Kada kažu da je bakar teži metal od aluminija, uspoređuju njihove gustoće. Slično tome, kada se kaže da je bakar bolji provodnik od aluminija, uspoređuje se njihov otpor (ρ), čija vrijednost ne ovisi o veličini ili obliku određenog uzorka - samo o samom materijalu.
Teorijsko opravdanje
Otpor je mjera otpora električnoj vodljivosti za danu veličinu materijala. Njegova suprotnost je električna vodljivost. Metali su dobri električni vodiči (visoka vodljivost i niska vrijednost ρ), dok su nemetali općenito loši provodnici (niska vodljivost i visoka vrijednost ρ).
Poznatiji toplinski električni otpor mjeri koliko je materijalu teško provesti električnu struju. Ovisi o veličini dijela: otpor je veći za duži ili uži komad materijala. Za uklanjanje učinkaveličina od otpora, koristi se otpornost žice - ovo je svojstvo materijala koje ne ovisi o veličini. Za većinu materijala otpornost raste s temperaturom. Iznimka su poluvodiči (kao što je silicij), u kojima se smanjuje s temperaturom.
Lakoća s kojom materijal provodi toplinu mjeri se toplinskom vodljivošću. Kao prva procjena, dobri električni vodiči su također dobri toplinski vodiči. Otpor je predstavljen simbolom r, a jedinica mu je ohmmetar. Otpor čistog bakra je 1,7×10 -8 ohma. Ovo je vrlo mali broj - 0,000,000,017 Ohm, što ukazuje na to da kubični metar bakra praktički nema otpor. Što je otpornost niža (ohmmetar ili Ωm), to se materijal bolje koristi u ožičenju. Otpor je druga strana provodljivosti.
Klasifikacija materijala
Vrijednost otpora materijala često se koristi da bi se klasificirao kao vodič, poluvodič ili izolator. Čvrsti elementi se klasificiraju kao izolatori, poluvodiči ili vodiči prema njihovom "statičkom otporu" u periodnom sustavu elemenata. Otpornost u izolatoru, poluvodiču ili vodljivom materijalu glavno je svojstvo koje se razmatra za električne primjene.
Tablica prikazuje neke podatke o ρ, σ i temperaturnom koeficijentu. Za otpornost na metalepovećava kako temperatura raste. Suprotno vrijedi za poluvodiče i mnoge izolatore.
| Materijal | ρ (Ωm) na 20°C | σ (S/m) na 20°C | Temperaturni koeficijent (1/°C) x10 ^ -3 |
| srebro |
1, 59 × 10 -8 |
6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| bakar | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| zlato | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| aluminij | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Tungsten | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4,5 |
| Cink | 5, 90 × 10 -8 | 1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| Nikal | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| Litij | 9, 28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Iron | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Platina | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| olovo |
2, 2 × 10 -7 |
4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Constantan | 4, 9 × 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0, 008 |
| Mercury | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0,9 |
| Nikrom | 1,10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Ugljik (amorfni) | 5 × 10 -4 do 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Izračun otpornosti
Za bilo koju danu temperaturu možemo izračunati električni otpor objekta u omima koristeći sljedeću formulu.
U ovoj formuli:
- R - otpor objekta, u omima;
- ρ - otpor (specifičan) materijala od kojeg je predmet izrađen;
- L - duljina objekta u metrima;
- A-presjekpresjek objekta, u kvadratnim metrima.
Otpor je jednak određenom broju ohmmetara. Iako je SI jedinica ρ obično ohmmetar, ponekad je jedinica ohm po centimetru.
Otpor materijala određen je veličinom električnog polja preko njega, što daje određenu gustoću struje.
ρ=E/ J gdje je:
- ρ - u ohmmetar;
- E - veličina električnog polja u voltima po metru;
- J - vrijednost gustoće struje u amperima po kvadratnom metru.
Kako odrediti otpornost? Mnogi otpornici i vodiči imaju ujednačen poprečni presjek s ujednačenim protokom električne struje. Stoga postoji specifičnija, ali šire korištena jednadžba.
ρ=RA/ J, gdje je:
- R - otpor homogenog uzorka materijala, mjereno u omima;
- l - dužina komada materijala, mjerena u metrima, m;
- A - površina poprečnog presjeka uzorka, mjerena u kvadratnim metrima, m2.
Osnove otpornosti materijala
Električna otpornost materijala poznata je i kao električna otpornost. Ovo je mjera koliko se materijal snažno opire strujanju električne struje. Može se odrediti dijeljenjem otpora po jedinici duljine i po jedinici površine poprečnog presjeka, za određeni materijal na danoj temperaturi.
To znači da nizak ρ označava materijal koji lako dopuštapomicati elektrone. Suprotno tome, materijal s visokim ρ će imati veliki otpor i ometati protok elektrona. Elementi kao što su bakar i aluminij poznati su po niskim razinama ρ. Srebro i zlato posebno imaju vrlo nisku vrijednost ρ, ali je njihova upotreba ograničena iz očitih razloga.
otporna regija
Materijal se stavlja u različite kategorije ovisno o njihovoj vrijednosti ρ. Sažetak je prikazan u donjoj tablici.
Razina vodljivosti poluvodiča ovisi o razini dopinga. Bez dopinga izgledaju gotovo kao izolatori, što je isto i za elektrolite. ρ razina materijala uvelike varira.
| Kategorije opreme i vrsta materijala | Područje otpora najčešćih materijala ovisno o ρ |
| Elektroliti | Varijabilna |
| Izolatori | ~ 10 ^ 16 |
| Metali | ~ 10 ^ -8 |
| Poluvodiči | Varijabilna |
| Supervodiči | 0 |
Temperaturni koeficijent otpora
U većini slučajeva otpor raste s temperaturom. Kao rezultat toga, postoji potreba za razumijevanjem temperaturne ovisnosti otpora. Razlog temperaturnog koeficijenta otpora u vodiču može se opravdatiintuitivno. Otpor materijala ovisi o nizu pojava. Jedan od njih je broj sudara koji se javljaju između nositelja naboja i atoma u materijalu. Otpor vodiča će se povećavati s povećanjem temperature, kako se broj sudara povećava.
To možda nije uvijek slučaj, a posljedica je činjenice da se dodatni nosioci naboja oslobađaju s povećanjem temperature, što će dovesti do smanjenja otpornosti materijala. Ovaj učinak se često opaža u poluvodičkim materijalima.
Kada se razmatra temperaturna ovisnost otpora, obično se pretpostavlja da temperaturni koeficijent otpora slijedi linearni zakon. To se odnosi na sobnu temperaturu i na metale i mnoge druge materijale. Međutim, utvrđeno je da učinci otpora koji nastaju kao rezultat broja sudara nisu uvijek konstantni, posebno pri vrlo niskim temperaturama (fenomen supravodljivosti).
Grafikon temperature otpora
Otpor vodiča na bilo kojoj temperaturi može se izračunati iz vrijednosti temperature i njegovog temperaturnog koeficijenta otpora.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), gdje je:
- R - otpor;
- Rref - otpor na referentnoj temperaturi;
- α- temperaturni koeficijent otpornosti materijala;
- Tref je referentna temperatura za koju je specificiran temperaturni koeficijent.
Temperaturni koeficijent otpornosti, obično standardiziran na temperaturu od 20 °C. Prema tome, jednadžba koja se obično koristi u praktičnom smislu je:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), gdje je:
- R20=otpor na 20°C;
- α20 - temperaturni koeficijent otpornosti na 20 °C;
- T20- temperatura jednaka 20 °C.
Otpornost materijala na sobnoj temperaturi
Tablica otpora u nastavku sadrži mnoge tvari koje se obično koriste u elektrotehnici, uključujući bakar, aluminij, zlato i srebro. Ova svojstva su osobito važna jer određuju može li se tvar koristiti u širokom rasponu električnih i elektroničkih komponenti od žica do složenijih uređaja kao što su otpornici, potenciometri i više.
| Tablica otpornosti različitih materijala pri 20°C vanjske temperature | |
| Materijal | otpor OM na 20°C |
| aluminij | 2, 8 x 10 -8 |
| Antimon | 3, 9 × 10 -7 |
| bizmut | 1, 3 x 10 -6 |
| mjed | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| kadmij | 6 x 10 -8 |
| kob alt | 5, 6 × 10 -8 |
| bakar | 1, 7 × 10 -8 |
| zlato | 2, 4 x 10 -8 |
| Ugljik (grafit) | 1 x 10 -5 |
| Njemačka | 4,6 x 10 -1 |
| Iron | 1,0 x 10 -7 |
| olovo | 1, 9 × 10 -7 |
| Nikrom | 1, 1 × 10 -6 |
| Nikal | 7 x 10 -8 |
| palladij | 1,0 x 10 -7 |
| Platina | 0, 98 × 10 -7 |
| Quartz | 7 x 10 17 |
| Silikon | 6, 4 × 10 2 |
| srebro | 1, 6 × 10 -8 |
| tantal | 1, 3 x 10 -7 |
| Tungsten | 4, 9 x 10 -8 |
| Cink | 5, 5 x 10 -8 |
Usporedba vodljivosti bakra i aluminija
Provodniki se sastoje od materijala koji provode električnu energiju. Nemagnetski metali se općenito smatraju idealnim vodičima električne energije. U industriji žica i kabela koriste se različiti metalni vodiči, ali su bakar i aluminij najčešći. Vodiči imaju različita svojstva kao što su vodljivost, vlačna čvrstoća, težina i utjecaj na okoliš.
Otpor bakrenog vodiča mnogo se češće koristi u proizvodnji kabela od aluminija. Gotovo svi elektronički kabeli izrađeni su od bakra, kao i drugi uređaji i oprema koji koriste bakrenu visoku vodljivost. Bakreni vodiči također se široko koriste u distribucijskim sustavima iproizvodnja električne energije, automobilska industrija. Kako bi uštedjele na težini i troškovima, prijenosne tvrtke koriste aluminij u nadzemnim dalekovodima.
Aluminij se koristi u industrijama u kojima je važna njegova lakoća, kao što je konstrukcija zrakoplova, a očekuje se da će u budućnosti povećati njegovu upotrebu u automobilskoj industriji. Za kabele veće snage koristi se aluminijska žica obložena bakrom kako bi se iskoristila otpornost bakra, čime se postižu značajne uštede na strukturnoj težini od laganog aluminija.
bakreni provodnici
Bakar je jedan od najstarijih poznatih materijala. Njegovu savitljivost i električnu vodljivost iskoristili su rani električni eksperimentatori kao što su Ben Franklin i Michael Faraday. Nizak ρ bakrenih materijala doveo je do toga da je prihvaćen kao glavni vodič koji se koristi u izumima kao što su telegraf, telefon i električni motor. Bakar je najčešći vodljivi metal. Godine 1913. usvojen je Međunarodni standard za paljenje bakra (IACS) kako bi se usporedila vodljivost drugih metala s bakrom.
Prema ovom standardu, komercijalno čisti žareni bakar ima vodljivost od 100% IACS. Otpornost materijala uspoređuje se sa standardom. Komercijalno čisti bakar koji se danas proizvodi može imati veće IACS vrijednosti jer je tehnologija obrade značajno napredovala tijekom vremena. Osim odlične vodljivosti bakra, metal ima visoku vlačnu čvrstoću, toplinsku vodljivost i toplinsko širenje. Žaljena bakrena žica koja se koristi u električne svrhe zadovoljava sve zahtjeve standarda.
Aluminijski vodiči
Unatoč činjenici da bakar ima dugu povijest kao materijal za proizvodnju električne energije, aluminij ima određene prednosti koje ga čine atraktivnim za specifične primjene, a njegova trenutna otpornost omogućuje mu se višestruko korištenje. Aluminij ima 61% vodljivosti bakra i samo 30% mase bakra. To znači da je aluminijska žica teška upola manje od bakrene žice s istim električnim otporom.
Aluminij ima tendenciju da bude jeftiniji u usporedbi s bakrenom jezgrom. Aluminijski vodiči su sastavljeni od raznih legura, imaju minimalni udio aluminija od 99,5%. U 1960-im i 1970-im, zbog visoke cijene bakra, ovaj razred aluminija postao je naširoko korišten za kućne električne instalacije.
Zbog loše izrade spojeva i fizičkih razlika između aluminija i bakra, uređaji i žice izrađeni na temelju njihovih spojeva postali su požarno opasni na kontaktima bakar-aluminij. Kako bi se spriječio negativni proces, razvijene su aluminijske legure sa svojstvima puzanja i istezanja sličnijima bakru. Ove se legure koriste za proizvodnju upredenih aluminijskih žica, čija je strujna otpornost prihvatljiva za masovnu upotrebu, ispunjavajući sigurnosne zahtjeve za električne mreže.
Ako se aluminij koristi na mjestima gdje se ranije koristio bakar,da bi mreža bila jednaka, morate koristiti aluminijsku žicu dvostruko veću od bakrene žice.
Primjena električne vodljivosti materijala
Mnogi materijali koji se nalaze u tablici otpornosti naširoko se koriste u elektronici. Aluminij i posebno bakar se koriste zbog niske razine otpornosti. Većina žica i kabela koji se danas koriste za električne spojeve izrađeni su od bakra, jer osigurava nisku razinu ρ, a cjenovno su pristupačni. Dobra vodljivost zlata, unatoč cijeni, također se koristi u nekim vrlo preciznim instrumentima.
Pozlaćenje se često nalazi na visokokvalitetnim niskonaponskim spojevima gdje je cilj osigurati najmanji kontaktni otpor. Srebro se ne koristi široko u industrijskoj elektrotehnici jer brzo oksidira i to dovodi do visoke otpornosti na kontakt. U nekim slučajevima, oksid može djelovati kao ispravljač. Otpornost tantala koristi se u kondenzatorima, niklu i paladiju u krajnjim spojevima za mnoge komponente za površinsku montažu. Kvarc nalazi svoju primarnu upotrebu kao piezoelektrični rezonantni element. Kristali kvarca koriste se kao frekvencijski elementi u mnogim oscilatorima, gdje njegova visoka vrijednost omogućuje stvaranje pouzdanih frekvencijskih krugova.
