Bij het ontwerpen van elektrische circuits is het belangrijk om het juiste materiaal en de juiste doorsnede van de draden te kiezen. Meestal wordt voor deze doeleinden koper gebruikt, dat een lagere weerstand heeft.

Waar hangt de weerstand van een metaal van af?

Elektrische stroom is de gerichte beweging van geladen deeltjes. Bij metalen zijn dit vrije elektronen. Ze bewegen zich tussen de atomen van het kristalrooster. De weerstand tegen hun beweging hangt af van het metaal of de legering, evenals van de temperatuur ervan - naarmate deze toeneemt, neemt de weerstand van de draad tegen elektrische stroom toe.

De uitzondering vormen speciale legeringen die in meetinstrumenten worden gebruikt. Er worden weerstanden van gemaakt die hun parameters niet veranderen als de temperatuur verandert. Bovendien worden tweedraadsdraden gebruikt om thermokoppels aan te sluiten, waarvan de weerstand toeneemt naarmate de temperatuur stijgt, en de andere afneemt. Als gevolg hiervan veranderen de kabelparameters niet.

Soortelijke weerstand van verschillende metalen

Verschillende metalen hebben verschillende eigenschappen en worden voor verschillende doeleinden gebruikt.

Koper en aluminium

De meest voorkomende draden zijn koper en aluminium. Koper heeft een lagere elektrische weerstand dan die van aluminiumdraad, en kabels die daarvan zijn gemaakt hebben een kleinere doorsnede. Het is sterker, waardoor de kabels dunner, flexibel en meeraderig kunnen worden gemaakt. Bovendien wordt koper gesoldeerd met tinsoldeer.

Maar aluminium heeft één voordeel: het is veel goedkoper. Daarom wordt het gebruikt voor het wikkelen van transformatoren en het leggen van bedrading, waarbij tijdens bedrijf geen bochten, beweging of trillingen optreden.

Andere metalen

• Goud. Het heeft de laagste elektrische weerstand, maar wordt vanwege zijn prijs alleen op bepaalde plaatsen in de militaire en ruimtetechnologie gebruikt;
• Zilver. Het heeft een betere prijs-kwaliteitverhouding dan goud, maar wordt in beperkte mate ook gebruikt, vooral voor de vervaardiging van contacten en connectoren; het oxideert niet;
• Nichroom (een legering van nikkel en chroom) en fechral (ijzer, chroom en aluminium). Ze hebben een hoog smeltpunt. De weerstand van nichroom en nichroomdraad is groot genoeg om verwarmingselementen en weerstandsdraden te maken;
• Wolfraam. Het heeft een hoge soortelijke weerstand en is zeer vuurvast - 3422 graden. Het wordt gebruikt om gloeidraden in gloeilampen te maken;
• Constantaan. Een legering van koper, nikkel en mangaan die zijn eigenschappen niet verandert bij temperatuurveranderingen. Gebruikt voor de vervaardiging van weerstanden in meetinstrumenten;
• Compenserend. Van deze legeringen worden kabels gemaakt voor het aansluiten van thermokoppels en andere sensoren. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de elektrische weerstand van de ene geleider toe en de andere af. Als gevolg hiervan blijft de totale waarde ongewijzigd.

Interessant. In de jaren vijftig werden transformatoren voor hoogspanningsstations met zilveren wikkelingen ontworpen. Gezien de verminderde verliezen was dit gunstig. Maar vanwege de stijging van de zilverprijs op de wereldmarkt werden deze projecten niet uitgevoerd.

Kabeldoorsneden selecteren

Bij het berekenen van de doorsnede van de geleider wordt rekening gehouden met verwarming en spanningsverlies bij lange kabels. U kunt de draadweerstand berekenen met behulp van speciale tabellen of met online rekenmachines.

De voor verliezen berekende doorsnede kan groter of kleiner zijn dan die berekend voor verwarming. Dit is afhankelijk van de lengte van de kabel. Voor de pakking wordt een grotere waarde geselecteerd.

Keuze van de geleiderdoorsnede op basis van toegestane verwarming

Wanneer er elektrische stroom door de kabel vloeit, warmt deze op. Deze verwarming kan de isolatie doen smelten, wat zal leiden tot vernietiging en kortsluiting van aangrenzende draden met elkaar of met geaarde structurele delen.

Belangrijk! Vernietiging van isolatie en kortsluiting. (kortsluiting) kan brand veroorzaken.

Om een ​​dergelijke situatie te voorkomen, moet de kabeldoorsnede overeenkomen met de belastingsstroom, het type isolatie en de installatieomstandigheden. Open gelegde draden of met hittebestendige isolatie kunnen meer stroom geleiden dan kabels die door met vinyl of rubber omhulde leidingen worden gelegd.

Selectie van doorsnede op basis van spanningsverlies

Wanneer er elektrische stroom door de kabel vloeit, neemt de spanning nabij de belasting af. Dit komt door het feit dat, hoewel de weerstand van een klein stukje draad en de spanningsval erover klein zijn, deze over een lange lengte een aanzienlijke waarde kan bereiken.

De soortelijke weerstand van koperdraad is bijvoorbeeld 0,017 Ohm mm²/m. Maar in een eenaderige kabel van 100 m lang met een doorsnede van 10 mm² zal dit 0,17 Ohm zijn. Bij een stroomsterkte van 80A (toegestaan ​​voor verwarming) zal de spanningsval in een 220V-netwerk 27V bedragen (100 m fasedraad en 100 m neutrale draad met een daling van 13V in elke geleider). Daarom mag de kabeldoorsnede bij een toegestane spanningsval van 2% of 5V niet minder zijn dan 66 mm², of de dichtstbijzijnde grotere standaardwaarde - 75 mm².

Als de verwarmingsdoorsnede wordt berekend op basis van de bedrijfsstroom van de elektromotor en in het gebied van de ingangsstroomonderbreker naar het apparaat, moet de verliesberekening worden gemaakt op basis van de startstroom, rekening houdend met de gehele lengte van de kabels: van de hoofdlijn naar de elektrische machine.

De weerstand van een koperdraad is een waarde die van invloed is op de keuze van kabels en draden voor het wikkelen van spoelen bij het ontwerpen van elektrische circuits, maar ook van elektromotoren en transformatoren. Als u weet hoe u de geleiderweerstand en de benodigde formules moet berekenen, kunt u elektrische bedrading correct ontwerpen en noodsituaties vermijden.

Video

Wanneer een elektrisch circuit gesloten is, op de klemmen waarvan er een potentiaalverschil bestaat, ontstaat er een spanning. Vrije elektronen bewegen onder invloed van elektrische veldkrachten langs de geleider. Tijdens hun beweging botsen elektronen met de atomen van de geleider en voorzien ze hen van hun kinetische energie. De snelheid van de elektronenbeweging verandert voortdurend: wanneer elektronen botsen met atomen, moleculen en andere elektronen, neemt deze af, vervolgens neemt deze onder invloed van een elektrisch veld toe en neemt deze weer af tijdens een nieuwe botsing. Als gevolg hiervan ontstaat er een uniforme elektronenstroom in de geleider met een snelheid van enkele fracties van een centimeter per seconde. Bijgevolg ondervinden elektronen die door een geleider gaan altijd weerstand tegen hun beweging vanaf de zijkant. Wanneer elektrische stroom door een geleider gaat, warmt deze op.

Elektrische weerstand

De elektrische weerstand van een geleider, die wordt aangegeven met een Latijnse letter R, is de eigenschap van een lichaam of medium om elektrische energie om te zetten in thermische energie wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat.

In de diagrammen wordt de elektrische weerstand aangegeven zoals weergegeven in figuur 1, A.

Variabele elektrische weerstand, die dient om de stroom in een circuit te veranderen, wordt genoemd reostaat. In de diagrammen worden reostaten aangeduid zoals weergegeven in figuur 1, B. Over het algemeen is een reostaat gemaakt van een draad met een of andere weerstand, gewikkeld op een isolerende basis. De schuif- of reostaathendel wordt in een bepaalde positie geplaatst, waardoor de benodigde weerstand in het circuit wordt geïntroduceerd.

Een lange geleider met een kleine doorsnede creëert een grote weerstand tegen stroom. Korte geleiders met een grote doorsnede bieden weinig weerstand tegen stroom.

Als je twee geleiders neemt van verschillende materialen, maar met dezelfde lengte en doorsnede, zullen de geleiders de stroom anders geleiden. Hieruit blijkt dat de weerstand van een geleider afhangt van het materiaal van de geleider zelf.

De temperatuur van de geleider heeft ook invloed op de weerstand ervan. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de weerstand van metalen toe en neemt de weerstand van vloeistoffen en steenkool af. Slechts enkele speciale metaallegeringen (manganine, constantaan, nikkel en andere) veranderen nauwelijks hun weerstand bij toenemende temperatuur.

We zien dus dat de elektrische weerstand van een geleider afhangt van: 1) de lengte van de geleider, 2) de doorsnede van de geleider, 3) het materiaal van de geleider, 4) de temperatuur van de geleider.

De eenheid van weerstand is één ohm. Om wordt vaak weergegeven met de Griekse hoofdletter Ω (omega). Daarom kunt u, in plaats van te schrijven: "De weerstand van de geleider is 15 ohm", eenvoudigweg schrijven: R= 15 Ohm.
1.000 ohm wordt 1 genoemd kilo-ohm(1kOhm of 1kΩ),
1.000.000 ohm wordt 1 genoemd megaohm(1 mOhm of 1 MΩ).

Bij het vergelijken van de weerstand van geleiders van verschillende materialen is het noodzakelijk om voor elk monster een bepaalde lengte en doorsnede te nemen. Dan kunnen we beoordelen welk materiaal de elektrische stroom beter of slechter geleidt.

Video 1. Geleiderweerstand

Elektrische weerstand

De weerstand in ohm van een geleider van 1 m lang en een doorsnede van 1 mm² wordt genoemd weerstand en wordt aangegeven met de Griekse letter ρ (ro).

Tabel 1 toont de soortelijke weerstand van sommige geleiders.

tafel 1

Weerstanden van verschillende geleiders

Uit de tabel blijkt dat een ijzerdraad met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm² een weerstand heeft van 0,13 Ohm. Om 1 Ohm weerstand te krijgen, heb je 7,7 m van zo'n draad nodig. Zilver heeft de laagste soortelijke weerstand. 1 Ohm weerstand kan worden verkregen door 62,5 m zilverdraad te nemen met een doorsnede van 1 mm². Zilver is de beste geleider, maar de prijs van zilver sluit de mogelijkheid van massaal gebruik ervan uit. Na zilver in de tabel komt koper: 1 m koperdraad met een doorsnede van 1 mm² heeft een weerstand van 0,0175 Ohm. Om een ​​weerstand van 1 ohm te krijgen, heb je 57 m van zo'n draad nodig.

Chemisch zuiver koper, verkregen door raffinage, wordt op grote schaal gebruikt in de elektrotechniek voor de vervaardiging van draden, kabels, wikkelingen van elektrische machines en apparaten. IJzer wordt ook veel gebruikt als geleiders.

De geleiderweerstand kan worden bepaald met de formule:

Waar R– geleiderweerstand in ohm; ρ – specifieke weerstand van de geleider; l– geleiderlengte in m; S– aderdoorsnede in mm².

Voorbeeld 1. Bepaal de weerstand van 200 m ijzerdraad met een doorsnede van 5 mm².

Voorbeeld 2. Bereken de weerstand van 2 km aluminiumdraad met een doorsnede van 2,5 mm².

Uit de weerstandsformule kunt u eenvoudig de lengte, soortelijke weerstand en doorsnede van de geleider bepalen.

Voorbeeld 3. Voor een radio-ontvanger is het noodzakelijk om een ​​weerstand van 30 Ohm te wikkelen uit nikkeldraad met een doorsnede van 0,21 mm². Bepaal de benodigde draadlengte.

Voorbeeld 4. Bepaal de doorsnede van 20 m nichroomdraad als de weerstand 25 Ohm is.

Voorbeeld 5. Een draad met een doorsnede van 0,5 mm² en een lengte van 40 m heeft een weerstand van 16 Ohm. Bepaal het draadmateriaal.

Het materiaal van de geleider karakteriseert zijn soortelijke weerstand.

Volgens de tabel met resistiviteiten zien we dat het een dergelijke weerstand heeft.

Hierboven werd vermeld dat de weerstand van geleiders afhankelijk is van de temperatuur. Laten we het volgende experiment doen. Laten we enkele meters dun metaaldraad in de vorm van een spiraal wikkelen en deze spiraal verbinden met het batterijcircuit. Om de stroom te meten, sluiten we een ampèremeter aan op het circuit. Wanneer de spoel in de brandervlam wordt verwarmd, zult u merken dat de ampèremeterwaarden afnemen. Hieruit blijkt dat de weerstand van een metaaldraad toeneemt bij verhitting.

Voor sommige metalen neemt de weerstand bij verhitting tot 100 ° toe met 40-50%. Er zijn legeringen die bij verhitting hun weerstand enigszins veranderen. Sommige speciale legeringen vertonen vrijwel geen weerstandsverandering bij temperatuurveranderingen. De weerstand neemt toe met toenemende temperatuur; de weerstand van elektrolyten (vloeistofgeleiders), steenkool en sommige vaste stoffen neemt daarentegen af.

Het vermogen van metalen om hun weerstand te veranderen bij temperatuurveranderingen wordt gebruikt om weerstandsthermometers te construeren. Deze thermometer is een platinadraad gewonden op een mica-frame. Door bijvoorbeeld een thermometer in een oven te plaatsen en voor en na het verwarmen de weerstand van de platinadraad te meten, kan de temperatuur in de oven worden bepaald.

De verandering in de weerstand van een geleider wanneer deze wordt verwarmd per 1 ohm initiële weerstand en per 1° temperatuur wordt genoemd temperatuurcoëfficiënt van weerstand en wordt aangegeven met de letter α.

Indien op temperatuur T 0 geleiderweerstand is R 0, en op temperatuur T gelijk aan r.t, dan de temperatuurweerstandscoëfficiënt

Opmerking. Berekening met deze formule kan alleen binnen een bepaald temperatuurbereik (tot ongeveer 200°C).

We presenteren de waarden van de temperatuurweerstandscoëfficiënt α voor sommige metalen (Tabel 2).

tafel 2

Temperatuurcoëfficiëntwaarden voor sommige metalen

Uit de formule voor de temperatuurweerstandscoëfficiënt bepalen we r.t:

r.t = R 0 .

Voorbeeld 6. Bepaal de weerstand van een ijzerdraad verwarmd tot 200°C als de weerstand bij 0°C 100 Ohm was.

r.t = R 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohm.

Voorbeeld 7. Een weerstandsthermometer gemaakt van platinadraad had in een ruimte van 15°C een weerstand van 20 ohm. De thermometer werd in de oven geplaatst en na enige tijd werd de weerstand gemeten. Het bleek gelijk te zijn aan 29,6 Ohm. Bepaal de temperatuur in de oven.

Elektrische geleiding

Tot nu toe hebben we de weerstand van een geleider beschouwd als het obstakel dat de geleider levert aan de elektrische stroom. Maar toch vloeit er stroom door de geleider. Daarom heeft de geleider, naast weerstand (obstakel), ook het vermogen om elektrische stroom te geleiden, dat wil zeggen geleidbaarheid.

Hoe meer weerstand een geleider heeft, hoe minder geleidbaarheid hij heeft, hoe slechter hij elektrische stroom geleidt, en, omgekeerd, hoe lager de weerstand van een geleider, hoe meer geleidbaarheid hij heeft, hoe gemakkelijker het is voor stroom om door de geleider te gaan. Daarom zijn de weerstand en de geleidbaarheid van een geleider wederkerige grootheden.

Uit de wiskunde is bekend dat de inverse van 5 1/5 is en omgekeerd de inverse van 1/7 7 is. Daarom, als de weerstand van een geleider wordt aangegeven met de letter R, dan wordt de geleidbaarheid gedefinieerd als 1/ R. Geleidbaarheid wordt meestal gesymboliseerd door de letter g.

De elektrische geleidbaarheid wordt gemeten in (1/Ohm) of in Siemens.

Voorbeeld 8. De weerstand van de geleider bedraagt ​​20 ohm. Bepaal de geleidbaarheid ervan.

Als R= 20 Ohm dus

Voorbeeld 9. De geleidbaarheid van de geleider bedraagt ​​0,1 (1/Ohm). Bepaal de weerstand ervan

Als g = 0,1 (1/Ohm), dan R= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)

Elektrische weerstand is het belangrijkste kenmerk van geleidermaterialen. Afhankelijk van het toepassingsgebied van de geleider kan de waarde van zijn weerstand zowel een positieve als een negatieve rol spelen in het functioneren van het elektrische systeem. Ook kan de specifieke toepassing van de geleider het noodzakelijk maken om rekening te houden met aanvullende kenmerken, waarvan de invloed in een bepaald geval niet kan worden verwaarloosd.

Geleiders zijn pure metalen en hun legeringen. In een metaal hebben atomen die in een enkele ‘sterke’ structuur zijn gefixeerd, vrije elektronen (het zogenaamde ‘elektronengas’). Het zijn deze deeltjes die in dit geval de ladingsdragers zijn. Elektronen bewegen zich voortdurend en willekeurig van het ene atoom naar het andere. Wanneer een elektrisch veld verschijnt (dat een spanningsbron verbindt met de uiteinden van het metaal), wordt de beweging van elektronen in de geleider geordend. Bewegende elektronen komen op hun pad obstakels tegen die worden veroorzaakt door de eigenaardigheden van de moleculaire structuur van de geleider. Wanneer ze tegen een structuur botsen, verliezen ladingsdragers hun energie en geven deze af aan de geleider (verwarmen). Hoe meer obstakels een geleidende structuur creëert om dragers op te laden, hoe hoger de weerstand.

Naarmate de dwarsdoorsnede van de geleidende structuur voor één aantal elektronen groter wordt, zal het “transmissiekanaal” breder worden en zal de weerstand afnemen. Dienovereenkomstig zullen er, naarmate de lengte van de draad toeneemt, meer van dergelijke obstakels zijn en zal de weerstand toenemen.

De basisformule voor het berekenen van de weerstand omvat dus de lengte van de draad, het dwarsdoorsnedeoppervlak en een bepaalde coëfficiënt die deze dimensionale kenmerken relateert aan de elektrische grootheden van spanning en stroom (1). Deze coëfficiënt wordt weerstand genoemd.
R= r*L/S (1)

Weerstand

De weerstand is onveranderd en is een eigenschap van de stof waaruit de geleider is gemaakt. Meeteenheden r - ohm*m. Vaak wordt de weerstandswaarde aangegeven in ohm*mm²/m. Dit komt door het feit dat de doorsnede van de meest gebruikte kabels relatief klein is en wordt gemeten in mm2. Laten we een eenvoudig voorbeeld geven.

Taak nr. 1. Lengte koperdraad L = 20 m, doorsnede S = 1,5 mm. vierkante meter Bereken de draadweerstand.
Oplossing: soortelijke weerstand van koperdraad r = 0,018 ohm*mm. m²/m. Als we de waarden in formule (1) vervangen, krijgen we R=0,24 ohm.
Bij het berekenen van de weerstand van het voedingssysteem moet de weerstand van één draad worden vermenigvuldigd met het aantal draden.
Als je in plaats van koper aluminium gebruikt met een hogere soortelijke weerstand (r = 0,028 ohm * mm sq./m), dan zal de weerstand van de draden dienovereenkomstig toenemen. Voor het bovenstaande voorbeeld is de weerstand R = 0,373 ohm (55% meer). Koper en aluminium zijn de belangrijkste materialen voor draden. Er zijn metalen met een lagere soortelijke weerstand dan koper, zoals zilver. Het gebruik ervan is echter beperkt vanwege de duidelijk hoge kosten. De onderstaande tabel toont de weerstand en andere basiskenmerken van geleidermaterialen.
Tabel - belangrijkste kenmerken van geleiders

Warmteverliezen van draden

Als met behulp van de kabel uit het bovenstaande voorbeeld een belasting van 2,2 kW wordt aangesloten op een enkelfasig 220 V-netwerk, dan zal er stroom I = P / U of I = 2200/220 = 10 A door de draad stromen. vermogensverliezen in de geleider berekenen:
Ppr=(I^2)*R (2)
Voorbeeld nr. 2. Bereken actieve verliezen bij een zendvermogen van 2,2 kW in een netwerk met een spanning van 220 V voor de genoemde draad.
Oplossing: door de waarden van stroom en draadweerstand in formule (2) te vervangen, verkrijgen we Ppr=(10^2)*(2*0,24)=48 W.
Bij het overbrengen van energie van het netwerk naar de belasting zullen de verliezen in de draden dus iets meer dan 2% bedragen. Deze energie wordt omgezet in warmte die door de geleider aan de omgeving wordt afgegeven. Afhankelijk van de verwarmingstoestand van de geleider (volgens de huidige waarde), wordt de doorsnede ervan geselecteerd, geleid door speciale tabellen.
Voor de bovenstaande geleider is de maximale stroom bijvoorbeeld 19 A of 4,1 kW in een 220 V-netwerk.

Om actieve verliezen in hoogspanningslijnen te verminderen, wordt verhoogde spanning gebruikt. Tegelijkertijd neemt de stroom in de draden af ​​en nemen de verliezen af.

Effect van temperatuur

Een temperatuurstijging leidt tot een toename van de trillingen van het metalen kristalrooster. Dienovereenkomstig komen elektronen meer obstakels tegen, wat leidt tot een toename van de weerstand. De grootte van de “gevoeligheid” van de weerstand van het metaal voor een temperatuurstijging wordt de temperatuurcoëfficiënt α genoemd. De formule voor het berekenen van de temperatuur is als volgt
R=Rн*, (3)
waarbij Rн – draadweerstand onder normale omstandigheden (bij temperatuur t°н); t° is de temperatuur van de geleider.
Meestal is t°n = 20° C. De waarde van α wordt ook aangegeven voor temperatuur t°n.
Opgave 4. Bereken de weerstand van een koperdraad bij een temperatuur t° = 90° C. α koper = 0,0043, Rн = 0,24 Ohm (opdracht 1).
Oplossing: door de waarden in formule (3) te vervangen, krijgen we R = 0,312 Ohm. De weerstand van de geanalyseerde verwarmde draad is 30% groter dan de weerstand bij kamertemperatuur.

Effect van frequentie

Naarmate de frequentie van de stroom in de geleider toeneemt, vindt het proces plaats waarbij ladingen dichter bij het oppervlak worden verplaatst. Als gevolg van een toename van de concentratie van ladingen in de oppervlaktelaag neemt ook de weerstand van de draad toe. Dit proces wordt het “huideffect” of oppervlakte-effect genoemd. Huidcoëfficiënt– het effect hangt ook af van de grootte en vorm van de draad. Voor het bovenstaande voorbeeld zal bij een AC-frequentie van 20 kHz de draadweerstand met ongeveer 10% toenemen. Houd er rekening mee dat hoogfrequente componenten een stroomsignaal kunnen hebben van veel moderne industriële en huishoudelijke verbruikers (spaarlampen, schakelende voedingen, frequentieomvormers, enzovoort).

Invloed van naburige geleiders

Rond elke geleider bevindt zich een magnetisch veld waar stroom doorheen vloeit. De interactie van de velden van aangrenzende geleiders veroorzaakt ook energieverlies en wordt het “nabijheidseffect” genoemd. Merk ook op dat elke metalen geleider inductie heeft die wordt gecreëerd door de geleidende kern en capaciteit die wordt gecreëerd door de isolatie. Deze parameters worden ook gekenmerkt door het nabijheidseffect.

Technologieën

Hoogspanningsdraden zonder weerstand

Dit type draad wordt veel gebruikt in auto-ontstekingssystemen. De weerstand van hoogspanningsdraden is vrij laag en bedraagt ​​enkele fracties van een ohm per meter lengte. Laten we niet vergeten dat weerstand van deze omvang niet kan worden gemeten met een ohmmeter voor algemeen gebruik. Vaak worden meetbruggen gebruikt voor het meten van lage weerstanden.
Structureel hebben dergelijke draden een groot aantal koperen kernen met isolatie op basis van siliconen, kunststoffen of andere diëlektrica. De eigenaardigheid van het gebruik van dergelijke draden is niet alleen de werking op hoge spanning, maar ook de overdracht van energie in een korte tijdsperiode (pulsmodus).

Bimetaal kabel

Het belangrijkste toepassingsgebied van de genoemde kabels is de overdracht van hoogfrequente signalen. De kern van de draad is gemaakt van één soort metaal, waarvan het oppervlak is bedekt met een ander soort metaal. Omdat bij hoge frequenties alleen de oppervlaktelaag van de geleider geleidend is, is het mogelijk om de binnenkant van de draad te vervangen. Dit bespaart duur materiaal en verbetert de mechanische eigenschappen van de draad. Voorbeelden van dergelijke draden: verzilverd koper, verkoperd staal.

Conclusie

Draadweerstand is een waarde die afhankelijk is van een groep factoren: geleidertype, temperatuur, stroomfrequentie, geometrische parameters. De betekenis van de invloed van deze parameters hangt af van de bedrijfsomstandigheden van de draad. Optimalisatiecriteria kunnen, afhankelijk van de taken voor draden, zijn: het verminderen van actieve verliezen, het verbeteren van mechanische eigenschappen, het verlagen van prijzen.

Concept van elektrische weerstand en geleidbaarheid

Elk lichaam waar elektrische stroom doorheen vloeit, vertoont er een zekere weerstand tegen.De eigenschap van een geleidermateriaal om te voorkomen dat er elektrische stroom doorheen gaat, wordt elektrische weerstand genoemd.

De elektronische theorie verklaart de essentie van de elektrische weerstand van metalen geleiders. Vrije elektronen komen, wanneer ze langs een geleider bewegen, onderweg talloze keren atomen en andere elektronen tegen en verliezen in hun interactie met hen onvermijdelijk een deel van hun energie. Elektronen ervaren een soort weerstand tegen hun beweging. Verschillende metalen geleiders, met verschillende atomaire structuren, bieden verschillende weerstanden tegen elektrische stroom.

Hetzelfde verklaart de weerstand van vloeibare geleiders en gassen tegen de doorgang van elektrische stroom. We mogen echter niet vergeten dat het bij deze stoffen geen elektronen zijn, maar geladen deeltjes van moleculen die tijdens hun beweging weerstand ondervinden.

Weerstand wordt aangegeven met de Latijnse letters R of r.

De eenheid van elektrische weerstand is de ohm.

Ohm is de weerstand van een kwikkolom van 106,3 cm hoog met een doorsnede van 1 mm2 bij een temperatuur van 0° C.

Als de elektrische weerstand van een geleider bijvoorbeeld 4 ohm is, dan wordt deze als volgt geschreven: R = 4 ohm of r = 4 ohm.

Om grote weerstanden te meten, wordt een eenheid genaamd megohm gebruikt.

Eén megaohm is gelijk aan één miljoen ohm.

Hoe groter de weerstand van een geleider, hoe slechter deze elektrische stroom geleidt, en omgekeerd, hoe lager de weerstand van de geleider, hoe gemakkelijker het is voor elektrische stroom om door deze geleider te gaan.

Om een ​​geleider te karakteriseren (vanuit het oogpunt van de doorgang van elektrische stroom er doorheen), kan men dus niet alleen de weerstand ervan in ogenschouw nemen, maar ook het omgekeerde van de weerstand en de zogenaamde geleidbaarheid.

Elektrische geleiding is het vermogen van een materiaal om elektrische stroom door zichzelf te laten gaan.

Omdat geleidbaarheid het omgekeerde is van weerstand, wordt deze uitgedrukt als 1/R, en geleidbaarheid wordt aangegeven met de Latijnse letter g.

De invloed van geleidermateriaal, de afmetingen ervan en de omgevingstemperatuur op de waarde van elektrische weerstand

De weerstand van verschillende geleiders is afhankelijk van het materiaal waaruit ze zijn gemaakt. Om de elektrische weerstand van verschillende materialen te karakteriseren, is het concept van de zogenaamde weerstand geïntroduceerd.

Weerstand is de weerstand van een geleider met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm2. De weerstand wordt aangegeven met de letter p van het Griekse alfabet. Elk materiaal waaruit een geleider is gemaakt, heeft zijn eigen soortelijke weerstand.

De soortelijke weerstand van koper is bijvoorbeeld 0,017, dat wil zeggen dat een koperen geleider met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm2 een weerstand heeft van 0,017 ohm. De soortelijke weerstand van aluminium is 0,03, de soortelijke weerstand van ijzer is 0,12, de soortelijke weerstand van constantaan is 0,48, de soortelijke weerstand van nichroom is 1-1,1.

De weerstand van een geleider is recht evenredig met zijn lengte, dat wil zeggen: hoe langer de geleider, hoe groter zijn elektrische weerstand.

De weerstand van een geleider is omgekeerd evenredig met zijn dwarsdoorsnedeoppervlak, dat wil zeggen: hoe dikker de geleider, hoe lager zijn weerstand, en omgekeerd: hoe dunner de geleider, hoe groter zijn weerstand.

Om deze relatie beter te begrijpen, moeten we ons twee paar communicerende vaten voorstellen, waarbij het ene paar vaten een dunne verbindingsbuis heeft en het andere een dikke. Het is duidelijk dat wanneer een van de vaten (elk paar) gevuld is met water, de overdracht ervan naar het andere vat door een dikke buis veel sneller zal plaatsvinden dan door een dunne buis, dat wil zeggen dat een dikke buis minder weerstand tegen de stroming zal hebben. van water. Op dezelfde manier is het gemakkelijker voor elektrische stroom om door een dikke geleider te gaan dan door een dunne, dat wil zeggen dat de eerste minder weerstand biedt dan de tweede.

De elektrische weerstand van een geleider is gelijk aan de soortelijke weerstand van het materiaal waaruit de geleider is gemaakt, vermenigvuldigd met de lengte van de geleider en gedeeld door het dwarsdoorsnedeoppervlak van de geleider:

R = pl/S,

Waar - R is de weerstand van de geleider, ohm, l is de lengte van de geleider in m, S is het dwarsdoorsnedeoppervlak van de geleider, mm 2.

Dwarsdoorsnede van een ronde geleider berekend met de formule:

S = Pi x d 2 / 4

Waar is Pi - constante waarde gelijk aan 3,14; d is de diameter van de geleider.

En zo wordt de lengte van de geleider bepaald:

l = S R / p,

Deze formule maakt het mogelijk om de lengte van de geleider, de doorsnede en de soortelijke weerstand te bepalen, als de andere grootheden in de formule bekend zijn.

Als het nodig is om het dwarsdoorsnedeoppervlak van de geleider te bepalen, heeft de formule de volgende vorm:

S = p l / R

Door dezelfde formule te transformeren en de gelijkheid met betrekking tot p op te lossen, vinden we de soortelijke weerstand van de geleider:

R = R S / l

De laatste formule moet worden gebruikt in gevallen waarin de weerstand en afmetingen van de geleider bekend zijn, maar het materiaal ervan onbekend en bovendien moeilijk aan het uiterlijk te bepalen is. Om dit te doen, moet u de soortelijke weerstand van de geleider bepalen en met behulp van de tabel een materiaal vinden dat een dergelijke weerstand heeft.

Een andere reden die de weerstand van geleiders beïnvloedt, is temperatuur.

Er is vastgesteld dat bij toenemende temperatuur de weerstand van metalen geleiders toeneemt, en bij afnemende temperatuur afneemt. Deze toename of afname van de weerstand voor puur metalen geleiders is vrijwel hetzelfde en bedraagt ​​gemiddeld 0,4% per 1°C. De weerstand van vloeibare geleiders en koolstof neemt af bij toenemende temperatuur.

De elektronische theorie van de structuur van materie geeft de volgende verklaring voor de toename van de weerstand van metalen geleiders bij toenemende temperatuur. Bij verhitting ontvangt de geleider thermische energie, die onvermijdelijk wordt overgedragen op alle atomen van de substantie, waardoor de intensiteit van hun beweging toeneemt. De toegenomen beweging van atomen creëert een grotere weerstand tegen de gerichte beweging van vrije elektronen, waardoor de weerstand van de geleider toeneemt. Naarmate de temperatuur daalt, worden betere omstandigheden gecreëerd voor de gerichte beweging van elektronen en neemt de weerstand van de geleider af. Dit verklaart een interessant fenomeen: supergeleiding van metalen.

Supergeleiding, dat wil zeggen een afname van de weerstand van metalen tegen nul, vindt plaats bij een enorme negatieve temperatuur - 273 ° C, het absolute nulpunt genoemd. Bij een temperatuur van het absolute nulpunt lijken metaalatomen op hun plaats te bevriezen, zonder de beweging van elektronen te verstoren.

Elk lichaam waar elektrische stroom doorheen vloeit, vertoont er een zekere weerstand tegen. De eigenschap van een geleidermateriaal om te voorkomen dat er elektrische stroom doorheen gaat, wordt elektrische weerstand genoemd.

Hoe groter de weerstand van een geleider, hoe slechter deze elektrische stroom geleidt, en omgekeerd, hoe lager de weerstand van de geleider, hoe gemakkelijker het is voor elektrische stroom om door deze geleider te gaan.

De weerstand van verschillende geleiders is afhankelijk van het materiaal waaruit ze zijn gemaakt. Om de elektrische weerstand van verschillende materialen te karakteriseren, is het concept van de zogenaamde weerstand geïntroduceerd.

Specifieke weerstand is de weerstand van een geleider met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm2. De weerstand wordt aangegeven met de letter p (rho) van het Griekse alfabet. Elk materiaal waaruit een geleider is gemaakt, heeft zijn eigen soortelijke weerstand.

De soortelijke weerstand van koper is bijvoorbeeld 0,0175, dat wil zeggen dat een koperen geleider met een lengte van 1 m en een doorsnede van 1 mm2 een weerstand heeft van 0,0175 ohm. De soortelijke weerstand van aluminium is 0,029, de soortelijke weerstand van ijzer is 0,135, de soortelijke weerstand van constantaan is 0,48 en de soortelijke weerstand van nichroom is 1-1,1.

De weerstand van een geleider is recht evenredig met zijn lengte, dat wil zeggen: hoe langer de geleider, hoe groter zijn elektrische weerstand.

De weerstand van een geleider is omgekeerd evenredig met zijn dwarsdoorsnedeoppervlak, dat wil zeggen: hoe dikker de geleider, hoe lager zijn weerstand, en, omgekeerd, hoe dunner de geleider, hoe groter zijn weerstand.

De geleiderweerstand kan worden bepaald met de formule:

waarbij r de geleiderweerstand is in (Ohm); ρ — weerstand van de geleider (Ohm*m); l is de lengte van de geleider in (m); S - doorsnede van de geleider in (mm2).

Voorbeeld: Bepaal de weerstand van 200 m koperdraad met een doorsnede van 1,5 mm2.

Voorbeeld: Bepaal de weerstand van 200 m koperdraad met een doorsnede van 2,5 mm2.

Isolatie

Isolatie in de elektrotechniek is een ontwerpelement van apparatuur dat de doorgang van elektrische stroom erdoorheen verhindert, bijvoorbeeld om mensen te beschermen.

Voor isolatie worden materialen met diëlektrische eigenschappen gebruikt: glas, keramiek, talrijke polymeren, mica. Er is ook luchtisolatie, waarbij lucht de rol van isolator speelt, en structurele elementen bepalen de ruimtelijke configuratie van de geïsoleerde geleiders om de nodige luchtspleten te creëren.

Isolatiedeksels kunnen worden geproduceerd:

• gemaakt van elektrisch isolerend rubber;
• gemaakt van polyethyleen;
• gemaakt van vernet en geschuimd polyethyleen;
• van siliconenrubber;
• gemaakt van polyvinylchloride-kunststof (PVC);
• gemaakt van geïmpregneerd kabelpapier;
• gemaakt van polytetrafluorethyleen.

Rubberen isolatie

Rubberisolatie kan alleen worden gebruikt met een rubberen slangmantel (indien beschikbaar). Omdat rubber gemaakt van natuurlijk rubber vrij duur is, is bijna al het rubber dat in de kabelindustrie wordt gebruikt kunstmatig. Toevoegen aan rubber:

• vulcaniseermiddelen (elementen die de transformatie van lineaire bindingen in rubber mogelijk maken in ruimtelijke bindingen in isolatie, bijvoorbeeld zwavel);
• vulkanisatieversnellers (verminderen tijdverbruik);
• vulstoffen (verlaag de prijs van het materiaal zonder de technische kenmerken aanzienlijk te verminderen);
• weekmakers (verhogen van de plastic eigenschappen);
• antioxidanten (toegevoegd aan schelpen voor weerstand tegen zonnestraling);
• kleurstoffen (om de gewenste kleur te geven).

Met rubber kunt u grote buigradii aan kabelproducten toewijzen en daarom wordt het samen met een gevlochten kern gebruikt in geleiders voor beweegbare verbindingen (kabels van het merk KG, KGESH, RPSh-draad).
Specialisatie: gebruikt in algemene industriële kabels voor mobiele verbinding van consumenten.

Positieve eigenschappen:

• lage kosten van kunstrubber;
• goede flexibiliteit;
• hoge elektrische isolatie-eigenschappen (6 keer hoger dan de waarde voor PVC-kunststof);
• absorbeert praktisch geen waterdamp uit de lucht.

Negatieve eigenschappen:

• vermindering van de elektrische weerstand wanneer de temperatuur stijgt tot +80°C;
• blootstelling aan zonnestraling (lichte oxidatie) gevolgd door karakteristieke scheuren van de oppervlaktelaag (bij afwezigheid van een schaal);
• het is noodzakelijk om speciale stoffen in de samenstelling te introduceren om een ​​bepaalde chemische weerstand te verkrijgen;
• verspreidt het vuur.

Lees ook:

Berekening van draadweerstand. Online rekenmachine.
Afhankelijkheid van weerstand van geleidermateriaal, lengte, diameter of doorsnede. Berekening van het dwarsdoorsnedeoppervlak van draden, afhankelijk van het belastingsvermogen.

Op het eerste gezicht lijkt het erop dat dit artikel uit de sectie 'Opmerkingen voor elektriciens' komt.
Aan de ene kant, waarom niet, aan de andere kant moeten wij, nieuwsgierige elektronica-ingenieurs, soms de weerstand berekenen van de wikkeling van een inductor, of een zelfgemaakte nichroomweerstand, en, laten we eerlijk zijn, een akoestische kabel voor hoge- hoogwaardige geluidsweergaveapparatuur.

De formule hier is vrij eenvoudig: R = p*l/S, waarbij l en S respectievelijk de lengte en het dwarsdoorsnede-oppervlak van de geleider zijn, en p de soortelijke weerstand van het materiaal, dus deze berekeningen kunnen worden uitgevoerd zelfstandig, gewapend met een rekenmachine en de A minor bedacht dat alle verzamelde gegevens naar het SI-systeem moesten worden geleid.

Welnu, voor normale jongens die besloten hun tijd te sparen en niet zenuwachtig te worden over kleinigheden, zullen we een eenvoudige tabel tekenen.

TABEL VOOR HET BEREKENEN VAN DE GELEIDERSWEERSTAND

De pagina bleek eenzaam, dus ik zal hier een tabel plaatsen voor degenen die hun tijd willen verbinden met het leggen van elektrische bedrading, een krachtige bron van energieverbruik willen aansluiten of gewoon in de ogen van elektricien Vasily willen kijken en: “ nippen aan de pot”, stel een terechte vraag: “Waarom precies? Misschien: “Heb je besloten mij te ruïneren? Waarom heb ik vier vierkanten zuurstofvrij koper nodig voor twee gloeilampen en een koelkast? Waarvoor precies?”

En we zullen deze berekeningen niet willekeurig maken en zelfs niet in overeenstemming met de volkswijsheid, die zegt dat "het vereiste dwarsdoorsnedeoppervlak van de draad gelijk is aan de maximale stroom gedeeld door 10", maar in strikte overeenstemming met de regelgeving documenten van het Russische Ministerie van Energie over de regels voor de bouw van elektrische installaties.
Deze regels negeren draden met een doorsnede kleiner dan 1,5 mm2. Ik zal ze ook negeren, en ook de aluminium exemplaren, vanwege hun flagrante archaïsche aard.
Dus.

Elektrische weerstand en geleidbaarheid

BEREKENING VAN HET DEELGEBIED VAN DE DRAAD AFHANKELIJK VAN HET BELASTINGVERMOGEN

Verliezen in geleiders ontstaan ​​​​door de niet-nulwaarde van hun weerstand, die afhangt van de lengte van de draad.
De vermogenswaarden van deze verliezen die in de vorm van warmte in de omringende ruimte vrijkomen, staan ​​​​in de tabel.
Als gevolg hiervan bereikt de spanning de energieverbruiker aan het andere uiteinde van de draad in een enigszins verminderde vorm - minder dan aan de bron. Uit de tabel blijkt dat bijvoorbeeld bij een netwerkspanning van 220 V en een draadlengte van 100 meter met een doorsnede van 1,5 mm2 de spanning bij een belasting van 4 kW niet 220, maar 199 V zal zijn.
Is het goed of slecht?
Voor sommige apparaten maakt het niet uit, sommige zullen werken, maar met een lager vermogen, en sommige zullen opspringen en je samen met je lange draden en slimme tafels naar een haardroger sturen.
Daarom is het Ministerie van Energie het Ministerie van Energie, en het eigen hoofd zal onder geen enkele omstandigheid pijn doen. Als de situatie zich op een vergelijkbare manier ontwikkelt, is er een directe weg naar het kiezen van draden met een grotere doorsnede.

De stroomsterkte in een geleider is recht evenredig met de spanning erover.

Draad weerstand.

Dit betekent dat naarmate de spanning toeneemt, de stroom ook toeneemt. Bij dezelfde spanning, maar bij gebruik van verschillende geleiders, is de stroomsterkte echter anders. Je kunt het anders zeggen. Als je de spanning verhoogt, zal de stroomsterkte weliswaar toenemen, maar deze zal overal anders zijn, afhankelijk van de eigenschappen van de geleider.

De stroom versus spanning-relatie voor die specifieke geleider vertegenwoordigt de weerstand van die geleider. Het wordt aangegeven met R en wordt gevonden door de formule R = U/I. Dat wil zeggen, weerstand wordt gedefinieerd als de verhouding tussen spanning en stroom. Hoe groter de stroom in een geleider bij een gegeven spanning, hoe lager de weerstand ervan. Hoe groter de spanning voor een bepaalde stroom, hoe groter de weerstand van de geleider.

De formule kan worden herschreven in relatie tot de huidige sterkte: I = U/R (wet van Ohm). In dit geval is het duidelijker dat hoe groter de weerstand, hoe minder stroom.

We kunnen zeggen dat weerstand voorkomt dat de spanning een grote stroom creëert.

Weerstand zelf is een kenmerk van de geleider. Het is niet afhankelijk van de spanning die erop wordt toegepast. Als er een grote spanning wordt aangelegd, zal de stroom veranderen, maar de U/I-verhouding zal niet veranderen, d.w.z. de weerstand zal niet veranderen.

Waar hangt de weerstand van een geleider van af? Het is de afgunst van

• geleider lengte,
• zijn dwarsdoorsnede,
• de stof waaruit de geleider is gemaakt,
• temperatuur.

Om een ​​stof en zijn weerstand met elkaar te verbinden, wordt het concept van specifieke weerstand van een stof geïntroduceerd. Het laat zien wat de weerstand zal zijn in een bepaalde stof als een daaruit gemaakte geleider een lengte heeft van 1 m en een doorsnede van 1 m2. Geleiders van dezelfde lengte en dikte, gemaakt van verschillende stoffen, zullen verschillende weerstanden hebben. Dit komt door het feit dat elk metaal (meestal zijn het geleiders) zijn eigen kristalrooster heeft, zijn eigen aantal vrije elektronen.

Hoe lager de soortelijke weerstand van een stof, hoe beter de elektrische stroom geleidt. Zilver, koper en aluminium hebben bijvoorbeeld een lage weerstand; veel meer voor ijzer, wolfraam; zeer groot voor diverse legeringen.

Hoe langer de geleider, hoe groter de weerstand die deze heeft. Dit wordt duidelijk als we er rekening mee houden dat de beweging van elektronen in metalen wordt gehinderd door de ionen waaruit het kristalrooster bestaat. Hoe meer ervan, d.w.z. hoe langer de geleider, hoe groter de kans dat het elektron zijn pad vertraagt.

Door het dwarsdoorsnedeoppervlak te vergroten, wordt de weg echter breder. Het is gemakkelijker voor elektronen om te stromen en niet te botsen met de knooppunten van het kristalrooster. Hoe dikker de geleider, hoe lager de weerstand.

De weerstand is dus direct evenredig met de soortelijke weerstand (ρ) en de lengte (l) van de geleider en omgekeerd evenredig met het oppervlak (S) van zijn doorsnede. We krijgen de weerstandsformule:

Op het eerste gezicht weerspiegelt deze formule niet de afhankelijkheid van de weerstand van de geleider van zijn temperatuur. De soortelijke weerstand van een stof wordt echter gemeten bij een bepaalde temperatuur (meestal 20 °C). Daarom wordt er rekening gehouden met de temperatuur. Voor berekeningen worden weerstanden uit speciale tabellen gehaald.

Voor metalen geleiders geldt: hoe hoger de temperatuur, hoe groter de weerstand. Dit komt door het feit dat naarmate de temperatuur stijgt, de roosterionen sterker beginnen te trillen en de beweging van elektronen meer verstoren. In elektrolyten (oplossingen waarbij de lading wordt gedragen door ionen in plaats van elektronen) neemt de weerstand echter af bij toenemende temperatuur. Hier komt dit door het feit dat hoe hoger de temperatuur, hoe meer dissociatie in ionen plaatsvindt, en dat ze sneller in de oplossing bewegen.