Зависимость сопротивления меди от температуры

Удельное сопротивлене меди и ее влияние на свойства металла

Термин «удельное сопротивление» обозначает параметр, которым обладает медь или любой другой металл, и довольно часто встречается в специальной литературе. Стоит разобраться, что понимается под этим.

Одна из разновидностей медного кабеля

Общие сведения об электрическом сопротивлении

Для начала следует рассмотреть понятие электрического сопротивления. Как известно, под действием электрического тока на проводник (а медь является одним из лучших металлов-проводников) часть электронов в нем покидают свое место в кристаллической решетке и устремляются по направлению к положительному полюсу проводника. Однако не все электроны покидают кристаллическую решетку, часть из них остаются в ней и продолжают совершать вращательное движение вокруг ядра атома. Вот эти электроны, а также атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки, и создают электрическое сопротивление, препятствующее продвижению высвободившихся частиц.

Данный процесс, который мы вкратце обрисовали, характерен для любого металла, для меди в том числе. Естественно, что различные металлы, у каждого из которых особая форма и размеры кристаллической решетки, сопротивляются продвижению по ним электрического тока по-разному. Как раз эти различия и характеризует удельное сопротивление – показатель, индивидуальный для каждого металла.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ

Применение меди в электрических и электронных системах

Для того чтобы понять, причину популярности меди как материала для изготовления элементов электрических и электронных систем, достаточно посмотреть в таблице значение ее удельного сопротивления. У меди данный параметр равен 0,0175 Ом*мм2/метр. В этом отношении медь уступает только серебру.

Именно низкое удельное сопротивление, измеряемое при температуре 20 градусов Цельсия, является основной причиной того, что без меди сегодня не обходится практически ни одно электронное и электротехническое устройство. Медь – это основной материал для производства проводов и кабелей, печатных плат, электродвигателей и деталей силовых трансформаторов.

Низкое удельное сопротивление, которым характеризуется медь, позволяет использовать ее для изготовления электротехнических устройств, отличающихся высокими энергосберегающими свойствами. Кроме того, температура проводников из меди повышается очень незначительно при прохождении через них электрического тока.

Зависимость сопротивления меди от температуры

Что влияет на величину удельного сопротивления?

Важно знать, что существует зависимость величины удельного сопротивления от химической чистоты металла. При содержании в меди даже незначительного количества алюминия (0,02%) величина этого ее параметра может значительно возрасти (до 10%).

Влияет на этот коэффициент и температура проводника. Объясняется это тем, что при повышении температуры усиливаются колебания атомов металла в узлах его кристаллической решетки, что и приводит к тому, что коэффициент удельного сопротивления возрастает.

Именно поэтому во всех справочных таблицах значение данного параметра приведено с учетом температуры 20 градусов.

Как рассчитать общее сопротивление проводника?

Знать, чему равно удельное сопротивление, важно для того, чтобы проводить предварительные расчеты параметров электротехнического оборудования при его проектировании. В таких случаях определяют общее сопротивление проводников проектируемого устройства, обладающих определенными размерами и формой. Посмотрев значение удельного сопротивления проводника по справочной таблице, определив его размеры и площадь поперечного сечения, можно рассчитать величину его общего сопротивления по формуле:

В данной формуле используются следующие обозначения:

  • R — общее сопротивление проводника, которое и необходимо определить;
  • p — удельное сопротивление металла, из которого изготовлен проводник (определяют по таблице);
  • l — длина проводника;
  • S — площадь его поперечного сечения.

Влияние примесей на удельное сопротивление меди

Зависимость сопротивления меди от температуры

Температурный коэффициент сопротивления

Как вы могли заметить, значения удельных электрических сопротивлений в таблице из предыдущей статьи даны при температуре 20 ° Цельсия. Если вы предположили, что они могут измениться при изменении температуры, то оказались правы.

Зависимость сопротивления проводов от температуры, отличной от стандартной (составляющей обычно 20 градусов Цельсия), можно выразить через следующую формулу:

Константа “альфа” ( α) известна как температурный коэффициент сопротивления, который равен относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу. Так как все материалы обладают определенным удельным сопротивлением (при температуре 20 ° С) , их сопротивление будет изменяться на определенную величину в зависимости от изменения температуры . Для чистых металлов температурный коэффициент сопротивления является положительным числом, что означает увеличение их сопротивления с ростом температуры. Для таких элементов, как углерод, кремний и германий , этот коэффициент является отрицательным числом , что означает уменьшение их сопротивления с ростом температуры. У некоторых металлических сплавов температурный коэффициент сопротивления очень близок к нулю, что означает крайне малое изменение их сопротивления при изменении температуры. В следующей таблице приведены значения температурных коэффициентов сопротивления нескольких распространенных типов металлов :

Читайте также:
Как выбрать ленточную пилу по дереву
Проводник α, на градус Цельсия
Никель 0,005866
Железо 0,005671
Молибден 0,004579
Вольфрам 0,004403
Алюминий 0,004308
Медь 0,004041
Серебро 0,003819
Платина 0,003729
Золото 0,003715
Цинк 0,003847
Сталь (сплав) 0,003
Нихром (сплав) 0,00017
Нихром V (сплав) 0,00013
Манганин (сплав) 0,000015
Константан (сплав) 0,000074

Давайте на примере нижеприведенной схемы посмотрим, как температура может повлиять на сопротивление проводов и ее функционирование в целом:

Общее сопротивление проводов этой схемы (провод 1 + провод 2) при стандартной температуре 20 ° С составляет 30 Ом. Проанализируем схему с помощью таблицы напряжений токов и сопротивлений:

При 20 ° С мы получаем 12,5 В на нагрузке, и в общей сложности 1,5 В (0,75 + 0,75) падения напряжения на сопротивлении проводов. Если температуру поднять до 35 ° С, то при помощи вышеприведенной формулы мы легко сможем рассчитать изменение сопротивления на каждом из проводов. Для медных проводов (α = 0,004041) это изменение составит:

Пересчитав значения таблицы, мы можем увидеть к каким последствиям привело изменение температуры:

Сравнив эти таблицы можно прийти к выводу, что напряжение на нагрузке при увеличении температуры снизилось (с 12,5 до 12,42 вольт), а падение напряжения на проводах увеличилось (с 0,75 до 0,79 вольт). Изменения на первый взгляд незначительны, но они могут быть существенны для протяженных линий электропередач, связывающих электростанции и подстанции, подстанции и потребителей.

Сопротивление меди в зависимости от температуры

Как меняется сопротивление медной витой пары с ростом температуры? Слышал мнения, что для передачи данных и питания PoE это критично и потому ставить надо категорию 6А или 7. Хочу понять почему.

Сопротивление меди действительно меняется с температурой, но сначала нужно определиться, имеется ли в виду удельное электрическое сопротивление проводников (омическое сопротивление), что важно для питания по Ethernet, использующего постоянный ток, или же речь идет о сигналах в сетях передачи данных, и тогда мы говорим о вносимых потерях при распространении электромагнитной волны в среде витой пары и о зависимости затухания от температуры (и частоты, что не менее важно).

Удельное сопротивление меди

В международной системе СИ удельное сопротивление проводников измеряется в Ом∙м. В сфере ИТ чаще используется внесистемная размерность Ом∙мм 2 /м, более удобная для расчетов, поскольку сечения проводников обычно указаны в мм 2 . Величина 1 Ом∙мм 2 /м в миллион раз меньше 1 Ом∙м и характеризует удельное сопротивление вещества, однородный проводник из которого длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 мм 2 дает сопротивление в 1 Ом.

Удельное сопротивление чистой электротехнической меди при 20°С составляет 0,0172 Ом∙мм 2 /м. В различных источниках можно встретить значения до 0,018 Ом∙мм 2 /м, что тоже может относиться к электротехнической меди. Значения варьируются в зависимости от обработки, которой подвергнут материал. Например, отжиг после вытягивания («волочения») проволоки уменьшает удельное сопротивление меди на несколько процентов, хотя проводится он в первую очередь ради изменения механических, а не электрических свойств.

Удельное сопротивление меди имеет непосредственное значение для реализации приложений питания по Ethernet. Лишь часть исходного постоянного тока, поданного в проводник, достигнет дальнего конца проводника – определенные потери по пути неизбежны. Так, например, PoE Type 1 требует, чтобы из 15,4 Вт, поданных источником, до запитываемого устройства на дальнем конце дошло не менее 12,95 Вт.

Читайте также:
Доменная печь своими руками

Удельное сопротивление меди изменяется с температурой, но для температур, характерных для сферы ИТ, эти изменения невелики. Изменение удельного сопротивления рассчитывается по формулам:

где ΔR – изменение удельного сопротивления, R – удельное сопротивление при температуре, принятой в качестве базового уровня (обычно 20°С), ΔT – градиент температур, α – температурный коэффициент удельного сопротивления для данного материала (размерность °С -1 ). В диапазоне от 0°С до 100°С для меди принят температурный коэффициент 0,004 °С -1 . Рассчитаем удельное сопротивление меди при 60°С.

R60°С = R20°С · (1 + α · (60°С – 20°С)) = 0,0172 · (1 + 0,004 · 40) ≈ 0,02 Ом∙мм 2 /м

Удельное сопротивление при увеличении температуры на 40°С возросло на 16%. При эксплуатации кабельных систем, разумеется, витая пара не должна находиться при высоких температурах, этого не следует допускать. При правильно спроектированной и установленной системе температура кабелей мало отличается от обычных 20°С, и тогда изменение удельного сопротивления будет невелико. По требованиям телекоммуникационных стандартов сопротивление медного проводника длиной 100 м в витой паре категорий 5e или 6 не должно превышать 9,38 Ом при 20°С. На практике производители с запасом вписываются в это значение, поэтому даже при температурах 25°С ÷ 30°С сопротивление медного проводника не превышает этого значения.

Затухание сигнала в витой паре / Вносимые потери

При распространении электромагнитной волны в среде медной витой пары часть ее энергии рассеивается по пути от ближнего конца к дальнему. Чем выше температура кабеля, тем сильнее затухает сигнал. На высоких частотах затухание сильнее, чем на низких, и для более высоких категорий допустимые пределы при тестировании вносимых потерь строже. При этом все предельные значения заданы для температуры 20°С. Если при 20°С исходный сигнал приходил на дальний конец сегмента длиной 100 м с уровнем мощности P, то при повышенных температурах такая мощность сигнала будет наблюдаться на более коротких расстояниях. Если необходимо обеспечить на выходе из сегмента ту же мощность сигнала, то либо придется устанавливать более короткий кабель (что не всегда возможно), либо выбирать марки кабелей с более низким затуханием.

Принято считать, что:

  • Для экранированных кабелей при температурах выше 20°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.2%
  • Для всех типов кабелей и любых частот при температурах до 40°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.4%
  • Для всех типов кабелей и любых частот при температурах от 40°С до 60°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.6%
  • Для кабелей категории 3 может наблюдаться изменение затухания на уровне 1,5% на каждый градус Цельсия

Уже в начале 2000 гг. стандарт TIA/EIA-568-B.2 рекомендовал уменьшать максимально допустимую длину постоянной линии/канала категории 6, если кабель устанавливался в условиях повышенных температур, и чем выше температура, тем короче должен быть сегмент.

Температура Максимально допустимая длина
постоянной линии, м
Уменьшение
длины, м
20°С 90,0 0,0
25°С 89,0 1,0
30°С 87,0 3,0
35°С 85,5 4,5
40°С 84,0 6,0
50°С 79,5 10,5
60°С 75,0 15,0

Если учесть, что потолок частот в категории 6А вдвое выше, чем в категории 6, температурные ограничения для таких систем будут еще жестче.

На сегодняшний день при реализации приложений PoE речь идет о максимум 1-гигабитных скоростях. Когда же используются 10-гигабитные приложения, питание по Ethernet не применяется, по крайней мере, пока. Так что в зависимости от ваших потребностей при изменении температуры вам нужно учитывать либо изменение удельного сопротивления меди, либо изменение затухания. Разумнее всего и в том, и в другом случае обеспечить кабелям нахождение при температурах, близких к 20°С.

Читайте также:
Зернодробилка своими руками

Понятие удельного электрического сопротивления медного проводника

Удельное сопротивление — прикладное понятие в электротехнике. Оно обозначает то, какое сопротивление на единицу длины оказывает материал единичного сечения протекающему через него току — другими словами, каким сопротивлением обладает провод миллиметрового сечения длиной один метр. Это понятие используется в различных электротехнических расчетах.

Важно понимать различия между удельным электрическим сопротивлением постоянному току и удельным электросопротивлением переменному току. В первом случае сопротивление вызывается исключительно действием постоянного тока на проводник. Во втором случае переменный ток (он может быть любой формы: синусоидальной, прямоугольной, треугольной или произвольной) вызывает в проводнике дополнительно действующее вихревое поле, которому также создается сопротивление.

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

  • ρ — это удельное сопротивление материала;
  • R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
  • S — поперечное сечение;
  • l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм 2 /м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм 2 ). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Удельное сопротивление различных материалов

Говорить об удельном сопротивлении можно только при наличии элементов, проводящих ток, так как диэлектрики обладают бесконечным или близким к нему электросопротивлением. В отличие от них, металлы — очень хорошие проводники тока. Измерить электросопротивление металлического проводника можно с помощью прибора миллиомметра, или еще более точного — микроомметра. Значение измеряется между их щупами, приложенными к участку проводника. Они позволяют проверить цепи, проводку, обмотки двигателей и генераторов.

Металлы разнятся между собой по способности проводить ток. Удельное сопротивление различных металлов — параметр, характеризующий это отличие. Данные приведены при температуре материала 20 градусов по шкале Цельсия:

  • Серебро (ρ = 0,01498 Ом•мм 2 /м);
  • Алюминий (ρ = 0,027);
  • Медь (ρ = 0,01721);
  • Ртуть (ρ = 0,94);
  • Золото (ρ = 0,023);
  • Железо (ρ = 0,1);
  • Вольфрам (ρ = 0,0551);
  • Латунь (ρ = 0,026…0,109);
  • Бронза (ρ = 0,095);
  • Сталь (ρ = 0,103…0,14);
  • Сплав никеля, марганца, железа и хрома — нихром (ρ = 1,051…1,398).

Параметр ρ показывает, каким сопротивлением будет обладать метровый проводник с сечением 1 мм 2 . Чем больше это значение, тем больше электросопротивление будет у нужного провода определенной длины. Наименьшее ρ, как видно из списка, у серебра, сопротивление одного метра из этого материала будет равно всего 0,015 Ом, но это слишком дорогой металл для использования его в промышленных масштабах. Следующим идет медь, которая в природе встречается гораздо чаще (не драгоценный, а цветной металл). Поэтому медная проводка очень распространена.

Применение медных проводников

Медь является не только хорошим проводником электрического тока, но и очень пластичным материалом. Благодаря этому свойству медная проводка лучше укладывается, она устойчива к изгибам и растяжению.

Медь очень востребована на рынке. Из этого материала производят множество различных изделий:

  • Огромное многообразие проводников;
  • Автозапчасти (например, радиаторы);
  • Часовые механизмы;
  • Компьютерные составляющие;
  • Детали электрических и электронных приборов.

Удельное электрическое сопротивление меди является одним из лучших среди проводящих ток материалов, поэтому на ее основе создается множество товаров электроиндустрии. К тому же медь легко поддается пайке, поэтому очень распространена в радиолюбительстве.

Читайте также:
Как закалить металл в домашних условиях

Высокая теплопроводность меди позволяет использовать ее в охлаждающих и обогревающих устройствах, а пластичность дает возможность создавать мельчайшие детали и тончайшие проводники.

Зависимость электропроводности от температуры

Проводники электрического тока бывают первого и второго рода. Проводники первого рода — это металлы. Проводники второго рода- это проводящие растворы жидкостей. Ток в первых переносят электроны, а переносчики тока в проводниках второго рода —ионы, заряженные частицы электролитической жидкости.

Говорить о проводимости материалов можно только в контексте температуры окружающей среды. При более высокой температуре проводники первого рода увеличивают свое электросопротивление, а второго, напротив, уменьшают. Соответственно, существует температурный коэффициент сопротивления материалов. Удельное сопротивление меди Ом м возрастает при увеличении нагрева. Температурный коэффициент α тоже зависит только от материала, эта величина не имеет размерности и для разных металлов и сплавов равна следующим показателям:

  • Серебро — 0,0035;
  • Железо — 0,0066;
  • Платина — 0,0032;
  • Медь — 0,0040;
  • Вольфрам — 0,0045;
  • Ртуть — 0,0090;
  • Константан — 0,000005;
  • Никелин — 0,0003;
  • Нихром — 0,00016.

Определение величины электросопротивления участка проводника при повышенной температуре R (t), вычисляется по формуле:

R (t) = R (0) · [1+ α·(t-t (0))], где:

  • R (0) — сопротивление при начальной температуре;
  • α — температурный коэффициент;
  • t — t (0) — разность температур.

Например, зная электросопротивление меди при 20 градусах Цельсия, можно вычислить, чему оно будет равно при 170 градусах, то есть при нагреве на 150 градусов. Исходное сопротивление увеличится в [1+0,004·(170−20)] раз, то есть в 1,6 раз.

При увеличении температуры проводимость материалов, напротив, уменьшается. Так как это величина, обратная электросопротивлению, то и уменьшается она ровно во столько же раз. Например, удельная электропроводность меди при нагреве материала на 150 градусов уменьшится в 1,6 раз.

Существуют сплавы, которые практически не изменяют своего электросопротивления при изменении температуры. Таков, к примеру, константан. При изменении температуры на сто градусов его сопротивление увеличивается всего на 0,5%.

Если проводимость материалов ухудшается с нагревом, она улучшается с понижением температуры. С этим связано такое явление, как сверхпроводимость. Если понизить температуру проводника ниже -253 градусов Цельсия, его электросопротивление резко уменьшится: практически до нуля. В связи с этим падают затраты на передачу электрической энергии. Единственной проблемой оставалось охлаждение проводников до таких температур. Однако в связи с недавними открытиями высокотемпературных сверхпроводников на базе оксидов меди, охлаждать материалы приходится уже до приемлемых значений.

Зависимость удельного сопротивления меди от температуры

Как меняется сопротивление медной витой пары с ростом температуры? Слышал мнения, что для передачи данных и питания PoE это критично и потому ставить надо категорию 6А или 7. Хочу понять почему.

Сопротивление меди действительно меняется с температурой, но сначала нужно определиться, имеется ли в виду удельное электрическое сопротивление проводников (омическое сопротивление), что важно для питания по Ethernet, использующего постоянный ток, или же речь идет о сигналах в сетях передачи данных, и тогда мы говорим о вносимых потерях при распространении электромагнитной волны в среде витой пары и о зависимости затухания от температуры (и частоты, что не менее важно).

Удельное сопротивление меди

В международной системе СИ удельное сопротивление проводников измеряется в Ом∙м. В сфере ИТ чаще используется внесистемная размерность Ом∙мм 2 /м, более удобная для расчетов, поскольку сечения проводников обычно указаны в мм 2 . Величина 1 Ом∙мм 2 /м в миллион раз меньше 1 Ом∙м и характеризует удельное сопротивление вещества, однородный проводник из которого длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 мм 2 дает сопротивление в 1 Ом.

Удельное сопротивление чистой электротехнической меди при 20°С составляет 0,0172 Ом∙мм 2 /м. В различных источниках можно встретить значения до 0,018 Ом∙мм 2 /м, что тоже может относиться к электротехнической меди. Значения варьируются в зависимости от обработки, которой подвергнут материал. Например, отжиг после вытягивания («волочения») проволоки уменьшает удельное сопротивление меди на несколько процентов, хотя проводится он в первую очередь ради изменения механических, а не электрических свойств.

Читайте также:
Как затачивать сверла по металлу

Удельное сопротивление меди имеет непосредственное значение для реализации приложений питания по Ethernet. Лишь часть исходного постоянного тока, поданного в проводник, достигнет дальнего конца проводника – определенные потери по пути неизбежны. Так, например, PoE Type 1 требует, чтобы из 15,4 Вт, поданных источником, до запитываемого устройства на дальнем конце дошло не менее 12,95 Вт.

Удельное сопротивление меди изменяется с температурой, но для температур, характерных для сферы ИТ, эти изменения невелики. Изменение удельного сопротивления рассчитывается по формулам:

где ΔR – изменение удельного сопротивления, R – удельное сопротивление при температуре, принятой в качестве базового уровня (обычно 20°С), ΔT – градиент температур, α – температурный коэффициент удельного сопротивления для данного материала (размерность °С -1 ). В диапазоне от 0°С до 100°С для меди принят температурный коэффициент 0,004 °С -1 . Рассчитаем удельное сопротивление меди при 60°С.

R60°С = R20°С · (1 + α · (60°С — 20°С)) = 0,0172 · (1 + 0,004 · 40) ≈ 0,02 Ом∙мм 2 /м

Удельное сопротивление при увеличении температуры на 40°С возросло на 16%. При эксплуатации кабельных систем, разумеется, витая пара не должна находиться при высоких температурах, этого не следует допускать. При правильно спроектированной и установленной системе температура кабелей мало отличается от обычных 20°С, и тогда изменение удельного сопротивления будет невелико. По требованиям телекоммуникационных стандартов сопротивление медного проводника длиной 100 м в витой паре категорий 5e или 6 не должно превышать 9,38 Ом при 20°С. На практике производители с запасом вписываются в это значение, поэтому даже при температурах 25°С ÷ 30°С сопротивление медного проводника не превышает этого значения.

Затухание сигнала в витой паре / Вносимые потери

При распространении электромагнитной волны в среде медной витой пары часть ее энергии рассеивается по пути от ближнего конца к дальнему. Чем выше температура кабеля, тем сильнее затухает сигнал. На высоких частотах затухание сильнее, чем на низких, и для более высоких категорий допустимые пределы при тестировании вносимых потерь строже. При этом все предельные значения заданы для температуры 20°С. Если при 20°С исходный сигнал приходил на дальний конец сегмента длиной 100 м с уровнем мощности P, то при повышенных температурах такая мощность сигнала будет наблюдаться на более коротких расстояниях. Если необходимо обеспечить на выходе из сегмента ту же мощность сигнала, то либо придется устанавливать более короткий кабель (что не всегда возможно), либо выбирать марки кабелей с более низким затуханием.

Принято считать, что:

  • Для экранированных кабелей при температурах выше 20°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.2%
  • Для всех типов кабелей и любых частот при температурах до 40°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.4%
  • Для всех типов кабелей и любых частот при температурах от 40°С до 60°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.6%
  • Для кабелей категории 3 может наблюдаться изменение затухания на уровне 1,5% на каждый градус Цельсия

Уже в начале 2000 гг. стандарт TIA/EIA-568-B.2 рекомендовал уменьшать максимально допустимую длину постоянной линии/канала категории 6, если кабель устанавливался в условиях повышенных температур, и чем выше температура, тем короче должен быть сегмент.

Температура Максимально допустимая длина
постоянной линии, м
Уменьшение
длины, м
20°С 90,0 0,0
25°С 89,0 1,0
30°С 87,0 3,0
35°С 85,5 4,5
40°С 84,0 6,0
50°С 79,5 10,5
60°С 75,0 15,0

Если учесть, что потолок частот в категории 6А вдвое выше, чем в категории 6, температурные ограничения для таких систем будут еще жестче.

На сегодняшний день при реализации приложений PoE речь идет о максимум 1-гигабитных скоростях. Когда же используются 10-гигабитные приложения, питание по Ethernet не применяется, по крайней мере, пока. Так что в зависимости от ваших потребностей при изменении температуры вам нужно учитывать либо изменение удельного сопротивления меди, либо изменение затухания. Разумнее всего и в том, и в другом случае обеспечить кабелям нахождение при температурах, близких к 20°С.

Читайте также:
Как гнуть медную трубку

Термин «удельное сопротивление» обозначает параметр, которым обладает медь или любой другой металл, и довольно часто встречается в специальной литературе. Стоит разобраться, что понимается под этим.

Одна из разновидностей медного кабеля

Общие сведения об электрическом сопротивлении

Для начала следует рассмотреть понятие электрического сопротивления. Как известно, под действием электрического тока на проводник (а медь является одним из лучших металлов-проводников) часть электронов в нем покидают свое место в кристаллической решетке и устремляются по направлению к положительному полюсу проводника. Однако не все электроны покидают кристаллическую решетку, часть из них остаются в ней и продолжают совершать вращательное движение вокруг ядра атома. Вот эти электроны, а также атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки, и создают электрическое сопротивление, препятствующее продвижению высвободившихся частиц.

Данный процесс, который мы вкратце обрисовали, характерен для любого металла, для меди в том числе. Естественно, что различные металлы, у каждого из которых особая форма и размеры кристаллической решетки, сопротивляются продвижению по ним электрического тока по-разному. Как раз эти различия и характеризует удельное сопротивление – показатель, индивидуальный для каждого металла.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ

Применение меди в электрических и электронных системах

Для того чтобы понять, причину популярности меди как материала для изготовления элементов электрических и электронных систем, достаточно посмотреть в таблице значение ее удельного сопротивления. У меди данный параметр равен 0,0175 Ом*мм2/метр. В этом отношении медь уступает только серебру.

Именно низкое удельное сопротивление, измеряемое при температуре 20 градусов Цельсия, является основной причиной того, что без меди сегодня не обходится практически ни одно электронное и электротехническое устройство. Медь – это основной материал для производства проводов и кабелей, печатных плат, электродвигателей и деталей силовых трансформаторов.

Низкое удельное сопротивление, которым характеризуется медь, позволяет использовать ее для изготовления электротехнических устройств, отличающихся высокими энергосберегающими свойствами. Кроме того, температура проводников из меди повышается очень незначительно при прохождении через них электрического тока.

Зависимость сопротивления меди от температуры

Что влияет на величину удельного сопротивления?

Важно знать, что существует зависимость величины удельного сопротивления от химической чистоты металла. При содержании в меди даже незначительного количества алюминия (0,02%) величина этого ее параметра может значительно возрасти (до 10%).

Влияет на этот коэффициент и температура проводника. Объясняется это тем, что при повышении температуры усиливаются колебания атомов металла в узлах его кристаллической решетки, что и приводит к тому, что коэффициент удельного сопротивления возрастает.

Именно поэтому во всех справочных таблицах значение данного параметра приведено с учетом температуры 20 градусов.

Как рассчитать общее сопротивление проводника?

Знать, чему равно удельное сопротивление, важно для того, чтобы проводить предварительные расчеты параметров электротехнического оборудования при его проектировании. В таких случаях определяют общее сопротивление проводников проектируемого устройства, обладающих определенными размерами и формой. Посмотрев значение удельного сопротивления проводника по справочной таблице, определив его размеры и площадь поперечного сечения, можно рассчитать величину его общего сопротивления по формуле:

В данной формуле используются следующие обозначения:

  • R — общее сопротивление проводника, которое и необходимо определить;
  • p — удельное сопротивление металла, из которого изготовлен проводник (определяют по таблице);
  • l — длина проводника;
  • S — площадь его поперечного сечения.

Влияние примесей на удельное сопротивление меди

Направленное движение частиц в любом веществе создает электрический ток за счет образования разности потенциалов. Индивидуальные физические характеристики каждого вещества определяют влияние на прохождение тока и оцениваются как электрическое сопротивление.

Читайте также:
Изделия из акрила своими руками

Суть явления

Это величина, характерная для проводника, имеющего длину 1 метр и площадь поперечного сечения 1 квадратный метр/миллиметр. Ее обозначают греческой буквой ρ. Разным материалам свойственны разные удельные сопротивления. Вместе с тем сопротивление проводника будет меняться в прямой пропорциональности к длине и в обратной к площади поперечного сечения. То есть чем больше длина проводника, тем оно выше, но чем больше толщина, тем оно ниже.

Единицы измерения

Практическое значение в технике имеет единица, равная миллионной доле ома, помноженного на метр (Ом-м), так как даже встретить провод с сечением, равным одному квадратному метру и более, довольно проблематично. Поэтому в измерениях обычно применяют микроом-метр (мкОм-м):

1 мкОм-м = 1×10^-6 Ом-м = 1 Ом-мм 2 /м

Формула расчета удельного сопротивления

Расчет производят так:

, где R — сопротивление проводника (Ом); L — длина проводника (м); S — сечение проводника (мм 2 ).

Таким образом ρ однокомпонентного отрезка провода, длина которого равняется 1 метру, а площадь поперечного сечения — 1 квадратному миллиметру, при R, равном 1 ому, составит 1 Ом-мм 2 /м.

Таблица удельного электрического сопротивления некоторых металлов

Вид провода ρ при 20℃, Ом-м
Серебряный 1,59×10⁻⁸
Медный 1,67×10⁻⁸
Золотой 2,35×10⁻⁸
Алюминиевый 2,65×10⁻⁸
Вольфрамовый 5,65×10⁻⁸
Никелевый 6,84×10⁻⁸
Железный 9,7×10⁻⁸
Платиновый 1,06×10⁻⁷
Стальной 1,6×10⁻⁷
Свинцовый 2,06×10⁻⁷
Дюралюминиевый 4,0×10⁻⁷
Нихромовый 1,05×10⁻⁶

Удельное сопротивление абсолютно независимо от формы и размеров проводника, однако варьируется в широком диапазоне при отклонении температуры от принятого за стандартное значения, равного 20 градусам Цельсия. Практическим электротехническим путем доказано, что увеличение температуры повышает сопротивляемость металлов течению тока, с обратной стороны — вместе со снижением температуры она снижается. Примерно подсчитать, насколько существенным будет изменение, можно с учетом того, что всем металлам присущ почти одинаковый уровень прироста убыли данной величины, в среднем составляющий 0,4% на 1°С.

Если же данный показатель нужно определить точно, то можно воспользоваться этой формулой:

ρ = ρ0 x (1 + α x (t — t 0 ))

, где ρ и ρ0 — соответственно удельные сопротивления при температурах t и t 0 (20°С, табличное значение), α — температурный коэффициент сопротивления.

Вид провода α
Никелевый 0,005866
Железный 0,005671
Молибденовый 0,004579
Вольфрамовый 0,004403
Алюминиевый 0,004308
Медный 0,004041
Серебряный 0,003819
Платиновый 0,003729
Золотой 0,003715
Цинковый 0,003847
Стальной 0,003
Нихромовый 0,00017

Так, к примеру, найдя в таблицах удельное сопротивление меди при 20 градусах Цельсия и ее температурный коэффициент, можно вычислить, что при нагреве до 100℃ ее сопротивление вырастет на 32%. Практически то же самое будет происходить с удельным сопротивлением алюминиевого кабеля с тем же коэффициентом (0,004). А вот удельное сопротивление стали повысится менее значительно — на 24%.

С увеличением температуры проводник насыщается тепловой энергией, передающейся всем атомам вещества. Этим обуславливается повышение интенсивности их теплового движения. Последний фактор и приводит к повышению сопротивляемости движению свободных электронов в определенном направлении, поскольку возрастает вероятность встречи свободных электронов с атомами. Когда температура снижается, меньшее количество атомов может препятствовать направленному движению электронов, следовательно, происходит обратное. В результате колоссального спада температуры возникает интереснейшее явление, называемое «сверхпроводимостью металлов»: сопротивляемость уменьшается до нуля в условиях, близких к абсолютному нулю (-273,15℃). В таких кондициях атомы металла замирают на своих позициях, и электроны движутся без каких-либо препятствий.

Удельное сопротивление меди различных марок

Круглая медная проволока для проводов, кабелей и так далее бывает мягкой (марка ММ), твердой (марка МТ) и марки МС. Ее выпускают в диапазоне диаметров 0,02-9,42 мм. Удельное электрическое сопротивление проволоки постоянному току при 20℃ соответствует значениям, приведенным в таблице:

Диаметр проволоки, мм ρ при 20℃, мкОм-м
ММ МТ, МС
Меньше 1,00 0,018
1,0-2,44 0,01724 0,0178
2,50 и больше 0,0177

Преимущества меди в плане проводимости дают повод обширно применять ее на производстве проводников. Вместе с тем медь — относительно дорогой и дефицитный материал, поэтому ее все чаще заменяют другими металлами, включая алюминий.

Читайте также:
Дымовые трубы для котельных из нержавеющей стали

Сплавы меди с оловом, хромом, кадмием и другие называют бронзами. Бронза при правильном подоборе состава очень выгодно отличается от чистой меди по части механических свойств.

Удельное сопротивление проводников — меди, алюминия, стали

Одной из физических величин, используемых в электротехнике, является удельное электрическое сопротивление. Рассматривая удельное сопротивление алюминия, следует помнить, что данная величина характеризует способность какого-либо вещества, препятствовать прохождению через него электрического тока.

Медь – основной материал для проводников

Квалифицированный выбор подходящего материала сопровождается комплексной оценкой нескольких факторов. Медный проводник не повреждается коррозией, потому что на поверхности образуется защитный слой из окислов. Структурная целостность сохраняется при малом радиусе поворота, после многократных изгибов. Отмеченные параметры пригодятся для оснащения помещений с повышенной влажностью и прокладки линий сложной конфигурации.

Тем не менее, главным преимуществом является малое сопротивление проводов из меди. Кроме улучшения токопроводимости с одновременным снижением потерь при передаче энергии, следует отметить уменьшение веса и размеров кабельной продукции, по сравнению с альтернативными вариантами.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Материал проводника Удельное сопротивление ρ в
Серебро
Медь
Золото
Латунь
Алюминий
Натрий
Иридий
Вольфрам
Цинк
Молибден
Никель
Бронза
Железо
Сталь
Олово
Свинец
Никелин (сплав меди, никеля и цинка)
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)
Титан
Ртуть
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)
Фехраль
Висмут
Хромаль
0,015
0,0175
0,023
0,025… 0,108
0,028
0,047
0,0474
0,05
0,054
0,059
0,087
0,095… 0,1
0,1
0,103… 0,137
0,12
0,22
0,42
0,43… 0,51
0,5
0,6
0,94
1,05… 1,4
1,15… 1,35
1,2
1,3… 1,5

Из таблицы видно, что железная проволока длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,13 Ом. Чтобы получить 1 Ом сопротивления нужно взять 7,7 м такой проволоки. Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро. 1 Ом сопротивления можно получить, если взять 62,5 м серебряной проволоки сечением 1 мм2. Серебро — лучший проводник, но стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь: 1 м медной проволоки сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом. Чтобы получить сопротивление в 1 Ом, нужно взять 57 м такой проволоки.

Химически чистая, полученная путем рафинирования, медь нашла себе повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов. Широко применяют также в качестве проводников алюминий и железо.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в омах; ρ — удельное сопротивление проводника; l — длина проводника в м; S — сечение проводника в мм2.

Пример 1. Определить сопротивление 200 м железной проволоки сечением 5 мм2.

Пример 2. Вычислить сопротивление 2 км алюминиевой проволоки сечением 2,5 мм2.

Из формулы сопротивления легко можно определить длину, удельное сопротивление и сечение проводника.

Пример 3. Для радиоприемника необходимо намотать сопротивление в 30 Ом из никелиновой проволоки сечением 0,21 мм2. Определить необходимую длину проволоки.

Пример 4. Определить сечение 20 м нихромовой проволоки, если сопротивление ее равно 25 Ом.

Пример 5. Проволока сечением 0,5 мм2 и длиной 40 м имеет сопротивление 16 Ом. Определить материал проволоки.

Материал проводника характеризует его удельное сопротивление.

По таблице удельных сопротивлений находим, что таким сопротивлением обладает свинец.

Выше было указано, что сопротивление проводников зависит от температуры. Проделаем следующий опыт. Намотаем в виде спирали несколько метров тонкой металлической проволоки и включим эту спираль в цепь аккумулятора. Для измерения тока в цепь включаем амперметр. При нагревании спирали в пламени горелки можно заметить, что показания амперметра будут уменьшаться. Это показывает, что с нагревом сопротивление металлической проволоки увеличивается.

У некоторых металлов при нагревании на 100° сопротивление увеличивается на 40 — 50 %. Имеются сплавы, которые незначительно меняют свое сопротивление с нагревом. Некоторые специальные сплавы практически не меняют сопротивления при изменении температуры. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры увеличивается, сопротивление электролитов (жидких проводников), угля и некоторых твердых веществ, наоборот, уменьшается.

Читайте также:
Датчик потока воды своими руками

Способность металлов менять свое сопротивление с изменением температуры используется для устройства термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой платиновую проволоку, намотанную на слюдяной каркас. Помещая термометр, например, в печь и измеряя сопротивление платиновой проволоки до и после нагрева, можно определить температуру в печи.

температурный коэффициент сопротивления — это изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1° температуры, обозначается буквой α.

Если при температуре t0 сопротивление проводника равно r0, а при температуре t равно rt, то температурный коэффициент сопротивления

Примечание. Расчет по этой формуле можно производить лишь в определенном интервале температур (примерно до 200°C).

Приводим значения температурного коэффициента сопротивления α для некоторых металлов (таблица 2).

Понятия, связанные с удельным сопротивлением

Величина, противоположная удельному сопротивлению, носит наименование удельной проводимости или электропроводности. Обычное электрическое сопротивление свойственно лишь проводнику, а удельное электрическое сопротивление характерно только для того или иного вещества.

Как правило, эта величина рассчитывается для проводника, имеющего однородную структуру. Для определения электрического сопротивления однородных проводников используется формула:

Физический смысл этой величины заключается в определенном сопротивлении однородного проводника с определенной единичной длиной и площадью поперечного сечения. Единицей измерения служит единица системы СИ Ом•м или внесистемная единица Ом•мм2/м. Последняя единица означает, что проводник из однородного вещества, длиной 1 м, имеющий площадь поперечного сечения 1 мм2, будет иметь сопротивление в 1 Ом. Таким образом, удельное сопротивление любого вещества можно вычислить, используя участок электрической цепи, длиной 1 м, поперечное сечение которого будет составлять 1 мм2.

Таблица удельных сопротивлений проводников. Таблица удельных сопротивлений металлов

Раздел недели: Набор прочности бетоном. Время твердения бетона. Тепловыделение цемента (бетонной смеси)

Удельное сопротивление меди

Сравнительно небольшое удельное сопротивление меди – важный, но не единственный положительный фактор. Широкое применение этого материала объясняется разумной стоимостью, устойчивостью к неблагоприятным внешним воздействиям. Из него несложно создавать качественные изделия необходимой формы, которые без дополнительной защиты сохраняют функциональность при длительной эксплуатации в сложных условиях.

Медь – основной материал для проводников

Квалифицированный выбор подходящего материала сопровождается комплексной оценкой нескольких факторов. Медный проводник не повреждается коррозией, потому что на поверхности образуется защитный слой из окислов. Структурная целостность сохраняется при малом радиусе поворота, после многократных изгибов. Отмеченные параметры пригодятся для оснащения помещений с повышенной влажностью и прокладки линий сложной конфигурации.

Тем не менее, главным преимуществом является малое сопротивление проводов из меди. Кроме улучшения токопроводимости с одновременным снижением потерь при передаче энергии, следует отметить уменьшение веса и размеров кабельной продукции, по сравнению с альтернативными вариантами.

Удельное сопротивление чистых металлов при низких температурах

Колебательные процессы в молекулярной решетке препятствуют свободному перемещению электронов. Этим объясняется увеличение сопротивления по мере роста температуры. Линейная зависимость наблюдается от небольшой положительной температуры, вплоть до точки начала плавления. Соответствующий фазовый переход сопровождается резким увеличением электрического сопротивления. Разумеется, подобный режим после разрушения не является рабочим.

Теоретические показатели «а» подтверждаются результатами эксперимента «б». Если структуру чистого металла исказить примесями (загрязнениями, компонентами сплавов), произойдет беспорядочное распределение носителей электрического заряда. Это, в свою очередь, увеличит потери в цепи (сопротивление).

Таблица сопротивления металлов

Чтобы убедиться в преимуществах меди, надо сделать соответствующий сравнительный анализ. Ниже приведены значения сопротивлений металлов в сводной таблице.

Основные электрические параметры проводников, созданных из разных материалов

Материал Удельное сопротивление в Омах на метр, замеренное при комнатной температуре (+20°C) Удельная электропроводность при аналогичных условиях, в сименсах на метр
Медь 1,68х10^-3 5,96х10^7
Серебро 1,59х10^-3 6,3х10^7
Золото 2,44х10^-3 4,1х10^7
Алюминий 2,82х10^-3 3,5х10^7
Вольфрам 5,6х10^-3 1,79х10^7
Железо 1х10^-7 1х10^7
Платина 1,06х10^-7 9,43х10^6
Литий 9,28х10^-8 1,08х10^7

Важно! Малого сопротивления проводника из железа недостаточно для широкого применения соответствующих изделий на практике. Активное окисление провоцирует быстрое разрушение.

Таблица удельных сопротивлений проводников

В некоторых ситуациях с расходами не считаются. Военную и космическую технику создают с применением проводников из драгоценных металлов. Такие решения помогают уменьшить сечение и вес, повысить стойкость к радиационным и другим особым воздействиям.

Для изготовления серийных изделий бытового и промышленного назначения применяют более доступные по цене материалы.

Данные для расчета электрических параметров проводников с учетом изменения температуры

Материал Удельное сопротивление (в Ом на мм кв./ м), замеренное при комнатной температуре (+0°C) Поправочный температурный коэффициент (ПК)
Медь 0,0176 0,004
Алюминий 0,0278 0,0045
Сталь 0,13 0,0063
Никелин 0,43-0,45 0,0072
Латунь 0,04 0,002
Нихром 0,98 0,0003
Вольфрам 0,0612 0,00047

Применение нержавеющей стальной проволоки помогает увеличить прочность при одновременной оптимизации себестоимости. Для улучшения антикоррозийных свойств применяют специальные добавки. Они повышают сопротивление проводника из стали почти в 10 раз, по сравнению с медным аналогом.

В любом случае особое значение имеют конкретные условия в процессе использования, а также назначение изделий. Никель, например, проявляет ферромагнитные свойства при чрезвычайно низких температурах ниже порогового значения «точки Кюри» (-358 0°C). Кремний, который применяют для изготовления микросхем и транзисторов, обладает особыми параметрами полупроводника.

Сравнение проводимости меди и алюминия

Первый вывод можно сделать после изучения табличных данных. Сопротивление алюминия примерно на 80% выше, по сравнению с медью. В такой же пропорции хуже проводимость. Но для корректного анализа необходимо изучить дополнительно следующие факты:

  • алюминий легче, но для получения аналогичных электрических параметров понадобится увеличить поперечное сечение (толщину проводника);
  • медные изделия (многожильные кабели) не повреждаются неоднократным сгибанием;
  • удельное сопротивление алюминия изменяется больше при повышении/ снижении температуры;
  • пленка из окислов на его поверхности образуется быстрее, поэтому для надежности (долговечности) современную проводку делают из меди.

Применение электропроводности материалов

Наличие отмеченных свойств используют не только в инженерных энергетических сетях. Хорошая электропроводность позволяет передавать на большие расстояния информационные сигналы без искажений. Сохранение высокой амплитуды уменьшает требования к усилительным трактам, снижает общую себестоимость систем. Минимизация потерь пригодится в электролизных установках, при создании контактных групп и обмоток двигателей.

Важно! Во всех перечисленных примерах, кроме общего повышения эффективности, можно рассчитывать на предотвращение перегрева.

Расчет сопротивления

Для коррекции температурных изменений в последнем столбце второй таблицы приведены отдельные множители по каждой позиции. Расчет выполняют по формуле RT=Rn*(1+ПК*Т), где приведенные символы означают:

  • RТ – электрическое сопротивление в Омах при определенной температуре;
  • Rn – сопротивление проводника при нулевой температуре;
  • ПК – поправочный коэффициент;
  • Т – эксплуатационная температура в градусах Цельсия.

Понятие электрического сопротивления

Этим термином называют свойство создавать препятствия прохождению в цепи электрического тока. Связь между физическими величинами описывается классической формулой R=U/I (обозначения сопротивления, напряжения и силы тока, соответственно). Движение электронов совершается под воздействием электромагнитного поля, разницы потенциалов. Повышает сопротивление металлов любое искажение кристаллической структуры молекулярной решетки. Данная причина объясняет сильную зависимость параметра от чистоты материала и температуры. Так, стандарты для трубной продукции допускают применение различных сплавов. Электротехническую медь (марка М006) создают с контролируемым количеством посторонних примесей не более 0,1%.

Квалифицированное применение этого материала предваряется оценкой всех значимых факторов. Кроме себестоимости, уточняют:

  • особенности механической и других видов обработки;
  • стабильность электрических параметров в определенных условиях эксплуатации;
  • стойкость к внешним воздействиям, долговечность.

В некоторых ситуациях значительные начальные инвестиции оправданы продленным сроком службы, надежностью.

Видео

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: