Удельное сопротивление медного провода
Содержание
Удельное электрическое сопротивление (обозначается греческой буквой ρ) — это физический параметр вещества, несущий количественную информацию о возможности противодействовать протеканию электрического тока. Металлы имеют низкие значения удельного сопротивления (УС) по сравнению с полупроводниками и диэлектриками, что является основной причиной их использования в качестве соединительных проводов (кабелей, контактных площадок) во всех электрических устройствах. Медь (химическое обозначение Cu), имеющая одно из самых низких значений ρ, является безусловным лидером среди металлов, применяемых в электронной и электротехнической промышленности.
Кое-что из истории меди
Медь стала одним из первых металлов, который человек научился целенаправленно добывать и превращать в полезные предметы и инструменты. Временной период развития человечества с IV по III век до н. э. принято называть медным веком. Последовавший за ним период под названием бронзовый век в качестве основного металла использовал бронзу — сплав меди и олова. Уникальные электротехнические свойства меди человечество научилось использовать только в начале XIX в.
Почему «сопротивляются» металлы
Электрический ток возникает при наличии внешнего электрического поля, которое действуя на заряженные частицы, создаёт однонаправленный поток. В качестве зарядов могут выступать как легкие, отрицательно заряженные электроны, так и тяжёлые, положительно заряженные ионы. Структура металлов представляет собой жёсткую кристаллическую решётку, в узлах которой «сидят» атомы. При этом в межатомном пространстве находится огромное количество свободных электронов, покинувших внешние орбиты атомов из-за теплового воздействия.
Электрический ток в металле создают свободные электроны, но на своём пути они сталкиваются с тяжёлыми положительными ионами («плюсы» в узлах решётки), препятствующими росту скорости электронов. Таким образом, возникает сопротивление проводника.
Чему равно сопротивление
Математический алгоритм для вычисления сопротивления впервые предложил немецкий исследователь Г. Ом в 1826 г. на основании большого числа экспериментов с разными образцами металлов. В результате своих исследований он предложил формулу, названную впоследствии законом Ома:
Единица измерения сопротивления в системе СИ также названа в честь Г. Ома:
То есть, электросопротивление в 1 Ом имеет образец, через который протекает ток в 1 А при напряжении в 1 В.
Определение удельного сопротивления
С помощью формулы Ома можно выполнять расчет сопротивления, но для этого необходимо каждый раз проводить измерения тока и напряжения. Кроме основного закона Г. Ом в результате своих экспериментов обнаружил зависимость между величиной R и геометрическими размерами образцов — длиной L, площадью сечения S и некоторым коэффициентом ρ, который имел разную величину для различных металлов. Этот физический параметр Ом назвал удельным сопротивлением. Оно может быть рассчитано с помощью такой формулы:
Значения удельного сопротивления для большинства материалов сведены в справочные таблицы. Пример одной из таких таблиц приведён на рисунке ниже.
Из формулы для УС следует, что его размерность в системе СИ будет Ом*м:
На практике чаще применяется более удобная (внесистемная) единица:
С такой измерительной единицей значения ρ получаются не столь «гигантскими», то есть УС вещества, выраженное с ее помощью, равно сопротивлению провода (образца) длиной L = 1 м и сечением S = 1 кв. мм.
Исследования показали, что удельное сопротивление меди является одним из самых низких среди всех металлов — 0.017 Ом*мм2/м. Чуть меньшим значением ρ обладает серебро, но этот дорогой материал, относящийся к драгоценным металлам, добывается и используется в значительно меньших количествах.
Следует учитывать, что значение УС металлов зависит от температуры внешней среды — возрастает с увеличением температуры внешней среды.
Другие достоинства меди
Кроме того, что медь имеет небольшое удельное сопротивление, она еще обладает рядом свойств, делающих её лидером среди металлов, применяемых в электротехнике и электронике:
- Достаточно большая температура плавления (1085 градусов), в полтора раза превышающая Тпл алюминия, который является альтернативой меди в кабельно-технической продукции для электропроводки.
- Незначительный по величине температурный коэффициент сопротивления.
- Поверхностный слой меди быстро окисляется, а образовавшаяся пленка окислов (CuO, Cu2O) выполняет роль антикоррозионной защиты.
- Медь — высокопластичный материал, что даёт возможность подвергать проводники многочисленным сгибаниям-разгибаниям, не опасаясь утраты целостности медных проводов.
- Большая величина теплопроводности меди способствует эффективному «сбросу» лишнего тепла электротехнической аппаратурой. Примером могут служить кулеры (англ. cooler) для процессоров материнских плат и видеокарт в компьютерах.
- Высокие прочностные показатели (ударные и механические).
- Легкодоступная технология пайки меди объясняет её массовое использование на производстве и в радиолюбительской среде.
- Относительно невысокая, доступная стоимость является весомым аргументом в пользу широкого применения.
Медь — это не только провода и кабели
Кроме широкого применения медной проволоки в различных версиях проводов уникальные физические свойства материала находят своё применение в следующих электротехнических изделиях:
- В производстве электродвигателей (катушки и обмотки).
- Трансформаторные обмотки (первичные и вторичные).
- Медные шины различного назначения (телеграфного и телефонного оборудования, контактные клеммы, контактные дорожки в печатных, электронных платах).
- В производстве интегральных схем.
- В электровакуумных устройствах, где востребованы свойства бескислородной меди.
- В устройствах теплоотвода (радиаторы охлаждения, отопления и кондиционирования, тепловых трубках, компьютерных кулерах).
Расчёт сопротивления медных проводов
Чтобы на практике рассчитать активное сопротивление медного проводника, можно воспользоваться одним из трёх вариантов.
Расчёт по формулам
Чтобы вычислить сопротивление медного провода, следует воспользоваться базовым уравнением:
Определить длину провода (в метрах) не представляет труда. Для определения площади сечения при известном значении диаметра D (в миллиметрах) можно применить формулу из школьного курса геометрии:
Диаметр провода можно измерить штангенциркулем или микрометром. В случае отсутствия измерительных инструментов можно воспользоваться «народным обмоточным способом»:
- На карандаш или круглый в сечении стержень (гвоздь, пруток) плотно наматывается «исследуемый» провод.
- Для удобства дальнейших вычислений число витков должно быть кратно 10 (например, 10, 20, 30).
- Разделив длину намотки на стержне на число медных витков, получаем величину D.
Если диаметр известен, а стоит задача найти длину, гарантирующую необходимое сопротивление медного кабеля, то ее также можно решить довольно просто, имея удельное табличное сопротивление медного провода:
Справочные таблицы
Существуют справочники, в которых приведены готовые данные, где можно найти сопротивление 1 метра медного провода с сечением жилы известного диаметра. Например, воспользовавшись таблицей, несложно узнать, что медная проволока имеет электрическое сопротивление 0.00018 Ом, если ее диаметр 11 мм.
On-line калькуляторы
В последние годы широкое распространение получили интернет-калькуляторы, с помощью которых в режиме on-line можно получить сопротивление медного проводника или проводника из другого металла. Для этого достаточно загрузить данные о длине, диаметре и название металла. Искомое сопротивление будет рассчитано, конечно, гораздо быстрее, чем вручную
Заключение
Медная проволока имеет электрическое сопротивление меньше любой другой металлической проволоки (кроме серебряной) такой же длины и сечения. Сопротивление кабеля, состоящего из нескольких медных жил обеспечивает минимальные потери в сетях связи и передачи энергии. Все эти преимущества обусловлены тем, что удельное сопротивление меди минимальное среди всех металлов, применяемых в электротехнике.
Загрузка...
