Odpor je aplikovaný koncept v elektrotechnike. Udáva, aký odpor na jednotku dĺžky má materiál jednotkového prierezu voči prúdu, ktorý ním prechádza - inými slovami, aký odpor má drôt s milimetrovým prierezom dlhý jeden meter. Tento koncept sa používa v rôznych elektrických výpočtoch.
Je dôležité pochopiť rozdiely medzi DC elektrickým odporom a AC elektrickým odporom. V prvom prípade je odpor spôsobený výlučne konaním priamy prúd k dirigentovi. V druhom prípade striedavý prúd (môže mať akýkoľvek tvar: sínusový, obdĺžnikový, trojuholníkový alebo ľubovoľný) spôsobuje dodatočné vírivé pole vo vodiči, ktoré tiež vytvára odpor.
Fyzická reprezentácia
Pri technických výpočtoch zahŕňajúcich kladenie káblov rôznych priemerov sa parametre používajú na výpočet požadovanej dĺžky kábla a jeho elektrické charakteristiky. Jedným z hlavných parametrov je rezistivita. Vzorec elektrického odporu:
ρ = R * S / l, kde:
- ρ je odpor materiálu;
- R je ohmický elektrický odpor konkrétneho vodiča;
- S - prierez;
- l - dĺžka.
Rozmer ρ sa meria v Ohm mm 2 /m, alebo v skratke podľa vzorca - Ohm m.
Hodnota ρ pre tú istú látku je vždy rovnaká. Preto je to konštanta charakterizujúca materiál vodiča. Zvyčajne sa uvádza v adresároch. Na základe toho je už možné vypočítať technické veličiny.
Je dôležité povedať o špecifickej elektrickej vodivosti. Táto hodnota je prevrátená hodnota odporu materiálu a používa sa rovnako s ním. Nazýva sa aj elektrická vodivosť. Čím vyššia je táto hodnota, tým kov je lepší vedie prúd. Napríklad vodivosť medi je 58,14 m/(Ohm mm2). Alebo v jednotkách SI: 58 140 000 S/m. (Siemens na meter je jednotka SI elektrickej vodivosti).
O mernom odpore môžeme hovoriť iba v prítomnosti prvkov, ktoré vedú prúd, pretože dielektrika majú nekonečný alebo takmer nekonečný elektrický odpor. Naproti tomu kovy sú veľmi dobrými vodičmi prúdu. Elektrický odpor kovového vodiča môžete merať pomocou miliohmmetra, prípadne ešte presnejšieho mikroohmmetra. Hodnota sa meria medzi ich sondami aplikovanými na časť vodiča. Umožňujú vám skontrolovať obvody, zapojenie, vinutia motorov a generátorov.
Kovy sa líšia svojou schopnosťou viesť prúd. Odpor rôzne kovy- parameter charakterizujúci tento rozdiel. Údaje sú uvedené pri teplote materiálu 20 stupňov Celzia:
Parameter ρ ukazuje, aký odpor bude mať elektromerový vodič s prierezom 1 mm 2 . Čím vyššia je táto hodnota, tým väčší bude elektrický odpor. správny drôt určitú dĺžku. Najmenší ρ, ako je zrejmé zo zoznamu, je striebro; odpor jedného metra tohto materiálu sa bude rovnať iba 0,015 ohmov, ale je to príliš drahý kov na použitie v priemyselnom meradle. Nasleduje meď, ktorá je v prírode oveľa bežnejšia (nie je to drahý kov, ale neželezný kov). Preto je medené vedenie veľmi bežné.
Meď nie je len dobrý sprievodca elektrický prúd, ale aj veľmi plastický materiál. Vďaka tejto vlastnosti medené rozvody lepšie lícujú a sú odolné voči ohybu a rozťahovaniu.
Meď je na trhu veľmi žiadaná. Z tohto materiálu sa vyrába mnoho rôznych produktov:
- Obrovské množstvo dirigentov;
- Autodiely (napr. radiátory);
- Hodinové mechanizmy;
- Počítačové komponenty;
- Časti elektrických a elektronických zariadení.
Špecifické elektrický odpor Meď je jedným z najlepších vodivých materiálov, takže na jej základe vzniká veľa elektrických výrobkov. Okrem toho sa meď ľahko spájkuje, takže v amatérskych rádiách je veľmi rozšírená.
Vysoká tepelná vodivosť medi umožňuje jej použitie v chladiacich a vykurovacích zariadeniach a jej plasticita umožňuje vytvárať najmenšie časti a najtenšie vodiče.
Vodiče elektrického prúdu sú prvého a druhého druhu. Vodiče prvého druhu sú kovy. Vodiče druhého typu sú vodivé roztoky kvapalín. Prúd v prvom type je prenášaný elektrónmi a nosičmi prúdu vo vodičoch druhého typu sú ióny, nabité častice elektrolytickej kvapaliny.
O vodivosti materiálov môžeme hovoriť len v súvislosti s teplotou životné prostredie. S viac vysoká teplota vodiče prvého typu zvyšujú svoj elektrický odpor a druhý naopak znižujú. Podľa toho existuje teplotný koeficient odolnosti materiálov. Odpor medi Ohm m sa zvyšuje so zvyšujúcim sa zahrievaním. Teplotný koeficientα tiež závisí iba od materiálu, táto hodnota nemá žiadny rozmer a pre rôzne kovy a zliatiny sa rovná nasledujúcim ukazovateľom:
- Striebro - 0,0035;
- Železo - 0,0066;
- Platina - 0,0032;
- Meď - 0,0040;
- Volfrám - 0,0045;
- Ortuť - 0,0090;
- Konstantan - 0,000005;
- Nikelín - 0,0003;
- nichrom - 0,00016.
Stanovenie hodnoty elektrického odporu časti vodiča pri zvýšenej teplote R (t) sa vypočíta podľa vzorca:
R (t) = R (0) · , kde:
- R (0) - odpor pri počiatočnej teplote;
- α - teplotný koeficient;
- t - t (0) - teplotný rozdiel.
Napríklad, ak poznáte elektrický odpor medi pri 20 stupňoch Celzia, môžete vypočítať, čomu sa bude rovnať pri 170 stupňoch, to znamená pri zahriatí o 150 stupňov. Počiatočný odpor sa zvýši o faktor 1,6.
S rastúcou teplotou sa naopak vodivosť materiálov znižuje. Keďže ide o prevrátenú hodnotu elektrického odporu, zníži sa presne o rovnakú hodnotu. Napríklad elektrická vodivosť medi sa pri zahriatí materiálu o 150 stupňov zníži 1,6-krát.
Existujú zliatiny, ktoré prakticky nemenia svoj elektrický odpor pri zmene teploty. Ide napríklad o konštantán. Pri zmene teploty o sto stupňov sa jej odpor zvýši len o 0,5 %.
Zatiaľ čo sa vodivosť materiálov teplom zhoršuje, s klesajúcou teplotou sa zlepšuje. Súvisí to s fenoménom supravodivosti. Ak znížite teplotu vodiča pod -253 stupňov Celzia, jeho elektrický odpor sa prudko zníži: takmer na nulu. V dôsledku toho klesajú náklady na prenos elektrická energia. Jediným problémom bolo chladenie vodičov na takéto teploty. Avšak kvôli nedávnym objavom vysokoteplotných supravodičov na báze oxidov medi sa materiály musia ochladiť na prijateľné hodnoty.
Preto je dôležité poznať parametre všetkých použitých prvkov a materiálov. A to nielen elektrické, ale aj mechanické. A majte k dispozícii niekoľko pohodlných referenčných materiálov, ktoré vám umožnia porovnávať charakteristiky rôzne materiály a vybrať si pre dizajn a prácu presne to, čo bude optimálne v konkrétnej situácii.
V energetických prenosových vedeniach, kde je cieľom dodávať energiu spotrebiteľovi čo najproduktívnejším spôsobom, teda s vysokou účinnosťou, sa zohľadňuje tak ekonomika strát, ako aj samotná mechanika vedení. Konečný výsledok závisí od mechaniky – teda od zariadenia a usporiadania vodičov, izolátorov, podpier, stupňovitých/znižovacích transformátorov, hmotnosti a pevnosti všetkých konštrukcií, vrátane drôtov naťahovaných na veľké vzdialenosti, ako aj od materiály vybrané pre každý konštrukčný prvok. ekonomická efektívnosť linky, jej prevádzka a prevádzkové náklady. V vedeniach prenášajúcich elektrickú energiu sú navyše kladené vyššie požiadavky na zaistenie bezpečnosti ako samotných vedení, tak aj všetkého okolo nich, kadiaľ prechádzajú. A to zvyšuje náklady na zabezpečenie elektrického vedenia a na dodatočnú mieru bezpečnosti všetkých štruktúr.
Na porovnanie sú údaje zvyčajne zredukované do jednej, porovnateľnej formy. Často sa k takýmto charakteristikám pridáva epiteton „špecifický“ a samotné hodnoty sa považujú za založené na určitých štandardoch zjednotených fyzikálnymi parametrami. Napríklad elektrický odpor je odpor (ohmy) vodiča vyrobeného z nejakého kovu (meď, hliník, oceľ, volfrám, zlato) s jednotkovou dĺžkou a jednotkovým prierezom v systéme použitých meracích jednotiek (zvyčajne SI ). Okrem toho je špecifikovaná teplota, pretože pri zahrievaní sa odpor vodičov môže správať inak. Za základ sa berú bežné priemerné prevádzkové podmienky – pri 20 stupňoch Celzia. A tam, kde sú dôležité vlastnosti pri zmene parametrov prostredia (teplota, tlak), zavádzajú sa koeficienty a zostavujú sa doplnkové tabuľky a grafy závislostí.
Typy odporu
Pretože vzniká odpor:
- aktívny - alebo ohmický, odporový - vyplývajúci zo spotreby elektriny na ohrev vodiča (kovu), keď ním prechádza elektrický prúd a
- reaktívny - kapacitný alebo indukčný - ku ktorému dochádza v dôsledku nevyhnutných strát v dôsledku vytvárania akýchkoľvek zmien prúdu prechádzajúceho vodičom elektrických polí, potom je rezistivita vodiča v dvoch variantoch:
- Špecifický elektrický odpor proti jednosmernému prúdu (má odporový charakter) a
- Špecifický elektrický odpor voči striedavému prúdu (má reaktívnu povahu).
Tu je odpor typu 2 komplexná hodnota, ktorá pozostáva z dvoch zložiek TC - aktívnej a reaktívnej, pretože odporový odpor existuje vždy, keď prechádza prúd, bez ohľadu na jeho povahu a reaktívny odpor sa vyskytuje iba pri akejkoľvek zmene prúdu v obvodoch. V jednosmerných obvodoch sa reaktancia vyskytuje iba počas prechodných procesov, ktoré sú spojené so zapnutím prúdu (zmena prúdu z 0 na nominálny) alebo vypnutím (rozdiel z nominálneho na 0). A zvyčajne sa berú do úvahy iba pri navrhovaní ochrany proti preťaženiu.
V reťaziach striedavý prúd javy spojené s reaktanciou sú oveľa rozmanitejšie. Závisia nielen od skutočného prechodu prúdu určitým prierezom, ale aj od tvaru vodiča, pričom závislosť nie je lineárna.
Faktom je, že striedavý prúd indukuje elektrické pole ako okolo vodiča, ktorým preteká, tak aj v samotnom vodiči. A z tohto poľa vznikajú vírivé prúdy, ktoré spôsobujú efekt „vytlačenia“ skutočného hlavného pohybu nábojov, z hĺbky celého prierezu vodiča na jeho povrch, takzvaný „efekt kože“ (od r. koža - koža). Ukazuje sa, že vírivé prúdy akoby „kradli“ jeho prierez z vodiča. Prúd tečie v určitej vrstve blízko povrchu, zvyšná hrúbka vodiča zostáva nevyužitá, neznižuje jeho odpor a zväčšovať hrúbku vodičov jednoducho nemá zmysel. Najmä pri vysokých frekvenciách. Preto sa pre striedavý prúd meria odpor v takých úsekoch vodičov, kde celý jeho úsek možno považovať za blízky povrchu. Takýto drôt sa nazýva tenký, jeho hrúbka sa rovná dvojnásobku hĺbky tejto povrchovej vrstvy, kde vírivé prúdy vytláčajú užitočný hlavný prúd prúdiaci vo vodiči.
Zníženie hrúbky drôtov s okrúhlym prierezom sa samozrejme neobmedzuje na efektívnu implementáciu striedavý prúd. Vodič môže byť stenčený, ale zároveň plochý vo forme pásky, potom bude prierez väčší ako prierez okrúhleho drôtu, a preto bude odpor nižší. Navyše, jednoduché zväčšenie plochy povrchu bude mať za následok zvýšenie efektívneho prierezu. To isté možno dosiahnuť použitím lanka namiesto jednožilového drôtu, navyše lankový drôt je flexibilnejší ako jednožilový drôt, čo je často cenné. Na druhej strane, berúc do úvahy povrchový efekt v drôtoch, je možné vyrobiť drôty zložené tak, že jadro sa vyrobí z kovu, ktorý má dobré pevnostné charakteristiky, napríklad oceľ, ale nízke elektrické vlastnosti. V tomto prípade je cez oceľ vyrobený hliníkový oplet, ktorý má nižší odpor.
Okrem skin efektu je tok striedavého prúdu vo vodičoch ovplyvnený budením vírivých prúdov v okolitých vodičoch. Takéto prúdy sa nazývajú indukčné prúdy a indukujú sa v kovoch, ktoré nehrajú úlohu elektroinštalácie (nosné konštrukčné prvky), ako aj v drôtoch celého vodivého komplexu - zohrávajú úlohu drôtov iných fáz, neutrálne , uzemnenie.
Všetky tieto javy sa vyskytujú vo všetkých elektrických štruktúrach, takže je ešte dôležitejšie mať komplexnú referenciu pre širokú škálu materiálov.
Odpor vodičov sa meria veľmi citlivými a presnými prístrojmi, pretože na zapojenie sa vyberajú kovy s najnižším odporom - rádovo v ohmoch * 10 -6 na meter dĺžky a m2. mm. oddielov. Na meranie izolačného odporu potrebujete prístroje, naopak, ktoré majú rozsahy veľmi veľkých hodnôt odporu - zvyčajne megaohmov. Je jasné, že vodiče musia dobre viesť a izolátory musia dobre izolovať.
Tabuľka
| Tabuľka odporu vodičov (kovy a zliatiny) |
||||
| Materiál vodiča | Zloženie (pre zliatiny) | Odpor ρ mΩ × mm2/m |
||
| meď, zinok, cín, nikel, olovo, mangán, železo atď. | ||||
| hliník | ||||
| Volfrám | ||||
| molybdén | ||||
| meď, cín, hliník, kremík, berýlium, olovo atď. (okrem zinku) | ||||
| železo, uhlík | ||||
| meď, nikel, zinok | ||||
| manganín | meď, nikel, mangán | |||
| Constantan | meď, nikel, hliník | |||
| nikel, chróm, železo, mangán | ||||
| železo, chróm, hliník, kremík, mangán | ||||
Železo ako vodič v elektrotechnike
Železo je najbežnejším kovom v prírode a technológii (po vodíku, ktorý je tiež kovom). Je najlacnejší a má vynikajúce pevnostné vlastnosti, takže sa všade používa ako základ pre pevnosť. rôzne prevedenia.
V elektrotechnike sa železo používa ako vodič vo forme ohybných oceľových drôtov tam, kde je potrebná fyzická pevnosť a pružnosť a príslušným prierezom možno dosiahnuť požadovaný odpor.
Ak máte tabuľku odporov rôznych kovov a zliatin, môžete vypočítať prierezy drôtov vyrobených z rôznych vodičov.
Ako príklad skúsme nájsť elektricky ekvivalentný prierez vodičov vyrobených z rôznych materiálov: medený, volfrámový, niklový a železný drôt. Ako východiskový materiál si vezmime hliníkový drôt s prierezom 2,5 mm.
Potrebujeme, aby na dĺžke 1 m bol odpor drôtu zo všetkých týchto kovov rovnaký ako odpor pôvodného. Odolnosť hliníka na 1 m dĺžky a 2,5 mm profil bude rovnaká
Kde R- odpor, ρ – odpor kovu zo stola, S- prierezová plocha, L- dĺžka.
Nahradením pôvodných hodnôt dostaneme odpor metrového kusu hliníkového drôtu v ohmoch.
Potom vyriešme vzorec pre S
Nahradíme hodnoty z tabuľky a získame plochy prierezu pre rôzne kovy.
Keďže merný odpor v tabuľke sa meria na drôte dlhom 1 m, v mikroohmoch na 1 mm 2 sekciu, potom sme ho dostali v mikroohmoch. Aby ste to dostali v ohmoch, musíte hodnotu vynásobiť 10 -6. Ale nemusíme nevyhnutne dostať číslo ohm so 6 nulami za desatinnou čiarkou, pretože konečný výsledok stále nájdeme v mm2.
Ako vidíte, odpor žehličky je dosť vysoký, drôt je hrubý.
Existujú však materiály, pre ktoré je to ešte väčšie, napríklad nikel alebo konštantán.
Ako vieme z Ohmovho zákona, prúd v časti obvodu je v nasledujúcom vzťahu: I=U/R. Zákon bol odvodený prostredníctvom série experimentov nemeckého fyzika Georga Ohma v 19. storočí. Všimol si vzor: sila prúdu v ktorejkoľvek časti obvodu priamo závisí od napätia, ktoré je aplikované na túto časť, a naopak od jeho odporu.
Neskôr sa zistilo, že odpor sekcie závisí od jej geometrických charakteristík takto: R = ρl/S,
kde l je dĺžka vodiča, S je jeho plocha prierez a ρ je určitý koeficient proporcionality.
Odpor je teda určený geometriou vodiča, ako aj takým parametrom, ako je špecifický odpor (ďalej len rezistivita) - tak sa nazýva tento koeficient. Ak vezmete dva vodiče s rovnakým prierezom a dĺžkou a umiestnite ich do obvodu jeden po druhom, potom meraním prúdu a odporu môžete vidieť, že v týchto dvoch prípadoch budú tieto indikátory odlišné. Teda konkrétne elektrický odpor- to je charakteristika materiálu, z ktorého je vodič vyrobený, alebo ešte presnejšie látky.
Vodivosť a odpor
U.S. ukazuje schopnosť látky zabrániť prechodu prúdu. Ale vo fyzike existuje aj inverzná veličina – vodivosť. Ukazuje schopnosť dirigovať elektriny. Vyzerá to takto:
σ=1/ρ, kde ρ je merný odpor látky.
Ak hovoríme o vodivosti, je určená charakteristikami nosičov náboja v tejto látke. Takže kovy majú voľné elektróny. Zapnuté vonkajšia škrupina nie sú viac ako tri a pre atóm je výhodnejšie ich „rozdať“, čo sa stane, keď chemické reakcie s látkami z pravej strany periodickej tabuľky. V situácii, keď máme čistý kov, má kryštalickú štruktúru, v ktorej sú tieto vonkajšie elektróny zdieľané. Sú to tie, ktoré prenášajú náboj, ak na kov pôsobí elektrické pole.
V roztokoch sú nosičmi náboja ióny.
Ak hovoríme o látkach, ako je kremík, potom vo svojich vlastnostiach je polovodič a funguje na trochu inom princípe, ale o tom neskôr. Medzitým poďme zistiť, ako sa tieto triedy látok líšia:
- Vodiče;
- Polovodiče;
- Dielektrika.
Vodiče a dielektrika
Existujú látky, ktoré takmer nevedú prúd. Nazývajú sa dielektriká. Takéto látky sú schopné polarizácie v elektrické pole, to znamená, že ich molekuly sa môžu v tomto poli otáčať podľa toho, ako sú v nich rozložené elektróny. Ale keďže tieto elektróny nie sú voľné, ale slúžia na komunikáciu medzi atómami, nevedú prúd.
Vodivosť dielektrík je takmer nulová, hoci medzi nimi neexistujú žiadne ideálne (to je rovnaká abstrakcia ako absolútne čierne telo alebo ideálny plyn).
Konvenčná hranica pojmu „vodič“ je ρ<10^-5 Ом, а нижний порог такового у диэлектрика - 10^8 Ом.
Medzi týmito dvoma triedami sú látky nazývané polovodiče. Ich oddelenie do samostatnej skupiny látok však nesúvisí ani tak s ich stredným stavom v línii „vodivosť - odpor“, ale s vlastnosťami tejto vodivosti za rôznych podmienok.
Závislosť od faktorov prostredia
Vodivosť nie je úplne konštantná hodnota. Údaje v tabuľkách, z ktorých sa ρ berie na výpočty, existujú pre normálne podmienky prostredia, to znamená pre teplotu 20 stupňov. V skutočnosti je ťažké nájsť také ideálne podmienky pre prevádzku okruhu; vlastne USA (a teda aj vodivosť) závisí od nasledujúcich faktorov:
- teplota;
- tlak;
- prítomnosť magnetických polí;
- svetlo;
- stav agregácie.
Rôzne látky majú svoj vlastný harmonogram zmeny tohto parametra za rôznych podmienok. Feromagnety (železo a nikel) ho teda zvyšujú, keď sa smer prúdu zhoduje so smerom magnetických siločiar. Čo sa týka teploty, závislosť je tu takmer lineárna (existuje dokonca aj koncept teplotného koeficientu odporu, a to je tiež tabuľková hodnota). Ale smer tejto závislosti je iný: pre kovy sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a pre prvky vzácnych zemín a roztoky elektrolytov sa zvyšuje - a to je v rovnakom stave agregácie.
U polovodičov nie je závislosť od teploty lineárna, ale hyperbolická a inverzná: so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje ich vodivosť. To kvalitatívne odlišuje vodiče od polovodičov. Takto vyzerá závislosť ρ od teploty pre vodiče:
Tu sú uvedené odpory medi, platiny a železa. Niektoré kovy, napríklad ortuť, majú trochu iný graf - keď teplota klesne na 4 K, stratí ju takmer úplne (tento jav sa nazýva supravodivosť).
A pre polovodiče bude táto závislosť niečo takéto:
Pri prechode do kvapalného stavu sa ρ kovu zvyšuje, ale potom sa všetky správajú inak. Napríklad pre roztavený bizmut je nižšia ako pri izbovej teplote a pre meď je 10-krát vyššia ako normálne. Nikel opustí lineárny graf pri ďalších 400 stupňoch, po ktorých ρ klesne.
Ale volfrám má takú vysokú teplotnú závislosť, že spôsobuje vyhorenie žiaroviek. Keď je zapnutý, prúd ohrieva cievku a jej odpor sa niekoľkokrát zvyšuje.
Tiež y. s. zliatin závisí od technológie ich výroby. Takže, ak máme čo do činenia s jednoduchou mechanickou zmesou, potom sa odolnosť takejto látky dá vypočítať pomocou priemeru, ale pre substitučnú zliatinu (to je, keď sú dva alebo viac prvkov kombinovaných do jednej kryštálovej mriežky) to bude iné. , spravidla oveľa väčšie. Napríklad nichróm, z ktorého sa vyrábajú špirály pre elektrické sporáky, má pre tento parameter takú hodnotu, že pri zapojení do okruhu sa tento vodič zahrieva až do začervenania (preto sa v skutočnosti používa).
Tu je charakteristika ρ uhlíkových ocelí:
Ako je vidieť, keď sa blíži k teplote topenia, stabilizuje sa.
Odpor rôznych vodičov
Nech je to akokoľvek, vo výpočtoch sa ρ používa presne za normálnych podmienok. Tu je tabuľka, pomocou ktorej môžete porovnať túto charakteristiku rôznych kovov:
Ako vidno z tabuľky, najlepším vodičom je striebro. A len jeho cena bráni jeho širokému použitiu pri výrobe káblov. U.S. hliník je tiež malý, ale menej ako zlato. Z tabuľky je zrejmé, prečo je elektroinštalácia v domoch buď medená alebo hliníková.
Tabuľka neobsahuje nikel, ktorý, ako sme už povedali, má trochu nezvyčajný graf y. s. na teplote. Odpor niklu po zvýšení teploty na 400 stupňov sa nezačne zvyšovať, ale klesať. Zaujímavo sa správa aj v iných substitučných zliatinách. Takto sa správa zliatina medi a niklu v závislosti od percenta oboch:
A tento zaujímavý graf ukazuje odolnosť zliatin zinku a horčíka:
Zliatiny s vysokým odporom sa používajú ako materiály na výrobu reostatov, tu sú ich vlastnosti:
Ide o zložité zliatiny pozostávajúce zo železa, hliníka, chrómu, mangánu a niklu.
Čo sa týka uhlíkových ocelí, je to približne 1,7*10^-7 Ohm m.
Rozdiel medzi y. s. Rôzne vodiče sú určené ich aplikáciou. Meď a hliník sa teda široko používajú pri výrobe káblov a zlato a striebro sa používajú ako kontakty v mnohých rádiotechnických výrobkoch. Vysokoodporové vodiče si našli svoje miesto medzi výrobcami elektrospotrebičov (presnejšie boli na tento účel vytvorené).
Variabilita tohto parametra v závislosti od podmienok prostredia tvorila základ pre také zariadenia, ako sú snímače magnetického poľa, termistory, tenzometre a fotorezistory.
Elektrický odpor, alebo jednoducho rezistivita látka - fyzikálna veličina charakterizujúca schopnosť látky brániť prechodu elektrického prúdu.
Odpor sa označuje gréckym písmenom ρ. Prevrátená hodnota merného odporu sa nazýva špecifická vodivosť (elektrická vodivosť). Na rozdiel od elektrického odporu, ktorý je vlastnosťou vodič a v závislosti od jeho materiálu, tvaru a veľkosti je elektrický odpor iba vlastnosťou látok.
Elektrický odpor homogénneho vodiča s rezistivitou ρ, dĺžka l a prierezová plocha S možno vypočítať pomocou vzorca R = ρ ⋅ l S (\displaystyle R=(\frac (\rho \cdot l)(S)))(predpokladá sa, že plocha ani tvar prierezu sa pozdĺž vodiča nemení). Podľa toho pre ρ máme ρ = R ⋅ Sl. (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l)).)
Z posledného vzorca vyplýva: fyzikálny význam merného odporu látky je, že predstavuje odpor homogénneho vodiča jednotkovej dĺžky as jednotkovou plochou prierezu vyrobeného z tejto látky.
Encyklopedický YouTube
-
1 / 5
Jednotkou odporu v medzinárodnom systéme jednotiek (SI) je Ohm · . Zo vzťahu ρ = R ⋅ S l (\displaystyle \rho =(\frac (R\cdot S)(l))) Z toho vyplýva, že jednotka merania merného odporu v sústave SI sa rovná mernému odporu látky, pri ktorej homogénny vodič dlhý 1 m s plochou prierezu 1 m², vyrobený z tejto látky, má odpor rovný na 1 Ohm. V súlade s tým sa odpor ľubovoľnej látky, vyjadrený v jednotkách SI, číselne rovná odporu časti elektrického obvodu vyrobeného z danej látky s dĺžkou 1 m a plochou prierezu 1 m².
V technológii sa tiež používa zastaraná nesystémová jednotka Ohm mm²/m, ktorá sa rovná 10 −6 z 1 Ohm m. Táto jednotka sa rovná mernému odporu látky, pri ktorej homogénny vodič dlhý 1 m s plochou prierezu 1 mm², vyrobený z tejto látky, má odpor rovný 1 Ohm. V súlade s tým sa odpor látky, vyjadrený v týchto jednotkách, číselne rovná odporu časti elektrického obvodu vyrobeného z tejto látky s dĺžkou 1 m a plochou prierezu 1 mm².
Zovšeobecnenie pojmu rezistivita
Odpor možno určiť aj pre nerovnomerný materiál, ktorého vlastnosti sa bod od bodu líšia. V tomto prípade nejde o konštantu, ale o skalárnu funkciu súradníc - koeficient týkajúci sa intenzity elektrického poľa E → (r →) (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))) a prúdová hustota J → (r →) (\displaystyle (\vec (J))((\vec (r)))) v tomto bode r → (\displaystyle (\vec (r))). Tento vzťah vyjadruje Ohmov zákon v diferenciálnej forme:
E → (r →) = ρ (r →) J → (r →) . (\displaystyle (\vec (E))((\vec (r)))=\rho ((\vec (r)))(\vec (J))((\vec (r))).)Tento vzorec platí pre heterogénnu, ale izotropnú látku. Látka môže byť aj anizotropná (väčšina kryštálov, magnetizovaná plazma atď.), To znamená, že jej vlastnosti môžu závisieť od smeru. V tomto prípade je merným odporom tenzor druhej úrovne závislý od súradníc, ktorý obsahuje deväť komponentov. V anizotropnej látke nie sú vektory prúdovej hustoty a intenzity elektrického poľa v každom danom bode látky spoluriadené; spojenie medzi nimi je vyjadrené vzťahom
E i (r →) = ∑ j = 1 3 ρ i j (r →) J j (r →) . (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))=\súčet _(j=1)^(3)\rho _(ij)((\vec (r)))J_(j)(( \vec (r))).)V anizotropnej, ale homogénnej látke, tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) nezávisí od súradníc.
Tenzor ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) symetrické, teda pre akékoľvek i (\displaystyle i) A j (\displaystyle j) vykonané ρ i j = ρ j i (\displaystyle \rho _(ij)=\rho _(ji)).
Pokiaľ ide o akýkoľvek symetrický tenzor, pre ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) môžete si vybrať ortogonálny systém karteziánskych súradníc, v ktorom je matica ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) sa stáva uhlopriečka, to znamená, že má podobu, v ktorej z deviatich komponentov ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) Iba tri sú nenulové: ρ 11 (\displaystyle \rho _(11)), ρ 22 (\displaystyle \rho _(22)) A ρ 33 (\displaystyle \rho _(33)). V tomto prípade označujúce ρ i i (\displaystyle \rho _(ii)) ako namiesto predchádzajúceho vzorca získame jednoduchší
E i = ρ i J i. (\displaystyle E_(i)=\rho _(i)J_(i).)množstvá ρ i (\displaystyle \rho _(i)) volal hlavné hodnoty odporový tenzor.
Vzťah k vodivosti
V izotropných materiáloch vzťah medzi rezistivitou ρ (\displaystyle \rho ) a špecifická vodivosť σ (\displaystyle \sigma ) vyjadrené rovnosťou
ρ = 1 σ. (\displaystyle \rho =(\frac (1)(\sigma )).)V prípade anizotropných materiálov vzťah medzi zložkami tenzora odporu ρ i j (\displaystyle \rho _(ij)) a tenzor vodivosti je zložitejší. Ohmov zákon v diferenciálnej forme pre anizotropné materiály má skutočne tvar:
J i (r →) = ∑ j = 1 3 σ i j (r →) E j (r →) . (\displaystyle J_(i)((\vec (r)))=\sum _(j=1)^(3)\sigma _(ij)((\vec (r)))E_(j)(( \vec (r))).)Z tejto rovnosti a predtým daného vzťahu pre E i (r →) (\displaystyle E_(i)((\vec (r)))) z toho vyplýva, že tenzor odporu je inverznou hodnotou k tenzoru vodivosti. Ak to vezmeme do úvahy, pre komponenty tenzora odporu platí nasledovné:
ρ 11 = 1 det (σ) [ σ 22 σ 33 − σ 23 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(11)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 22)\sigma _(33)-\sigma _(23)\sigma _(32)],) ρ 12 = 1 det (σ) [ σ 33 σ 12 − σ 13 σ 32 ] , (\displaystyle \rho _(12)=(\frac (1)(\det(\sigma)))[\sigma _( 33)\sigma _(12)-\sigma _(13)\sigma _(32)],)Kde det (σ) (\displaystyle \det(\sigma)) je determinant matice zloženej z tenzorových komponentov σ i j (\displaystyle \sigma _(ij)). Zvyšné zložky tenzora odporu sa získajú z vyššie uvedených rovníc ako výsledok cyklického preskupenia indexov 1 , 2 A 3 .
Elektrický odpor niektorých látok
Kovové monokryštály
V tabuľke sú uvedené hlavné hodnoty tenzora odporu monokryštálov pri teplote 20 °C.
Crystal ρ 1 =ρ 2, 10 −8 Ohm m ρ 3, 10 -8 Ohm m Cín 9,9 14,3 bizmut 109 138 kadmium 6,8 8,3 Zinok 5,91 6,13 Odpor medi sa mení s teplotou, ale najprv sa musíme rozhodnúť, či hovoríme o elektrickom odpore vodičov (ohmický odpor), ktorý je dôležitý pre jednosmerné napájanie cez Ethernet, alebo či hovoríme o signáloch v dátových sieťach a vtedy hovoríme o vložných stratách pri šírení elektromagnetickej vlny v prostredí krútenej dvojlinky a o závislosti útlmu na teplote (a frekvencii, čo je nemenej dôležité).
Medený odpor
V medzinárodnom systéme SI sa merný odpor vodičov meria v Ohm∙m. V oblasti IT sa častejšie používa nesystémový rozmer Ohm∙mm 2 /m, ktorý je vhodnejší na výpočty, pretože prierezy vodičov sa zvyčajne uvádzajú v mm 2. Hodnota 1 Ohm∙mm 2 /m je miliónkrát menšia ako 1 Ohm∙m a charakterizuje merný odpor látky, ktorej homogénny vodič s dĺžkou 1 m a plochou prierezu 1 mm 2 dáva odpor 1 Ohm.
Odpor čistej elektrickej medi pri 20°C je 0,0172 Ohm∙mm2/m. V rôznych zdrojoch nájdete hodnoty až do 0,018 Ohm∙mm 2 /m, čo môže platiť aj pre elektrickú meď. Hodnoty sa líšia v závislosti od spracovania, ktorému je materiál podrobený. Napríklad žíhanie po ťahaní („ťahaní“) drôtu znižuje merný odpor medi o niekoľko percent, hoci sa vykonáva predovšetkým kvôli zmene mechanických a nie elektrických vlastností.
Odpor medi má priamy vplyv na aplikácie Power over Ethernet. Iba časť pôvodného jednosmerného prúdu vstreknutého do vodiča dosiahne vzdialený koniec vodiča - určitá strata na ceste je nevyhnutná. Napríklad, PoE typ 1 vyžaduje, aby z 15,4 W dodávaného zdrojom aspoň 12,95 W dosiahlo napájané zariadenie na vzdialenom konci.
Odpor medi sa mení s teplotou, ale pre IT teploty sú zmeny malé. Zmena odporu sa vypočíta pomocou vzorcov:
AR = aR AT
R2 = R1 (1 + α (T2 - T1))
kde ΔR je zmena merného odporu, R je merný odpor pri teplote branej ako základná úroveň (zvyčajne 20 °C), ΔT je teplotný gradient, α je teplotný koeficient merného odporu pre daný materiál (rozmer °C -1 ). V rozsahu od 0°C do 100°C je pre meď akceptovaný teplotný koeficient 0,004 °C -1. Vypočítajme merný odpor medi pri 60°C.
R 60 °C = R 20 °C (1 + α (60 °C - 20 °C)) = 0,0172 (1 + 0,004 40) ≈ 0,02 Ohm∙mm2/m
Odpor vzrástol o 16 % so zvýšením teploty o 40 °C. Pri prevádzke káblových systémov by samozrejme krútená dvojlinka nemala byť vystavená vysokým teplotám; Pri správne navrhnutom a nainštalovanom systéme sa teplota káblov málo líši od obvyklých 20 ° C a potom bude zmena odporu malá. Podľa telekomunikačných noriem by odpor 100 m medeného vodiča v krútenej dvojlinke kategórie 5e alebo 6 nemal prekročiť 9,38 ohmov pri 20 °C. V praxi sa výrobcovia do tejto hodnoty zmestia s rezervou, takže ani pri teplotách 25°C ÷ 30°C odpor medeného vodiča túto hodnotu neprekračuje.
Twisted Pair zoslabenie signálu / strata vloženia
Keď sa elektromagnetická vlna šíri medeným káblom s krútenou dvojlinkou, časť jej energie sa rozptýli pozdĺž cesty z blízkeho konca na vzdialený koniec. Čím vyššia je teplota kábla, tým viac sa signál tlmí. Pri vysokých frekvenciách je útlm väčší ako pri nízkych frekvenciách a pre vyššie kategórie sú prípustné limity pre testovanie vložného útlmu prísnejšie. V tomto prípade sú všetky limitné hodnoty nastavené na teplotu 20°C. Ak pri 20 °C pôvodný signál dorazil na vzdialený koniec 100 m dlhého segmentu s úrovňou výkonu P, potom pri zvýšených teplotách bude takýto výkon signálu pozorovaný na kratšie vzdialenosti. Ak je potrebné zabezpečiť rovnaký výkon signálu na výstupe segmentu, potom budete musieť buď nainštalovať kratší kábel (čo nie je vždy možné), alebo zvoliť značky káblov s nižším útlmom.
- Pre tienené káble pri teplotách nad 20 °C vedie zmena teploty o 1 stupeň k zmene útlmu o 0,2 %.
- Pre všetky typy káblov a akékoľvek frekvencie pri teplotách do 40°C vedie zmena teploty o 1 stupeň k zmene útlmu o 0,4%
- Pre všetky typy káblov a akékoľvek frekvencie pri teplotách od 40°C do 60°C vedie zmena teploty o 1 stupeň k zmene útlmu o 0,6 %.
- Káble kategórie 3 môžu zaznamenať zmenu útlmu o 1,5 % na stupeň Celzia
Už začiatkom roku 2000. Norma TIA/EIA-568-B.2 odporúča znížiť maximálnu povolenú dĺžku trvalého spojenia/kanála kategórie 6, ak bol kábel inštalovaný v prostredí so zvýšenou teplotou, a čím vyššia je teplota, tým kratší by mal byť segment.
Vzhľadom na to, že frekvenčný strop v kategórii 6A je dvakrát vyšší ako v kategórii 6, teplotné obmedzenia pre takéto systémy budú ešte prísnejšie.
Dnes pri implementácii aplikácií PoE Hovoríme o maximálne 1-gigabitových rýchlostiach. Pri použití 10-gigabitových aplikácií však Power over Ethernet neprichádza do úvahy, aspoň zatiaľ nie. Takže v závislosti od vašich potrieb, keď sa teplota zmení, musíte zvážiť buď zmenu odporu medi alebo zmenu útlmu. V oboch prípadoch má najväčší zmysel zabezpečiť, aby boli káble udržiavané pri teplotách blízkych 20°C.