Kao što znamo iz Ohmovog zakona, struja u dijelu kruga je u sljedećem odnosu: I=U/R. Zakon je nizom eksperimenata izveo njemački fizičar Georg Ohm u 19. stoljeću. Primijetio je obrazac: jakost struje u bilo kojem dijelu strujnog kruga izravno ovisi o naponu koji se primjenjuje na ovaj dio, a obrnuto o njegovom otporu.

Kasnije je utvrđeno da otpor dijela ovisi o njegovom geometrijske karakteristike na sljedeći način: R=ρl/S,

gdje je l duljina vodiča, S je njegova površina poprečni presjek, a ρ je određeni koeficijent proporcionalnosti.

Dakle, otpor je određen geometrijom vodiča, kao i takvim parametrom kao što je otpornost(u daljnjem tekstu - u.s.) - ovo je naziv ovog koeficijenta. Ako uzmete dva vodiča s istim poprečnim presjekom i duljinom i postavite ih u krug jedan po jedan, tada mjerenjem struje i otpora možete vidjeti da će u dva slučaja ti pokazatelji biti različiti. Dakle, specifična električni otpor - to je karakteristika materijala od kojeg je vodič napravljen, točnije, tvari.

Vodljivost i otpor

NAS. pokazuje sposobnost tvari da spriječi prolaz struje. Ali u fizici postoji i obrnuta veličina - vodljivost. Ona pokazuje sposobnost dirigiranja struja. Ona izgleda ovako:

σ=1/ρ, gdje je ρ otpornost tvari.

Ako govorimo o vodljivosti, ona je određena karakteristikama nositelja naboja u ovoj tvari. Dakle, metali imaju slobodne elektrone. Na vanjskoj ljusci nema ih više od tri, a atomu je isplativije da ih "pokloni", što se događa kada kemijske reakcije sa tvarima s desne strane periodnog sustava. U situaciji kada imamo čisti metal, ima kristalnu strukturu u kojoj se ti vanjski elektroni dijele. Oni su ti koji prenose naboj ako se na metal primijeni električno polje.

U otopinama nositelji naboja su ioni.

Ako govorimo o tvarima kao što je silicij, onda je u svojim svojstvima poluvodič i radi na nešto drugačijem principu, ali o tome kasnije. U međuvremenu, shvatimo kako se ove klase tvari razlikuju:

1. dirigenti;
2. Poluvodiči;
3. Dielektrici.

Vodiči i dielektrici

Postoje tvari koje gotovo ne provode struju. Zovu se dielektrici. Takve tvari su sposobne polarizirati u električno polje, odnosno njihove se molekule mogu okretati u tom polju ovisno o tome kako su u njima raspoređene elektroni. No budući da ti elektroni nisu slobodni, već služe za komunikaciju između atoma, oni ne provode struju.

Vodljivost dielektrika je gotovo nula, iako među njima nema idealnih (ovo je ista apstrakcija kao apsolutno crno tijelo ili idealan plin).

Konvencionalna granica pojma "vodič" je ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.

Između ove dvije klase nalaze se tvari koje se nazivaju poluvodiči. Ali njihovo odvajanje u zasebnu skupinu tvari povezano je ne toliko s njihovim srednjim stanjem u liniji "vodljivost - otpor", već sa značajkama ove vodljivosti u različitim uvjetima.

Ovisnost o čimbenicima okoliša

Vodljivost nije potpuno konstantna vrijednost. Podaci u tablicama iz kojih je ρ uzet za izračun postoje za normalne uvjete okoline, odnosno za temperaturu od 20 stupnjeva. U stvarnosti je teško pronaći tako idealne uvjete za rad strujnog kruga; zapravo SAD (a time i vodljivost) ovise o sljedećim čimbenicima:

1. temperatura;
2. pritisak;
3. prisutnost magnetskih polja;
4. svjetlo;
5. agregatno stanje.

Različite tvari imaju vlastiti raspored za promjenu ovog parametra pod različitim uvjetima. Dakle, feromagneti (željezo i nikal) ga povećavaju kada se smjer struje podudara sa smjerom linija magnetskog polja. Što se tiče temperature, ovisnost je ovdje gotovo linearna (postoji čak i koncept temperaturnog koeficijenta otpora, a to je također tablična vrijednost). Ali smjer ove ovisnosti je drugačiji: za metale raste s porastom temperature, a za elemente rijetkih zemalja i otopine elektrolita raste - i to unutar istog agregatnog stanja.

Za poluvodiče ovisnost o temperaturi nije linearna, već hiperbolična i inverzna: s porastom temperature njihova vodljivost raste. Ovo kvalitativno razlikuje vodiče od poluvodiča. Ovako izgleda ovisnost ρ o temperaturi za vodiče:

Ovdje su prikazani otpori bakra, platine i željeza. Neki metali, na primjer, živa, imaju malo drugačiji grafikon - kada temperatura padne na 4 K, gotovo je potpuno gubi (ovaj fenomen se naziva supravodljivost).

A za poluvodiče ova će ovisnost biti otprilike ova:

Pri prijelazu u tekuće stanje ρ metala raste, ali tada se svi ponašaju drugačije. Na primjer, za rastaljeni bizmut je niža nego na sobnoj temperaturi, a za bakar je 10 puta veća od normalne. Nikal napušta linearni grafikon na još 400 stupnjeva, nakon čega ρ pada.

Ali volfram ima tako visoku ovisnost o temperaturi da uzrokuje izgaranje žarulja sa žarnom niti. Kada je uključena, struja zagrijava zavojnicu, a njezin se otpor povećava nekoliko puta.

Također y. S. legura ovisi o tehnologiji njihove proizvodnje. Dakle, ako imamo posla s jednostavnom mehaničkom smjesom, tada se otpor takve tvari može izračunati pomoću prosjeka, ali za supstitucijsku leguru (to je kada se dva ili više elemenata kombiniraju u jednu kristalnu rešetku) to će biti drugačije , u pravilu, mnogo veći. Na primjer, nikrom, od kojeg se izrađuju spirale za električne štednjake, ima takvu vrijednost za ovaj parametar da se, kada je spojen na krug, ovaj vodič zagrijava do točke crvenila (zbog čega se, zapravo, koristi).

Ovdje je karakteristika ρ ugljičnih čelika:

Kao što se može vidjeti, kako se približava temperaturi taljenja, stabilizira se.

Otpornost raznih vodiča

Bilo kako bilo, u izračunima se ρ koristi upravo u normalnim uvjetima. Evo tablice pomoću koje možete usporediti ovu karakteristiku različitih metala:

Kao što se može vidjeti iz tablice, najbolji dirigent je srebro. I samo njegova cijena sprječava njegovu široku upotrebu u proizvodnji kabela. NAS. aluminij je također mali, ali manji od zlata. Iz tablice postaje jasno zašto je ožičenje u kućama ili bakar ili aluminij.

U tablici nije uvršten nikal koji, kao što smo već rekli, ima malo neobičan graf y. S. na temperaturu. Otpornost nikla nakon povećanja temperature na 400 stupnjeva počinje ne rasti, već padati. Zanimljivo se ponaša i u drugim supstitucijskim legurama. Ovako se ponaša legura bakra i nikla, ovisno o postotku jednog i drugog:

A ovaj zanimljiv grafikon pokazuje otpornost legura cinka i magnezija:

Legure visokog otpora koriste se kao materijali za proizvodnju reostata, evo njihovih karakteristika:

To su složene legure koje se sastoje od željeza, aluminija, kroma, mangana i nikla.

Što se tiče ugljičnih čelika, to je približno 1,7*10^-7 Ohm m.

Razlika između y. S. Različiti vodiči određeni su njihovom primjenom. Tako se bakar i aluminij široko koriste u proizvodnji kabela, a zlato i srebro se koriste kao kontakti u brojnim proizvodima radiotehnike. Vodiči visokog otpora našli su svoje mjesto među proizvođačima električnih uređaja (točnije za tu su namjenu stvoreni).

Varijabilnost ovog parametra ovisno o uvjetima okoline čini osnovu za takve uređaje kao što su senzori magnetskog polja, termistori, mjerači naprezanja i fotootpornici.

Svaka tvar može provoditi struju u različitim stupnjevima, a na ovu vrijednost utječe otpor materijala. Otpornost bakra, aluminija, čelika i bilo kojeg drugog elementa označava se slovom ρ grčke abecede. Ova vrijednost ne ovisi o karakteristikama vodiča kao što su veličina, oblik i fizičko stanje; obični električni otpor uzima u obzir te parametre. Otpor se mjeri u Ohmima pomnoženim s mm² i podijeljenim s metrom.

Kategorije i njihovi opisi

Svaki materijal može pokazati dvije vrste otpora ovisno o električnoj energiji koja mu se dovodi. Struja može biti promjenjiva ili konstantna, što značajno utječe na tehničke performanse tvari. Dakle, postoje takvi otpori:

1. Ohmski. Pojavljuje se pod utjecajem istosmjerne struje. Karakterizira trenje, koje nastaje kretanjem električki nabijenih čestica u vodiču.
2. Aktivan. Određuje se prema istom principu, ali se stvara pod utjecajem izmjenične struje.

U tom smislu postoje i dvije definicije specifične vrijednosti. Za istosmjernu struju, jednaka je otporu jedinične duljine vodljivog materijala jedinice fiksne površine poprečnog presjeka. Potencijalno električno polje utječe na sve vodiče, kao i na poluvodiče i otopine koje mogu provoditi ione. Ova vrijednost određuje vodljiva svojstva samog materijala. Oblik vodiča i njegove dimenzije se ne uzimaju u obzir, pa se može nazvati osnovnim u elektrotehnici i znanosti o materijalima.

Pod uvjetom prolaska izmjenične struje, specifična vrijednost se izračunava uzimajući u obzir debljinu vodljivog materijala. Ovdje se pojavljuje utjecaj ne samo potencijala, već i vrtložne struje, a osim toga, uzima se u obzir frekvencija električnih polja. Otpor ovog tipa je veći nego kod istosmjerne struje, jer se ovdje uzima u obzir pozitivna vrijednost otpora vrtložnom polju. Ova vrijednost također ovisi o obliku i veličini samog vodiča. Upravo ti parametri određuju prirodu vrtložnog gibanja nabijenih čestica.

Izmjenična struja uzrokuje određene elektromagnetske pojave u vodičima. Oni su vrlo važni za električna svojstva vodljivog materijala:

1. Skin efekt karakterizira slabljenje elektromagnetskog polja, što više prodire u medij vodiča. Ovaj fenomen se također naziva površinski efekt.
2. Efekt blizine smanjuje gustoću struje zbog blizine susjednih žica i njihovog utjecaja.

Ovi učinci su vrlo važni pri proračunu optimalne debljine vodiča, budući da će pri korištenju žice čiji je radijus veći od dubine prodiranja struje u materijal, ostatak njezine mase ostati neiskorišten, pa će stoga ovaj pristup biti neučinkovit. U skladu s provedenim izračunima, efektivni promjer vodljivog materijala u nekim će situacijama biti sljedeći:

• za struju od 50 Hz - 2,8 mm;
• 400 Hz - 1 mm;
• 40 kHz - 0,1 mm.

S obzirom na to, uporaba ravnih višežilnih kabela, koji se sastoje od mnogo tankih žica, aktivno se koristi za visokofrekventne struje.

Karakteristike metala

Specifični pokazatelji metalnih vodiča sadržani su u posebnim tablicama. Pomoću ovih podataka možete napraviti potrebne daljnje izračune. Primjer takve tablice otpora može se vidjeti na slici.

Iz tablice je vidljivo da srebro ima najveću vodljivost - ono je idealan vodič među svim postojećim metalima i legurama. Ako izračunate koliko je žice od ovog materijala potrebno za otpor od 1 ohma, dobit ćete 62,5 m. Željezna žica za istu vrijednost zahtijevat će čak 7,7 m.

Koliko god srebro ima divna svojstva, preskup je materijal za masovnu upotrebu u električnim mrežama, pa je bakar našao široku primjenu u svakodnevnom životu i industriji. Po specifičnom pokazatelju je na drugom mjestu iza srebra, a po rasprostranjenosti i lakoći ekstrakcije puno je bolji od njega. Bakar ima i druge prednosti koje su mu omogućile da postane najčešći vodič. To uključuje:

Za primjenu u elektrotehnici koristi se rafinirani bakar, koji nakon taljenja iz sulfidne rude prolazi kroz procese prženja i puhanja, a zatim se obavezno podvrgava elektrolitičkom pročišćavanju. Nakon takve obrade možete dobiti vrlo kvalitetan materijal (stupnjevi M1 i M0), koji će sadržavati od 0,1 do 0,05% nečistoća. Važna nijansa je prisutnost kisika u iznimno malim količinama, jer negativno utječe na mehaničke karakteristike bakra.

Često se ovaj metal zamjenjuje jeftinijim materijalima - aluminijem i željezom, kao i raznim broncama (legure sa silicijem, berilijem, magnezijem, kositrom, kadmijem, kromom i fosforom). Takvi sastavi imaju veću čvrstoću u usporedbi s čistim bakrom, iako imaju nižu vodljivost.

Prednosti aluminija

Iako aluminij ima veću otpornost i lomljiviji je, njegova raširena upotreba je posljedica činjenice da nije tako rijedak kao bakar i stoga košta manje. Aluminij ima otpornost od 0,028, a njegova niska gustoća čini ga 3,5 puta lakšim od bakra.

Za električne radove koristi se pročišćeni aluminij razreda A1, koji ne sadrži više od 0,5% nečistoća. Viši stupanj AB00 koristi se za proizvodnju elektrolitičkih kondenzatora, elektroda i aluminijske folije. Sadržaj nečistoća u ovom aluminiju nije veći od 0,03%. Postoji i čisti metal AB0000, uključujući ne više od 0,004% aditiva. Same nečistoće također su važne: nikal, silicij i cink imaju blagi učinak na vodljivost aluminija, a sadržaj bakra, srebra i magnezija u ovom metalu ima zamjetan učinak. Talij i mangan najviše smanjuju vodljivost.

Aluminij ima dobra svojstva protiv korozije. U dodiru sa zrakom prekriva se tankim slojem oksida koji ga štiti od daljnjeg uništenja. Kako bi se poboljšala mehanička svojstva, metal je legiran s drugim elementima.

Indikatori čelika i željeza

Otpornost željeza u usporedbi s bakrom i aluminijem je vrlo visoka, međutim, zbog svoje dostupnosti, čvrstoće i otpornosti na deformacije, materijal se široko koristi u proizvodnji električne energije.

Iako željezo i čelik, čiji je otpor još veći, imaju značajne nedostatke, proizvođači materijala za vodiče pronašli su načine kako ih nadoknaditi. Konkretno, niska otpornost na koroziju prevladava se oblaganjem čelične žice cinkom ili bakrom.

Svojstva natrija

Metalni natrij također je vrlo obećavajući u proizvodnji vodiča. Što se tiče otpornosti, znatno premašuje bakar, ali ima 9 puta manju gustoću od toga. To omogućuje upotrebu materijala u proizvodnji ultra laganih žica.

Metalni natrij je vrlo mekan i potpuno nestabilan na bilo kakvu deformaciju, što njegovu upotrebu čini problematičnom - žica izrađena od ovog metala mora biti presvučena vrlo čvrstim omotačem s iznimno malom fleksibilnošću. Ljuska mora biti zatvorena, jer natrij pokazuje jaku kemijsku aktivnost u najneutralnijim uvjetima. Trenutačno oksidira na zraku i pokazuje burnu reakciju s vodom, uključujući vodu koja se nalazi u zraku.

Još jedna prednost korištenja natrija je njegova dostupnost. Može se dobiti elektrolizom rastaljenog natrijevog klorida, kojeg u svijetu ima u neograničenim količinama. Ostali metali su očito inferiorni u tom pogledu.

Da bi se izračunala učinkovitost određenog vodiča, potrebno je umnožak određenog broja i duljine žice podijeliti s površinom njezinog poprečnog presjeka. Rezultat će biti vrijednost otpora u Ohmima. Na primjer, da biste odredili otpor 200 m željezne žice s nominalnim poprečnim presjekom od 5 mm², trebate pomnožiti 0,13 sa 200 i rezultat podijeliti s 5. Odgovor je 5,2 Ohma.

Pravila i značajke izračuna

Mikroommetri se koriste za mjerenje otpora metalnih medija. Danas se proizvode u digitalnoj verziji pa su mjerenja uz njihovu pomoć točna. To se može objasniti činjenicom da metali imaju visoku razinu vodljivosti i izuzetno nizak otpor. Na primjer, donji prag mjernih instrumenata ima vrijednost od 10 -7 Ohma.

Pomoću mikroommetara možete brzo utvrditi koliko je dobar kontakt i kakav otpor pokazuju namoti generatora, elektromotora i transformatora, kao i električnih sabirnica. Moguće je izračunati prisutnost inkluzija drugog metala u ingotu. Na primjer, komad volframa presvučen zlatom ima upola manju vodljivost od svog zlata. Ista se metoda može koristiti za određivanje unutarnjih nedostataka i šupljina u vodiču.

Formula otpornosti je sljedeća: ρ = Ohm mm 2 /m. Riječima se može opisati kao otpor 1 metra vodiča, s površinom poprečnog presjeka od 1 mm². Pretpostavlja se da je temperatura standardna - 20 °C.

Utjecaj temperature na mjerenje

Zagrijavanje ili hlađenje nekih vodiča ima značajan utjecaj na performanse mjernih instrumenata. Primjer je sljedeći pokus: potrebno je spiralno namotanu žicu spojiti na bateriju i u strujni krug spojiti ampermetar.

Što se vodič više zagrijava, to su niža očitanja na uređaju. Jačina struje obrnuto je proporcionalna otporu. Stoga možemo zaključiti da se kao rezultat zagrijavanja smanjuje vodljivost metala. U većoj ili manjoj mjeri svi se metali tako ponašaju, ali kod nekih legura praktički nema promjene vodljivosti.

Važno je napomenuti da tekući vodiči i neki čvrsti nemetali imaju tendenciju smanjenja otpora s porastom temperature. Ali znanstvenici su i ovu sposobnost metala pretvorili u svoju korist. Poznavajući temperaturni koeficijent otpora (α) pri zagrijavanju nekih materijala, moguće je odrediti vanjsku temperaturu. Na primjer, platinasta žica postavljena na okvir od tinjca stavlja se u pećnicu i mjeri se otpor. Ovisno o tome koliko se promijenila, zaključuje se o temperaturi u pećnici. Ovaj dizajn se naziva otporni termometar.

Ako je na temperaturi t 0 otpor vodiča je r 0, a na temperaturi t jednaki rt, tada je temperaturni koeficijent otpora jednak

Izračun pomoću ove formule može se provesti samo u određenom temperaturnom rasponu (do približno 200 °C).

Otpor bakra se mijenja s temperaturom, ali prvo moramo odlučiti govorimo li o električnom otporu vodiča (omskom otporu), koji je važan za istosmjerno napajanje preko Etherneta, ili govorimo o signalima u podatkovnim mrežama i tada govorimo o unesenim gubicima tijekom širenja elektromagnetskog vala u mediju s upredenim paricama i ovisnosti prigušenja o temperaturi (i frekvenciji, što nije manje važno).

Otpornost bakra

U međunarodnom SI sustavu, otpornost vodiča mjeri se u Ohm∙m. U informatičkom području češće se koristi nesustavna dimenzija Ohm∙mm 2 /m, što je prikladnije za proračune, budući da se presjeci vodiča obično označavaju u mm 2. Vrijednost 1 Ohm∙mm 2 /m je milijun puta manja od 1 Ohm∙m i karakterizira otpornost tvari čiji homogeni vodič duljine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm 2 daje otpor od 1 Ohma.

Otpor čistog električnog bakra na 20°C je 0,0172 Ohm∙mm 2 /m. U raznim izvorima možete pronaći vrijednosti do 0,018 Ohm∙mm 2 /m, što se također može primijeniti na električni bakar. Vrijednosti variraju ovisno o obradi kojoj je materijal podvrgnut. Na primjer, žarenje nakon izvlačenja ("izvlačenje") žice smanjuje otpornost bakra za nekoliko posto, iako se provodi prvenstveno radi promjene mehaničkih, a ne električnih svojstava.

Otpornost bakra ima izravne implikacije za aplikacije napajanja preko Etherneta. Samo će dio izvorne istosmjerne struje ubrizgane u vodič doći do udaljenog kraja vodiča - neki gubici na putu su neizbježni. Na primjer, PoE tip 1 zahtijeva da od 15,4 W koje isporučuje izvor, najmanje 12,95 W dođe do napajanog uređaja na udaljenom kraju.

Otpornost bakra varira s temperaturom, ali za IT temperature promjene su male. Promjena otpora izračunava se pomoću formula:

ΔR = α R ΔT

R 2 = R 1 (1 + α (T 2 - T 1))

gdje je ΔR promjena otpora, R je otpor pri temperaturi koja se uzima kao osnovna razina (obično 20°C), ΔT je temperaturni gradijent, α je temperaturni koeficijent otpora za dati materijal (dimenzija °C -1 ). U rasponu od 0°C do 100°C, za bakar je prihvaćen temperaturni koeficijent od 0,004°C -1. Izračunajmo otpor bakra na 60°C.

R 60°C = R 20°C (1 + α (60°C - 20°C)) = 0,0172 (1 + 0,004 40) ≈ 0,02 Ohm∙mm 2 /m

Otpor se povećao za 16% s porastom temperature za 40°C. Prilikom rada kabelskih sustava, naravno, upletena parica ne smije biti izložena visokim temperaturama; to se ne bi smjelo dopustiti. S pravilno projektiranim i instaliranim sustavom, temperatura kabela malo se razlikuje od uobičajenih 20 ° C, a tada će promjena otpora biti mala. Prema telekomunikacijskim standardima, otpor bakrenog vodiča od 100 m u kabelu s upletenim paricama kategorije 5e ili 6 ne bi smio premašiti 9,38 ohma na 20°C. U praksi se proizvođači s rezervom uklapaju u ovu vrijednost, tako da ni pri temperaturama od 25°C ÷ 30°C otpor bakrenog vodiča ne prelazi tu vrijednost.

Slabljenje signala upletene parice/uneseni gubitak

Kada se elektromagnetski val širi kroz bakreni kabel s upredenom paricom, dio njegove energije se raspršuje na putu od bližeg do udaljenijeg kraja. Što je viša temperatura kabela, signal se više slabi. Na visokim frekvencijama prigušenje je veće nego na niskim frekvencijama, a za više kategorije prihvatljive granice za ispitivanje unesenih gubitaka su strože. U ovom slučaju, sve granične vrijednosti postavljene su za temperaturu od 20°C. Ako je na 20°C originalni signal stigao na udaljeni kraj segmenta dugog 100 m s razinom snage P, tada će se na povišenim temperaturama takva snaga signala promatrati na kraćim udaljenostima. Ako je potrebno osigurati istu snagu signala na izlazu segmenta, tada ćete morati ili instalirati kraći kabel (što nije uvijek moguće) ili odabrati marke kabela s nižim prigušenjem.

• Za oklopljene kabele na temperaturama iznad 20°C, promjena temperature od 1 stupnja dovodi do promjene prigušenja od 0,2%
• Za sve vrste kabela i bilo koje frekvencije na temperaturama do 40°C, promjena temperature od 1 stupnja dovodi do promjene prigušenja od 0,4%
• Za sve vrste kabela i bilo koje frekvencije na temperaturama od 40°C do 60°C, promjena temperature od 1 stupnja dovodi do promjene prigušenja od 0,6%
• Kabeli kategorije 3 mogu doživjeti promjenu prigušenja od 1,5% po stupnju Celzijusa

Već početkom 2000. god. Standard TIA/EIA-568-B.2 preporučuje smanjenje najveće dopuštene duljine stalne veze/kanala kategorije 6 ako je kabel instaliran u okruženjima s povišenom temperaturom, a što je temperatura viša, to bi segment trebao biti kraći.

S obzirom da je gornja granica frekvencije u kategoriji 6A dvostruko viša nego u kategoriji 6, temperaturna ograničenja za takve sustave bit će još stroža.

Danas, pri implementaciji aplikacija PoE Govorimo o maksimalnim brzinama od 1 gigabita. Međutim, kada se koriste 10-gigabitne aplikacije, Power over Ethernet nije opcija, barem ne još. Dakle, ovisno o vašim potrebama, kada se temperatura promijeni, trebate uzeti u obzir ili promjenu otpora bakra ili promjenu prigušenja. U oba slučaja, najbolje je osigurati da se kabeli drže na temperaturama blizu 20°C.

Stoga je važno znati parametre svih elemenata i materijala koji se koriste. I ne samo električni, već i mehanički. I imajte na raspolaganju neke prikladne referentne materijale koji vam omogućuju da usporedite karakteristike različitih materijala i odaberete za dizajn i rad upravo ono što će biti optimalno u određenoj situaciji.
U dalekovodima za prijenos energije, gdje je cilj isporuka energije do potrošača na najproduktivniji način, odnosno s visokom učinkovitošću, uzimaju se u obzir i ekonomika gubitaka i mehanika samih vodova. Konačna ekonomska učinkovitost voda ovisi o mehanici - to jest o uređaju i rasporedu vodiča, izolatora, nosača, transformatora za povećanje/spuštanje, težini i čvrstoći svih konstrukcija, uključujući žice rastegnute na velikim udaljenostima, kao i materijale odabrane za svaki strukturni element, troškove rada i rada. Osim toga, kod vodova za prijenos električne energije postoje veći zahtjevi za osiguranjem sigurnosti kako samih vodova tako i svega oko njih gdje prolaze. A to dodaje troškove i za pružanje električnih žica i za dodatnu marginu sigurnosti svih struktura.

Za usporedbu, podaci se obično svode na jedan, usporedivi oblik. Često se takvim karakteristikama dodaje epitet "specifičan", a same vrijednosti se razmatraju na temelju određenih standarda objedinjenih fizičkim parametrima. Na primjer, električni otpor je otpor (ohmi) vodiča izrađenog od nekog metala (bakar, aluminij, čelik, volfram, zlato) koji ima jediničnu duljinu i jedinični presjek u sustavu mjernih jedinica koji se koristi (obično SI ). Osim toga, određena je temperatura, budući da se kod zagrijavanja otpor vodiča može ponašati drugačije. Kao osnova uzeti su normalni prosječni radni uvjeti - na 20 stupnjeva Celzijusa. A tamo gdje su svojstva važna pri promjeni parametara okoliša (temperatura, tlak), uvode se koeficijenti i sastavljaju dodatne tablice i grafikoni ovisnosti.

Vrste otpora

Budući da se otpor događa:

• aktivni - ili omski, otporni - nastaju utroškom električne energije na zagrijavanje vodiča (metala) kada kroz njega prolazi električna struja, i
• reaktivni - kapacitivni ili induktivni - koji nastaje neizbježnim gubicima zbog stvaranja bilo kakvih promjena u struji koja prolazi kroz vodič električnih polja, tada otpornost vodiča dolazi u dvije varijante:

1. Specifični električni otpor istosmjernoj struji (otporne prirode) i
2. Specifični električni otpor na izmjeničnu struju (reaktivne prirode).

Ovdje je otpornost tipa 2 složena vrijednost; sastoji se od dvije TC komponente - aktivne i reaktivne, jer otpornost uvijek postoji kada struja prolazi, bez obzira na njegovu prirodu, a reaktivna otpornost javlja se samo s bilo kojom promjenom struje u krugovima. U istosmjernim krugovima reaktancija se javlja samo tijekom prijelaznih procesa koji su povezani s uključivanjem struje (promjena struje od 0 do nominalne) ili isključivanjem (razlika od nominalne do 0). I obično se uzimaju u obzir samo pri projektiranju zaštite od preopterećenja.

U krugovima izmjenične struje, fenomeni povezani s reaktancijom mnogo su raznolikiji. Oni ne ovise samo o stvarnom prolazu struje kroz određeni presjek, već i o obliku vodiča, a ovisnost nije linearna.

Činjenica je da izmjenična struja inducira električno polje i oko vodiča kroz koji teče i u samom vodiču. A iz tog polja nastaju vrtložne struje, koje daju učinak "guranja" stvarnog glavnog kretanja naboja, iz dubine cijelog presjeka vodiča na njegovu površinu, takozvani "skin efekt" (od koža – koža). Ispada da vrtložne struje kao da "kradu" njegov presjek od vodiča. Struja teče u određenom sloju blizu površine, preostala debljina vodiča ostaje neiskorištena, ne smanjuje svoj otpor i jednostavno nema smisla povećavati debljinu vodiča. Pogotovo na visokim frekvencijama. Stoga se za izmjeničnu struju otpor mjeri u takvim dijelovima vodiča gdje se cijeli dio može smatrati blizu površine. Takva se žica naziva tankom; njezina je debljina jednaka dvostrukoj dubini ovog površinskog sloja, gdje vrtložne struje istiskuju korisnu glavnu struju koja teče u vodiču.

Naravno, smanjenjem debljine okruglih žica ne iscrpljuje se učinkovito provođenje izmjenične struje. Vodič se može stanjiti, ali istovremeno učiniti ravnim u obliku trake, tada će poprečni presjek biti veći od presjeka okrugle žice, a prema tome i otpor će biti manji. Osim toga, jednostavno povećanje površine imat će učinak povećanja efektivnog poprečnog presjeka. Isto se može postići korištenjem višežilne žice umjesto jednožilne; štoviše, višežilna žica je fleksibilnija od jednožilne žice, što je često dragocjeno. S druge strane, uzimajući u obzir skin-efekt u žicama, moguće je napraviti žice kompozitnim izradom jezgre od metala koji ima dobre karakteristike čvrstoće, na primjer, čelik, ali niske električne karakteristike. U ovom slučaju preko čelika se izrađuje aluminijska pletenica koja ima manji otpor.

Osim skin efekta, na tok izmjenične struje u vodičima utječe i pobuda vrtložnih struja u okolnim vodičima. Takve struje nazivaju se indukcijske struje, a induciraju se iu metalima koji ne igraju ulogu ožičenja (nosivi konstrukcijski elementi), iu žicama cijelog vodljivog kompleksa - igrajući ulogu žica drugih faza, neutralnih , uzemljenje.

Svi ovi fenomeni pojavljuju se u svim električnim strukturama, zbog čega je još važnije imati sveobuhvatnu referencu za širok izbor materijala.

Otpor vodiča mjeri se vrlo osjetljivim i preciznim instrumentima, budući da se za ožičenje odabiru metali s najmanjim otporom - reda ohma * 10 -6 po metru duljine i kvadratnom metru. mm. odjeljci. Da biste izmjerili otpor izolacije, potrebni su vam instrumenti, naprotiv, koji imaju raspon vrlo velikih vrijednosti otpora - obično megoma. Jasno je da vodiči moraju dobro voditi, a izolatori moraju dobro izolirati.

Stol

Željezo kao vodič u elektrotehnici

Željezo je najzastupljeniji metal u prirodi i tehnici (nakon vodika koji je također metal). Najjeftiniji je i ima izvrsne karakteristike čvrstoće, stoga se posvuda koristi kao osnova za čvrstoću različitih struktura.

U elektrotehnici željezo se koristi kao vodič u obliku savitljivih čeličnih žica gdje je potrebna fizička čvrstoća i savitljivost, a potreban otpor se može postići odgovarajućim presjekom.

Imajući tablicu otpora različitih metala i legura, možete izračunati poprečne presjeke žica izrađenih od različitih vodiča.

Kao primjer, pokušajmo pronaći električki ekvivalentni presjek vodiča izrađenih od različitih materijala: bakrene, volframove, nikalne i željezne žice. Uzmimo kao početnu aluminijsku žicu presjeka 2,5 mm.

Trebamo da na duljini od 1 m otpor žice od svih ovih metala bude jednak otporu izvorne. Otpor aluminija po 1 m duljine i presjeka od 2,5 mm bit će jednak

Gdje R- otpornost, ρ – otpornost metala iz tablice, S- poprečni presjek područja, L- duljina.

Zamjenom izvornih vrijednosti dobivamo otpor metarskog komada aluminijske žice u ohima.

Nakon toga riješimo formulu za S

Zamijenit ćemo vrijednosti iz tablice i dobiti površine presjeka za različite metale.

Budući da se otpor u tablici mjeri na žici duljine 1 m, u mikroomima po presjeku od 1 mm 2, tada smo ga dobili u mikroomima. Da biste ga dobili u ohmima, trebate pomnožiti vrijednost s 10 -6. Ali ne moramo nužno dobiti broj ohm sa 6 nula nakon decimalne točke, budući da konačni rezultat još uvijek nalazimo u mm2.

Kao što vidite, otpor željeza je prilično visok, žica je debela.

Ali postoje materijali za koje je još veći, na primjer, nikal ili konstantan.

Jedna od fizikalnih veličina koja se koristi u elektrotehnici je električni otpor. Kada se razmatra otpornost aluminija, treba imati na umu da ova vrijednost karakterizira sposobnost tvari da spriječi prolaz električne struje kroz nju.

Koncepti otpornosti

Vrijednost suprotna specifičnom otporu naziva se specifična vodljivost ili električna vodljivost. Obični električni otpor karakterističan je samo za vodič, a specifični električni otpor samo za određenu tvar.

U pravilu se ova vrijednost izračunava za vodič koji ima homogenu strukturu. Za određivanje električnih homogenih vodiča koristi se formula:

Fizikalni smisao ove veličine leži u određenom otporu homogenog vodiča određene jedinične duljine i površine poprečnog presjeka. Mjerna jedinica je SI jedinica Om.m ili izvansistemska jedinica Om.mm2/m. Posljednja jedinica znači da će vodič izrađen od homogene tvari, duljine 1 m, površine poprečnog presjeka od 1 mm2, imati otpor od 1 Ohma. Dakle, otpornost bilo koje tvari može se izračunati pomoću dijela električnog kruga duljine 1 m, čiji će presjek biti 1 mm2.

Otpornost različitih metala

Svaki metal ima svoje individualne karakteristike. Ako usporedimo otpornost aluminija, na primjer, s bakrom, možemo primijetiti da je za bakar ta vrijednost 0,0175 Ohm.mm2/m, a za aluminij 0,0271 Ohm.mm2/m. Stoga je otpornost aluminija znatno veća od otpornosti bakra. Iz toga slijedi da je električna vodljivost puno veća od one kod aluminija.

Na vrijednost otpora metala utječu određeni čimbenici. Na primjer, tijekom deformacije, struktura kristalne rešetke je poremećena. Zbog nastalih defekata povećava se otpor prolasku elektrona unutar vodiča. Zbog toga se otpornost metala povećava.

Temperatura također ima utjecaja. Kada se zagriju, čvorovi kristalne rešetke počinju jače vibrirati, čime se povećava otpor. Trenutno se zbog velike otpornosti aluminijske žice uvelike zamjenjuju bakrenim žicama koje imaju veću vodljivost.