Kiedy mówią, że miedź jest cięższametal niż aluminium, a następnie porównaj ich gęstość. Podobnie, gdy mówią, że miedź jest lepszym przewodnikiem niż aluminium, porównuje się ich rezystywność (ρ), której wartość nie zależy od wielkości lub kształtu konkretnej próbki - tylko od samego materiału.
Opór jest miarą oporuprzewodność elektryczna dla danego rozmiaru materiału. Jego przeciwieństwem jest przewodnictwo elektryczne. Metale są dobrymi przewodnikami elektrycznymi (wysokie przewodnictwo i niskie ρ), podczas gdy niemetale są przeważnie złymi przewodnikami (niskie przewodnictwo i wysokie ρ).
Bardziej znany termiczny elektrycznyrezystancja mierzy, jak trudno jest materiałowi przewodzić prąd. Zależy to od rozmiaru części: opór jest większy dla dłuższego lub węższego odcinka materiału. Aby wyeliminować wpływ wielkości na rezystancję, stosuje się rezystancję właściwą drutu - jest to właściwość materiału, która nie zależy od wielkości. W przypadku większości materiałów odporność rośnie wraz z temperaturą. Wyjątkiem są półprzewodniki (na przykład krzem), w których maleje wraz z temperaturą.
Łatwość, z jaką materiał przewodzi ciepłomierzone przewodnością cieplną. W pierwszej ocenie dobre przewodniki elektryczne są również dobrymi przewodnikami termicznymi. Rezystancja jest oznaczona przez r, a jej jednostką miary jest omomierz. Rezystancja czystej miedzi wynosi 1,7 × 10 −8 Ω. Jest to bardzo mała liczba - 0,000 000 017 Ohm sugeruje, że metr sześcienny miedzi nie ma praktycznie żadnego oporu. Im niższa rezystywność (omomierz lub om), tym lepiej materiał jest wykorzystywany w okablowaniu elektrycznym. Rezystancja to odwrotna strona przewodności.
Często wartość rezystancji materiałustosowany do klasyfikacji jako przewodnik, półprzewodnik lub izolator. Elementy stałe są klasyfikowane jako izolatory, półprzewodniki lub przewodniki według ich „rezystancji statycznej” w układzie okresowym pierwiastków. Rezystywność w izolatorze, półprzewodniku lub materiale przewodzącym jest główną właściwością rozważaną do stosowania w elektrotechnice.
Tabela pokazuje niektóre dane dotyczące ρ, σ i współczynników temperaturowych. W przypadku metali odporność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku półprzewodników i wielu izolatorów sytuacja jest odwrotna.
| Materiał | ρ (Ωm) w 20 ° C | σ (S / m) w 20 ° C | Współczynnik temperaturowy (1 / ° C) x10 ^ -3 |
| Srebrny | 1,59 × 10 -8 | 6,30 × 10 7 | 3,8 |
| Miedź | 1,68 × 10 -8 | 5,96 × 10 7 | 3,9 |
| Złoto | 2,44 × 10 -8 | 4,10 × 10 7 | 3,4 |
| Aluminium | 2,82 × 10 -8 | 3,5 × 10 7 | 3,9 |
| Wolfram | 5,60 × 10 -8 | 1,79 × 10 7 | 4.5 |
| Cynk | 5,90 × 10 -8 | 1,69 × 10 7 | 3,7 |
| Nikiel | 6,99 × 10 -8 | 1,43 × 10 7 | 6 |
| Lit | 9,28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Żelazo | 1,0 × 10 -7 | 1,00 × 10 7 | 5 |
| Platyna | 1,06 × 10 -7 | 9,43 × 10 6 | 3,9 |
| Ołów | 2,2 × 10 -7 | 4,55 × 10 6 | 3,9 |
| Constantan | 4,9 x 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0,008 |
| Rtęć | 9,8 × 10 -7 | 1,02 × 10 6 | 0.9 |
| Nichrom | 1,10 × 10 -6 | 9,09 × 10 5 | 0,4 |
| Węgiel (bezpostaciowy) | 5 × 10 -4 aż do 8 × 10 -4 | 1,25-2 × 10 3 | -0,5 |
Dla dowolnej temperatury możemy obliczyć opór elektryczny obiektu w omach, korzystając z następującego wzoru.
W tej formule:
Oporność właściwa jest równa pewnej liczbie omomierzy. Pomimo faktu, że jednostką ρ w układzie SI jest zwykle omomierz, czasami stosuje się wymiar om na centymetr.
Opór materiału zależy od wielkości pola elektrycznego w poprzek, co daje określoną gęstość prądu.
ρ = E / J, gdzie:
Jak określić rezystywność?Wiele rezystorów i przewodników ma jednolity przekrój poprzeczny przy równomiernym przepływie prądu elektrycznego. Dlatego istnieje bardziej szczegółowe, ale szerzej stosowane równanie.
ρ = R * A / J, gdzie:
Opór elektryczny materiału jest również znany jakookreślony opór elektryczny. Wskazuje to, jak bardzo materiał jest odporny na przepływ prądu elektrycznego. Można go wyznaczyć, dzieląc opór przez jednostkę długości i przez jednostkę pola przekroju poprzecznego dla określonego materiału w danej temperaturze.
Oznacza to, że niskie ρ wskazuje na materiałco umożliwia łatwe przemieszczanie się elektronów. I odwrotnie, materiał o wysokim ρ będzie miał duży opór i utrudni przepływ elektronów. Elementy takie jak miedź i aluminium są znane z niskiego ρ. Srebro, aw szczególności złoto, mają bardzo niską wartość ρ, ale z oczywistych powodów ich użycie jest ograniczone.
Materiały są umieszczane w różnych kategoriach w zależności od ich wartości ρ. Podsumowanie przedstawiono w poniższej tabeli.
Poziom przewodnictwa półprzewodników zależy odpoziom stopu. Bez domieszkowania wyglądają prawie jak izolatory, tak samo jak w przypadku elektrolitów. Poziom materiałów ρ jest bardzo zróżnicowany.
| Kategorie wyposażenia i rodzaj materiałów | Obszar rezystywności najczęściej stosowanych materiałów w zależności od ρ |
| Elektrolity | Zmienna |
| Izolatory | ~ 10 ^ 16 |
| Metale | ~ 10 ^ -8 |
| Półprzewodniki | Zmienna |
| Nadprzewodniki | 0 |
W większości przypadków opór wzrastaz temperaturą. W rezultacie konieczne staje się zrozumienie zależności oporu od temperatury. Przyczynę występowania współczynnika temperaturowego oporu w przewodniku można wyjaśnić intuicyjnie. Odporność materiału zależy od wielu zjawisk. Jednym z nich jest liczba zderzeń, które zachodzą między nośnikami ładunków a atomami w materiale. Oporność przewodnika będzie rosła wraz ze wzrostem temperatury, wraz ze wzrostem liczby zderzeń.
Nie zawsze tak jest, a wynika to z faktu, że w przypadkuwzrost temperatury uwalnia dodatkowe nośniki ładunku, co doprowadzi do spadku rezystywności materiałów. Efekt ten jest często widoczny w materiałach półprzewodnikowych.
Biorąc pod uwagę zależność od temperaturyrezystancja Współczynnik temperaturowy oporu jest ogólnie uważany za zgodny z prawem liniowym. Dotyczy to temperatury pokojowej oraz metali i wielu innych materiałów. Stwierdzono jednak, że efekty rezystancyjne wynikające z liczby zderzeń nie zawsze są stałe, zwłaszcza w bardzo niskich temperaturach (zjawisko nadprzewodnictwa).
Opór przewodnika w dowolnej temperaturze można obliczyć na podstawie wartości temperatury i jej temperaturowego współczynnika rezystancji.
R = Rref * (1+ α (T- Tref)), gdzie:
Współczynnik temperaturowy rezystancji, zwykle znormalizowany do temperatury 20 ° C. W związku z tym równanie powszechnie używane w sensie praktycznym to:
R = R20 * (1+ α20 (T-T20)), gdzie:
Poniższa tabela odporności zawierawiele substancji powszechnie stosowanych w elektrotechnice, w tym miedź, aluminium, złoto i srebro. Właściwości te są szczególnie ważne, ponieważ decydują o tym, czy dana substancja może być stosowana do produkcji szerokiej gamy komponentów elektrycznych i elektronicznych, od przewodów po bardziej złożone urządzenia, takie jak rezystory, potencjometry i wiele innych.
| Tabela oporności różnych materiałów przy temperaturze zewnętrznej 20 ° C | |
| Materiały | Odporność na OM w 20 ° C |
| Aluminium | 2,8 x 10 -8 |
| Antymon | 3,9 × 10 -7 |
| Bizmut | 1,3 x 10 -6 |
| Mosiądz | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Kadm | 6 x 10 -8 |
| Kobalt | 5,6 × 10 -8 |
| Miedź | 1,7 × 10 -8 |
| Złoto | 2,4 x 10 -8 |
| Węgiel (grafit) | 1 x 10 -5 |
| German | 4,6 x 10 -1 |
| Żelazo | 1,0 x 10 -7 |
| Ołów | 1,9 × 10 -7 |
| Nichrom | 1,1 × 10 -6 |
| Nikiel | 7 x 10 -8 |
| Paladium | 1,0 x 10 -7 |
| Platyna | 0,98 x 10 -7 |
| Kwarc | 7 x 10 17 |
| Krzem | 6,4 x 10 2 |
| Srebro | 1,6 x 10 -8 |
| Tantal | 1,3 x 10 -7 |
| Wolfram | 4,9 x 10 -8 |
| Cynk | 5,5 x 10 -8 |
Przewodniki składają się z materiałów, któreprzewodzić prąd elektryczny. Metale niemagnetyczne są ogólnie uważane za idealne przewodniki elektryczności. W przemyśle drutowym i kablowym stosuje się różne przewodniki metalowe, ale najczęściej są to miedź i aluminium. Przewodniki mają różne właściwości, takie jak przewodnictwo, wytrzymałość na rozciąganie, ciężar i wpływ na środowisko.
Oporność przewodnika miedzianego jest dużaczęściej stosowany w produkcji kabli niż aluminium. Prawie wszystkie kable elektroniczne są wykonane z miedzi, podobnie jak inne urządzenia i sprzęt wykorzystujący wysoką przewodność miedzi. Przewodniki miedziane są również szeroko stosowane w dystrybucji i wytwarzaniu energii, w motoryzacji. Aby zaoszczędzić na wadze i kosztach, firmy przesyłowe używają aluminium w napowietrznych liniach przesyłowych.
Aluminium jest używane w branżach, w których jest ważnelekkość, jaką jest konstrukcja samolotów, oczekuje się w przyszłości zwiększenia jej wykorzystania w przemyśle motoryzacyjnym. W przypadku kabli o większej mocy stosuje się drut aluminiowy pokryty miedzią, aby wykorzystać rezystywność miedzi, uzyskując znaczną oszczędność masy strukturalnej dzięki lekkiemu aluminium.
Miedź jest jednym z najstarszych znanych materiałów.Jego plastyczność i przewodnictwo elektryczne były wykorzystywane przez wczesnych eksperymentatorów elektrycznych, takich jak Ben Franklin i Michael Faraday. Niskie ρ materiałów miedzianych doprowadziło do przyjęcia go jako głównych przewodników wykorzystywanych w wynalazkach, takich jak telegraf, telefon i silnik elektryczny. Miedź jest najpowszechniejszym metalem przewodzącym. W 1913 r. Przyjęto międzynarodowy standard miedzi do wyżarzania (IACS) w celu porównania przewodnictwa innych metali z miedzią.
Zgodnie z tym standardem, handlowo czystywyżarzona miedź ma przewodność 100% IACS. Oporność materiałów jest porównywana z wzorcem. Produkowana obecnie na rynku czysta miedź może mieć wyższe wartości przewodnictwa IACS, ponieważ technologia przetwarzania znacznie się rozwinęła w czasie. Oprócz doskonałej przewodności miedzi metal ten ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie, przewodność cieplną i rozszerzalność cieplną. Drut miedziany wyżarzony używany do celów elektrycznych spełnia wszystkie wymagania normy.
Pomimo faktu, że miedź ma długą historięJako materiał do wytwarzania energii, aluminium ma pewne zalety, które czynią go atrakcyjnym dla konkretnego zastosowania, a jego obecna rezystywność pozwala na wielokrotne poszerzanie obszaru jego zastosowania. Aluminium ma przewodność 61% miedzi i tylko 30% masy miedzi. Oznacza to, że drut aluminiowy waży połowę mniej niż drut miedziany, przy takim samym oporze elektrycznym.
Aluminium jest ogólnie tańsze w porównaniu doprzewodnik miedziany. Przewodniki aluminiowe składają się z różnych stopów i mają minimalną zawartość aluminium 99,5%. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, ze względu na wysoką cenę miedzi, ta klasa aluminium stała się szeroko stosowana w domowych instalacjach elektrycznych.
Ze względu na niską jakość wykonania,połączenia i fizyczne różnice między aluminium a miedzią, urządzeniami i przewodami wykonanymi na ich podstawie, w miejscach styku miedziano-aluminiowego, stały się niebezpieczne pożarowo. Aby przeciwdziałać negatywnemu procesowi, opracowano stopy aluminium o właściwościach pełzania i wydłużania bardziej zbliżonych do miedzi. Stopy te są używane do produkcji skręcanych drutów aluminiowych, których aktualna rezystywność jest dopuszczalna do użytku masowego, spełniając wymagania bezpieczeństwa dla sieci elektrycznych.
W przypadku stosowania aluminium w miejscach, w których wcześniej stosowano miedź, w celu zachowania tej samej wydajności sieci konieczne jest zastosowanie drutu aluminiowego dwukrotnie większego od drutu miedzianego.
Wiele materiałów znalezionych w tabelirezystywność, szeroko stosowana w elektronice. Ze względu na niski poziom rezystancji stosuje się aluminium, a zwłaszcza miedź. Większość drutów i kabli używanych obecnie do połączeń elektrycznych jest wykonana z miedzi, ponieważ zapewnia ona niskie ρ i jest przystępna cenowo. Dobre przewodnictwo złota, pomimo ceny, jest również wykorzystywane w niektórych precyzyjnych instrumentach.
Często spotyka się złoceniewysokiej jakości połączenia niskonapięciowe, których zadaniem jest zapewnienie najniższej rezystancji styku. Srebro nie jest szeroko stosowane w elektrotechnice przemysłowej, ponieważ szybko się utlenia, co powoduje wysoką rezystancję styku. W niektórych przypadkach tlenek może działać jako prostownik. Opór tantalu jest stosowany w kondensatorach, niklu i palladzie w połączeniach końcowych wielu elementów do montażu powierzchniowego. Kwarc znajduje swoje główne zastosowanie jako piezoelektryczny element rezonansowy. Kryształy kwarcu są wykorzystywane jako elementy częstotliwościowe w wielu oscylatorach, gdzie ich wysoka wartość pozwala na uzyskanie niezawodnych pętli częstotliwości.
