Hogyan függ az ellenállás? Mi a réz ellenállása: értékek, jellemzők, értékek

Az elektromos áram vezetésére képes anyagokat vezetőknek nevezzük. A többi dielektrikumnak minősül. De nincsenek tiszta dielektrikumok, mindegyik vezeti az áramot is, de az értéke nagyon kicsi.

De a vezetők másképp vezetik az áramot. George Ohm képlete szerint a vezetőn átfolyó áram lineárisan arányos a rá alkalmazott feszültség nagyságával, és fordítottan arányos az ellenállásnak nevezett mennyiséggel.

Az ellenállás mértékegységét Ohmnak nevezték el annak a tudósnak a tiszteletére, aki felfedezte ezt az összefüggést. De kiderült, hogy a különböző anyagokból készült és azonos geometriai méretekkel rendelkező vezetők eltérő elektromos ellenállással rendelkeznek. Az ismert hosszúságú és keresztmetszetű vezető ellenállásának meghatározásához bevezették az ellenállás fogalmát - az anyagtól függő együtthatót.

Ennek eredményeként egy ismert hosszúságú és keresztmetszetű vezető ellenállása egyenlő lesz

Ellenállás nem csak szilárd anyagokra, hanem folyadékokra is alkalmazható. De az értéke az alapanyag szennyeződéseitől vagy egyéb összetevőitől is függ. Tiszta víz nem vezet elektromosságot, mivel dielektrikum. De a természetben nincs desztillált víz, mindig tartalmaz sókat, baktériumokat és egyéb szennyeződéseket. Ez a koktél specifikus ellenállású elektromos áram vezető.

Különféle adalékanyagok fémekbe való bejuttatásával új anyagok nyerhetők - ötvözetek, melynek fajlagos ellenállása eltér az eredeti anyagétól, még akkor is, ha a hozzá való kiegészítés be százalék jelentéktelen.

Ellenállás a hőmérséklet függvényében

Az anyagok fajlagos ellenállását a referenciakönyvek a szobahőmérséklethez (20 °C) közeli hőmérsékletekre vonatkozóan adják meg. A hőmérséklet növekedésével az anyag ellenállása nő. Miért történik ez?

Az anyag belsejében elektromos áramot vezetnek szabad elektronok. Az elektromos tér hatására elszakadnak atomjaiktól, és e tér által megadott irányban mozognak közöttük. Egy anyag atomjai kristályrácsot alkotnak, amelynek csomópontjai között elektronáram mozog, amelyet "elektrongáznak" is neveznek. A hőmérséklet hatására a rácscsomópontok (atomok) oszcillálnak. Maguk az elektronok sem egyenes vonalban, hanem bonyolult úton mozognak. Ugyanakkor gyakran ütköznek atomokkal, megváltoztatva a mozgás pályáját. Egyes időpillanatokban az elektronok az elektromos áram irányával ellentétes irányban mozoghatnak.

A hőmérséklet emelkedésével az atomi rezgések amplitúdója nő. Az elektronok ütközése velük gyakrabban fordul elő, az elektronáramlás mozgása lelassul. Fizikailag ez az ellenállás növekedésében fejeződik ki.

Az ellenállás hőmérséklet-függésének példája az izzólámpa működése. A wolfram izzószál, amelyből az izzószál készül, a bekapcsolás pillanatában alacsony ellenállással rendelkezik. Az áram túlfeszültsége a bekapcsolás pillanatában gyorsan felmelegíti, az ellenállás nő, az áram pedig csökken, névlegessé válik.

Ugyanez a folyamat megy végbe a nikróm fűtőelemekkel is. Ezért lehetetlen kiszámítani működési módjukat egy ismert keresztmetszetű nikróm huzal hosszának meghatározásával a szükséges ellenállás létrehozásához. A számításokhoz szükség van a fűtött vezeték fajlagos ellenállására, és a referenciakönyvek szobahőmérséklet értékeket adnak meg. Ezért a nikrómspirál végső hosszát kísérletileg állítják be. A számítások meghatározzák a hozzávetőleges hosszt, illesztéskor a menetet fokozatosan szakaszonként lerövidítik.

Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója

De nem minden készülékben előnyös a vezetők ellenállásának a hőmérséklettől való függése. A méréstechnikában az áramköri elemek ellenállásának változása hibához vezet.

Mert számszerűsítése az anyagellenállás hőmérséklettől való függése, a fogalom bevezetése hőmérsékleti ellenállási együttható (TCR). Megmutatja, hogy mennyit változik egy anyag ellenállása, ha a hőmérséklet 1°C-kal változik.

Elektronikus alkatrészek - mérőberendezések áramköreiben használt ellenállások - gyártásához alacsony TCR-ű anyagokat használnak. Drágábbak, de a készülék paraméterei nem változnak a környezeti hőmérséklet széles tartományában.

De a magas TCR-értékű anyagok tulajdonságait is használják. Egyes hőmérséklet-érzékelők működése azon anyag ellenállásán alapul, amelyből a mérőelem készül. Ehhez támogatnia kell stabil feszültség táplálja és mérje meg az elemen áthaladó áramot. Az áramerősséget mérő készülék skáláját referencia hőmérő szerint kalibrálva elektronikus hőmérsékletmérőt kapunk. Ezt az elvet nemcsak méréseknél, hanem túlmelegedés-érzékelőknél is alkalmazzák. A készülék leválasztása olyan rendellenes működési módok esetén, amelyek a transzformátorok vagy a teljesítmény-félvezető elemek tekercseinek túlmelegedéséhez vezetnek.

Az elektrotechnikában használatosak és olyan elemek, amelyek ellenállásukat nem a környezeti hőmérséklettől, hanem a rajtuk áthaladó áramtól változtatják - termisztorok. Alkalmazásukra példa a TV-k és monitorok katódsugárcsövéinek hatástalanítására szolgáló rendszerek. Feszültség alkalmazásakor az ellenállás ellenállása minimális, a rajta áthaladó áram átmegy a lemágnesező tekercsbe. De ugyanaz az áram melegíti a termisztor anyagát. Ellenállása növekszik, csökken az áram és a feszültség a tekercsen keresztül. És így - a teljes eltűnéséig. Ennek eredményeként a tekercsre egyenletesen csökkenő amplitúdójú szinuszos feszültség kerül, ami ugyanazt a mágneses teret hozza létre a tekercsben. Az eredmény az, hogy mire a cső izzószála felmelegszik, már lemágnesezett. És a vezérlő áramkör zárt állapotban marad mindaddig, amíg az eszközt ki nem kapcsolják. Ezután a termisztorok lehűlnek, és újra munkára készek.

A szupravezetés jelensége

Mi történik, ha az anyag hőmérsékletét csökkentjük? Az ellenállás csökkenni fog. Van egy határ, ameddig a hőmérséklet csökken, ún abszolút nulla. Ez- 273°С. Ez alatt a hőmérsékleti határérték alatt nem történik meg. Ezen az értéken bármely vezető ellenállása nulla.

Az abszolút nullánál a kristályrács atomjai abbahagyják a rezgést. Ennek eredményeként az elektronfelhő úgy mozog a rácscsomópontok között, hogy nem ütközik velük. Az anyag ellenállása válik nulla, amely lehetőséget nyit arra, hogy kis keresztmetszetű vezetőkben végtelenül nagy áramot kapjunk.

A szupravezetés jelensége új távlatokat nyit az elektrotechnika fejlődése előtt. De továbbra is nehézségekbe ütközik az e hatás eléréséhez szükséges rendkívül alacsony hőmérséklet otthoni elérése. A problémák megoldása után az elektrotechnika új fejlesztési szintre lép.

Példák az ellenállásértékek használatára a számításokban

Már megismerkedtünk a fűtőelem gyártásához szükséges nikrómhuzal hosszának kiszámításának elveivel. De vannak más helyzetek is, amikor szükség van az anyagok ellenállásának ismeretére.

Számításhoz földelő készülék áramkörei jellemző talajoknak megfelelő együtthatókat alkalmazunk. Ha a talajhurok helyén nem ismert a talaj típusa, akkor a helyes számításokhoz előzetesen megmérik az ellenállását. Így a számítási eredmények pontosabbak, ami kiküszöböli az áramköri paraméterek beállítását a gyártás során: az elektródák számának hozzáadása, ami a földelő eszköz geometriai méreteinek növekedéséhez vezet.

Az aktív ellenállás kiszámításához azon anyagok fajlagos ellenállását használják, amelyekből kábelvezetékek és gyűjtősínek készülnek. A jövőben a névleges terhelési áram mellett a vonal végén lévő feszültségértéket számítjuk ki. Ha az értéke nem bizonyul elegendőnek, akkor a vezetékek keresztmetszete előre megnövelésre kerül.

Elektromos áram keletkezik az áramkör lezárása következtében a kapcsokon potenciálkülönbséggel. A térerők a szabad elektronokra hatnak, és azok a vezető mentén mozognak. Az utazás során az elektronok találkoznak az atomokkal, és átadják nekik felhalmozott energiájuk egy részét. Ennek eredményeként a sebességük csökken. De az elektromos tér hatására ismét lendületet vesz. Így az elektronok állandóan ellenállást tapasztalnak, ezért az elektromos áram felmelegszik.

Az anyag azon tulajdonsága, hogy az áram hatására elektromosságot hővé alakít, elektromos ellenállás, és R-vel jelöljük, mértékegysége Ohm. Az ellenállás mértéke elsősorban a különböző anyagok áramvezető képességétől függ.
G. Ohm német kutató először jelentett be ellenállást.

Az áramerősség ellenállástól való függésének kiderítése érdekében egy híres fizikus számos kísérletet végzett. Kísérletekhez különféle vezetőket használt, és különféle mutatókat kapott.
G. Ohm először megállapította, hogy az ellenállás a vezető hosszától függ. Vagyis ha a vezető hossza megnőtt, az ellenállás is nőtt. Ennek eredményeként ezt az összefüggést egyenesen arányosnak határozták meg.

A második függőség a keresztmetszeti terület. Meghatározható a vezető keresztmetszete alapján. A vágáson kialakult ábra területe a keresztmetszeti terület. Itt az összefüggés fordítottan arányos. Vagyis minél nagyobb a keresztmetszeti terület, annál kisebb a vezető ellenállása.

És a harmadik fontos mennyiség, amelytől az ellenállás függ, az az anyag. Annak eredményeként, hogy Ohm különböző anyagokat használt a kísérletekben, eltérő ellenállási tulajdonságokat talált. Mindezeket a kísérleteket és mutatókat egy táblázatban foglaltuk össze, amelyből látható, hogy a fajlagos ellenállás különböző értékei különféle anyagok.

Köztudott, hogy a legjobb vezetők a fémek. Mely fémek a legjobb vezetők? A táblázat azt mutatja, hogy a réz és az ezüst ellenállása a legkisebb. A rezet gyakrabban használják alacsonyabb költsége miatt, míg az ezüstöt a legfontosabb és kritikus eszközökben.

A táblázatban szereplő nagy ellenállású anyagok nem vezetik jól az elektromosságot, ami azt jelenti, hogy kiváló szigetelőanyagok lehetnek. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező anyagok a legnagyobb mértékben a porcelán és az ebonit.

Általánosságban elmondható, hogy az elektromos ellenállás nagyon fontos tényező, mert a mutatójának meghatározásával megtudhatjuk, milyen anyagból van a vezető. Ehhez meg kell mérni a keresztmetszeti területet, meg kell találni az áramerősséget voltmérővel és ampermérővel, valamint meg kell mérni a feszültséget. Így megtudjuk az ellenállás értékét, és a táblázat segítségével könnyen elérhetjük az anyagot. Kiderült, hogy az ellenállás olyan, mint egy anyag ujjlenyomata. Ezenkívül az ellenállás fontos a hosszú elektromos áramkörök tervezésénél: ismernünk kell ezt a számot, hogy egyensúlyt teremtsünk a hossz és a terület között.

Van egy képlet, amely meghatározza, hogy az ellenállás 1 ohm, ha 1 V feszültségnél, akkor az áramerőssége 1 A. Vagyis egy bizonyos anyagból készült egységnyi terület és egységnyi hossz ellenállása az ellenállás.

Azt is meg kell jegyezni, hogy az ellenállási index közvetlenül függ az anyag gyakoriságától. Vagyis van-e benne szennyeződés. Csak egy százalék mangán hozzáadása háromszorosára növeli a leginkább vezető anyag - a réz - ellenállását.

Ez a táblázat egyes anyagok elektromos ellenállását mutatja.

Jó vezetőképességű anyagok

Réz
Mint mondtuk, a rezet leggyakrabban vezetőként használják. Ez nem csak az alacsony ellenállásának köszönhető. A réz előnyei a nagy szilárdság, a korrózióállóság, a könnyű használat és a jó megmunkálhatóság. jó márkák a réz M0-nak és M1-nek tekinthető. Ezekben a szennyeződések mennyisége nem haladja meg a 0,1%-ot.

A fém magas költsége és uralkodója mostanában a szűkösség arra ösztönzi a gyártókat, hogy vezetőként alumíniumot használjanak. Ezenkívül különféle fémekkel készült rézötvözeteket használnak.
Alumínium
Ez a fém sokkal könnyebb, mint a réz, de az alumíniumnak magas a hőkapacitása és olvadáspontja. Ebben a tekintetben ahhoz, hogy olvadt állapotba kerüljön, több energiára van szükség, mint a réznél. Ennek ellenére figyelembe kell venni a rézhiány tényét.
Az elektromos termékek gyártása során általában A1 minőségű alumíniumot használnak. Legfeljebb 0,5% szennyeződést tartalmaz. A legmagasabb frekvenciájú fém pedig az AB0000 minőségű alumínium.
Vas
A vas olcsóságát és elérhetőségét beárnyékolja a nagy fajlagos ellenállása. Ráadásul gyorsan korrodálódik. Emiatt az acélvezetőket gyakran cinkkel vonják be. Az úgynevezett bimetál széles körben használják - ez a védelem érdekében rézzel bevont acél.
Nátrium
A nátrium is megfizethető és ígéretes anyag, de ellenállása csaknem háromszorosa a réznek. Ezenkívül a fém-nátrium nagy kémiai aktivitással rendelkezik, ami szükségessé teszi az ilyen vezetők hermetikus védelemmel való lefedését. Ezenkívül meg kell védenie a vezetőt a mechanikai sérülésektől, mivel a nátrium nagyon puha és meglehetősen törékeny anyag.

Szupravezetés
Az alábbi táblázat az anyagok ellenállását mutatja 20 fokos hőmérsékleten. A hőmérséklet jelzése nem véletlen, mert az ellenállás közvetlenül ettől a mutatótól függ. Ez azzal magyarázható, hogy hevítéskor az atomok sebessége is megnő, ami azt jelenti, hogy az elektronokkal való találkozásuk valószínűsége is megnő.

Érdekes, hogy mi történik az ellenállással hűtési körülmények között. G. Kamerling-Onnes figyelt fel először 1911-ben az atomok viselkedésére nagyon alacsony hőmérsékleten. Lehűtötte a higanyszálat 4K-ra, és úgy találta, hogy az ellenállása nullára esik. A fizikus egyes ötvözetek és fémek fajlagos ellenállási indexének változását alacsony hőmérsékletű körülmények között szupravezetésnek nevezte.

A szupravezetők lehűléskor szupravezető állapotba kerülnek, optikai és szerkezeti jellemzőik nem változnak. A fő felfedezés az, hogy a szupravezető állapotban lévő fémek elektromos és mágneses tulajdonságai nagyon eltérnek a szupravezető állapotban lévő fémek tulajdonságaitól. normál állapot, valamint más fémek tulajdonságaitól, amelyek a hőmérséklet csökkenésével nem tudnak ebbe az állapotba kerülni.
A szupravezetők használata elsősorban a szupererősség megszerzésében történik mágneses mező, melynek erőssége eléri a 107 A/m-t. Szupravezető távvezeték-rendszereket is fejlesztenek.

Hasonló anyagok.

Tudjuk, hogy a vezető elektromos ellenállásának oka az elektronok kölcsönhatása a fémkristályrács ionjaival (43. §). Ezért feltételezhető, hogy egy vezető ellenállása függ a hosszától és a keresztmetszeti területétől, valamint attól az anyagtól, amelyből készült.

A 74. ábra egy ilyen kísérlet beállítását mutatja. Az áramforrás áramkörében különféle vezetők szerepelnek, például:

1. Azonos vastagságú, de eltérő hosszúságú nikkelhuzalok;
2. Azonos hosszúságú, de eltérő vastagságú nikkelhuzalok (különböző keresztmetszeti terület);
3. azonos hosszúságú és vastagságú nikkel és nikróm huzalok.

Az áramkörben lévő áramerősséget ampermérővel, a feszültséget voltmérővel mérik.

Ismerve a vezető végén lévő feszültséget és a benne lévő áram erősségét, Ohm törvénye szerint meghatározhatja az egyes vezetők ellenállását.

Rizs. 74. Egy vezető ellenállásának függése a méretétől és az anyag típusától

A kísérletek elvégzése után megállapítjuk, hogy:

1. két azonos vastagságú nikkelezett huzal közül a hosszabb huzal nagyobb ellenállású;
2. két azonos hosszúságú nikkelhuzal közül a kisebb keresztmetszetű vezetéknek a nagyobb az ellenállása;
3. az azonos méretű nikkel és nikróm vezetékek eltérő ellenállásúak.

A vezető ellenállásának a méreteitől és az anyagtól, amelyből a vezető készül, először Ohm vizsgálta kísérletekben. Megállapította, hogy az ellenállás egyenesen arányos a vezető hosszával, fordítottan arányos a keresztmetszeti területével és függ a vezető anyagától.

Hogyan lehet figyelembe venni az ellenállás függését attól az anyagtól, amelyből a vezető készül? Ehhez az ún anyag ellenállása.

Az ellenállás az fizikai mennyiség, amely egy adott anyag 1 m hosszú, 1 m 2 keresztmetszetű vezetőjének ellenállását határozza meg.

Vezessük be a betűjelöléseket: ρ - a vezető fajlagos ellenállása, I - a vezető hossza, S - a keresztmetszet területe. Ekkor az R vezető ellenállását a képlet fejezi ki

Ebből azt kapjuk, hogy:

Az utolsó képletből meghatározhatja az ellenállás mértékegységét. Mivel az ellenállás mértékegysége 1 ohm, a keresztmetszeti terület mértékegysége 1 m2, a hossz mértékegysége pedig 1 m, akkor az ellenállás mértékegysége:

Kényelmesebb a vezető keresztmetszeti területét négyzetmilliméterben kifejezni, mivel az leggyakrabban kicsi. Ekkor az ellenállás mértékegysége a következő lesz:

A 8. táblázat egyes anyagok ellenállási értékeit mutatja 20 °C-on. Az ellenállás változik a hőmérséklettel. Empirikusan azt találták, hogy például a fémeknél az ellenállás a hőmérséklet emelkedésével nő.

8. táblázat: Egyes anyagok elektromos ellenállása (t = 20 °C-on)

Az összes fém közül az ezüstnek és a réznek van a legkisebb ellenállása. Ezért az ezüst és a réz a legjobb elektromos vezetők.

Az elektromos áramkörök bekötéséhez alumínium-, réz- és vashuzalokat használnak.

Sok esetben nagy ellenállású eszközökre van szükség. Speciálisan létrehozott ötvözetekből - nagy ellenállású anyagokból - készülnek. Például, amint az a 8. táblázatból látható, a nikrómötvözet ellenállása csaknem 40-szer nagyobb, mint az alumíniumé.

A porcelánnak és az ebonitnak olyan nagy az ellenállása, hogy szinte egyáltalán nem vezetik az elektromosságot, szigetelőként használják.

Kérdések

1. Hogyan függ egy vezető ellenállása a hosszától és a keresztmetszeti területétől?
2. Hogyan mutatható ki kísérletileg egy vezető ellenállásának hosszától, keresztmetszeti területétől és az anyagtól, amelyből készült?
3. Mekkora egy vezető fajlagos ellenállása?
4. Milyen képlettel lehet kiszámítani a vezetők ellenállását?
5. Mi a vezető ellenállásának mértékegysége?
6. Milyen anyagokból készülnek a gyakorlatban használt vezetékek?

Az ohmban kifejezett elektromos ellenállás eltér az "ellenállás" fogalmától. Ahhoz, hogy megértsük, mi a fajlagos ellenállás, kapcsolatba kell lépni vele fizikai tulajdonságok anyag.

A vezetőképességről és az ellenállásról

Az elektronok áramlása nem mozog szabadon az anyagon. Nál nél állandó hőmérséklet elemi részecskék lendüljön egy nyugalmi állapot körül. Ráadásul a vezetési sávban lévő elektronok kölcsönös taszítással interferálnak egymással hasonló töltés miatt. Így ellenállás keletkezik.

A vezetőképesség az anyagok belső jellemzője, és számszerűsíti a töltések mozgásának könnyedségét, amikor az anyagot elektromos térnek teszik ki. Az ellenállás az elektronok anyagon való mozgásának nehézségi fokának reciproka, amely jelzi, hogy egy vezető mennyire jó vagy rossz.

Fontos! Fajlagos elektromos ellenállás -val magas érték azt jelzi, hogy az anyag rosszul vezet, és azzal Alacsony érték- meghatározza a jó vezetőképes anyagot.

A fajlagos vezetőképességet σ betűvel jelöljük, és a következő képlettel számítjuk ki:

A ρ fajlagos ellenállás, mint inverz indikátor, a következőképpen érhető el:

Ebben a kifejezésben E a generált elektromos tér erőssége (V / m), J pedig az elektromos áram sűrűsége (A / m²). Ekkor a ρ mértékegysége a következő lesz:

V/m x m²/A = ohm m.

A σ fajlagos vezetőképességnél a mértékegység Sm/m vagy Siemens per méter.

Anyagtípusok

Az anyagok ellenállása szerint több típusra oszthatók:

1. Karmesterek. Ide tartozik minden fém, ötvözet, ionokká disszociált oldat, valamint termikusan gerjesztett gáz, beleértve a plazmát is. A nem fémek közül a grafit említhető példaként;
2. Félvezetők, amelyek valójában nem vezető anyagok, amelyek kristályrácsait célirányosan adalékolják idegen atomok bevonásával kisebb-nagyobb számú kötött elektronnal. Ennek eredményeként a rácsszerkezetben kvázi-mentes felesleges elektronok vagy lyukak keletkeznek, amelyek hozzájárulnak az áramvezetőképességhez;
3. A disszociált dielektrikumok vagy szigetelők mind olyan anyagok, amelyek normál körülmények között nem rendelkeznek szabad elektronokkal.

Villamos energia szállítására, illetve háztartási és ipari elektromos berendezésekben gyakran használt anyag a réz egyeres vagy többeres kábelek formájában. Alternatív fém az alumínium, bár a réz ellenállása 60%-a az alumíniumnak. De sokkal könnyebb, mint a réz, ami előre meghatározta a nagyfeszültségű hálózatok távvezetékeiben való használatát. Az aranyat vezetőként speciális célokra használják elektromos áramkörökben.

Érdekes. A tiszta réz elektromos vezetőképességét a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság 1913-ban fogadta el ennek az értéknek a szabványaként. Definíció szerint a réz vezetőképessége 20°-on mérve 0,58108 S/m. Ezt az értéket 100% LACS-nak nevezik, és a fennmaradó anyagok vezetőképességét a LACS bizonyos százalékában fejezik ki.

A legtöbb fém vezetőképességi értéke kisebb, mint 100% LACS. Vannak azonban kivételek, mint például az ezüst vagy a nagyon nagy vezetőképességű speciális réz, C-103, illetve C-110 jelöléssel.

A dielektrikumok nem vezetnek áramot, és szigetelőként használják őket. Példák szigetelőkre:

• üveg,
• kerámia,
• műanyag,
• radír,
• csillámpala,
• viasz,
• papír,
• száraz fa,
• porcelán,
• néhány zsír ipari és elektromos felhasználásra és bakelit.

A három csoport között az átmenetek folyékonyak. Biztosan ismert: nincsenek abszolút nem vezető közegek és anyagok. Például a levegő szobahőmérsékleten szigetelő, de erős alacsony frekvenciájú jel esetén vezetővé válhat.

A vezetőképesség meghatározása

A különböző anyagok elektromos ellenállásának összehasonlításakor szabványos mérési feltételekre van szükség:

1. Folyadékok, rossz vezetők és szigetelők esetén használjon 10 mm élhosszúságú köbös mintákat;
2. A talajok és a geológiai képződmények ellenállási értékeit 1 m bordás kockákon határozzák meg;
3. Az oldat vezetőképessége az ionok koncentrációjától függ. A koncentrált oldat kevésbé disszociál és kevesebb töltéshordozót tartalmaz, ami csökkenti a vezetőképességet. A hígítás növekedésével az ionpárok száma nő. Az oldatok koncentrációja 10%;
4. A fémvezetők ellenállásának meghatározásához méter hosszúságú és 1 mm² keresztmetszetű vezetékeket használnak.

Ha egy anyag, például egy fém, képes szabad elektronokat biztosítani, akkor potenciálkülönbség alkalmazásakor elektromos áram fog átfolyni a vezetéken. A feszültség növekedésével több elektron mozog az anyagon keresztül egy időegységbe. Ha az összes további paraméter (hőmérséklet, keresztmetszeti terület, huzalhossz és anyag) változatlan, akkor az áram és az alkalmazott feszültség aránya is állandó, és vezetőképességnek nevezzük:

Ennek megfelelően az elektromos ellenállás a következő lesz:

Az eredmény ohmban értendő.

Viszont a karmester lehet különböző hosszúságú, keresztmetszeti méretek és különféle anyagokból készüljenek, amelyektől az R értéke függ. Matematikailag ez a kapcsolat így néz ki:

Az anyagtényező a ρ együtthatót veszi figyelembe.

Ebből levezethetjük az ellenállás képletét:

Ha S és l értékei megfelelnek az ellenállás-összehasonlító számítás adott feltételeinek, azaz 1 mm² és 1 m, akkor ρ = R. Amikor a vezető mérete megváltozik, az ohmok száma is változik.

Az elektromos ellenállás a vezető anyagok fő jellemzője. A vezeték terjedelmétől függően ellenállásának értéke pozitív és negatív szerepet is játszhat egy elektromos rendszer működésében. Ezenkívül a vezető használatának sajátosságai olyan további jellemzők figyelembevételét is szükségessé tehetik, amelyek hatása egy adott esetben nem elhanyagolható.

A vezetők tiszta fémek és ötvözeteik. Egy fémben az egyetlen "erős" szerkezetben rögzített atomoknak szabad elektronjaik vannak (az úgynevezett "elektrongáz"). Ebben az esetben ezek a részecskék töltéshordozók. Az elektronok állandó véletlenszerű mozgásban vannak egyik atomról a másikra. Amikor elektromos tér jelenik meg (a fém végeihez feszültségforrás kapcsolódik), az elektronok mozgása a vezetőben rendezettté válik. A mozgó elektronok útjában akadályokba ütköznek, amelyeket a vezető molekulaszerkezetének sajátosságai okoznak. A szerkezettel való ütközéskor a töltéshordozók elveszítik energiájukat, átadják azt a vezetőnek (felmelegítik). Minél több akadályt állít a vezető szerkezet a töltéshordozók elé, annál nagyobb az ellenállás.

Ha a vezető szerkezet keresztmetszete egy számú elektronra nő, az „átviteli csatorna” szélesebb lesz, és az ellenállás csökken. Ennek megfelelően a vezeték hosszának növekedésével több ilyen akadály lesz, és az ellenállás nő.

Így az ellenállás kiszámításának alapképlete magában foglalja a vezeték hosszát, a keresztmetszeti területet és egy bizonyos együtthatót, amely ezeket a méretjellemzőket a feszültség és az áram elektromos értékéhez kapcsolja (1). Ezt az együtthatót ellenállásnak nevezzük.
R=r*L/S (1)

Ellenállás

Az ellenállás változatlanés annak az anyagnak a tulajdonsága, amelyből a vezető készül. Mértékegységek r - ohm * m. Az ellenállásértéket gyakran ohm * mm négyzetméterben adják meg. Ez annak köszönhető, hogy a leggyakrabban használt kábelek keresztmetszete viszonylag kicsi, és négyzet-mm-ben mérik. Vegyünk egy egyszerű példát.

1. számú feladat. Rézhuzal hossza L = 20 m, S szakasz = 1,5 mm. négyzetméter Számítsa ki a vezeték ellenállását.
Megoldás: rézhuzal fajlagos ellenállása r = 0,018 ohm*mm. négyzetméter/m2 Az értékeket az (1) képletbe behelyettesítve R=0,24 ohm-ot kapunk.
Az elektromos rendszer ellenállásának kiszámításakor egy vezeték ellenállását meg kell szorozni a vezetékek számával.
Ha nagyobb ellenállású alumíniumot (r = 0,028 ohm * mm sq. / m) használnak réz helyett, akkor a vezetékek ellenállása ennek megfelelően nő. A fenti példában az ellenállás R = 0,373 ohm (55%-kal több). A vezetékek fő anyaga a réz és az alumínium. Vannak olyan fémek, amelyek ellenállása kisebb, mint a réz, például az ezüst. Használata azonban korlátozott a nyilvánvalóan magas költségek miatt. Az alábbi táblázat felsorolja a vezetőanyagok ellenállásait és egyéb alapvető jellemzőit.
Táblázat - a vezetők főbb jellemzői

A vezetékek hőveszteségei

Ha a fenti példa kábelével 2,2 kW-os terhelést csatlakoztatunk egy egyfázisú 220 V-os hálózathoz, akkor az I \u003d P / U vagy I \u003d 2200/220 \u003d 10 A áram fog átfolyni a huzal. A vezető teljesítményveszteségének kiszámításának képlete:
Ppr \u003d (I ^ 2) * R (2)
2. példa Számítsa ki az aktív veszteségeket 2,2 kW teljesítményátvitel során egy 220 V feszültségű hálózatban az említett vezetékre.
Megoldás: a vezetékek áramának és ellenállásának értékét a (2) képletbe helyettesítve Ppr \u003d (10 ^ 2) * (2 * 0,24) \u003d 48 W.
Így az energia hálózatról a terhelésre történő átvitelekor a vezetékek vesztesége valamivel több, mint 2%. Ez az energia hővé alakul, amelyet a vezető felszabadít környezet. A vezető fűtésének állapotától függően (az áram nagyságától függően) keresztmetszetét speciális táblázatok alapján választják ki.
Például a fenti vezetéknél a maximális áramerősség 19 A vagy 4,1 kW 220 V-os hálózatban.

A megnövelt feszültséget a tápvezetékek aktív veszteségének csökkentésére használják. Ebben az esetben a vezetékek árama csökken, a veszteségek csökkennek.

Hőmérséklet hatás

A hőmérséklet emelkedése a fém kristályrácsának oszcillációinak növekedéséhez vezet. Ennek megfelelően az elektronok több akadályba ütköznek, ami az ellenállás növekedéséhez vezet. A fém hőmérséklet-emelkedéssel szembeni ellenállásának "érzékenységének" értékét nevezzük hőmérsékleti együttható a. A hőmérséklet figyelembevételének képlete a következő
R=Rн*, (3)
ahol Rn a vezeték ellenállása normál körülmények között (t°n hőmérsékleten); t° a vezető hőmérséklete.
Általában t°n = 20°C. Az α értéke a t°n hőmérsékletre is fel van tüntetve.
4. feladat Számítsa ki egy rézhuzal ellenállását t ° \u003d 90 ° C hőmérsékleten. α réz \u003d 0,0043, Rn \u003d 0,24 Ohm (1. feladat).
Megoldás: a (3) képletben szereplő értékeket helyettesítve R = 0,312 Ohm-ot kapunk. A vizsgált fűtött huzal ellenállása 30%-kal nagyobb, mint szobahőmérsékleten.

Frekvencia hatás

A vezetőben lévő áram frekvenciájának növekedésével megtörténik a töltések felületéhez közelebbi kiszorítása. A felületi réteg töltéskoncentrációjának növekedése következtében a huzal ellenállása is megnő. Ezt a folyamatot „bőrhatásnak” vagy felületi hatásnak nevezik. Bőr együttható– a hatás a vezeték méretétől és alakjától is függ. A fenti példában 20 kHz váltóáramú frekvencia esetén a vezeték ellenállása körülbelül 10%-kal nő. Ne feledje, hogy a nagyfrekvenciás alkatrészek sok modern ipari és háztartási fogyasztó áramjelével rendelkezhetnek (energiatakarékos lámpák, kapcsolóüzemű tápegységek, frekvenciaváltók stb.).

A szomszédos vezetők hatása

Minden olyan vezető körül, amelyen áram folyik, mágneses mező van. A szomszédos vezetők mezőinek kölcsönhatása szintén energiaveszteséget okoz, és ezt "közelségi effektusnak" nevezik. Vegye figyelembe azt is, hogy minden fémvezetőnek van egy vezető mag által létrehozott induktivitása és a szigetelés által létrehozott kapacitás. Ezeknek a paramétereknek van közelségi hatása is.

Technológia

Nagyfeszültségű nulla ellenállású vezetékek

Ezt a fajta vezetéket széles körben használják az autók gyújtórendszereiben. A nagyfeszültségű vezetékek ellenállása meglehetősen kicsi, és méterenként néhány ohm töredéket tesz ki. Emlékezzünk vissza, hogy ennek az értéknek az ellenállása nem mérhető ohmmérővel. Általános használat. Gyakran mérőhidakat használnak az alacsony ellenállások mérésére.
Szerkezetileg ezek a vezetékek nagyszámú szilikon, műanyag vagy más dielektrikum alapú szigetelésű rézvezetők. Az ilyen vezetékek használatának sajátossága nem csak a nagyfeszültségű működés, hanem az energia rövid időn belüli átvitele is (impulzus üzemmód).

Bimetál kábel

Az említett kábelek fő területe a nagyfrekvenciás jelek továbbítása. A huzal magja egyfajta fémből készül, amelynek felületét egy másik típusú fém vonja be. Mivel csak magas frekvencián felszíni réteg vezető, vagyis a vezeték belsejének cseréjének lehetősége. Ez költséges anyagot takarít meg, és javítja a huzal mechanikai jellemzőit. Ilyen huzalok például az ezüstözött réz, a rézzel bevont acél.

Következtetés

A vezeték ellenállása olyan érték, amely tényezők egy csoportjától függ: a vezető típusától, hőmérséklettől, áramfrekvenciától, geometriai paraméterektől. Ezen paraméterek befolyásának jelentősége a huzal működési körülményeitől függ. Optimalizációs kritériumok a huzaloknál a feladatoktól függően lehetnek: aktív veszteségek csökkentése, mechanikai jellemzők javítása, árcsökkentés.