Когда говорят, что медь является более тяжелым металлом, чем алюминий, то сравнивают их плотности. Аналогичным образом, когда говорят, что медь является лучшим проводником, чем алюминий, сравнивают их удельное сопротивление (ρ), значение которых не зависит от размера или формы конкретного образца — только от самого материала.
Теоретическое обоснование
Резистентность является мерой сопротивления электрической проводимости для заданного размера материала. Ее противоположность - электрическая проводимость. Металлы - хорошие электрические проводники (высокая проводимость и низкое значение ρ), в то время как неметаллы в основном являются плохими проводниками (низкая проводимость и высокое значение ρ).
Более знакомое термическое электрическое сопротивление измеряет, насколько трудно материалу проводить электричество. Это зависит от размера детали: сопротивление выше для более длинного или более узкого участка материала. Чтобы устранить эффект размера от сопротивления, используется удельное сопротивление провода - это материальное свойство, которое не зависит от размера. Для большинства материалов сопротивление увеличивается с температурой. Исключением являются полупроводники (например, кремний), в которых оно уменьшается с температурой.
Легкость, с которой материал проводит тепло, измеряется теплопроводностью. В качестве первой оценки хорошие электрические проводники также являются хорошими тепловыми проводниками. Сопротивление обозначается символом r, а его единица измерения — омметр. Сопротивление чистой меди составляет 1,7 × 10 -8 Ом. Это очень небольшое число - 0,000 000 017 Ом говорит о том, что кубический метр меди практически не оказывает сопротивление. Чем меньше удельное сопротивление (омметр или Ωm), тем лучше материал используется в электропроводке. Сопротивление — это обратная сторона проводимости.
Классификация материалов
Величина сопротивления материала часто используется для классификации в качестве проводника, полупроводника или изолятора. Твердые элементы классифицируются как изоляторы, полупроводники или проводники по их «статическому сопротивлению» в периодической таблице элементов. Удельное сопротивление в изоляторе, полупроводнике или проводящем материале является основным свойством, которое учитывается для применения в электротехнике.
В таблице показаны некоторые данные ρ, σ и температурных коэффициентов. Для металлов сопротивление возрастает по мере увеличения температуры. Для полупроводников и многих изоляторов верно обратное.
| Материал | ρ (Ωm) при 20 ° C | σ (S / m) при 20 ° C | Температурный коэффициент (1 / ° C) x10 ^ -3 |
| Серебро | 1,59 × 10 -8 | 6,30 × 10 7 | 3,8 |
| Медь | 1,68 × 10 -8 | 5,96 × 10 7 | 3,9 |
| Золото | 2,44 × 10 -8 | 4,10 × 10 7 | 3,4 |
| Алюминий | 2,82 × 10 -8 | 3,5 × 10 7 | 3,9 |
| Вольфрам | 5,60 × 10 -8 | 1,79 × 10 7 | 4.5 |
| Цинк | 5,90 × 10 -8 | 1,69 × 10 7 | 3,7 |
| Никель | 6,99 × 10 -8 | 1,43 × 10 7 | 6 |
| Литий | 9,28 × 10 -8 | 1.08 × 10 7 | 6 |
| Железо | 1,0 × 10 -7 | 1,00 × 10 7 | 5 |
| Платиновый | 1,06 × 10 -7 | 9,43 × 10 6 | 3,9 |
| Свинец | 2,2 × 10 -7 | 4,55 × 10 6 | 3,9 |
| Константан | 4,9 × 10 -7 | 2.04 × 10 6 | 0,008 |
| Меркурий | 9,8 × 10 -7 | 1,02 × 10 6 | 0.9 |
| Нихром | 1.10 × 10 -6 | 9,09 × 10 5 | 0,4 |
| Углерод (аморфный) | 5 × 10 -4 до 8 × 10 -4 | 1,25-2 × 10 3 | -0,5 |
Расчет удельного сопротивления
Для любой заданной температуры мы можем вычислить электрическое сопротивление объекта в омах, используя следующую формулу.
В этой формуле:
- R - сопротивление объекта, в омах;
- ρ – сопротивление (удельное) материала, из которого изготовлен объект;
- L - длина объекта в метрах;
- A—площадь поперечного сечения объекта, в квадратных метрах.
Удельное сопротивление равно определенному количеству омметров. Несмотря на то, что единица ρ в системе СИ, как правило, омметр, иногда применяют размерность ом на сантиметр.
Сопротивление материала определяется по величине электрического поля по нему, что дает определенную плотность тока.
ρ = E/ J, где:
- ρ - в омметр;
- E - величина электрического поля в вольтах на метр;
- J - величина плотности тока в амперах на квадратный метр.
Как определить удельное сопротивление? Многие резисторы и проводники имеют равномерное поперечное сечение с равномерным потоком электрического тока. Поэтому существует более конкретное, но более широко используемое уравнение.
ρ = R*А/ J, где:
- R - сопротивление однородного образца материала, измеренного в омах;
- l - длина части материала, измеренная в метрах, м;
- A - площадь поперечного сечения образца, измеренная в квадратных метрах, м2.
Основы резистивности материалов
Электросопротивление материала также известно как удельное электрическое сопротивление. Это показатель того, насколько сильно материал противостоит потоку электрического тока. Определить его можно через деление сопротивления на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения, для конкретного материала при заданной температуре.
Это означает, что низкое ρ указывает на материал, который легко позволяет перемещать электроны. И наоборот, материал с высоким ρ будет иметь высокое сопротивление и препятствовать потоку электронов. Элементы, такие как медь и алюминий, известны своим низким уровнем ρ. Серебро и, в частности, золото имеют очень низкое значение ρ, но по очевидным причинам их использование ограничено.
Область резистивности
Материалы помещаются в разные категории в зависимости от их показателя ρ. Краткое изложение приведено в таблице ниже.
Уровень проводимости полупроводников зависит от уровня легирования. Без легирования они выглядят почти как изоляторы, что аналогично и для электролитов. Уровень ρ материалов изменяется в широких пределах.
| Категории оборудования и тип материалов | Область резистивности наиболее распространенных материалов в зависимости от ρ |
| Электролиты | Переменная |
| Изоляторы | ~ 10 ^ 16 |
| Металлы | ~ 10 ^ -8 |
| Полупроводники | Переменная |
| Сверхпроводники | 0 |
Температурный коэффициент сопротивления
В большинстве случаев сопротивление увеличивается с температурой. В результате возникает необходимость в понимании температурной зависимости сопротивления. Причина температурного коэффициента сопротивления в проводнике может быть обоснована интуитивно. Сопротивление материала имеет зависимость от ряда явлений. Одним из них является число столкновений, которые происходят между носителями заряда и атомами в материале. Удельное сопротивление проводника с ростом температуры будет расти, так как увеличивается число столкновений.
Это может быть не всегда, и вызвано тем, что с повышением температуры высвобождаются дополнительные носители заряда, что приведет к снижению удельного сопротивления материалов. Данный эффект часто наблюдается в полупроводниковых материалах.
При рассмотрении температурной зависимости сопротивления обычно считается, что температурный коэффициент сопротивления следует линейному закону. Это касается температуры в помещении и для металлов и многих других материалов. Однако было обнаружено, что эффекты сопротивления, возникающие в результате числа столкновений, не всегда постоянны, особенно при очень низких температурах (явление сверхпроводимости).
График температуры сопротивления
Сопротивление проводника при любой заданной температуре можно рассчитать по значению температуры и ее температурному коэффициенту сопротивления.
R= Rref*(1+ α (T- Tref)), где:
- R - сопротивление;
- Rref - сопротивление при эталонной температуре;
- α- температурный коэффициент сопротивления материала;
- Tref -эталонная температура, для которой указан температурный коэффициент.
Температурный коэффициент сопротивления, обычно стандартизованный относительно температуры 20 °C. Соответственно, уравнение, обычно используемое в практическом смысле:
R= R20*(1+ α20 (T- T20)), где:
- R20 = сопротивление при 20 °C;
- α20 - температурный коэффициент сопротивления при 20 °C;
- T20- температура равная 20 °C.
Сопротивление материалов при комнатной температуре
Таблица сопротивлений, приведенная ниже, содержит многие из веществ, широко используемых в электротехнике, включая медь, алюминий, золото и серебро. Эти свойства особенно важны потому, что определяют, может ли вещество использоваться при изготовлении широкого спектра электрических и электронных компонентов от проводов до более сложных устройств, таких как резисторы, потенциометры и многие другие.
| Таблица резистивности различных материалов при температуре наружного воздуха 20 ° C | |
| Материалы | Сопротивление ОМ при температуре 20 ° C |
| Алюминий | 2,8 x 10 -8 |
| Сурьма | 3,9 × 10 -7 |
| Висмут | 1,3 х 10 -6 |
| Латунь | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Кадмий | 6 x 10 -8 |
| Кобальт | 5,6 × 10 -8 |
| Медь | 1,7 × 10 -8 |
| Золото | 2,4 х 10 -8 |
| Углерод (графит) | 1 x 10 -5 |
| Германий | 4.6 x 10 -1 |
| Железо | 1.0 x 10 -7 |
| Свинец | 1,9 × 10 -7 |
| Нихром | 1,1 × 10 -6 |
| Никель | 7 x 10 -8 |
| Палладий | 1.0 x 10 -7 |
| Платиновый | 0,98 × 10 -7 |
| Кварцевый | 7 x 10 17 |
| Кремний | 6,4 × 10 2 |
| Серебряный | 1,6 × 10 -8 |
| Тантал | 1,3 х 10 -7 |
| Вольфрам | 4,9 х 10 -8 |
| Цинк | 5,5 x 10 -8 |
Сравнение проводимости меди и алюминия
Проводники состоят из материалов, которые проводят электрический ток. Немагнитные металлы обычно считаются идеальными проводниками электричества. В проводной и кабельной промышленности используются различные металлические проводники, но наиболее распространенными являются медь и алюминий. Проводники имеют разные свойства, такие как проводимость, прочность на растяжение, вес и воздействие на окружающую среду.
Удельное сопротивление проводника из меди гораздо чаще используется в производстве кабелей, чем алюминия. Почти все электронные кабели изготовлены из меди, как и другие устройства и оборудование, которые используют высокую проводимость меди. Медные проводники также широко используются в системах распределения и производства электроэнергии, автомобилестроения. Для экономии веса и затрат электропередающие предприятия используют алюминий в воздушных линиях электропередач.
Алюминий используется в отраслях, где важна его легковесность, таких как самолетостроение, в будущем ожидается увеличение применения его в автомобилестроении. Для более мощных кабелей применяют алюминиевую проволоку с медным покрытием, чтобы использовать удельное сопротивление меди, получая значительную экономию веса конструкции от легковесного алюминия.
Медные проводники
Медь — один из древнейших известных материалов. Ее пластичность и электропроводность были использованы ранними экспериментаторами с электричеством, такими, как Бен Франклин и Майкл Фарадей. Низкое ρ материалов меди привело к тому, что она были принята в качестве основных проводников, используемым в изобретениях, таких как телеграф, телефон и электродвигатель. Медь является наиболее распространенным проводящим металлом. В 1913 году был принят международный стандарт по прокаливанию меди (МАКО) для сравнения проводимости других металлов с медью.
Согласно этому стандарту, коммерчески чистая отожженная медь обладает проводимостью 100% IACS. Удельное сопротивление материалов сравнивают с эталоном. Коммерчески чистая медь, производимая сегодня, может иметь более высокие значения проводимости IACS, поскольку технология обработки со временем значительно шагнула вперед. В дополнение к превосходной проводимости меди, металл обладает высокой прочностью на растяжение, теплопроводностью и тепловым расширением. Отожженная медная проволока, используемая для электрических целей, соответствует всем требованиям стандарта.
Алюминиевые проводники
Несмотря на то, что медь имеет долгую историю в качестве материала для производства электроэнергии, алюминий обладает определенными преимуществами, которые делают его привлекательным для конкретного применения, а его удельное сопротивление тока позволяет расширить область его использования многократно. Алюминий имеет 61% проводимости меди и только 30% веса меди. Это означает, что провод из алюминия весит в два раза меньше, чем провод из меди, с таким же электрическим сопротивлением.
Алюминий, как правило, дешевле по сравнению с медной жилой. Алюминиевые проводники состоят из различных сплавов, имеют минимальное содержание алюминия 99,5%. В 1960-х и 1970-х годах из-за высокой цены на медь, этот класс алюминия стал широко использоваться для бытовой электропроводки.
Из-за низкого качества изготовления при соединениях и физических различий между алюминием и медью устройства и провода, изготовленные на базе их соединений, в местах контактов медь-алюминий стали пожароопасными. Для противодействия негативному процессу были разработаны алюминиевые сплавы, обладающие свойствами ползучести и удлинения, более похожими на медь. Эти сплавы применяются для изготовления многожильных алюминиевых проводов, удельное сопротивление тока которых приемлемо для массового использования, отвечающих требованиям безопасности для электрических сетей.
Если алюминий используется в местах, где ранее использовалась медь, чтобы сохранить равные показатели сети, приходится использовать алюминиевый провод в два раза превышающий размер медного провода.
Применение электропроводности материалов
Многие из материалов, найденных в таблице удельного сопротивления, широко используются в электронике. Алюминий и особенно медь используются из-за их низкого уровня сопротивления. Большинство проводов и кабелей, используемых в наши дни для соединений в электросетях, изготавливаются из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень ρ, и имеют доступную цену. Хорошая проводимость золота, несмотря на цену, также используется в некоторых особо точных приборах.
Часто покрытие золотом встречается на высококачественных низковольтных соединениях, где стоит задача обеспечить наименьшее контактное сопротивление. Серебро не так широко используется в промышленной электротехнике, так как оно быстро окисляется, и это приводит к большому контактному сопротивлению. В некоторых случаях оксид может выступать в качестве выпрямителя. Сопротивление тантала используют в конденсаторах, никель и палладий - в концевых соединениях для многих компонентов поверхностного монтажа. Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кристаллы кварца используются в качестве частотных элементах во многих генераторах, где его высокое значение позволяет создавать надежные частотные контуры.
