تعيين المقاومة الكهربائية. مقاومة. المقاومة النوعية

ولذلك، فمن المهم معرفة المعلمات لجميع العناصر والمواد المستخدمة. وليس فقط الكهربائية، ولكن الميكانيكية أيضا. ولديك تحت تصرفك بعض المواد المرجعية الملائمة التي تسمح لك بمقارنة الخصائص مواد مختلفةواختر للتصميم والعمل بالضبط ما سيكون الأمثل في موقف معين.
في خطوط نقل الطاقة، حيث يتم تعيين المهمة بشكل أكثر إنتاجية، أي كفاءة عاليةلتوفير الطاقة للمستهلك، يتم أخذ اقتصاديات الخسائر وآليات الخطوط نفسها بعين الاعتبار. تعتمد النتيجة النهائية على الميكانيكا - أي جهاز وترتيب الموصلات، والعوازل، والدعامات، ومحولات الرفع/الخفض، ووزن وقوة جميع الهياكل، بما في ذلك الأسلاك الممتدة لمسافات طويلة، وكذلك المواد المختارة لكل عنصر هيكلي. الكفاءة الاقتصاديةالخط وتشغيله وتكاليف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، في خطوط نقل الكهرباء، هناك متطلبات أعلى لضمان سلامة الخطوط نفسها وكل شيء حولها حيث تمر. وهذا يضيف تكاليف توفير الأسلاك الكهربائية وهامش أمان إضافي لجميع الهياكل.

لأغراض المقارنة، عادة ما يتم تقليل البيانات إلى نموذج واحد قابل للمقارنة. في كثير من الأحيان، تتم إضافة صفة "محددة" إلى هذه الخصائص، ويتم اعتبار القيم نفسها بناءً على معايير معينة موحدة بواسطة المعلمات المادية. على سبيل المثال، محددة المقاومة الكهربائية- هذه هي المقاومة (أوم) لموصل مصنوع من بعض المعادن (النحاس والألمنيوم والفولاذ والتنغستن والذهب)، وله وحدة طول ومقطع عرضي لوحدة في نظام وحدات القياس المستخدمة (عادةً في SI) . بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد درجة الحرارة، لأنه عند تسخينها، يمكن أن تتصرف مقاومة الموصلات بشكل مختلف. يتم أخذ متوسط ​​ظروف التشغيل العادية كأساس - عند 20 درجة مئوية. وحيثما تكون الخصائص مهمة عند تغيير المعلمات البيئية (درجة الحرارة والضغط)، يتم تقديم المعاملات وتجميع جداول إضافية ورسوم بيانية للتبعية.

أنواع المقاومة

منذ حدوث المقاومة:

• نشط - أو أومي، مقاوم - الناتج عن إنفاق الكهرباء على تسخين الموصل (المعدن) عندما يمر تيار كهربائي عبره، و
• تفاعلية - سعوية أو تحريضية - والتي تحدث من الخسائر الحتمية نتيجة حدوث أي تغيرات في التيار المار بالموصل في مجالات كهربائية، فإن مقاومة الموصل تأتي على نوعين:

1. مقاومة كهربائية محددة للتيار المباشر (ذات طبيعة مقاومة) و
2. مقاومة كهربائية محددة للتيار المتردد (ذات طبيعة تفاعلية).

المقاومة من النوع 2 هنا هي قيمة معقدة؛ فهي تتكون من مكونين TC - نشط ومتفاعل، حيث أن المقاومة المقاومة موجودة دائمًا عند مرور التيار، بغض النظر عن طبيعته، والمقاومة التفاعلية تحدث فقط مع أي تغيير في التيار في الدوائر. في دوائر التيار المستمر، تحدث المفاعلة فقط أثناء العمليات العابرة المرتبطة بتشغيل التيار (تغيير التيار من 0 إلى الاسمي) أو إيقاف التشغيل (الفرق من الاسمي إلى 0). وعادة ما يتم أخذها في الاعتبار فقط عند تصميم الحماية من التحميل الزائد.

في السلاسل التيار المتناوبالظواهر المرتبطة بالتفاعل أكثر تنوعًا. إنها لا تعتمد فقط على المرور الفعلي للتيار عبر مقطع عرضي معين، ولكن أيضًا على شكل الموصل، والاعتماد ليس خطيًا.

والحقيقة هي أن التيار المتردد يدفع الحقل الكهربائيسواء حول الموصل الذي يتدفق من خلاله أو في الموصل نفسه. ومن هذا المجال تنشأ التيارات الدوامية التي تعطي تأثير "دفع" الحركة الرئيسية الفعلية للشحنات من أعماق المقطع العرضي الكامل للموصل إلى سطحه، وهو ما يسمى "تأثير الجلد" (من الجلد - الجلد). اتضح أن التيارات الدوامية "تسرق" مقطعها العرضي من الموصل. يتدفق التيار في طبقة معينة قريبة من السطح، ويظل سمك الموصل المتبقي غير مستخدم، ولا يقلل من مقاومته، وببساطة ليس هناك أي معنى لزيادة سمك الموصلات. خاصة في الترددات العالية. لذلك، بالنسبة للتيار المتردد، يتم قياس المقاومة في أقسام الموصلات حيث يمكن اعتبار قسمها بأكمله قريبًا من السطح. يسمى هذا السلك رفيعًا، وسمكه يساوي ضعف عمق هذه الطبقة السطحية، حيث تحل التيارات الدوامية محل التيار الرئيسي المفيد المتدفق في الموصل.

بالطبع، لا يقتصر تقليل سمك الأسلاك ذات المقطع العرضي المستدير على ذلك التنفيذ الفعالالتيار المتناوب. يمكن تخفيف الموصل ، ولكن في نفس الوقت جعله مسطحًا على شكل شريط ، فسيكون المقطع العرضي أعلى من المقطع العرضي للسلك الدائري ، وبالتالي ستكون المقاومة أقل. بالإضافة إلى ذلك، مجرد زيادة مساحة السطح سيكون له تأثير على زيادة المقطع العرضي الفعال. ويمكن تحقيق نفس الشيء باستخدام سلك تقطعت بهم السبلبدلاً من النواة الواحدة، علاوة على ذلك، تتفوق النواة المتعددة في المرونة على النواة الواحدة، والتي غالبًا ما تكون ذات قيمة أيضًا. من ناحية أخرى، مع الأخذ في الاعتبار تأثير الجلد في الأسلاك، فمن الممكن جعل الأسلاك مركبة عن طريق صنع القلب من معدن يتمتع بخصائص قوة جيدة، على سبيل المثال الفولاذ، ولكن بخصائص كهربائية منخفضة. في هذه الحالة، يتم عمل جديلة من الألومنيوم فوق الفولاذ، الذي يتمتع بمقاومة أقل.

بالإضافة إلى تأثير الجلد، يتأثر تدفق التيار المتردد في الموصلات بإثارة التيارات الدوامة في الموصلات المحيطة. تسمى هذه التيارات بالتيارات الحثية، ويتم تحفيزها في المعادن التي لا تلعب دور الأسلاك (العناصر الهيكلية الحاملة)، وفي أسلاك المجمع الموصل بأكمله - حيث تلعب دور أسلاك المراحل الأخرى المحايدة التأريض.

تحدث كل هذه الظواهر في جميع الهياكل الكهربائية، مما يزيد من أهمية وجود مرجع شامل لمجموعة واسعة من المواد.

المقاومة النوعيةبالنسبة للموصلات، يتم قياسها بأدوات حساسة ودقيقة للغاية، حيث يتم اختيار المعادن ذات المقاومة الأقل لتوصيل الأسلاك - بترتيب أوم * 10 -6 لكل متر من الطول والمربع. مم. أقسام. لقياس مقاومة العزل، تحتاج إلى أدوات، على العكس من ذلك، لها نطاقات من قيم المقاومة الكبيرة جدًا - عادةً ميغا أوم. ومن الواضح أن الموصلات يجب أن تتصرف بشكل جيد، ويجب أن تعزل العوازل بشكل جيد.

طاولة

الحديد كموصل في الهندسة الكهربائية

الحديد هو المعدن الأكثر شيوعًا في الطبيعة والتكنولوجيا (بعد الهيدروجين، وهو معدن أيضًا). وهو أرخص وممتاز خصائص القوةولذلك يستخدم في كل مكان كأساس للقوة تصاميم مختلفة.

في الهندسة الكهربائية، يتم استخدام الحديد كموصل على شكل أسلاك فولاذية مرنة حيث تكون هناك حاجة إلى القوة البدنية والمرونة، ويمكن تحقيق المقاومة المطلوبة من خلال المقطع العرضي المناسب.

بوجود جدول مقاومات المعادن والسبائك المختلفة، يمكنك حساب المقاطع العرضية للأسلاك المصنوعة من موصلات مختلفة.

على سبيل المثال، دعونا نحاول العثور على المقطع العرضي المكافئ كهربائيًا للموصلات المصنوعة من مواد مختلفة: النحاس والتنغستن والنيكل وأسلاك الحديد. لنأخذ سلك الألمنيوم ذو المقطع العرضي 2.5 مم كسلك أولي.

نحتاج إلى أن تكون مقاومة السلك المصنوع من كل هذه المعادن على طول 1 متر مساوية لمقاومة السلك الأصلي. ستكون مقاومة الألومنيوم لكل طول 1 متر وقسم 2.5 مم مساوية

أين ر- مقاومة، ρ - مقاومة المعدن من الطاولة، س- مساحة المقطع العرضي، ل- طول.

بالتعويض بالقيم الأصلية، نحصل على مقاومة قطعة من سلك الألومنيوم طولها متر بالأوم.

بعد ذلك، دعونا نحل صيغة S

سنستبدل القيم من الجدول ونحصل على مساحات المقطع العرضي للمعادن المختلفة.

نظرًا لأن المقاومة في الجدول يتم قياسها على سلك يبلغ طوله 1 مترًا ، بالميكرو أوم لكل قسم 1 مم 2 ، فقد حصلنا عليها بالميكرو أوم. للحصول عليه بالأوم، تحتاج إلى مضاعفة القيمة بمقدار 10 -6. لكننا لا نحتاج بالضرورة إلى الحصول على عدد أوم بـ 6 أصفار بعد العلامة العشرية، لأننا لا نزال نجد النتيجة النهائية بوحدة mm2.

كما ترون، مقاومة الحديد عالية جدًا، والسلك سميك.

ولكن هناك مواد تكون أكبر منها، على سبيل المثال، النيكل أو كونستانتان.

وقد ثبت تجريبيا تلك المقاومة رالموصل المعدني يتناسب طرديا مع طوله لويتناسب عكسيا مع مساحة مقطعه أ:

ر = ρ ل/ أ (26.4)

أين هو المعامل ρ تسمى المقاومة وهي بمثابة خاصية للمادة التي يصنع منها الموصل. إنه يتوافق الفطرة السليمة: يجب أن تكون مقاومة السلك السميك أقل من مقاومة السلك الرقيق لأنه في السلك السميك يمكن للإلكترونات أن تتحرك على مساحة أكبر. ويمكننا أن نتوقع زيادة في المقاومة مع زيادة طول الموصل، مع زيادة عدد العوائق التي تعترض تدفق الإلكترونات.

القيم النمطية ρ للمواد المختلفة الواردة في العمود الأول من الجدول. 26.2. (تختلف القيم الفعلية حسب النقاء والمعالجة الحرارية ودرجة الحرارة وعوامل أخرى.)

تتمتع الفضة بأدنى مقاومة، وبالتالي فهي أفضل موصل؛ ومع ذلك فهو مكلف. النحاس أدنى قليلاً من الفضة. من الواضح لماذا تصنع الأسلاك في أغلب الأحيان من النحاس.

يتمتع الألومنيوم بمقاومة أعلى من النحاس، ولكن كثافته أقل بكثير ويفضل في بعض التطبيقات (على سبيل المثال، في خطوط الكهرباء) لأن مقاومة أسلاك الألومنيوم التي لها نفس الكتلة أقل من مقاومة النحاس. غالبًا ما يتم استخدام مقلوب المقاومة:

σ = 1/ρ (26.5)

σ تسمى الموصلية المحددة. يتم قياس الموصلية النوعية بالوحدات (أوم م) -1.

تعتمد مقاومة المادة على درجة الحرارة. كقاعدة عامة، تزداد مقاومة المعادن مع درجة الحرارة. لا ينبغي أن يكون هذا مفاجئًا: مع ارتفاع درجة الحرارة، تتحرك الذرات بشكل أسرع، ويصبح ترتيبها أقل تنظيمًا، ويمكننا أن نتوقع تداخلها بشكل أكبر مع تدفق الإلكترونات. في نطاقات درجات الحرارة الضيقة، تزداد مقاومة المعدن بشكل خطي تقريبًا مع درجة الحرارة:

أين ρ ت- المقاومة عند درجة الحرارة ت, ρ 0 - المقاومة عند درجة الحرارة القياسية ت 0، أ α - معامل درجة الحرارة للمقاومة (TCR). يتم إعطاء قيم a في الجدول. 26.2. لاحظ أنه بالنسبة لأشباه الموصلات، يمكن أن يكون TCR سالبًا. وهذا أمر واضح، لأنه مع زيادة درجة الحرارة يزداد عدد الإلكترونات الحرة وتحسن خصائص توصيل المادة. وبالتالي، فإن مقاومة أشباه الموصلات قد تنخفض مع زيادة درجة الحرارة (وإن لم يكن ذلك دائمًا).

تعتمد قيم a على درجة الحرارة، لذا يجب الانتباه إلى نطاق درجة الحرارة الذي تقع ضمنه قيمة معينة(على سبيل المثال، وفقا لكتاب مرجعي للكميات الفيزيائية). إذا تبين أن نطاق التغيرات في درجات الحرارة واسع، فسيتم انتهاك الخطية، وبدلاً من (26.6) من الضروري استخدام تعبير يحتوي على مصطلحات تعتمد على القوى الثانية والثالثة لدرجة الحرارة:

ρ ت = ρ 0 (1+αT+ + βT 2 + γT 3),

أين هي المعاملات β و γ عادة ما تكون صغيرة جدًا (نضعها ت 0 = 0 درجة مئوية)، ولكن بشكل عام تتصبح مساهمات هؤلاء الأعضاء كبيرة.

في جدا درجات الحرارة المنخفضةآه مقاومة بعض المعادن وكذلك السبائك والمركبات تنخفض إلى الصفر في دقة القياسات الحديثة. وتسمى هذه الخاصية الموصلية الفائقة؛ وقد لاحظها لأول مرة الفيزيائي الهولندي جيكي كامرلينج أونيس (1853-1926) في عام 1911 عندما تم تبريد الزئبق إلى ما دون 4.2 كلفن. وعند درجة الحرارة هذه، انخفضت المقاومة الكهربائية للزئبق فجأة إلى الصفر.

تدخل الموصلات الفائقة إلى حالة التوصيل الفائق تحت درجة حرارة التحول، والتي تكون عادة بضع درجات كلفن (أعلى بقليل من الصفر المطلق). ولوحظ تيار كهربائي في حلقة فائقة التوصيل، والتي لم تضعف عمليا في غياب الجهد لعدة سنوات.

في السنوات الاخيرةتتم دراسة الموصلية الفائقة بشكل مكثف من أجل توضيح آليتها وإيجاد المواد التي تظهر الموصلية الفائقة في درجات الحرارة المرتفعة. درجات حرارة عاليةلتقليل التكلفة والإزعاج الناتج عن الاضطرار إلى التبريد إلى درجات حرارة منخفضة جدًا. تم إنشاء أول نظرية ناجحة للموصلية الفائقة من قبل باردين وكوبر وشرايفر في عام 1957. وتستخدم الموصلات الفائقة بالفعل في المغناطيسات الكبيرة، حيث يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة تيار كهربائي (انظر الفصل 28)، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة. وبطبيعة الحال، فإن الحفاظ على الموصل الفائق عند درجة حرارة منخفضة يتطلب أيضًا طاقة.

يتم قبول التعليقات والاقتراحات ومرحبا بكم!

لكل موصل هناك مفهوم المقاومة. تتكون هذه القيمة من أوم مضروبًا في المليمتر المربع، ثم مقسومًا على متر واحد. بمعنى آخر، هذه هي مقاومة موصل طوله 1 متر ومقطعه العرضي 1 مم2. وينطبق الشيء نفسه على مقاومة النحاس، وهو معدن فريد يستخدم على نطاق واسع في الهندسة الكهربائية والطاقة.

خصائص النحاس

نظرًا لخصائصه، كان هذا المعدن من أوائل المعادن التي تم استخدامها في مجال الكهرباء. أولاً وقبل كل شيء، يعتبر النحاس مادة قابلة للطرق والسحب وذات خصائص توصيل كهربائي ممتازة. لا يوجد حتى الآن بديل مكافئ لهذا الموصل في قطاع الطاقة.

خصائص خاصة النحاس كهربائيامع درجة نقاء عالية. جعلت هذه المادة من الممكن إنتاج أسلاك بسماكة لا تقل عن 10 ميكرون.

بالإضافة إلى الموصلية الكهربائية العالية، فإن النحاس مناسب جدًا للتعليب وأنواع المعالجة الأخرى.

النحاس ومقاومته

يُظهر أي موصل مقاومة إذا مر تيار كهربائي من خلاله. تعتمد القيمة على طول الموصل ومقطعه العرضي، وكذلك على تأثير درجات حرارة معينة. ولذلك، فإن مقاومة الموصلات لا تعتمد فقط على المادة نفسها، ولكن أيضًا على طولها المحدد ومساحة مقطعها العرضي. كلما كانت المادة أسهل في السماح للشحنة بالمرور عبر نفسها، انخفضت مقاومتها. بالنسبة للنحاس، تبلغ المقاومة 0.0171 أوم × 1 مم 2/1 م وهي أقل قليلاً من الفضة. ومع ذلك، فإن استخدام الفضة في النطاق الصناعيغير مربح اقتصاديًا، لذلك يعتبر النحاس أفضل موصل يستخدم في الطاقة.

ترتبط مقاومة النحاس أيضًا بموصليته العالية. هذه القيم تتعارض مباشرة مع بعضها البعض. تعتمد خصائص النحاس كموصل أيضًا على معامل درجة حرارة المقاومة. هذا ينطبق بشكل خاص على المقاومة، والتي تتأثر بدرجة حرارة الموصل.

وهكذا، نظرًا لخصائصه، أصبح النحاس منتشرًا على نطاق واسع ليس فقط كموصل. يستخدم هذا المعدن في معظم الأدوات والأجهزة والوحدات التي يرتبط تشغيلها بالتيار الكهربائي.

أو دائرة كهربائية لتيار كهربائي.

يتم تعريف المقاومة الكهربائية على أنها معامل التناسب ربين الجهد شوقوة العاصمة أنافي قانون أوم لقسم من الدائرة.

وحدة المقاومة تسمى أوم(أوم) تكريما للعالم الألماني ج. أوم الذي أدخل هذا المفهوم في الفيزياء. واحد أوم (1 أوم) هو مقاومة هذا الموصل الذي يكون عند الجهد 1 فيالتيار يساوي 1 أ.

المقاومة النوعية.

تعتمد مقاومة الموصل المتجانس ذو المقطع العرضي الثابت على مادة الموصل وطوله لوالمقطع العرضي سويمكن تحديدها بواسطة الصيغة:

أين ρ - المقاومة النوعية للمادة التي يصنع منها الموصل.

مقاومة محددة للمادة- هذه كمية فيزيائية توضح مقدار مقاومة الموصل المصنوع من هذه المادة بوحدة الطول ووحدة مساحة المقطع العرضي.

من الصيغة يتبع ذلك

القيمة المتبادلة ρ ، مُسَمًّى التوصيل σ :

بما أن وحدة المقاومة في النظام الدولي للوحدات هي 1 أوم. وحدة المساحة هي 1 م2، ووحدة الطول هي 1 م، فوحدة المقاومة في النظام الدولي ستكون 1 أوم · م2/م، أو 1 أوم م. وحدة الموصلية في SI هي أوم -1 م -1 .

في الممارسة العملية، غالبا ما يتم التعبير عن مساحة المقطع العرضي للأسلاك الرفيعة بالمليمتر المربع (مم2). في هذه الحالة، وحدة المقاومة الأكثر ملاءمة هي أوم مم 2 /م. بما أن 1 مم2 = 0.000001 م2، إذن 1 أوم مم2 /م = 10 -6 أوم م. تتمتع المعادن بمقاومة منخفضة جدًا - حوالي (1·10 -2) أوم·مم 2 /م، المواد العازلة - 10 15 -10 20 أكبر.

اعتماد المقاومة على درجة الحرارة.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد مقاومة المعادن. ومع ذلك، هناك سبائك لا تتغير مقاومتها تقريبا مع زيادة درجة الحرارة (على سبيل المثال، كونستانتان، مانجانين، إلخ). تقل مقاومة الإلكتروليتات مع زيادة درجة الحرارة.

معامل درجة الحرارة للمقاومةالموصل هو نسبة التغير في مقاومة الموصل عند تسخينه بمقدار 1 درجة مئوية إلى قيمة مقاومته عند 0 درجة مئوية:

.

يتم التعبير عن اعتماد مقاومة الموصلات على درجة الحرارة بالصيغة:

.

على العموم α يعتمد على درجة الحرارة، ولكن إذا كان نطاق درجة الحرارة صغيرًا، فيمكن اعتبار معامل درجة الحرارة ثابتًا. للمعادن النقية α = (1/273)ك -1. للحلول المنحل بالكهرباء α < 0 . على سبيل المثال، لمحلول 10٪ من ملح الطعام α = -0.02 ك -1. للكونستانتان (سبائك النحاس والنيكل) α = 10 -5 ك -1.

يتم استخدام اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة في موازين الحرارة المقاومة.

إحدى الكميات الفيزيائية المستخدمة في الهندسة الكهربائية هي المقاومة الكهربائية. عند النظر في مقاومة الألومنيوم، يجب أن نتذكر أن هذه القيمة تميز قدرة المادة على منع مرور التيار الكهربائي من خلالها.

مفاهيم المقاومة

تسمى القيمة المقابلة للمقاومة المحددة بالموصلية المحددة أو الموصلية الكهربائية. المقاومة الكهربائية العادية مميزة فقط للموصل، والمقاومة الكهربائية المحددة مميزة فقط لمادة معينة.

كقاعدة عامة، يتم حساب هذه القيمة للموصل الذي له بنية متجانسة. لتحديد الموصلات الكهربائية المتجانسة، يتم استخدام الصيغة:

يكمن المعنى المادي لهذه الكمية في مقاومة معينة لموصل متجانس بطول وحدة معينة ومساحة مقطع عرضي. وحدة القياس هي وحدة النظام الدولي Om.m أو الوحدة غير النظامية Om.mm2/m. الوحدة الأخيرة تعني أن الموصل المصنوع من مادة متجانسة، طوله 1 متر، ومساحة مقطعه 1 مم2، ستكون مقاومته 1 أوم. وبالتالي، يمكن حساب مقاومة أي مادة باستخدام مقطع من دائرة كهربائية بطول 1 متر، ويكون مقطعها العرضي 1 مم2.

مقاومة المعادن المختلفة

كل معدن له خصائصه الفردية. إذا قارنا مقاومة الألومنيوم، على سبيل المثال، مع النحاس، يمكننا أن نلاحظ أن هذه القيمة بالنسبة للنحاس هي 0.0175 أوم.مم2/م، وبالنسبة للألمنيوم فهي 0.0271 أوم.مم2/م. وبالتالي، فإن مقاومة الألومنيوم أعلى بكثير من مقاومة النحاس. ويترتب على ذلك أن الموصلية الكهربائية أعلى بكثير من تلك الخاصة بالألمنيوم.

تتأثر قيمة المقاومة للمعادن بعوامل معينة. على سبيل المثال، أثناء التشوه، يتم انتهاك بنية الشبكة البلورية. وبسبب العيوب الناتجة تزداد مقاومة مرور الإلكترونات داخل الموصل. وبالتالي تزداد مقاومة المعدن.

درجة الحرارة لها تأثير أيضا. عند تسخينها، تبدأ عقد الشبكة البلورية في الاهتزاز بقوة أكبر، وبالتالي زيادة المقاومة. حاليا، بسبب المقاومة العالية، أسلاك الألمنيوميتم استبدالها عالميًا بالنحاس، الذي يتمتع بموصلية أعلى.