Όταν λένε ότι ο χαλκός είναι βαρύτερο μέταλλο από το αλουμίνιο, συγκρίνουν τις πυκνότητες τους. Ομοίως, όταν λέγεται ότι ο χαλκός είναι καλύτερος αγωγός από το αλουμίνιο, συγκρίνεται η ειδική αντίστασή τους (ρ), η τιμή της οποίας δεν εξαρτάται από το μέγεθος ή το σχήμα ενός συγκεκριμένου δείγματος - μόνο από το ίδιο το υλικό.
Θεωρητική αιτιολόγηση
Η ειδική αντίσταση είναι ένα μέτρο αντίστασης στην ηλεκτρική αγωγιμότητα για ένα δεδομένο μέγεθος υλικού. Το αντίθετό του είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα μέταλλα είναι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί (υψηλή αγωγιμότητα και χαμηλή τιμή ρ), ενώ τα αμέταλλα είναι γενικά κακοί αγωγοί (χαμηλή αγωγιμότητα και υψηλή τιμή ρ).
Η πιο οικεία θερμική ηλεκτρική αντίσταση μετράει πόσο δύσκολο είναι για ένα υλικό να άγει ηλεκτρισμό. Εξαρτάται από το μέγεθος του εξαρτήματος: η αντίσταση είναι μεγαλύτερη για ένα μακρύτερο ή στενότερο κομμάτι υλικού. Για την εξάλειψη του αποτελέσματοςμέγεθος από την αντίσταση, χρησιμοποιείται η ειδική αντίσταση του σύρματος - αυτή είναι μια ιδιότητα υλικού που δεν εξαρτάται από το μέγεθος. Για τα περισσότερα υλικά, η αντίσταση αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Εξαίρεση αποτελούν οι ημιαγωγοί (όπως το πυρίτιο), στους οποίους μειώνεται με τη θερμοκρασία.
Η ευκολία με την οποία ένα υλικό μεταφέρει τη θερμότητα μετριέται με τη θερμική αγωγιμότητα. Ως πρώτη εκτίμηση, οι καλοί ηλεκτρικοί αγωγοί είναι και καλοί θερμικοί αγωγοί. Η αντίσταση αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο r και η μονάδα της είναι ένα ωμόμετρο. Η αντίσταση του καθαρού χαλκού είναι 1,7×10 -8 ohms. Αυτός είναι ένας πολύ μικρός αριθμός - 0.000.000.017 Ohm, που δείχνει ότι ένα κυβικό μέτρο χαλκού πρακτικά δεν έχει αντίσταση. Όσο μικρότερη είναι η ειδική αντίσταση (ωμόμετρο ή Ωm), τόσο καλύτερα χρησιμοποιείται το υλικό στην καλωδίωση. Η αντίσταση είναι η άλλη πλευρά της αγωγιμότητας.
Ταξινόμηση υλικών
Η τιμή αντίστασης ενός υλικού χρησιμοποιείται συχνά για να το ταξινομήσει ως αγωγό, ημιαγωγό ή μονωτή. Τα στερεά στοιχεία ταξινομούνται ως μονωτές, ημιαγωγοί ή αγωγοί με βάση τη «στατική τους αντίσταση» στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Η ειδική αντίσταση σε μονωτικό, ημιαγωγό ή αγώγιμο υλικό είναι η κύρια ιδιότητα που λαμβάνεται υπόψη για ηλεκτρικές εφαρμογές.
Ο πίνακας δείχνει ορισμένα δεδομένα ρ, σ και συντελεστή θερμοκρασίας. Για αντοχή στα μέταλλααυξάνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Το αντίθετο ισχύει για τους ημιαγωγούς και πολλούς μονωτές.
| Υλικό | ρ (Ωm) στους 20°C | σ (S/m) στους 20°C | Συντελεστής θερμοκρασίας (1/°C) x10 ^ -3 |
| Ασημί | 1, 59 × 10 -8 | 6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| Χαλκός | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| Χρυσός | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| Αλουμίνιο | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Tungsten | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4,5 |
| Ψευδάργυρος |
5, 90 × 10 -8 |
1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| Νίκελ | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| Λίθιο | 9, 28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Σίδερο | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Πλατινένιο | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| Lead | 2, 2 × 10 -7 | 4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Κωνσταντάν | 4, 9 × 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0, 008 |
| Mercury | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0,9 |
| Nicrome | 1,10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Άνθρακας (άμορφος) | 5 × 10 -4 έως 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Υπολογισμός αντίστασης
Για οποιαδήποτε δεδομένη θερμοκρασία, μπορούμε να υπολογίσουμε την ηλεκτρική αντίσταση ενός αντικειμένου σε ohms χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο.
Σε αυτόν τον τύπο:
- R - αντίσταση αντικειμένου, σε ohms;
- ρ - αντίσταση (συγκεκριμένη) του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο το αντικείμενο;
- L - μήκος αντικειμένου σε μέτρα;
- Α-διατομήτομή του αντικειμένου, σε τετραγωνικά μέτρα.
Η ειδική αντίσταση είναι ίση με έναν ορισμένο αριθμό ωμμέτρων. Αν και η μονάδα SI του ρ είναι συνήθως το ωμόμετρο, μερικές φορές η μονάδα είναι ωμ ανά εκατοστό.
Η αντίσταση ενός υλικού καθορίζεται από το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος του, το οποίο δίνει μια ορισμένη πυκνότητα ρεύματος.
ρ=E/ J όπου:
- ρ - σε ένα ωμόμετρο;
- E - το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου σε βολτ ανά μέτρο;
- J - τιμή πυκνότητας ρεύματος σε αμπέρ ανά τετραγωνικό μέτρο.
Πώς προσδιορίζεται η ειδική αντίσταση; Πολλές αντιστάσεις και αγωγοί έχουν ομοιόμορφη διατομή με ομοιόμορφη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Επομένως, υπάρχει μια πιο συγκεκριμένη αλλά πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη εξίσωση.
ρ=RA/ J, όπου:
- R - αντίσταση ομοιογενούς δείγματος υλικού, μετρημένη σε ohms;
- l - μήκος ενός τεμαχίου υλικού, μετρημένο σε μέτρα, m;
- A - εμβαδόν διατομής του δείγματος, μετρημένη σε τετραγωνικά μέτρα, m2.
Βασικά στοιχεία αντίστασης υλικών
Η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού είναι επίσης γνωστή ως ηλεκτρική ειδική αντίσταση. Αυτό είναι ένα μέτρο του πόσο ισχυρά αντιστέκεται το υλικό στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Μπορεί να προσδιοριστεί διαιρώντας την αντίσταση ανά μονάδα μήκους και ανά μονάδα επιφάνειας διατομής, για ένα συγκεκριμένο υλικό σε μια δεδομένη θερμοκρασία.
Αυτό σημαίνει ότι ένα χαμηλό ρ υποδεικνύει ένα υλικό που επιτρέπει εύκολαμετακινούν τα ηλεκτρόνια. Αντίθετα, ένα υλικό με υψηλό ρ θα έχει υψηλή αντίσταση και θα εμποδίζει τη ροή των ηλεκτρονίων. Στοιχεία όπως ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι γνωστά για τα χαμηλά επίπεδα ρ τους. Ειδικά το ασήμι και ο χρυσός έχουν πολύ χαμηλή τιμή ρ, αλλά η χρήση τους είναι περιορισμένη για προφανείς λόγους.
Περιοχή αντίστασης
Τα υλικά τοποθετούνται σε διαφορετικές κατηγορίες ανάλογα με την τιμή ρ τους. Μια περίληψη εμφανίζεται στον παρακάτω πίνακα.
Το επίπεδο αγωγιμότητας των ημιαγωγών εξαρτάται από το επίπεδο ντόπινγκ. Χωρίς ντόπινγκ, μοιάζουν σχεδόν με μονωτές, κάτι που είναι το ίδιο για τους ηλεκτρολύτες. Το επίπεδο ρ των υλικών ποικίλλει πολύ.
| Κατηγορίες εξοπλισμού και τύπος υλικού | Περιοχή ειδικής αντίστασης των πιο κοινών υλικών ανάλογα με το ρ |
| Ηλεκτρολύτες | Μεταβλητή |
| Μονωτές | ~ 10 ^ 16 |
| Μέταλλα | ~ 10 ^ -8 |
| Ημιαγωγοί | Μεταβλητή |
| Υπεραγωγοί | 0 |
Συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η αντίσταση αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, υπάρχει ανάγκη να κατανοήσουμε την εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία. Ο λόγος για τον συντελεστή θερμοκρασίας αντίστασης σε έναν αγωγό μπορεί να δικαιολογηθείδιαισθητικά. Η αντίσταση ενός υλικού εξαρτάται από μια σειρά φαινομένων. Ένα από αυτά είναι ο αριθμός των συγκρούσεων που συμβαίνουν μεταξύ φορέων φορτίου και ατόμων στο υλικό. Η ειδική αντίσταση του αγωγού θα αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των συγκρούσεων.
Αυτό μπορεί να μην συμβαίνει πάντα και οφείλεται στο γεγονός ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας απελευθερώνονται πρόσθετοι φορείς φόρτισης, γεγονός που θα οδηγήσει σε μείωση της ειδικής αντίστασης των υλικών. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται συχνά σε ημιαγωγικά υλικά.
Όταν εξετάζουμε την εξάρτηση της αντίστασης από τη θερμοκρασία, συνήθως θεωρείται ότι ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης ακολουθεί έναν γραμμικό νόμο. Αυτό ισχύει για τη θερμοκρασία δωματίου και για τα μέταλλα και πολλά άλλα υλικά. Ωστόσο, έχει βρεθεί ότι τα φαινόμενα οπισθέλκουσας που προκύπτουν από τον αριθμό των συγκρούσεων δεν είναι πάντα σταθερά, ειδικά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (φαινόμενο υπεραγωγιμότητας).
Γράφημα θερμοκρασίας αντίστασης
Η αντίσταση ενός αγωγού σε οποιαδήποτε δεδομένη θερμοκρασία μπορεί να υπολογιστεί από την τιμή θερμοκρασίας και τον συντελεστή αντίστασης θερμοκρασίας του.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), όπου:
- R - αντίσταση;
- Rref - αντίσταση σε θερμοκρασία αναφοράς;
- α- συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης υλικού;
- Tref είναι η θερμοκρασία αναφοράς για την οποία καθορίζεται ο συντελεστής θερμοκρασίας.
Συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης, συνήθως τυποποιημένος σε θερμοκρασία 20 °C. Συνεπώς, η εξίσωση που χρησιμοποιείται συνήθως με πρακτική έννοια είναι:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), όπου:
- R20=αντίσταση στους 20°C;
- α20 - θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης στους 20 °C;
- T20- θερμοκρασία ίση με 20 °C.
ανθεκτικότητα υλικών σε θερμοκρασία δωματίου
Ο παρακάτω πίνακας αντίστασης περιέχει πολλές από τις ουσίες που χρησιμοποιούνται συνήθως στην ηλεκτρική μηχανική, όπως χαλκό, αλουμίνιο, χρυσό και ασήμι. Αυτές οι ιδιότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές επειδή καθορίζουν εάν μια ουσία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων από καλώδια έως πιο σύνθετες συσκευές όπως αντιστάσεις, ποτενσιόμετρα και άλλα.
| Πίνακας ειδικής αντίστασης διαφορετικών υλικών στους 20°C εξωτερική θερμοκρασία | |
| Υλικά | ΟΜ αντίσταση στους 20°C |
| Αλουμίνιο | 2, 8 x 10 -8 |
| Αντιμόνιο | 3, 9 × 10 -7 |
| βισμούθιο | 1, 3 x 10 -6 |
| Brass | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Κάδμιο | 6 x 10 -8 |
| Κοβάλτιο | 5, 6 × 10 -8 |
| Χαλκός | 1, 7 × 10 -8 |
| Χρυσός | 2, 4 x 10 -8 |
| Άνθρακας (γραφίτης) | 1 x 10 -5 |
| Γερμάνιο | 4,6 x 10 -1 |
| Σίδερο | 1,0 x 10 -7 |
| Lead | 1, 9 × 10 -7 |
| Nicrome | 1, 1 × 10 -6 |
| Νίκελ | 7 x 10 -8 |
| Παλλάδιο | 1,0 x 10 -7 |
| Πλατινένιο | 0, 98 × 10 -7 |
| Χαλαζίας | 7 x 10 17 |
| Πυρίτιο | 6, 4 × 10 2 |
| Ασημί | 1, 6 × 10 -8 |
| Ταντάλιο | 1, 3 x 10 -7 |
| Tungsten | 4, 9 x 10 -8 |
| Ψευδάργυρος | 5, 5 x 10 -8 |
Σύγκριση αγωγιμότητας χαλκού και αλουμινίου
Οι αγωγοί αποτελούνται από υλικά που άγουν τον ηλεκτρισμό. Τα μη μαγνητικά μέταλλα θεωρούνται γενικά ιδανικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού. Διάφοροι μεταλλικοί αγωγοί χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία καλωδίων και καλωδίων, αλλά ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι οι πιο συνηθισμένοι. Οι αγωγοί έχουν διαφορετικές ιδιότητες όπως αγωγιμότητα, αντοχή σε εφελκυσμό, βάρος και περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Η ειδική αντίσταση ενός αγωγού χαλκού χρησιμοποιείται πολύ πιο συχνά στην παραγωγή καλωδίων από το αλουμίνιο. Σχεδόν όλα τα ηλεκτρονικά καλώδια είναι κατασκευασμένα από χαλκό, όπως και άλλες συσκευές και εξοπλισμός που χρησιμοποιούν την υψηλή αγωγιμότητα του χαλκού. Οι χάλκινοι αγωγοί χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στα συστήματα διανομής καιπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αυτοκινητοβιομηχανία. Για εξοικονόμηση βάρους και κόστους, οι εταιρείες μεταφοράς χρησιμοποιούν αλουμίνιο στις εναέριες γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας.
Το αλουμίνιο χρησιμοποιείται σε βιομηχανίες όπου η ελαφρότητά του είναι σημαντική, όπως η κατασκευή αεροσκαφών, και αναμένεται να αυξήσει τη χρήση του στην αυτοκινητοβιομηχανία στο μέλλον. Για καλώδια υψηλότερης ισχύος, χρησιμοποιείται σύρμα αλουμινίου με επένδυση χαλκού για να εκμεταλλευτεί την ειδική αντίσταση του χαλκού, κερδίζοντας σημαντική δομική εξοικονόμηση βάρους από το ελαφρύ αλουμίνιο.
Χάλκινοι αγωγοί
Ο χαλκός είναι ένα από τα παλαιότερα γνωστά υλικά. Η ελασιμότητα και η ηλεκτρική του αγωγιμότητα αξιοποιήθηκαν από τους πρώτους ηλεκτρικούς πειραματιστές όπως ο Ben Franklin και ο Michael Faraday. Το χαμηλό ρ των υλικών χαλκού έχει οδηγήσει στο να γίνει αποδεκτό ως ο κύριος αγωγός που χρησιμοποιείται σε εφευρέσεις όπως ο τηλέγραφος, το τηλέφωνο και ο ηλεκτροκινητήρας. Ο χαλκός είναι το πιο κοινό αγώγιμο μέταλλο. Το 1913, υιοθετήθηκε το Διεθνές Πρότυπο για την Ανάφλεξη του Χαλκού (IACS) για τη σύγκριση της αγωγιμότητας άλλων μετάλλων με τον χαλκό.
Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, ο εμπορικά καθαρός ανόπτηση χαλκού έχει αγωγιμότητα 100% IACS. Η ειδική αντίσταση των υλικών συγκρίνεται με το πρότυπο. Ο εμπορικά καθαρός χαλκός που παράγεται σήμερα μπορεί να έχει υψηλότερες τιμές IACS καθώς η τεχνολογία επεξεργασίας έχει προχωρήσει σημαντικά με την πάροδο του χρόνου. Εκτός από την εξαιρετική αγωγιμότητα του χαλκού, το μέταλλο έχει υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, θερμική αγωγιμότητα και θερμική διαστολή. Το ανοπτημένο σύρμα χαλκού που χρησιμοποιείται για ηλεκτρικούς σκοπούς πληροί όλες τις απαιτήσεις του προτύπου.
Αγωγοί αλουμινίου
Παρά το γεγονός ότι ο χαλκός έχει μακρά ιστορία ως υλικό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το αλουμίνιο έχει ορισμένα πλεονεκτήματα που το καθιστούν ελκυστικό για συγκεκριμένες εφαρμογές και η τρέχουσα ειδική του αντίσταση του επιτρέπει να χρησιμοποιείται πολλές φορές. Το αλουμίνιο έχει το 61% της αγωγιμότητας του χαλκού και μόνο το 30% του βάρους του χαλκού. Αυτό σημαίνει ότι ένα σύρμα αλουμινίου ζυγίζει το μισό από ένα σύρμα χαλκού με την ίδια ηλεκτρική αντίσταση.
Το αλουμίνιο τείνει να είναι φθηνότερο σε σύγκριση με τον πυρήνα χαλκού. Οι αγωγοί αλουμινίου αποτελούνται από διάφορα κράματα, έχουν ελάχιστη περιεκτικότητα σε αλουμίνιο 99,5%. Στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, λόγω της υψηλής τιμής του χαλκού, αυτή η ποιότητα αλουμινίου χρησιμοποιήθηκε ευρέως για οικιακές ηλεκτρικές καλωδιώσεις.
Λόγω κακής κατασκευής στις συνδέσεις και φυσικών διαφορών μεταξύ αλουμινίου και χαλκού, οι συσκευές και τα καλώδια που κατασκευάζονται με βάση τις συνδέσεις τους κατέστησαν επικίνδυνα για φωτιά στις επαφές χαλκού-αλουμινίου. Για την εξουδετέρωση της αρνητικής διαδικασίας, έχουν αναπτυχθεί κράματα αλουμινίου με ιδιότητες ερπυσμού και επιμήκυνσης πιο παρόμοιες με τον χαλκό. Αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συρμάτων αλουμινίου, η τρέχουσα αντίσταση των οποίων είναι αποδεκτή για μαζική χρήση, πληρώντας τις απαιτήσεις ασφαλείας για ηλεκτρικά δίκτυα.
Εάν το αλουμίνιο χρησιμοποιείται σε μέρη όπου χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως χαλκός,για να διατηρήσετε το δίκτυο ίσο, πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα σύρμα αλουμινίου διπλάσιο από το χάλκινο σύρμα.
Εφαρμογή ηλεκτρικής αγωγιμότητας υλικών
Πολλά από τα υλικά που βρίσκονται στον πίνακα ειδικής αντίστασης χρησιμοποιούνται ευρέως στα ηλεκτρονικά. Το αλουμίνιο και ιδιαίτερα ο χαλκός χρησιμοποιούνται λόγω του χαμηλού επιπέδου αντίστασής τους. Τα περισσότερα από τα καλώδια και τα καλώδια που χρησιμοποιούνται σήμερα για ηλεκτρικές συνδέσεις είναι κατασκευασμένα από χαλκό, επειδή παρέχει χαμηλό επίπεδο ρ και είναι οικονομικά. Η καλή αγωγιμότητα του χρυσού, παρά την τιμή, χρησιμοποιείται επίσης σε ορισμένα πολύ ακριβή όργανα.
Η επιχρυσωμένη επιμετάλλωση βρίσκεται συχνά σε συνδέσεις χαμηλής τάσης υψηλής ποιότητας, όπου ο στόχος είναι να παρέχεται η χαμηλότερη αντίσταση επαφής. Το ασήμι δεν χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική ηλεκτρική μηχανική καθώς οξειδώνεται γρήγορα και αυτό οδηγεί σε υψηλή αντίσταση επαφής. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το οξείδιο μπορεί να λειτουργήσει ως ανορθωτής. Η αντίσταση του τανταλίου χρησιμοποιείται σε πυκνωτές, το νικέλιο και το παλλάδιο στις ακραίες συνδέσεις για πολλά εξαρτήματα επιφανειακής βάσης. Ο χαλαζίας βρίσκει την κύρια χρήση του ως πιεζοηλεκτρικό στοιχείο συντονισμού. Οι κρύσταλλοι χαλαζία χρησιμοποιούνται ως στοιχεία συχνότητας σε πολλούς ταλαντωτές, όπου η υψηλή τους τιμή καθιστά δυνατή τη δημιουργία αξιόπιστων κυκλωμάτων συχνότητας.
