Wanneer er wordt gezegd dat koper zwaarder ismetaal dan aluminium, dan wordt hun dichtheid vergeleken. Evenzo, wanneer wordt gezegd dat koper een betere geleider is dan aluminium, wordt hun soortelijke weerstand (ρ) vergeleken, waarvan de waarde niet afhangt van de grootte of vorm van een bepaald monster - alleen van het materiaal zelf.
Weerstand is een maatstaf voor weerstandelektrische geleidbaarheid voor een gegeven materiaalafmeting. Het tegenovergestelde is elektrische geleidbaarheid. Metalen zijn goede elektrische geleiders (hoge geleidbaarheid en lage ρ-waarde), terwijl niet-metalen over het algemeen slechte geleiders zijn (lage geleidbaarheid en hoge ρ-waarde).
De meer bekende thermische elektrischeweerstand meet hoe moeilijk het is voor een materiaal om elektriciteit te geleiden. Het hangt af van de grootte van het onderdeel: de weerstand is hoger voor een langer of smaller deel van het materiaal. Om het effect van grootte van weerstand te elimineren, wordt de soortelijke weerstand van de draad gebruikt, een materiaaleigenschap die onafhankelijk is van de grootte. Voor de meeste materialen neemt de weerstand toe met de temperatuur. De uitzondering zijn halfgeleiders (bijvoorbeeld silicium), waarin het afneemt met de temperatuur.
Het gemak waarmee het materiaal warmte geleidtgemeten door thermische geleidbaarheid. Als eerste schatting zijn goede elektrische geleiders ook goede thermische geleiders. Weerstand wordt aangegeven met het symbool r en de eenheid is een ohmmeter. De weerstand van puur koper is 1,7 x 10-8 ohm. Dit is een heel klein aantal - 0,000 000 017 Ohm, wat betekent dat een kubieke meter koper praktisch geen weerstand heeft. Hoe lager de soortelijke weerstand (ohmmeter of Ωm), hoe beter het materiaal wordt gebruikt in elektrische bedrading. Weerstand is de keerzijde van geleiding.
De weerstandswaarde van het materiaal is vaakgebruikt om te classificeren als een geleider, halfgeleider of isolator. Vaste elementen worden geclassificeerd als isolatoren, halfgeleiders of geleiders op basis van hun "statische weerstand" in het periodiek systeem der elementen. Weerstand in een isolator, halfgeleider of geleidend materiaal is de belangrijkste eigenschap waarmee rekening wordt gehouden bij elektrische toepassingen.
De tabel toont enkele gegevens voor ρ, σ en temperatuurcoëfficiënten. Voor metalen neemt de weerstand toe naarmate de temperatuur stijgt. Het tegenovergestelde geldt voor halfgeleiders en veel isolatoren.
| materiaal | ρ (Ωm) bij 20 ° C | σ (S / m) bij 20 ° C | Temperatuurcoëfficiënt (1 / ° C) x10 ^ -3 |
| zilver | 1,59 × 10 -8 | 6,30 x 10 7 | 3,8 |
| koperen | 1,68 × 10 -8 | 5,96 × 10 7 | 3,9 |
| goud | 2,44 x 10 -8 | 4,10 x 10 7 | 3,4 |
| aluminium | 2,82 x 10 -8 | 3,5 x 10 7 | 3,9 |
| Wolfraam | 5,60 × 10 -8 | 1,79 x 10 7 | 4.5 |
| zink | 5,90 × 10 -8 | 1,69 × 10 7 | 3,7 |
| Nikkel | 6,99 × 10 -8 | 1,43 × 10 7 | 6 |
| Lithium | 9,28 x 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| ijzer | 1,0 × 10 -7 | 1,00 × 10 7 | 5 |
| Platina | 1,06 x 10 -7 | 9,43 × 10 6 | 3,9 |
| Lood | 2,2 x 10 -7 | 4,55 x 10 6 | 3,9 |
| Constantan | 4,9 × 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0,008 |
| Kwik | 9,8 × 10 -7 | 1,02 × 10 6 | 0.9 |
| Nichrome | 1,10 × 10 -6 | 9,09 × 10 5 | 0,4 |
| Koolstof (amorf) | 5 × 10 -4 tot 8 × 10 -4 | 1,25-2 × 10 3 | -0,5 |
Voor elke gegeven temperatuur kunnen we de elektrische weerstand van een object in ohm berekenen met behulp van de volgende formule.
In deze formule:
De soortelijke weerstand is gelijk aan een bepaald aantal ohmmeters. Hoewel de SI-eenheid van ρ meestal een ohmmeter is, wordt soms ohm per centimeter gebruikt.
De weerstand van een materiaal wordt bepaald door de grootte van het elektrische veld eroverheen, wat een bepaalde stroomdichtheid geeft.
ρ = E / J, waarbij:
Hoe weerstandsvermogen bepalen? Veel weerstanden en geleiders hebben een uniforme doorsnede met een uniforme elektrische stroom. Daarom is er een meer specifieke, maar meer algemeen gebruikte vergelijking.
ρ = R * A / J, waarbij:
De elektrische weerstand van een materiaal wordt ook welspecifieke elektrische weerstand. Dit is een indicatie van hoe sterk het materiaal bestand is tegen de stroom van elektrische stroom. Het kan worden bepaald door de weerstand te delen door een lengte-eenheid en door een eenheid van doorsnede, voor een specifiek materiaal bij een bepaalde temperatuur.
Dit betekent dat een lage ρ een materiaal aangeeftwaardoor elektronen gemakkelijk kunnen bewegen. Omgekeerd zal een materiaal met een hoge ρ een hoge weerstand hebben en de stroom van elektronen belemmeren. Elementen zoals koper en aluminium staan bekend om hun lage ρ. Zilver, en in het bijzonder goud, heeft een zeer lage ρ-waarde, maar om voor de hand liggende redenen is het gebruik ervan beperkt.
Materialen worden in verschillende categorieën geplaatst, afhankelijk van hun ρ-waarde. Een samenvatting is weergegeven in de onderstaande tabel.
Het geleidbaarheidsniveau van halfgeleiders is afhankelijk vanlegeringsniveau. Zonder doping zien ze er bijna uit als isolatoren, wat hetzelfde is voor elektrolyten. Het ρ-niveau van materialen loopt sterk uiteen.
| Apparatuurcategorieën en materiaalsoort | Weerstandsgebied van de meest voorkomende materialen, afhankelijk van ρ |
| Elektrolyten | Variabel |
| Isolatoren | ~ 10 ^ 16 |
| Metalen | ~ 10 ^ -8 |
| Halfgeleiders | Variabel |
| Supergeleiders | 0 |
In de meeste gevallen neemt de weerstand toemet temperatuur. Als gevolg hiervan wordt het noodzakelijk om de temperatuurafhankelijkheid van weerstand te begrijpen. De reden voor de temperatuurcoëfficiënt van weerstand in een geleider kan intuïtief worden uitgelegd. De weerstand van een materiaal is afhankelijk van een aantal verschijnselen. Een daarvan is het aantal botsingen dat optreedt tussen ladingsdragers en atomen in een materiaal. De soortelijke weerstand van de geleider neemt toe met toenemende temperatuur, naarmate het aantal botsingen toeneemt.
Dit hoeft niet altijd het geval te zijn, en is te wijten aan het feit dat metbij een temperatuurstijging komen extra ladingsdragers vrij, wat zal leiden tot een afname van de soortelijke weerstand van de materialen. Dit effect wordt vaak gezien in halfgeleidermaterialen.
Bij het beschouwen van de temperatuurafhankelijkheidweerstand wordt algemeen beschouwd als een lineaire temperatuurcoëfficiënt. Dit geldt voor kamertemperatuur en voor metalen en vele andere materialen. Het is echter gebleken dat de weerstandseffecten als gevolg van het aantal botsingen niet altijd constant zijn, vooral bij zeer lage temperaturen (fenomeen van supergeleiding).
De weerstand van een geleider bij een bepaalde temperatuur kan worden berekend uit de temperatuurwaarde en de temperatuurcoëfficiënt van weerstand.
R = Rref * (1+ α (T- Tref)), waarbij:
Temperatuurweerstandscoëfficiënt, meestal gestandaardiseerd op een temperatuur van 20 ° C. Dienovereenkomstig is de vergelijking die in praktische zin vaak wordt gebruikt:
R = R20 * (1+ α20 (T- T20)), waarbij:
De onderstaande weerstandstabel bevatveel van de stoffen die vaak in de elektrotechniek worden gebruikt, waaronder koper, aluminium, goud en zilver. Deze eigenschappen zijn vooral belangrijk omdat ze bepalen of een stof kan worden gebruikt om een breed scala aan elektrische en elektronische componenten te maken, van draden tot complexere apparaten zoals weerstanden, potentiometers en vele andere.
| Weerstandstabel van verschillende materialen bij een buitentemperatuur van 20 ° C | |
| materialen | OM-bestendigheid bij 20 ° C |
| aluminium | 2,8 x 10 -8 |
| Antimoon | 3,9 x 10 -7 |
| Bismut | 1,3 x 10 -6 |
| Messing | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Cadmium | 6 x 10 -8 |
| kobalt | 5,6 x 10 -8 |
| koperen | 1,7 × 10 -8 |
| goud | 2,4 x 10 -8 |
| Koolstof (grafiet) | 1 x 10 -5 |
| Germanium | 4,6 x 10 -1 |
| ijzer | 1,0 x 10 -7 |
| Lood | 1,9 × 10 -7 |
| Nichrome | 1,1 × 10 -6 |
| Nikkel | 7 x 10 -8 |
| Palladium | 1,0 x 10 -7 |
| Platina | 0,98 × 10 -7 |
| Kwarts | 7 x 10 17 |
| silicium | 6,4 × 10 2 |
| Zilver | 1,6 x 10 -8 |
| Tantaal | 1,3 x 10 -7 |
| Wolfraam | 4,9 x 10 -8 |
| zink | 5,5 x 10 -8 |
Geleiders zijn samengesteld uit materialen diegeleid een elektrische stroom. Niet-magnetische metalen worden algemeen beschouwd als ideale geleiders van elektriciteit. In de draad- en kabelindustrie wordt een verscheidenheid aan metalen geleiders gebruikt, maar de meest voorkomende zijn koper en aluminium. Geleiders hebben verschillende eigenschappen, zoals geleidbaarheid, treksterkte, gewicht en milieu-impact.
De soortelijke weerstand van een koperen geleider is veelvaker gebruikt bij kabelproductie dan aluminium. Bijna alle elektronische kabels zijn gemaakt van koper, net als andere apparaten en apparatuur die koper met een hoge geleidbaarheid gebruiken. Koperen geleiders worden ook veel gebruikt in stroomdistributie en stroomopwekking in de automobielsector. Om gewicht en kosten te besparen, gebruiken transmissiebedrijven aluminium in bovengrondse transmissielijnen.
Aluminium wordt gebruikt in industrieën waar het belangrijk islichtheid, zoals vliegtuigbouw, zal naar verwachting in de toekomst het gebruik ervan in de auto-industrie toenemen. Voor grotere kabels wordt met koper beklede aluminiumdraad gebruikt om de soortelijke weerstand van het koper te benutten, waardoor aanzienlijke structurele gewichtsbesparingen worden behaald door lichtgewicht aluminium.
Koper is een van de oudst bekende materialen. De plasticiteit en elektrische geleidbaarheid werden uitgebuit door vroege elektrische experimentatoren zoals Ben Franklin en Michael Faraday. De lage ρ van kopermaterialen heeft ertoe geleid dat het is aangenomen als de primaire geleiders die worden gebruikt in uitvindingen zoals de telegraaf, telefoon en elektromotor. Koper is het meest voorkomende geleidende metaal. In 1913 werd de International Standard for Annealing Copper (IACS) aangenomen om de geleidbaarheid van andere metalen te vergelijken met koper.
Volgens deze norm commercieel puurgegloeid koper heeft een geleidbaarheid van 100% IACS. De soortelijke weerstand van de materialen wordt vergeleken met de referentie. Commercieel zuiver koper dat tegenwoordig wordt geproduceerd, kan hogere IACS-geleidbaarheidswaarden hebben, aangezien de verwerkingstechnologie in de loop van de tijd aanzienlijk is vooruitgegaan. Naast het uitstekende geleidingsvermogen van koper, heeft het metaal een hoge treksterkte, thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting. Gegloeid koperdraad dat voor elektrische doeleinden wordt gebruikt, voldoet aan alle eisen van de norm.
Ondanks dat koper een lange geschiedenis kentAls materiaal voor energieopwekking heeft aluminium bepaalde voordelen die het aantrekkelijk maken voor een specifieke toepassing, en de huidige soortelijke weerstand maakt het mogelijk om het toepassingsgebied vele malen uit te breiden. Aluminium heeft 61% kopergeleiding en slechts 30% koper per gewicht. Dit betekent dat een aluminiumdraad half zo zwaar weegt als een koperdraad met dezelfde elektrische weerstand.
Aluminium is over het algemeen minder duur dankoperen geleider. Aluminium geleiders zijn samengesteld uit verschillende legeringen en hebben een aluminiumgehalte van minimaal 99,5%. In de jaren zestig en zeventig werd deze klasse van aluminium, vanwege de hoge koperprijs, op grote schaal gebruikt voor huishoudelijke elektrische bedrading.
Vanwege de slechte kwaliteit van de afwerking,verbindingen en fysieke verschillen tussen aluminium en koper, apparaten en draden die zijn gemaakt op basis van hun verbindingen, op de plaatsen van koper-aluminium contacten, zijn brandgevaarlijk geworden. Om het negatieve proces tegen te gaan, zijn aluminiumlegeringen ontwikkeld met kruip- en rekeigenschappen die meer lijken op koper. Deze legeringen worden gebruikt voor de fabricage van geslagen aluminiumdraden, waarvan de huidige soortelijke weerstand aanvaardbaar is voor massaal gebruik en voldoet aan de veiligheidseisen voor elektrische netwerken.
Als aluminium wordt gebruikt in gebieden waar voorheen koper werd gebruikt, is het om dezelfde netwerkprestaties te behouden noodzakelijk om aluminiumdraad te gebruiken die tweemaal zo groot is als de koperdraad.
Veel van de materialen in de tabelweerstand, veel gebruikt in elektronica. Aluminium en vooral koper worden gebruikt vanwege hun lage weerstandsniveau. De meeste draden en kabels die tegenwoordig voor elektrische verbindingen worden gebruikt, zijn gemaakt van koper omdat het een lage ρ biedt en betaalbaar is. De goede geleidbaarheid van goud, ondanks zijn prijs, wordt ook gebruikt in sommige zeer nauwkeurige instrumenten.
Gold plating is vaak te vinden ophoogwaardige laagspanningsverbindingen waarbij het de taak is om de laagste contactweerstand te bieden. Zilver wordt niet veel gebruikt in de industriële elektrotechniek, omdat het snel oxideert en dit leidt tot een hoge contactweerstand. In sommige gevallen kan het oxide als gelijkrichter werken. Tantaalweerstand wordt gebruikt in condensatoren, nikkel en palladium worden gebruikt in eindverbindingen voor veel componenten voor opbouwmontage. Kwarts vindt zijn voornaamste toepassing als piëzo-elektrisch resonantie-element. Kwartskristallen worden in veel oscillatoren als frequentie-elementen gebruikt, waar de hoge waarde betrouwbare frequentielussen mogelijk maakt.
