = 1,051…1,398).
Параметр ρ показывает, каким сопротивлением будет обладать метровый проводник с сечением 1 мм2. Чем больше это значение, тем больше электросопротивление будет у нужного провода определенной длины. Наименьшее ρ, как видно из списка, у серебра, сопротивление одного метра из этого материала будет равно всего 0,015 Ом, но это слишком дорогой металл для использования его в промышленных масштабах. Следующим идет медь, которая в природе встречается гораздо чаще (не драгоценный, а цветной металл). Поэтому медная проводка очень распространена.
Физические свойства
Таким образом, мы выяснили, какая электропроводность у меди. Показатель этот может меняться в зависимости от входящих в состав этого металла примесей. Однако востребованность меди в промышленности определяется и другими ее полезными физическими свойствами, получить информацию о которых можно из представленной ниже таблицы.
Физические характеристики Cu
| Параметр | Значение |
| Решетка | Гранецентрированная кубическая, а=3.6074 Å |
| Атомный радиус | 1,28 Å |
| Удельная теплоемкость | 385,48 дж/(кг·К) при +20 оС |
| Теплопроводность | 394,279 вт/(м·К) при +20 оС |
| Электрическое сопротивление | 1,68·10-8 Ом·м |
| Коэффициент линейного расширения | 17,0·10-6 |
| Твердость | 350 Мн/м2 |
| Предел прочности при растяжении | 220 Мн/м2 |
Инженерные коммуникации
Основными преимуществами медных водопроводов также являются долговечность и надежность. Кроме того, этот металл способен придавать воде особые уникальные свойства, делая ее полезной для организма. Для сборки газопроводов и систем отопления медные трубы также подходят идеально — в основном благодаря своей коррозийной стойкости и пластичности. При аварийном повышении давления такие магистрали способны выдерживать гораздо большую нагрузку, чем стальные. Единственным недостатком медных трубопроводов является их дороговизна.
Таблица удельного электрического сопротивления некоторых металлов
| Вид провода | ρ при 20℃, Ом-м |
| Серебряный | 1,59×10⁻⁸ |
| Медный | 1,67×10⁻⁸ |
| Золотой | 2,35×10⁻⁸ |
| Алюминиевый | 2,65×10⁻⁸ |
| Вольфрамовый | 5,65×10⁻⁸ |
| Никелевый | 6,84×10⁻⁸ |
| Железный | 9,7×10⁻⁸ |
| Платиновый | 1,06×10⁻⁷ |
| Стальной | 1,6×10⁻⁷ |
| Свинцовый | 2,06×10⁻⁷ |
| Дюралюминиевый | 4,0×10⁻⁷ |
| Нихромовый | 1,05×10⁻⁶ |
Удельное сопротивление абсолютно независимо от формы и размеров проводника, однако варьируется в широком диапазоне при отклонении температуры от принятого за стандартное значения, равного 20 градусам Цельсия. Практическим электротехническим путем доказано, что увеличение температуры повышает сопротивляемость металлов течению тока, с обратной стороны — вместе со снижением температуры она снижается. Примерно подсчитать, насколько существенным будет изменение, можно с учетом того, что всем металлам присущ почти одинаковый уровень прироста убыли данной величины, в среднем составляющий 0,4% на 1°С.
Вам это будет интересно Фен для паяния
График сопротивления
Если же данный показатель нужно определить точно, то можно воспользоваться этой формулой:
ρ = ρ0 x (1 + α x (t — t))
, где ρ и ρ0 — соответственно удельные сопротивления при температурах t и t (20°С, табличное значение), α — температурный коэффициент сопротивления.
| Вид провода | α |
| Никелевый | 0,005866 |
| Железный | 0,005671 |
| Молибденовый | 0,004579 |
| Вольфрамовый | 0,004403 |
| Алюминиевый | 0,004308 |
| Медный | 0,004041 |
| Серебряный | 0,003819 |
| Платиновый | 0,003729 |
| Золотой | 0,003715 |
| Цинковый | 0,003847 |
| Стальной | 0,003 |
| Нихромовый | 0,00017 |
Так, к примеру, найдя в таблицах удельное сопротивление меди при 20 градусах Цельсия и ее температурный коэффициент, можно вычислить, что при нагреве до 100℃ ее сопротивление вырастет на 32%. Практически то же самое будет происходить с удельным сопротивлением алюминиевого кабеля с тем же коэффициентом (0,004). А вот удельное сопротивление стали повысится менее значительно — на 24%.
Нагрев
С увеличением температуры проводник насыщается тепловой энергией, передающейся всем атомам вещества. Этим обуславливается повышение интенсивности их теплового движения. Последний фактор и приводит к повышению сопротивляемости движению свободных электронов в определенном направлении, поскольку возрастает вероятность встречи свободных электронов с атомами. Когда температура снижается, меньшее количество атомов может препятствовать направленному движению электронов, следовательно, происходит обратное. В результате колоссального спада температуры возникает интереснейшее явление, называемое «сверхпроводимостью металлов»: сопротивляемость уменьшается до нуля в условиях, близких к абсолютному нулю (-273,15℃). В таких кондициях атомы металла замирают на своих позициях, и электроны движутся без каких-либо препятствий.
Сверхпроводимость
Материалы высокой проводимости
К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий (Сверхпроводящие материалы, имеющие типичное сопротивление в 10 -20 раз ниже обычных проводящих материалов (металлов) рассматриваются в разделе Сверхпроводимость).
Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:
- малое удельное сопротивление;
- достаточно высокая механическая прочность;
- удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
- хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
- относительная легкость пайки и сварки.
Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.
В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.
Читать также: Размещение точечных светильников на потолке фото
Читайте также: Все что нужно знать о металлическом штакетнике для забора
Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.
В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.
Алюминий
Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного – 2.7 Мг/м 3 . Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.
Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного. Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь.
Для электротехнических целей используют алюминий, содержащий не более 0.5% примесей, марки А1. Еще более чистый алюминий марки АВ00 (не более 0.03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. Алюминий наивысшей чистоты АВ0000 имеет содержание примесей не более 0ю004%. Добавки Ni, Si, Zn или Fe при содержании их 0.5% снижают γ отожженного алюминия не более, чем на 2-3%. Более заметное действие оказывают примеси Cu, Ag и Mg, при том же массовом содержании снижающие γ алюминия на 5-10%. Очень сильно снижают электропроводность алюминия Ti и Mn.
Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет металл от дальнейшей коррозии.
Алюминиевые сплавы обладают повышенной механической прочностью. Примером такого сплава является альдрей, содержащий 0.3-0.5% Mg, 0.4-0.7% Si и 0.2-0.3% Fe. В альдрее образуется соединение Mg2Si, которое сообщает высокие механические свойства сплаву.
Железо и сталь
Железо (сталь) как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое сравнительно с медью и алюминием удельное сопротивление; ρ стали, т.е. железа с примесью углерода и других элементов, еще выше. Обычная сталь обладает малой стойкостью коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она быстро ржавеет; при повышении температуры скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком.
В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов применяют так называемый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно.
Чему равно удельное сопротивление?
Чтобы понимать, что собой представляет медь и его характеристики, необходимо разобраться с основным параметром этого металла — удельным сопротивлением. Его следует знать и использовать при выполнении расчетов.
Под удельным сопротивлением принято понимать физическую величину, которая характеризуется как способность металла проводить электрический ток.
Знать эту величину необходимо еще и для того, чтобы правильно произвести расчет электрического сопротивления проводника. При расчетах также ориентируются на его геометрические размеры. При проведении расчетов используют следующую формулу:
R = р l / S
Читайте также: Расход газа на сварку. Расчёт защитного газа
Это формула многим хорошо знакома. Пользуясь ею, можно легко рассчитать сопротивление медного кабеля, ориентируясь только на характеристики электрической сети. Она позволяет вычислить мощность, которая неэффективно расходуется на нагрев сердечника кабеля. Кроме этого, подобная формула позволяет выполнить расчеты сопротивления любого кабеля. При этом не имеет значения, какой материал использовался для изготовления кабеля — медь, алюминий или какой-то другой сплав.
Такой параметр, как удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*мм2/м. Этот показатель для медной проводки, проложенной в квартире, составляет 0,0175 Ом*мм2/м. Если попробовать поискать альтернативу меди — материал, который можно было бы использовать вместо нее, то
единственным подходящим можно считать только серебро, у которого удельное сопротивление составляет 0,016 Ом*мм2/м. Однако необходимо обращать внимание при выборе материала не только на удельное сопротивление, но еще и на обратную проводимость. Эта величина измеряется в Сименсах (См).
Сименс = 1/ Ом.
У меди любого веса этот параметр состав равен 58 100 000 См/м. Что касается серебра, то величина обратной проводимости у нее равна 62 500 000 См/м.
В нашем мире высоких технологий, когда в каждом доме имеется большое количество электротехнических устройств и установок, значение такого материала, как медь просто неоценимо. Этот материал используют для изготовления проводки, без которой не обходится ни одно помещение. Если бы меди не существовало, тогда человеку пришлось использовать провода из других доступных материалов, например, из алюминия. Однако в этом случае пришлось бы столкнуться с одной проблемой. Все дело в том, что у этого материала удельная проводимость гораздо меньше, чем у медных проводников.