• Dirigenten;
• Dielektrika (mit isolierenden Eigenschaften);
• Halbleiter.

Elektronen und Strom

Im Mittelpunkt des modernen Konzepts des elektrischen Stroms steht die Annahme, dass er aus materiellen Teilchen besteht – Ladungen. Aber verschiedene physikalische und chemische Experimente geben Anlass zu der Annahme, dass diese Ladungsträger in demselben Leiter von unterschiedlicher Art sein können. Und diese Inhomogenität der Partikel beeinflusst die Stromdichte. Für Berechnungen, die sich auf die Parameter des elektrischen Stroms beziehen, werden bestimmte physikalische Größen verwendet. Unter ihnen nimmt die Leitfähigkeit zusammen mit dem Widerstand einen wichtigen Platz ein.

• Die Leitfähigkeit hängt mit dem Widerstand durch eine gegenseitige umgekehrte Beziehung zusammen.

Es ist bekannt, dass, wenn eine bestimmte Spannung an einen Stromkreis angelegt wird, darin ein elektrischer Strom erscheint, dessen Wert mit der Leitfähigkeit dieses Stromkreises zusammenhängt. Diese grundlegende Entdeckung wurde damals von dem deutschen Physiker Georg Ohm gemacht. Seitdem gilt ein Gesetz namens Ohmsches Gesetz. Es existiert für verschiedene Schaltungsvarianten. Daher können sich die Formeln für sie voneinander unterscheiden, da sie völlig unterschiedlichen Bedingungen entsprechen.

Jeder Stromkreis hat einen Leiter. Enthält er eine Art von Ladungsträgerteilchen, ist der Strom im Leiter wie eine Flüssigkeitsströmung, die eine bestimmte Dichte hat. Sie wird nach folgender Formel bestimmt:

Die meisten Metalle entsprechen der gleichen Art von geladenen Teilchen, aufgrund derer ein elektrischer Strom fließt. Bei Metallen erfolgt die Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit nach folgender Formel:

Da die Leitfähigkeit berechnet werden kann, ist es jetzt einfach, den spezifischen elektrischen Widerstand zu bestimmen. Oben wurde bereits erwähnt, dass der spezifische Widerstand eines Leiters der Kehrwert der Leitfähigkeit ist. Somit,

In dieser Formel wird der griechische Buchstabe ρ (rho) verwendet, um den spezifischen elektrischen Widerstand zu bezeichnen. Diese Bezeichnung wird am häufigsten in der Fachliteratur verwendet. Allerdings findet man auch leicht abweichende Formeln, mit deren Hilfe der spezifische Widerstand von Leitern berechnet wird. Wenn die klassische Theorie der Metalle und die elektronische Leitfähigkeit in ihnen für Berechnungen verwendet werden, wird der spezifische Widerstand nach folgender Formel berechnet:

Allerdings gibt es ein "aber". Der Zustand von Atomen in einem Metallleiter wird durch die Dauer des Ionisierungsprozesses beeinflusst, der durch ein elektrisches Feld durchgeführt wird. Mit einem einzigen ionisierenden Effekt auf den Leiter erhalten die darin enthaltenen Atome eine einzige Ionisierung, die ein Gleichgewicht zwischen der Konzentration von Atomen und freien Elektronen herstellt. Und die Werte dieser Konzentrationen sind gleich. Dabei finden folgende Abhängigkeiten und Formeln statt:

Leitfähigkeits- und Widerstandsabweichungen

Als nächstes betrachten wir, was die spezifische Leitfähigkeit bestimmt, die in umgekehrter Beziehung zum spezifischen Widerstand steht. Der spezifische Widerstand eines Stoffes ist eine ziemlich abstrakte physikalische Größe. Jeder Leiter existiert in Form eines bestimmten Musters. Es ist durch das Vorhandensein verschiedener Verunreinigungen und Defekte in der inneren Struktur gekennzeichnet. Sie werden als separate Terme in dem Ausdruck berücksichtigt, der den spezifischen Widerstand gemäß der Matthiessen-Regel bestimmt. Diese Regel berücksichtigt auch die Streuung eines bewegten Elektronenstroms an den temperaturabhängig schwankenden Knoten des Kristallgitters der Probe.

Das Vorhandensein von inneren Defekten, wie Einschlüssen verschiedener Verunreinigungen und mikroskopischer Hohlräume, erhöht ebenfalls den spezifischen Widerstand. Um die Menge an Verunreinigungen in den Proben zu bestimmen, wird der spezifische Widerstand der Materialien für zwei Temperaturwerte des Probenmaterials gemessen. Ein Temperaturwert ist Raumtemperatur, der andere entspricht flüssigem Helium. Aus dem Verhältnis des Messergebnisses bei Raumtemperatur zum Ergebnis bei flüssigem Helium ergibt sich ein Koeffizient, der die strukturelle Perfektion des Materials und seine chemische Reinheit verdeutlicht. Der Koeffizient wird mit dem Buchstaben β bezeichnet.

Wenn eine Metalllegierung mit ungeordneter Mischkristallstruktur als elektrischer Stromleiter betrachtet wird, kann der Wert des Restwiderstands erheblich größer sein als der spezifische Widerstand. Ein solches Merkmal von Zweikomponenten-Metalllegierungen, die nicht mit Seltenerdelementen verwandt sind, sowie mit Übergangselementen wird von einem besonderen Gesetz erfasst. Es heißt Nordheimsches Gesetz.

Moderne Technologien in der Elektronik bewegen sich zunehmend in Richtung Miniaturisierung. Und zwar so sehr, dass bald anstelle eines Mikroschaltkreises das Wort "Nanoschaltkreis" erscheinen wird. Die Leiter in solchen Geräten sind so dünn, dass man sie als Metallfilme bezeichnen könnte. Es ist ziemlich klar, dass sich die Folienprobe mit ihrem spezifischen Widerstand nach oben von dem größeren Leiter unterscheiden wird. Die geringe Dicke des Metalls im Film führt zum Auftreten von Halbleitereigenschaften darin.

Die Proportionalität zwischen der Dicke des Metalls und der freien Weglänge der Elektronen in diesem Material beginnt sich abzuzeichnen. Es gibt wenig Platz für Elektronen, um sich zu bewegen. Daher beginnen sie, sich gegenseitig daran zu hindern, sich in geordneter Weise zu bewegen, was zu einer Erhöhung des spezifischen Widerstands führt. Für Metallfilme wird der spezifische Widerstand unter Verwendung einer speziellen Formel berechnet, die aus Experimenten gewonnen wurde. Die Formel ist nach Fuchs benannt, einem Wissenschaftler, der den spezifischen Widerstand von Filmen untersuchte.

Filme sind sehr spezifische Formationen, die schwer zu wiederholen sind, sodass die Eigenschaften mehrerer Proben gleich sind. Für eine akzeptable Genauigkeit bei der Bewertung von Filmen wird ein spezieller Parameter verwendet - der spezifische Oberflächenwiderstand.

Widerstände werden aus Metallfilmen auf dem Mikroschaltungssubstrat gebildet. Aus diesem Grund sind Widerstandsberechnungen eine sehr gefragte Aufgabe in der Mikroelektronik. Der Wert des spezifischen Widerstands wird offensichtlich von der Temperatur beeinflusst und hängt damit durch eine direkte Proportionalitätsabhängigkeit zusammen. Bei den meisten Metallen hat diese Abhängigkeit in einem bestimmten Temperaturbereich einen gewissen linearen Abschnitt. In diesem Fall wird der spezifische Widerstand durch die Formel bestimmt:

In Metallen entsteht elektrischer Strom durch die große Anzahl freier Elektronen, deren Konzentration relativ hoch ist. Darüber hinaus bestimmen Elektronen auch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen. Aus diesem Grund wurde durch ein spezielles Gesetz ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit hergestellt, der experimentell untermauert wurde. Dieses Wiedemann-Franz-Gesetz ist durch folgende Formeln gekennzeichnet:

Verlockende Aussichten für die Supraleitung

Die erstaunlichsten Prozesse laufen jedoch bei der niedrigsten technisch erreichbaren Temperatur von flüssigem Helium ab. Unter solchen Kühlbedingungen verlieren praktisch alle Metalle ihren spezifischen Widerstand. Auf die Temperatur von flüssigem Helium gekühlte Kupferdrähte können Ströme leiten, die um ein Vielfaches höher sind als unter normalen Bedingungen. Wenn dies in der Praxis möglich wäre, wäre der wirtschaftliche Effekt von unschätzbarem Wert.

Noch überraschender war die Entdeckung von Hochtemperaturleitern. Diese Arten von Keramiken waren unter normalen Bedingungen in ihrer Resistivität sehr weit von Metallen entfernt. Aber bei einer Temperatur von etwa drei Dutzend Grad über flüssigem Helium wurden sie zu Supraleitern. Die Entdeckung dieses Verhaltens nichtmetallischer Materialien ist zu einem starken Impuls für die Forschung geworden. Aufgrund der enormen wirtschaftlichen Folgen der praktischen Anwendung der Supraleitung wurden sehr erhebliche finanzielle Mittel in diese Richtung geworfen und eine großangelegte Forschung begonnen.

Aber vorerst, wie man so schön sagt, „die Sachen sind noch da“ ... Keramische Werkstoffe erwiesen sich als ungeeignet für den praktischen Einsatz. Die Bedingungen für die Aufrechterhaltung des Zustands der Supraleitung erforderten so große Kosten, dass alle Vorteile aus seiner Nutzung zerstört wurden. Aber Experimente mit Supraleitung gehen weiter. Es gibt Fortschritte. Supraleitung wurde bereits bei einer Temperatur von 165 Grad Kelvin erreicht, aber dazu braucht es hohen Druck. Die Schaffung und Aufrechterhaltung solcher Sonderkonditionen spricht wiederum gegen die kommerzielle Nutzung dieser technischen Lösung.

Zusätzliche Einflussfaktoren

Derzeit geht alles seinen eigenen Weg, und bei Kupfer, Aluminium und einigen anderen Metallen sichert der spezifische Widerstand weiterhin deren industriellen Einsatz für die Herstellung von Drähten und Kabeln. Abschließend lohnt es sich, noch einige Informationen hinzuzufügen, dass nicht nur der spezifische Widerstand des Leitermaterials und die Umgebungstemperatur die Verluste beim Durchgang eines elektrischen Stroms beeinflussen. Die Geometrie des Leiters ist sehr wichtig, wenn er bei einer erhöhten Spannungsfrequenz und bei hoher Stromstärke verwendet wird.

Unter diesen Bedingungen neigen Elektronen dazu, sich nahe der Oberfläche des Drahtes zu konzentrieren, und seine Dicke als Leiter verliert seine Bedeutung. Daher ist es möglich, die Kupfermenge im Draht vertretbar zu reduzieren, indem nur der äußere Teil des Leiters daraus hergestellt wird. Ein weiterer Faktor bei der Erhöhung des spezifischen Widerstands eines Leiters ist die Verformung. Trotz der hohen Leistung einiger elektrisch leitfähiger Materialien können sie daher unter bestimmten Bedingungen nicht erscheinen. Es ist notwendig, die richtigen Leiter für bestimmte Aufgaben auszuwählen. Die folgenden Tabellen helfen Ihnen dabei.

Widerstand Metalle ist ein Maß für ihre Eigenschaften, dem Durchgang von elektrischem Strom zu widerstehen. Dieser Wert wird in Ohmmeter (Ohm⋅m) ausgedrückt. Das Symbol für den spezifischen Widerstand ist der griechische Buchstabe ρ (rho). Hoher spezifischer Widerstand bedeutet, dass das Material elektrische Ladungen nicht gut leitet.

Widerstand

Der spezifische elektrische Widerstand ist definiert als das Verhältnis zwischen der elektrischen Feldstärke innerhalb eines Metalls und der darin enthaltenen Stromdichte:

wo:
ρ ist der spezifische Widerstand des Metalls (Ohm⋅m),
E ist die elektrische Feldstärke (V/m),
J ist der Wert der elektrischen Stromdichte im Metall (A/m2)

Wenn die elektrische Feldstärke (E) im Metall sehr groß und die Stromdichte (J) sehr klein ist, bedeutet dies, dass das Metall einen hohen spezifischen Widerstand hat.

Der Kehrwert des spezifischen Widerstands ist die elektrische Leitfähigkeit, die angibt, wie gut ein Material elektrischen Strom leitet:

σ ist die Leitfähigkeit des Materials, ausgedrückt in Siemens pro Meter (S/m).

Elektrischer Wiederstand

Der elektrische Widerstand, eine der Komponenten, wird in Ohm (Ohm) ausgedrückt. Es sollte beachtet werden, dass elektrischer Widerstand und spezifischer Widerstand nicht dasselbe sind. Der spezifische Widerstand ist eine Eigenschaft eines Materials, während der elektrische Widerstand eine Eigenschaft eines Objekts ist.

Der elektrische Widerstand eines Widerstands wird durch die Kombination aus Form und spezifischem Widerstand des Materials bestimmt, aus dem er besteht.

Beispielsweise hat ein Drahtwiderstand aus einem langen und dünnen Draht einen höheren Widerstand als ein Widerstand aus einem kurzen und dicken Draht aus demselben Metall.

Gleichzeitig hat ein drahtgewickelter Widerstand aus einem Material mit hohem spezifischen Widerstand einen höheren elektrischen Widerstand als ein Widerstand aus einem Material mit niedrigem spezifischen Widerstand. Und das, obwohl beide Widerstände aus Draht gleicher Länge und Durchmesser bestehen.

Zur Veranschaulichung können wir eine Analogie zu einem hydraulischen System ziehen, bei dem Wasser durch Rohre gepumpt wird.

• Je länger und dünner das Rohr ist, desto mehr Wasserbeständigkeit wird bereitgestellt.
• Ein mit Sand gefülltes Rohr widersteht Wasser mehr als ein Rohr ohne Sand.

Drahtwiderstand

Der Widerstandswert des Drahtes hängt von drei Parametern ab: dem spezifischen Widerstand des Metalls, der Länge und dem Durchmesser des Drahtes selbst. Formel zur Berechnung des Drahtwiderstands:

Woher:
R - Drahtwiderstand (Ohm)
ρ - spezifischer Widerstand des Metalls (Ohm.m)
L - Kabellänge (m)
A - Querschnittsfläche des Drahtes (m2)

Betrachten Sie als Beispiel einen Nichrom-Drahtwiderstand mit einem spezifischen Widerstand von 1,10 × 10 –6 Ohm.m. Der Draht hat eine Länge von 1500 mm und einen Durchmesser von 0,5 mm. Basierend auf diesen drei Parametern berechnen wir den Widerstand des Nichromdrahts:

R \u003d 1,1 * 10 -6 * (1,5 / 0,000000196) \u003d 8,4 Ohm

Als Widerstandsmaterial werden häufig Nichrom und Konstantan verwendet. Unten in der Tabelle sehen Sie den spezifischen Widerstand einiger der am häufigsten verwendeten Metalle.

Oberflächenwiderstand

Der Oberflächenwiderstandswert wird auf die gleiche Weise berechnet wie der Drahtwiderstand. In diesem Fall kann die Querschnittsfläche als Produkt von w und t dargestellt werden:

Bei einigen Materialien, wie z. B. dünnen Schichten, wird der Zusammenhang zwischen spezifischem Widerstand und Schichtdicke als Schichtflächenwiderstand RS bezeichnet:

wobei RS in Ohm gemessen wird. Bei dieser Berechnung muss die Filmdicke konstant sein.

Oft schneiden Widerstandshersteller Bahnen in den Film aus, um den Widerstand zu erhöhen, um den Pfad für elektrischen Strom zu vergrößern.

Eigenschaften von Widerstandsmaterialien

Der Widerstand eines Metalls hängt von der Temperatur ab. Ihre Werte werden in der Regel für Raumtemperatur (20°C) angegeben. Die Widerstandsänderung infolge einer Temperaturänderung wird durch einen Temperaturkoeffizienten charakterisiert.

Bei Thermistoren (Thermistoren) wird diese Eigenschaft beispielsweise zur Temperaturmessung verwendet. Andererseits ist dies in der Präzisionselektronik ein eher unerwünschter Effekt.
Metallschichtwiderstände haben hervorragende Temperaturstabilitätseigenschaften. Dies wird nicht nur durch den geringen spezifischen Widerstand des Materials erreicht, sondern auch durch das mechanische Design des Widerstands selbst.

Bei der Herstellung von Widerständen werden viele verschiedene Materialien und Legierungen verwendet. Nichrom (eine Legierung aus Nickel und Chrom) wird aufgrund seines hohen spezifischen Widerstands und seiner Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen häufig als Material zur Herstellung von drahtgewickelten Widerständen verwendet. Sein Nachteil ist, dass es nicht gelötet werden kann. Konstantan, ein weiteres beliebtes Material, ist leicht zu löten und hat einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten.

Viele haben vom Ohmschen Gesetz gehört, aber nicht jeder weiß, was es ist. Das Studium beginnt mit einem Schulfach Physik. Ausführlicher gehen auf die physikalische Fakultät und die Elektrodynamik über. Es ist unwahrscheinlich, dass dieses Wissen für einen gewöhnlichen Laien nützlich ist, aber es ist für die allgemeine Entwicklung und für jemanden für einen zukünftigen Beruf notwendig. Auf der anderen Seite helfen grundlegende Kenntnisse über Elektrizität, ihre Struktur und Eigenschaften zu Hause, sich vor Ärger zu warnen. Kein Wunder, dass das Ohmsche Gesetz das Grundgesetz der Elektrizität genannt wird. Der Hausmeister muss Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektrizität haben, um Überspannungen zu vermeiden, die zu einer Erhöhung der Last und einem Brand führen können.

Das Konzept des elektrischen Widerstands

Der Zusammenhang zwischen den grundlegenden physikalischen Größen eines Stromkreises - Widerstand, Spannung, Stromstärke - wurde vom deutschen Physiker Georg Simon Ohm entdeckt.

Der elektrische Widerstand eines Leiters ist eine Größe, die seinen Widerstand gegen elektrischen Strom charakterisiert. Mit anderen Worten, ein Teil der Elektronen verlässt unter Einwirkung eines elektrischen Stroms auf den Leiter seinen Platz im Kristallgitter und geht zum positiven Pol des Leiters. Ein Teil der Elektronen bleibt im Gitter und rotiert weiter um das Atom des Kerns. Diese Elektronen und Atome bilden einen elektrischen Widerstand, der die Bewegung freigesetzter Partikel verhindert.

Das obige Verfahren ist auf alle Metalle anwendbar, aber der Widerstand tritt bei ihnen auf unterschiedliche Weise auf. Dies liegt an dem Unterschied in Größe, Form und Material, aus dem der Leiter besteht. Dementsprechend haben die Abmessungen des Kristallgitters für verschiedene Materialien eine ungleiche Form, daher ist der elektrische Widerstand gegen die Bewegung des Stroms durch sie nicht gleich.

Aus diesem Konzept folgt die Definition des spezifischen Widerstands einer Substanz, die für jedes Metall separat ein individueller Indikator ist. Der elektrische Widerstand (ER) ist eine physikalische Größe, die mit dem griechischen Buchstaben ρ bezeichnet wird und durch die Fähigkeit eines Metalls gekennzeichnet ist, den Durchgang von Elektrizität zu verhindern.

Kupfer ist das Hauptmaterial für Leiter

Der spezifische Widerstand einer Substanz wird nach der Formel berechnet, wobei einer der wichtigen Indikatoren der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands ist. Die Tabelle enthält die Widerstandswerte von drei bekannten Metallen im Temperaturbereich von 0 bis 100°C.

Wenn wir den Widerstandsindex von Eisen als eines der verfügbaren Materialien gleich 0,1 Ohm nehmen, dann werden 10 Meter für 1 Ohm benötigt. Silber hat den niedrigsten elektrischen Widerstand, für seinen Indikator von 1 Ohm werden 66,7 Meter herauskommen. Ein erheblicher Unterschied, aber Silber ist ein teures Metall, das nicht weit verbreitet ist. Der nächste in Bezug auf die Leistung ist Kupfer, wo 1 Ohm 57,14 Meter erfordert. Aufgrund seiner Verfügbarkeit und seiner Kosten im Vergleich zu Silber ist Kupfer eines der beliebtesten Materialien für die Verwendung in elektrischen Netzwerken. Der geringe spezifische Widerstand von Kupferdraht oder der Widerstand von Kupferdraht ermöglicht die Verwendung eines Kupferleiters in vielen Bereichen der Wissenschaft, Technik sowie in Industrie und Haushalt.

Widerstandswert

Der Widerstandswert ist nicht konstant, er ändert sich in Abhängigkeit von folgenden Faktoren:

• Die Größe. Je größer der Durchmesser des Leiters ist, desto mehr Elektronen passieren ihn selbst. Daher ist der spezifische Widerstand umso größer, je kleiner seine Größe ist.
• Länge. Elektronen passieren Atome, je länger also der Draht, desto mehr Elektronen müssen durch sie wandern. Bei der Berechnung muss die Länge und Größe des Drahtes berücksichtigt werden, denn je länger und dünner der Draht ist, desto größer ist sein spezifischer Widerstand und umgekehrt. Wird die Belastung der verwendeten Ausrüstung nicht berechnet, kann dies zu einer Überhitzung des Drahtes und einem Brand führen.
• Temperatur. Es ist bekannt, dass das Temperaturregime in unterschiedlicher Weise von großer Bedeutung für das Verhalten von Stoffen ist. Metall ändert wie nichts anderes seine Eigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen. Der spezifische Widerstand von Kupfer hängt direkt vom Temperaturkoeffizienten des Widerstands von Kupfer ab und steigt bei Erwärmung an.
• Korrosion. Die Korrosionsbildung erhöht die Belastung erheblich. Dies geschieht durch Umwelteinflüsse, Eindringen von Feuchtigkeit, Salz, Schmutz etc. Manifestationen. Es wird empfohlen, alle Verbindungen, Klemmen und Verdrillungen zu isolieren, zu schützen, einen Schutz für auf der Straße befindliche Geräte zu installieren und beschädigte Kabel, Baugruppen und Baugruppen rechtzeitig auszutauschen.

Widerstandsberechnung

Beim Entwerfen von Objekten für verschiedene Zwecke und Verwendungen werden Berechnungen angestellt, da die Lebenserhaltung eines jeden von Elektrizität kommt. Von Beleuchtungskörpern bis hin zu technisch komplexen Geräten wird alles berücksichtigt. Zu Hause ist es auch nützlich, eine Berechnung durchzuführen, insbesondere wenn die Verkabelung ausgetauscht werden soll. Für den privaten Wohnungsbau muss die Belastung berechnet werden, da sonst die „handwerkliche“ Montage der elektrischen Leitungen zu einem Brand führen kann.

Der Zweck der Berechnung besteht darin, den Gesamtwiderstand der Leiter aller verwendeten Geräte unter Berücksichtigung ihrer technischen Parameter zu bestimmen. Er wird nach der Formel R=p*l/S berechnet, wobei:

R ist das berechnete Ergebnis;

p ist der Widerstandsindex aus der Tabelle;

l ist die Länge des Drahtes (Leiter);

S ist der Durchmesser des Abschnitts.

Einheiten

Im internationalen System physikalischer Größen (SI) wird der elektrische Widerstand in Ohm (Ohm) gemessen. Die Maßeinheit des spezifischen Widerstands nach dem SI-System ist gleich einem solchen spezifischen Widerstand eines Stoffes, bei dem ein Leiter aus einem Material mit einer Länge von 1 m und einem Querschnitt von 1 sq. m. hat einen Widerstand von 1 Ohm. Die Verwendung von 1 Ohm / m in Bezug auf verschiedene Metalle ist in der Tabelle übersichtlich dargestellt.

Bedeutung des Widerstands

Die Beziehung zwischen spezifischem Widerstand und Leitfähigkeit kann als Kehrwert angesehen werden. Je höher der Index eines Leiters, desto niedriger der Index des anderen und umgekehrt. Daher wird bei der Berechnung der elektrischen Leitfähigkeit die Berechnung 1 / r verwendet, da die zu X reziproke Zahl 1 / X ist und umgekehrt. Der spezifische Indikator wird mit dem Buchstaben g bezeichnet.

Vorteile von Elektrolytkupfer

Geringer Widerstand (nach Silber) als Vorteil, Kupfer ist nicht limitiert. Es hat Eigenschaften, die in seinen Eigenschaften einzigartig sind, nämlich Plastizität, hohe Formbarkeit. Dank dieser Eigenschaften entsteht hochreines Elektrolytkupfer für die Herstellung von Kabeln, die in Elektrogeräten, der Computertechnik, der Elektroindustrie und der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Die Abhängigkeit des Widerstandsindex von der Temperatur

Der Temperaturkoeffizient ist ein Wert, der der Änderung der Spannung eines Teils der Schaltung und des spezifischen Widerstands des Metalls als Folge von Temperaturänderungen entspricht. Die meisten Metalle neigen aufgrund thermischer Schwingungen des Kristallgitters dazu, mit zunehmender Temperatur den spezifischen Widerstand zu erhöhen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Kupfer beeinflusst den spezifischen Widerstand des Kupferdrahts und beträgt bei Temperaturen von 0 bis 100 °C 4,1 · 10−3 (1/Kelvin). Für Silber hat dieser Indikator unter gleichen Bedingungen einen Wert von 3,8 und für Eisen einen Wert von 6,0. Dies beweist einmal mehr die Wirksamkeit der Verwendung von Kupfer als Leiter.

Stoffe und Materialien, die elektrischen Strom leiten können, werden als Leiter bezeichnet. Der Rest wird als Dielektrikum klassifiziert. Aber es gibt keine reinen Dielektrika, sie alle leiten auch Strom, aber sein Wert ist sehr gering.

Aber Leiter leiten Strom anders. Gemäß der Formel von George Ohm ist der durch einen Leiter fließende Strom linear proportional zur Größe der an ihn angelegten Spannung und umgekehrt proportional zu einer Größe namens Widerstand.

Die Maßeinheit des Widerstands wurde zu Ehren des Wissenschaftlers, der diese Beziehung entdeckte, Ohm genannt. Es stellte sich jedoch heraus, dass Leiter aus unterschiedlichen Materialien und mit gleichen geometrischen Abmessungen unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen. Um den Widerstand eines Leiters bekannter Länge und bekannten Querschnitts zu bestimmen, wurde das Konzept des spezifischen Widerstands eingeführt - ein Koeffizient, der vom Material abhängt.

Als Ergebnis wird der Widerstand eines Leiters mit bekannter Länge und bekanntem Querschnitt gleich sein

Der spezifische Widerstand gilt nicht nur für feste Materialien, sondern auch für Flüssigkeiten. Ihr Wert hängt aber auch von Verunreinigungen oder anderen Bestandteilen im Ausgangsmaterial ab. Reines Wasser leitet keinen Strom, da es ein Dielektrikum ist. Aber in der Natur gibt es kein destilliertes Wasser, es enthält immer Salze, Bakterien und andere Verunreinigungen. Dieser Cocktail ist ein elektrischer Stromleiter mit spezifischem Widerstand.

Durch das Einbringen verschiedener Additive in Metalle werden neue Materialien erhalten - Legierungen, dessen spezifischer Widerstand sich von dem des Ausgangsmaterials unterscheidet, auch wenn die prozentuale Zugabe unbedeutend ist.

Widerstand gegen Temperatur

Spezifische Materialwiderstände sind in Nachschlagewerken für Temperaturen nahe der Raumtemperatur (20 °C) angegeben. Mit steigender Temperatur steigt der Widerstand des Materials. Warum passiert dies?

Elektrischer Strom innerhalb des Materials wird geleitet freie Elektronen. Unter der Wirkung eines elektrischen Feldes lösen sie sich von ihren Atomen und bewegen sich zwischen ihnen in der von diesem Feld vorgegebenen Richtung. Atome eines Stoffes bilden ein Kristallgitter, zwischen dessen Knoten sich ein Strom von Elektronen bewegt, auch „Elektronengas“ genannt. Unter Temperatureinwirkung schwingen die Gitterknoten (Atome). Auch die Elektronen selbst bewegen sich nicht geradlinig, sondern auf einer verschlungenen Bahn. Gleichzeitig kollidieren sie oft mit Atomen und verändern die Bewegungsbahn. Zu bestimmten Zeitpunkten können sich die Elektronen in die Richtung bewegen, die der Richtung des elektrischen Stroms entgegengesetzt ist.

Mit steigender Temperatur nimmt die Amplitude der Atomschwingungen zu. Die Kollision von Elektronen mit ihnen tritt häufiger auf, die Bewegung des Elektronenflusses verlangsamt sich. Physikalisch äußert sich dies in einer Erhöhung des spezifischen Widerstands.

Ein Beispiel für die Verwendung der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands ist der Betrieb einer Glühlampe. Das Wolframfilament, aus dem das Filament besteht, hat im Moment des Einschaltens einen geringen spezifischen Widerstand. Der Stromstoß im Moment des Einschaltens erwärmt es schnell, der spezifische Widerstand steigt und der Strom nimmt ab und wird nominal.

Der gleiche Vorgang tritt bei Nichrom-Heizelementen auf. Daher ist es unmöglich, ihren Betriebsmodus zu berechnen, indem die Länge eines Nichromdrahts mit bekanntem Querschnitt bestimmt wird, um den erforderlichen Widerstand zu erzeugen. Für Berechnungen benötigen Sie den spezifischen Widerstand des Heizdrahtes, und die Nachschlagewerke geben Werte für Raumtemperatur an. Daher wird die endgültige Länge der Nichrom-Helix experimentell eingestellt. Durch Berechnungen wird die ungefähre Länge ermittelt und beim Anpassen wird das Gewinde Stück für Stück nach und nach gekürzt.

Temperaturkoeffizient des Widerstands

Aber nicht bei allen Geräten ist die Abhängigkeit des spezifischen Widerstands von Leitern von der Temperatur vorteilhaft. In der Messtechnik führt eine Widerstandsänderung von Schaltungselementen zu einem Fehler.

Um die Abhängigkeit des Widerstands eines Materials von der Temperatur quantitativ zu bestimmen, wird das Konzept eingeführt Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR). Sie zeigt, wie stark sich der Widerstand eines Materials ändert, wenn sich die Temperatur um 1°C ändert.

Für die Herstellung von elektronischen Bauteilen - Widerständen, die in den Schaltkreisen von Messgeräten verwendet werden, werden Materialien mit einem niedrigen TCR verwendet. Sie sind teurer, aber die Parameter des Geräts ändern sich nicht über einen weiten Bereich von Umgebungstemperaturen.

Aber auch die Eigenschaften von Materialien mit hohem TCR werden genutzt. Der Betrieb einiger Temperatursensoren basiert auf einer Widerstandsänderung des Materials, aus dem das Messelement besteht. Dazu müssen Sie eine stabile Versorgungsspannung aufrechterhalten und den durch das Element fließenden Strom messen. Durch Kalibrierung der Skala des Geräts, das den Strom misst, gemäß einem Referenzthermometer, erhält man ein elektronisches Temperaturmessgerät. Dieses Prinzip wird nicht nur für Messungen, sondern auch für Überhitzungssensoren verwendet. Abschalten des Geräts bei anormalen Betriebszuständen, die zu einer Überhitzung der Wicklungen von Transformatoren oder Leistungshalbleiterelementen führen.

Verwendet in der Elektrotechnik und Elemente, die ihren Widerstand nicht von der Umgebungstemperatur, sondern vom Strom durch sie ändern - Thermistoren. Ein Beispiel für ihre Verwendung sind Systeme zur Entmagnetisierung von Kathodenstrahlröhren von Fernsehern und Monitoren. Wenn Spannung angelegt wird, ist der Widerstand des Widerstands minimal, der Strom fließt durch ihn in die Entmagnetisierungsspule. Aber der gleiche Strom erwärmt das Thermistormaterial. Sein Widerstand erhöht sich und verringert den Strom und die Spannung über der Spule. Und so - bis zu seinem vollständigen Verschwinden. Als Ergebnis wird eine sinusförmige Spannung mit einer sanft abnehmenden Amplitude an die Spule angelegt, wodurch das gleiche Magnetfeld in ihrem Raum erzeugt wird. Das Ergebnis ist, dass der Faden des Rohrs zu dem Zeitpunkt, zu dem er erhitzt wird, bereits entmagnetisiert ist. Und die Steuerschaltung bleibt im gesperrten Zustand, bis das Gerät ausgeschaltet wird. Dann kühlen sich die Thermistoren ab und sind wieder betriebsbereit.

Das Phänomen der Supraleitung

Was passiert, wenn die Temperatur des Materials reduziert wird? Der Widerstand wird abnehmen. Es gibt eine Grenze, bis zu der die Temperatur sinkt, genannt Absoluter Nullpunkt. Das - 273 Grad. Unterhalb dieser Temperaturgrenze passiert nichts. Bei diesem Wert ist der spezifische Widerstand jedes Leiters Null.

Am absoluten Nullpunkt hören die Atome des Kristallgitters auf zu schwingen. Dadurch bewegt sich die Elektronenwolke zwischen Gitterknoten, ohne mit ihnen zu kollidieren. Der Widerstand des Materials wird gleich Null, was die Möglichkeit eröffnet, unendlich große Ströme in Leitern mit kleinem Querschnitt zu erhalten.

Das Phänomen der Supraleitung eröffnet neue Horizonte für die Entwicklung der Elektrotechnik. Aber es gibt immer noch Schwierigkeiten damit, zu Hause die ultraniedrigen Temperaturen zu erreichen, die notwendig sind, um diesen Effekt zu erzielen. Wenn die Probleme gelöst sind, wird die Elektrotechnik eine neue Entwicklungsstufe erreichen.

Beispiele für die Verwendung von Widerstandswerten in Berechnungen

Wir haben uns bereits mit den Prinzipien der Berechnung der Länge von Nichromdraht zur Herstellung eines Heizelements vertraut gemacht. Es gibt jedoch auch andere Situationen, in denen Kenntnisse über den spezifischen Widerstand von Materialien erforderlich sind.

Zur Berechnung Schaltungen von Erdungsgeräten Es werden Koeffizienten verwendet, die typischen Böden entsprechen. Wenn die Bodenart an der Stelle der Erdschleife unbekannt ist, wird für korrekte Berechnungen vorläufig ihr spezifischer Widerstand gemessen. Die Berechnungsergebnisse sind also genauer, wodurch die Anpassung der Schaltungsparameter während der Herstellung entfällt: Hinzufügen der Anzahl der Elektroden, was zu einer Erhöhung der geometrischen Abmessungen der Erdungsvorrichtung führt.

Der spezifische Widerstand der Materialien, aus denen Kabelleitungen und Stromschienen bestehen, wird zur Berechnung ihres aktiven Widerstands verwendet. Künftig beim Nennlaststrom mit dabei der Spannungswert am Ende der Leitung wird berechnet. Stellt sich heraus, dass sein Wert nicht ausreicht, werden die Querschnitte der Leiter im Voraus erhöht.

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1 Ohm Zentimeter [Ohm cm] = 0,01 Ohm Meter [Ohm m]

Ursprünglicher Wert

Konvertierter Wert

Ohm Meter Ohm Zentimeter Ohm Zoll Mikroohm Zentimeter Mikroohm Zoll abohm Zentimeter stat pro Zentimeter kreisförmig mil Ohm pro Fuß Ohm Quadrat. Millimeter pro Meter

Mehr über den elektrischen Widerstand

Allgemeine Information

Sobald die Elektrizität die Labors der Wissenschaftler verließ und in die Praxis des täglichen Lebens breite Einzug hielt, stellte sich die Frage, Materialien zu finden, die bestimmte, manchmal völlig gegensätzliche Eigenschaften in Bezug auf den Stromfluss durch sie haben.

Beispielsweise wurden bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen Anforderungen an das Material der Drähte gestellt, um Verluste durch Joule-Erwärmung in Kombination mit geringen Gewichtseigenschaften zu minimieren. Ein Beispiel dafür sind die bekannten Hochspannungsleitungen aus Aluminiumdrähten mit Stahlseele.

Oder umgekehrt, um kompakte elektrische Rohrheizkörper herzustellen, waren Materialien mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand und einer hohen thermischen Stabilität erforderlich. Das einfachste Beispiel für ein Gerät, das Materialien mit ähnlichen Eigenschaften verwendet, ist der Brenner eines gewöhnlichen Elektroherds in der Küche.

Die in Biologie und Medizin als Elektroden, Sonden und Sonden verwendeten Leiter erfordern eine hohe chemische Beständigkeit und Verträglichkeit mit Biomaterialien, verbunden mit einem geringen Übergangswiderstand.

Eine ganze Schar von Erfindern aus verschiedenen Ländern: England, Russland, Deutschland, Ungarn und die USA gaben sich Mühe, ein solches Gerät zu entwickeln, das heute allen als Glühlampe bekannt ist. Thomas Edison, der mehr als tausend Experimente durchgeführt hatte, um die Eigenschaften von Materialien zu testen, die für die Rolle von Filamenten geeignet sind, schuf eine Lampe mit einer Platinspirale. Edison-Lampen waren, obwohl sie eine lange Lebensdauer hatten, aufgrund der hohen Kosten des Ausgangsmaterials nicht praktikabel.

Praktische Anwendung fanden die nachfolgenden Arbeiten des russischen Erfinders Lodygin, der vorschlug, relativ billiges feuerfestes Wolfram und Molybdän mit höherem spezifischem Widerstand als Fadenmaterialien zu verwenden. Darüber hinaus schlug Lodygin vor, Luft aus Glühlampen zu pumpen und durch Inert- oder Edelgase zu ersetzen, was zur Schaffung moderner Glühlampen führte. Der Pionier der Massenproduktion von erschwinglichen und langlebigen elektrischen Lampen war General Electric, an das Lodygin die Rechte an seinen Patenten abtrat und dann lange Zeit erfolgreich in den Labors des Unternehmens arbeitete.

Diese Liste lässt sich fortsetzen, denn der neugierige menschliche Geist ist so erfinderisch, dass er manchmal zur Lösung eines bestimmten technischen Problems Materialien mit bisher unbekannten Eigenschaften oder mit unglaublichen Kombinationen dieser Eigenschaften benötigt. Die Natur hält mit unserem Appetit nicht mehr Schritt, und Wissenschaftler aus der ganzen Welt haben sich dem Rennen angeschlossen, um Materialien zu schaffen, die keine natürlichen Analoga haben.

Eine der wichtigsten Eigenschaften sowohl natürlicher als auch synthetischer Materialien ist der spezifische elektrische Widerstand. Ein Beispiel für ein elektrisches Gerät, in dem diese Eigenschaft in ihrer reinsten Form genutzt wird, ist eine Sicherung, die unsere elektrischen und elektronischen Geräte vor Stromeinwirkungen schützt, die zulässige Werte überschreiten.

Gleichzeitig ist zu beachten, dass es sich um hausgemachte Ersatzsicherungen für Standardsicherungen handelt, die ohne Kenntnis des spezifischen Widerstands des Materials hergestellt werden und manchmal nicht nur zum Durchbrennen verschiedener Elemente von Stromkreisen, sondern auch zu Bränden in Häusern und Entzündungen führen der Verkabelung im Auto.

Gleiches gilt für den Austausch von Sicherungen in Energienetzen, wenn anstelle einer Sicherung mit kleinerem Wert eine Sicherung mit einem höheren Betriebsstromwert eingebaut wird. Dies führt zu einer Überhitzung der elektrischen Leitungen und in der Folge sogar zu Bränden mit traurigen Folgen. Dies gilt insbesondere für Fachwerkhäuser.

Geschichtlicher Bezug

Das Konzept des spezifischen elektrischen Widerstands entstand dank der Arbeiten des berühmten deutschen Physikers Georg Ohm, der die Beziehung zwischen der Stromstärke, der elektromotorischen Kraft der Batterie und dem Widerstand aller Teile der Batterie theoretisch begründete und im Laufe zahlreicher Experimente bewies Stromkreis und entdeckte damit das Gesetz des elementaren elektrischen Stromkreises, der damals nach ihm benannt wurde. Ohm untersuchte die Abhängigkeit der Größe des fließenden Stroms von der Größe der angelegten Spannung, von der Länge und Form des Leitermaterials sowie von der Art des als Leitmedium verwendeten Materials.

Gleichzeitig müssen wir die Arbeit von Sir Humphrey Davy, einem englischen Chemiker, Physiker und Geologen, würdigen, der als erster die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands eines Leiters von seiner Länge und Querschnittsfläche festgestellt hat bemerkte auch die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur.

Bei der Untersuchung der Abhängigkeit des elektrischen Stromflusses von der Art der Materialien fand Ohm heraus, dass jedes leitfähige Material, das ihm zur Verfügung stand, eine inhärente Widerstandseigenschaft gegenüber dem Stromfluss hatte.

Zu beachten ist, dass zu Ohms Zeiten einer der heute gebräuchlichsten Leiter – Aluminium – den Status eines besonders edlen Metalls hatte, sodass sich Ohm auf Experimente mit Kupfer, Silber, Gold, Platin, Zink, Zinn, Blei beschränkte und Eisen.

Schließlich führte Ohm das Konzept des elektrischen Widerstands eines Materials als grundlegende Eigenschaft ein, ohne absolut nichts über die Natur des Stromflusses in Metallen oder über die Abhängigkeit ihres Widerstands von der Temperatur zu wissen.

Spezifischer elektrischer Widerstand. Definition

Der spezifische elektrische Widerstand oder einfach der spezifische Widerstand ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft eines leitfähigen Materials, die die Fähigkeit einer Substanz charakterisiert, den Durchgang eines elektrischen Stroms zu verhindern. Er wird mit dem griechischen Buchstaben ρ (ausgesprochen rho) bezeichnet und errechnet sich aus der empirischen Formel zur Widerstandsberechnung von Georg Ohm.

oder von hier

wobei R der Widerstand in Ohm, S die Fläche in m²/, L die Länge in m ist

Die Einheit des elektrischen Widerstands im Internationalen Einheitensystem SI wird in Ohm m ausgedrückt.

Dies ist der Widerstand eines Leiters mit einer Länge von 1 m und einer Querschnittsfläche von 1 m² / einem Wert von 1 Ohm.

In der Elektrotechnik ist es zur Vereinfachung der Berechnungen üblich, die Ableitung des spezifischen elektrischen Widerstands zu verwenden, ausgedrückt in Ohm mm² / m. Widerstandswerte für die gängigsten Metalle und deren Legierungen finden Sie in den einschlägigen Fachbüchern.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Widerstandswerte der verschiedenen gängigsten Materialien.

Tabelle 1. Widerstand einiger Metalle

Tabelle 2. Widerstand gängiger Legierungen

Spezifischer elektrischer Widerstand verschiedener Medien. Physik der Phänomene

Spezifische elektrische Widerstände von Metallen und deren Legierungen, Halbleitern und Dielektrika

Heute sind wir mit unserem Wissen in der Lage, den spezifischen elektrischen Widerstand jedes Materials, sowohl natürlich als auch synthetisch, basierend auf seiner chemischen Zusammensetzung und seinem angenommenen physikalischen Zustand im Voraus zu berechnen.

Dieses Wissen hilft uns, die Möglichkeiten der teilweise exotischen und einzigartigen Materialien besser zu nutzen.

Festkörper werden nach den vorherrschenden Vorstellungen aus physikalischer Sicht in kristalline, polykristalline und amorphe Stoffe eingeteilt.

Der technisch einfachste Weg, den spezifischen Widerstand zu berechnen bzw. zu messen, ist bei amorphen Stoffen der Fall. Sie haben keine ausgeprägte kristalline Struktur (obwohl sie mikroskopische Einschlüsse solcher Substanzen aufweisen können), sind in ihrer chemischen Zusammensetzung relativ homogen und weisen Eigenschaften auf, die für ein bestimmtes Material charakteristisch sind.

Bei polykristallinen Substanzen, die aus einer Ansammlung relativ kleiner Kristalle derselben chemischen Zusammensetzung bestehen, unterscheidet sich das Eigenschaftsverhalten nicht sehr von dem Verhalten amorpher Substanzen, da der spezifische elektrische Widerstand üblicherweise als eine integrale Aggregateigenschaft einer gegebenen Materialprobe definiert wird.

Komplizierter ist die Situation bei kristallinen Substanzen, insbesondere bei Einkristallen, die bezüglich der Symmetrieachsen ihrer Kristalle unterschiedliche elektrische Widerstände und andere elektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaft wird als Kristallanisotropie bezeichnet und wird in der Technologie weithin verwendet, insbesondere in funktechnischen Schaltungen von Quarzoszillatoren, wo die Frequenzstabilität genau durch die Erzeugung von Frequenzen bestimmt wird, die einem gegebenen Quarzkristall innewohnen.

Jeder von uns, der Besitzer eines Computers, Tablets, Mobiltelefons oder Smartphones ist, einschließlich Besitzer einer elektronischen Uhr bis hin zur iWatch, ist auch Besitzer eines Quarzkristalls. Auf dieser Grundlage kann man das Ausmaß der Verwendung von Quarzresonatoren in der Elektronik beurteilen, das auf mehrere zehn Milliarden geschätzt wird.

Der spezifische Widerstand vieler Materialien, insbesondere von Halbleitern, hängt unter anderem von der Temperatur ab, daher werden Referenzdaten normalerweise mit der Messtemperatur angegeben, normalerweise 20 °C.

Die einzigartigen Eigenschaften von Platin, das eine konstante und gut untersuchte Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur aufweist, sowie die Möglichkeit, hochreines Metall zu erhalten, dienten als Voraussetzung für die Herstellung von Sensoren auf seiner Basis in einem weiten Temperaturbereich .

Bei Metallen ist die Streuung der Referenzwerte des spezifischen Widerstands auf die Methoden zur Herstellung von Proben und die chemische Reinheit des Metalls dieser Probe zurückzuführen.

Bei Legierungen ist ein breiterer Bereich von Referenzwerten des spezifischen Widerstands auf die Methoden der Probenvorbereitung und die Variabilität der Zusammensetzung der Legierung zurückzuführen.

Elektrischer Widerstand von Flüssigkeiten (Elektrolyten)

Das Verständnis des spezifischen Widerstands von Flüssigkeiten basiert auf Theorien zur thermischen Dissoziation und Mobilität von Kationen und Anionen. Beispielsweise zerfallen in der häufigsten Flüssigkeit auf der Erde, gewöhnlichem Wasser, einige ihrer Moleküle unter Temperatureinfluss in Ionen: H+-Kationen und OH–-Anionen. Wenn unter normalen Bedingungen eine externe Spannung an Elektroden angelegt wird, die in Wasser eingetaucht sind, entsteht aufgrund der Bewegung der oben genannten Ionen ein Strom. Wie sich herausstellte, bilden sich im Wasser ganze Verbände von Molekülen – Cluster, manchmal kombiniert mit H+-Kationen oder OH–-Anionen. Daher erfolgt die Übertragung von Ionen durch Cluster unter dem Einfluss einer elektrischen Spannung wie folgt: Nimmt man ein Ion in Richtung des angelegten elektrischen Felds auf einer Seite auf, „lässt“ der Cluster ein ähnliches Ion auf der anderen Seite fallen. Das Vorhandensein von Clustern in Wasser erklärt perfekt die wissenschaftliche Tatsache, dass Wasser bei einer Temperatur von etwa 4 ° C die höchste Dichte hat. Die meisten Wassermoleküle befinden sich in diesem Fall aufgrund der Wirkung von Wasserstoff und kovalenten Bindungen in Clustern, praktisch in einem quasikristallinen Zustand; In diesem Fall ist die thermische Dissoziation minimal und die Bildung von Eiskristallen, die eine geringere Dichte haben (Eis schwimmt im Wasser), hat noch nicht begonnen.

Generell zeigt der spezifische Widerstand von Flüssigkeiten eine stärkere Temperaturabhängigkeit, daher wird diese Eigenschaft immer bei einer Temperatur von 293 K gemessen, was einer Temperatur von 20 °C entspricht.

Neben Wasser gibt es eine große Anzahl anderer Lösungsmittel, die in der Lage sind, Kationen und Anionen von gelösten Stoffen zu erzeugen. Die Kenntnis und Messung des spezifischen Widerstands solcher Lösungen ist auch von großer praktischer Bedeutung.

Bei wässrigen Lösungen von Salzen, Säuren und Laugen spielt die Konzentration des gelösten Stoffes eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung des spezifischen Widerstands der Lösung. Ein Beispiel ist die folgende Tabelle, die die Widerstandswerte verschiedener Substanzen zeigt, die in Wasser bei einer Temperatur von 18 ° C gelöst sind:

Tabelle 3. Widerstandswerte verschiedener Substanzen, die in Wasser bei einer Temperatur von 18 °C gelöst sind

Die Daten der Tabellen sind der Brief Physical and Technical Reference, Volume 1, - M.: 1960 entnommen

Widerstand von Isolatoren

Von großer Bedeutung in den Bereichen Elektrotechnik, Elektronik, Funktechnik und Robotik ist eine ganze Klasse verschiedener Substanzen, die einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweisen. Unabhängig von ihrem Aggregatzustand, ob fest, flüssig oder gasförmig, werden solche Stoffe als Isolatoren bezeichnet. Solche Materialien werden verwendet, um einzelne Teile elektrischer Schaltungen voneinander zu isolieren.

Ein Beispiel für feste Isolatoren ist das bekannte flexible Isolierband, mit dem wir die Isolierung beim Verbinden verschiedener Drähte wiederherstellen. Viele kennen Porzellanisolatoren für die Aufhängung von Freileitungen, Textolitplatten mit elektronischen Komponenten, die Bestandteil der meisten elektronischen Produkte sind, Keramik, Glas und viele andere Materialien. Moderne feste Isolierstoffe auf Basis von Kunststoffen und Elastomeren machen die Verwendung von elektrischem Strom unterschiedlicher Spannungen in den unterschiedlichsten Geräten und Geräten sicher.

Neben festen Isolatoren sind in der Elektrotechnik auch flüssige Isolatoren mit hohem spezifischem Widerstand weit verbreitet. In Leistungstransformatoren elektrischer Netze verhindert flüssiges Transformatorenöl Durchschläge zwischen Windungen aufgrund von Selbstinduktions-EMK und isoliert die Windungen der Wicklungen zuverlässig. In Öl-Leistungsschaltern wird Öl zum Löschen des Lichtbogens verwendet, der beim Schalten von Stromquellen entsteht. Kondensatoröl wird verwendet, um kompakte Kondensatoren mit hoher elektrischer Leistung herzustellen; Neben diesen Ölen werden natürliches Rizinusöl und synthetische Öle als Flüssigkeitsisolatoren verwendet.

Bei normalem atmosphärischem Druck sind alle Gase und ihre Gemische aus elektrotechnischer Sicht hervorragende Isolatoren, aber Edelgase (Xenon, Argon, Neon, Krypton) haben aufgrund ihrer Trägheit einen höheren spezifischen Widerstand, der in vielen Bereichen verwendet wird einige Bereiche der Technik.

Der gebräuchlichste Isolator ist jedoch Luft, die hauptsächlich aus molekularem Stickstoff (75 Massen-%), molekularem Sauerstoff (23,15 Massen-%), Argon (1,3 Massen-%), Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser und einigen Verunreinigungen sowie verschiedenen Edelgasen besteht . Es isoliert den Stromfluss in herkömmlichen Haushaltslichtschaltern, relaisbasierten Stromschaltern, magnetischen Startern und mechanischen Leistungsschaltern. Es ist zu beachten, dass eine Verringerung des Drucks von Gasen oder ihren Gemischen unter den atmosphärischen Druck zu einer Erhöhung ihres spezifischen elektrischen Widerstands führt. Der ideale Isolator in diesem Sinne ist Vakuum.

Spezifischer elektrischer Widerstand verschiedener Böden

Eine der wichtigsten Möglichkeiten, eine Person bei Unfällen in elektrischen Anlagen vor den schädlichen Auswirkungen des elektrischen Stroms zu schützen, ist eine Schutzerdungseinrichtung.

Es ist die absichtliche Verbindung eines elektrischen Gehäuses oder Gehäuses mit einer Schutzerdungsvorrichtung. Normalerweise erfolgt die Erdung in Form von Stahl- oder Kupferbändern, Rohren, Stangen oder Winkeln, die bis zu einer Tiefe von mehr als 2,5 Metern im Boden vergraben sind und im Falle eines Unfalls den Stromfluss entlang des Stromkreises sicherstellen Gerät - Gehäuse oder Gehäuse - Erde - Nullleiter der Wechselstromquelle. Der Widerstand dieser Schaltung sollte nicht mehr als 4 Ohm betragen. In diesem Fall wird die Spannung am Körper des Notfallgeräts auf für Menschen sichere Werte reduziert, und automatische Geräte zum Schutz des Stromkreises auf die eine oder andere Weise schalten das Notfallgerät aus.

Bei der Berechnung der Elemente der Schutzerdung spielt die Kenntnis des spezifischen Widerstands von Böden eine wichtige Rolle, der über einen weiten Bereich variieren kann.

Gemäß den Daten der Referenztabellen wird die Fläche der Erdungsvorrichtung ausgewählt, die Anzahl der Erdungselemente und die tatsächliche Ausführung der gesamten Vorrichtung daraus berechnet. Die Verbindung von Strukturelementen der Schutzerdungseinrichtung erfolgt durch Schweißen.

Elektrotomographie

Die elektrische Exploration untersucht die oberflächennahe geologische Umgebung und wird verwendet, um nach Erzen und nichtmetallischen Mineralien und anderen Objekten zu suchen, die auf der Untersuchung verschiedener künstlicher elektrischer und elektromagnetischer Felder basieren. Ein Spezialfall der elektrischen Exploration ist die elektrische Widerstandstomographie - ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Gesteinen anhand ihres spezifischen Widerstands.

Der Kern des Verfahrens besteht darin, dass an einer bestimmten Position der elektrischen Feldquelle Spannungsmessungen an verschiedenen Sonden durchgeführt werden, dann die Feldquelle an einen anderen Ort bewegt oder auf eine andere Quelle umgeschaltet wird und die Messungen wiederholt werden. Feldquellen und Feldempfängersonden werden an der Oberfläche und in Brunnen platziert.

Dann werden die empfangenen Daten mit modernen Computerverarbeitungsmethoden verarbeitet und interpretiert, die eine Visualisierung von Informationen in Form von zweidimensionalen und dreidimensionalen Bildern ermöglichen.

Als sehr genaue Suchmethode ist die Elektrotomographie eine unschätzbare Hilfe für Geologen, Archäologen und Paläozoologen.

Die Bestimmung der Form des Vorkommens von Mineralvorkommen und der Grenzen ihrer Verteilung (Umriss) ermöglicht es, das Vorkommen von Erzvorkommen von Erzen zu identifizieren, was die Kosten für ihre spätere Erschließung erheblich senkt.

Für Archäologen liefert diese Suchmethode wertvolle Informationen über die Lage antiker Bestattungen und das Vorhandensein von Artefakten darin, wodurch die Ausgrabungskosten gesenkt werden.

Paläozoologen verwenden die Elektrotomographie, um nach versteinerten Überresten alter Tiere zu suchen; die ergebnisse ihrer arbeit sind in naturwissenschaftlichen museen in form erstaunlicher rekonstruktionen von skeletten prähistorischer megafauna zu sehen.

Darüber hinaus wird die Elektrotomographie beim Bau und späteren Betrieb von Ingenieurbauwerken eingesetzt: Hochhäuser, Dämme, Dämme, Böschungen und andere.

Widerstandsdefinitionen in der Praxis

Um praktische Probleme zu lösen, stehen wir manchmal vor der Aufgabe, die Zusammensetzung einer Substanz zu bestimmen, beispielsweise eines Drahtes für einen Styroporschneider. Wir haben zwei Drahtspulen mit passendem Durchmesser aus verschiedenen uns unbekannten Materialien. Um das Problem zu lösen, ist es notwendig, ihren elektrischen Widerstand zu finden und dann das Material des Drahtes anhand der Differenz zwischen den gefundenen Werten oder anhand einer Referenztabelle zu bestimmen.

Wir messen mit einem Maßband und schneiden 2 Meter Draht von jeder Probe ab. Lassen Sie uns die Drahtdurchmesser d₁ und d₂ mit einem Mikrometer bestimmen. Schalten Sie das Multimeter bis zur unteren Grenze der Widerstandsmessung ein und messen Sie den Widerstand der Probe R₁. Wir wiederholen den Vorgang für eine weitere Probe und messen auch deren Widerstand R₂.

Wir berücksichtigen, dass die Querschnittsfläche der Drähte nach der Formel berechnet wird

S = π d 2 /4

Nun sieht die Formel zur Berechnung des spezifischen elektrischen Widerstands wie folgt aus:

ρ = R π d 2 /4 L

Indem wir die erhaltenen Werte von L, d₁ und R₁ in die im obigen Artikel angegebene Formel zur Berechnung des spezifischen Widerstands einsetzen, berechnen wir den Wert von ρ₁ für die erste Probe.

ρ 1 \u003d 0,12 Ohm mm 2 / m

Indem wir die erhaltenen Werte von L, d₂ und R₂ in die Formel einsetzen, berechnen wir den Wert von ρ₂ für die zweite Probe.

ρ 2 \u003d 1,2 Ohm mm 2 / m

Aus dem Vergleich der Werte von ρ₁ und ρ₂ mit den Referenzdaten der obigen Tabelle 2 schließen wir, dass das Material der ersten Probe Stahl ist und die zweite Probe Nichrom ist, aus dem wir den Schneidfaden herstellen werden.

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