Удельное электрическое сопротивление стали

Удельное сопротивление стали

Удельным сопротивлением металлов считается их способность к противодействию электрическому току, проходящему через них. Единицей измерения данной величины служит Ом*м (Ом-метр). В качестве символа используется греческая буква ρ (ро). Высокие показатели удельного сопротивления означают плохую проводимость электрического заряда тем или иным материалом.

Технические характеристики стали

Прежде чем подробно рассматривать удельное сопротивление стали, следует ознакомиться с ее основными физико-механическими свойствами. Благодаря своим качествам, этот материал получил широкое распространение в производственной сфере и других областях жизни и деятельности людей.

Сталь представляет собой сплав железа и углерода, содержащегося в количестве, не превышающем 1,7%. Кроме углерода, сталь содержит определенное количество примесей – кремния, марганца, серы и фосфора. По своим качествам она значительно лучше чугуна, легко поддается закаливанию, ковке, прокату и другим видам обработки. Все виды сталей отличаются высокой прочностью и пластичностью.

По своему назначению сталь подразделяется на конструкционную, инструментальную, а также с особыми физическими свойствами. В каждой из них содержится различное количество углерода, благодаря которому материал приобретает те или иные специфические качества, например, жаропрочность, жаростойкость, устойчивость к действию ржавчины и коррозии.

Особое место занимают электротехнические стали, выпускаемые в листовом формате и применяющиеся в производстве электротехнических изделий. Для получения этого материала производится легирование кремнием, способным улучшить его магнитные и электрические свойства.

Для того чтобы электротехническая сталь приобрела необходимые характеристики, необходимо соблюдение определенных требований и условий. Материал должен легко намагничиваться и перемагничиваться, то есть, обладать высокой магнитной проницаемостью. Такие стали имеют хорошую магнитную индукцию, а их перемагничивание осуществляется с минимальными потерями.

От соблюдения этих требований зависят габариты и масса магнитных сердечников и обмоток, а также коэффициент полезного действия трансформаторов и величина их рабочей температуры. На выполнение условий оказывают влияние многие факторы, в том числе и удельное сопротивление стали.

Удельное сопротивление и другие показатели

Величина удельного электрического сопротивления представляет собой отношение напряженности электрического поля в металле и плотности тока, протекающего в нем. Для практических расчетов используется формула: в которой ρ является удельным сопротивлением металла (Ом*м), Е – напряженностью электрического поля (В/м), а J – плотностью электротока в металле (А/м 2 ). При очень большой напряженности электрического поля и низкой плотности тока, удельное сопротивление металла будет высоким.

Существует еще одна величина, называемая удельной электропроводностью, обратная удельному сопротивлению, указывающая на степень проводимости электрического тока тем или иным материалом. Она определяется по формуле и выражается в единицах См/м – сименс на метр.

Удельное сопротивление тесно связано с электрическим сопротивлением. Однако они имеют различия между собой. В первом случае – это свойство материала, в том числе и стали, а во втором случае определяется свойство всего объекта. На качество резистора влияет сочетание нескольких факторов, прежде всего, формы и удельного сопротивления материала, из которого он изготовлен. Например, если для изготовления проволочного резистора использовалась тонкая и длинная проволока, то его сопротивление будет больше, чем у резистора, изготовленного из толстой и короткой проволоки одинакового металла.

В качестве другого примера можно привести резисторы из проволоки с одинаковым диаметром и длиной. Однако, если в одном из них материал имеет высокое удельное сопротивление, а в другом низкое, то соответственно в первом резисторе электрическое сопротивление будет выше, чем во втором.

Зная основные свойства материала, можно использовать удельное сопротивление стали для определения величины сопротивления стального проводника. Для вычислений, кроме удельного электрического сопротивления потребуется диаметр и длина самого провода. Расчеты выполняются по следующей формуле: , в которой R является сопротивлением проводника (Ом), ρ – удельным сопротивлением стали (Ом*м), L – соответствует длине провода, А – площади его поперечного сечения.

Существует зависимость удельного сопротивления стали и других металлов от температуры. В большинстве расчетов используется комнатная температура – 20 0 С. Все изменения под влиянием этого фактора учитываются с помощью температурного коэффициента.

Удельное сопротивление металлов. Таблица

Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

• Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
• Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:

Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.

Удельное электрическое сопротивление металлических проводников

Каждому веществу присуща способность проводить электроток в той или иной степени. Этот показатель зависит от удельного сопротивления материала и обозначается греческой буквой ρ («ро»). Данный параметр не зависит от агрегатного состояния, габаритов и формы проводника, в отличие от обычного электрического сопротивления. Единица измерения — Омы, умноженные на миллиметр квадратный и Сопротивление может быть:разделенные на метр (Ом x мм 2 ÷ м).

Описание критериев

Удельным электрическим сопротивлением называют величину, определяющую электрическое сопротивление эталонной модели вещества. Нахождение данного параметра выполняется при помощи формулы удельного электрического сопротивления, которая имеет следующий вид:

• R — электросопротивление проводящего ток материала (показывает, какое противодействие оказывается электротоку в момент его прохождения через проводник) (Ом);
• S — значение сечения проводника (м 2 );
• l — длина провода (м).

Любому материалу свойственно проявление двух типов сопротивления, которые зависят от электричества, подающегося на него. Значительное влияние на технические характеристики веществ может оказать переменный или постоянный ток. Сопротивление может быть:

• активным или омическим;
• реактивным либо индуктивным.

Первый тип происходит от энергозатрат на нагрев металла (проводника) в момент прохождения через него электротока. Реактивное сопротивление возникает от неминуемых расходов на формирование различными преобразованиями тока, протекающего сквозь проводник электрических полей. Удельное электросопротивление также подразделяется на два типа:

1. В цепи постоянного тока;
2. Для контура с переменным током.

Этот параметр измеряется в Ом*м. Для того чтобы его найти, пользуются справочной литературой, формулой удельного сопротивления проводника и таблицами с разными размерностями удельного противодействия . Свободно движущиеся по пространству электроны перемещаются в пределах пространственного каркаса, который еще называется кристаллической решеткой. Факторы, влияющие на показатели удельного сопротивления — это температура, посторонние вещества и материал.

Металлы, применяемые в электротехнике

Для электрооборудования в качестве проводников нередко используются драгоценные и цветные металлы. Наиболее часто встречающиеся металлы в электротехнике — это алюминий и медь. Удельное электрическое сопротивление стали ненамного отличается от удельного сопротивления железа и, в отличие от алюминия и меди, обладает довольно высокими показателями.

Поскольку этот материал доступен, прочен и устойчив к механическим повреждениям и деформациям, он получил широкое применение электротехнической отрасли. Несмотря на то что у стали и железа имеется ряд существенных недостатков, производителям проводниковых материалов удалось найти способы их устранения. В частности, низкая способность противодействовать коррозии преодолевается при помощи омеднения или оцинковывания жил стального кабеля.

Кабельная промышленность довольно часто использует свинец (химическое обозначение Plumbum (Pb)) и никелин в качестве предохраняющего от коррозии материала.

Наибольшая проводимость принадлежит серебру, но каковы бы ни были его положительные качества, цена металла слишком высока для масштабного применения в сетях электроснабжения, поэтому массовое использование в промышленной отрасли и для бытовых нужд получила медь.

По характеристике удельного коэффициента она занимает второе место, а по простоте разработки месторождений и распространенности превалирует над серебром. К преимуществам меди, которые позволяют ей занять лидирующее место среди остальных проводников, можно отнести:

• высокую коррозийную стойкость;
• механическую прочность;
• ударопрочность;
• простоту закрепления методом сварки и пайки;
• способность поддаваться обработке (благодаря физическим свойствам меди, из нее можно получить лист либо проволоку какой угодно толщины).

В электротехнической промышленности используется рафинированная медь, которая получается путем выплавки из сульфидных руд. После процесса тепловой обработки материала и выдувания происходит обязательная электролитическая очистка.

Такая технологическая процедура очищения позволяет получить металл максимально высокой марки с минимальным содержанием примесей. Одно из важных условий заключается в наличии кислорода в чрезвычайно малых пропорциях, поскольку он оказывает разрушительное влияние на физические параметры металла.

Нередко медь замещается более бюджетными материалами, такими как алюминий, железо, бронза и различные сплавы. Такие соединения характеризуются более высоким индексом прочности при сопоставлении с чистой медью, однако проводимость у таких составов меньше.

Особенности вычислений электросопротивления

Измерение электросопротивления металлов осуществляется при помощи специальных измерительных приборов — микроомметров. На сегодняшний день они выпускаются в цифровом формате, поэтому информация, полученная с их помощью, отличается высокой достоверностью. Объясняется это тем, что металлические изделия характеризуются высокой степенью проводимости и обладают предельно низким сопротивлением.

При использовании микроомметров появляется возможность быстро и безошибочно установить качество контакта и понять, какое электросопротивление оказывают катушки трансформаторов, генераторов, электрических шин, а также электродвигателей.

Используя данные электроприборы, можно с легкостью определить наличие включений других металлов в заготовке. К примеру, вольфрамовый слиток, обработанный золотым напылением, будет показывать проводимость наполовину меньшую, чем слиток золота, не имеющий примесей. Применяя данную методику, можно диагностировать внутренние неисправности и пустоты в проводниках.

Воздействие температур на замеры

Некоторые проводники при низких или высоких температурах могут оказывать существенное воздействие на показатели измерительной аппаратуры. Например, если подсоединить к гальваническому элементу свернутую по спирали проволоку и затем подключить к данной цепи амперметр, будет заметно, как уменьшаются показания измерительного прибора по мере нагревания проводника.

Силе тока присуща обратно пропорциональная зависимость от противодействия. Можно прийти к заключению, что вследствие повышения температуры электропроводимость металла сокращается. Такими свойствами обладают все металлические проводники в той или иной степени, однако у отдельных сплавов изменения электропроводимости практически не происходят.

Интересно отметить, что у жидких проводников и некоторых твердых неметаллов имеется тенденция к уменьшению своего сопротивления при повышении температуры. Но и это свойство металлов ученым удалось обратить в свою пользу. Располагая данными о температурном коэффициенте сопротивления (α) при нагревании отдельных материалов, возможно определять наружную температуру.

Так, чтобы узнать температуру внутри печи, в нее помещают платиновую проволоку, прикрепленную к каркасу из прозрачного слоистого минерала (слюды), затем выполняют замер сопротивления. Исходя из того, как сильно его значение изменилось, приходят к заключению относительно температуры. Такой прибор носит название термометр сопротивления.

Металлопленочные резисторы обладают отличными свойствами термостабильности. Это можно достичь не только благодаря низкому удельному сопротивлению материала, но и благодаря механическому устройству самого терморезистора. Для производства резисторов используется большое количество разнообразных сплавов и металлов.

21. Высокоомные сплавы и их свойства. Удельное сопротивление металлических сплавов.

Мате­риалы высокого сопротивления должны быть высокостабильными, иметь удельное сопротивление не менее 0,3 мкОм•м, очень низкий ТКρ и малую термо-ЭДС относительно меди. Металлические сплавы, образующие твердые растворы, по на­значению разделяют на сплавы резистивные и нагревостойкие.

Резистивные сплавы широко используют в производстве прово­лочных резисторов, шунтов, реостатов, термопар и т.д. Самые рас­пространенные среди них — медно-никелевые сплавы: манганин, константан и др.

Манганин — это сплав, состоящий из меди Си 85—89%, никеля Ni 2,5—3,5% и марганца Мп 11,5—13,5%. Примеси не должно быть более 0,9%. Удельное сопротивление манга­нина составляет 0,42—0,48 мкОм-м, предельно допустимая температу­ра 200°С. Хо­рошо протягивается в тонкую проволоку диаметром от 0,02 до 6,0 мм, а микро­провод в стеклянной изоляции производят диаметром в несколько мкм. Хорошо прокатывается в ленту толщиной 0,01—1 мм (ширина ленты 10—300 мм). Манганин применяют для изготовления образцовых (проволочных) резисторов, шунтов и некоторых измерительных приборов.

Константин — сплав, содержащий 56—59% меди Си, 39—41% никеля Ni и 1—2% марганца Мп, примеси — не более 0,9%. Удельное сопротивление р = 0,48—0,52 мкОм•м, значение ТКр близ­ко к нулю и обычно имеет отрицательный знак. Может использоваться в реостатах и нагревательных элементах при температурах до 450—500°С. При быстром (3 с) нагреве константановой проволоки на воздухе до температуры 900°С на ее поверхности обра­зуется тонкая пленка оксида, обладающая электроизоляционными свойствами.

Нагревостойкие сплавы используют для изготовления нагрева­тельных элементов. К ним относятся сплавы на основе железа, нике­ля, хрома и алюминия. Высокая нагревостойкость этих сплавов обусловле­на образованием на их поверхностях сплошной плотной оксидной пленки.

Нихромы — это сплавы системы Fe—Ni—Cr, со­держащие Ni 55—78%, Cr 15—25%, Mn 1,5 и остальное Fe; удельное сопротивление равно 1,0—1,2 мкОм-м. При повышенном содержа­нии железа эти сплавы называют ферронихромами. Нихромы облада­ют высокой технологичностью, легко протягиваются в тонкую про­волоку и легко прокатываются в тонкую ленту. Это жаростойкие сплавы. Вы­сокая нагревостойкость нихромов объясняется близкими значения­ми ТКЛР сплавов и их оксидных пленок.

Фехрали и хромали — это жаростойкие сплавы системы Fe—Cr—A1, содержащие с своем составе хрома Сг 12—15%, алюминия А1 3,5—5,5%, марганца Мп 0,7%, никеля Ni 0,6% и ос­тальное железо Fe; удельное сопротивление равно 1,2—1,4 мкОм•м. Эти сплавы менее технологичны, более твердые и хрупкие, чем ни­хромы. Поэтому из них получают проволоку и ленты с поперечным сечением большим, чем из нихромов. Отличаются высокой стойкостью к химиче­скому разрушению под действием различных газообразных сред при высоких температурах.

22. Влияние примеси на удельное сопротивление. Влияние размеров проводника на удельное сопротивление. (Пленочные проводники в микросхемах).

Влияние примеси на удельное сопротивление

Чистые отожженные металлы имеют менее деформированнуюкристаллическую решетку, поэтому для них характерны большие значения λ, и, следовательно, у (малая величина ρ). Примеси, раство­ренные в металлах, деформируют кристаллическую решетку и вызы­вают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда ρ метал­лов, содержащих растворенную примесь, всегда выше, чем ρ чистых металлов. У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. Гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Максимальное значение р проявляется у сплавов, кристаллическая решетка которых макси­мально деформирована.

Влияние размеров проводника на удельное сопротивления

Вметаллических проводниках в виде тонких пленок, фольги или проволоки образуется мелкозернистая структура. Чем мельче зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зерен. Наиболее де­фектной частью зерна является его поверхность. Увеличе­ние удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллиза­ции металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой пленке появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ, пор и др. В результате умень­шается средняя длина свободного пробега электрона λ, и р возраста­ет. Для сравнительной оценки удельного сопротивления тонких ме­таллических пленок принято сопротивление квадрата R_D, через про­тивоположные грани которого ток протекает параллельно поверх­ности R_D = ρ_δ /δ.

Термо­резисторы изготавливают из полупроводниковых материалов, диапазон изменения их ТКС — (-6,5. +70)%. Материал для создания терморезисторов должен удовле­творять следующим требованиям:

1.электронная проводимость материала и возможность регулирования ее,

2.стабильность харак­теристик материала в диапазоне рабочих температур,

3.простота технологии изготовления изделий,

4.материалы должны быть не­чувствительными к загрязнениям в процессе технологического изготовления изделий.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготавливаются из оксидов металлов с незаполненными электронным. Если температура увеличивается, то электроны приобретают энергию в виде тепла, процесс обмена электронами у ионов становится интенсивнее, поэтому резко увеличивается подвижность носите­лей заряда.

и уровнями. Современные терморезисторы с отрицательным ТКС обычно изготавливают из следующих оксидных систем: ни­кель-марганец-медь, никель-марганец-кобальт-медь, кобальт-марганец-медь, железо-титан, никель-литий, кобальт-литий, медь-марганец.

Тенденции развития современных материалов с отрица­тельным ТКС

1.получение более стабильных терморезисторов

2.расширение верхней границы ра­бочих температур.

3.создание переключающих термо­резисторов с отрицательным ТКС.

Терморезисторы с положительным ТКС можно разделить на 2 группы

1.Терморезисторы из полупроводникового материала, легированные кристаллы Si (кремния) как n-, так и р-типа имеют положительный ТКС при температуре от криогенных до150°С и выше

2.Терморезисторы с большим ТКС (до 70% на 1 o С), но в более ограниченном диапазоне температур. Материалом в данном случае является поликристаллический полупроводнико­вый титанат бария с большим изменением ТКС при температу­ре 120°С.

Терморезистивные элементы с положительным ТКС выпускают на основе титанато-бариевой керамики.

Основные электрические параметры

Величина сопротивления образцов

Величина ТКС а в процентах на 1°С

Постоянная времени τ (в секундах), характеризующая те­пловую инерционность терморезистора.

Максимально допустимая температура tmax

Максимально допустимая мощность рассеивания

Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1°С. Численно равен мощности, рассеиваемой на терморезисторе при разности темпе­ратур образца и окружающей среды в 1°С

Коэффициент температурной чувствительности

В =[ (T1*T2)/(T2-T1) *Ln(R1/R2)

Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/%R, численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1 %

Теплоемкость С в Дж на 1°С.

Основные характеристики терморезисторов

1.ВАХ

график (А)соответствует терморезистору с отрицательным ТКС,

(Б) — с положительным.

3.Подогревная характеристика — характеристика, свойст­венная терморезисторам косвенного подогрева — зависимость сопротивления резистора от подводимой мощности.

Собственный нагрев термисторов

1.Схемы с термисторами, сопротивление которых определяется только температурой окружающей среды. Ток, проходящий при этом через термистор, настолько мал, что не вызывает дополнительного разо­грева термистора.

2. Во вторую группу входят схемы с термисторами, сопротивление которых меняется за счет собственного нагре­ва.