Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. 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 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р (ро). Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.
Например, удельное сопротивление меди равно 0,0175, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,0175 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,029, удельное сопротивление железа — 0,135, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.
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.
Сопротивление проводника можно определить по формуле:
где r — сопротивление проводника в (Ом); ρ — удельное сопротивление проводника (Ом*м); l — длина проводника в (м); S — сечение проводника в (мм2).
Пример: Определить сопротивление 200 м медной проволоки сечением 1,5 мм2.
Пример: Определить сопротивление 200 м медной проволоки сечением 2,5 мм2.
Изоляция
Изоля́ция в электротехнике - элемент конструкции оборудования, препятствующий прохождению через него электрического тока, например, для защиты человека.
Для изоляции используются материалы с диэлектрическими свойствами: стекло, керамика, многочисленные полимеры, слюда. Также существует воздушная изоляция, в которой роль изолятора выполняет воздух, а конструктивные элементы фиксируют пространственную конфигурацию изолируемых проводников так, чтобы обеспечивать необходимые воздушные промежутки.
Изоляционные покровы могут изготавливаться:
- из электроизоляционной резины;
- из полиэтилена;
- из сшитого и вспененного полиэтилена;
- из кремнийорганической резины;
- из поливинилхлоридного пластиката(ПВХ);
- из пропитанной кабельной бумаги;
- из политетрафторэтилена.
Резиновая изоляция
Резиновая изоляция может применяться только с шланговой резиновой оболочкой (если такая имеется). Так как резина из натурального каучука достаточно дорогостоящая, то практически вся применяемая резина в кабельной промышленности является искусственной. К каучуку добавляют:
- вулканизирующие вещества (элементы позволяющие преобразовать линейные связи в каучуке в пространственные связи в изоляции, например, сера);
- ускорители вулканизации (снижают расход времени);
- наполнители (снижают цену материала без существенного снижения технических характеристик);
- смягчители (повышают пластические свойства);
- противостарители (добавляются для оболочек с целью стойкости к солнечной радиации);
- красители (для придания нужного цвета).
Резина позволяет назначать большие радиусы изгиба кабельных изделий, поэтому совместно с многопроволочной жилой применяется в проводниках для подвижного присоединения (кабели марки КГ, КГЭШ, провод РПШ).
Специализация:
применяется в общепромышленных кабелях для подвижного подсоединения потребителей.
Положительный свойства:
- дешевизна искусственного каучука;
- хорошая гибкость;
- высокие электроизоляционные характеристики (в 6 раз превышают значение для ПВХ пластиката);
- практически не впитывает водяные пары из воздуха.
Отрицательные качества:
- снижение электрического сопротивления при повышении температуры до +80°С;
- подверженность солнечной радиации (светоокисление) с последующим характерным растрескиванием поверхностного слоя (при отсутствии оболочки);
- требуется ввод в состав специальных веществ для получения определённой химической стойкости;
- распространяет горение.
Читайте также:
Расчёт сопротивлений проводов. Онлайн калькулятор.
Зависимость сопротивления от материала проводника, длины, диаметра или сечения. Расчёт площади сечения проводов в зависимости от мощности нагрузки.
На первый взгляд может показаться, что эта статья из рублики "Электрику на заметку".
С одной стороны, а почему бы и нет, с другой — так ведь и нам, пытливым электронщикам, иногда нужно рассчитать сопротивление обмотки катушки индуктивности, или самодельного нихромового резистора, да и чего уж там греха таить — акустического кабеля для высококачественной звуковоспроизводящей аппаратуры.
Формула тут совсем простая R = p*l/S, где l и S соответственно длина и площадь сечения проводника, а p — удельное сопротивление материала, поэтому расчёты эти можно провести самостоятельно, вооружившись калькулятором и Ля-минорной мыслью, что все собранные данные надо привести к системе СИ.
Ну а для нормальных пацанов, решивших сберечь своё время и не нервничать по пустякам, нарисуем незамысловатую таблицу.
ТАБЛИЦА ДЛЯ РАСЧЁТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА
Страница получилась сиротливой, поэтому помещу-ка я сюда таблицу для желающих связать своё время с прокладкой электропроводки, подключить мощный источник энергопотребления, либо просто посмотреть в глаза электрику Василию и, "похлёбывая из котелка" задать справедливый вопрос: "А почему, собственно? Может разорить меня решил? Зачем мне тут четыре квадрата из бескислородной меди для двух лампочек и холодильника? Из-за чего, собственно?"
И расчёты эти мы с вами сделаем не от вольного и, даже не в соответствии с народной мудростью, гласящей, что "необходимая площадь сечения провода равна максимальному току, делённому на 10", а в строгом соответствии нормативными документами Минэнерго России по правилам устройства электроустановок.
Правила эти игнорируют провода, сечением, меньшим 1,5 мм2. Проигнорирую их и я, а за компанию и алюминиевые, в силу их вопиющей архаичности.
Итак.
Электрическое сопротивление и проводимость
РАСЧЁТ ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ
Потери в проводниках возникают из-за ненулевого значения их сопротивления, зависящего от длины провода.
Значения мощности этих потерь, выделяемых в виде тепла в окружающее пространство, приведены в таблице.
В итоге к потребителю энергии на другом конце провода напряжение доходит в несколько урезанном виде — меньшим, чем оно было у источника. Из таблицы видно, что к примеру, при напряжении в сети 220 В и 100 метровой длине провода, сечением 1,5мм2, напряжение на нагрузке, потребляющей 4 кВт, окажется не 220, а 199 В.
Хорошо, это или плохо?
Для каких-то приборов — безразлично, какие-то работать будут, но при пониженной мощности, а какие-то взбрыкнут и пошлют Вас к едрене фене вместе с вашими длинными проводами и умными таблицами.
Поэтому Минэнерго — минэнергой, а собственная голова не повредит ни при каких обстоятельствах. Если ситуация складывается подобным примеру образом — прямая дорога к выбору проводов, большего сечения.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на нем.
Сопротивление провода.
Это значит, что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока. Однако при одинаковом напряжении, но использовании разных проводников сила тока различна. Можно сказать по-другому. Если увеличивать напряжение, то хотя сила тока и будет увеличиваться, но везде по-разному, в зависимости от свойств проводника.
Зависимость силы тока от напряжения для данного конкретного проводника представляет собой сопротивление этого проводника. Оно обозначается R и находится по формуле R = U/I. То есть сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока. Чем больше сила тока в проводнике при данном напряжении, тем меньше его сопротивление. Чем больше напряжение при данной силе тока, тем больше сопротивление проводника.
Формулу можно переписать по отношению к силе тока: I = U/R (закон Ома). В таком случае нагляднее, что чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.
Можно сказать, что сопротивление как бы мешает напряжению создавать большую силу тока.
Само сопротивление является характеристикой проводника. Оно не зависит от поданного на него напряжения. Если будет подано большое напряжение, то изменится сила тока, но не изменится отношение U/I, т. е. не изменится сопротивление.
От чего же зависит сопротивление проводника? Оно зависти от
- длины проводника,
- площади его поперечного сечения,
- вещества, из которого изготовлен проводник,
- температуры.
Чтобы связать вещество и его сопротивление, вводится такое понятие как удельное сопротивление вещества. Оно показывает, какое будет сопротивление в данном веществе, если проводник из него будет иметь длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2. Проводники такой длины и толщины, изготовленные из разных веществ, будут иметь разные сопротивления. Это связано с тем, что у каждого металла (чаще всего именно они являются проводниками) своя кристаллическая решетка, свое количество свободных электронов.
Чем меньше удельное сопротивление вещества, тем лучшим проводником электрического тока оно является. Маленьким удельным сопротивлением обладают, например, серебро, медь, алюминий; куда большее у железа, вольфрама; очень большое у различных сплавов.
Чем длиннее проводник, тем большее сопротивление он имеет. Это становится понятно, если принять во внимание, что движению электронов в металлах мешают ионы, составляющие кристаллическую решетку. Чем их больше, т. е. чем длиннее проводник, тем больше у электрона шанс замедлить свой путь.
Однако увеличение площади поперечного сечения делает как бы дорогу шире. Электронам легче течь и не сталкиваться с узлами кристаллической решетки. Поэтому чем толще проводник, тем его сопротивление меньше.
Таким образом, сопротивление прямо пропорционально зависит от удельного сопротивления (ρ) и длины (l) проводника и обратно пропорционально зависит от площади (S) его поперечного сечения. Получаем формулу сопротивления:
В этой формуле на первый взгляд не отражается зависимость сопротивления проводника от его температуры. Однако удельное сопротивление вещества меряется при определенной температуре (обычно 20 °C). Поэтому температура учитывается. Для вычислений удельные сопротивления берут из специальных таблиц.
Для металлических проводников чем больше температура, тем сопротивление больше. Это связано с тем, что при повышении температуры ионы решетки начинают сильнее колебаться и больше мешать движению электронов. Однако в электролитах (растворах, где заряд несут ионы, а не электроны) с повышением температуры сопротивление уменьшается. Здесь это связано с тем, что чем выше температура, тем больше происходит диссоциация на ионы, и они быстрее двигаются в растворе.
То как влияет материал проводника учитывается при помощи удельного сопротивления, которое принято обозначать буквой греческого алфавита ρ и являет собой сопротивление проводника сечением 1 мм 2 и длинной 1 м. У серебра наименьшее удельное сопротивление ρ = 0,016 Ом.мм 2 /м. Ниже приводятся значения удельного сопротивления для нескольких проводников:
- Сопротивление провода для серебра - 0,016,
- Сопротивление провода для свинеца - 0,21,
- Сопротивление провода для меди - 0,017,
- Сопротивление провода для никелина - 0,42,
- Сопротивление провода для люминия - 0,026,
- Сопротивление провода для манганина - 0,42,
- Сопротивление провода для вольфрама - 0,055,
- Сопротивление провода для константана - 0,5,
- Сопротивление провода для цинка - 0,06,
- Сопротивление провода для ртути - 0,96,
- Сопротивление провода для латуни - 0,07,
- Сопротивление провода для нихрома - 1,05,
- Сопротивление провода для стали - 0,1,
- Сопротивление провода для фехрали -1,2,
- Сопротивление провода для бронзы фосфористой - 0,11,
- Сопротивление провода для хромаля - 1,45
Так как в состав сплавов входят разные количества примесей, то удельное сопротивление может изменятся.
Сопротивление провода рассчитывается по формуле,которая приведена ниже:
R=(ρ?l)/S
- R — сопротивление,
- Ом; ρ — удельное сопротивление , (Ом.мм 2)/м;
- l — длина провода, м;
- s — площадь сечения провода, мм 2 .
Площадь сечения рассчитывается так:
S=(π?d^2)/4=0.78?d^2≈0.8?d^2
- где d - это диаметр провода.
Измерить диаметр провода можно микрометром либо штангенциркулем,но если их нету под рукой,то можно плотно намотать на ручку (карандаш) около 20 витков провода, затем измерить длину намотанного провода и разделить на количество витков.
Для определения длинны провода,которая нужна для достижения необходимого сопротивления,можно использовать формулу:
l=(S?R)/ρ
Примечания:
1.Если данные для провода отсутствуют в таблице,то берется некоторое среднее значение.Как пример,провод из никелина который имеет диаметр 0,18 мм площадь сечения равна приблизительно 0,025 мм2, сопротивление одного метра 18 Ом, а допустимый ток 0,075 А.
2.Данные последнего столбца,для другой плотности тока, необходимо изменить. Например при плотности тока 6 А/мм2, значение необходимо увеличить вдвое.
Пример 1 . Давайте найдем сопротивление 30 м медного провода диаметром 0,1 мм.
Решение . С помощью таблицы берем сопротивление 1 м медного провода, которое равно 2,2 Ом. Значит, сопротивление 30 м провода будет R = 30.2,2 = 66 Ом.
Расчет по формулам будет выглядеть так: площадь сечения: s= 0,78.0,12 = 0,0078 мм2. Поскольку удельное сопротивление меди ρ = 0,017 (Ом.мм2)/м, то получим R = 0,017.30/0,0078 = 65,50м.
Пример 2 . Сколько провода из манганина у которого диаметр 0,5 мм нужно чтобы изготовить реостат, сопротивлением 40 Ом?
Решение . По таблице выбираем сопротивление 1 м этого провода: R= 2,12 Ом: Чтобы изготовить реостат сопротивлением 40 Ом, нужен провод, длина которого l= 40/2,12=18,9 м.
Расчет по формулам будет выглядеть так. Площадь сечения провода s= 0,78.0,52 = 0,195 мм 2 . Длина провода l = 0,195.40/0,42 = 18,6 м.
Электрическое сопротивление проводника: 1) величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току;
2) структурный элемент электрической цепи, включаемый в цепь для ограничения или регулирования силы тока.
Электрическое сопротивление металлов з ависит от материала проводника, его длины и поперечного сечения, температуры и состояния проводника (давления, механических сил растяжения и сжатия, т.е. внешних факторов, влияющих на кристаллическое строение металлических проводников).
Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника:
где - удельное сопротивление проводника;
l – длина проводника;
S – площадь поперечного сечения проводника.
Зависимость сопротивления проводника от температуры:
или
,
где R t – сопротивление при температуре t 0 C;
R 0 – сопротивление при 0 0 C;
-
температурный коэффициент сопротивления,
который показывает, как изменяется
сопротивление проводника по отношению
к его сопротивлению при 0 0 C,
если температура изменяется на один
градус;
T – термодинамическая температура.
Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное.
а) Последовательное соединение сопротивлений представляет собой систему проводников (сопротивлений), которые включены один за другим, так что через каждое из сопротивлений протекает один и тот же ток:
I = I 1 = I 2 == I n .
Напряжение при последовательном соединении сопротивлений равно сумме напряжений на каждом из сопротивлений:
.
Напряжение на каждом из последовательно соединенных сопротивлений пропорционально значению данного сопротивления:
.
Распределение напряжения по последовательно соединенным элементам цепи (делитель напряжения) :
,
U – напряжение на участке цепи с сопротивлением R 1 ;
R – полное сопротивление соединения;
R 1 – сопротивление участка цепи с выбранным сопротивлением.
равно сумме отдельно взятых сопротивлений и оно больше наибольшего из включенных:
.
Общее сопротивление цепи при последовательном соединении n одинаковых сопротивлений :
,
где n – число сопротивлений, включенных последовательно;
R 1 = значение отдельно взятого сопротивления.
б) Параллельное соединение сопротивлений: признаком такого соединения является разветвление тока I на отдельные токи через соответствующие сопротивления. При этом ток I равен сумме токов через отдельно взятое сопротивление:
.
Общее напряжение при параллельном соединении равно напряжению на отдельно взятом сопротивлении:
U = U 1 = U 2 = = U i .
Связь между током и сопротивлением при параллельном соединении: при параллельном соединении сопротивлений токи в отдельных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям:
.
Величина, обратная полному сопротивлению цепи (общая проводимость) при параллельном соединении, равна сумме проводимостей отдельно взятых проводников. При этом общее сопротивление цепи меньше наименьшего сопротивления из включенных:
;
.
Общая проводимость цепи при параллельном соединении n проводников:
G пар = nG 1 ,
где G пар – проводимость цепи;
G 1 – проводимость отдельного взятого проводника.
Шунтирование электроизмерительных приборов – расширение предела измерения тока с помощью электроизмерительного прибора, к которому присоединяют параллельно проводник с малым сопротивлением (шунт). В этом случае
,
где I п – ток, протекающий через прибор;
I – ток в цепи;
n = R п /R ш – отношение сопротивления прибора R п к сопротивлению шунта R ш.
Добавочное сопротивление – сопротивление, которое присоединяют последовательно к электроизмерительному прибору для расширения предела измерения напряжения. При этом
,
где U п – напряжение на приборе;
U – напряжение в цепи;
N = R д /R п – отношение величины добавочного сопротивления к сопротивлению прибора.
Электрическая проводимость – физическая величина, обратная сопротивлению проводника:
.
Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры T k , характерной для данного материала.
Связь удельной проводимости с удельным сопротивлением (удельным электрическим сопротивлением) :
;
.
Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры :
,
где t – удельное сопротивление при температуре t 0 C;
0 – удельное сопротивление при 0 0 C;
-
температурный коэффициент сопротивления,
который показывает, как изменяется
удельное сопротивление проводника по
отношению к его удельному сопротивлению
при 0 0 C,
если температура изменяется на один
градус.
Задания: 1. Ознакомиться с применяемыми в работе электроизмерительными приборами. Результаты занести в табл. 1.
Таблица 1.
2. Измерить удельное электрическое сопротивление.
1. Измерить микрометром в нескольких местах рабочей части проводника его диаметр. Рассчитать среднее значение диаметра.
2. Установить подвижный контакт на 0,5 0,7 от длины рабочей части проводника. Занести значение длины в таблицу 2.
3. Включить установку в сеть переменного тока с напряжением 220 В. При этом должна загореться индикаторная лампочка.
4. Провести измерения тока и напряжения. Результаты занести в таблицу 2.
Таблица 2.
5. Отключить установку. Установить подвижный контакт на другое значение рабочей части исследуемого проводника. Вновь включить установку и определить новые значения тока и напряжения.
Примечание. Изменение длины рабочей части проводника, определение тока и напряжения проводятся 3-5 раз.
6. Так как
,
,
(1)
где - удельное электросопротивление проводника;
ℓ - длина проводника;
S - площадь поперечного сечения.
,
(2)
где
- погрешность вольтметра;
-
приборная погрешность миллиамперметра;
- задается преподавателем;
d, ℓ - определяются известными методами.
10. Записать полученный результат в виде доверительного интервала
Протекающий в проводящем материале ток пропорционален напряжению на нём. Т.е. при увеличении потенциала объём протекающих электронов также растёт. Правда, при применении различных элементов равнозначное напряжение даёт различное значение у тока. Таким образом, получается правило: при увеличении напряжения проходящий через проводник электрический ток тоже будет расти, но неодинаково, а в зависимости от характеристик элемента.
Определение резистивной составляющей
Электросопротивление материала – это соотношение величины протекающего тока и приложенного к нему напряжения. Для каждого конкретного элемента это соотношение своё. Для обозначения данной физической величины используют букву R. При определении её используют формулу закона Ома для участка цепи:
Из представленного выражения видно, что резистивная составляющая – это отношение потенциала на проводнике к силе тока на нём же. Таким образом, чем выше величина тока, тем слабее резистивная составляющая у проводника, при большем напряжении – большая.
Дополнительная информация. Часто в обиходе говорят, что резистивная величина «мешает» напряжению бесконечно наращивать силу тока.
У любого резистора, выпускаемого в промышленных условиях, существует порядка десяти параметров, на которые необходимо обращать внимание при его выборе. Главный его параметр – сопротивление. Это статическая характеристика для любого проводника, заданная при его производстве. Т.е. при подаче большего потенциала на проводящий элемент изменится только ток, проходящий сквозь него, но не его резистивная составляющая. Т.е. соотношение U/I остаётся неизменным.
От чего зависит сопротивление
Необходимо рассмотреть, от каких факторов зависит электрическое сопротивление проводника. Основных параметров четыре:
- Длина кабеля – l;
- Площадь поперечного сечения проводящего элемента – S;
- Металл, использованный в производстве кабеля;
- Температура окружающей среды – t.
Важно! Удельное сопротивление детали – это используемое в физике понятие, показывающее способность элемента задерживать проведение электричества.
Для состыковки детали и ее резистивной составляющей в физической науке введено понятие удельного сопротивления. Этот показатель характеризует величину резистивной составляющей кабеля при единичной длине в 1 метр и единичной площадью 1 м². Детали указанной протяжённости и толщины, произведённые из различного сырья, будут показывать различные значения резистивной величины. Это связано с физическими свойствами металлов. Именно из них в основном изготавливают провода и кабели. У каждого металлического материала своя величина элементов в кристаллической решётке.
Самыми безупречно проводящими электричество деталями являются те, у которых значение резистивной составляющей наименьшее. Примером металлов с небольшой указанной величиной являются алюминий и медь. Подавляющее большинство проводов и кабелей для передачи электрической энергии изготавливаются из них. Также из них изготавливают шины в трансформаторных подстанциях и главных распределительных щитах любых зданий. Примером металлов, обладающих большой величиной удельного сопротивления, можно указать железо и всевозможные сплавы. Зачастую резистивную составляющую элемента указывают резистором.
При увеличении длины проводящего материала увеличивается и сопротивление металлического проводника. Это связано с физическими процессами, происходящими в нём при прохождении электрического тока. Суть их такова: электроны движутся по проводящему слою, в котором присутствуют ионы, из которых состоит кристаллическая решётка любого металла. Чем больше длина проводника, тем большее количество мешающих движению электронов присутствует ионов кристаллической решётки. Тем больше они создают препятствия для проведения электричества.
Для возможности наращивания протяжённости проводника производители увеличивают площадь материалов. Это даёт возможность расширить «автостраду» для электрического тока. Т.е. электроны меньше пересекаются с деталями решетки металла. Отсюда следует, что более толстый кабель имеет меньшее сопротивление.
Из всего вышесказанного вытекает формула для определения сопротивления проводника, выраженная через его длину (l), площадь поперечного сечения (S) и удельного сопротивления металла (ρ):
В представленном выражении определения данного параметра отсутствует температура окружающей среды. Однако резистивная величина элемента меняется при достижении определенной температуры. Обычно эта температура составляет 20-25 °С. Поэтому не учитывать температуру окружающей среды при выборе детали нельзя. Это может привести к перегреву проводника и его воспламенению. Для выбора используют специализированные таблицы, значения которых используют в вычислениях.
Обычно увеличение температуры ведёт к увеличению резистивной составляющей металлического элемента. С физической точки зрения это связано с тем, что при увеличении температуры кристаллической решётки ионы в ней выходят из состояния покоя и начинают производить колебательные движения. Данный процесс замедляет электроны, т.к. столкновения между ними происходят чаще.
Выбор проводника – это достаточно сложный процесс, который лучше доверить профессионалам. При неправильной оценке всех факторов работы детали можно получить множество негативных последствий, вплоть до пожара. Поэтому понимание, от чего может зависеть сопротивление проводника, должно присутствовать.
Видео