Resistivitas logam adalah kemampuannya menahan arus listrik yang melewatinya. Satuan ukuran besaran ini adalah Ohm*m (Ohm-meter). Simbol yang digunakan adalah huruf Yunani ρ (rho). Nilai resistivitas yang tinggi berarti buruknya daya hantar muatan listrik suatu material tertentu.
Spesifikasi Baja
Sebelum melihat secara detail resistivitas baja, Anda harus membiasakan diri dengan sifat fisik dan mekanik dasarnya. Karena kualitasnya, bahan ini banyak digunakan di sektor manufaktur dan bidang kehidupan serta aktivitas masyarakat lainnya.
Baja adalah paduan besi dan karbon, terkandung dalam jumlah tidak melebihi 1,7%. Selain karbon, baja mengandung sejumlah pengotor - silikon, mangan, belerang, dan fosfor. Dari segi kualitasnya, ini signifikan lebih baik dari besi cor, dapat dengan mudah dikeraskan, ditempa, digulung dan jenis pemrosesan lainnya. Semua jenis baja mempunyai ciri kekuatan dan keuletan yang tinggi.
Menurut tujuannya, baja dibagi menjadi struktural, perkakas, dan juga khusus properti fisik. Masing-masing mengandung jumlah karbon yang berbeda, sehingga bahan tersebut memperoleh kualitas spesifik tertentu, misalnya tahan panas, tahan panas, tahan terhadap karat dan korosi.
Tempat khusus ditempati oleh baja listrik, diproduksi dalam format lembaran dan digunakan dalam produksi produk listrik. Untuk mendapatkan bahan ini, silikon didoping, yang dapat meningkatkan sifat magnet dan listriknya.
Agar baja listrik memperoleh karakteristik yang diperlukan, perlu diperhatikan persyaratan tertentu dan kondisi. Bahan tersebut harus mudah dimagnetisasi dan dimagnetisasi ulang, yaitu memiliki permeabilitas magnet yang tinggi. Baja semacam itu memiliki sifat yang baik, dan pembalikan magnetisasinya dilakukan dengan kerugian minimal.
Dimensi dan berat inti dan belitan magnet, serta koefisiennya, bergantung pada kepatuhan terhadap persyaratan ini. tindakan yang bermanfaat transformator dan suhu operasinya. Pemenuhan syarat tersebut dipengaruhi oleh banyak faktor, diantaranya adalah resistivitas baja.
Resistivitas dan indikator lainnya
Nilai resistivitas listrik merupakan perbandingan tegangan Medan listrik dalam logam dan rapat arus yang mengalir di dalamnya. Untuk perhitungan praktis rumus yang digunakan: di mana ρ adalah resistivitas logam (Ohm*m), E- kuat medan listrik (V/m), dan J- rapat arus listrik pada logam (A/m2). Pada kuat medan listrik yang sangat tinggi dan rapat arus yang rendah, resistivitas logam akan tinggi.
Ada besaran lain yang disebut konduktivitas listrik, kebalikan dari resistivitas, yang menunjukkan sejauh mana suatu material menghantarkan arus listrik. Hal ini ditentukan oleh rumus dan dinyatakan dalam satuan S/m - siemens per meter.
Resistivitas berkaitan erat dengan hambatan listrik. Namun, mereka memiliki perbedaan di antara mereka sendiri. Dalam kasus pertama, ini adalah properti material, termasuk baja, dan dalam kasus kedua, properti seluruh objek ditentukan. Kualitas sebuah resistor dipengaruhi oleh kombinasi beberapa faktor, terutama bentuk dan resistivitas bahan pembuatnya. Misalnya, jika kawat tipis dan panjang digunakan untuk membuat resistor lilitan kawat, maka hambatannya akan lebih besar daripada hambatan yang terbuat dari kawat tebal dan pendek dari logam yang sama.
Contoh lainnya adalah resistor yang terbuat dari kabel dengan diameter dan panjang yang sama. Namun, jika di salah satu bahan tersebut memiliki resistivitas tinggi, dan di bahan lainnya rendah, maka resistor pertama hambatan listrik akan lebih tinggi dari pada yang kedua.
Mengetahui sifat dasar material, Anda dapat menggunakan resistivitas baja untuk menentukan nilai resistansi suatu konduktor baja. Untuk perhitungannya, selain resistivitas listrik, Anda memerlukan diameter dan panjang kawat itu sendiri. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rumus berikut: , di mana R adalah (Ohm), ρ - resistivitas baja (Ohm*m), L- sesuai dengan panjang kawat, A- wilayahnya persilangan.
Ada ketergantungan resistivitas baja dan logam lainnya pada suhu. Sebagian besar perhitungan menggunakan suhu kamar- 20 0 C. Semua perubahan di bawah pengaruh faktor ini diperhitungkan dengan menggunakan koefisien suhu.
Resistansi tembaga memang berubah seiring suhu, tapi pertama-tama kita perlu memutuskan apakah kita berbicara tentang resistivitas listrik konduktor (resistansi ohmik), yang penting untuk daya DC melalui Ethernet, atau apakah kita berbicara tentang sinyal dalam jaringan data, dan lalu kita berbicara tentang insertion loss selama propagasi gelombang elektromagnetik dalam lingkungan twisted pair dan ketergantungan redaman pada suhu (dan frekuensi, yang tidak kalah pentingnya).
Resistivitas tembaga
Dalam sistem SI internasional, resistivitas konduktor diukur dalam Ohm∙m. Di bidang TI, dimensi non-sistem Ohm∙mm 2 /m lebih sering digunakan, yang lebih nyaman untuk perhitungan, karena penampang konduktor biasanya ditunjukkan dalam mm 2. Nilai 1 Ohm∙mm 2 /m adalah satu juta kali lebih kecil dari 1 Ohm∙m dan mencirikan resistivitas suatu zat, konduktor homogen yang panjangnya 1 m dan luas penampang 1 mm 2 memberikan a resistansi 1 Ohm.
Resistivitas tembaga listrik murni pada 20°C adalah 0,0172 Ohm∙mm 2 /m. DI DALAM berbagai sumber Anda dapat menemukan nilai hingga 0,018 Ohm∙mm 2 /m, yang juga dapat diterapkan pada tembaga listrik. Nilainya bervariasi tergantung pada pemrosesan bahan yang dilakukan. Misalnya, anil setelah menggambar (“menggambar”) kawat mengurangi resistivitas tembaga beberapa persen, meskipun hal ini dilakukan terutama untuk mengubah sifat mekanik daripada sifat listrik.
Resistivitas tembaga mempunyai implikasi langsung terhadap aplikasi Power over Ethernet. Hanya sebagian dari aslinya arus searah, dimasukkan ke dalam konduktor, akan mencapai ujung konduktor - kerugian tertentu di sepanjang jalan tidak dapat dihindari. Misalnya, PoE Tipe 1 mensyaratkan bahwa dari 15,4 W yang disuplai oleh sumber, setidaknya 12,95 W menjangkau perangkat bertenaga listrik di ujung terjauh.
Resistivitas tembaga bervariasi terhadap temperatur, namun untuk temperatur IT, perubahannya kecil. Perubahan resistivitas dihitung dengan menggunakan rumus:
ΔR = α R ΔT
R 2 = R 1 (1 + (T 2 - T 1))
dimana ΔR adalah perubahan resistivitas, R adalah resistivitas pada suhu yang diambil sebagai tingkat dasar (biasanya 20°C), ΔT adalah gradien suhu, α adalah koefisien resistivitas suhu untuk dari bahan ini(dimensi °C -1). Dalam kisaran dari 0°C hingga 100°C, koefisien suhu 0,004 °C -1 diterima untuk tembaga. Mari kita hitung resistivitas tembaga pada 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
Resistivitas meningkat sebesar 16% dengan peningkatan suhu sebesar 40°C. Saat mengoperasikan sistem kabel, tentu saja twisted pair tidak boleh masuk suhu tinggi, hal ini tidak boleh dibiarkan. Ketika dirancang dengan benar dan sistem yang diinstal suhu kabel sedikit berbeda dari biasanya 20°C, dan perubahan resistivitasnya akan kecil. Menurut standar telekomunikasi, resistansi konduktor tembaga sepanjang 100 m dalam kabel pasangan terpilin kategori 5e atau 6 tidak boleh melebihi 9,38 ohm pada 20°C. Dalam praktiknya, pabrikan memasukkan nilai ini dengan margin tertentu, sehingga bahkan pada suhu 25°C 30°C, resistansi konduktor tembaga tidak melebihi nilai ini.
Redaman Sinyal Twisted Pair/Kerugian Penyisipan
Ketika gelombang elektromagnetik merambat melalui kabel tembaga twisted pair, sebagian energinya dihamburkan sepanjang jalur dari ujung dekat ke ujung jauh. Semakin tinggi suhu kabel, semakin banyak sinyal yang dilemahkan. Pada frekuensi tinggi redamannya lebih kuat daripada di level rendah, dan lebih banyak lagi kategori tinggi batas yang diperbolehkan lebih ketat saat menguji insertion loss. Dalam hal ini, semua nilai batas ditetapkan untuk suhu 20°C. Jika pada suhu 20°C sinyal asli tiba di ujung segmen sepanjang 100 m dengan tingkat daya P, maka pada suhu tinggi, kekuatan sinyal tersebut akan diamati pada jarak yang lebih pendek. Jika perlu memberikan kekuatan sinyal yang sama pada output segmen, Anda harus memasang kabel yang lebih pendek (yang tidak selalu memungkinkan) atau memilih merek kabel dengan redaman lebih rendah.
- Untuk kabel berpelindung pada suhu di atas 20°C, perubahan suhu sebesar 1 derajat menyebabkan perubahan redaman sebesar 0,2%
- Untuk semua jenis kabel dan frekuensi apa pun pada suhu hingga 40°C, perubahan suhu sebesar 1 derajat menyebabkan perubahan redaman sebesar 0,4%
- Untuk semua jenis kabel dan frekuensi apa pun pada suhu dari 40°C hingga 60°C, perubahan suhu sebesar 1 derajat menyebabkan perubahan redaman sebesar 0,6%
- Kabel kategori 3 mungkin mengalami perubahan redaman sebesar 1,5% per derajat Celcius
Sudah di awal tahun 2000. Standar TIA/EIA-568-B.2 merekomendasikan pengurangan sebanyak mungkin panjang yang diizinkan Jalur/saluran permanen kategori 6 jika kabel dipasang di lingkungan bersuhu tinggi, dan semakin tinggi suhunya, semakin pendek segmennya.
Mengingat batas frekuensi pada kategori 6A dua kali lebih tinggi dibandingkan kategori 6, pembatasan suhu untuk sistem tersebut akan lebih ketat.
Hari ini, ketika mengimplementasikan aplikasi PoE Kita berbicara tentang kecepatan maksimum 1 gigabit. Namun, ketika aplikasi 10-Gigabit digunakan, Power over Ethernet bukanlah suatu pilihan, setidaknya belum ada. Jadi tergantung pada kebutuhan Anda, ketika suhu berubah, Anda perlu mempertimbangkan perubahan resistivitas tembaga atau perubahan redaman. Dalam kedua kasus tersebut, yang paling masuk akal adalah memastikan bahwa kabel disimpan pada suhu mendekati 20°C.
Isi:
Dalam teknik kelistrikan, salah satu elemen utama rangkaian kelistrikan adalah kabel. Tugas mereka adalah membiarkan listrik. Telah lama ditentukan secara eksperimental bahwa untuk meminimalkan kehilangan listrik, kabel sebaiknya terbuat dari perak. Logam inilah yang memberikan sifat konduktor dengan resistansi minimal dalam ohm. Namun karena logam mulia ini mahal, penggunaannya dalam industri sangat terbatas.
Aluminium dan tembaga menjadi logam utama kabel. Sayangnya, ketahanan besi sebagai penghantar listrik terlalu tinggi untuk dibuat kawat yang bagus. Meskipun biayanya lebih rendah, ini hanya digunakan sebagai basis pendukung kabel saluran listrik.
Resistensi yang berbeda-beda
Resistansi diukur dalam ohm. Namun untuk kabel, nilai ini ternyata sangat kecil. Jika Anda mencoba melakukan pengukuran dengan tester dalam mode pengukuran resistansi, akan sulit mendapatkan hasil yang benar. Selain itu, kabel apa pun yang kita ambil, hasil pada tampilan perangkat akan sedikit berbeda. Namun bukan berarti hambatan listrik pada kabel-kabel tersebut akan berdampak sama terhadap rugi-rugi listrik. Untuk memverifikasi ini, Anda perlu menganalisis rumus yang digunakan untuk menghitung resistansi:
Rumus ini menggunakan besaran seperti:
Ternyata perlawanan menentukan perlawanan. Ada hambatan yang dihitung dengan rumus menggunakan hambatan lain. Resistivitas listrik ρ (huruf Yunani rho) inilah yang menentukan keunggulan logam tertentu sebagai konduktor listrik:
Oleh karena itu, jika Anda menggunakan tembaga, besi, perak, atau bahan lainnya untuk membuat kabel atau konduktor identik dengan desain khusus, bahan tersebut akan memainkan peran utama dalam sifat kelistrikannya.
Namun kenyataannya, situasi resistensi lebih rumit daripada sekadar menghitung menggunakan rumus di atas. Rumus ini tidak memperhitungkan suhu dan bentuk diameter konduktor. Dan dengan meningkatnya suhu, resistivitas tembaga, seperti logam lainnya, menjadi lebih besar. Sangat contoh yang jelas itu bisa jadi bola lampu pijar. Anda dapat mengukur hambatan spiralnya dengan tester. Kemudian, setelah mengukur arus pada rangkaian dengan lampu ini, gunakan hukum Ohm untuk menghitung hambatannya dalam keadaan menyala. Hasilnya akan jauh lebih besar dibandingkan saat mengukur resistansi dengan tester.
Demikian pula, tembaga tidak akan memberikan efisiensi arus yang diharapkan kekuatan yang besar, jika kita mengabaikan bentuk penampang konduktor. Efek kulit, yang terjadi berbanding lurus dengan peningkatan arus, membuat konduktor dengan penampang melingkar tidak efektif, bahkan jika digunakan perak atau tembaga. Untuk alasan ini, perlawanan dari putaran kawat tembaga dengan arus yang tinggi mungkin lebih tinggi dari pada kawat aluminium datar.
Terlebih lagi, meskipun luas diameternya sama. Pada arus bolak-balik Efek kulit juga muncul, meningkat seiring dengan meningkatnya frekuensi arus. Efek kulit berarti kecenderungan arus mengalir lebih dekat ke permukaan konduktor. Karena alasan ini, dalam beberapa kasus lebih menguntungkan menggunakan kabel berlapis perak. Bahkan sedikit penurunan resistivitas permukaan konduktor tembaga berlapis perak secara signifikan mengurangi kehilangan sinyal.
Generalisasi konsep resistivitas
Seperti dalam kasus lain yang berhubungan dengan menampilkan dimensi, resistivitas dinyatakan dalam sistem yang berbeda unit. SI (Satuan Sistem Internasional) menggunakan ohm·m, tetapi penggunaan Ohm*kV mm/m juga dapat diterima (ini adalah satuan resistivitas non-sistemik). Namun pada konduktor nyata, nilai resistivitasnya tidak konstan. Karena semua bahan memiliki kemurnian tertentu, yang dapat bervariasi dari titik ke titik, maka perlu untuk membuat representasi resistensi yang sesuai pada bahan sebenarnya. Manifestasinya adalah hukum Ohm dalam bentuk diferensial:
Undang-undang ini kemungkinan besar tidak akan berlaku untuk pembayaran rumah tangga. Namun dalam perancangan berbagai komponen elektronik, misalnya resistor, elemen kristal, pasti digunakan. Karena ini memungkinkan Anda melakukan penghitungan berdasarkan titik tertentu yang memiliki rapat arus dan kuat medan listrik. Dan resistivitas yang sesuai. Rumusnya digunakan untuk zat isotropik dan anisotropik yang tidak homogen (kristal, pelepasan gas, dll.).
Cara memperoleh tembaga murni
Untuk meminimalkan kerugian pada kabel tembaga dan inti kabel, kabel tersebut harus sangat murni. Ini dicapai dengan cara khusus proses teknologi:
- berdasarkan berkas elektron dan zona leleh;
- pembersihan elektrolisis berulang.
Apabila suatu rangkaian listrik ditutup, pada terminal-terminalnya terdapat beda potensial, timbul arus listrik. Elektron bebas, di bawah pengaruh gaya medan listrik, bergerak sepanjang konduktor. Dalam pergerakannya, elektron bertabrakan dengan atom konduktor dan memberi mereka suplai energi kinetik. Kecepatan pergerakan elektron terus berubah: ketika elektron bertabrakan dengan atom, molekul, dan elektron lainnya, kecepatannya berkurang, kemudian di bawah pengaruh medan listrik, kecepatannya bertambah dan berkurang lagi dengan tumbukan baru. Akibatnya, konduktor dipasang gerak seragam aliran elektron dengan kecepatan beberapa pecahan sentimeter per detik. Akibatnya, elektron yang melewati suatu konduktor selalu menemui hambatan terhadap pergerakannya dari sisinya. Ketika arus listrik melewati konduktor, konduktor memanas.
Hambatan listrik
Hambatan listrik suatu penghantar, yang dilambangkan dengan huruf latin R, adalah properti suatu benda atau media untuk diubah energi listrik menjadi panas ketika arus listrik melewatinya.
Dalam diagram, hambatan listrik ditunjukkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, A.
Hambatan listrik variabel yang berfungsi untuk mengubah arus pada suatu rangkaian disebut rheostat. Dalam diagram, rheostat ditunjukkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, B. DI DALAM pandangan umum Rheostat terbuat dari kawat dengan hambatan tertentu, dililitkan pada dasar insulasi. Penggeser atau tuas rheostat ditempatkan pada posisi tertentu, sebagai akibatnya resistansi yang diperlukan dimasukkan ke dalam rangkaian.
Konduktor panjang dengan penampang kecil menciptakan hambatan arus yang besar. Konduktor pendek dengan penampang besar memberikan sedikit hambatan terhadap arus.
Jika kita mengambil dua konduktor dari bahan yang berbeda, tetapi panjang dan penampangnya sama, maka penghantar tersebut akan menghantarkan arus secara berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa hambatan suatu penghantar bergantung pada bahan penghantar itu sendiri.
Suhu konduktor juga mempengaruhi resistansinya. Ketika suhu meningkat, resistensi logam meningkat, dan resistensi cairan dan batubara menurun. Hanya beberapa paduan logam khusus (manganin, konstanta, nikel, dan lainnya) yang mengalami kesulitan mengubah ketahanannya seiring dengan meningkatnya suhu.
Jadi, kita melihat bahwa hambatan listrik suatu konduktor bergantung pada: 1) panjang konduktor, 2) penampang konduktor, 3) bahan konduktor, 4) suhu konduktor.
Satuan hambatan adalah satu ohm. Om sering dilambangkan dengan huruf kapital Yunani Ω (omega). Oleh karena itu, daripada menulis “Hambatan konduktor adalah 15 ohm”, Anda cukup menulis: R= 15Ω.
1.000 ohm disebut 1 kiloohm(1kOhm, atau 1kΩ),
1.000.000 ohm disebut 1 megaohm(1mOhm, atau 1MΩ).
Saat membandingkan resistansi konduktor dari berbagai bahan Perlu diambil panjang dan penampang tertentu untuk setiap sampel. Kemudian kita akan dapat menilai bahan mana yang menghantarkan arus listrik lebih baik atau lebih buruk.
Video 1. Resistansi konduktor
Resistivitas listrik
Hambatan dalam ohm suatu penghantar yang panjangnya 1 m, dengan penampang 1 mm² disebut resistivitas dan dilambangkan dengan huruf Yunani ρ (ro).
Tabel 1 menunjukkan resistivitas beberapa konduktor.
Tabel 1
Resistivitas berbagai konduktor
Tabel tersebut menunjukkan bahwa sebuah kawat besi dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm² mempunyai hambatan 0,13 Ohm. Untuk mendapatkan hambatan 1 Ohm, Anda perlu mengambil kawat sepanjang 7,7 m. Perak memiliki resistivitas terendah. Hambatan 1 Ohm dapat diperoleh dengan mengambil kawat perak sepanjang 62,5 m dengan penampang 1 mm². Perak - panduan terbaik, tetapi harga perak tidak termasuk kemungkinan penggunaan massal. Setelah perak di meja muncul tembaga: 1 m kawat tembaga dengan penampang 1 mm² mempunyai hambatan sebesar 0,0175 Ohm. Untuk mendapatkan hambatan 1 ohm, Anda perlu mengambil 57 m kawat tersebut.
Tembaga murni secara kimia yang diperoleh melalui penyulingan telah banyak digunakan dalam teknik kelistrikan untuk pembuatan kabel, kabel, dan belitan. mesin listrik dan perangkat. Aluminium dan besi juga banyak digunakan sebagai konduktor.
Resistansi konduktor dapat ditentukan dengan rumus:
Di mana R– resistansi konduktor dalam ohm; ρ – resistansi spesifik konduktor; aku– panjang konduktor dalam m; S– penampang konduktor dalam mm².
Contoh 1. Tentukan hambatan kawat besi sepanjang 200 m yang mempunyai luas penampang 5 mm².
Contoh 2. Hitung hambatan kawat aluminium sepanjang 2 km dengan luas penampang 2,5 mm².
Dari rumus resistansi Anda dapat dengan mudah menentukan panjang, resistivitas, dan penampang konduktor.
Contoh 3. Untuk penerima radio, perlu melilitkan kawat nikel dengan hambatan 30 Ohm dengan penampang 0,21 mm². Tentukan panjang kawat yang dibutuhkan.
Contoh 4. Tentukan penampang 20 m kawat nikrom, jika hambatannya 25 Ohm.
Contoh 5. Sebuah kawat dengan luas penampang 0,5 mm² dan panjang 40 m mempunyai hambatan 16 Ohm. Tentukan bahan kawat.
Bahan konduktor mencirikan resistivitasnya.
Berdasarkan tabel resistivitas, kami menemukan bahwa timbal memiliki resistensi ini.
Telah dinyatakan di atas bahwa hambatan konduktor bergantung pada suhu. Mari kita lakukan percobaan berikut. Mari kita melilitkan beberapa meter kawat logam tipis dalam bentuk spiral dan menghubungkan spiral ini ke sirkuit baterai. Untuk mengukur arus, kita menghubungkan amperemeter ke rangkaian. Ketika kumparan dipanaskan dalam nyala api pembakar, Anda akan melihat bahwa pembacaan ammeter akan berkurang. Hal ini menunjukkan bahwa hambatan kawat logam meningkat seiring dengan pemanasan.
Untuk beberapa logam, ketika dipanaskan hingga 100°, resistansinya meningkat sebesar 40–50%. Ada paduan yang sedikit mengubah ketahanannya saat dipanaskan. Beberapa paduan khusus hampir tidak menunjukkan perubahan resistansi ketika suhu berubah. Resistansi konduktor logam meningkat seiring dengan meningkatnya suhu, resistansi elektrolit (konduktor cair), batubara dan lain-lain padatan, sebaliknya, menurun.
Kemampuan logam untuk mengubah resistansinya terhadap perubahan suhu digunakan untuk membuat termometer resistansi. Termometer ini merupakan lilitan kawat platina pada rangka mika. Dengan menempatkan termometer, misalnya, di dalam tungku dan mengukur hambatan kawat platina sebelum dan sesudah pemanasan, suhu di dalam tungku dapat ditentukan.
Perubahan hambatan suatu penghantar ketika dipanaskan per 1 ohm hambatan awal dan per 1° suhu disebut koefisien resistansi suhu dan dilambangkan dengan huruf α.
Jika pada suhu T resistansi konduktor 0 adalah R 0 , dan pada suhu T sama r t, maka koefisien resistansi suhu
Catatan. Perhitungan menggunakan rumus ini hanya dapat dilakukan pada rentang suhu tertentu (sampai kurang lebih 200°C).
Kami menyajikan nilai koefisien suhu resistansi untuk beberapa logam (Tabel 2).
Meja 2
Nilai koefisien suhu untuk beberapa logam
Dari rumus koefisien resistansi suhu kita tentukan r t:
r t = R 0 .
Contoh 6. Tentukan hambatan kawat besi yang dipanaskan hingga 200°C jika hambatannya pada 0°C adalah 100 Ohm.
r t = R 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohm.
Contoh 7. Sebuah termometer hambatan yang terbuat dari kawat platina mempunyai hambatan 20 ohm di ruangan bersuhu 15°C. Termometer dimasukkan ke dalam oven dan setelah beberapa waktu diukur hambatannya. Ternyata sama dengan 29,6 Ohm. Tentukan suhu di dalam oven.
Konduktivitas listrik
Sejauh ini, kita telah menganggap hambatan suatu konduktor sebagai hambatan yang diberikan konduktor terhadap arus listrik. Namun tetap saja, arus mengalir melalui konduktor. Oleh karena itu, selain hambatan (hambatan), penghantar juga mempunyai kemampuan menghantarkan arus listrik, yaitu daya hantar.
Semakin besar hambatan yang dimiliki suatu penghantar, maka semakin kecil daya hantar listrik yang dimilikinya, maka semakin buruk pula penghantar arus listriknya, dan sebaliknya, semakin rendah hambatan suatu penghantar, semakin besar daya hantar listrik yang dimilikinya, maka semakin mudah pula arus mengalir melalui penghantar tersebut. Oleh karena itu, hambatan dan konduktivitas suatu konduktor merupakan besaran timbal balik.
Dari matematika diketahui kebalikan dari 5 adalah 1/5 dan sebaliknya kebalikan dari 1/7 adalah 7. Oleh karena itu, jika hambatan suatu penghantar dilambangkan dengan huruf R, maka konduktivitas didefinisikan sebagai 1/ R. Konduktivitas biasanya dilambangkan dengan huruf g.
Konduktivitas listrik diukur dalam (1/Ohm) atau dalam siemens.
Contoh 8. Resistansi konduktor adalah 20 ohm. Tentukan konduktivitasnya.
Jika R= 20 Ohm, kalau begitu
Contoh 9. Konduktivitas konduktor adalah 0,1 (1/Ohm). Tentukan resistensinya
Jika g = 0,1 (1/Ohm), maka R= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)
Seperti yang kita ketahui dari hukum Ohm, arus pada suatu bagian rangkaian mempunyai hubungan sebagai berikut: Saya=U/R. Hukum tersebut diturunkan melalui serangkaian eksperimen yang dilakukan fisikawan Jerman Georg Ohm pada abad ke-19. Dia memperhatikan sebuah pola: kekuatan arus di setiap bagian rangkaian secara langsung bergantung pada tegangan yang diterapkan ke bagian ini, dan berbanding terbalik dengan resistansinya.
Belakangan diketahui bahwa hambatan suatu bagian bergantung pada karakteristik geometriknya sebagai berikut: R=ρl/S,
dimana l adalah panjang konduktor, S adalah luas penampang, dan ρ adalah koefisien proporsionalitas tertentu.
Jadi, resistansi ditentukan oleh geometri konduktor, serta oleh parameter seperti resistansi spesifik (selanjutnya disebut resistivitas) - begitulah koefisien ini disebut. Jika Anda mengambil dua konduktor dengan penampang dan panjang yang sama dan menempatkannya dalam rangkaian satu per satu, kemudian dengan mengukur arus dan hambatan, Anda dapat melihat bahwa dalam kedua kasus, indikator ini akan berbeda. Jadi, spesifiknya hambatan listrik- ini adalah karakteristik bahan dari mana konduktor dibuat, atau, lebih tepatnya, zatnya.
Konduktivitas dan resistensi
KITA. menunjukkan kemampuan suatu zat untuk mencegah lewatnya arus. Namun dalam fisika ada juga besaran kebalikannya - konduktivitas. Ini menunjukkan kemampuannya menghantarkan arus listrik. Dia terlihat seperti ini:
σ=1/ρ, dimana ρ adalah resistivitas zat.
Jika kita berbicara tentang konduktivitas, maka ditentukan oleh karakteristik pembawa muatan dalam zat tersebut. Jadi, logam memiliki elektron bebas. Pada cangkang luar jumlahnya tidak lebih dari tiga, dan lebih menguntungkan bagi atom untuk “memberikannya”, itulah yang terjadi ketika reaksi kimia dengan zat dari sisi kanan tabel periodik. Dalam situasi di mana kita memiliki logam murni, ia memiliki struktur kristal di mana elektron terluar digunakan bersama. Merekalah yang mentransfer muatan jika medan listrik diterapkan pada logam.
Dalam larutan, pembawa muatan adalah ion.
Jika kita berbicara tentang zat seperti silikon, maka sifat-sifatnya memang demikian semikonduktor dan ini bekerja dengan prinsip yang sedikit berbeda, tetapi akan dibahas lebih lanjut nanti. Sementara itu, mari kita cari tahu perbedaan golongan zat ini:
- Konduktor;
- Semikonduktor;
- Dielektrik.
Konduktor dan dielektrik
Ada zat yang hampir tidak menghantarkan arus. Mereka disebut dielektrik. Zat tersebut mampu melakukan polarisasi Medan listrik, artinya, molekul-molekulnya dapat berputar dalam medan ini bergantung pada bagaimana molekul-molekul tersebut terdistribusi di dalamnya elektron. Tetapi karena elektron-elektron ini tidak bebas, tetapi berfungsi untuk komunikasi antar atom, maka elektron-elektron tersebut tidak menghantarkan arus.
Konduktivitas dielektrik hampir nol, meskipun tidak ada yang ideal di antara mereka (ini adalah abstraksi yang sama dengan yang mutlak tubuh hitam atau gas ideal).
Batas konvensional konsep “konduktor” adalah ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.
Di antara kedua kelas tersebut terdapat zat yang disebut semikonduktor. Tetapi pemisahannya menjadi kelompok zat yang terpisah tidak banyak dikaitkan dengan keadaan peralihannya pada garis “konduktivitas - resistansi”, tetapi dengan ciri konduktivitas ini dalam kondisi yang berbeda.
Ketergantungan pada faktor lingkungan
Konduktivitas bukanlah nilai yang sepenuhnya konstan. Data dalam tabel yang diambil untuk perhitungan ada untuk kondisi lingkungan normal, yaitu untuk suhu 20 derajat. Pada kenyataannya, sulit untuk menemukan kondisi ideal untuk pengoperasian suatu rangkaian; sebenarnya AS (dan karenanya konduktivitas) bergantung pada faktor-faktor berikut:
- suhu;
- tekanan;
- adanya medan magnet;
- lampu;
- keadaan agregasi.
Zat yang berbeda memiliki jadwalnya sendiri untuk mengubah parameter ini dalam kondisi berbeda. Jadi, feromagnet (besi dan nikel) meningkatkannya ketika arah arus bertepatan dengan arah garis medan magnet. Sedangkan untuk suhu, ketergantungan di sini hampir linier (bahkan ada konsep koefisien resistansi suhu, dan ini juga merupakan nilai tabel). Tetapi arah ketergantungan ini berbeda: untuk logam, ketergantungan ini meningkat seiring dengan meningkatnya suhu, dan untuk unsur tanah jarang dan larutan elektrolit, ketergantungan ini meningkat - dan ini berada dalam keadaan agregasi yang sama.
Untuk semikonduktor, ketergantungan pada suhu tidak linier, tetapi hiperbolik dan terbalik: dengan meningkatnya suhu, konduktivitasnya meningkat. Ini secara kualitatif membedakan konduktor dari semikonduktor. Seperti inilah ketergantungan ρ pada suhu konduktor:
Resistivitas tembaga, platina dan besi ditampilkan di sini. Beberapa logam, misalnya merkuri, memiliki grafik yang sedikit berbeda - ketika suhu turun hingga 4 K, ia kehilangan hampir seluruhnya (fenomena ini disebut superkonduktivitas).
Dan untuk semikonduktor ketergantungan ini akan menjadi seperti ini:
Ketika bertransisi ke wujud cair, ρ logam meningkat, tetapi kemudian semuanya berperilaku berbeda. Misalnya, untuk bismut cair, suhunya lebih rendah dibandingkan suhu kamar, dan untuk tembaga 10 kali lebih tinggi dari suhu normal. Nikel meninggalkan grafik linier pada 400 derajat lagi, setelah itu ρ turun.
Tapi tungsten memiliki ketergantungan suhu yang tinggi sehingga menyebabkan lampu pijar padam. Saat dihidupkan, arus memanaskan koil, dan resistansinya meningkat beberapa kali lipat.
Juga kamu. Dengan. paduan tergantung pada teknologi produksinya. Jadi, jika kita berhadapan dengan campuran mekanis sederhana, maka hambatan suatu zat dapat dihitung dengan menggunakan rata-rata, tetapi untuk paduan substitusi (yaitu ketika dua atau lebih unsur digabungkan menjadi satu kisi kristal) akan berbeda. , sebagai suatu peraturan, jauh lebih besar. Misalnya, nichrome, dari mana spiral untuk kompor listrik dibuat, memiliki nilai sedemikian rupa untuk parameter ini sehingga ketika dihubungkan ke sirkuit, konduktor ini memanas hingga titik kemerahan (itulah sebabnya, sebenarnya, digunakan).
Berikut adalah karakteristik ρ baja karbon:
Seperti yang dapat dilihat, saat mendekati suhu leleh, ia menjadi stabil.
Resistivitas berbagai konduktor
Meski begitu, dalam perhitungan ρ digunakan tepat dalam kondisi normal. Berikut adalah tabel yang dapat digunakan untuk membandingkan karakteristik logam yang berbeda:
Seperti dapat dilihat dari tabel, konduktor terbaik adalah perak. Dan hanya biayanya yang menghalangi penggunaannya secara luas dalam produksi kabel. KITA. aluminium juga kecil, tapi lebih kecil dari emas. Dari tabel menjadi jelas mengapa kabel di rumah terbuat dari tembaga atau aluminium.
Tabel tersebut tidak mencakup nikel, yang, seperti telah kami katakan, memiliki grafik y yang agak tidak biasa. Dengan. pada suhu. Resistivitas nikel setelah kenaikan suhu hingga 400 derajat mulai tidak meningkat, tetapi menurun. Ia juga berperilaku menarik pada paduan substitusi lainnya. Beginilah perilaku paduan tembaga dan nikel, bergantung pada persentase keduanya:
Dan grafik menarik ini menunjukkan ketahanan paduan Seng - magnesium:
Paduan resistivitas tinggi digunakan sebagai bahan pembuatan rheostat, berikut ciri-cirinya:
Ini adalah paduan kompleks yang terdiri dari besi, aluminium, kromium, mangan, dan nikel.
Sedangkan untuk baja karbon, kira-kira 1,7*10^-7 Ohm·m.
Perbedaan antara kamu. Dengan. Konduktor yang berbeda ditentukan oleh penerapannya. Misalnya, tembaga dan aluminium banyak digunakan dalam produksi kabel, dan emas dan perak digunakan sebagai kontak di sejumlah produk teknik radio. Konduktor dengan resistansi tinggi telah menemukan tempatnya di antara produsen peralatan listrik (lebih tepatnya, konduktor tersebut diciptakan untuk tujuan ini).
Variabilitas parameter ini bergantung pada kondisi lingkungan menjadi dasar bagi perangkat seperti sensor medan magnet, termistor, pengukur regangan, dan fotoresistor.