Сравнение удельного электрического сопротивления меди и других металлов

Общеизвестно, что наилучшими проводниками электричества являются металлы. Но нетрудно заметить, что в подавляющем большинстве случаев токопроводящие элементы изготавливают из меди. Объясняется это тем, что разные металлы отличаются электропроводимостью, а также другими свойствами. В данной статье обсудим удельное сопротивление меди и прочие особенности, делающие ее столь популярной.

Свойства меди

Востребованность меди в электротехнике обусловлена следующими положительными качествами:

1. высокая электропроводимость;
2. пластичность. Из меди делают тончайшие жилы и пластины с толщиной, исчисляемой микронами. Благодаря пластичности, она не обламывается при монтаже, выдерживая множество циклов сгибания-разгибания без развития усталостных явлений;
3. распространенность и простота добычи. Это преимущество условно. Получение меди обходится дешевле серебра — единственного металла, превосходящего ее в электропроводимости. Но в сравнении с алюминием, а тем более со сталью, медь стоит гораздо дороже. Потому ее нередко заменяют этими материалами;
4. антикоррозионные свойства;
5. прочность. Благодаря ей, изделия из меди устойчивы к деформациям.
6. материал легко поддается пайке и сварке.

Источником меди служит сульфидная руда. Для применения в электротехнике металл после плавки руды подвергают электролитической очистке, так что доля примесей в нем составляет 0,05-0,1% (высококачественная рафинированная медь марок М0 и М1, также называемая электролитической).

В процессе получения минимизируют воздействие кислорода на металл, иначе механические характеристики последнего ухудшаются.

Дешевле меди стоят сплавы на ее основе — латунь (с цинком) и бронза (с оловом или свинцом). Помимо олова или свинца, в бронзу могут добавлять бериллий (бериллиевая бронза), кадмий, кремний, фосфор, магний, хром.

Медь и ее удельное сопротивление

Способность твердого токопроводящего материала противодействовать постоянному (!) току, то есть однонаправленному движению заряженных частиц, определяется лишь расстоянием между атомами в его кристаллической решетке.

Значит, для любого материала можно определить некий параметр, характеризующий эту способность. Он называется удельным сопротивлением и обозначается литерой ρ.

Данный параметр конкретного материала означает омическое сопротивление изготовленного из него проводника длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 мм².

Омическим называют сопротивление постоянному току. Оно состоит лишь в трении движущихся заряженных частиц о структуру материала. Сопротивление переменному току называют активным и оно имеет более сложную природу.

Показатель ρ измеряется в Ом* мм² / м, его значение для некоторых металлов приведены в таблице:

Как видно, по этому параметру медь уступает лишь серебру. Но стоимость последнего довольно высока, потому именно медь является наиболее предпочитаемым материалом в электротехнике.

В таблице указаны значения для температуры +20⁰С. С ее ростом удельное сопротивление металлов возрастает, поскольку увеличивается амплитуда колебаний атомов и они оказывают более сильное противодействие движению частиц.

С уменьшением температуры происходит обратный процесс: атомы колеблются менее интенсивно и электрическое сопротивление падает. С полупроводниками все обстоит наоборот: с ростом температуры сопротивление падает. Это объясняется увеличением числа свободных электронов.

При температурах, близких к абсолютному нулю, в металлах наблюдается явление сверхпроводимости: сопротивление становится равным нулю. Можно генерировать ток в металлическом кольце, и он будет течь без источника питания, то есть «по инерции», несколько лет (реальный факт).

В последнее время научились достигать сверхпроводимости и при гораздо больших температурах — 130⁰К и выше. Для достижения таких температур достаточно жидкого азота, а он стоит меньше молока. Объяснить сверхпроводимость при таких температурах слабым колебанием атомов нельзя и ученые пока не знают, чем она вызывается.

Все «теплые» металлические сверхпроводники имеют слоистую структуру, потому предполагают, что электроны находят свободные пути в промежутках между слоями.

Самая высокая температура сверхпроводимости, достигнутая на сегодняшний день, составляет -70⁰С (203⁰К). Материал — сероводород под давлением в 1,6 млн. атм. Такой сверхпроводник работает в Антарктиде.

Изменение ρ  в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Зная ρ материала, можно вычислить R омическое любого изготовленного из него проводника, независимо от размеров и формы поперечного сечения.

Формула расчета: R = (ρ * L)/S, где: L — длина проводника, м; S — площадь поперечного сечения проводника, мм². Чем длиннее проводник, тем сопротивление выше. А чем больше площадь его поперечного сечения, тем оно ниже.

Все логично: с ростом длины возрастает количество препятствий, которые свободным электронам приходится преодолевать; если же увеличить сечение, то большее число электронов сможет пройти через него, соответственно, сопротивление снизится.

Если, к примеру, имеется медный проводник длиной 10 м с площадью сечения 2,5 мм², то его сопротивление постоянному току будет равно: R = 0,0175 * 10 / 2,5 = 0,07 Ом.

Не имеет значения, круглый это проводник или плоский, лишь бы площадь поперечного сечения составляла 2,5 мм². Поскольку металлы имеют крайне незначительное сопротивление, для его измерения используют специальные приборы — микроомметры. Их чувствительность достигает 0,1 микроома (мкОм). Микроомметрами замеряют сопротивление контактов, обмоток и пр.

При протекании переменного тока

При протекании переменного тока все обстоит иначе.

Нельзя выделить постоянное удельное сопротивление, поскольку противодействие движению зарядов распределено неравномерно и зависит от ряда факторов:

• размеры сечения проводника;
• его геометрия;
• частота переменного тока;
• его сила.

Дело в том, что создаваемое переменным током магнитное поле также является переменным, а переменное магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции, создает в проводниках ЭДС. Это относится и к проводнику, по которому течет ток.

Возникающая в нем ЭДС направлена вопреки создающей ее силы, то есть против тока, потому ее называют «противоЭДС». Распределена она неравномерно: к центру проводника, где силовых линий магнитного поля больше, она возрастает, а в направлении к наружным слоям — убывает.

В результате ток вытесняется на периферию и вместо всего сечения проводника для передачи тока задействуется только часть его. А с уменьшением площади сечения проводника, как было описано выше, возрастает сопротивление. Данное явление называют «поверхностным эффектом» или «скин-эффектом».

Удельное сопротивление некоторых веществ

Некоторые металлы, уступая меди в проводимости, превосходят ее по другим свойствам. Поэтому они также применяются в электротехнике.

Алюминий

Удельное сопротивление данного металла составляет 0,028 Ом*мм²/ м. Также он уступает меди в пластичности: нельзя получать тонкие провода, после нескольких сгибов ломается.

Но есть и важные достоинства:

1. низкая стоимость. Объясняется большей, в сравнении с медью, распространенностью;
2. малый вес. Легче меди в 3,5 раза. Это важно при прокладке воздушных ЛЭП: уменьшается нагрузка на опоры;
3. коррозионная стойкость: на воздухе покрывается оксидной пленкой, защищающей от разрушения.

В электротехнике применяют алюминий отличающихся степенью очистки, марок:

• АВ0000 — самый чистый, доля примесей не превышает 0,004%: применяется редко, для исследовательских и прочих специфических задач;
• АВ00 — примесей до 0,03%: изготавливают фольгу, электродную продукцию, электролитические конденсаторы;
• А1 — примесей не более 0,5%: кабели, клеммы и пр.

В первую очередь стремятся сократить содержание в алюминии химических элементов, способствующих возрастанию удельного сопротивления – таллия и марганца. Никель, цинк и кремний на этом параметре почти не отражается.

Железо

Железо применяется не в чистом виде, а как сплав с углеродом — сталь.

Удельное сопротивление и железа в чистом виде, и стали очень высоко (0,1 Ом*мм²/ м), но и этот материал нашел применение в электротехническом производстве благодаря своим достоинствам:

• низкая стоимость: железо — самый распространенный и дешевый металл;
• прочность, деформационная стойкость;
• пластичность.

Недостаток стали — подверженность коррозии. С этим борются при помощи нержавеющих покрытий — цинкового или медного.

Натрий

Сложный в эксплуатации металл с относительно высоким удельным сопротивлением (0,047 Ом*мм²/ м), но считается перспективным для использования в электротехнике из-за следующих достоинств:

• широкое распространение: получают из расплава поваренной соли (NaCl) путем электролиза. Это сырье присутствует на планете практически в неограниченных количествах;
• малый вес: легче меди в 9 раз, что позволяет изготавливать сверхлегкие провода.

Сложность в эксплуатации обусловлена следующими свойствами:

1. мягкость. Натрий крайне податлив, потому провода из него нуждаются в жесткой оболочке;
2. химическая активность. Стремительно окисляется на воздухе и бурно реагирует с водой, даже в виде пара (также содержится в воздухе). Из-за этого оболочку натриевого провода требуется делать герметичной.

Видео по теме

О температурной зависимости сопротивления металлов в видео:

Среди металлов медь занимает второе место по электропроводимости, уступая только гораздо более дорогому серебру. Потому в электротехнике ее применяют очень широко, в частности, при устройстве домашней электропроводки.

Но в прежние времена проводку изготавливали из более дешевого алюминия и в старых домах такой кабель еще часто встречается.

Владельцу важно знать, что непосредственный контакт алюминиевого и медного проводников недопустим: металлы разрушаются из-за электрохимической реакции. Соединение осуществляют посредством специальных переходников.