Питомий опір – це що таке?

Коли кажуть, що мідь є більш важким металом, ніж алюміній, то порівнюють їх щільності. Аналогічним чином, коли говорять, що мідь є кращим провідником, ніж алюміній, порівнюють їх питомий опір (ρ), значення яких не залежить від розміру або форми конкретного зразка — тільки від самого матеріалу.

Теоретичне обґрунтування

Резистентність є мірою опору електричної провідності для заданого розміру матеріалу. Її протилежність – електрична провідність. Метали – хороші електричні провідники (висока провідність і низька значення ρ), в той час як неметали в основному є поганими провідниками (низька провідність і високе значення ρ).

Більш знайоме термічне електричне опір вимірює, наскільки важко матеріалу проводити електрику. Це залежить від розміру деталі: опір вище для більш довгого або більш вузької ділянки матеріалу. Щоб усунути ефект від розміру опору, використовується питомий опір дроту – це матеріальне властивість, яка не залежить від розміру. Для більшості матеріалів опір збільшується з температурою. Винятком є напівпровідники (наприклад, кремній), в яких воно зменшується з температурою.

Легкість, з якою матеріал проводить тепло, вимірюється теплопровідністю. В якості першої оцінки хороші електричні провідники також є хорошими тепловими провідниками. Опір позначається символом r, а його одиниця виміру — омметр. Опір чистої міді становить 1,7 × 10 -8 Ом. Це дуже невелике число – 0,000 000 017 Ом говорить про те, що кубічний метр міді практично не чинить опір. Чим менший питомий опір (омметр або Ωm), тим краще матеріал використовується в електропроводці. Опір — це зворотна сторона провідності.

Класифікація матеріалів

Величина опору матеріалу часто використовується для класифікації як провідника, напівпровідника або ізолятора. Тверді елементи класифікуються як ізолятори, напівпровідники або провідники їх «статичного опору» у періодичній таблиці елементів. Питомий опір в ізоляторі, напівпровіднику або провідному матеріалі є основною властивістю, яка враховується для застосування в електротехніці.

У таблиці наведено деякі дані, ρ σ і температурних коефіцієнтів. Для металів опір зростає по мірі збільшення температури. Для напівпровідників і багатьох ізоляторів вірно зворотне.

Матеріал	ρ (Ωm) при 20 ° C	σ (S / m) при 20 ° C	Температурний коефіцієнт (1 / ° C) x10 ^ -3
Срібло	1,59 × 10 -8	6,30 × 10 7	3,8
Мідь	1,68 × 10 -8	5,96 × 10 7	3,9
Золото	2,44 × 10 -8	4,10 × 10 7	3,4
Алюміній	2,82 × 10 -8	3,5 × 10 7	3,9
Вольфрам	5,60 × 10 -8	1,79 × 10 7	4.5
Цинк	5,90 × 10 -8	1,69 × 10 7	3,7
Нікель	6,99 × 10 -8	1,43 × 10 7	6
Літій	9,28 × 10 -8	1.08 × 10 7	6
Залізо	1,0 × 10 -7	1,00 × 10 7	5
Платиновий	1,06 × 10 -7	9,43 × 10 6	3,9
Свинець	2,2 × 10 -7	4,55 × 10 6	3,9
Константан	4,9 × 10 -7	2.04 × 10 6	0,008
Меркурій	9,8 × 10 -7	1,02 × 10 6	0.9
Ніхром	1.10 × 10 -6	9,09 × 10 5	0,4
Вуглець (аморфний)	5 × 10 -4 до 8 × 10 -4	1,25-2 × 10 3	-0,5

Розрахунок питомого опору

Для будь-якої заданої температури ми можемо обчислити електричне опір об’єкта в омах, використовуючи наступну формулу.

В цій формулі:

• R – опір об’єкта, в омах;
• ρ – опір (питомий) матеріалу, з якого виготовлено об’єкт;
• L – довжина об’єкта в метрах;
• A—площа поперечного перерізу об’єкта, в квадратних метрах.

Питомий опір дорівнює певній кількості омметров. Незважаючи на те, що одиниця ρ в системі СІ, як правило, омметр, іноді застосовують розмірність ом на сантиметр.

Опір матеріалу визначається за величиною електричного поля по ньому, що дає певну щільність струму.

ρ = E/ J, де:

• ρ – омметр;
• E – величина електричного поля у вольтах на метр;
• J – величина щільності струму в амперах на метр квадратний.

Як визначити питомий опір? Багато резистори і провідники мають рівномірний поперечний переріз з рівномірним потоком електричного струму. Тому існує більш конкретне, але більш широко використовується рівняння.

ρ = R*А/ J, де:

• R – опір однорідного зразка матеріалу, виміряного в омах;
• l – довжина частини матеріалу, виміряна в метрах, м;
• A – площа поперечного перерізу зразка, виміряна в квадратних метрах, м2.

Основи резистивности матеріалів

Електроопір матеріалу також відомо як удільне електричне опір. Це показник того, наскільки сильно матеріал протистоїть потоку електричного струму. Визначити його можна через поділ опору на одиницю довжини і на одиницю площі поперечного перерізу, для конкретного матеріалу при заданій температурі.

Це означає, що низька ρ вказує на матеріал, який легко дозволяє переміщати електрони. І навпаки, матеріал з високим ρ буде мати високий опір і перешкоджати потоку електронів. Елементи, такі як мідь і алюміній, відомі своїм низьким рівнем ρ. Срібло і, зокрема, золото мають дуже низьке значення ρ, але з очевидних причин їх використання обмежене.

Область резистивности

Матеріали містяться у різні категорії залежно від їхніх показника ρ. Короткий виклад наведено в таблиці нижче.

Рівень провідності напівпровідників залежить від рівня легування. Без легування вони виглядають майже як ізолятори, що аналогічно і для електролітів. Рівень ρ матеріалів змінюється в широких межах.

Категорії обладнання та тип матеріалів	Область резистивности найбільш поширених матеріалів в залежності від ρ
Електроліти	Змінна
Ізолятори	~ 10 ^ 16
Метали	~ 10 ^ -8
Напівпровідники	Змінна
Надпровідники	0

Температурний коефіцієнт опору

У більшості випадків опір збільшується з температурою. В результаті виникає необхідність в розумінні температурної залежності опору. Причина температурного коефіцієнта опору в провіднику може бути обґрунтована інтуїтивно. Опір матеріалу має залежність від ряду явищ. Одним з них є число зіткнень, які відбуваються між носіями заряду і атомами в матеріалі. Питомий опір провідника зі зростанням температури буде зростати, так як збільшується число зіткнень.

Це може бути не завжди, і викликано тим, що з підвищенням температури вивільняються додаткові носії заряду, що призведе до зниження питомої опору матеріалів. Цей ефект часто спостерігається у напівпровідникових матеріалах.

При розгляді температурної залежності опору зазвичай вважається, що температурний коефіцієнт опору слід лінійним законом. Це стосується температури в приміщенні і для металів і багатьох інших матеріалів. Однак було виявлено, що ефекти опору, що виникають в результаті числа зіткнень, не завжди постійні, особливо при дуже низьких температурах (явище надпровідності).

Графік температури опору

Опір провідника при будь-якій заданій температурі можна розрахувати за значенням температури і її температурного коефіцієнту опору.

R= Rref*(1+ α (T – Tref)), де:

• R – опір;
• Rref – опір при еталонної температурі;
• α – температурний коефіцієнт опору матеріалу;
• Tref -еталонна температура, для якої зазначений температурний коефіцієнт.

Температурний коефіцієнт опору, зазвичай стандартизований щодо температури 20 °C. Відповідно, рівняння, зазвичай використовуване у практичному значенні:

R= R20*(1+ α20 (T – T20)), де:

• R20 = опір при 20 °C;
• α20 – температурний коефіцієнт опору при 20 °C;
• T20 – температура дорівнює 20 °C.

Опір матеріалів при кімнатній температурі

Таблиця опорів, наведена нижче, містить багато речовин, широко використовуються в електротехніці, включаючи мідь, алюміній, золото і срібло. Ці властивості особливо важливі тому, що визначають, чи може речовина використовуватися при виготовленні широкого спектру електричних і електронних компонентів від проводів до більш складних пристроїв, таких як резистори, потенціометри та багато інших.

Таблиця резистивности різних матеріалів при температурі зовнішнього повітря 20 ° C
Матеріали	Опір ОМ при температурі 20 ° C
Алюміній	2,8 x 10 -8
Сурма	3,9 × 10 -7
Вісмут	1,3 х 10 -6
Латунь	~ 0,6 – 0,9 × 10 -7
Кадмій	6 x 10 -8
Кобальт	5,6 × 10 -8
Мідь	1,7 × 10 -8
Золото	2,4 х 10 -8
Вуглець (графіт)	1 x 10 -5
Германій	4.6 x 10 -1
Залізо	1.0 x 10 -7
Свинець	1,9 × 10 -7
Ніхром	1,1 × 10 -6
Нікель	7 x 10 -8
Паладій	1.0 x 10 -7
Платиновий	0,98 × 10 -7
Кварцовий	7 x 10 17
Кремній	6,4 × 10 2
Срібний	1,6 × 10 -8
Тантал	1,3 х 10 -7
Вольфрам	4,9 х 10 -8
Цинк	5,5 x 10 -8

Порівняння провідності міді та алюмінію

Провідники складаються з матеріалів, які проводять електричний струм. Немагнітні метали зазвичай вважаються ідеальними провідниками електрики. У дротової і кабельної промисловості використовуються різні металеві провідники, але найбільш поширеними є мідь та алюміній. Провідники мають різні властивості, такі як провідність, міцність на розтяг, вага і вплив на навколишнє середовище.

Питомий опір провідника з міді набагато частіше використовується у виробництві кабелів, ніж алюмінію. Майже всі електронні кабелі виготовлені з міді, як і інші пристрої і обладнання, які використовують високу провідність міді. Мідні провідники також широко використовуються в системах розподілу та виробництва електроенергії, автомобілебудування. Для економії ваги і витрат електропередавальні підприємства використовують алюміній в повітряних лініях електропередач.

Алюміній використовується в галузях, де важлива його легковажність, таких як літакобудування, в майбутньому очікується збільшення його застосування в автомобілебудуванні. Для більш потужних кабелів застосовують алюмінієвий дріт з мідним покриттям, щоб використовувати питомий опір міді, отримуючи значну економію ваги конструкції від легкого алюмінію.

Мідні провідники

Мідь — один з найдавніших відомих матеріалів. Її пластичність і електропровідність були використані ранніми експериментаторами з електрикою, такими, як Бен Франклін і Майкл Фарадей. Низьке ρ матеріалів міді призвело до того, що вона була прийнята в якості основних провідників, використовуваним у винаходах, таких як телеграф, телефон і електродвигун. Мідь є найбільш поширеним проводять металом. У 1913 році був прийнятий міжнародний стандарт по прожаренню міді (МАКО) для порівняння провідності інших металів з міддю.

Згідно з цим стандартом, комерційно чистий відпалений мідь володіє провідністю 100% IACS. Питомий опір матеріалів порівнюють з еталоном. Комерційно чиста мідь, вироблена сьогодні, може мати більш високі значення провідності IACS, оскільки технологія обробки з часом значно пішла вперед. На додаток до чудової провідності міді, метал володіє високою міцністю на розтяг, теплопровідністю і тепловим розширенням. Відпалений мідна дріт, що використовується для електричних цілей, відповідає всім вимогам стандарту.

Алюмінієві провідники

Незважаючи на те, що мідь має довгу історію в якості матеріалу для виробництва електроенергії, алюміній володіє певними перевагами, які роблять його привабливим для конкретного застосування, а його питомий опір струму дозволяє розширити область його використання багаторазово. Алюміній має 61% провідності міді і тільки 30% ваги міді. Це означає, що дріт з алюмінію важить в два рази менше, ніж дріт з міді, з таким же електричним опором.

Алюміній, як правило, дешевше в порівнянні з мідною жилою. Алюмінієві провідники складаються з різних сплавів, мають мінімальний вміст алюмінію 99,5%. У 1960-х і 1970-х роках з-за високої ціни на мідь, цей клас алюмінію став широко використовуватися для побутової електропроводки.

З-за низької якості виготовлення при з’єднаннях і фізичних відмінностей між алюмінієм і міддю пристрою і дроти, виготовлені на базі їх сполук, в місцях контактів мідь-алюміній стали пожежонебезпечними. Для протидії негативному процесу були розроблені алюмінієві сплави, що володіють властивостями повзучості і подовження, більше схожими на мідь. Ці сплави застосовуються для виготовлення багатожильних алюмінієвих проводів, питомий опір струму яких прийнятно для масового використання, що відповідають вимогам безпеки для електричних мереж.

Якщо алюміній використовується в місцях, де раніше використовувалася мідь, щоб зберегти рівні показники мережі, доводиться використовувати алюмінієвий дріт в два рази перевищує розмір мідного дроту.

Застосування електропровідності матеріалів

Багато з матеріалів, знайдених у таблиці питомого опору, широко використовуються в електроніці. Алюміній і особливо мідь використовуються через їх низького рівня опору. Більшість проводів і кабелів, використовуваних у наші дні для сполук в електромережах, виготовляються з міді, оскільки вона забезпечує низький рівень ρ, і мають доступну ціну. Хороша провідність золота, незважаючи на ціну, також використовується в деяких особливо точних приладах.

Часто покриття золотом зустрічається на високоякісних низьковольтних з’єднаннях, де стоїть завдання забезпечити найменшу контактний опір. Срібло не так широко використовується в промислової електротехніки, так як воно швидко окислюється, і це призводить до великої контактного опору. У деяких випадках оксид може виступати в якості випрямляча. Опір танталу використовують в конденсаторах, нікель і паладій – в кінцевих з’єднаннях для багатьох компонентів поверхневого монтажу. Кварц знаходить своє основне застосування в якості п’єзоелектричного резонансного елемента. Кристали кварцу використовуються в якості частотних елементах у багатьох генераторах, де його високе значення дозволяє створювати надійні частотні контури.