Kupferwiderstand: wie der Wert gemessen wird, Berechnungsformeln, Indikatoren für Eisen und Aluminium

Jeder Stoff ist unterschiedlich stark stromleitend, dieser Wert wird durch den Widerstand des Materials beeinflusst. Der spezifische Widerstand von Kupfer, Aluminium, Stahl und jedem anderen Element wird mit dem Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnet. Dieser Wert hängt nicht von Eigenschaften des Leiters wie Größe, Form und physikalischem Zustand ab, während der normale elektrische Widerstand diese Parameter berücksichtigt. Der spezifische Widerstand wird in Ohm multipliziert mit mm² und geteilt durch Meter gemessen.

Kategorien und ihre Beschreibung

Jedes Material kann zwei Arten von Widerständen aufweisen, abhängig von der ihm zugeführten Elektrizität. Der Strom kann wechselnd oder konstant sein, was die technischen Parameter des Stoffes erheblich beeinflusst. Es gibt also solche Widerstände:

1. Omiceskoje. Es manifestiert sich unter dem Einfluss von Gleichstrom. Es charakterisiert die Reibung, die durch die Bewegung elektrisch geladener Teilchen in einem Leiter entsteht.
2. Aktiv. Es wird nach dem gleichen Prinzip bestimmt, entsteht aber bereits unter dem Einfluss von Wechselstrom.

In diesem Zusammenhang gibt es auch zwei Definitionen des spezifischen Wertes. Bei Gleichstrom ist er gleich dem Widerstand, der von einer Längeneinheit eines leitfähigen Materials mit fester Querschnittsfläche ausgeübt wird. Das potentielle elektrische Feld wirkt auf alle Leiter sowie auf Halbleiter und ionenleitende Lösungen. Dieser Wert bestimmt die leitfähigen Eigenschaften des Materials selbst. Die Form des Leiters und seine Abmessungen werden nicht berücksichtigt, daher kann er als grundlegend in der Elektrotechnik und Materialwissenschaft bezeichnet werden.

Unter der Bedingung des Durchgangs von Wechselstrom wird der spezifische Wert unter Berücksichtigung der Dicke des leitfähigen Materials berechnet. Dabei wird nicht nur das Potential, sondern auch der Wirbelstrom beeinflusst, zusätzlich wird die Frequenz der elektrischen Felder berücksichtigt. Der spezifische Widerstand dieser Art ist größer als bei konstantem Strom, da hier der positive Wert des Widerstands gegen das Wirbelfeld berücksichtigt wird. Außerdem hängt dieser Wert von der Form und Größe des Leiters selbst ab. Diese Parameter bestimmen die Art der Wirbelbewegung geladener Teilchen.

Wechselstrom verursacht in Leitern bestimmte elektromagnetische Phänomene. Sie sind sehr wichtig für die elektrische Leistung eines leitfähigen Materials:

1. Der Skin-Effekt zeichnet sich durch die Abschwächung des elektromagnetischen Feldes aus, je weiter es in das Medium des Leiters eindringt. Dieses Phänomen wird auch Oberflächeneffekt genannt.
2. Der Proximity-Effekt reduziert die Stromdichte aufgrund der Nähe und des Einflusses benachbarter Drähte.

Diese Effekte sind bei der Berechnung der optimalen Leiterdicke sehr wichtig, da bei Verwendung eines Drahtes mit einem Radius mehr Eindringtiefe des Stroms in das Material, der Rest seiner Masse bleibt ungenutzt, und daher wird ein solcher Ansatz sein unwirksam. In Übereinstimmung mit den durchgeführten Berechnungen ist der effektive Durchmesser des leitfähigen Materials in einigen Situationen wie folgt:

• für einen Strom von 50 Hz - 2,8 mm;
• 400Hz - 1mm;
• 40 kHz - 0,1 mm.

Vor diesem Hintergrund wird für hochfrequente Ströme aktiv die Verwendung von flachen mehradrigen Kabeln verwendet, die aus vielen dünnen Drähten bestehen.

Eigenschaften von Metallen

Spezifische Indikatoren für Metallleiter sind in speziellen Tabellen enthalten. Auf Basis dieser Daten können die notwendigen weiteren Berechnungen angestellt werden. Ein Beispiel für eine solche Widerstandstabelle ist im Bild zu sehen.

Die Tabelle zeigt, dass Silber die höchste Leitfähigkeit hat – es ist ein idealer Leiter unter allen existierenden Metallen und Legierungen. Wenn Sie berechnen, wie viele Drähte aus diesem Material erforderlich sind, um einen Widerstand von 1 Ohm zu erreichen, kommen 62,5 m heraus. Draht aus Eisen für den gleichen Wert benötigt bis zu 7,7 m.

Die Tugenden von Kupfer

Egal wie wundervolle Eigenschaften Silber auch haben mag, es ist ein zu teures Material dafür Masseneinsatz in Stromnetzen, daher weit verbreitet im Alltag und in der Industrie Kupfer. In Bezug auf den spezifischen Indikator liegt es nach Silber an zweiter Stelle, und in Bezug auf Prävalenz und Leichtigkeit der Produktion ist es viel besser als es. Kupfer hat andere Vorteile, die es zum am häufigsten verwendeten Leiter gemacht haben. Diese beinhalten:

• hohe Korrosionsbeständigkeit;
• mechanische Festigkeit;
• Widerstand gegen Verformung;
• einfache Befestigung durch Löten und Schweißen;
• hohe Bearbeitbarkeit (Kupfer wird aufgrund seiner Weichheit zu beliebig dicken Blechen gewalzt und gestreckt daraus kann der Draht so dünn sein, dass sein Querschnitt den Wert von Tausendstel hat Millimeter).

Für den Einsatz in der Elektrotechnik wird raffiniertes Kupfer verwendet, das nach dem Schmelzen aus Sulfiderz Röst- und Blasprozessen und dann zwangsläufig einer elektrolytischen Reinigung unterzogen wird. Nach einer solchen Verarbeitung erhalten Sie ein Material von sehr hoher Qualität (Klassen M1 und M0), das 0,1 bis 0,05% Verunreinigungen enthält. Eine wichtige Nuance ist das Vorhandensein von Sauerstoff in extrem geringen Mengen, da dieser die mechanischen Eigenschaften von Kupfer negativ beeinflusst.

Dieses Metall wird oft durch billigere Materialien ersetzt - Aluminium und Eisen sowie verschiedene Bronzen (Legierungen mit Silizium, Beryllium, Magnesium, Zinn, Cadmium, Chrom und Phosphor). Solche Zusammensetzungen haben eine höhere Festigkeit als reines Kupfer, wenn auch mit geringerer Leitfähigkeit.

Vorteile von Aluminium

Obwohl Aluminium widerstandsfähiger und zerbrechlicher ist, erklärt sich seine weit verbreitete Verwendung dadurch, dass es nicht so selten wie Kupfer und daher billiger ist. Aluminium hat einen spezifischen Widerstand von 0,028 und ist aufgrund seiner geringen Dichte 3,5-mal leichter als Kupfer.

Für Elektroarbeiten wird gereinigtes Aluminium der Güteklasse A1 verwendet, das nicht mehr als 0,5% Verunreinigungen enthält. Die höherwertige AB00 wird zur Herstellung von Elektrolytkondensatoren, Elektroden und Aluminiumfolie verwendet. Der Gehalt an Verunreinigungen in diesem Aluminium beträgt nicht mehr als 0,03 %. Es gibt auch ein reines Metall AB0000, einschließlich nicht mehr als 0,004 % Zusatzstoffe. Auch die Verunreinigungen selbst sind wichtig: Nickel, Silizium und Zink beeinflussen die Leitfähigkeit von Aluminium unwesentlich, und der Gehalt an Kupfer, Silber und Magnesium in diesem Metall hat einen spürbaren Effekt. Thallium und Mangan verringern die Leitfähigkeit am stärksten.

Aluminium hat gute Korrosionsschutzeigenschaften. Bei Kontakt mit Luft wird es mit einer dünnen Oxidschicht bedeckt, die es vor weiterer Zerstörung schützt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird das Metall mit anderen Elementen legiert.

Indikatoren für Stahl und Eisen

Der spezifische Widerstand von Eisen ist im Vergleich zu Kupfer und Aluminium sehr hoch, jedoch aufgrund von Verfügbarkeit, Festigkeit und Verformungsbeständigkeit, das Material wird häufig in der Elektrotechnik eingesetzt Produktion.

Obwohl Eisen und Stahl, deren spezifischer Widerstand noch höher ist, erhebliche Nachteile haben, haben Hersteller von leitfähigem Material Methoden gefunden, um diese zu kompensieren. Insbesondere die geringe Korrosionsbeständigkeit wird durch die Beschichtung des Stahldrahtes mit Zink oder Kupfer überwunden.

Natriumeigenschaften

Auch für die Leiterindustrie ist metallisches Natrium sehr vielversprechend. In Bezug auf den Widerstand übertrifft es Kupfer deutlich, hat aber eine 9-mal geringere Dichte als es. Dadurch kann das Material bei der Herstellung von ultraleichten Drähten verwendet werden.

Metallisches Natrium ist sehr weich und gegenüber jeglicher Art von Verformungseffekten völlig instabil, was es macht Verwendung ist problematisch - ein Draht aus diesem Metall muss mit einer sehr starken Ummantelung mit extrem kleinem Flexibilität. Die Hülle muss luftdicht sein, da Natrium unter den neutralsten Bedingungen hochreaktiv ist. Es oxidiert sofort an der Luft und zeigt eine heftige Reaktion mit Wasser, einschließlich der enthaltenen Luft.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Natrium ist seine Verfügbarkeit. Es kann durch Elektrolyse von geschmolzenem Natriumchlorid gewonnen werden, das weltweit in unbegrenzter Menge vorhanden ist. Andere Metalle verlieren in dieser Hinsicht deutlich.

Um die Leistung eines bestimmten Leiters zu berechnen, muss das Produkt aus der bestimmten Anzahl und Länge des Drahtes durch seine Querschnittsfläche geteilt werden. Das Ergebnis ist der Widerstandswert in Ohm. Um beispielsweise den Widerstand von 200 m Eisendraht mit einem Nennquerschnitt von 5 mm² zu bestimmen, müssen Sie 0,13 mit 200 multiplizieren und das Ergebnis durch 5 teilen. Die Antwort ist 5,2 Ohm.

Berechnungsregeln und Funktionen

Mikroohmmeter werden verwendet, um den Widerstand metallischer Medien zu messen. Heute werden sie in digitaler Form hergestellt, sodass die mit ihrer Hilfe durchgeführten Messungen genau sind. Dies lässt sich damit erklären, dass Metalle eine hohe Leitfähigkeit und einen äußerst geringen Widerstand aufweisen. Der untere Schwellenwert der Messgeräte beträgt beispielsweise 10 ^-7 Ohm.

Mit Hilfe von Mikroohmmetern können Sie schnell feststellen, wie gut der Kontakt ist und welchen Widerstand die Wicklungen von Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren sowie elektrischen Bussen aufweisen. Es ist möglich, das Vorhandensein von Einschlüssen anderer Metalle im Barren zu berechnen. Ein vergoldetes Wolframstück weist beispielsweise die Hälfte der Leitfähigkeit eines Vollgoldstücks auf. Ebenso können Sie innere Defekte und Hohlräume im Leiter erkennen.

Um die Parameter eines Drahtes - Länge, Durchmesser und Widerstand - zu berechnen, müssen Sie nur den Wert seines spezifischen Wertes ρ kennen.

Die Widerstandsformel lautet wie folgt: ρ = Ohmmm²/ m. In Worten kann es als der Widerstand von 1 Meter eines Leiters beschrieben werdenmit einer Querschnittsfläche von 1 mm². Die Temperatur wird als Standard angenommen - 20 ° C.

Einfluss der Temperatur auf die Messung

Das Erhitzen oder Kühlen einiger Leiter hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Zählern. Als Beispiel sei folgendes Experiment genannt: Es ist notwendig, einen spiralförmig gewickelten Draht an die Batterie anzuschließen und ein Amperemeter an den Stromkreis anzuschließen.

Je mehr sich der Leiter erwärmt, desto geringer werden die Instrumentenwerte. Die Stromstärke ist umgekehrt proportional zum Widerstand. Daraus kann geschlossen werden, dass durch die Erwärmung die Leitfähigkeit des Metalls abnimmt. Mehr oder weniger verhalten sich alle Metalle so, jedoch werden bei einigen Legierungen praktisch keine Änderungen der Leitfähigkeit beobachtet.

Es ist bemerkenswert, dass flüssige Leiter und einige feste Nichtmetalle dazu neigen, ihren Widerstand mit steigender Temperatur zu verringern. Aber Wissenschaftler nutzten diese Fähigkeit von Metallen zu ihrem Vorteil. Wenn man den Temperaturkoeffizienten des Widerstands (α) beim Erhitzen einiger Materialien kennt, ist es möglich, die Außentemperatur zu bestimmen. Beispielsweise wird ein auf einem Glimmerrahmen platzierter Platindraht in einen Ofen gelegt und der Widerstand gemessen. Je nachdem, wie stark es sich verändert hat, wird ein Rückschluss auf die Temperatur im Backofen gemacht. Diese Bauform wird als Widerstandsthermometer bezeichnet.

Bei Temperatur T0 Leiterwiderstand ist R0 und bei einer Temperatur T gleich rt, dann ist der Temperaturkoeffizient des Widerstands

Diese Formel lässt sich nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs (bis ca. 200°C) berechnen.