Мысты алюминийден де ауыр металл десе, олардың тығыздығын салыстырады. Сол сияқты, мыс алюминийден жақсы өткізгіш деп айтса, олардың меншікті кедергісі (ρ) салыстырылады, оның мәні белгілі бір үлгінің өлшеміне немесе пішініне байланысты емес - тек материалдың өзіне ғана байланысты.
Теориялық негіздеу
Меншікті кедергі – материалдың берілген өлшемі үшін электр өткізгіштікке қарсылық өлшемі. Оның қарама-қарсысы - электр өткізгіштігі. Металдар жақсы электр өткізгіштер (өткізгіштігі жоғары және ρ мәні төмен), ал бейметалдар әдетте нашар өткізгіштер (өткізгіштігі төмен және ρ мәні жоғары).
Неғұрлым таныс жылу электр кедергісі материалдың электр тогын өткізу қаншалықты қиын екенін өлшейді. Бұл бөліктің өлшеміне байланысты: материалдың ұзағырақ немесе тар бөлігі үшін қарсылық жоғары. Әсерді жою үшінкедергіден өлшемі, сымның кедергісі пайдаланылады - бұл өлшемге байланысты емес материалдық қасиет. Көптеген материалдардың кедергісі температураға байланысты артады. Ерекшелік - жартылай өткізгіштер (мысалы, кремний), оларда ол температураға қарай төмендейді.
Материалдың жылуды өткізу жеңілдігі жылу өткізгіштікпен өлшенеді. Бірінші бағалау ретінде жақсы электр өткізгіштер де жақсы жылу өткізгіштер болып табылады. Қарсылық r символымен бейнеленеді, ал оның бірлігі омметр болып табылады. Таза мыстың кедергісі 1,7×10 -8 Ом. Бұл өте аз сан - 0 000 000 017 Ом, бұл текше метр мыстың іс жүзінде ешқандай қарсылығы жоқ екенін көрсетеді. Меншікті кедергі (омметр немесе Ом) неғұрлым төмен болса, соғұрлым материал сымдарда жақсырақ қолданылады. Қарсылық – өткізгіштіктің екінші жағы.
Материалдар классификациясы
Материалдың кедергі мәні оны жиі өткізгіш, жартылай өткізгіш немесе оқшаулағыш ретінде жіктеу үшін қолданылады. Қатты элементтер элементтердің периодтық жүйесіндегі «статикалық кедергісі» бойынша оқшаулағыштар, жартылай өткізгіштер немесе өткізгіштер ретінде жіктеледі. Оқшаулағыштағы, жартылай өткізгіштегі немесе өткізгіш материалдағы кедергі электрлік қолданбалар үшін қарастырылатын негізгі қасиет болып табылады.
Кестеде кейбір ρ, σ және температура коэффициенті деректері көрсетілген. Металдарға төзімділік үшінтемпература көтерілген сайын артады. Жартылай өткізгіштер мен көптеген оқшаулағыштар үшін керісінше болады.
| Материал | ρ (Ωм) 20°C | σ (S/m) 20°C | Температура коэффициенті (1/°C) x10 ^ -3 |
| Күміс |
1, 59 × 10 -8 |
6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| Мыс | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| Алтын | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| Алюминий | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Вольфрам | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4,5 |
| Мырыш | 5, 90 × 10 -8 | 1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| Никель | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| Литий | 9, 28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Темір | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Платина | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| Көмекші |
2, 2 × 10 -7 |
4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Константан | 4, 9 × 10 -7 | 2,04 × 10 6 | 0, 008 |
| Меркурий | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0,9 |
| Нихром | 1,10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Көміртек (аморфты) | 5 × 10 -4 - 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Меншікті кедергіні есептеу
Кез келген берілген температура үшін объектінің электр кедергісін Оммен келесі формула арқылы есептей аламыз.
Бұл формулада:
- R - объект кедергісі, Оммен;
- ρ - объект жасалған материалдың кедергісі (спецификалық);
- L - нысанның метрдегі ұзындығы;
- А-қиманысанның қимасы, шаршы метрде.
Меншікті кедергі омметрлердің белгілі бір санына тең. SI бірлігі ρ әдетте омметр болғанымен, кейде бір сантиметрге Ом болады.
Материалдың кедергісі оның бойындағы электр өрісінің шамасымен анықталады, ол белгілі бір ток тығыздығын береді.
ρ=E/ J мұнда:
- ρ - омметрге;
- E - вольт/метрдегі электр өрісінің шамасы;
- J - шаршы метрдегі ампердегі ток тығыздығының мәні.
Меншікті кедергіні қалай анықтауға болады? Көптеген резисторлар мен өткізгіштердің электр тогының біркелкі ағыны бар біркелкі көлденең қимасы бар. Сондықтан нақтырақ, бірақ кеңірек қолданылатын теңдеу бар.
ρ=RА/ J, мұнда:
- R - оммен өлшенген біртекті материал үлгісінің кедергісі;
- l - метрмен өлшенген материал бөлігінің ұзындығы, м;
- A - үлгінің көлденең қимасының ауданы, шаршы метрмен өлшенген, m2.
Материалдар кедергісінің негіздері
Материалдың электр кедергісі электрлік кедергі деп те аталады. Бұл материалдың электр тогының ағынына қаншалықты қарсы тұратынын көрсететін көрсеткіш. Оны белгілі бір температурада белгілі бір материал үшін ұзындық бірлігіне және көлденең қиманың бірлігіне кедергіні бөлу арқылы анықтауға болады.
Бұл төмен ρ оңай рұқсат беретін материалды білдіреді дегенді білдіредіэлектрондарды жылжытады. Керісінше, жоғары ρ бар материал жоғары кедергіге ие болады және электрондар ағынына кедергі келтіреді. Мыс және алюминий сияқты элементтер төмен ρ деңгейлерімен белгілі. Әсіресе күміс пен алтынның ρ мәні өте төмен, бірақ оларды пайдалану белгілі себептермен шектелген.
Резистивті аймақ
Материалдар ρ мәніне қарай әртүрлі санаттарға орналастырылады. Жиынтық төмендегі кестеде көрсетілген.
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштік деңгейі допинг деңгейіне байланысты. Допингсіз олар оқшаулағыштарға ұқсайды, бұл электролиттер үшін де бірдей. Материалдардың ρ деңгейі әр түрлі болады.
| Жабдық санаттары мен материал түрі | ρ байланысты ең көп таралған материалдардың меншікті кедергі ауданы |
| Электролиттер | Айнымалы |
| Оқшаулағыштар | ~ 10 ^ 16 |
| Металдар | ~ 10 ^ -8 |
| Жартылайөткізгіштер | Айнымалы |
| Суперөткізгіштер | 0 |
Температуралық кедергі коэффициенті
Көп жағдайда қарсылық температураға қарай артады. Нәтижесінде кедергінің температураға тәуелділігін түсіну қажеттілігі туындайды. Өткізгіштегі кедергінің температуралық коэффициентінің себебін негіздеуге боладыинтуитивті түрде. Материалдың төзімділігі бірқатар құбылыстарға байланысты. Олардың бірі материалдағы заряд тасымалдаушылар мен атомдар арасында болатын соқтығыстардың саны. Өткізгіштің кедергісі температура көтерілген сайын артады, өйткені соқтығыстар саны артады.
Бұл әрдайым бола бермеуі мүмкін және температураның жоғарылауымен қосымша заряд тасымалдаушылардың босатылуымен байланысты, бұл материалдардың кедергісінің төмендеуіне әкеледі. Бұл әсер жартылай өткізгіш материалдарда жиі байқалады.
Кедергінің температураға тәуелділігін қарастырған кезде, әдетте кедергінің температуралық коэффициенті сызықтық заңға бағынады деп есептеледі. Бұл бөлме температурасына және металдарға және көптеген басқа материалдарға қатысты. Дегенмен, соқтығыстардың санынан туындайтын кедергі әсерлері әрқашан тұрақты бола бермейтіні анықталды, әсіресе өте төмен температурада (өткізгіштік құбылысы).
Температураның кедергісі графигі
Өткізгіштің кез келген берілген температурадағы кедергісін температура мәнінен және оның температуралық кедергі коэффициентінен есептеуге болады.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), мұндағы:
- R - қарсылық;
- Rref - анықтамалық температурадағы кедергі;
- α- материал кедергісінің температуралық коэффициенті;
- Tref – температура коэффициенті көрсетілген анықтамалық температура.
Температуралық кедергі коэффициенті, әдетте 20 °C температураға стандартталған. Тиісінше, практикалық мағынада жиі қолданылатын теңдеу:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), мұндағы:
- R20=20°C қарсылық;
- α20 - 20 °C температурадағы кедергі коэффициенті;
- T20- температура 20 °C-қа тең.
Бөлме температурасындағы материалдардың кедергісі
Төмендегі кедергілер кестесінде мыс, алюминий, алтын және күмісті қоса, электротехникада жиі қолданылатын көптеген заттар бар. Бұл қасиеттер өте маңызды, себебі олар затты сымдардан бастап резисторлар, потенциометрлер және т.б. сияқты күрделірек құрылғыларға дейін электрлік және электрондық компоненттердің кең ауқымында қолдануға болатындығын анықтайды.
| 20°C сыртқы температурадағы әртүрлі материалдардың кедергілер кестесі | |
| Материалдар | OM кедергісі 20°C |
| Алюминий | 2, 8 x 10 -8 |
| Сурьма | 3, 9 × 10 -7 |
| Висмут | 1, 3 x 10 -6 |
| Жез | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Кадмий | 6 x 10 -8 |
| Кобальт | 5, 6 × 10 -8 |
| Мыс | 1, 7 × 10 -8 |
| Алтын | 2, 4 x 10 -8 |
| Көміртек (графит) | 1 x 10 -5 |
| Германия | 4,6 x 10 -1 |
| Темір | 1,0 x 10 -7 |
| Көмекші | 1, 9 × 10 -7 |
| Нихром | 1, 1 × 10 -6 |
| Никель | 7 x 10 -8 |
| палладий | 1,0 x 10 -7 |
| Платина | 0, 98 × 10 -7 |
| Кварц | 7 x 10 17 |
| Кремний | 6, 4 × 10 2 |
| Күміс | 1, 6 × 10 -8 |
| тантал | 1, 3 x 10 -7 |
| Вольфрам | 4, 9 x 10 -8 |
| Мырыш | 5, 5 x 10 -8 |
Мыс пен алюминийдің өткізгіштігін салыстыру
Өткізгіштер электр тогын өткізетін материалдардан тұрады. Магниттік емес металдар әдетте электр тогының идеалды өткізгіштері болып саналады. Сым және кабель өнеркәсібінде әртүрлі металл өткізгіштер қолданылады, бірақ мыс пен алюминий ең кең таралған. Өткізгіштердің өткізгіштік, созылу күші, салмақ және қоршаған ортаға әсері сияқты әртүрлі қасиеттері бар.
Мыс өткізгіштің кедергісі алюминийге қарағанда кабель өндірісінде әлдеқайда жиі қолданылады. Барлық дерлік электронды кабельдер мыстың жоғары өткізгіштігін пайдаланатын басқа құрылғылар мен жабдықтар сияқты мыстан жасалған. Мыс өткізгіштер тарату жүйелерінде де кеңінен қолданылады жәнеэлектр энергиясын өндіру, автомобиль өнеркәсібі. Салмақ пен шығынды үнемдеу үшін тасымалдаушы компаниялар әуе электр желілерінде алюминий пайдаланады.
Алюминий жеңілдігі маңызды салаларда, мысалы, ұшақ жасауда қолданылады және болашақта оның автомобиль өнеркәсібінде қолданылуын арттырады деп күтілуде. Жоғары қуат кабельдері үшін мысмен қапталған алюминий сым жеңіл алюминийден құрылымдық салмақты айтарлықтай үнемдей отырып, мыстың кедергісін пайдалану үшін пайдаланылады.
Мыс өткізгіштер
Мыс - ең көне материалдардың бірі. Оның икемділігі мен электр өткізгіштігін Бен Франклин және Майкл Фарадей сияқты ерте электрлік экспериментаторлар пайдаланды. Мыс материалдарының ρ төмен болуы оның телеграф, телефон және электр қозғалтқышы сияқты өнертабыстарда қолданылатын негізгі өткізгіш ретінде қабылдануына әкелді. Мыс - ең кең таралған өткізгіш металл. 1913 жылы басқа металдардың өткізгіштігін мыспен салыстыру үшін Мысты тұтандырудың халықаралық стандарты (IACS) қабылданды.
Осы стандартқа сәйкес коммерциялық таза күйдірілген мыс 100% IACS өткізгіштігіне ие. Материалдардың меншікті кедергісі стандартпен салыстырылады. Бүгінгі таңда өндірілген коммерциялық таза мыс IACS жоғары мәндерге ие болуы мүмкін, өйткені өңдеу технологиясы уақыт өте келе айтарлықтай дамыды. Мыстың тамаша өткізгіштігінен басқа, металдың жоғары созылу беріктігі, жылу өткізгіштігі және жылу кеңеюі бар. Электрлік мақсатта қолданылатын жылтыратылған мыс сым стандарттың барлық талаптарына сәйкес келеді.
Алюминий өткізгіштер
Мыстың электр энергиясын өндіруге арналған материал ретінде ұзақ тарихы бар екеніне қарамастан, алюминий оны белгілі бір қолдану үшін тартымды ететін белгілі бір артықшылықтарға ие және оның қазіргі кедергісі оны бірнеше рет пайдалануға мүмкіндік береді. Алюминийде мыстың өткізгіштігінің 61% және мыстың салмағының 30% ғана бар. Бұл алюминий сымның салмағы бірдей электр кедергісі бар мыс сымның салмағынан жарты есе артық екенін білдіреді.
Алюминий мыс өзегімен салыстырғанда арзанырақ. Алюминий өткізгіштер әртүрлі қорытпалардан тұрады, ең аз алюминий мөлшері 99,5% құрайды. 1960 және 1970 жылдары мыстың жоғары бағасына байланысты алюминийдің бұл маркасы тұрмыстық электр сымдары үшін кеңінен қолданыла бастады.
Алюминий мен мыс арасындағы қосылыстардағы нашар жұмыс және физикалық айырмашылықтар салдарынан олардың қосылымдары негізінде жасалған құрылғылар мен сымдар мыс-алюминий контактілерінде өрт қауіпті болды. Теріс процеске қарсы тұру үшін мысға ұқсас сусымалы және ұзартқыш қасиеттері бар алюминий қорытпалары әзірленді. Бұл қорытпалар электр желілерінің қауіпсіздік талаптарына жауап беретін, ток кедергісі жаппай қолдануға жарамды, сымды алюминий сымдарын өндіру үшін қолданылады.
Алюминий мыс бұрын қолданылған жерлерде пайдаланылса,желіні тең ұстау үшін мыс сымнан екі есе үлкен алюминий сымды пайдалану керек.
Материалдардың электрөткізгіштігін қолдану
Меншікті кедергілер кестесінде табылған көптеген материалдар электроникада кеңінен қолданылады. Алюминий және әсіресе мыс төзімділік деңгейінің төмен болуына байланысты қолданылады. Бүгінгі күні электр қосылымдары үшін қолданылатын сымдар мен кабельдердің көпшілігі мыстан жасалған, өйткені ол ρ төмен деңгейін қамтамасыз етеді және қолжетімді. Алтынның жақсы өткізгіштігі, бағасына қарамастан, кейбір өте дәл аспаптарда да қолданылады.
Алтын жалату көбінесе жоғары сапалы төмен вольтты қосылымдарда кездеседі, мұнда мақсат ең төменгі контактіге қарсылықты қамтамасыз ету. Күміс өнеркәсіптік электротехникада кеңінен қолданылмайды, өйткені ол тез тотығады және бұл жоғары жанасуға төзімділікке әкеледі. Кейбір жағдайларда оксид түзеткіш ретінде әрекет ете алады. Тантал кедергісі конденсаторларда, никельде және палладийде көптеген беткі қондырғы компоненттері үшін соңғы қосылымдарда қолданылады. Кварц пьезоэлектрлік резонанстық элемент ретінде өзінің негізгі қолданылуын табады. Кварц кристалдары көптеген осцилляторларда жиілік элементтері ретінде пайдаланылады, мұнда оның жоғары мәні сенімді жиілік тізбектерін жасауға мүмкіндік береді.
