Удельное сопротивление металлов и сплавов (при 20° C)
Каждое тело, через которое пропускается электрический ток, автоматически оказывает ему определенное сопротивление. Свойство проводника противостоять электрическому току принято называть электрическим сопротивлением.
Рассмотрим электронную теорию данного явления. При движении по проводнику свободные электроны постоянно встречают на своем пути другие электроны и атомы. Взаимодействуя с ними, свободный электрон теряет часть своего заряда. Таким образом, электроны сталкиваются с сопротивлением со стороны материала проводника. Каждое тело имеет свою атомную структуру, которая оказывает электрическому току разное сопротивление. Единицей сопротивления принято считать Ом. Обозначается сопротивление материалов — R или r.
Чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через это тело. И наоборот: чем выше сопротивление, тем хуже тело проводит электрический ток.
Сопротивление каждого отдельно взятого проводника зависит от свойств материала, из которого он изготовлен. Для точной характеристики электрического сопротивления того или иного материала было введено понятие — удельное сопротивление (нихрома, алюминия ). Удельным считается сопротивление проводника длиной до 1 м, сечение которого — 1 кв. мм. Этот показатель обозначается буквой p. Каждый материал, использующийся в производстве проводника, обладает своим удельным сопротивлением. Для примера рассмотрим удельное сопротивление нихрома и фехрали (более 3 мм):
- Х15Н60 — 1.13 Ом*мм/м
- Х23Ю5Т — 1.39 Ом*мм/м
- Х20Н80 — 1.12 Ом*мм/м
- ХН70Ю — 1.30 Ом*мм/м
- ХН20ЮС — 1.02 Ом*мм/м
Удельное сопротивление нихрома, фехрали указывает на основную сферу их применения: изготовление аппаратов теплового действия, бытовых приборов и электронагревательных элементов промышленных печей.
Поскольку нихром и фехраль преимущественно используются в производстве нагревательных элементов, то самая распространенная продукция — нихромовая нить, лента, полоса Х15Н60 и Х20Н80, а также фехралевая проволока Х23Ю5Т.
Что такое удельное сопротивление
В любом проводнике электрический ток возникает, если заряженные частицы начинают двигаться в определенном направлении. На прохождение тока влияют физические и химические свойства вещества. Оцениваются эти свойства электрическим сопротивлением.
Зависимость электросопротивления от характеристик проводника
Физический смысл удельного сопротивления
Чтобы понять, что собой представляет удельное электрическое сопротивление, представим сначала проводник определенной длины L и площадью поперечного сечения S. Если его подключить к источнику напряжения, то через него начнет протекать ток I.
Пример с проводником
Если известны параметры тока и напряжения, то с лёгкостью можно найти сопротивление R через закон Ома:
Формула, выражающая закон Ома
Однако, зависит ли R только от U и I? Конечно, нет. Оно еще зависит от длины и площади поперечного сечения проводника:
Связь сопротивления с длиной и площадью
Следовательно, R проводника прямо пропорционально L и обратно пропорционально S. Но нам нужно заменить знак пропорциональности (~) на знак равенства. Для этого вводим величину, которая будет являться коэффициентом пропорциональности или, иначе говоря, удельным сопротивлением. Его принято обозначать буквой буквой ρ (ро). Формула после подстановки этого параметра приобретает вид:
Введение в формулу УС
Определение удельного сопротивления проводников формулируется следующим образом: ρ — это сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 кв. мм. Единица его измерения — Ом*м . Но площадь сечения обычно указывают в квадратных миллиметрах, поэтому на практике в качестве единицы измерения используют Ом*мм 2 /м.
Физический смысл УС
Как определяется
В металлических проводниках заряд переносят свободные электроны. Если исходить из того, что у каждого металла своя кристаллическая решетка и свое количество носителей заряда, то становится понятно, почему удельное сопротивление проводника зависит от рода материала. Оно также зависит от длины и площади сечения. Поэтому, чтобы найти ρ, можно воспользоваться формулой:
Формула УС
Но лучше обратиться к специальной литературе, где есть таблица удельного сопротивления электрических проводников. В ней указаны, выведенные экспериментальным путём, значения УС различных электротехнических материалов.
УС некоторых материалов
Как видно из таблицы, удельное сопротивление у всех металлов разное. Например, удельное электрическое сопротивление стали колеблется от 0.103 до 0.137 Ом*мм 2 /м, а для железа оно составляет 0.1, серебра — 0.015 Ом*мм 2 /м и это самое маленькое значение. Один из самых больших показателей у графита — 13 Ом*мм 2 /м.
Отдельно хотелось бы отметить никелин и константан. Эти материалы входят в группу сплавов, а УС любого сплава на порядок выше, чем у чистого материала. Но есть некоторые нюансы: удельное сопротивление никелина и константана может меняться, в зависимости от химического состава сплава, а вот от температуры оно не зависит. Чего не скажешь об УС металлов.
Зависимость УС от температуры
Кроме того, удельное сопротивление стали, никеля, вольфрама и других металлов может изменяться под воздействием внешней силы, то есть, когда металл сгибают, скручивают или растягивают.
Для изготовления проводников часто используют алюминий (Al). Удельное сопротивление алюминия составляет 0.028 Ом*мм 2 /м, поэтому он хорошо проводит электрический ток. Еще лучше это делает медь (Cu). Провода из этого материала пользуются большой популярностью. Если сравнивать удельное электрическое сопротивление меди и алюминия, то у меди оно меньше (0.0175), поэтому электропроводность у Cu выше, чем у Al. Плюс ко всему медь достаточно дешёвый материал.
Таблицей следует воспользоваться, если необходимо узнать электрическое сопротивление R металлической проволоки. Допустим, длина никелевой проволоки составляет 10 метров, площадь ее поперечного сечения — S = 2 . Чтобы узнать R, необходимо воспользоваться формулой:
Определение УС
Из таблицы находим УС никеля — 0.087 Ом*мм 2 /м. Тогда подставив значения, получим
Окончательный результат
Таким образом, найдено, что R никелевой проволоки длиной 10 метров будет равняться 0.4 Ом.
Объемное и поверхностное сопротивление
Свойство диэлектриков препятствовать прохождению тока выражается через такие понятия, как объёмное и поверхностное УС. Удельное объёмное сопротивление характеризирует способность прохождения тока через объём материала, а поверхностное показывает, насколько поверхность какого-либо предмета, изготовленного из диэлектрика, способна проводить ток. Удельное поверхностное сопротивление меняет свое значение в зависимости от химического состава материала, присутствия или отсутствия влаги на поверхности, ее температуры и приложенного напряжения.
Определение поверхностного УС
Объемное УС по величине равно сопротивлению куба с ребром 1 метр и изготовленного из какого-либо диэлектрика, когда через 2 его противоположные грани протекает постоянный ток.
Определение и поверхностного, и объемного УС осуществляется экспериментальным путем.
От чего зависит удельное сопротивление проводника
Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая характеризует способность материала препятствовать прохождению электрического тока. Удельное сопротивление зависит от температуры, длины и площади поперечного сечения проводника.
Удельное сопротивление различных проводников может сильно отличаться. Например, у серебра, которое является самым лучшим проводником, удельное сопротивление равно 0,015 Ом·мм 2 /м, а у ртути, которая является самым плохим проводником, удельное сопротивление равно 0,94 Ом·мм 2 /м. В таблице ниже приведены значения удельных сопротивлений некоторых металлов при температуре 20 °C.
| Металл | Удельное сопротивление, Ом·мм 2 /м |
| Серебро | 0,015 |
| Медь | 0,0175 |
| Золото | 0,023 |
| Алюминий | 0,028 |
| Магний | 0,045 |
| Цинк | 0,054 |
| Молибден | 0,059 |
| Вольфрам | 0,05 |
| Платина | 0,107 |
| Железо | 0,1 |
Удельное сопротивление проводников меняется с температурой. Для большинства металлов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов усиливает рассеяние электронов.
Для некоторых сплавов, таких как константан и манганин, удельное сопротивление практически не зависит от температуры, поэтому они используются для изготовления точных резисторов и термопар.
Для полупроводников и диэлектриков удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры, так как тепловое движение атомов увеличивает количество свободных носителей заряда.
Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.
Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.
Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.
Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.
Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.
Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.
Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.
Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.
Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.
Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.
Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.
Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).
Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.
Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.
Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.
Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.
Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ
Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.
У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.
При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.
У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.
Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.
Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.
Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.
В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Удельное сопротивление (при 20° C)
Рассмотрим электронную теорию данного явления. При движении по проводнику свободные электроны постоянно встречают на своем пути другие электроны и атомы. Взаимодействуя с ними, свободный электрон теряет часть своего заряда. Таким образом, электроны сталкиваются с сопротивлением со стороны материала проводника. Каждое тело имеет свою атомную структуру, которая оказывает электрическому току разное сопротивление. Единицей сопротивления принято считать Ом.
Сопротивление каждого отдельно взятого проводника (обозначается R или r.) зависит от свойств материала, из которого он изготовлен. Для точной характеристики электрического сопротивления того или иного материала было введено понятие — удельное сопротивление (нихрома, алюминия ). Удельным считается сопротивление проводника длиной до 1 м, сечение которого — 1 кв. мм. Этот показатель обозначается буквой p. Каждый материал, использующийся в производстве проводника, обладает своим удельным сопротивлением. Для примера рассмотрим удельное сопротивление нихрома и фехрали.
- Х15Н60 — 1.13 Ом* мм 2 /м
- Х23Ю5Т — 1.39 Ом* мм 2 /м
- Х20Н80 — 1.12 Ом* мм 2 /м
- ХН70Ю — 1.30 Ом* мм 2 /м
- ХН20ЮС — 1.02 Ом* мм 2 /м
Применение
Высокий уровень удельное сопротивления нихрома, фехрали позволяет использовать эти материалы в произвгоодстве нагревательных элементов. Самая распространенная продукция — нихромовая нить, лента, полоса Х15Н60 и Х20Н80, а также фехралевая проволока Х23Ю5Т. для приборов теплового действия, бытовых приборов и электронагревательных элементов промышленных печей.