Η αντίσταση ενός χάλκινου καλωδίου με διατομή 2,5 mm2. Αντίσταση και υπεραγωγιμότητα

Έχει διαπιστωθεί πειραματικά ότι η αντίσταση RΟ μεταλλικός αγωγός είναι ευθέως ανάλογος με το μήκος του μεγάλοκαι αντιστρόφως ανάλογη με το εμβαδόν της διατομής του ΕΝΑ:

R = ρ ΜΕΓΑΛΟ/ ΕΝΑ (26.4)

που είναι ο συντελεστής ρ ονομάζεται ειδική αντίσταση και χρησιμεύει ως χαρακτηριστικό της ουσίας από την οποία είναι κατασκευασμένος ο αγωγός. Αυτό είναι κοινή λογική: ένα παχύ σύρμα θα πρέπει να έχει μικρότερη αντίσταση από ένα λεπτό σύρμα επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν σε μια μεγαλύτερη περιοχή σε ένα παχύ σύρμα. Και μπορούμε να περιμένουμε αύξηση της αντίστασης με την αύξηση του μήκους του αγωγού, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των εμποδίων στη ροή των ηλεκτρονίων.

Τυπικές τιμές ρ Για διαφορετικά υλικάδίνονται στην πρώτη στήλη του πίνακα. 26.2. (Οι πραγματικές τιμές εξαρτώνται από την καθαρότητα της ουσίας, θερμική επεξεργασία, θερμοκρασία και άλλοι παράγοντες.)

Το ασήμι έχει τη χαμηλότερη ειδική αντίσταση, που έτσι αποδεικνύεται ότι είναι ο καλύτερος αγωγός. ωστόσο είναι ακριβό. Ο χαλκός είναι ελαφρώς κατώτερος από το ασήμι. Είναι σαφές γιατί τα καλώδια κατασκευάζονται συχνότερα από χαλκό.

Το αλουμίνιο έχει υψηλότερη ειδική αντίσταση από τον χαλκό, αλλά έχει πολύ χαμηλότερη πυκνότητα και προτιμάται σε ορισμένες εφαρμογές (για παράδειγμα, σε καλώδια ρεύματος) επειδή η αντίσταση των συρμάτων αλουμινίου της ίδιας μάζας είναι μικρότερη από αυτή του χαλκού. Η αμοιβαία ειδική αντίσταση χρησιμοποιείται συχνά:

σ = 1/ρ (26.5)

σ ονομάζεται ειδική αγωγιμότητα. Η ειδική αγωγιμότητα μετριέται σε μονάδες (Ohm m) -1.

Η ειδική αντίσταση μιας ουσίας εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Κατά κανόνα, η αντίσταση των μετάλλων αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Αυτό δεν πρέπει να προκαλεί έκπληξη: καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τα άτομα κινούνται πιο γρήγορα, η διάταξή τους γίνεται λιγότερο διατεταγμένη και μπορούμε να περιμένουμε ότι θα παρεμβαίνουν περισσότερο στη ροή των ηλεκτρονίων. Σε στενά εύρη θερμοκρασιών, η ειδική αντίσταση του μετάλλου αυξάνεται σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία:

Οπου ρ Τ- ειδική αντίσταση στη θερμοκρασία Τ, ρ 0 - ειδική αντίσταση σε τυπική θερμοκρασία Τ 0 , α α - συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας (TCR). Οι τιμές του a δίνονται στον πίνακα. 26.2. Σημειώστε ότι για τους ημιαγωγούς το TCR μπορεί να είναι αρνητικό. Αυτό είναι προφανές, αφού με την αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων και βελτιώνουν τις αγώγιμες ιδιότητες της ουσίας. Έτσι, η αντίσταση ενός ημιαγωγού μπορεί να μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας (αν και όχι πάντα).

Οι τιμές του a εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, επομένως πρέπει να δώσετε προσοχή στο εύρος θερμοκρασίας εντός του οποίου δεδομένη αξία(για παράδειγμα, σύμφωνα με τον κατάλογο φυσικές ποσότητες). Εάν το εύρος των αλλαγών θερμοκρασίας αποδειχθεί ευρύ, τότε η γραμμικότητα θα παραβιαστεί και αντί για το (26.6) είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε μια έκφραση που περιέχει όρους που εξαρτώνται από τη δεύτερη και την τρίτη δύναμη της θερμοκρασίας:

ρ Τ = ρ 0 (1+αT+ + βΤ 2 + γT 3),

που είναι οι συντελεστές β Και γ συνήθως πολύ μικρό (βάζουμε Τ 0 = 0°С), αλλά γενικά Τοι συνεισφορές αυτών των μελών γίνονται σημαντικές.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίεςαχ η ειδική αντίσταση ορισμένων μετάλλων, καθώς και κραμάτων και ενώσεων, πέφτει εντός των ορίων ακρίβειας σύγχρονες μετρήσειςστο μηδέν. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται υπεραγωγιμότητα. Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Ολλανδό φυσικό Heike Kamerling-Onnes (1853-1926) το 1911 όταν ο υδράργυρος ψύχθηκε κάτω από τους 4,2 Κ. Σε αυτή τη θερμοκρασία ηλεκτρική αντίστασηΟ υδράργυρος έπεσε ξαφνικά στο μηδέν.

Οι υπεραγωγοί εισέρχονται σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης, η οποία είναι συνήθως μερικούς βαθμούς Kelvin (λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν). Παρατηρήθηκε ηλεκτρική ενέργειασε έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο που παρέμεινε ουσιαστικά άθικτος απουσία τάσης για αρκετά χρόνια.

ΣΕ τα τελευταία χρόνιαΗ υπεραγωγιμότητα μελετάται εντατικά προκειμένου να διαλευκανθεί ο μηχανισμός της και να βρεθούν υλικά που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. υψηλές θερμοκρασίεςγια να μειώσετε το κόστος και την ταλαιπωρία της ψύξης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η πρώτη επιτυχημένη θεωρία της υπεραγωγιμότητας δημιουργήθηκε από τους Bardeen, Cooper και Schrieffer το 1957. Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται ήδη σε μεγάλους μαγνήτες, όπου το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από ηλεκτρικό ρεύμα (βλ. Κεφάλαιο 28), το οποίο μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας. Φυσικά, η διατήρηση ενός υπεραγωγού σε χαμηλή θερμοκρασία απαιτεί και ενέργεια.

Σχόλια και προτάσεις γίνονται δεκτές στο [email προστατευμένο]

Αντίσταση χαλκούΑυτή είναι μια φυσική έννοια που απαντάται στην ηλεκτρική μηχανική. Τι είναι αυτό, ρωτάτε.

Ας ξεκινήσουμε λοιπόν με την έννοια της αντίστασης του αγωγού, που σημαίνει τη διαδικασία του ηλεκτρισμού που διέρχεται από αυτόν. Σε αυτή την περίπτωση, ο χαλκός θα χρησιμεύσει ως αγωγός, πράγμα που σημαίνει ότι θα εξετάσουμε τις ιδιότητές του.

Όλα τα μέταλλα έχουν μια συγκεκριμένη δομή στη μορφή κρυσταλλικού πλέγματος. Σε κάθε γωνία αυτού του πλέγματος υπάρχουν άτομα που δονούνται περιοδικά γύρω από τους κόμβους. Όταν τα άτομα απωθούν ή ελκύουν το ένα το άλλο, αυτό επηρεάζει τη θέση και τη διάταξη όλων των κόμβων, σε όλα τα μέταλλα διαφορετικά. Το περιβάλλον των ατόμων καταλαμβάνεται από ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται στην τροχιά τους, παραμένοντας σε αυτό λόγω της ισορροπίας των δυνάμεων.

Για τους λάτρεις του πραγματικού παγωτού! Τρώω ενδιαφέρουσα προσφορά, στον ιστότοπο http://oceanpower.ru/category/id001/. Περάστε και μάθετε για τους πάγκους καταψύκτες μαλακών παγωτού και πολλά άλλα.

Πώς αντιδρά ο χαλκός όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σε αυτόν; Μέσα σε αυτόν τον αγωγό, όλα τα ηλεκτρόνια που αποκόπτονται από την ηλεκτρική δύναμη, από την τροχιά τους, τείνουν προς τον πόλο με πρόσημο συν. Αυτή η κίνηση ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα. Καθώς κινούνται, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα και άλλα ηλεκτρόνια που δεν έχουν αποσπαστεί από τις τροχιές τους. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια που συγκρούονται αλλάζουν κατεύθυνση και η ενέργειά τους χάνεται. Αυτός είναι ο βασικός ορισμός της αντίστασης του αγωγού. Με άλλα λόγια, πρόκειται για πλέγματα ατόμων με ηλεκτρόνια που περιστρέφονται στις τροχιές τους, τα οποία δημιουργούν αντίσταση στα κινούμενα ηλεκτρόδια του αγωγού που σκίζονται από τις τροχιές τους.

Ωστόσο, η αντίσταση εξαρτάται επίσης από πολλούς παράγοντες· είναι ατομική για κάθε μέταλλο. Επηρεάζεται από το μέγεθος του κρυσταλλικού πλέγματος και τη θερμοκρασία. Όταν η θερμοκρασία ενός αγωγού αυξάνεται, τα άτομα του δονούνται πιο γρήγορα. Και επομένως, τα ηλεκτρόνια κινούνται με υψηλότερη ταχύτητακαι αντίσταση, και οι τροχιές θα είναι μεγάλες σε ακτίνα.

Η τιμή ειδικής αντίστασης του χαλκού μπορεί να βρεθεί στους πίνακες αναφοράς της φυσικής. Είναι 0,0175 Ohm*mm2/m, σε θερμοκρασία 20 βαθμών. Το πιο κοντινό μέταλλο σε αξία στον χαλκό θα είναι το αλουμίνιο = 0,0271 Ohm*mm2/m. Αγωγιμότητα του χαλκούδεύτερο μόνο μετά το ασήμι = 0,016 Ohm*mm2/m. όπως αποδεικνύεται από την ευρεία χρήση του, για παράδειγμα σε καλώδια ρεύματοςή σε ποικιλία αγωγών. Ωστόσο, χωρίς χαλκό δεν μπορείτε να δημιουργήσετε μετασχηματιστές ισχύοςκαι κινητήρες για μικρές συσκευές εξοικονόμησης ενέργειας.

Πρέπει να γνωρίζετε τους χαρακτηρισμούς της ειδικής αντίστασης, καθώς χωρίς αυτό είναι αδύνατο να υπολογιστεί η συνολική αντίσταση διαφορετικών αγωγών κατά την ανάπτυξη ή το σχεδιασμό νέων συσκευών. Υπάρχει μια φόρμουλα για αυτό:

R=p*I/S

στο οποίο: R - θα είναι η συνολική αντίσταση των αγωγών, p - θα είναι η ειδική αντίσταση των μετάλλων, I - θα είναι το μήκος ενός συγκεκριμένου αγωγού, S - η περιοχή διατομής των αγωγών.

Η έννοια του «ειδικού χαλκού» απαντάται συχνά στη βιβλιογραφία ηλεκτρολογίας. Και δεν μπορείτε παρά να αναρωτηθείτε, τι είναι αυτό;

Η έννοια της «αντίστασης» για κάθε αγωγό συνδέεται συνεχώς με την κατανόηση της διαδικασίας του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει μέσα από αυτόν. Δεδομένου ότι το άρθρο θα επικεντρωθεί στην αντίσταση του χαλκού, θα πρέπει να εξετάσουμε τις ιδιότητές του και τις ιδιότητες των μετάλλων.

Όταν πρόκειται για μέταλλα, θυμάστε άθελά σας ότι όλα έχουν μια συγκεκριμένη δομή - ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Τα άτομα βρίσκονται στους κόμβους ενός τέτοιου πλέγματος και κινούνται σε σχέση με αυτά.Οι αποστάσεις και η θέση αυτών των κόμβων εξαρτώνται από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης των ατόμων μεταξύ τους (απώθηση και έλξη) και είναι διαφορετικές για διαφορετικά μέταλλα. Και τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τα άτομα στις τροχιές τους. Διατηρούνται επίσης σε τροχιά από την ισορροπία δυνάμεων. Μόνο αυτό είναι ατομικό και φυγόκεντρο. Μπορείτε να φανταστείτε την εικόνα; Μπορείς να το πεις, από ορισμένες απόψεις, στατικό.

Τώρα ας προσθέσουμε δυναμική. Αρχίζει να δρα σε ένα κομμάτι χαλκού ηλεκτρικό πεδίο. Τι συμβαίνει μέσα στον αγωγό; Τα ηλεκτρόνια, που αποσπώνται από τις τροχιές τους από τη δύναμη του ηλεκτρικού πεδίου, ορμούν στον θετικό του πόλο. Εδώ έχετε την κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων, ή μάλλον, το ηλεκτρικό ρεύμα. Αλλά στο δρόμο της κίνησής τους συναντούν άτομα στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος και ηλεκτρόνια που εξακολουθούν να περιστρέφονται γύρω από τα άτομα τους. Ταυτόχρονα, χάνουν την ενέργειά τους και αλλάζουν την κατεύθυνση της κίνησης. Τώρα η έννοια της φράσης «αντίσταση αγωγού» γίνεται λίγο πιο ξεκάθαρη; Είναι τα άτομα του πλέγματος και τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω τους που αντιστέκονται στην κατευθυντική κίνηση των ηλεκτρονίων που αποσπώνται ηλεκτρικό πεδίοαπό τις τροχιές τους. Αλλά η έννοια της αντίστασης αγωγού μπορεί να ονομαστεί γενικό χαρακτηριστικό. Η ειδική αντίσταση χαρακτηρίζει κάθε αγωγό πιο ξεχωριστά. Συμπεριλαμβανομένου του χαλκού. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι ατομικό για κάθε μέταλλο, καθώς εξαρτάται άμεσα μόνο από το σχήμα και το μέγεθος του κρυσταλλικού πλέγματος και, σε κάποιο βαθμό, από τη θερμοκρασία. Καθώς η θερμοκρασία του αγωγού αυξάνεται, τα άτομα δονούνται πιο έντονα στις θέσεις του πλέγματος. Και τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από κόμβους με υψηλότερες ταχύτητες και σε τροχιές μεγαλύτερης ακτίνας. Και, φυσικά, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια αντιμετωπίζουν μεγαλύτερη αντίσταση όταν κινούνται. Αυτή είναι η φυσική της διαδικασίας.

Για τις ανάγκες του κλάδου των ηλεκτρολόγων μηχανικών, έχει καθιερωθεί ευρεία παραγωγή μετάλλων όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός, των οποίων η ειδική ειδική αντίσταση είναι αρκετά χαμηλή. Αυτά τα μέταλλα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή καλωδίων και διάφοροι τύποισύρματα που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή, για την παραγωγή οικιακές συσκευές, κατασκευή ζυγών, περιελίξεων μετασχηματιστών και άλλων ηλεκτρικών προϊόντων.

Για κάθε αγωγό υπάρχει μια έννοια ειδικής αντίστασης. Αυτή η τιμή αποτελείται από Ohms πολλαπλασιαζόμενα επί ένα τετραγωνικό χιλιοστό και μετά διαιρούνται με ένα μέτρο. Με άλλα λόγια, αυτή είναι η αντίσταση ενός αγωγού του οποίου το μήκος είναι 1 μέτρο και η διατομή του είναι 1 mm2. Το ίδιο ισχύει και για την ειδική αντίσταση του χαλκού, ενός μοναδικού μετάλλου που χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική και την ενέργεια.

Ιδιότητες του χαλκού

Λόγω των ιδιοτήτων του, αυτό το μέταλλο ήταν ένα από τα πρώτα που χρησιμοποιήθηκαν στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας. Πρώτα απ 'όλα, ο χαλκός είναι ένα εύπλαστο και όλκιμο υλικό με εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Δεν υπάρχει ακόμη ισοδύναμη αντικατάσταση αυτού του αγωγού στον ενεργειακό τομέα.

Οι ιδιότητες του ειδικού ηλεκτρολυτικού χαλκού, ο οποίος έχει υψηλή καθαρότητα, εκτιμώνται ιδιαίτερα. Αυτό το υλικό κατέστησε δυνατή την παραγωγή συρμάτων με ελάχιστο πάχοςστα 10 μικρά.

Εκτός από την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, ο χαλκός προσφέρεται πολύ καλά για την επικασσιτέρωση και άλλους τύπους επεξεργασίας.

Ο χαλκός και η ειδική αντίστασή του

Οποιοσδήποτε αγωγός παρουσιάζει αντίσταση εάν περάσει ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτόν. Η τιμή εξαρτάται από το μήκος του αγωγού και τη διατομή του, καθώς και από την επίδραση ορισμένων θερμοκρασιών. Επομένως, η ειδική αντίσταση των αγωγών εξαρτάται όχι μόνο από το ίδιο το υλικό, αλλά και από το συγκεκριμένο μήκος και την περιοχή διατομής του. Όσο πιο εύκολα ένα υλικό επιτρέπει σε ένα φορτίο να περάσει μέσα του, τόσο μικρότερη είναι η αντίστασή του. Για τον χαλκό, η ειδική αντίσταση είναι 0,0171 Ohm x 1 mm2/1 m και είναι μόνο ελαφρώς κατώτερη από το ασήμι. Ωστόσο, η χρήση αργύρου σε βιομηχανική κλίμακα δεν είναι οικονομικά κερδοφόρα, επομένως, ο χαλκός είναι ο καλύτερος αγωγός που χρησιμοποιείται στην ενέργεια.

Η ειδική αντίσταση του χαλκού σχετίζεται επίσης με την υψηλή αγωγιμότητά του. Αυτές οι τιμές είναι ακριβώς αντίθετες μεταξύ τους. Οι ιδιότητες του χαλκού ως αγωγού εξαρτώνται επίσης από τον συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για την αντίσταση, η οποία επηρεάζεται από τη θερμοκρασία του αγωγού.

Έτσι, λόγω των ιδιοτήτων του, ο χαλκός έχει γίνει ευρέως διαδεδομένος όχι μόνο ως αγωγός. Αυτό το μέταλλο χρησιμοποιείται στα περισσότερα όργανα, συσκευές και μονάδες των οποίων η λειτουργία σχετίζεται με ηλεκτρικό ρεύμα.