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:

высокая электропроводимость;
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;
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;
антикоррозионные свойства;
прочность. Благодаря ей, изделия из меди устойчивы к деформациям.
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.

Сульфидная руда

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.

Сплавы превосходят чистую медь в прочности, но уступают ей в проводимости.

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:

Материал	Удельное сопротивление при t = 20⁰С, *Оммм²/м**
Медь	0,0175
Серебро	0,0160
Золото	0,0240
Железо	0,100
Алюминий	0,0280
Свинец	0,2100
Вольфрам	0,0550

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».

ЭДС в проводнике, а значит и сопротивление в нем, зависит от воздействия соседних проводников. Это так называемый эффект близости.

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:

низкая стоимость. Объясняется большей, в сравнении с медью, распространенностью;
малый вес. Легче меди в 3,5 раза. Это важно при прокладке воздушных ЛЭП: уменьшается нагрузка на опоры;
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:

мягкость. Натрий крайне податлив, потому провода из него нуждаются в жесткой оболочке;
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.