При нагряване се увеличава в резултат на увеличаване на скоростта на движение на атомите в материала на проводника с повишаване на температурата. Специфичното съпротивление на електролитите и въглищата при нагряване, напротив, намалява, тъй като в тези материали, в допълнение към увеличаването на скоростта на движение на атомите и молекулите, се увеличава броят на свободните електрони и йони на единица обем.

Някои сплави, които имат повече от съставните си метали, почти не променят своето съпротивление при нагряване (константан, манганин и др.). Това се обяснява с неправилната структура на сплавите и късия среден свободен път на електроните.

Стойността, показваща относителното увеличение на съпротивлението, когато материалът се нагрява с 1° (или намалява при охлаждане с 1°), се нарича.

Ако температурният коефициент се означи с α, съпротивлението при to = 20 o с ρ o, тогава, когато материалът се нагрее до температура t1, неговото съпротивление p1 = ρ o + αρ o (t1 - to) = ρ o(1 + (α (t1 -to))

и съответно R1 = Ro (1 + (α (t1 - до))

Температурният коефициент a за мед, алуминий, волфрам е 0,004 1/deg. Следователно при нагряване със 100° съпротивлението им се увеличава с 40%. За желязо α = 0,006 1/deg, за месинг α = 0,002 1/deg, за фехрал α = 0,0001 1/deg, за нихром α = 0,0002 1/deg, за константан α = 0,00001 1/deg, за манганин α = 0,00004 1/град. Въглищата и електролитите имат отрицателен температурен коефициент на съпротивление. Температурният коефициент за повечето електролити е приблизително 0,02 1/deg.

Използва се свойството на проводниците да променят съпротивлението си в зависимост от температурата съпротивителни термометри. Чрез измерване на съпротивлението температурата на околната среда се определя чрез изчисление.Константан, манганин и други сплави с много малък температурен коефициент на съпротивление се използват за производството на шунтове и допълнителни съпротивления към измервателни уреди.

Пример 1. Как ще се промени съпротивлението Ro на желязна тел, когато се нагрее до 520 °? Температурният коефициент a на желязото е 0,006 1/deg. Според формулата R1 = Ro + Ro α (t1 - to) = Ro + Ro 0,006 (520 - 20) = 4Ro, тоест съпротивлението на желязната тел при нагряване с 520 ° ще се увеличи 4 пъти.

Пример 2. Алуминиеви проводниципри температура -20° имат съпротивление 5 ома. Необходимо е да се определи устойчивостта им при температура 30°.

R2 = R1 - α R1(t2 - t1) = 5 + 0,004 x 5 (30 - (-20)) = 6 ома.

Свойството на материалите да променят своите електрическо съпротивлениеПри отопление или охлаждане се използва за измерване на температури. Така, термична устойчивост, които представляват проводници от платина или чист никел, претопени в кварц, се използват за измерване на температури от -200 до +600°. Използват се полупроводникови термични съпротивления с голям отрицателен коефициент точно определениетемператури в по-тесни граници.

Полупроводниковите термични съпротивления, използвани за измерване на температури, се наричат ​​термистори.

Термисторите имат висок отрицателен температурен коефициент на съпротивление, тоест при нагряване съпротивлението им намалява. направени от оксидни (подложени на окисляване) полупроводникови материали, състоящи се от смес от два или три метални оксида. Най-разпространени са медно-мангановите и кобалтово-мангановите термистори. Последните са по-чувствителни към температурата.

6.2. Електрическо съпротивление на проводниците. Промени в съпротивлението на проводника в зависимост от температурата и налягането. Свръхпроводимост

От израза става ясно, че електрическата проводимост на проводниците и, следователно, електрическото съпротивление и съпротивление зависят от материала на проводника и неговото състояние. Състоянието на проводника може да варира в зависимост от различни външни факториналягане (механично напрежение, външни сили, компресия, разтягане и др., т.е. фактори, влияещи върху кристалната структура на металните проводници) и температура.

Електрическото съпротивление на проводниците (съпротивление) зависи от формата, размера, материала на проводника, налягането и температурата:

. (6.21)

В този случай зависимостта на електрическото съпротивление на проводниците и съпротивлението на проводниците от температурата, както е установено експериментално, се описва от линейни закони:

; (6.22)

, (6.23)

където  t и  o, R t и R o са съответно специфични съпротивления и съпротивления на проводника при t = 0 o C;

или

. (6.24)

От формула (6.23), температурната зависимост на съпротивлението на проводниците се определя от отношенията:

, (6.25)

където Т е термодинамична температура.

Ж Зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата е показана на фигура 6.2. Графика на зависимостта на съпротивлението на металите от абсолютната температура T е представена на фигура 6.3.

СЪС Според класическата електронна теория на металите, в идеална кристална решетка (идеален проводник) електроните се движат, без да изпитват електрическо съпротивление ( = 0). От гледна точка на съвременните концепции, причините, причиняващи появата на електрическо съпротивление в металите, са чужди примеси и дефекти кристална решетка, както и топлинното движение на металните атоми, чиято амплитуда зависи от температурата.

Правилото на Матисен гласи, че зависимостта на електрическото съпротивление от температурата (T) е сложна функция, която се състои от два независими члена:

, (6.26)

където  ost – остатъчно съпротивление;

 id е идеалното съпротивление на метала, което съответства на съпротивлението на абсолютно чист метал и се определя само от топлинните вибрации на атомите.

Въз основа на формули (6.25), съпротивлението на идеалния метал трябва да клони към нула, когато T  0 (крива 1 на фиг. 6.3). Но съпротивлението като функция на температурата е сумата от независими членове  id и  rest. Следователно, поради наличието на примеси и други дефекти в кристалната решетка на метала, съпротивлението (T) с понижаване на температурата клони към някаква постоянна крайна стойност res (крива 2 на фиг. 6.3). Понякога преминавайки минимума, той леко се увеличава с по-нататъшно понижаване на температурата (крива 3 на фиг. 6.3). Стойността на остатъчното съпротивление зависи от наличието на дефекти в решетката и съдържанието на примеси и се увеличава с увеличаване на тяхната концентрация. Ако броят на примесите и дефектите в кристалната решетка се намали до минимум, тогава остава още един фактор, влияещ върху електрическото съпротивление на металите - топлинните вибрации на атомите, които според квантова механика, не спира дори при абсолютна нула температура. В резултат на тези вибрации решетката престава да бъде идеална и в пространството възникват променливи сили, чието действие води до разсейване на електрони, т.е. поява на резистентност.

Впоследствие беше открито, че съпротивлението на някои метали (Al, Pb, Zn и др.) И техните сплави при ниски температури T (0,1420 K), наречено критично, характерно за всяко вещество, рязко намалява до нула, т.е. . металът става абсолютен проводник. Това явление, наречено свръхпроводимост, е открито за първи път през 1911 г. от G. Kamerlingh Onnes за живак. Установено е, че при T = 4,2 K живакът очевидно напълно губи устойчивост на електрически ток. Намаляването на съпротивлението става много рязко в интервала от няколко стотни от градуса. Впоследствие се наблюдава загуба на устойчивост в други чисти вещества и в много сплави. Температурите на преход към свръхпроводящо състояние варират, но винаги са много ниски.

Вълнуващо електричествов пръстен от свръхпроводящ материал (например, използвайки електромагнитна индукция), може да се наблюдава, че силата му не намалява в продължение на няколко години. Това ни позволява да намерим горната граница на съпротивлението на свръхпроводниците (по-малко от 10 -25 Ohmm), което е много по-малко от съпротивлението на медта при ниски температури (10 -12 Ohmm). Следователно се приема, че електрическото съпротивление на свръхпроводниците е нула. Съпротивлението преди прехода към свръхпроводящо състояние може да бъде много различно. Много от свръхпроводниците стайна температураимат доста висока устойчивост. Преходът към свръхпроводящо състояние винаги става много рязко. В чистите монокристали той заема температурен диапазон, по-малък от една хилядна от градуса.

СЪС Сред чистите вещества алуминият, кадмият, цинкът, индият и галият проявяват свръхпроводимост. По време на изследването се оказа, че структурата на кристалната решетка, хомогенността и чистотата на материала оказват значително влияние върху характера на прехода към свръхпроводящо състояние. Това може да се види например на фигура 6.4, която показва експериментални криви на преход към свръхпроводящо състояние на калай с различна чистота (крива 1 - монокристален калай; 2 - поликристален калай; 3 - поликристален калай с примеси).

През 1914 г. K. Onnes открива, че свръхпроводящото състояние се унищожава от магнитно поле, когато магнитната индукция бнадхвърля някаква критична стойност. Критичната стойност на индукцията зависи от материала на свръхпроводника и температурата. Критичното поле, което разрушава свръхпроводимостта, може да бъде създадено и от самия свръхпроводящ ток. Следователно има критична сила на тока, при която свръхпроводимостта се унищожава.

През 1933 г. Майснер и Оксенфелд откриват, че вътре в свръхпроводящо тяло няма магнитно поле. При охлаждане на свръхпроводник, намиращ се във външно постоянно магнитно поле, в момента на преминаване в свръхпроводящо състояние, магнитното поле се измества напълно от неговия обем. Това отличава свръхпроводника от идеалния проводник, в който, когато съпротивлението падне до нула, индукцията магнитно полетрябва да остане непроменен по обем. Явлението на изместване на магнитно поле от обема на проводник се нарича ефект на Майснер. Ефектът на Майснер и липсата на електрическо съпротивление са най-важните свойствасвръхпроводник.

Липсата на магнитно поле в обема на проводника ни позволява да заключим от общи законимагнитно поле, че в него има само повърхностен ток. Това е физически реално и следователно отнема малко тънък слойблизо до повърхността. Магнитното поле на тока разрушава външното магнитно поле вътре в проводника. В това отношение свръхпроводникът формално се държи като идеален диамагнетик. Той обаче не е диамагнитен, тъй като неговата вътрешна намагнитност (вектор на намагнитване) е нула.

Чистите вещества, при които се наблюдава явлението свръхпроводимост, са малко на брой. Свръхпроводимостта се наблюдава най-често в сплавите. В чистите вещества възниква само ефектът на Майснер, а в сплавите магнитното поле не се изхвърля напълно от обема (наблюдава се частичен ефект на Майснер).

Веществата, при които се наблюдава пълният ефект на Майснер, се наричат ​​свръхпроводници от първи род, а частичните - свръхпроводници от втори род.

Свръхпроводниците от втория тип имат в обема си кръгови токове, които създават магнитно поле, което обаче не изпълва целия обем, а се разпределя в него под формата на отделни нишки. Що се отнася до съпротивлението, то е равно на нула, както при свръхпроводниците от първи тип.

По своята физическа природа свръхпроводимостта е свръхтечност на течност, състояща се от електрони. Свръхфлуидността възниква поради прекратяване на обмена на енергия между свръхфлуидния компонент на течността и другите й части, което води до изчезване на триенето. Съществена в този случай е възможността за „кондензация“ на течни молекули на най-ниското енергийно ниво, отделено от другите нива с доста широка енергийна празнина, която силите на взаимодействие не могат да преодолеят. Това е причината за изключването на взаимодействието. За да можете да намерите много частици на най-ниското ниво, е необходимо те да се подчиняват на статистиката на Бозе-Айнщайн, т.е. имаше цяло числово завъртане.

Електроните се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак и следователно не могат да „кондензират“ на най-ниското енергийно ниво и да образуват свръхфлуидна електронна течност. Силите на отблъскване между електроните до голяма степен се компенсират от силите на привличане на положителните йони на кристалната решетка. Въпреки това, поради топлинните вибрации на атомите във възлите на кристалната решетка, между електроните може да възникне сила на привличане и след това те се комбинират в двойки. Двойките електрони се държат като частици с цял спин, т.е. подчиняват се на статистиката на Бозе-Айнщайн. Те могат да кондензират и да образуват поток от свръхтечна течност от електронни двойки, която образува свръхпроводящ електрически ток. Над най-ниското енергийно ниво има енергийна празнина, която електронната двойка не е в състояние да преодолее поради енергията на взаимодействие с други заряди, т.е. не може да промени енергийното си състояние. Следователно няма електрическо съпротивление.

Възможността за образуване на електронни двойки и тяхната свръхфлуидност се обяснява с квантовата теория.

Практическото използване на свръхпроводящи материали (в намотките на свръхпроводящи магнити, в компютърни системи с памет и др.) е трудно поради ниските им критични температури. В момента е открит и активно проучван керамични материали, притежаващи свръхпроводимост при температури над 100 K (високотемпературни свръхпроводници). Феноменът свръхпроводимост се обяснява от квантовата теория.

Зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата и налягането се използва в технологията за измерване на температура (съпротивителни термометри) и големи, бързо променящи се налягания (електрически тензодатчици).

В системата SI електрическото съпротивление на проводниците се измерва в Ohmm, а съпротивлението се измерва в Ohms. Един ом е съпротивлението на проводник, в който протича постоянен ток от 1А при напрежение 1V.

Електрическата проводимост е величина, определена по формулата

. (6.27)

Единицата SI за проводимост е сименс. Един сименс (1 cm) – проводимостта на участък от верига със съпротивление 1 Ohm.

Говорейки за закона на Ом (§ 1.7), ние подчертахме изискването, че такъв физически условиякато температура и налягане. Факт е, че обикновено съпротивлението на проводниците зависи от температурата:

Съпротивлението на металните проводници се увеличава с нагряване.

За медни проводнициЗа всяко повишаване на температурата с 2,5 °C съпротивлението се увеличава с приблизително 1% (една стотна от първоначалното им съпротивление) или съпротивлението се увеличава с 0,4% за всяко повишаване на температурата с 1 °C. Стойностите на съпротивлението, дадени по-горе, съответстват на температура от 20 °C.

Нека, например, искате да определите съпротивлението на медта при температура 45 °.

Знаем, че при 20 °C то е равно на 0,0178 Ohm на 1 m дължина с напречно сечение 1 mm2. Знаем, че на всеки 2,5 ° се увеличава с 1%, т.е.

Новата температура надвишава 20°C с 25°C.

Това означава, че желаното съпротивление е с 10% по-голямо от 0,0178: съпротивлението при 45° е равно на Ohm на 1 m с напречно сечение от 1 mm2.

Зависимостта на съпротивлението от температурата често се използва за определяне на температурата на медните проводници в електрическите машини.

Същата зависимост на съпротивлението от температурата се използва за проектиране на електрически термометри, базирани на измерване на съпротивлението на парче тел (често навито във формата на спирала), разположено в стаята, чиято температура искат да определят.

С това измерване на температурата е лесно да се концентрира наблюдението на температурата на едно място различни частипомещения (например в хладилници) или различни части от промишлени инсталации.

В този случай можете да използвате измервателно устройство с една стрелка, като преместите превключвателя на различни позиции: с всяка нова позиция телените спирали, разположени например на различни етажи на хладилника, се включват за измерване.

Пример 2: Съпротивление на намотката електрическа машинапри 20 ° C беше равно на 60 ома. След работа на машината в продължение на един час съпротивлението на намотката се увеличи до 69,6 ома. Определете колко гореща е намотката, ако за всеки 10 °C повишаване на температурата съпротивлението се увеличава с 4%. ,

Първо, търсим колко процента се е увеличило съпротивлението:

Сега лесно установяваме, че температурата се е увеличила с 40°C, т.е. става равна на 20 + 40 = 60°C.

Естествено, сега трябва да възникне въпросът: променя ли се съпротивлението? електрически лампикога се нагрява нишката в тях? Отговор: да, разбира се, съпротивлението на нишката на студена лампа е по-малко от съпротивлението в работно състояние. Това е свързано с нашата бележка в § 1.7.

Отбелязваме само, че много често нелинейността на характеристиката се обяснява с чисто електрически явления. Такъв е случаят с варистор, чиито характеристики са показани на фиг. 1.14.

В число измервателни уредии в специално оборудване често се изисква тяхното съпротивление да не се променя с температурата. За такива продукти са разработени сплави, чиято устойчивост практически не зависи от температурата.

От тези сплави най-често се използват манганин и константан.

Много проводници забележимо променят съпротивлението си, когато са разтегнати или компресирани. Това свойство на проводниците също се смята за важно техническо приложение: в днешно време натискът и малките движения, които възникват, например при натоварване на греди, релси, машинни части и др., често се оценяват по промените в електрическото съпротивление на специално произведени елементи.

Съпротивлението на медта се променя с температурата, но първо трябва да решим дали говорим за електрическото съпротивление на проводниците (омично съпротивление), което е важно за DC захранване през Ethernet, или дали говорим за сигнали в мрежи за данни и тогава говорим за вмъкнати загуби по време на разпространението на електромагнитна вълна в среда с усукана двойка и зависимостта на затихването от температурата (и честотата, което е не по-малко важно).

Съпротивление на медта

В международната система SI съпротивлението на проводниците се измерва в Ohm∙m. В областта на ИТ по-често се използва несистемното измерение Ohm∙mm 2 /m, което е по-удобно за изчисления, тъй като напречните сечения на проводниците обикновено се посочват в mm 2. Стойността 1 Ohm∙mm 2 /m е милион пъти по-малка от 1 Ohm∙m и характеризира съпротивлението на вещество, чийто хомогенен проводник с дължина 1 m и площ на напречното сечение 1 mm 2 дава съпротивление от 1 ом.

Съпротивлението на чистата електрическа мед при 20°C е 0,0172 Ohm∙mm 2 /m. IN различни източнициможете да намерите стойности до 0,018 Ohm∙mm 2 /m, което може да се отнася и за електрическа мед. Стойностите варират в зависимост от обработката, на която е подложен материалът. Например, отгряването след изтегляне („изтегляне“) на телта намалява съпротивлението на медта с няколко процента, въпреки че се извършва предимно за промяна на механичните, а не на електрическите свойства.

Съпротивлението на медта има пряко значение за приложенията за захранване през Ethernet. Само част от оригинала постоянен ток, подаден в проводника, ще достигне до далечния край на проводника - определени загуби по пътя са неизбежни. Например, PoE Тип 1изисква от 15,4 W, доставени от източника, поне 12,95 W да достигат до захранваното устройство в далечния край.

Съпротивлението на медта варира в зависимост от температурата, но за IT температурите промените са малки. Промяната в съпротивлението се изчислява по формулите:

ΔR = α R ΔT

R 2 = R 1 (1 + α (T 2 - T 1))

където ΔR е промяната в съпротивлението, R е съпротивлението при температура, взета за базово ниво (обикновено 20°C), ΔT е температурният градиент, α е температурният коефициент на съпротивление за даден материал (размер °C -1 ). В диапазона от 0°C до 100°C за медта се приема температурен коефициент от 0,004°C -1. Нека изчислим съпротивлението на медта при 60°C.

R 60°C = R 20°C (1 + α (60°C - 20°C)) = 0,0172 (1 + 0,004 40) ≈ 0,02 Ohm∙mm 2 /m

Съпротивлението се увеличава с 16% при повишаване на температурата с 40°C. По време на работа кабелни системи, разбира се, усукана двойкане трябва да е близо високи температури, това не трябва да се допуска. Когато е проектирано правилно и инсталирана систематемпературата на кабелите се различава малко от обичайните 20°C и тогава промяната в съпротивлението ще бъде малка. Съгласно изискванията на телекомуникационните стандарти, устойчивост меден проводник 100 m дължина в кабела с усукана двойка от категория 5e или категория 6 не трябва да надвишава 9,38 ома при 20°C. На практика производителите се вписват в тази стойност с марж, така че дори при температури от 25 ° C ÷ 30 ° C съпротивлението на медния проводник не надвишава тази стойност.

Затихване на сигнала при усукана двойка / вмъкната загуба

Когато електромагнитна вълна се разпространява през кабел с медна усукана двойка, част от нейната енергия се разсейва по пътя от близкия до далечния край. Колкото по-висока е температурата на кабела, толкова повече отслабва сигналът. При високи честоти затихването е по-голямо, отколкото при ниски честоти, и за повече високи категорииПриемливите граници за изпитване на вмъкнати загуби са по-строги. В този случай всички гранични стойности са зададени за температура от 20°C. Ако при 20°C първоначалният сигнал е пристигнал в далечния край на 100 m дълъг сегмент с ниво на мощност P, тогава при повишени температури такава мощност на сигнала ще се наблюдава на по-къси разстояния. Ако е необходимо да се осигури същата мощност на сигнала на изхода на сегмента, тогава или ще трябва да инсталирате повече къс кабел(което не винаги е възможно) или изберете марки кабели с по-ниско затихване.

• За екранирани кабели при температури над 20°C, промяна в температурата от 1 градус води до промяна в затихването от 0,2%
• За всички видове кабели и всякакви честоти при температури до 40°C, промяна на температурата от 1 градус води до промяна в затихването от 0,4%
• За всички видове кабели и всякакви честоти при температури от 40°C до 60°C, промяна на температурата от 1 градус води до промяна в затихването от 0,6%
• При кабелите от категория 3 може да има промяна на затихването от 1,5% на градус по Целзий

Още в началото на 2000г. Стандартът TIA/EIA-568-B.2 препоръчва намаляване на максимално допустимата дължина на постоянна връзка/канал от категория 6, ако кабелът е инсталиран в среда с повишена температура и колкото по-висока е температурата, толкова по-къс трябва да бъде сегментът.

Като се има предвид, че честотният таван в категория 6A е два пъти по-висок от този в категория 6, температурните ограничения за такива системи ще бъдат още по-строги.

Днес, при прилагане на приложения PoEГоворим за максимум 1-гигабитови скорости. Когато се използват 10-гигабитови приложения обаче, Power over Ethernet не е опция, поне не още. Така че в зависимост от вашите нужди, когато температурата се промени, трябва да имате предвид или промяната в съпротивлението на медта, или промяната в затихването. И в двата случая е най-разумно кабелите да се съхраняват при температури близки до 20°C.