Электрическое сопротивление Электрознайка

Сопротивление проводов вычисление с учётом эксплуатационных факторов

Электрическое сопротивление является основной характеристикой проводниковых материалов. В зависимости от области применения проводника величина его сопротивления может играть как положительную, так и отрицательную роль в функционировании электротехнической системы. Также, особенности применения проводника могут вызывать необходимость учёта дополнительных характеристик, влиянием которых в конкретном случае нельзя пренебрегать.

Природа сопротивления

Проводниками являются чистые металлы и их сплавы. В металле, фиксированные в единую «прочную» структуру атомы, обладают свободными электронами (так называемый «электронный газ»). Именно эти частицы в данном случае являются носителями заряда. Электроны находятся в постоянном беспорядочном движении от одного атома к другому. При появлении электрического поля (подключении к концам металла источника напряжения) движение электронов в проводнике становится упорядоченным. Движущиеся электроны встречают на своём пути препятствия, вызванные особенностями молекулярной структуры проводника. При столкновении со структурой носители заряда теряют свою энергию, отдавая её проводнику (нагревают его). Чем больше препятствий проводящая структура создаёт носителям заряда, тем выше сопротивление.

При увеличении поперечного сечения проводящей структуры для одного количества электронов «канал пропускания» станет шире, сопротивление уменьшится. Соответственно, при увеличении длины провода таких препятствий будет больше и сопротивление увеличится.

Таким образом, в базовую формулу для вычисления сопротивления входит длина провода, площадь поперечного сечения и некий коэффициент, связывающий эти размерные характеристики с электрическими величинами напряжения и тока (1). Этот коэффициент называют удельным сопротивлением.
R= r*L/S (1)

Удельное сопротивление

Удельное сопротивление неизменно и является свойством вещества, из которого изготовлен проводник. Единицы измерения r — ом*м. Часто величину удельного сопротивления приводят в ом*мм кв./м. Это связанно с тем, что величина сечения наиболее часто применяемых кабелей является относительно малой и измеряется в мм кв. Приведём простой пример.

Задача №1. Длина медного провода L = 20 м, сечение S = 1.5 мм. кв. Рассчитать сопротивление провода.
Решение: удельное сопротивление медного провода r = 0.018 ом*мм. кв./м. Подставляя значения в формулу (1) получим R=0.24 ома.
Вычисляя сопротивление системы питания сопротивление одного провода нужно умножить на количество проводов.
Если вместо меди использовать алюминий с более высоким удельным сопротивлением (r = 0.028 ом*мм. кв./м), то сопротивление проводов соответственно возрастёт. Для вышеприведенного примера сопротивление будет равно R = 0.373 ома (на 55 % больше). Медь и алюминий – основные материалы для проводов. Существуют металлы с меньшим удельным сопротивлением, чем удельное сопротивление меди, например серебро. Однако его применение ограничено из-за очевидной дороговизны. В таблице ниже приведены сопротивления и другие основные характеристики проводниковых материалов.
Таблица – основные характеристики проводников

Читайте также:  Штраф за стоп-линию на светофоре в 2020 году
Металл r, ом*мм. кв /м γ, м/(ом*мм. кв.) α, 1/°С
Медь 0,018 57 0.0043
Алюминий 0,027 35 0.0045
Сталь 0.13 7.7 0.00625
Нихром 0.98 1.01 0.0003

Тепловые потери проводов

Если с помощью кабеля из вышеприведенного примера к однофазной сети 220 В подключить нагрузку 2.2 кВт, то через провод потечёт ток I = P / U или I=2200/220=10 А. Формула для вычисления мощности потерь в проводнике:
Pпр=(I^2)*R (2)
Пример № 2. Рассчитать активные потери при передаче мощности 2.2 кВт в сети с напряжением 220 В для упомянутого провода.
Решение: подставив значения тока и сопротивления проводов в формулу (2), получим Pпр=(10^2)*(2*0.24)=48 Вт.
Таким образом, при передаче энергии от сети в нагрузку потери в проводах составят чуть больше 2%. Эта энергия превращается в тепло, выделяемое проводником в окружающую среду. По условию нагрева проводника (по величине тока) производят выбор его сечения, руководствуясь специальными таблицами.
Например, для вышеприведенного проводника максимальный ток равен 19 А или 4.1 кВт в сети напряжения 220 В.

Для уменьшения активных потерь в линиях электропередач применяют повышенное напряжение. При этом ток в проводах понижается, потери падают.

Влияние температуры

Рост температуры приводит к увеличению колебаний кристаллической решётки металла. Соответственно, электроны встречают большее количество препятствий, что приводит к росту сопротивления. Величину «чувствительности» сопротивления металла к росту температуры называют температурным коэффициентом α. Формула учёта температуры выглядит следующим образом
R=Rн*[1+ α*(t°-t°н)], (3)
где Rн – сопротивление провода при нормальных условиях (при температуре t°н); t° — температура проводника.
Обычно t°н = 20° С. Значение α также указывают для температуры t°н.
Задача 4. Рассчитать сопротивление медного провода при температуре t° = 90° С. α меди = 0.0043, Rн = 0.24 Ома (задача 1).
Решение: подставив значения в формулу (3) получим R = 0.312 Ом. Сопротивление анализируемого нагретого провода на 30% больше его сопротивления при комнатной температуре.

Влияние частоты

При увеличении частоты тока в проводнике происходит процесс вытеснения зарядов ближе к его поверхности. В результате увеличения концентрации зарядов в поверхностном слое растёт и сопротивление провода. Этот процесс получил название «скин — эффект» или поверхностный эффект. Коэффициент скин – эффекта также зависит от размеров и формы провода. Для вышеприведенного примера при частоте переменного тока 20 кГц сопротивление провода увеличится приблизительно на 10%. Отметим, что высокочастотные компоненты может иметь сигнал тока многих современных промышленных и бытовых потребителей (энергосберегающие лампы, импульсные источники питания, преобразователи частоты и так далее).

Читайте также:  Обзор штатной камеры заднего вида Hyundai ix35 оригинал как ее снять и произвести ремонт

Влияние соседних проводников

Вокруг любого проводника, по которому течёт ток, существует магнитное поле. Взаимодействие полей соседних проводников также вызывает потери энергии и называется «эффектом близости». Также отметим, что любой металлический проводник обладает индуктивностью, создаваемой проводящей жилой, и ёмкостью, создаваемой изоляцией. Этим параметрам также свойственен эффект близости.

Технологии

Высоковольтные провода нулевого сопротивления

Данный тип проводов широко применяется в системах зажигания автомобилей. Сопротивление высоковольтных проводов достаточно мало и составляет несколько долей ома на метр длины. Напомним, что сопротивление такой величины невозможно измерять омметром общего применения. Зачастую для задачи измерения малых сопротивлений применяют измерительные мосты.
Конструктивно такие провода имеют большое количество медных жил с изоляцией на основе силикона, пластмасс или других диэлектриков. Особенность применения таких проводов заключается не только в работе при высоком напряжением, но и передаче энергии за короткий промежуток времени (импульсный режим).

Биметаллический кабель

Основная сфера применения упомянутых кабелей – передача высокочастотных сигналов. Сердечник провода изготавливают из металла одного типа, поверхность которого покрывают металлом другого типа. Поскольку на высоких частотах проводящим является только поверхностный слой проводника, то есть возможность замены внутренности провода. Тем самым достигается экономия дорогостоящего материала и повышаются механические характеристики провода. Примеры таких проводов: медь с нанесением серебряного покрытия, сталь с медным покрытием.

Заключение

Сопротивление провода – величина, которая зависит от группы факторов: тип проводника, температура, частота тока, геометрические параметры. Значимость влияния этих параметров зависит от условий эксплуатации провода. Критериями оптимизации в зависимости от задач для проводов могут быть: уменьшение активных потерь, улучшение механических характеристик, снижение цены.

Тест Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление 8 класс

Тест Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление 8 класс с ответами. Тест включает 10 заданий.

1. От каких факторов зависит сопротивление проводника?

1) Его размеров и силы тока в нем
2) Его длины и площади поперечного сечения
3) Длины, площади поперечного сечения проводника и напряжения на его концах
4) Длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен

2. Как сопротивление проводника зависит от его длины?

1) Чем больше длина проводника, тем больше его сопротивление
2) Чем больше длина проводника, тем меньше его сопротивление
3) Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине
4) Сопротивление проводника практически не зависит от его длины

Читайте также:  Расскажем как сделать стусло своими руками, если не хотите покупать новое

3. Как сопротивление проводника зависит от площади его поперечного сечения?

1) Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем больше его сопротивление
2) Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше сопротивление
3) Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения
4) Зависимость между сопротивлением и площадью поперечного сечения проводника практически отсутствует

4. Какая физическая величина характеризует зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он состоит?

1) Количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника
2) Сила тока в проводнике
3) Напряжение на концах проводника
4) Удельное электрическое сопротивление вещества

5. По какой формуле, зная длину, площадь поперечного сечения проводника и материал, из которого он изготовлен, можно рассчитать его сопротивление?

6. Какое из приведенных ниже веществ наилучший проводник электричества? Какова особенность его удельного сопротивления?

1) Алюминий; оно велико
2) Железо; оно мало
3) Серебро; оно имеет наименьшее значение
4) Ртуть; оно имеет наибольшее значение

7. Какой бы вы выбрали материал для изготовления нагревательного элемента кипятильника?

1) Никелин
2) Вольфрам
3) Константан
4) Алюминий

8. Определите сопротивление алюминиевого провода длиной 100 ми площадью поперечного сечения 2,8 мм 2 .

1) 10 Ом
2) 1 Ом
3) 2,8 Ом
4) 28 Ом

9. Рассчитайте удельное сопротивление меди, провод из которой длиной 500 ми площадью поперечного сечения 0,1 мм 2 имеет сопротивление 85 Ом.

10. Найдите площадь поперечного сечения алюминиевого провода длиной 500 м, имеющего сопротивление 7 Ом.

1) 0,2 мм 2
2) 2 мм 2
3) 4 мм 2
4) 0,4 мм 2

Ответы на тест Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление 8 класс
1-4
2-3
3-3
4-4
5-2
6-3
7-3
8-2
9-1
10-2

Электроника как хобби

Уроки и эксперименты по электронике.

Закон Ома

Закон ома рассказывает о зависимости напряжения, тока и сопротивления между собой.

Вот собственно и сам закон Ома : Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи.

  • Чем больше напряжение, тем больше ток.
  • Чем больше сопротивление тем меньше ток.

Так, если вы не поняли выше изложенное перечитайте ещё пару раз повнимательней, а если так и не чего не «дошло» тогда вам поможет язык математики или практика.

Закон ома для участка цепи.

Контрольные вопросы будут после экспериментов .

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector