таблица удельного сопротивления меди, алюминия и других металлов
Как нам известно из закона Ома, ток на участке цепи находится в следующей зависимости: I=U/R. Закон был выведен в результате серии экспериментов немецким физиком Георгом Омом в XIX веке. Он заметил закономерность: сила тока на каком-либо участке цепи прямо зависит от напряжения, которое к этому участку приложено, и обратно — от его сопротивления.
- Проводимость и сопротивление
- Проводники и диэлектрики
- Зависимость от факторов внешней среды
- Удельное сопротивление различных проводников
Позже было установлено, что сопротивление участка зависит от его геометрических характеристик следующим образом: R=ρl/S,
где l- длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, а ρ — некий коэффициент пропорциональности.
Таким образом, сопротивление определяется геометрией проводника, а также таким параметром, как удельное сопротивление (далее — у.
с.) — так назвали этот коэффициент. Если взять два проводника с одинаковым сечением и длиной и поставить их в цепь по очереди, то, измеряя силу тока и сопротивление, можно увидеть, что в двух случаях эти показатели будут разными. Таким образом, удельное
Проводимость и сопротивление
У.с. показывает способность вещества препятствовать прохождению тока. Но в физике есть и обратная величина — проводимость. Она показывает способность проводить электрический ток. Выглядит она так:
σ=1/ρ, где ρ — это и есть удельное сопротивление вещества.
Если говорить о проводимости, то она определяется характеристиками носителей зарядов в этом веществе. Так, в металлах есть свободные электроны. На внешней оболочке их не больше трех, и атому выгоднее их «отдать», что и происходит при химических реакциях
с веществами из правой части таблицы Менделеева.
В ситуации же, когда мы располагаем чистым металлом, он имеет кристаллическую структуру, в которой эти наружные электроны общие. Они-то и переносят заряд, если приложить к металлу электрическое поле.В растворах носителями заряда являются ионы.
Если говорить о таких веществах, как кремний, то по своим свойствам он является полупроводником и работает несколько по иному принципу, но об этом позже. А пока разберемся, чем же отличаются такие классы веществ, как:
- Проводники;
- Полупроводники;
- Диэлектрики.
Проводники и диэлектрики
Есть вещества, которые ток почти не проводят. Они называются диэлектриками. Такие вещества способны поляризоваться в электрическом поле, то есть их молекулы могут поворачиваться в этом поле в зависимости от того, как распределены в них электроны. Но поскольку электроны эти не являются свободными, а служат для связи между атомами, ток они не проводят.
8 Ом.
Между этими двумя классами существуют вещества, называемые полупроводниками. Но выделение их в отдельную группу веществ связано не столько с их промежуточным состоянием в линейке «проводимость — сопротивление», сколько с особенностями этой проводимости в различных условиях.
Зависимость от факторов внешней среды
Проводимость — не совсем постоянная величина. Данные в таблицах, откуда берут ρ для расчетов, существуют для нормальных условий среды, то есть для температуры 20 градусов. В реальности для работы цепи сложно подобрать такие идеальные условия; фактически у.с. (а стало быть, и проводимость) зависят от следующих факторов:
- температура;
- давление;
- наличие магнитных полей;
- свет;
- агрегатное состояние.
Разные вещества имеют свой график изменения этого параметра в разных условиях. Так, ферромагнетики (железо и никель) увеличивают его при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля.
Что касается температуры, то зависимость здесь почти линейная (существует даже понятие температурного коэффициента сопротивления, и это тоже табличная величина). Но направление этой зависимости различно: у металлов оно повышается с повышением температуры, а у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается — и это в пределах одного агрегатного состояния.
Здесь представлены удельное сопротивление меди, платины и железа. Немного другой график у некоторых металлов, например, ртути — при понижении температуры до 4 К она теряет его почти полностью (такое явление называется сверхпроводимостью).
А для полупроводников эта зависимость будет примерно такая:
При переходе в жидкое состояние ρ металла увеличивается, а вот дальше все они ведут себя по-разному.
Например, у расплавленного висмута оно ниже, чем при комнатной температуре, а у меди — в 10 раз выше нормального. Никель выходит из линейного графика еще при 400 градусах, после чего ρ падает.
Зато у вольфрама температурная зависимость настолько высока, что это становится причиной перегорания ламп накаливания. При включении ток нагревает спираль, и ее сопротивление увеличивается в несколько раз.
Также у. с. сплавов зависит от технологии их производства. Так, если мы имеем дело с простой механической смесью, то сопротивление такого вещества можно посчитать по среднему, а вот оно же у сплава замещения (это когда два и более элемента складываются в одну кристаллическую решетку) будет иным, как правило, куда большим. Например, нихром, из которого делают спирали для электроплиток, имеет такую цифру этого параметра, что этот проводник при включении в цепь греется до красноты (из-за чего, собственно, и используется).
Вот характеристика ρ углеродистых сталей:
Как видно, при приближении к температуре плавления оно стабилизируется.
-8
Как видно из таблицы, лучший проводник — это серебро. И только его стоимость мешает массово применять его в производстве кабеля. У.с. алюминия тоже небольшое, но меньше, чем у золота. Из таблицы становится понятно, почему проводка в домах либо медная, либо алюминиевая.
В таблицу не включен никель, у которого, как мы уже сказали, немного необычный график зависимости у. с. от температуры. Удельное сопротивление никеля после повышения температуры до 400 градусов начинает не расти, а падать. Интересно он ведет себя и в других сплавах замещения. Вот так ведет себя сплав меди и никеля в зависимости от процентного соотношения того и другого:
А этот интересный график показывает сопротивление сплавов Цинк — магний:
В качестве материалов для изготовления реостатов используют высокоомные сплавы, вот их характеристики:
| сплав | удельное сопротивление |
| манганин | 4,82*10^-7 |
| константан | 4,9*10^-7 |
| нихром | 1,1*10^-6 |
| фехраль | 1,2*10^-6 |
| хромаль | 1,2*10^-6 |
Это сложные сплавы, состоящие из железа, алюминия, хрома, марганца, никеля.
-7 Ом · м.
Разница между у. с. различных проводников определяет и их применение. Так, медь и алюминий массово применяются при производстве кабеля, а золото и серебро — в качестве контактов в ряде радиотехнических изделий. Высокоомные проводники нашли свое место среди производителей электроприборов (точнее, они и создавались для этого).
Изменчивость этого параметра в зависимости от условий внешней среды легла в основу таких приборов, как датчики магнитного поля, терморезисторы, тензодатчики, фоторезисторы.
Проводниковые металлы и сплавы
Проводниковые металлы и сплавы должны обладать высокой электропроводностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемостью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии.
После серебра наиболее высокой электропроводностью обладают медь и алюминий. Они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди.
Но плотность алюминия мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводимости 1 кг меди. Следовательно, алюминий экономически более выгоден для использования в качестве проводникового материала.
Применяемые в настоящее время проводниковые материалы можно разделить на следующие группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий, проводниковые сплавы, проводниковое железо, сверхпроводники.
Проводниковая медь. При наличии в меди даже небольшого количества примесей ее электропроводность быстро уменьшается (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Влияние примесей на электропроводность меди
Для изготовления электрических проводов применяют электролитическую (катодную) медь, с суммарным содержанием примесей не более 0,05%. Катоды переплавляются в слитки, при этом содержание примесей в меди повышается. Проводниковая медь марки Ml должна содержать не более 0,1% примесей, в том числе не более, %: 0,001 Bi; 0,002 Sb; 0,002 As; 0,005 Fe; 0,002 Ni; 0,005 Pb; 0,002 Sn; 0,005 S; 0,05 O; 0,003 Ag.
Фосфор для раскисления меди марки М1 не применяется.
Проводниковая медь имеет в отожженном состоянии имеет предел прочности 270 МПа. Предел прочности меди может быть повышен до 480 МПа путем холодной деформации, но при этом ее удельное сопротивление увеличивается (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Зависимость механических свойств и удельного электрического сопротивления меди марки М1 от степени деформации
Проводниковый алюминий. Недостатком алюминия является его срав-нительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому при изготовлении проводов его упрочняют путем холодной деформации. В этом случае предел прочности составляет 250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению, которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.
Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, Al, A2.
Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей, из которых основными являются железо и кремний (таблица 3.1).
Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его сопротивления обычно не применяется, так как холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 – 98% электропроводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандартной меди.
Проводниковые сплавы. В тех случаях, когда требуется повышенная прочность или специальные свойства (например, повышенное сопротивление истиранию), применяют сплавы на алюминиевой и медной основе. Композицию сплавов подбирают таким образом, чтобы легирующий металл не растворялся в основном металле, а упрочнение сплавов достигалось за счет интерметаллических фаз.
Проводниковое железо. Удельное электрическое сопротивление железа в 7 – 8 раз выше, чем у меди. Тем не менее, железо применяют в промышленности, т.
к. оно является недефицитным материалом и имеет повышенную механическую прочность. При использовании железа в качестве проводникового материала оно должно быть достаточно чистым. Обычно для этих целей применяют армко-железо.
Железо используют при изготовлении биметаллических проводов, в этом случае сердцевину провода изготовляют из железа, а поверхностный слой из материала, имеющего более высокую электрическую проводимость (медь, алюминий).
- ← Раздел 2.5
- Раздел 3.2.1 →
Сталь плакированная медью (40%) | Fisk Alloy
Сталь с медным покрытием (CCS) представляет собой композитный проводящий материал, содержащий сердечник из низкоуглеродистой стали, окруженный медью. Медь обеспечивает электропроводность, а сталь придает проводнику прочность. Наиболее распространенный сорт CCS, используемый для электрических проводников, имеет номинальную электропроводность 40% по IACS. CCS подходит для применений, где требуется высокая прочность и средняя проводимость.
Сталь, плакированная медью, также подходит для приложений с высокочастотными сигналами, поскольку токи высокой частоты проходят в основном по внешней оболочке проводника.
CCS может поставляться без покрытия или с покрытием из серебра, никеля или олова.
Английские единицы Метрические единицы
Физические свойства
| Жестко вытянутый | Мягкий | |
| Растяжение | 110 тысяч фунтов на квадратный дюйм | 45 тысяч фунтов на квадратный дюйм |
| Удлинение | 1% | 10% |
| Электропроводность | 39% IACS* при 68°F | 39% IACS* при 68°F |
| Удельное электрическое сопротивление | 26,45 мил Ом/фут при 68°F | 26,45 мил Ом/фут при 68°F |
| Точка плавления | — | — |
| Плотность | 0,294 фунта/дюйм³ | 0,294 фунта/дюйм³ |
| Тепловой коэффициент сопротивления | 0,00210 на °F | 0,00210 на °F |
19-рядные концентрические конструкции
| Углеродистый углерод без покрытия (40%) — Закалка | ||||||
| AWG | Константа | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв СТРГ (фунт) | |
Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | ||
| 18 | 19/30 | 0,0495 | 0,0505 | 14,5 | 5,47 | 160,9 |
| 20 | 19/32 | 0,0395 | 0,0405 | 22,7 | 3,51 | 102,4 |
| 22 | 19/34 | 0,0310 | 0,0320 | 37,0 | 2,20 | 63,1 |
| 24 | 19/36 | 0,0245 | 0,0255 | 58,8 | 1,39 | 39,4 |
| 26 | 19/38 | 0,0195 | 0,0205 | 92,9 | 0,899 | 25,0 |
| 28 | 19/40 | 0,0150 | 0,0160 | 157,1 | 0,548 | 14,8 |
| CCS без покрытия (40%) — Soft Temper | ||||||
| AWG | Константа | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв StrG (фунт) | |
Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | ||
| 18 | 19/30 | 0,0495 | 0,0505 | 14,5 | 5,47 | 65,8 |
| 20 | 19/32 | 0,0395 | 0,0405 | 22,7 | 3,51 | 41,9 |
| 22 | 19/34 | 0,0310 | 0,0320 | 37,0 | 2,20 | 25,8 |
| 24 | 19/36 | 0,0245 | 0,0255 | 58,8 | 1,39 | 16,1 |
| 26 | 19/38 | 0,0195 | 0,0205 | 92,9 | 0,899 | 10,2 |
| 28 | 19/40 | 0,0150 | 0,0160 | 157,1 | 0,548 | 6.04 |
7-рядные конструкции
| Углеродистый углерод без покрытия (40%) — Закалка | ||||||
| AWG | Константа | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв StrG (фунт) | |
Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | ||
| 22 | 30.07 | 0,0297 | 0,0303 | 39,1 | 2.01 | 59,2 |
| 24 | 7/32 | 0,0237 | 0,0243 | 61,1 | 1,28 | 37,7 |
| 26 | 7/34 | 0,0186 | 0,0192 | 99,3 | 0,803 | 23,2 |
| 28 | 7/36 | 0,0147 | 0,0153 | 159,0 | 0,510 | 14,5 |
| 30 | 7/38 | 0,0117 | 0,0123 | 250,1 | 0,328 | 9.20 |
| 32 | 7/40 | 0,0090 | 0,0096 | 424.1 | 0,201 | 5,44 |
| CCS (40%) — МЯГКИЙ ЗАКАЛ | ||||||
| AWG | Константа | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв StrG (фунт) | |
Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | ||
| 22 | 30.07 | 0,0297 | 0,0303 | 39,1 | 2.01 | 24,2 |
| 24 | 7/32 | 0,0237 | 0,0243 | 61,1 | 1,28 | 15,4 |
| 26 | 7/34 | 0,0186 | 0,0192 | 99,3 | 0,803 | 9,50 |
| 28 | 7/36 | 0,0147 | 0,0153 | 159,0 | 0,510 | 5,94 |
| 30 | 7/38 | 0,0117 | 0,0123 | 250,1 | 0,328 | 3,76 |
| 32 | 7/40 | 0,0090 | 0,0096 | 424.1 | 0,201 | 2,23 |
Односторонние конструкции
| CCS с никелированным покрытием (40%) — твердый/мягкий | ||||||||
| AWG | СТД Пластина % | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв StrG Жесткий (фунт) | Усил. разрыва Мягкий (фунт) | ||
| Номинальный номер | Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | Мин. | ||
| 30 | 2 | 0,0101 | 0,0099 | 0,0103 | 281,1 | 0,298 | 8,47 | 3,46 |
| 31 | 4 | 0,0090 | 0,0088 | 0,0092 | 363,4 | 0,238 | 6,69 | 2,74 |
| 32 | 4 | 0,0081 | 0,0079 | 0,0083 | 450,9 | 0,194 | 5,39 | 2,21 |
| 33 | 4 | 0,0071 | 0,0069 | 0,0073 | 574,2 | 0,154 | 4,23 | 1,73 |
| 34 | 4 | 0,0064 | 0,0062 | 0,0066 | 732,0 | 0,121 | 3,32 | 1,36 |
| 35 | 4 | 0,0057 | 0,0055 | 0,0059 | 930. 2 | 0,0966 | 2,61 | 1,07 |
| 36 | 4 | 0,0051 | 0,0049 | 0,0053 | 1 172 | 0,0779 | 2,07 | 0,849 |
| 37 | 7 | 0,0046 | 0,0044 | 0,0048 | 1 501 | 0,0639 | 1,67 | 0,684 |
| 38 | 7 | 0,0041 | 0,0039 | 0,0043 | 1 911 | 0,0513 | 1,31 | 0,538 |
| 39 | 7 | 0,0036 | 0,0034 | 0,0038 | 2 514 | 0,0401 | 0,999 | 0,409 |
| 40 | 7 | 0,0032 | 0,0030 | 0,0034 | 3 230 | 0,0321 | 0,778 | 0,318 |
| Посеребренный CCS (40%) | ||||||||
| AWG | СТД Пластина % | Диаметр (дюйм) | Сопротивление (Ом/м·фут) | Вес (фунт/метр) | Перерыв StrG Жесткий (фунт) | Усил. разрыва Мягкий (фунт) | ||
| Номинал | Мин. | Максимум | Максимум | Максимум | Мин. | Мин. | ||
| 30 | 3 | 0,0100 | 0,0099 | 0,0101 | 269.9 | 0,288 | 8,47 | 3,46 |
| 31 | 3 | 0,0089 | 0,0088 | 0,0090 | 341,6 | 0,229 | 6,69 | 2,74 |
| 32 | 4 | 0,0080 | 0,0079 | 0,0081 | 423,8 | 0,185 | 5,39 | 2,21 |
| 33 | 4 | 0,0071 | 0,0070 | 0,0072 | 539,8 | 0,147 | 4,23 | 1,73 |
| 34 | 4 | 0,0063 | 0,0062 | 0,0064 | 688,1 | 0,116 | 3,32 | 1,36 |
| 35 | 5 | 0,0056 | 0,0055 | 0,0057 | 874,4 | 0,0921 | 2,61 | 1,07 |
| 36 | 5 | 0,0050 | 0,0049 | 0,0051 | 1 102 | 0,0739 | 2,07 | 0,849 |
| 37 | 6. 1 | 0,0045 | 0,0044 | 0,0046 | 1 366 | 0,0602 | 1,67 | 0,684 |
| 38 | 6.1 | 0,0040 | 0,0039 | 0,0041 | 1 739 | 0,0479 | 1,31 | 0,538 |
| 39 | 8 | 0,0035 | 0,0034 | 0,0036 | 2 288 | 0,0370 | 0,999 | 0,409 |
| 40 | 8 | 0,0031 | 0,0030 | 0,0032 | 2 939 | 0,0293 | 0,778 | 0,318 |
Для получения полной версии технических характеристик продукта, включая химический состав в американских и метрических единицах, загрузите PDF-файл.
Что такое теплопроводность?
Медь известна многими свойствами: коррозионной стойкостью, электропроводностью, противомикробными свойствами, возможностью вторичной переработки и теплопроводностью.
Но что такое теплопроводность и почему она так важна для определенных отраслей? Давайте посмотрим вместе.
Вы когда-нибудь внимательно рассматривали чайник и сомневались в его конструкции? Хотя большая часть этого предмета сделана из нержавеющей стали, ручка и крышка часто изготавливаются из пластика. Почему это? Ну, причина кроется в разной теплопроводности двух материалов. Нержавеющая сталь, как и практически все металлы, хорошо проводит тепло. Это важно для чайника, так как его задача — нагревать воду. Тем не менее, вы не хотите обжечь руки при кипячении воды. Поэтому ручка сделана из пластика, так как этот материал очень плохо проводит тепло. Таким образом, чайник выполняет именно ту цель, которую он должен выполнять.
Старинный медный чайник с деревянной ручкой
Что такое теплопроводность металлов? Теплопроводность определяется как способность передавать тепло от горячего объекта к холодному объекту. Каждый материал имеет разную теплопроводность.
Это зависит от трех факторов: пористости, содержания воды и плотности. В неметаллических твердых телах теплопроводность в значительной степени основана на механическом соединении соседних атомов и связанной с этим передачей колебательной энергии.
С другой стороны, в металлах электроны проводимости в значительной степени ответственны за теплопроводность. Те же самые электроны проводимости ответственны за электронную проводимость. Они гарантируют, что металлы имеют очень хорошую теплопроводность.
Свободные электроны сталкиваются с частицами решетки. Поскольку они вибрируют более сильно в точке нагрева, они передают часть своей избыточной энергии другим электронам при ударе. Они могут свободно перемещаться в решетке металла и, следовательно, передавать ранее поглощенную дополнительную энергию частицам решетки вне точки нагрева при их столкновении с ними. Твердые тела, которые не состоят из металла, не имеют свободных электронов — поэтому они не проводят электрический ток — и поэтому гораздо хуже проводят тепло.
Медь очень хорошо проводит электричество и используется для изготовления электрических кабелей во многих областях. Гораздо менее известно, что медь также хорошо проводит тепло. И не случайно кастрюли и сковороды из меди пользуются популярностью для приготовления пищи.
Лишь немногие материалы лучше проводят тепло, чем медь. Одним из них, например, является алмаз. Ни один другой материал не обладает лучшей теплопроводностью, чем алмаз. Алмаз достигает своей непревзойденной теплопроводности благодаря своей уникальной кристаллической структуре – схеме расположения атомов. В отличие от металлов, в алмазах тепло переносится колебаниями решетки, а не электронами проводимости.
Из-за своей высокой теплопроводности медь является популярным материалом для труб отопления.
Серебро – единственный металл, имеющий более высокую теплопроводность, чем медь. Однако он лишь незначительно выше. А поскольку и алмаз, и серебро довольно дороги для покупки, медь является наиболее часто используемым металлом для изготовления проводящих устройств.