Когато казват, че медта е по-тежък метал от алуминия, те сравняват тяхната плътност. По същия начин, когато се твърди, че медта е по-добър проводник от алуминия, се сравнява тяхното съпротивление (ρ), чиято стойност не зависи от размера или формата на дадена проба - само от самия материал.
Теоретична обосновка
Съпротивлението е мярка за съпротивление срещу електрическа проводимост за даден размер на материала. Неговата противоположност е електрическата проводимост. Металите са добри електрически проводници (висока проводимост и ниска стойност на ρ), докато неметалните обикновено са лоши проводници (ниска проводимост и висока стойност на ρ).
По-познатото термично електрическо съпротивление измерва колко трудно е материалът да провежда електричество. Зависи от размера на детайла: съпротивлението е по-високо за по-дълго или по-тясно парче материал. За премахване на ефектаразмер от съпротивление, използва се съпротивлението на проводника - това е свойство на материала, което не зависи от размера. За повечето материали съпротивлението се увеличава с температурата. Изключение правят полупроводниците (като силиций), в които намалява с температурата.
Лекотата, с която материалът провежда топлина, се измерва чрез топлопроводимост. Като първа оценка, добрите електрически проводници са и добри топлопроводници. Съпротивлението е представено със символа r, а неговата единица е омметър. Съпротивлението на чистата мед е 1,7×10 -8 ома. Това е много малко число - 0,000,000,017 Ohm, което показва, че кубичен метър мед практически няма съпротивление. Колкото по-ниско е съпротивлението (омметър или Ωm), толкова по-добре се използва материалът в окабеляването. Съпротивлението е другата страна на проводимостта.
Класификация на материалите
Стойността на съпротивлението на даден материал често се използва за класифицирането му като проводник, полупроводник или изолатор. Твърдите елементи се класифицират като изолатори, полупроводници или проводници по тяхното "статично съпротивление" в периодичната таблица на елементите. Съпротивлението в изолатор, полупроводник или проводим материал е основното свойство, което се счита за електрически приложения.
Таблицата показва някои данни за ρ, σ и температурен коефициент. За устойчивост на металисе увеличава с повишаване на температурата. Обратното е вярно за полупроводниците и много изолатори.
| Материал | ρ (Ωm) при 20°C | σ (S/m) при 20°C | Температурен коефициент (1/°C) x10 ^ -3 |
| Сребро | 1, 59 × 10 -8 | 6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| Мед | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| Злато | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| Алуминий | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Волфрам | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4.5 |
| цинк |
5, 90 × 10 -8 |
1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| никел | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| Литий | 9, 28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Iron | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Платина | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| Олово | 2, 2 × 10 -7 | 4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Константан | 4, 9 × 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0, 008 |
| Меркурий | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0,9 |
| Nichrome | 1,10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Въглерод (аморфен) | 5 × 10 -4 до 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Изчисляване на съпротивление
За всяка дадена температура можем да изчислим електрическото съпротивление на обект в ома, използвайки следната формула.
В тази формула:
- R - съпротивление на обекта, в ома;
- ρ - устойчивост (специфична) на материала, от който е направен обектът;
- L - дължина на обекта в метри;
- A-напречно сечениеразрез на обекта, в квадратни метри.
Съпротивлението е равно на определен брой омметри. Въпреки че SI единицата на ρ обикновено е омметър, понякога единицата е ом на сантиметър.
Съпротивлението на материала се определя от големината на електрическото поле през него, което дава определена плътност на тока.
ρ=E/J където:
- ρ - в омметър;
- E - величината на електрическото поле във волта на метър;
- J - стойност на плътността на тока в ампери на квадратен метър.
Как да определим съпротивлението? Много резистори и проводници имат еднакво напречно сечение с равномерен поток на електрически ток. Следователно има по-специфично, но по-широко използвано уравнение.
ρ=RА/ J, където:
- R - съпротивление на проба от хомогенен материал, измерено в ома;
- l - дължина на парче материал, измерена в метри, m;
- A - площ на напречното сечение на пробата, измерена в квадратни метри, m2.
Основи на съпротивлението на материалите
Електрическото съпротивление на материала е известно още като електрическо съпротивление. Това е мярка за това колко силно материалът се съпротивлява на потока на електрически ток. Може да се определи чрез разделяне на съпротивлението на единица дължина и на единица площ на напречното сечение за конкретен материал при дадена температура.
Това означава, че ниското ρ показва материал, който лесно позволявадвижат електрони. Обратно, материал с високо ρ ще има високо съпротивление и ще възпрепятства потока от електрони. Елементи като мед и алуминий са известни със своите ниски нива на ρ. По-специално среброто и златото имат много ниска стойност на ρ, но употребата им е ограничена по очевидни причини.
Резистивен регион
Материалите са поставени в различни категории в зависимост от тяхната ρ стойност. Обобщение е показано в таблицата по-долу.
Нивото на проводимост на полупроводниците зависи от нивото на допинг. Без допинг те изглеждат почти като изолатори, което е същото за електролитите. Нивото ρ на материалите варира значително.
| Категории на оборудване и тип материал | Зона на съпротивление на най-често срещаните материали в зависимост от ρ |
| Електролити | Променлива |
| Изолатори | ~ 10 ^ 16 |
| Метали | ~ 10 ^ -8 |
| Полупроводници | Променлива |
| Суперпроводници | 0 |
Температурен коефициент на съпротивление
В повечето случаи съпротивлението се увеличава с температурата. В резултат на това е необходимо да се разбере температурната зависимост на съпротивлението. Причината за температурния коефициент на съпротивление в проводника може да бъде оправданаинтуитивно. Устойчивостта на даден материал зависи от редица явления. Един от тях е броят на сблъсъците, които възникват между носители на заряд и атоми в материала. Съпротивлението на проводника ще се увеличава с повишаване на температурата, тъй като броят на сблъсъците се увеличава.
Това може да не винаги е така и се дължи на факта, че с повишаване на температурата се отделят допълнителни носители на заряд, което ще доведе до намаляване на съпротивлението на материалите. Този ефект често се наблюдава в полупроводникови материали.
Когато се разглежда температурната зависимост на съпротивлението, обикновено се приема, че температурният коефициент на съпротивление следва линеен закон. Това се отнася за стайна температура и за метали и много други материали. Установено е обаче, че ефектите на съпротивление в резултат на броя на сблъсъците не винаги са постоянни, особено при много ниски температури (феномен на свръхпроводимост).
Графика на температурата на съпротивление
Съпротивлението на проводника при всяка дадена температура може да се изчисли от стойността на температурата и неговия температурен коефициент на съпротивление.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), където:
- R - съпротивление;
- Rref - съпротивление при референтна температура;
- α- температурен коефициент на устойчивост на материала;
- Tref е референтната температура, за която е посочен температурният коефициент.
Температурен коефициент на съпротивление, обикновено стандартизиран за температура от 20 °C. Съответно, уравнението, което обикновено се използва в практически смисъл, е:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), където:
- R20=устойчивост при 20°C;
- α20 - температурен коефициент на съпротивление при 20 °C;
- T20- температура равна на 20 °C.
Съпротивление на материалите при стайна температура
Таблицата на съпротивлението по-долу съдържа много от веществата, които обикновено се използват в електротехниката, включително мед, алуминий, злато и сребро. Тези свойства са особено важни, защото определят дали дадено вещество може да се използва в широк спектър от електрически и електронни компоненти от проводници до по-сложни устройства като резистори, потенциометри и други.
| Таблица на съпротивлението на различни материали при 20°C външна температура | |
| Материали | OM устойчивост при 20°C |
| Алуминий | 2, 8 x 10 -8 |
| Антимон | 3, 9 × 10 -7 |
| бисмут | 1, 3 x 10 -6 |
| месинг | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Кадмий | 6 x 10 -8 |
| кобалт | 5, 6 × 10 -8 |
| Мед | 1, 7 × 10 -8 |
| Злато | 2, 4 x 10 -8 |
| Въглерод (графит) | 1 x 10 -5 |
| Германий | 4,6 x 10 -1 |
| Iron | 1,0 x 10 -7 |
| Олово | 1, 9 × 10 -7 |
| Nichrome | 1, 1 × 10 -6 |
| никел | 7 x 10 -8 |
| Паладий | 1,0 x 10 -7 |
| Платина | 0, 98 × 10 -7 |
| Quartz | 7 x 10 17 |
| силикон | 6, 4 × 10 2 |
| Сребро | 1, 6 × 10 -8 |
| Тантал | 1, 3 x 10 -7 |
| Волфрам | 4, 9 x 10 -8 |
| цинк | 5, 5 x 10 -8 |
Сравнение на проводимостта на мед и алуминий
Проводниците са изградени от материали, които провеждат електричество. Немагнитните метали обикновено се считат за идеални проводници на електричество. Различни метални проводници се използват в телената и кабелната индустрия, но мед и алуминий са най-разпространени. Проводниците имат различни свойства като проводимост, якост на опън, тегло и въздействие върху околната среда.
Съпротивлението на медния проводник се използва много по-често в производството на кабели, отколкото на алуминия. Почти всички електронни кабели са направени от мед, както и други устройства и оборудване, които използват високата проводимост на медта. Медните проводници също се използват широко в разпределителните системи ипроизводство на електроенергия, автомобилна индустрия. За да спестят тегло и разходи, преносните компании използват алуминий в въздушните електропроводи.
Алуминият се използва в индустрии, където неговата лекота е важна, като самолетостроенето, и се очаква да увеличи употребата му в автомобилната индустрия в бъдеще. За кабели с по-висока мощност се използва обкован с мед алуминиев проводник, за да се възползват от съпротивлението на медта, като се постигат значителни спестявания на структурно тегло от лек алуминий.
Медни проводници
Медта е един от най-старите известни материали. Неговата ковкост и електрическа проводимост са използвани от ранни електрически експериментатори като Бен Франклин и Майкъл Фарадей. Ниското ρ на медните материали е довело до приемането му като основен проводник, използван в изобретения като телеграф, телефон и електрически двигател. Медта е най-разпространеният проводим метал. През 1913 г. е приет Международният стандарт за запалване на мед (IACS) за сравняване на проводимостта на други метали с мед.
Съгласно този стандарт, търговски чистата отгрявана мед има проводимост от 100% IACS. Съпротивлението на материалите се сравнява със стандарта. Произведената днес търговска чиста мед може да има по-високи стойности на IACS, тъй като технологията за обработка е напреднала значително с течение на времето. В допълнение към отличната проводимост на медта, металът има висока якост на опън, топлопроводимост и термично разширение. Отгряваната медна тел, използвана за електрически цели, отговаря на всички изисквания на стандарта.
Алуминиеви проводници
Въпреки факта, че медта има дълга история като материал за производство на електроенергия, алуминият има определени предимства, които го правят привлекателен за специфични приложения, а текущото му съпротивление позволява да се използва многократно. Алуминият има 61% от проводимостта на медта и само 30% от теглото на медта. Това означава, че алуминиев проводник тежи наполовина по-малко от меден проводник със същото електрическо съпротивление.
Алуминият има тенденция да е по-евтин в сравнение с медното ядро. Алуминиевите проводници са съставени от различни сплави, имат минимално съдържание на алуминий от 99,5%. През 60-те и 70-те години на миналия век, поради високата цена на медта, този клас алуминий става широко използван за домакински електрически кабели.
Поради лошата изработка на връзките и физическите разлики между алуминий и мед, устройствата и проводниците, направени на базата на техните връзки, станаха пожароопасни при медно-алуминиеви контакти. За да се противодейства на отрицателния процес, са разработени алуминиеви сплави със свойства на пълзене и удължаване, по-подобни на медта. Тези сплави се използват за производството на многожилни алуминиеви проводници, чието съпротивление на тока е приемливо за масова употреба, отговаряйки на изискванията за безопасност за електрически мрежи.
Ако алуминият се използва на места, където преди е била използвана мед,за да поддържате мрежата еднаква, трябва да използвате алуминиев проводник, два пъти по-голям от медния проводник.
Прилагане на електрическа проводимост на материалите
Много от материалите, открити в таблицата на съпротивлението, са широко използвани в електрониката. Използват се алуминий и особено мед поради ниското им ниво на устойчивост. Повечето от проводниците и кабелите, използвани днес за електрически връзки, са направени от мед, тъй като осигурява ниско ниво на ρ и са достъпни. Добрата проводимост на златото, въпреки цената, се използва и в някои много прецизни инструменти.
Златното покритие често се среща при висококачествени връзки с ниско напрежение, където целта е да се осигури най-ниско контактно съпротивление. Среброто не се използва широко в индустриалната електротехника, тъй като се окислява бързо и това води до висока контактна устойчивост. В някои случаи оксидът може да действа като токоизправител. Устойчивостта на тантал се използва в кондензатори, никел и паладий в крайните връзки за много компоненти за повърхностен монтаж. Кварцът намира основното си приложение като пиезоелектричен резонансен елемент. Кварцовите кристали се използват като честотни елементи в много осцилатори, където високата му стойност прави възможно създаването на надеждни честотни вериги.
