Удельное электрическое сопротивление меди

Удельное сопротивление — характеристика материала, определяющая его способность проводить электрический ток. Определяется как отношение электрического поля к плотности тока. В общем случае является тензором, однако для большинства материалов, не проявляющих анизотропных свойств, принимается скалярной величиной.

Обозначение — ρ

В технике применяется определение удельного сопротивления, как сопротивление проводника единичного сечения и единичной длины.

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 м 2 , 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 м 2

[1]

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.

МатериалУдельное сопротивление, ρ,
при 20 °C (Ом·м)Источник
Латунь~0.6 — 0.9 x 10 -7
Серебро1.59×10 −8[3][4]
Медь1.68×10 −8[5][6]
Обожжённая медь1.72×10 −8[7]
Золото2.44×10 −8[3]
Алюминий2.65×10 −8[3]
Кальций3.36×10 −8
Вольфрам5.60×10 −8[3]
Цинк5.90×10 −8
Кобальт6.24×10 −8
Никель6.99×10 −8
Рутений7.10×10 −8
Литий9.28×10 −8
Железо9.70×10 −8[3]
Платина1.06×10 −7[3]
Олово1.09×10 −7
Тантал1.3×10 −7
Галлий1.40×10 −7
Ниобий1.40×10 −7[8]
Углеродистая сталь (1010)1.43×10 −7[9]
Свинец2.20×10 −7[2][3]
Галинстан2.89×10 −7[10]
Титан4.20×10 −7
Электротехническая сталь4.60×10 −7[11]
Манганин (сплав)4.82×10 −7[2]
Константан (сплав)4.90×10 −7[2]
Нержавеющая сталь6.90×10 −7
Ртуть9.80×10 −7[2]
Марганец1.44×10 −6
Нихром (сплав)1.10×10 −6[2][3]
Углерод (аморфный)5×10 −4 — 8×10 −4[3]
Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость2.5×10 −6 — 5.0×10 −6
Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость3×10 −3
Арсенид галлия10 −3 to 10 8
Германий4.6×10 −1[3][4]
Морская вода2.1×10 −1
Вода в плавательном бассейне3.3×10 −1 — 4.0×10 −1
Питьевая вода2×10 1 — 2×10 3
Кремний2.3×10 3[2][3]
Древесина (влажная)10 3 — 10 4
Деионизированная вода1.8×10 5
Стекло10 11 — 10 15[3][4]
Углерод (алмаз)10 12
Твердая резина10 13[3]
Воздух10 9 — 10 15
Древесина (сухая)10 14 — 10 16
Сера10 15[3]
Плавленый кварц7.5×10 17[3]
ПЭТ10 21
Тефлон10 23 — 10 25

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.

Электрическое Сопротивление — Что такое Удельное Сопротивление? Физика 8 класс

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.

Основные параметры меди

Перечислим основные физические характеристики меди, которую делают ее столь незаменимой для электротехнической продукции:

  • Главное достоинство меди — низкое удельное сопротивление, равное 0,0175 Ом*мм 2 м. У серебра — “рекордсмена” по этому параметру — 0,016 Ом*мм 2 м;
  • Сравнительно небольшой температурный коэффициент α, равный 0,004 0 К -1 ;
  • Температура плавления Тпл = 1085 0 С, что в полтора раза выше аналогичного параметра у алюминия, который тоже широко используется в электропроводке;
  • Высокие пластичные свойства изделий из меди позволяют подвергать провода многократным изгибам без опасений разрушения целостности изделий;
  • На поверхности меди быстро образуется пленка из окислов, которая выполняет защитную роль — предотвращает поверхность проводов от коррозии;
  • Высокая механическая и ударная прочность;
  • Высокая теплопроводность меди способствует быстрому отводу тепла в различных электротехнических устройствах. Например, на компьютерных платах с электрическими компонентами большой мощности (блоки питания, видеокарты) устанавливают радиаторы (кулеры) из меди для сброса тепла;
  • Стоимость меди существенно меньше стоимости серебра и других драгметаллов, что определяет экономическую выгоду ее применения;
  • Медь легко поддается пайке, поэтому она столь популярна среди радиолюбителей.

Примеры электротехнической продукции с применением меди

Приведем примеры использования меди в электротехнических изделиях:

Электрические двигатели с обмотками из меди:

  • Кабельные изделия различного назначения;
  • Шины (медные полосы) контактных проводов, телеграфного и телефонного оборудования, электронных плат;
  • Катушки и обмотки электродвигателей;
  • Первичные и вторичные обмотки трансформаторов.

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.

Кабельная продукция и провода из меди:

Удельное сопротивление меди

Использование проводников из чистой меди и медных сплавов востребовано в различных отраслях промышленности. Материал имеет низкое удельное сопротивление, по данному параметру выделяется среди ряда других металлов. При организации протяженных кабельных трасс удельное сопротивление необходимо учитывать, так как потери на выходе могут быть значительными при передаче напряжения на большое расстояние.

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.

Как рассчитать и от чего зависит сопротивление меди

Использование медного кабеля недостаточной толщины ведет к перегреву проводки, выходу оборудования из строя. При выборе излишне толстых проводов увеличиваются затраты. Поэтому важно знать сопротивление меди. Получить данную информацию можно несколькими способами:

  • наиболее простой вариант – получить подобную информацию из приведенной ниже таблицы. Для большинства случаев такой способ является рабочим, позволяет получить данные для проводников в стандартных условиях измерения;
  • более сложный вариант – расчет сопротивления меди по формуле. Для получения точных значений необходимо длину и сечение провода. Исходя их входных данных можно рассчитать сопротивление проводника;
  • еще один способ достаточно трудоемкий, предполагает использование специального прибора. С помощью омметра проводится измерение электрического сопротивления проводника с помощью подачи постоянного напряжения.

В зависимости от текущих условий измерения удельное сопротивление меди может меняться. При наличии льда в изоляции, непроводящего ток, сопротивление проводника увеличивается. Также параметры напрямую зависят от типа кабеля. Стандартные значения удельного сопротивления приведены в таблице:

Выбор сечения кабеля

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:

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

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:

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

Максимально допустимая длина кабеля данного сечения

Электросопротивление других металлов

Кроме меди и алюминия, в электротехнике используются другие металлы и сплавы:

  • Железо. Удельное сопротивление стали выше, но она прочнее, чем медь и алюминий. Стальные жилы вплетаются в кабеля, предназначенные для прокладки по воздуху. Сопротивление железа слишком велико для передачи электроэнергии, поэтому при расчёте сечения жилы не учитываются. Кроме того, оно более тугоплавкое, и из него изготавливаются вывода для подключения нагревателей в электропечах большой мощности;
  • Нихром (сплав никеля и хрома) и фехраль (железо, хром и алюминий). Они обладают низкой проводимостью и тугоплавкостью. Из этих сплавов изготавливаются проволочные резисторы и нагреватели;
  • Вольфрам. Его электросопротивление велико, но это тугоплавкий металл (3422 °C). Из него изготавливаются нити накала в электролампах и электроды для аргонно-дуговой сварки;
  • Константан и манганин (медь, никель и марганец). Удельное сопротивление этих проводников не меняется при изменениях температуры. Применяются в претензионных приборах для изготовления резисторов;
  • Драгоценные металлы – золото и серебро. Обладают самой высокой удельной проводимостью, но из-за большой цены их применение ограничено.

Единицы измерения

В международной системе единиц физических величин (СИ) электрическое сопротивление измеряется в Омах (Ом). Единица измерения УЭС согласно системе СИ равна такому УЭС вещества, при котором проводник из одного материала длиной 1 м с сечением 1 кв. м. имеет сопротивление 1 Ом. Наглядно применение 1 ом/м относительно разным металлам приведено в таблице.

Связь удельного сопротивления и проводимости можно рассматривать как обратные величины. Чем больше показатель одного проводника, тем ниже показатель другого и наоборот. Поэтому при вычислении электропроводимости используется расчет 1/r, потому что число обратное к Х, есть 1/Х и наоборот. Удельный показатель обозначается буквой g.

Преимущества электролитической меди

Низким показателем УЭС (после серебра) как преимуществом, медь не ограничивается. Она обладает уникальными по своим характеристикам свойствами, а именно пластичностью, высокой ковкостью. Благодаря таким качествам изготавливается высокой степени чистоты электролитическая медь для производства кабелей, которые используются в электроприборах, компьютерной технике, электроиндустрии и автомобилестроении.

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.

Рекомендуем к прочтению:

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.

Зависимость электропроводности от температуры

Зависимость электропроводности от температуры

Проводники электрического тока бывают первого и второго рода. Проводники первого рода — это металлы. Проводники второго рода- это проводящие растворы жидкостей. Ток в первых переносят электроны, а переносчики тока в проводниках второго рода —ионы, заряженные частицы электролитической жидкости.

Говорить о проводимости материалов можно только в контексте температуры окружающей среды. При более высокой температуре проводники первого рода увеличивают свое электросопротивление, а второго, напротив, уменьшают. Соответственно, существует температурный коэффициент сопротивления материалов. Удельное сопротивление меди Ом м возрастает при увеличении нагрева. Температурный коэффициент α тоже зависит только от материала, эта величина не имеет размерности и для разных металлов и сплавов равна следующим показателям:

  • Серебро — 0,0035;
  • Железо — 0,0066;
  • Платина — 0,0032;
  • Медь — 0,0040;
  • Вольфрам — 0,0045;
  • Ртуть — 0,0090;
  • Константан — 0,000005;
  • Никелин — 0,0003;
  • Нихром — 0,00016.

Определение величины электросопротивления участка проводника при повышенной температуре R (t), вычисляется по формуле:

R (t) = R (0) · [1+ α·(t-t (0))], где:

  • R (0) — сопротивление при начальной температуре;
  • α — температурный коэффициент;
  • t — t (0) — разность температур.

Например, зная электросопротивление меди при 20 градусах Цельсия, можно вычислить, чему оно будет равно при 170 градусах, то есть при нагреве на 150 градусов. Исходное сопротивление увеличится в [1+0,004·(170−20)] раз, то есть в 1,6 раз.

При увеличении температуры проводимость материалов, напротив, уменьшается. Так как это величина, обратная электросопротивлению, то и уменьшается она ровно во столько же раз. Например, удельная электропроводность меди при нагреве материала на 150 градусов уменьшится в 1,6 раз.

Существуют сплавы, которые практически не изменяют своего электросопротивления при изменении температуры. Таков, к примеру, константан. При изменении температуры на сто градусов его сопротивление увеличивается всего на 0,5%.

Если проводимость материалов ухудшается с нагревом, она улучшается с понижением температуры. С этим связано такое явление, как сверхпроводимость. Если понизить температуру проводника ниже -253 градусов Цельсия, его электросопротивление резко уменьшится: практически до нуля. В связи с этим падают затраты на передачу электрической энергии. Единственной проблемой оставалось охлаждение проводников до таких температур. Однако в связи с недавними открытиями высокотемпературных сверхпроводников на базе оксидов меди, охлаждать материалы приходится уже до приемлемых значений.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий