Rezistența specifică este ceea ce?

Când spun că cuprul este mai greu decât aluminiu, comparați densitatea. În mod similar, atunci când spunem că cuprul este un conductor mai bun decât aluminiul, comparând rezistivitatea lor (rho-), care este independent de dimensiunea sau forma unui anumit eșantion - numai pe materialul în sine.

O justificare teoretică

Rezistența este o măsură a rezistenței conductivității electrice pentru o anumită dimensiune a materialului. Opusul său este conductivitatea electrică. Metalele sunt conductori electrici buni (conductivitate ridicată și valoare redusă rho-), în timp ce nemetalele sunt în principal conductori săraci (conductivitate scăzută și valoare ridicată rho-).

Cea mai cunoscută rezistență electrică termică măsoară cât de dificilă este pentru material să efectueze electricitate. Aceasta depinde de mărimea piesei: rezistența este mai mare pentru o secțiune mai lungă sau mai restrânsă a materialului. Pentru a elimina efectul mărimii rezistenței, rezistivitatea firului utilizat - această proprietate material care este independent de dimensiune. Pentru majoritatea materialelor, rezistența crește cu temperatura. Excepțiile sunt semiconductori (de exemplu, siliciu), în care scade cu temperatura.

Ușurința cu care materialul conduce căldura este măsurată prin conductivitatea termică. Ca o primă evaluare, conductorii electrici buni sunt, de asemenea, conductori termici buni. Rezistența este indicată de simbolul r, iar unitatea de măsură este un ohmmetru. Rezistența cuprului pur este de 1,7 × 10 -8 Ohm. Acest număr foarte mic - 0.000 000 017 Ohm indică faptul că metrul cub de cupru practic nu rezistă. Cu cât rezistivitatea este mai mică (ohmmetrul sau Omega-m), cu atât materialul este mai bine folosit în cablare. Rezistența este partea inversă a conductivității.

Clasificarea materialelor

Mărimea rezistenței materialelor este adesea folosită pentru clasificarea ca un conductor, un semiconductor sau un izolator. Elementele solide sunt clasificate ca izolatoare, semiconductoare sau conductori prin "rezistența lor statică" în tabelul periodic al elementelor. Rezistența în izolator, semiconductor sau material conductiv este proprietatea principală care este luată în considerare pentru utilizarea în ingineria electrică.

Tabelul prezintă câteva date Rho, coeficienții de sigma și temperatură. Pentru metale, rezistența crește odată cu creșterea temperaturii. Pentru semiconductori și multe izolatoare, inversul este adevărat.

Calcularea rezistivității

Pentru orice temperatură dată, putem calcula rezistența electrică a obiectului în ohmi folosind următoarea formulă.

În această formulă:

• R este rezistența obiectului, în ohmi;
• rho- este rezistența (specificitatea) materialului din care este realizat obiectul;
• L este lungimea obiectului în metri;
• A este aria secțiunii transversale a obiectului, în metri pătrați.

Rezistivitatea este egală cu un anumit număr de ohmmetre. În ciuda faptului că unitatea rho- în sistemul SI, de regulă, un ohmmetru, uneori se folosește dimensiunea ohmi pe centimetru.

Rezistența materialului este determinată de magnitudinea câmpului electric de-a lungul acestuia, care dă o densitate de curent definită.

rho- = E / J, unde:

• rho- în ohmmetru;
• E este magnitudinea câmpului electric în volți pe metru;
• J este densitatea curentului în amperi pe metru pătrat.

Cum de a determina rezistivitatea? Multe rezistoare și conductori au o secțiune transversală uniformă, cu un debit uniform de curent. Prin urmare, există o ecuație mai specifică, dar mai larg utilizată.

rho = R * A / J, unde:

• R este rezistența unei probe omogene a materialului măsurată în ohmi;
• l este lungimea unei bucăți de material măsurată în metri, m;
• A este suprafața secțiunii transversale a probei, măsurată în metri pătrați, m².

Bazele rezistivității materialelor

Rezistența electrică a materialului este cunoscută și ca rezistivitatea electrică. Aceasta indică cât de mult materialul rezistă fluxului de curent electric. Se poate determina prin împărțirea rezistenței pe unitate de lungime și pe unitate de secțiune transversală, pentru un anumit material la o anumită temperatură.

Asta înseamnă că este scăzut rho - indică un material care permite cu ușurință mișcarea electronilor. În schimb, un material cu un înalt rho - va avea o rezistență ridicată și va împiedica fluxul de electroni. Elemente precum cuprul și aluminiu sunt cunoscute pentru nivelul lor scăzut Rho. Argintul și, în special, aurul au o valoare foarte scăzută rho-, dar din motive evidente, utilizarea lor este limitată.

Regiunea de rezistivitate

Materialele sunt plasate în diferite categorii în funcție de indicatorul lor Rho. Un rezumat este prezentat în tabelul de mai jos.

Nivelul de conductivitate al semiconductorilor depinde de nivelul de dopaj. Fără aliere, ele arată aproape ca niște izolatoare, ceea ce este același pentru electroliți. nivel Materialele rho variază foarte mult.

Coeficient de rezistență la temperatură

În cele mai multe cazuri, rezistența crește cu temperatura. Ca urmare, este necesar să se înțeleagă dependența de temperatură a rezistenței. Motivul coeficientului de temperatură de rezistență al conductorului poate fi justificat intuitiv. Rezistența materialului depinde de o serie de fenomene. Unul dintre ele este numărul de coliziuni care apar între purtătorii de sarcină și atomii din material. Rezistența conductorului va crește odată cu creșterea temperaturii, pe măsură ce crește numărul coliziunilor.

Este posibil ca acest lucru să nu fie întotdeauna cazul, deoarece încărcătoarele suplimentare de încărcătură sunt eliberate cu o temperatură în creștere, ceea ce va conduce la o scădere a rezistivității materialelor. Acest efect este adesea observat în materialele semiconductoare.

Când se ia în considerare dependența de temperatură a rezistenței, se presupune de obicei că coeficientul de temperatură de rezistență urmează o lege liniară. Aceasta se referă la temperatura în încăpere și la metale și multe alte materiale. Totuși, sa constatat că efectele rezistenței care rezultă din numărul de coliziuni nu sunt întotdeauna constante, în special la temperaturi foarte scăzute (fenomenul supraconductivității).

Grafic de rezistență

Rezistența conductorului la orice temperatură dată poate fi calculată pornind de la valoarea temperaturii și a coeficientului său de temperatură de rezistență.

R = Rref * (1+ alfa- (T-Tref)), unde:

• R este rezistența;
• Rref - rezistență la temperatura de referință;
• alfa - coeficientul de temperatură al rezistenței materialelor;
• Tref este temperatura de referință pentru care este indicat coeficientul de temperatură.

Coeficientul de rezistență la temperatură, de obicei standardizat la o temperatură de 20 ° C În consecință, o ecuație folosită în mod obișnuit într-un sens practic:

R = R20 * (1+ alfa-20 (T-T20)), unde:

• R20 = rezistență la 20 ° C;
• alpha-20 - coeficient de temperatură de rezistență la 20 ° C;
• T20 - temperatură egală cu 20 ° C

Rezistența materialelor la temperatura camerei

Tabelul de rezistență prezentat mai jos conține multe dintre substanțele utilizate pe scară largă în ingineria electrică, inclusiv cupru, aluminiu, aur și argint. Aceste proprietăți sunt deosebit de importante, deoarece ele determină dacă o substanță poate fi utilizată la fabricarea unei game largi de componente electrice și electronice prin fire la dispozitive mai complexe, cum ar fi rezistoare, potențiometrelor și multe altele.

comparație conductivitatea cuprului și aluminiu

Conductorii constau din materiale care conduc curentul electric. Metalele nemagnetice sunt de obicei considerate conductori ideali ai energiei electrice. În industria cablurilor și cablurilor sunt utilizați diferiți conductori metalici, dar cuprul și aluminiu sunt cele mai comune. Conductorii au proprietăți diferite, cum ar fi conductivitatea, rezistența la tracțiune, greutatea și impactul asupra mediului.

Rezistența conductorului la cupru este mult mai des utilizată în producția de cabluri decât aluminiu. Aproape toate cablurile electronice sunt fabricate din cupru, ca și alte dispozitive și echipamente care utilizează o conductivitate ridicată a cuprului. Conductorii de cupru sunt, de asemenea, utilizați pe scară largă în sistemele de distribuție și producție a energiei electrice, precum și în industria automobilelor. Pentru a economisi greutatea și costurile, întreprinderile de transport al energiei electrice utilizează aluminiu în liniile electrice aeriene.

Aluminiul este utilizat în industriile în care este lejeritatea de important, cum ar fi de aeronave, utilizarea sa este de așteptat să crească în industria de automobile în viitor. Pentru a aplica cabluri de alimentare sârmă de aluminiu cu un strat de cupru pentru a utiliza rezistivitatea cuprului pentru a obține o greutate semnificativă economisire proiectarea de aluminiu ușor.

Conductoare de cupru

Cuprul este unul dintre cele mai vechi materiale cunoscute. Plasticitatea și conductivitatea electrică au fost folosite de experimentatorii timpurii cu electricitate, precum Ben Franklin și Michael Faraday. sărac materialele din cupru au dus la faptul că a fost adoptat ca principalii dirijori utilizați în invenții, cum ar fi telegraful, telefonul și motorul electric. Cuprul este cel mai comun metal conductiv. În 1913, a fost adoptat un standard internațional pentru calcinarea cuprului (IACS) pentru a compara conductivitatea altor metale cu cuprul.

Conform acestui standard, cuprul recoasabil comercial pur, are o conductivitate de 100% IACS. Rezistența materialelor este comparată cu standardul. Copia comercială pură produsă astăzi poate avea valori mai ridicate ale conductivității IACS, deoarece tehnologia de procesare a avansat semnificativ în timp. Pe lângă conductivitatea excelentă a cuprului, metalul are o rezistență ridicată la tracțiune, conductivitate termică și expansiune termică. Sarma de cupru răcită utilizată în scopuri electrice îndeplinește toate cerințele standardului.

Conductoare din aluminiu

În ciuda faptului că cuprul are o lungă istorie ca material pentru producerea de energie electrică, aluminiu are anumite avantaje care îl fac atractivă pentru o anumită aplicație, iar rezistența sa actuală actuală face posibilă extinderea utilizării sale de mai multe ori. Aluminiu are o conductivitate de 61% cupru și doar 30% din greutatea cuprului. Aceasta înseamnă că un fir din aluminiu cântărește jumătate la fel de mult ca un fir de cupru cu aceeași rezistență electrică.

Aluminiu, de regulă, este mai ieftin decât un fir de cupru. Conductoarele din aluminiu sunt alcătuite din diferite aliaje, au un conținut minim de aluminiu de 99,5%. În anii 1960 și 1970, datorită prețului ridicat al cuprului, această clasă de aluminiu a devenit pe scară largă utilizată pentru cablarea electrică de uz casnic.

Datorită calității slabe a fabricării și a diferențelor fizice dintre aluminiu și cupru, dispozitivele și firele realizate pe baza îmbinărilor lor în locurile de contact cupru-aluminiu au devenit periculoase. Pentru a contracara procesul negativ, s-au dezvoltat aliaje de aluminiu cu proprietăți de fluaj și alungire mai asemănătoare cu cuprul. Aceste aliaje sunt utilizate la fabricarea firelor de aluminiu elicoidale, a căror rezistență specifică la curent este acceptabilă pentru utilizarea în masă, respectând cerințele de siguranță pentru rețelele electrice.

Dacă se folosește aluminiu în locuri în care cuprul a fost utilizat anterior pentru a menține o performanță egală a rețelei, trebuie să utilizați un fir de aluminiu de două ori mai mare decât cel al firului de cupru.

Aplicarea conductivității electrice a materialelor

Multe dintre materialele găsite în tabelul de rezistivitate sunt utilizate pe scară largă în domeniul electronicii. Aluminiu și, în special, cupru sunt folosite datorită nivelului scăzut de rezistență. Majoritatea firelor și cablurilor utilizate astăzi pentru conexiunile electrice sunt realizate din cupru, deoarece asigură un nivel scăzut rho- și să aibă un preț accesibil. Conductivitatea bună a aurului, în ciuda prețului, este utilizată și în unele instrumente deosebit de precise.

Adesea placarea cu aur se găsește pe conexiuni de joasă tensiune de înaltă calitate, unde sarcina este de a asigura cea mai mică rezistență la contact. Argintul nu este utilizat pe scară largă în ingineria electrică industrială, deoarece este oxidată rapid, ceea ce duce la o rezistență mare la contact. În unele cazuri, oxidul poate acționa ca un redresor. Rezistența la tantal este utilizată în condensatoare, nichel și paladiu sunt utilizate în conexiunile de capăt pentru multe componente de montare pe suprafață. Cuarțul își găsește aplicația principală ca element rezonant piezoelectric. Cristalele cu cristale sunt folosite ca elemente de frecvență în multe generatoare, unde valoarea lor ridicată face posibilă crearea unor contururi de frecvență fiabile.