Удельное сопротивление меди

Сравнение проводимости разных видов стали

Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:

• Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
• Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
• Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
• Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
• Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.

Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.

Расчет сопротивления

Расчеты производятся при проектировании объектов разного назначения и использования, ведь жизнеобеспечение каждого происходит за счет электричества. Учитывается все, начиная с осветительных приборов, заканчивая технически сложным оборудованием. В домашних условиях также будет нелишним произвести расчет, особенно если предусматривается замена электропроводки. Для частного домостроения необходимо рассчитать нагрузку, иначе «кустарная» сборка электропроводки может привести к возгоранию.

Целью расчета является определение общего сопротивления проводников всех используемых устройств, учитывая их технические параметры. Оно вычисляется по формуле R=p*l/S, где:

R – вычисляемый результат;

p – показатель УЭС из таблицы;

l – длина провода (проводника);

S – диаметр сечения.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные. В электротехнике значение имеют 2 термина:

В электротехнике значение имеют 2 термина:

• Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
• Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.

Описание критериев

Удельным электрическим сопротивлением называют величину, определяющую электрическое сопротивление эталонной модели вещества. Нахождение данного параметра выполняется при помощи формулы удельного электрического сопротивления, которая имеет следующий вид:

• R — электросопротивление проводящего ток материала (показывает, какое противодействие оказывается электротоку в момент его прохождения через проводник) (Ом);
• S — значение сечения проводника (м 2 );
• l — длина провода (м).

Любому материалу свойственно проявление двух типов сопротивления, которые зависят от электричества, подающегося на него. Значительное влияние на технические характеристики веществ может оказать переменный или постоянный ток. Сопротивление может быть:

• активным или омическим;
• реактивным либо индуктивным.

Первый тип происходит от энергозатрат на нагрев металла (проводника) в момент прохождения через него электротока. Реактивное сопротивление возникает от неминуемых расходов на формирование различными преобразованиями тока, протекающего сквозь проводник электрических полей. Удельное электросопротивление также подразделяется на два типа:

1. В цепи постоянного тока;
2. Для контура с переменным током.

Этот параметр измеряется в Ом*м. Для того чтобы его найти, пользуются справочной литературой, формулой удельного сопротивления проводника и таблицами с разными размерностями удельного противодействия . Свободно движущиеся по пространству электроны перемещаются в пределах пространственного каркаса, который еще называется кристаллической решеткой. Факторы, влияющие на показатели удельного сопротивления — это температура, посторонние вещества и материал.

Что такое удельное сопротивление

Понятие удельного электрического сопротивления вещества следует из определения электрического сопротивления проводника R с геометрическими размерами L (длина) и S (поперечное сечение):

Удельное электрическое сопротивление меди получают, пользуясь результатами измерений вольт-амперных U(I) характеристик на образцах меди различных размеров. Измерив вольтметром напряжение U, амперметром величину тока I, и применив формулу закона Ома, рассчитывают величину сопротивления образца меди:

Далее, с помощью формулы (1), вычисляется величина ρ.

Рис. 1. Таблицы удельных сопротивлений различных металлов.

Медь – это один из самых первых металлов, который человек научился добывать и обрабатывать. Период с IV по III тысячелетие до н.э. называют медным веком. Считается, что в это время люди научились делать первые предметы и орудия труда из меди. Применение меди в электротехнике началось только в начале XIX века.

Зависимость показателя сопротивления от температуры

Температурный коэффициент является величиной, которая равняется изменению напряжения части цепи и УЭС металла в результате изменений температуры. Большинство металлов склонно к росту УЭС при увеличении температуры из-за тепловых колебаний кристаллической решетки. Температурный коэффициент сопротивления меди влияет на удельное сопротивление медного провода и при температуре от 0 до 100°C составляет 4,1·10− 3(1/Кельвин). У серебра данный показатель при тех же условиях имеет значение 3,8, а у железа 6,0. Это еще раз доказывает эффективность использования меди в роли проводника.

Часто в электротехнической литературе встречается понятие «удельное меди». И невольно задаешься вопросом, а что же это такое?

Понятие «сопротивление» для любого проводника непрерывно связано с пониманием процесса протекания по нему электрического тока. Так как речь в статье пойдет о сопротивлении меди, то и рассматривать нам следует ее свойства и свойства металлов.

Когда речь идет о металлах, то невольно вспоминаешь, что все они имеют определенное строение — кристаллическую решетку. Атомы находятся в узлах такой решетки и совершают относительно них Расстояния и местоположение этих узлов зависит от сил взаимодействия атомов друг с другом (отталкивания и притяжения), и различны для разных металлов. А вокруг атомов по своим орбитам вращаются электроны. Их удерживает на орбите тоже равновесие сил. Только это к атому и центробежная. Представили себе картинку? Можно назвать ее, в некотором плане, статической.

А теперь добавим динамики. На кусок меди начинает действовать электрическое поле. Что же происходит внутри проводника? Электроны, сорванные силой электрического поля со своих орбит, устремляются к его положительному полюсу. Вот Вам и направленное движение электронов, а вернее, электрический ток. Но на пути своего движения они натыкаются на атомы в узлах кристаллической решетки и электроны, еще продолжающие вращаться вокруг своих атомов. При этом они теряют свою энергию и изменяют направление движения. Теперь становится немного понятнее смысл фразы «сопротивление проводника»? Это атомы решетки и вращающиеся вокруг них электроны оказывают сопротивление направленному движению электронов, сорванных электрическим полем со своих орбит. Но понятие сопротивление проводника можно назвать общей характеристикой. Более индивидуально характеризует каждый проводник удельное сопротивление. Меди в том числе. Эта характеристика индивидуальна для каждого металла, поскольку напрямую зависит только от формы и размеров кристаллической решетки и, в некоторой мере, от температуры. При повышении температуры проводника атомы совершают более интенсивное колебание в узлах решетки. А электроны вращаются вокруг узлов с большей скоростью и на орбитах большего радиуса. И, естественно, что свободные электроны при движении встречают и большее сопротивление. Такова физика процесса.

Для нужд электротехнической сферы налажено широкое производство таких металлов, как алюминий и медь, удельное сопротивление которых достаточно мало. Из этих металлов изготавливают кабели и различного типа провода, которые широко используются в строительстве, для производства бытовых приборов, изготовления шин, обмоток трансформаторов и других электротехнических изделий.

Одним из самых востребованных металлов в отраслях промышленности является медь. Наиболее широкое распространение она получила в электрике и электронике. Чаще всего ее применяют при изготовлении обмоток для электродвигателей и трансформаторов. Основная причина использования именно этого материала заключается в том, что медь обладает самым низким из существующих в настоящий момент материалов удельным электрическим сопротивлением. Пока не появится новый материал с более низкой величиной этого показателя, можно с уверенностью говорить о том, что замены у меди не будет.

Выбор сечения кабелей

Для крупных расчетов можно использовать специализированный калькулятор на справочном сайте либо соответствующее программное обеспечение. Следующий алгоритм применяют для последовательного вычисления рабочих параметров по формулам:

• при передаче в подключенную нагрузку мощности P = 1 600 Вт в линии с напряжением U = 220 V постоянный ток (I) определяют следующим образом: I = P/U ≈ 7,27А;
• сопротивление медного проводника (в обе стороны) длиной 800 м и сечением 2,5 мм кв.: R = (2*I*p)/S = (2*800*0,0175)/2,5 = 11,2 Ом;
• потери по напряжению в этой трассе: ΔU = (2*L*I)/((1/p)*S) = (2*800*7,27)/((1/0,0175)*2,5) = 11 520/ 142,86 = 80,63 V.

При необходимости последнее выражение несложно математически преобразовать для выбора площади поперечного сечения проводника по суммарному значению подключаемой нагрузки:

S = (2*I*L)/((1/p)*ΔU.

В рассмотренном примере потери напряжения составляют более 36%. Этот результат свидетельствует о необходимости корректировки расчета сопротивления проводника. По действующим нормативам допустимо уменьшение контрольного параметра не более, чем на 5 %. Увеличив диаметр провода, можно получить необходимый результат. При сечении 19 мм кв. напряжение уменьшится до 209,41 V (4,81%).

С учетом увеличенного сопротивления алюминиевого провода предполагаются пропорциональные изменения потерь. Выполнив аналогичный расчет, можно получить рекомендованное сечение 31 мм кв. Использование такого проводника в аналогичных условиях снизит напряжение до 209,2 V, что позволит обеспечить соответствие нормативам – 4,92%.

К сведению. Для проверки расчетных данных можно использовать мультиметр. Измерения выполняют в соответствующем диапазоне с учетом амплитуды сигнала, переменного (постоянного) тока.

Измерение сопротивления кабеля мультиметром

При подключении источника питания переменного тока алгоритм вычислений усложняется. Для таких исходных условий пользуются формулой:

ΔU = ((Pа * Rа + Pр * Rи) *L)/ U,

где:

• Pа (Pр) – активная (реактивная) мощность;
• Rа (Rи) – относительное активное (индуктивное) сопротивление линии в Ом на километр.

Для определенных материалов проводников исходные данные берут из справочника. По аналогии с упомянутыми нормативами уменьшение напряжения не должно быть в общем случае более 5%. Дополнительные ограничения применяют с учетом особенностей электрических сетей и подключаемых потребителей (от 1% до 12%). Действующие правила уточняют по тексту последней редакции ПУЭ.

Приведенные итоги расчетов убедительно подтверждают преимущества меньшего удельного сопротивления медного провода. При использовании алюминиевого аналога значительно увеличивается количество материала для передачи электроэнергии с нормативными потерями. Для комплексного анализа следует учитывать лучшие показатели меди по прочности, гибкости.

Алюминий отличается меньшей стоимостью, легкостью. Но при работе с этим материалом следует исключить вибрационные воздействия и перемещения в процессе эксплуатации. Особо тщательно проектируют изгибы, чтобы сохранить целостность проводника. Электрический контакт нарушается образованием окислов на поверхности изделий, изготовленных из этого металла.

К сведению. В определенных ситуациях многое будет значить свободное место для прокладки трассы. По экономии пространства преимущественными параметрами обладает медь.

Выбор сечения проводника по допустимому нагреву

По мере увеличения силы тока повышается температура проводящего металла. На определенном уровне повреждается слой защитной изоляции, созданный из полимеров. Это провоцирует короткие замыкания и образование пламени. Опасные ситуации предотвращают корректным расчетом площади поперечного сечения. Определенное значение имеет способ прокладки (совместный/ раздельный).

Выбор кабельных изделий с учетом нагрева

Выбор сечения по потерям напряжения

Как показано в расчетах, при большой длине трасы нужно учитывать снижение напряжения и соответствующие энергетические потери. В крупных проектах рассматривают всю цепь тока с распределительными устройствами и подключаемыми нагрузками.

Выбор по допустимым потерям

Для точного определения подходящей кабельной продукции рассматривают особенности процесса эксплуатации. Делают необходимый запас, чтобы предотвратить аварийные ситуации при подключении новых потребителей и бросках напряжения в сети питания.

Медь. Ее характеристики и свойства

Описание вещества и свойства

Физические свойства меди:

• температура плавления — 1084 градусов по Цельсию;
• температура кипения — 2560 градусов по Цельсию;
• плотность при 20 градусах — 8890 килограмм деленный на кубический метр;
• удельная теплоемкость при постоянном давлении и температуре 20 градусов — 385 кДж/Дж*кг
• удельное электрическое сопротивление — 0,01724;

Марки меди

Данный металл можно разделить на несколько групп или марок, каждая из которых имеет свои свойства и свое применение в промышленности:

1. Марки М00, М0, М1 — отлично подходят для производства кабелей и проводников, при ее переплавке исключается перенасыщение кислородом.
2. Марки М2 и М3 — дешевые варианты, которые предназначены для мелкого проката и удовлетворяют большинству технических и промышленных задач небольшого масштаба.
3. Марки М1, М1ф, М1р, М2р, М3р — это дорогие марки меди, которые изготавливаются для конкретного потребителя со специфическими требованиями и запросами.

Между собой марки отличаются по нескольким параметрам:

• вид поставки;
• насыщение кислородом;
• разница в показателе сопротивления;
• наличие примесей;
• степень теплопроводности;

Влияние примесей на свойства меди

Примеси могут влиять на механические, технические и эксплуатационные свойства продукции.

1. Механические свойства. Такие вещества, как железо, висмут, свинец или кислород, оказывают влияние на пластичность меди. Некоторые малорастворимые примеси влияют на сохранение структуры вещества при увеличении температуры. Например, свинец или висмут делает медь очень хрупкой, а вот добавление хотя бы незначительного количества серебра (пять сотых процента) значительно повышает плавкость меди, то есть даже при высоких температурах ее кристаллическая решетка остается неизменной, при этом не происходит потереть тепло- или электропроводимости.
2. Технические свойства. К ним относят обработку давлением при разных температурах и сплавляемость (сварка) вещества. При наличии малорастворимых примесей в меди появляются зоны особой хрупкости при большой температуре, это делает обработку давлением очень трудной, однако, в марках М1 и М2 нужная пластичность достигается за счет низкого содержания примесей. Если говорить о давлении при низких температурах, то данная технология применяется при производстве катанки (проволоки) и для разных марок способность к вытяжке также различна.

3. Эксплуатационные свойства. При стандартных условиях эксплуатации разные марки ведут себя вполне одинаково, но из-за содержания водорода и кислорода в разных марках условия применяются при повышении температуры. В частности, кислород начинает отрицательно влиять на медь при повышении температуры окружающей среды, а водород при нагреве самого вещества до двухсот градусов.

В заключение следует подчеркнуть, что медь — это уникальный металл с уникальными свойствами. Она применяется в автомобилестроении, изготовлении элементов для электроиндустрии, электроприборов, предметов потребления, часов, компьютеров и многого другого. Со своим низким удельным сопротивлением данный металл является отличным материалом для изготовления проводников и прочих электрических приборов. Этим свойством медь обгоняет только серебро, но из-за более высокой стоимости оно не нашло такого же применения в электроиндустрии.

https://youtube.com/watch?v=SlxOEEaQ4Cg

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.

Физика8 класс

§ 45. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

Мы знаем, что причиной электрического сопротивления проводника является взаимодействие электронов с ионами кристаллической решётки металла (§ 43). Поэтому можно предположить, что сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от вещества, из которого он изготовлен.

На рисунке 74 изображена установка для проведения такого опыта. В цепь источника тока по очереди включают различные проводники, например:

1. никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины;
2. никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения);
3. никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины.

Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение — вольтметром.

Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.

Рис. 74. Зависимость сопротивления проводника от его размеров и рода вещества

Выполнив указанные опыты, мы установим, что:

1. из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление;
2. из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше;
3. никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Как учесть зависимость сопротивления от вещества, из которого изготовляют проводник? Для этого вычисляют так называемое удельное сопротивление вещества.

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.

Введём буквенные обозначения: ρ — удельное сопротивление проводника, I — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника R выразится формулой

Из неё получим, что:

Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади поперечного сечения — 1 м2, а единицей длины — 1 м, то единицей удельного сопротивления будет:

Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметpax, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:

В таблице 8 приведены значения удельных сопротивлений некоторых веществ при 20 °С. Удельное сопротивление с изменением температуры меняется. Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

Таблица 8. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С)

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.

При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.

Во многих случаях бывают нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов — веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы 8, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в 40 раз большее, чем алюминий.

Фарфор и эбонит имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток, их используют в качестве изоляторов.

Вопросы

1. Как зависит сопротивление проводника от его длины и от площади поперечного сечения?
2. Как показать на опыте зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен?
3. Что называется удельным сопротивлением проводника?
4. По какой формуле можно рассчитывать сопротивление проводников?
5. В каких единицах выражается удельное сопротивление проводника?
6. Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на практике?

Удельное сопротивление

это влияет на потерю мощности

• Платы, устанавливаемые в компьютерах, оснащаются протравленными медными дорожками.
• Медь также используется для изготовления самых разных элементов, применяемых в электронных устройствах.
• В трансформаторах и электродвигателях она представлена обмоткой, которая изготавливается из этого материала.

Можно не сомневаться, что расширение сфер применения этого материала будет происходить с дальнейшим развитием технического прогресса. Хотя, кроме меди, существуют и другие материалы, но все же конструктора при создании оборудования и различных установок используют медь. Главная причина востребованности этого материала заключается в хорошей электрической и теплопроводности этого металла, которую он обеспечивает в условиях комнатной температуры.

Какое удельное сопротивление стали

Сталь — это металлический сплав железа с углеродом и другими элементами. В ее состав входит не менее 45% железа, содержание углерода колеблется от 0,02% до 2,14%. В зависимости от точного состава сталь используется в строительстве, машиностроении и приборостроении, а также во многих областях, например, в транспорте, народном хозяйстве, при производстве бытовых приборов.

Проводимость стали составляет всего 7,7 миллионов См/м, удельное сопротивление — 0,13 мкОм/м, то есть оно довольно высоко. Сталь плохо проводит электричество и не применяется при производстве непосредственно кабелей. Однако нередко можно встретить внешнюю оцинкованную стальную оплетку, которая защищает провода от механического растяжения. Такая защита нужна, если кабель проходит под дорогой или на нестабильном грунте, если есть риск резко дернуть провод.

Также из стали делают ПНСВ — провод нагревательный со стальной жилой, имеющий изоляцию из винила. Его размещают внутри конструкции до заливания бетона и используют в дальнейшем для электрообогрева готового блока. Электричество кабель практически не проводит.

Характеристики и свойства сплава

Применение алюминия в чистом виде не выгодно по причине его малой прочности. Даже в изготовлении электронных компонентов он практически не применяется.

Свойства алюминия при добавлении меди существенно улучшаются: сохраняется пластичность, повышается прочность. В однофазных сплавах отсутствует текучая жидкая фаза, которая способна заполнять пустоты, образуемых в процессе усадки, снимать внутренние напряжения. Трудные составы имеют сложный процесс твердения и необходимо применять особые меры в процессе литья.

Существуют такие виды сплавов:

• деформируемые, получаемые путём термической закалки и последующего старения — используются в средне нагружаемых конструкциях, выпускаются в виде проволоки, прутка, листов, профилей и труб;
• литейные — используются для отливки сложных конструкций, обладают высокой прочностью, плохо поддаются пайке.

Механические свойства сплавов с содержанием меди от 9 до 11%:

• высокая прочность от 500 МПа;
• износостойкость;
• самоупрочнение;
• жаростойкость.

Для улучшения характеристик используются легирующие элементы:

• марганец и титан формируют интерметаллиды, которые находятся по границам дендритных ячеек Cu-Al образуют твёрдый каркас, применяются для повышения жаропрочности образцов;
• кремний повышает механические свойства, на снижает литейные, может применяться без термической обработки.