Kada kažu da je bakar teži metal od aluminijuma, upoređuju njihove gustine. Slično tome, kada se kaže da je bakar bolji provodnik od aluminijuma, upoređuje se njihova otpornost (ρ), čija vrednost ne zavisi od veličine ili oblika određenog uzorka – samo od samog materijala.
Teorijsko opravdanje
Otpornost je mjera otpora električnoj provodljivosti za datu veličinu materijala. Njegova suprotnost je električna provodljivost. Metali su dobri električni provodnici (visoka provodljivost i niska ρ vrijednost), dok su nemetali općenito loši provodnici (niska provodljivost i visoka vrijednost ρ).
Poznatiji termički električni otpor mjeri koliko je materijalu teško provesti električnu struju. Zavisi od veličine dijela: otpor je veći za duži ili uži komad materijala. Za uklanjanje efektaveličina od otpora, koristi se otpornost žice - ovo je svojstvo materijala koje ne ovisi o veličini. Za većinu materijala otpornost raste s temperaturom. Izuzetak su poluprovodnici (kao što je silicijum), kod kojih se smanjuje sa temperaturom.
Lakoća sa kojom materijal provodi toplotu meri se toplotnom provodljivošću. Kao prva procjena, dobri električni provodnici su i dobri toplotni provodnici. Otpor je predstavljen simbolom r, a njegova jedinica je ohmmetar. Otpor čistog bakra je 1,7×10 -8 oma. Ovo je vrlo mali broj - 0,000,000,017 Ohm, što ukazuje na to da kubni metar bakra praktički nema otpor. Što je otpornost niža (ommetar ili Ωm), to se materijal bolje koristi u ožičenju. Otpor je druga strana provodljivosti.
Klasifikacija materijala
Vrijednost otpora materijala se često koristi da se klasifikuje kao provodnik, poluprovodnik ili izolator. Čvrsti elementi se klasifikuju kao izolatori, poluprovodnici ili provodnici prema njihovom "statičkom otporu" u periodnom sistemu elemenata. Otpornost u izolatoru, poluprovodniku ili provodljivom materijalu je glavno svojstvo koje se razmatra za električne primjene.
Tabela prikazuje neke podatke o ρ, σ i temperaturnom koeficijentu. Za otpornost na metalepovećava kako temperatura raste. Suprotno vrijedi za poluprovodnike i mnoge izolatore.
| Materijal | ρ (Ωm) na 20°C | σ (S/m) na 20°C | Temperaturni koeficijent (1/°C) x10 ^ -3 |
| Srebro |
1, 59 × 10 -8 |
6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| Bakar | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| Zlato | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| Aluminij | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Tungsten | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4.5 |
| Cink | 5, 90 × 10 -8 | 1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| Nikal | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| litijum | 9, 28 × 10 -8 | 1,08 × 10 7 | 6 |
| Iron | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Platina | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| Lead |
2, 2 × 10 -7 |
4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Constantan | 4, 9 × 10 -7 | 2.04 × 10 6 | 0, 008 |
| Merkur | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0.9 |
| Nichrome | 1,10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Ugljik (amorfni) | 5 × 10 -4 do 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Izračun otpornosti
Za bilo koju datu temperaturu možemo izračunati električni otpor objekta u omima koristeći sljedeću formulu.
U ovoj formuli:
- R - otpor objekta, u omima;
- ρ - otpor (specifičan) materijala od kojeg je predmet napravljen;
- L - dužina objekta u metrima;
- A-presjekpresjek objekta, u kvadratnim metrima.
Otpor je jednak određenom broju ohmmetara. Iako je SI jedinica ρ obično ohmmetar, ponekad je jedinica ohm po centimetru.
Otpor materijala je određen veličinom električnog polja preko njega, što daje određenu gustinu struje.
ρ=E/ J gdje:
- ρ - u ommetar;
- E - veličina električnog polja u voltima po metru;
- J - vrijednost gustine struje u amperima po kvadratnom metru.
Kako odrediti otpornost? Mnogi otpornici i provodnici imaju ujednačen poprečni presjek sa ujednačenim protokom električne struje. Stoga postoji specifičnija, ali šire korištena jednačina.
ρ=RA/ J, gdje je:
- R - otpor uzorka homogenog materijala, mjereno u omima;
- l - dužina komada materijala, mjerena u metrima, m;
- A - površina poprečnog presjeka uzorka, mjerena u kvadratnim metrima, m2.
Osnove otpornosti materijala
Električna otpornost materijala poznata je i kao električna otpornost. Ovo je mjera koliko se materijal snažno opire protoku električne struje. Može se odrediti dijeljenjem otpora po jedinici dužine i po jedinici površine poprečnog presjeka, za određeni materijal na datoj temperaturi.
To znači da nizak ρ označava materijal koji lako dozvoljavapomerati elektrone. Suprotno tome, materijal sa visokim ρ će imati veliki otpor i ometati protok elektrona. Elementi kao što su bakar i aluminijum poznati su po niskim nivoima ρ. Srebro i zlato posebno imaju vrlo nisku vrijednost ρ, ali je njihova upotreba ograničena iz očiglednih razloga.
Rezistivna regija
Materijal se stavlja u različite kategorije u zavisnosti od njihove ρ vrijednosti. Sažetak je prikazan u tabeli ispod.
Nivo provodljivosti poluprovodnika zavisi od nivoa dopinga. Bez dopinga, izgledaju skoro kao izolatori, što je isto i za elektrolite. ρ nivo materijala uvelike varira.
| Kategorije opreme i vrsta materijala | Oblast otpornosti najčešćih materijala u zavisnosti od ρ |
| Elektroliti | Varijabilna |
| Izolatori | ~ 10 ^ 16 |
| Metali | ~ 10 ^ -8 |
| Poluvodiči | Varijabilna |
| Superprovodnici | 0 |
Temperaturni koeficijent otpora
U većini slučajeva otpor raste s temperaturom. Kao rezultat toga, postoji potreba za razumijevanjem temperaturne ovisnosti otpora. Razlog temperaturnog koeficijenta otpora u provodniku se može opravdatiintuitivno. Otpornost materijala ovisi o nizu pojava. Jedan od njih je broj sudara koji se javljaju između nosilaca naboja i atoma u materijalu. Otpornost provodnika će se povećavati sa povećanjem temperature, kako se broj sudara povećava.
To možda nije uvijek slučaj, a nastaje zbog činjenice da se dodatni nosioci naboja oslobađaju s povećanjem temperature, što će dovesti do smanjenja otpornosti materijala. Ovaj efekat se često primećuje kod poluprovodničkih materijala.
Kada se razmatra temperaturna zavisnost otpora, obično se pretpostavlja da temperaturni koeficijent otpora slijedi linearni zakon. Ovo se odnosi na sobnu temperaturu i na metale i mnoge druge materijale. Međutim, otkriveno je da efekti otpora koji nastaju kao rezultat broja sudara nisu uvijek konstantni, posebno na vrlo niskim temperaturama (fenomen superprovodljivosti).
Grafikon temperature otpora
Otpor provodnika na bilo kojoj datoj temperaturi može se izračunati iz vrijednosti temperature i njegovog temperaturnog koeficijenta otpora.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), gdje je:
- R - otpor;
- Rref - otpor na referentnoj temperaturi;
- α- temperaturni koeficijent otpornosti materijala;
- Tref je referentna temperatura za koju je specificiran temperaturni koeficijent.
Temperaturni koeficijent otpornosti, obično standardiziran na temperaturu od 20 °C. Prema tome, jednadžba koja se obično koristi u praktičnom smislu je:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), gdje je:
- R20=otpor na 20°C;
- α20 - temperaturni koeficijent otpornosti na 20 °C;
- T20- temperatura jednaka 20 °C.
Otpornost materijala na sobnoj temperaturi
Tabela otpora ispod sadrži mnoge supstance koje se obično koriste u elektrotehnici, uključujući bakar, aluminijum, zlato i srebro. Ova svojstva su posebno važna jer određuju da li se supstanca može koristiti u širokom spektru električnih i elektronskih komponenti od žica do složenijih uređaja kao što su otpornici, potenciometri i još mnogo toga.
| Tabela otpornosti različitih materijala na 20°C vanjske temperature | |
| Materijal | OM otpor na 20°C |
| Aluminij | 2, 8 x 10 -8 |
| Antimony | 3, 9 × 10 -7 |
| bizmut | 1, 3 x 10 -6 |
| Brass | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| kadmijum | 6 x 10 -8 |
| kob alt | 5, 6 × 10 -8 |
| Bakar | 1, 7 × 10 -8 |
| Zlato | 2, 4 x 10 -8 |
| Ugljik (grafit) | 1 x 10 -5 |
| Njemačka | 4,6 x 10 -1 |
| Iron | 1.0 x 10 -7 |
| Lead | 1, 9 × 10 -7 |
| Nichrome | 1, 1 × 10 -6 |
| Nikal | 7 x 10 -8 |
| Paladijum | 1.0 x 10 -7 |
| Platina | 0, 98 × 10 -7 |
| Quartz | 7 x 10 17 |
| Silikon | 6, 4 × 10 2 |
| Srebro | 1, 6 × 10 -8 |
| tantal | 1, 3 x 10 -7 |
| Tungsten | 4, 9 x 10 -8 |
| Cink | 5, 5 x 10 -8 |
Poređenje provodljivosti bakra i aluminijuma
Provodniki se sastoje od materijala koji provode električnu energiju. Nemagnetni metali se općenito smatraju idealnim provodnicima električne energije. U industriji žica i kablova koriste se različiti metalni provodnici, ali su bakar i aluminij najčešći. Provodnici imaju različita svojstva kao što su provodljivost, zatezna čvrstoća, težina i utjecaj na okoliš.
Otpornost bakarnog provodnika se mnogo češće koristi u proizvodnji kablova od aluminijuma. Gotovo svi elektronski kablovi su napravljeni od bakra, kao i drugi uređaji i oprema koji koriste visoku provodljivost bakra. Bakarni provodnici se takođe široko koriste u distributivnim sistemima iproizvodnja električne energije, automobilska industrija. Kako bi uštedjeli na težini i troškovima, kompanije za prijenos koriste aluminijum u nadzemnim dalekovodima.
Aluminijum se koristi u industrijama u kojima je njegova lakoća važna, kao što je konstrukcija aviona, a očekuje se da će u budućnosti povećati njegovu upotrebu u automobilskoj industriji. Za kablove veće snage koristi se aluminijumska žica obložena bakrom kako bi se iskoristila otpornost bakra, čime se postiže značajna ušteda na strukturnoj težini od laganog aluminijuma.
Bakarni provodnici
Bakar je jedan od najstarijih poznatih materijala. Njegovu savitljivost i električnu provodljivost iskoristili su rani električni eksperimentatori kao što su Ben Franklin i Michael Faraday. Nizak ρ bakarnih materijala doveo je do toga da je prihvaćen kao glavni provodnik koji se koristi u izumima kao što su telegraf, telefon i električni motor. Bakar je najčešći provodljivi metal. Godine 1913. usvojen je Međunarodni standard za paljenje bakra (IACS) kako bi se uporedila provodljivost drugih metala sa bakrom.
Prema ovom standardu, komercijalno čisti žareni bakar ima provodljivost od 100% IACS. Otpornost materijala uspoređuje se sa standardom. Komercijalno čisti bakar koji se danas proizvodi može imati veće IACS vrijednosti jer je tehnologija obrade značajno napredovala tokom vremena. Pored odlične provodljivosti bakra, metal ima visoku vlačnu čvrstoću, toplotnu provodljivost i toplotnu ekspanziju. Žaljena bakarna žica koja se koristi u električne svrhe ispunjava sve zahtjeve standarda.
Aluminijski provodnici
Uprkos činjenici da bakar ima dugu istoriju kao materijal za proizvodnju električne energije, aluminijum ima određene prednosti koje ga čine atraktivnim za specifične primene, a njegova trenutna otpornost omogućava da se koristi mnogo puta. Aluminijum ima 61% provodljivosti bakra i samo 30% mase bakra. To znači da je aluminijska žica teška upola manje od bakarne žice s istim električnim otporom.
Aluminijum ima tendenciju da bude jeftiniji u poređenju sa jezgrom od bakra. Aluminijski provodnici su sastavljeni od raznih legura, imaju minimalni sadržaj aluminija od 99,5%. Tokom 1960-ih i 1970-ih, zbog visoke cijene bakra, ovaj tip aluminija postao je široko korišten za kućne električne instalacije.
Usled loše izrade spojeva i fizičkih razlika između aluminijuma i bakra, uređaji i žice napravljene na osnovu njihovih spojeva postali su požarno opasni na kontaktima bakar-aluminijum. Kako bi se suprotstavili negativnom procesu, razvijene su legure aluminija sa svojstvima puzanja i istezanja sličnijima bakru. Ove legure se koriste za proizvodnju upredenih aluminijskih žica, čija je strujna otpornost prihvatljiva za masovnu upotrebu, ispunjavajući sigurnosne zahtjeve za električne mreže.
Ako se aluminijum koristi na mestima gde se ranije koristio bakar,da bi mreža bila jednaka, morate koristiti aluminijumsku žicu dvostruko veću od bakarne žice.
Primjena električne provodljivosti materijala
Mnogi materijali koji se nalaze u tabeli otpornosti se široko koriste u elektronici. Aluminij i posebno bakar se koriste zbog niske otpornosti. Većina žica i kablova koji se danas koriste za električne veze napravljeni su od bakra, jer pruža nizak nivo ρ, a pristupačni su. Dobra provodljivost zlata, uprkos ceni, takođe se koristi u nekim veoma preciznim instrumentima.
Pozlaćenje se često nalazi na visokokvalitetnim niskonaponskim vezama gdje je cilj osigurati najmanji otpor kontakta. Srebro se ne koristi široko u industrijskoj elektrotehnici jer brzo oksidira i to dovodi do visoke kontaktne otpornosti. U nekim slučajevima, oksid može djelovati kao ispravljač. Otpornost na tantal se koristi u kondenzatorima, niklu i paladiju u krajnjim spojevima za mnoge komponente za površinsku montažu. Kvarc nalazi svoju primarnu upotrebu kao piezoelektrični rezonantni element. Kristali kvarca se koriste kao frekvencijski elementi u mnogim oscilatorima, gdje njegova visoka vrijednost omogućava stvaranje pouzdanih frekvencijskih kola.
