Обновлено: 20.05.2024

Приведенная ниже таблица удельного электрического сопротивления содержит значения удельного сопротивления для многих веществ, широко используемых в электрике и электронике. В частности, она включает в себя удельное сопротивление меди, алюминия, нихрома, стали, никеля и так далее.

Удельное электрическое сопротивление особенно важно, поскольку оно определяет электрические характеристики и, следовательно, пригодность материала для использования во многих электрических компонентах. Например, можно увидеть, что удельное сопротивление меди, удельное сопротивление алюминия, а также нихрома, никеля, серебра, золота и т.д. определяет, где эти металлы используются.

Для того чтобы сравнить способность различных материалов проводить электрический ток, используются показатели удельного сопротивления.

Что означают показатели удельного сопротивления?

Для того чтобы иметь возможность сравнивать удельное сопротивление различных материалов, от таких изделий, как медь и алюминий, до других металлов и веществ, включая висмут, латунь и даже полупроводники, необходимо использовать стандартное измерение.

Единица измерения удельного сопротивления в Международной системе единиц (СИ) — Ом·м.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом. Соответственно, удельное сопротивление произвольного вещества, выраженное в единицах СИ, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2

[1]

Таблица удельного сопротивления для распространенных проводников

В таблице ниже приведены показатели удельного сопротивления для различных материалов, в частности металлов, используемых для электропроводности.

Показатели удельного сопротивления приведены для таких “популярных” материалов, как медь, алюминий, нихром, сталь, свинец, золото и других.

Материал	Удельное сопротивление, ρ, при 20 °C (Ом·м)	Источник
Латунь	~0.6 – 0.9 x 10 -7
Серебро	1.59×10 −8	[3][4]
Медь	1.68×10 −8	[5][6]
Обожжённая медь	1.72×10 −8	[7]
Золото	2.44×10 −8	[3]
Алюминий	2.65×10 −8	[3]
Кальций	3.36×10 −8
Вольфрам	5.60×10 −8	[3]
Цинк	5.90×10 −8
Кобальт	6.24×10 −8
Никель	6.99×10 −8
Рутений	7.10×10 −8
Литий	9.28×10 −8
Железо	9.70×10 −8	[3]
Платина	1.06×10 −7	[3]
Олово	1.09×10 −7
Тантал	1.3×10 −7
Галлий	1.40×10 −7
Ниобий	1.40×10 −7	[8]
Углеродистая сталь (1010)	1.43×10 −7	[9]
Свинец	2.20×10 −7	[2][3]
Галинстан	2.89×10 −7	[10]
Титан	4.20×10 −7
Электротехническая сталь	4.60×10 −7	[11]
Манганин (сплав)	4.82×10 −7	[2]
Константан (сплав)	4.90×10 −7	[2]
Нержавеющая сталь	6.90×10 −7
Ртуть	9.80×10 −7	[2]
Марганец	1.44×10 −6
Нихром (сплав)	1.10×10 −6	[2][3]
Углерод (аморфный)	5×10 −4 – 8×10 −4	[3]
Углерод (графит) параллельно-базальная плоскость	2.5×10 −6 – 5.0×10 −6
Углерод (графит) перпендикулярно-базальная плоскость	3×10 −3
Арсенид галлия	10 −3 to 10 8
Германий	4.6×10 −1	[3][4]
Морская вода	2.1×10 −1
Вода в плавательном бассейне	3.3×10 −1 – 4.0×10 −1
Питьевая вода	2×10 1 – 2×10 3
Кремний	2.3×10 3	[2][3]
Древесина (влажная)	10 3 – 10 4
Деионизированная вода	1.8×10 5
Стекло	10 11 – 10 15	[3][4]
Углерод (алмаз)	10 12
Твердая резина	10 13	[3]
Воздух	10 9 – 10 15
Древесина (сухая)	10 14 – 10 16
Сера	10 15	[3]
Плавленый кварц	7.5×10 17	[3]
ПЭТ	10 21
Тефлон	10 23 – 10 25

Видно, что удельное сопротивление меди и удельное сопротивление латуни оба низкие, и с учетом их стоимости, относительно серебра и золота, они становятся экономически эффективными материалами для использования для многих проводов. Удельное сопротивление меди и простота ее использования привели к тому, что она также используется крайне часто в качестве материала для проводников на печатных платах.

Изредка алюминий и особенно медь используются из-за их низкого удельного сопротивления. Большинство проводов, используемых в наши дни для межсоединений, изготовлены из меди, поскольку она обеспечивает низкий уровень удельного сопротивления при приемлемой стоимости.

Удельное сопротивление золота также важно, поскольку золото используется в некоторых критических областях, несмотря на его стоимость. Часто золотое покрытие встречается на высококачественных слаботочных разъемах, где оно обеспечивает самое низкое сопротивление контактов. Золотое покрытие очень тонкое, но даже в этом случае оно способно обеспечить требуемые характеристики разъемов.

Серебро имеет очень низкий уровень удельного сопротивления, но оно не так широко используется из-за его стоимости и из-за того, что оно тускнеет, что может привести к более высокому сопротивлению контактов.

Однако оно используется в некоторых катушках для радиопередатчиков, где низкое удельное электрическое сопротивление серебра снижает потери. При использовании в таких целях серебро обычно наносилось только на существующий медный провод. Покрытие провода серебром позволило значительно снизить затраты по сравнению с цельным серебряным проводом без существенного снижения производительности.

Другие материалы в таблице удельного электрического сопротивления могут не иметь такого очевидного применения. Тантал фигурирует в таблице, поскольку используется в конденсаторах – никель и палладий используются в торцевых соединениях многих компонентов поверхностного монтажа, таких как конденсаторы.

Кварц находит свое основное применение в качестве пьезоэлектрического резонансного элемента. Кварцевые кристаллы используются в качестве частотоопределяющих элементов во многих осцилляторах, где высокое значение Q позволяет создавать очень стабильные по частоте схемы. Аналогичным образом они используются в высокоэффективных фильтрах. Кварц имеет очень высокий уровень удельного сопротивления и не является хорошим проводником электричества, то есть его относят к категории диэлектрикам.

Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Для создания реостатов, изготовления точных сопротивлений, производства электрических печей и различных электронагревательных приборов зачастую необходимы проводники из материалов, обладающих высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления.

Данные материалы в форме лент и проволок должны желательно обладать удельным сопротивлением от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м. К таким материалам и относятся сплавы на основе никеля, меди, марганца и некоторых других металлов. Особого внимания заслуживает ртуть, поскольку ртуть в чистом виде сама по себе обладает удельным сопротивлением в 0,94 ом*кв.мм/м.

Характерные свойства, требуемые от сплавов в индивидуальном плане, определяются конкретным назначением того или иного устройства, в котором этот сплав будет использован.

Например, для изготовления точных сопротивлений требуются сплавы с низкой термо-эдс, наводимой при контакте сплава с медью. Сопротивление также должно оставаться постоянным во времени. В печах и электрических нагревательных приборах недопустимо окисление сплава даже при температурах от 800 до 1100 °C, то есть здесь нужны жаростойкие сплавы.

Охватывает все эти материалы одна общая их особенность — это все сплавы с большим удельным сопротивлением, потому данные сплавы и получили название сплавов высокого электрического сопротивления. Материалы высокого электрического сопротивления, в данном контексте, являются растворами металлов, и обладают хаотичной структурой, благодаря чему и удовлетворяют предъявляемым к себе требованиям.

Для изготовления точных сопротивлений традиционно используют манганины. Манганины состоят из никеля, меди и марганца. Меди в из составе — от 84 до 86%, марганца — от 11 до 13%, никеля — от 2 до 3%. Самый же популярный из манганинов сегодня содержит 86% меди, 12% марганца и 2% никеля.

Чтобы стабилизировать манганины, в них добавляют немного железа, серебра и алюминия: алюминия - от 0,2 до 0,5%, железа — от 0,2 до 0,5%, серебра — 0,1%. Манганины имеют характерный светло-оранжевый цвет, их средняя плотность — 8,4 г/см3, а температура плавления — от 960 °С.

Манганиновая проволока диаметром от 0,02 до 6 мм (или лента толщиной от 0,09 мм) бывает твердой или мягкой. Отожженная мягкая проволока имеет прочность на разрыв от 45 до 50 кг/кв.мм, относительное удлинение составляет от 10 до 20%, удельное сопротивление — от 0,42 до 0,52 ом*кв.мм/м.

Характеристики твердой проволоки: прочность на разрыв от 50 до 60 кг/кв.мм, относительное удлинение — от 5 до 9%, удельное сопротивление — 0,43 — 0,53 ом*кв.мм/м. Температурный коэффициент проволок или лент из манганина лежит в пределах от 3*10-5 до 5*10-5 1/°С, а для стабилизированных — до 1,5*10-5 1/°С.

Приведенные характеристики указывают на то, что зависимость от температуры электрического сопротивления манганина крайне незначительна, а это фактор в пользу постоянства сопротивления, что весьма значимо для прецизионных электроизмерительных устройств. Малая термо-эдс — еще одно достоинство манганина, и при соприкосновении с медными элементами она не превысит 0,000001 вольта на градус.

С целью стабилизации электрических характеристик проволоки из манганина ее нагревают в условиях вакуума до 400 °С, и выдерживают при такой температуре в течение от 1 до 2 часов. Затем проволоку длительно выдерживают при комнатной температуре для достижения приемлемой однородности сплава и для получения стабильных свойств.

В обычных рабочих условиях такая проволока сможет быть использована при температурах до 200 °С — для стабилизированного манганина, и до 60 °С — для нестабилизированного манганина, ибо нестабилизированный манганин при нагреве от 60 °С и выше претерпит необратимые изменения, которые скажутся на его свойствах. Так, нестабилизированный манганин лучше не нагревать до 60 °С, и следует считать эту температуру максимально допустимой.

На сегодняшний день промышленностью выпускается как голая манганиновая проволока, так и проволока в высокопрочной эмалевой изоляции — для изготовления обмоток, в шелковой изоляции, и в двухслойной лавсановой изоляции.

Константан, в отличие от манганина, содержит больше никеля — от 39 до 41%, меньше меди — 60-65%, значительно меньше марганца — 1-2%, - это тоже медно-никелевый сплав. Температурный коэффициент сопротивления у константана приближается к нулю — это главное достоинство данного сплава.

Константан отличается характерным серебристо-белым цветом, температура плавления 1270 °С, плотность в среднем около 8,9 г/см3. Промышленностью выпускается константановая проволока диаметром от 0,02 до 5 мм.

Отожженная мягкая константановая проволока имеет прочность на разрыв 45 — 65 кг/кв.мм, ее удельное сопротивление — от 0,46 до 0,48 ом*кв.мм/м. Для твердой константановой проволоки: прочность на разрыв — от 65 до 70 кг/кв.мм, удельное сопротивление — от 0,48 до 0,52 ом*кв.мм/м. Термо-эдс константана в паре с медью равна 0,000039 вольта на градус, что служит ограничением для использования константана в изготовлении точных резисторов и электроизмерительных приборов.

Значительная, в сравнении с манганином, термо-эдс позволяет применять константановую проволоку в термопарах (в паре с медью) с целью измерения температур до 300° С. При температурах выше 300° С медь начнет окислятся, при этом стоит отметить, что константан начнет окисляться лишь при 500° С.

Промышленностью выпускается как константановая проволока без изоляции, так и обмоточная проволока в высокопрочной эмалевой изоляции, проволока в двухслойной шелковой изоляции, и проволока в комбинированной изоляции — один слой эмали и один слой шелка или лавсана.

В реостатах, где напряжение между соседними витками не превышает нескольких вольт, используется такое свойство константановой проволоки: если за несколько секунд проволоку нагреть до 900° С, после чего охладить на воздухе, то проволока покроется темно-серой пленкой оксида, эта пленка может служить своеобразной изоляцией, поскольку обладает диэлектрическими свойствами.

В электронагревательных приборах и в печах сопротивления нагревательные элементы в форме лент и проволок должны быть способны работать на протяжении длительных периодов времени в условиях температур до 1200 °С. К этому не годятся ни медь, ни алюминий, ни константан, ни манганин, поскольку начиная с 300 °С они уже начинают сильно окисляться, пленки окислов затем испаряются, и окисление продолжается. Здесь нужны жаростойкие проводники.

Жаростойкие проводники высокого удельного сопротивления, к тому же стойкие к окислению при нагревании, и обладающие низким температурным коэффициентом сопротивления. Это как раз про нихромы и ферронихромы — двойные сплавы никеля и хрома, и тройные сплавы никеля, хрома и железа.

Еще есть фехраль и хромаль — тройные сплавы железа, алюминия и хрома, - они в соответствии с процентным соотношением входящий в сплав компонентов — отличаются электрическими параметрами и жаростойкостью. Все это твердые растворы металлов с хаотичной структурой.

Нагрев этих жаростойких сплавов приводит к образованию на их поверхности толстой защитной пленки оксидов хрома и никеля, устойчивой к высоким температурам до 1100° С, надежно защищающей эти сплавы от дальнейшей реакции с кислородом воздуха. Так, ленты и проволоки из жаропрочных сплавов могут длительно работать при высоких температурах даже на воздухе.

Помимо главных составляющих, в сплавы входит: углерода — от 0,06 до 0,15%, кремния — от 0,5 до 1,2%, марганца — от 0,7 до 1,5%, фосфора — 0,35%, серы — 0,03%.

В данном случае фосфор, сера и углерод являются вредными примесями, повышающими хрупкость, поэтому их содержание всегда стремятся свести к минимуму, а лучше — полностью исключить. Марганец и кремний способствуют раскислению, они устраняют кислород. Никель, хром и алюминий, особенно хром, помогают обеспечить стойкость к температурам до 1200 °С.

Компоненты сплава служат повышению удельного сопротивления и снижению температурного коэффициента сопротивления, что как раз и нужно от этих сплавов. Если хрома будет более 30%, то сплав получится хрупким и твердым. Чтобы получить тонкую проволоку, например 20 мкм в диаметре, необходимо не более 20% хрома в составе сплава.

Этим требованиям отвечают сплавы марок Х20Н80 и Х15Н60. Остальные марки сплавов подойдут для изготовления лент толщиной от 0,2 мм и проволок диаметром от 0,2 мм.

Сплавы типа фехраль — Х13104, содержат в своем составе железо, от этого они получаются дешевле, но спустя несколько циклов нагрева становятся хрупкими, поэтому спирали из хромаля и фехраля при обслуживании недопустимо деформировать в остывшем состоянии, например если речь идет о спирали, длительное время работавшей в нагревательном приборе. Для ремонта следует скручивать или сращивать только разогретую до 300—400 °С спираль. Вообще, фехраль способен работать при температурах до 850 °С, а хромаль — до 1200 °С.

Нихромовые нагревательные элементы, в свою очередь, предназначены для продолжительной работы при температурах до 1100 °С в стационарных слабо динамических режимах, при этом они не потеряют ни прочности ни пластичности. Но если режим будет резко динамичным, то есть температура будет многократно резко меняться, при частых включениях и выключениях тока через спираль, защитные пленки оксидов потрескаются, кислород проникнет в нихром, и элемент со временем окислится и разрушится.

Промышленностью выпускаются как голые проволоки из жаростойких сплавов, так и проволоки в эмалевой и кремнийорганической лаковой изоляции, предназначенные для изготовления обмоток.

Особенного упоминания заслуживает ртуть, ведь это единственный металл, остающийся в жидком состоянии при комнатной температуре. Температура окисления ртути 356,9 °С, ртуть почти не взаимодействует с газами воздуха. Растворы кислот (серная, соляная) и щелочей не действуют на ртуть, однако она растворима в концентрированных кислотах (в серной, соляной, азотной). В ртути растворяются цинк, никель, серебро, медь, свинец, олово, золото.

Плотность ртути 13,55 г/см3, температура перехода из жидкого в твердое состояние -39 °С, удельное сопротивление — от 0,94 до 0,95 ом*кв.мм/м, температурный коэффициент сопротивления 0,000990 1/°С. Эти свойства позволяют использовать ртуть в качестве жидких проводящих контактов выключателей и реле специального назначения, а также в ртутных выпрямителях. При этом важно помнить, что ртуть чрезвычайно токсична.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Удельное сопротивление сплавов

Есть много металлов и намного больше сплавов из нескольких металлов.

Самые первые искусственные сплавы в результате металлургических экспериментов, проведенных человеком, были созданы (на основе найденных археологических останков) примерно от 3000 до 2500 лет до нашей эры.

Это была прежде всего бронза, потому что металлы, из которых она состоит (медь и олово), присутствуют (в изобилии) в самородном состоянии и не требуют извлечения из руды.

Золото и серебро - металлы находящиеся в изобилии в природе, и по этой причине они известны с 5-го тысячелетия до нашей эры, поэтому их тоже очень часто смешивали, в частности, чтобы изменить цвет или твердость золота.

Теоретически существует бесконечное множество сплавов. Базовый процесс прост: достаточно нагреть два или более металлов до тех пор, пока они не достигнут соответствующей точки плавления, затем смешать их в соответствии с точными дозировками и запустить их охлаждение.

Таким образом, достаточно даже незначительно варьировать дозировку ингредиентов, чтобы создать новый сплав, который будет обладать уникальными свойствами. Кроме того, условия производства нового сплава также имеют решающее значение: достаточно, например, варьировать температуру плавления, условия обжига или даже продолжительность охлаждения.

Зависимость удельного сопротивление сплавов от их состава имеет весьма различный характер. В некоторых случаях сплав является совокупностью очень мелких кристаллов обоих металлов, входящих в сплав. Каждый металл кристаллизуется независимо от другого, то их кристаллы равномерно и вполне беспорядочно перемешаны в сплаве.

Таковы свинец, олово, цинк и кадмий, смешивающиеся в любых отношениях. Удельное сопротивление таких сплавов при различных концентрациях лежит между крайними значениями сопротивления чистых металлов, т. е. всегда меньше большего из них и больше меньшего.

На рисунке ниже изображена графически зависимость удельного сопротивления сплава цинка и олова от объемных концентраций обоих металлов.

По оси абсцисс отложены в процентах к единице объема сплава объемы олова, т. е. абсцисса 60 означает, что в единице объема сплава содержится 0,6 объема олова и 0,4 объема цинка. По оси ординат отложены величины удельного сопротивления сплава, умноженное на 10 6 .

Так как у чистых металлов температурные коэффициенты сопротивления суть величины одного порядка, близкие к коэффициенту расширения газов, то, очевидно, что и сплавы рассматриваемой группы имеют коэффициенты того же порядка.

Во многих других случаях сплавы двух металлов являются однородной массой, состоящей из небольших кристаллов, построенных из атомов обоих металлов.

Иногда такие смешанные кристаллы могут быть образованы атомами обоих металлов в любом отношении, иногда такие образования возможны лишь в определенных, областях концентрации.

Вне этих областей сплавы подобны сплавам только что рассмотренной первой группы с тем различием, что они представляют смесь кристаллов чистого металла и кристаллов смешанного типа, построенных из атомов обоего рода.

Сопротивление сплавов рассматриваемого типа обычно больше сопротивлений обоих металлов.

На рисунке ниже представлена графически зависимость от концентрации удельного сопротивления сплава золота и серебра, образующих смешанные кристаллы в любых концентрациях. Способ построения кривой такой же, как и кривой на предыдущем рисунке.

Удельное сопротивление чистого серебра на графике равно 1,5*10 -6 , чистого золота 2,0*10 -8 . Сплавляя равные объемы обоих металлов (50%), получаем сплав с удельным сопротивлением 10,4*10 -6 .

Температурные коэффициенты сопротивления у сплавов этой группы обыкновенно меньше, чем у каждого из металлов, входящих в состав сплава.

На рисунке ниже представлена графически зависимость величины температурного коэффициента сплава золота и серебра от концентрации золота.

В области концентраций от 15% до 75% температурный коэффициент сопротивления не превышает четверти того же коэффициента чистых металлов.

Важное техническое значение имеют некоторые сплавы из трех металлов.

Первый из этих сплавов манганин при надлежащей обработке имеет температурный коэффициент равный нулю, вследствие чего манганиновая проволока употребляется для изготовления точных магазинов сопротивления.

Сплав никеля, хрома, с добавками марганца, кремния, железа, алюминия (нихром) является самым распротраненным материалом для изготовления различных нагревательных элементов.

Остальные сплавы (константан, никелин, нейзильбер) применяются для изготовления регулирующих реостатов, так как они обладают значительным удельным сопротивлением и сравнительно мало окисляются в воздухе при тех довольно высоких температурах, которые часто имеют проволоки реостатов.

Подробно про трехкопонентные сплавы, наиболее часто используемые в электротехнической промышленности смотрите здесь: Материалы с высоким сопротивлением, сплавы с большим удельным сопротивлением

Конкретные значения удельных сопротивлений различных сплавов лучше всего искать в специальных справочниках или же определять экспериментально, т.к. они могут изменяться в широких пределах.

Для примера приведем значения удельного электрического сопротивления и теплопроводности сплавов Mg-Al и Mg-Zn:

В этой работе были исследованы удельное электрическое сопротивление и теплопроводность бинарных сплавов Mg – Al и Mg – Zn в диапазоне температур от 298 К до 448 К, а также проанализирована корреляция между соответствующей электропроводностью и теплопроводностью сплавов.

Электрическое сопротивление проводников

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии.

Движущиеся электроны (от положительного полюса источника к отрицательному) ударяются о колеблющиеся ионы кристаллической решетки в проводнике и замедляют их движение

Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Омметр - прибор для измерения электрического сопротивления

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом в честь Георга Симона Ома (1784–1854), немецкого физика, изучавшего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм 2 при температуре 0° С.

Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4 ом.

Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.

Один мегом равен одному миллиону ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению.

Обратной величиной электрического сопротивления является физическая величина, называемая электропроводностью.

Медные токоведущие шины в распределительном устройстве

Электрической проводимостью (электропроводностью) называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/ R , обозначается проводимость латинской буквой g.

Единицей электрической проводимости является сименс. Она была так названа в честь немецкого ученого Вернера Сименса (1816 - 1892).

Слово сопротивление также относится к пассивному электрическому компоненту, правильное название которого — резистор, характеризующийся одним свойством — электрическим сопротивлением.

Причина включения резистора в электрическую цепь обычно состоит в том, чтобы уменьшить величину электрического тока или получить определенное падение напряжения. Резистор часто неправильно называют сопротивлением и это может привести к двусмысленности . Величину сопротивления резисторов обозначают либо написанием числа на резисторе, либо, что чаще, цветными полосками.

Резисторы для электронных схем

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления.

Величина электрического сопротивления определяется материалом, формой и температурой проводника. Величина сопротивления зависит от длины проводника (прямопропорционально), от содержания в поперечном сечении проводника (обратно пропорционально), от материала проводника (удельное электрическое сопротивление) и от температуры.

Так как сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, то для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 . Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа - 0,12, удельное сопротивление константана - 0,48, удельное сопротивление нихрома - 1-1,1.

Вещества, обладающие высоким удельным сопротивлением, являются изоляторами. Наиболее совершенным изолятором является янтарь, а также в качестве изоляторов применяют ПВХ, слюду, стекло, фарфор и т. д.

Электрический провод с медной жилой

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь поперечного сечения проводника :

где - R - сопротивление проводника, ом, l - длина в проводника в м, S - площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

S = ( Пи х d 2 )/ 4

где Пи - постоянная величина, равная 3,14; d - диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Поперечный разрез силового кабеля на 400 кВ с изоляцией из сшитого полиэтилена и медной жилой. Сечение кабеля - 1600 мм 2 . Такой кабель используется в воздушно-кабельной линии электропередачи 380 кВ в Берлине. Линия протяженностью 34 км построена в 2000-м году.

Это нужно запомнить:

1. Если к одному и тому же источнику электрического напряжения последовательно подключить проводники из разных материалов, но одинаковой длины и одинакового сечения, то мы будем измерять амперметром, что по каждому проводнику протекает электрический ток разной величины. Каждый материал оказывает различное сопротивление прохождению тока.

2. Если мы используем для измерения проводники из одного и того же материала, которые будут иметь одинаковый диаметр, но всегда разную длину, то амперметр будет определять разный проходящий ток для каждой длины проводника. Наибольший ток будет течь по самому короткому проводу.

3. Если мы используем для измерения проводники из одного материала одинаковой длины, но разного сечения, то мы будем измерять разные значения тока для каждого проводника с разным сечением. Наибольший ток будет течь по проводу с наибольшим сечением.

Медные клеммные колодки для соединения жил проводов и кабелей в электрощитах

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .

Сопротивление проводников и полупроводников зависит от температуры. Сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры (положительный температурный коэффициент электрического сопротивления), а сопротивление полупроводников, углерода и некоторых специальных сплавов металлов с повышением температуры уменьшается (отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления). Электрическое сопротивление всегда имеет положительное значение. Хорошие проводники имеют малое сопротивление, плохие — высокое.

Различные проводники имеют разное сопротивление. Соединительные провода в электрической цепи имеют низкое сопротивление, чтобы как можно меньше уменьшить ток, проходящий через цепь. С другой стороны, резистивные проводники, используемые в нагревательных кабелях и электрических нагревательных приборах и резистивные нити накаливания лампочек имеют относительно высокое сопротивление, которые значительно нагреваются из-за своего высокого сопротивления при достаточном напряжении.

Нагревательный элемент для электрической плиты

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1° C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры.

При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника.

С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов .

Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре - 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Новый сверхпроводящий материал, который был открыт в 2021 году, зажатый между алмазами, может проводить электричество без электрического сопротивления при комнатной температуре

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, колебательное движение молекул настолько мало, что свободные электроны движутся в них без всякого сопротивления. Ток, введенный в такой сильно охлаждаемый проводник, протекает непрерывно и без малейших потерь.

Постепенно охлаждая образцы платины и золота, голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес (1853 - 1926) обнаружил, что их электрическое сопротивление уменьшается. Когда он проделал свой опыт с ртутью, то при температуре около 4,27 К ее сопротивление стало резко падать, а при температуре около 4,22 К полностью исчезло. В последующие годы он открыл сверхпроводимость и в других металлах.

В 2015 году физик Института химии им. Макса Планка Михаил Еремец и его команда сжали водород и серу для достижения сверхпроводимости при -70°C. Спустя несколько лет две исследовательские группы экспериментировали с соединениями лантана и водорода при высоком давлении. Эксперименты показали, что сверхпроводимость возможна при более высоких температурах, таких как -23°C и -13°C, но некоторые эксперименты были успешными и при 7°C.

Что еще почитать:

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

• Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
• Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
• Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

• Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
• Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
• Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
• До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
• Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

• ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
• ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
• Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

• Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
• Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

Читайте также:

  
• Водостоки для крыши металлические производитель
  
• Строительные ограждения металлические переносные
  
• Пластика и керамика как альтернатива металлам
  
• Монтаж металлического каркаса промышленного здания
  
• Металлические ворота с калиткой для дачи