| Статьи о |
| Электромагнетизм |
|---|
 |
В физике и электротехнике , А проводник представляет собой объект или тип материала , который позволяет поток заряда ( электрический ток ) в одном или нескольких направлениях. Материалы из металла являются обычными электрическими проводниками. Электрический ток генерируется потоком отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных дырок и в некоторых случаях положительных или отрицательных ионов.
Для протекания тока необязательно, чтобы одна заряженная частица перемещалась от машины, производящей ток, к той, которая ее потребляет. Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечную величину, который будет подталкивать своего соседа и так далее, пока частица не попадет в потребителя, тем самым запитав машину. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульса между мобильными носителями заряда; Друда модель проводимости описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором в качестве проводника; Металлы, как правило, обладают делокализованным морем электронов, которое придает электронам достаточную подвижность для столкновения и, таким образом, передачи импульса.
Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; однако другие устройства, такие как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, зависят от носителей положительного заряда. Изоляторы - это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые поддерживают лишь незначительные электрические токи .
Сопротивление и проводимость [ править ]
Сопротивление данного проводника зависит от материала , из которого он изготовлен, и от ее размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. [1] Например, толстая медная проволока имеет меньшее сопротивление, чем идентичная в остальном тонкая медная проволока. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный во всем остальном короткий медный провод. Следовательно, сопротивление R и проводимость G проводника однородного поперечного сечения можно рассчитать как [1]
![{\ displaystyle {\ begin {align} R & = \ rho {\ frac {\ ell} {A}}, \\ [6pt] G & = \ sigma {\ frac {A} {\ ell}}. \ end {выровнено }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
где - длина проводника, измеренная в метрах [м], A - площадь поперечного сечения проводника, измеренная в квадратных метрах [м 2 ], σ ( сигма ) - электрическая проводимость, измеренная в сименсах на метр (S · м -1 ), а ρ ( rho ) - удельное электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением ) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого изготовлен провод, а не от его геометрии. Удельное сопротивление и проводимостьобратные : . Удельное сопротивление - это мера способности материала противостоять электрическому току.
Эта формула не точна: она предполагает, что плотность тока в проводнике полностью однородна, что не всегда верно в практической ситуации. Однако эта формула по-прежнему дает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.
Другая ситуация, для которой эта формула не точна, - это переменный ток (AC), потому что скин-эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. Тогда геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором на самом деле протекает ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Точно так же, если два проводника находятся рядом друг с другом, по которым проходит переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффекта близости . При промышленной частоте мощности , эти эффекты являются существенными для больших проводников , несущих большие тока, например, сборных шин в электрической подстанции , [2] или большие силовые кабели, пропускающие более нескольких сотен ампер.
Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами: во-первых, материалы могут расширяться под воздействием тепла. Степень расширения материала зависит от его коэффициента теплового расширения . Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект обычно невелик, порядка 10 −6 . Повышение температуры также увеличит количество фононов, генерируемых в материале. фононПо сути, это колебание решетки, или, скорее, небольшое гармоническое кинетическое движение атомов материала. Подобно сотрясению автомата для игры в пинбол, фононы служат для нарушения траектории электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общую величину передаваемого тока.
Дирижерские материалы [ править ]
| Материал | ρ [Ом · м] при 20 ° C | σ [S/м] при 20 ° C |
|---|---|---|
| Серебро, Ag | 1,59 × 10 −8 | 6,30 × 10 7 |
| Медь, Cu | 1,68 × 10 −8 | 5,96 × 10 7 |
| Алюминий, Al | 2,82 × 10 −8 | 3,50 × 10 7 |
Проводящие материалы включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .
Медь обладает высокой проводимостью . Отожженная медь - это международный стандарт, с которым сравниваются все другие электрические проводники; Международная отожженная медь Стандарт проводимость58 МС / м , хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой для электрических применений, таких как строительная проволока, обмотки двигателей , кабели и шины , является медь с твердым электролитическим пеком (ETP) (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если медь высокой проводимости должны быть приварены или припаяны или использоваться в восстановительной атмосфере, то бескислородной меди высокой проводимости (CW008A или ASTM обозначение C10100) могут быть использованы. [3] Из-за простоты соединения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения.
Серебро на 6% электропроводнее, чем медь, но в большинстве случаев из-за его стоимости оно нецелесообразно. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь от скин-эффекта на высоких частотах. Известно, что 14,700 коротких тонн (13,300 т) серебра, предоставленного Казначейством США, были использованы для изготовления магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за нехватки меди в военное время.
Алюминиевая проволока - самый распространенный металл при передаче и распределении электроэнергии . Хотя проводимость меди составляет всего 61% от площади поперечного сечения, ее более низкая плотность делает ее в два раза более проводящей по массе. Поскольку алюминий составляет примерно одну треть стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются большие проводники.
Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, из-за чего соединения нагреваются. Его больший коэффициент теплового расширения, чем у латунных материалов, используемых для разъемов, вызывает ослабление соединений. Алюминий также может «ползать», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью соединителей подходящей конструкции и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку в зданиях непопулярной после того, как снизился уровень обслуживания .
Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, поэтому не образует ионы. Ковалентные связи - это просто обмен электронами. Следовательно, при пропускании электричества через него не происходит разделения ионов. Таким образом, жидкость (масло или любое органическое соединение) не может проводить электричество.
Хотя чистая вода не является проводником электричества, даже небольшая часть ионных примесей, таких как соль , может быстро превратить ее в проводник.
Размер провода [ править ]
Провода измеряются по площади поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются американским калибром проводов для более мелких и круглых милов для более крупных.
Тока проводника [ править ]
Допустимое токовая нагрузка проводника, то есть, количество тока он может нести, связанно с его электрическим сопротивлением: а нижнее сопротивление проводник может переносить большее значение тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого сделан проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.
Для неизолированных проводов конечным пределом является точка, в которой потеря мощности из-за сопротивления приводит к плавлению проводника. Однако, за исключением предохранителей , большинство проводников в реальном мире эксплуатируются намного ниже этого предела. Например, бытовая электропроводка обычно изолирована изоляцией из ПВХ, которая рассчитана на работу только при температуре около 60 ° C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы он никогда не нагревал медный провод выше 60 ° C, вызывая риск огонь . Другая, более дорогая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно, может позволить работать при гораздо более высоких температурах.
Изотропия [ править ]
Если к материалу приложено электрическое поле , и результирующий индуцированный электрический ток имеет то же направление, материал называется изотропным электрическим проводником . Если результирующий электрический ток имеет направление, отличное от направления приложенного электрического поля, материал считается анизотропным электрическим проводником .
См. Также [ править ]
| ε r ″/ε r ′ | Текущая проводимость | Распространение поля |
|---|---|---|
| 0 | идеальная диэлектрическая среда без потерь | |
| ≪ 1 | материал с низкой проводимостью плохой проводник | низкие потери средний хороший диэлектрик |
| ≈ 1 | проводящий материал с потерями | среда распространения с потерями |
| ≫ 1 | материал с высокой проводимостью хороший проводник | высокие потери средний плохой диэлектрик |
| ∞ | идеальный дирижер |
- Связка проводника
- Комплекс переноса заряда
- Четвертый рельс
- Воздушная линия
- Удельное электрическое сопротивление и проводимость
- Стивен Грей , первым определивший электрические проводники и изоляторы
- Сверхпроводимость
- Третий рельс
Ссылки [ править ]
- ^ a b «Размеры и сопротивление проводов» (PDF) . Проверено 14 января 2018 .
- ↑ Финк и Бити, Стандартное руководство для инженеров-электриков, 11-е издание , страницы 17–19.
- ^ «Котлы с высокой проводимостью (электрические)» . Ассоциация развития меди (Великобритания). Архивировано из оригинала на 2013-07-20 . Проверено 1 июня 2013 .
Дальнейшее чтение [ править ]
Новаторские и исторические книги [ править ]
- Уильям Генри Прис. О электрических проводниках . 1883 г.
- Оливер Хевисайд. Электротехнические документы . Макмиллан, 1894 г.
Справочники [ править ]
- Ежегодная книга стандартов ASTM: электрические проводники. Американское общество испытаний и материалов. (каждый год)
- Правила электромонтажа IET. Институт инженерии и технологий. wiringregulations.net
Внешние ссылки [ править ]
- BBC: Key Stage 2 Bitesize: электрические проводники
- Открытие проводников и изоляторов Греем, Дюфеем и Франклином.
 | Викискладе есть медиафайлы по теме электрических проводников . |
