Résistivité de l'aluminium. Résistance électrique des conducteurs
14.04.2018
Les conducteurs en cuivre, en aluminium, leurs alliages et en fer (acier) sont utilisés comme éléments conducteurs dans les installations électriques.
Le cuivre est l'un des meilleurs matériaux conducteurs. La densité du cuivre à 20°C est de 8,95 g/cm 3, le point de fusion est de 1083°C. Le cuivre est chimiquement légèrement actif, mais se dissout facilement. acide nitrique, et dans les acides chlorhydrique et sulfurique dilués, il ne se dissout qu'en présence d'agents oxydants (oxygène). Dans l'air, le cuivre se recouvre rapidement d'une fine couche d'oxyde sombre, mais cette oxydation ne pénètre pas profondément dans le métal et sert de protection contre une corrosion ultérieure. Le cuivre se prête bien au forgeage et au laminage sans chauffage.
Pour la production, il est utilisé cuivre électrolytique en lingots contenant du cuivre pur à 99,93 %.
La conductivité électrique du cuivre dépend fortement de la quantité et du type d'impuretés et, dans une moindre mesure, des facteurs mécaniques et chimiques. traitement thermique. à 20°C, elle est de 0,0172-0,018 ohm x mm2/m.
Pour la fabrication des conducteurs, on utilise du cuivre mou, semi-dur ou dur d'une densité spécifique de 8,9, 8,95 et 8,96 g/cm3, respectivement.
Il est largement utilisé pour la fabrication de pièces sous tension. cuivre en alliages avec d'autres métaux. La plupart des applications reçu les alliages suivants.
Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, contenant au moins 50 % de cuivre dans l'alliage, avec l'ajout d'autres métaux. laiton 0,031 - 0,079 ohm x mm2/m. Il existe du laiton - tombak avec une teneur en cuivre de plus de 72 % (possède des propriétés élevées de ductilité, anticorrosion et antifriction) et laiton spécial avec ajout d'aluminium, d'étain, de plomb ou de manganèse.
Contacts en laiton
Le bronze est un alliage de cuivre et d'étain additionné de divers métaux. Selon la teneur en composant principal de l'alliage, le bronze est appelé étain, aluminium, silicium, phosphore et cadmium. Résistivité du bronze 0,021 - 0,052 ohm x mm2/m.
Le laiton et le bronze ont de bonnes propriétés mécaniques et proprietes physiques et chimiques. Ils sont facilement traités par coulée et injection et résistent à la corrosion atmosphérique.
L'aluminium - selon ses qualités deuxième matériau conducteur après le cuivre. Point de fusion 659,8° C. La densité de l'aluminium à une température de 20° est de 2,7 g/cm 3 . L’aluminium est facile à couler et à usiner. A une température de 100 - 150°C, l'aluminium est malléable et ductile (peut être roulé en feuilles jusqu'à 0,01 mm d'épaisseur).
La conductivité électrique de l'aluminium dépend fortement des impuretés et peu du traitement mécanique et thermique. Plus la composition d'aluminium est pure, plus sa conductivité électrique est élevée et sa meilleure résistance aux influences chimiques. L'usinage, le laminage et le recuit affectent considérablement la résistance mécanique de l'aluminium. Le travail à froid de l’aluminium augmente sa dureté, son élasticité et sa résistance à la traction. Résistivité de l'aluminiumà 20°C 0,026 - 0,029 ohm x mm 2 /m.
Lors du remplacement du cuivre par de l'aluminium, la section transversale du conducteur doit être augmentée en termes de conductivité, soit 1,63 fois.
A conductivité égale, un conducteur en aluminium sera 2 fois plus léger qu'un conducteur en cuivre.
Pour la fabrication des conducteurs, on utilise de l'aluminium contenant au moins 98 % d'aluminium pur, du silicium pas plus de 0,3 %, du fer pas plus de 0,2 %.
Pour la fabrication de pièces de pièces conductrices de courant, ils utilisent alliages d'aluminium avec d'autres métaux, par exemple : Duralumin - un alliage d'aluminium avec du cuivre et du manganèse.
Le silumin est un alliage de moulage léger en aluminium avec un mélange de silicium, de magnésium et de manganèse.
Les alliages d'aluminium ont de bonnes propriétés de coulée et une résistance mécanique élevée.
Les éléments suivants sont les plus largement utilisés en génie électrique : alliages d'aluminium:
Alliage d'aluminium déformable de qualité AD, ayant une teneur en aluminium d'au moins 98,8 et d'autres impuretés jusqu'à 1,2.
Alliage d'aluminium déformable de qualité AD1, ayant une teneur en aluminium d'au moins 99,3 n et d'autres impuretés jusqu'à 0,7.
Alliage d'aluminium déformable de marque AD31, contenant de l'aluminium 97,35 à 98,15 et d'autres impuretés 1,85 à 2,65.
Les alliages des nuances AD et AD1 sont utilisés pour la fabrication de boîtiers et de matrices de pinces de quincaillerie. L'alliage de qualité AD31 est utilisé pour fabriquer des profilés et des barres omnibus utilisées pour les conducteurs électriques.
À la suite du traitement thermique, les produits en alliages d'aluminium acquièrent des limites de résistance et d'élasticité (fluage) élevées.
Fer - point de fusion 1539°C. La densité du fer est de 7,87. Le fer se dissout dans les acides et est oxydé par les halogènes et l'oxygène.
Différentes qualités d'acier sont utilisées en électrotechnique, par exemple :
Les aciers au carbone sont des alliages malléables de fer contenant du carbone et d'autres impuretés métallurgiques.
La résistivité des aciers au carbone est de 0,103 à 0,204 ohm x mm 2 /m.
Aciers alliés - alliages avec introduction supplémentaire Acier Carbone additifs de chrome, de nickel et d'autres éléments.
Les aciers ont de bonnes propriétés.
Les éléments suivants sont largement utilisés comme additifs dans les alliages, ainsi que pour la fabrication de soudures et la production de métaux conducteurs :
Le cadmium est un métal malléable. Le point de fusion du cadmium est de 321°C. Résistivité 0,1 ohm x mm 2 /m. En électrotechnique, le cadmium est utilisé pour la préparation de soudures à bas point de fusion et pour les revêtements de protection (cadmiage) sur les surfaces métalliques. En termes de propriétés anticorrosion, le cadmium est proche du zinc, mais les revêtements de cadmium sont moins poreux et sont appliqués en couche plus fine que le zinc.
Nickel - point de fusion 1455°C. Résistivité du nickel 0,068 - 0,072 ohm x mm 2 /m. Aux températures ordinaires, il n'est pas oxydé par l'oxygène atmosphérique. Le nickel est utilisé dans les alliages et pour Revêtement de protection(nickelage) des surfaces métalliques.
Étain - point de fusion 231,9°C. La résistivité de l'étain est de 0,124 à 0,116 ohm x mm 2 /m. L'étain est utilisé pour souder le revêtement protecteur (étamage) des métaux sous sa forme pure et sous forme d'alliages avec d'autres métaux.
Plomb - point de fusion 327,4°C. Résistance spécifique 0,217 - 0,227 ohm x mm 2 /m. Le plomb est utilisé dans les alliages avec d’autres métaux comme matériau résistant aux acides. Ajouté aux alliages de soudure (soudures).
L'argent est un métal très malléable et malléable. Le point de fusion de l'argent est de 960,5°C. L'argent est le meilleur conducteur de chaleur et de courant électrique. La résistivité de l'argent est de 0,015 à 0,016 ohm x mm 2 /m. L'argent est utilisé pour le revêtement protecteur (argenture) des surfaces métalliques.
L'antimoine est un métal brillant et cassant dont le point de fusion est de 631°C. L'antimoine est utilisé comme additif dans les alliages de soudure (soudures).
Le chrome est un métal dur et brillant. Point de fusion 1830°C. Dans l'air à température ordinaire, cela ne change pas. La résistivité du chrome est de 0,026 ohm x mm 2 /m. Le chrome est utilisé dans les alliages et pour le revêtement protecteur (chromage) des surfaces métalliques.
Zinc - point de fusion 419,4°C. Résistivité du zinc 0,053 - 0,062 ohm x mm2/m. Dans l'air humide, le zinc s'oxyde et se recouvre d'une couche d'oxyde qui le protège contre les influences chimiques ultérieures. En électrotechnique, le zinc est utilisé comme additif dans les alliages et les soudures, ainsi que pour le revêtement protecteur (zingage) des surfaces des pièces métalliques.
Dès que l'électricité a quitté les laboratoires des scientifiques et a commencé à être largement introduite dans la pratique Vie courante, la question s'est posée de rechercher des matériaux présentant certaines caractéristiques, parfois complètement opposées, par rapport à l'écoulement qui les traverse. courant électrique.
Par exemple, lors de la transmission d'énergie électrique sur de longues distances, le matériau du fil devait minimiser les pertes dues au chauffage Joule en combinaison avec des caractéristiques de faible poids. Un exemple de ceci est le familier lignes à haute tension lignes de transport d'énergie constituées de fils d'aluminium avec une âme en acier.
Ou, à l'inverse, pour créer des radiateurs électriques tubulaires compacts, il fallait des matériaux présentant une résistance électrique relativement élevée et une stabilité thermique élevée. L'exemple le plus simple d'un appareil utilisant des matériaux ayant des propriétés similaires est le brûleur d'une cuisinière électrique de cuisine ordinaire.
Les conducteurs utilisés en biologie et en médecine comme électrodes, sondes et sondes nécessitent une haute résistance chimique et une compatibilité avec les biomatériaux, combinées à une faible résistance de contact.
Toute une galaxie d'inventeurs de différents pays: Angleterre, Russie, Allemagne, Hongrie et USA. Thomas Edison, après avoir mené plus d'un millier d'expériences testant les propriétés de matériaux adaptés au rôle de filaments, a créé une lampe à spirale de platine. Les lampes d'Edison, même si elles avaient une longue durée de vie, n'étaient pas pratiques en raison de leur coût élevé. matériel source.
Des travaux ultérieurs de l'inventeur russe Lodygin, qui a proposé d'utiliser du tungstène et du molybdène réfractaires relativement bon marché avec une résistivité plus élevée comme matériaux de filament, ont révélé utilisation pratique. De plus, Lodygin a proposé de pomper l'air des cylindres de lampes à incandescence et de le remplacer par des gaz inertes ou nobles, ce qui a conduit à la création lampes modernes incandescent Pionnier de la production de masse de produits abordables et durables lampes électriques est devenue la société General Electric, à laquelle Lodygin a cédé les droits sur ses brevets et a ensuite travaillé avec succès pendant longtemps dans les laboratoires de l'entreprise.
Cette liste peut être longue, car l'esprit humain curieux est si inventif que parfois, pour résoudre un certain problème technique, il a besoin de matériaux aux propriétés jusqu'alors sans précédent ou avec des combinaisons incroyables de ces propriétés. La nature ne parvient plus à suivre nos appétits et des scientifiques du monde entier se sont joints à la course pour créer des matériaux sans équivalent naturel.
Il s'agit de la connexion intentionnelle du boîtier ou du boîtier d'appareils électriques à un dispositif de mise à la terre de protection. Généralement, la mise à la terre est réalisée sous forme de bandes, de tuyaux, de tiges ou de coins en acier ou en cuivre enfouis dans le sol à une profondeur de plus de 2,5 mètres, qui en cas d'accident assurent la circulation du courant le long du circuit. boîtier ou boîtier - masse - fil neutre de la source de courant alternatif. La résistance de ce circuit ne doit pas dépasser 4 ohms. Dans ce cas, la tension sur le corps du dispositif de secours est réduite à des valeurs sans danger pour l'homme, et les dispositifs de protection automatiques circuit électrique d'une manière ou d'une autre pour désactiver le dispositif d'urgence.
Lors du calcul des éléments mise à la terre de protection Un rôle essentiel est joué par la connaissance de la résistivité du sol, qui peut varier considérablement.
Conformément aux données des tableaux de référence, la zone du dispositif de mise à la terre est sélectionnée, le nombre d'éléments de mise à la terre et la conception réelle de l'ensemble du dispositif sont calculés à partir de celle-ci. Les éléments structurels du dispositif de mise à la terre de protection sont reliés par soudage.
Tomographie électrique
La prospection électrique étudie l'environnement géologique proche de la surface et est utilisée pour rechercher des minerais, des minéraux non métalliques et d'autres objets sur la base de l'étude de divers champs électriques et électromagnétiques artificiels. Un cas particulier de prospection électrique est la tomographie par résistivité électrique - une méthode pour déterminer les propriétés rochers selon leur résistance spécifique.
L'essence de la méthode est qu'à une certaine position de la source champ électrique Les mesures de tension sont prises au niveau de diverses sondes, puis la source de champ est déplacée vers un autre emplacement ou commutée vers une autre source et les mesures sont répétées. Les sources de champ et les sondes réceptrices de champ sont placées en surface et dans les puits.
Les données reçues sont ensuite traitées et interprétées à l'aide de méthodes modernes méthodes informatiques traitement qui permet de visualiser des informations sous forme d'images bidimensionnelles et tridimensionnelles.
Étant une méthode de recherche très précise, la tomographie électrique apporte une aide précieuse aux géologues, archéologues et paléozoologues.
La détermination de la forme d'occurrence des gisements minéraux et des limites de leur répartition (dessin) permet d'identifier l'occurrence de gisements filoniens de minéraux, ce qui réduit considérablement les coûts de leur développement ultérieur.
Pour les archéologues, cette méthode de recherche fournit des informations précieuses sur l'emplacement des sépultures anciennes et la présence d'artefacts à l'intérieur, réduisant ainsi les coûts de fouille.
Les paléozoologues utilisent la tomographie électrique pour rechercher les restes fossilisés d'animaux anciens ; les résultats de leur travail peuvent être vus dans les musées sciences naturelles sous la forme d’étonnantes reconstitutions de squelettes de la mégafaune préhistorique.
De plus, la tomographie électrique est utilisée lors de la construction et de l'exploitation ultérieure des ouvrages d'art : immeubles de grande hauteur, barrages, digues, remblais et autres.
Définitions de la résistivité en pratique
Parfois, afin de résoudre des problèmes pratiques, nous pouvons être confrontés à la tâche de déterminer la composition d'une substance, par exemple un fil pour couper la mousse de polystyrène. Nous disposons de deux bobines de fil de diamètre approprié provenant de divers matériaux inconnus de nous. Pour résoudre le problème, il est nécessaire de trouver leur résistivité électrique puis, en utilisant la différence des valeurs trouvées ou en utilisant une table de recherche, de déterminer le matériau du fil.
Nous mesurons avec un ruban à mesurer et coupons 2 mètres de fil dans chaque échantillon. Déterminons les diamètres des fils d₁ et d₂ avec un micromètre. Après avoir allumé le multimètre jusqu'à la limite inférieure de mesure de résistance, nous mesurons la résistance de l'échantillon R₁. Nous répétons la procédure pour un autre échantillon et mesurons également sa résistance R₂.
Prenons en compte que la section transversale des fils est calculée par la formule
S = π ∙ ré 2 /4
Maintenant, la formule de calcul de la résistivité électrique ressemblera à ceci :
ρ = R ∙ π ∙ d 2 /4 ∙ L
En remplaçant les valeurs obtenues de L, d₁ et R₁ dans la formule de calcul de la résistivité donnée dans l'article ci-dessus, nous calculons la valeur de ρ₁ pour le premier échantillon.
ρ 1 = 0,12 ohm mm 2 /m
En remplaçant les valeurs obtenues de L, d₂ et R₂ dans la formule, nous calculons la valeur de ρ₂ pour le deuxième échantillon.
ρ 2 = 1,2 ohm mm 2 /m
D'une comparaison des valeurs de ρ₁ et ρ₂ avec les données de référence du tableau 2 ci-dessus, nous concluons que le matériau du premier échantillon est de l'acier et le second est du nichrome, à partir duquel nous fabriquerons le fil de coupe.
Ils appellent la capacité d'un métal à faire passer un courant chargé à travers lui-même. La résistance est quant à elle l’une des caractéristiques d’un matériau. Plus la résistance électrique à une tension donnée est grande, moins elle caractérise la force de résistance d'un conducteur au mouvement des électrons chargés dirigés le long de lui. Puisque la propriété de transmettre l’électricité est l’inverse de la résistance, cela signifie qu’elle sera exprimée sous forme de formules sous la forme du rapport 1/R.
La résistivité dépend toujours de la qualité du matériau utilisé dans la fabrication des appareils. Il est mesuré sur la base des paramètres d'un conducteur d'une longueur de 1 mètre et d'une section transversale de 1 millimètre carré. Par exemple, la propriété de résistance spécifique pour le cuivre est toujours égale à 0,0175 Ohm, pour l'aluminium - 0,029, le fer - 0,135, le constantan - 0,48, le nichrome - 1-1,1. La résistivité de l'acier est égale au nombre 2*10-7 Ohm.m
La résistance au courant est directement proportionnelle à la longueur du conducteur le long duquel il se déplace. Plus l'appareil est long, plus la résistance est élevée. Il sera plus facile de comprendre cette relation si vous imaginez deux paires imaginaires de vaisseaux communiquant entre elles. Laissez le tube de connexion rester plus fin pour une paire d’appareils et plus épais pour l’autre. Lorsque les deux paires sont remplies d’eau, le transfert du liquide à travers un tube épais sera beaucoup plus rapide, car il aura moins de résistance à l’écoulement de l’eau. Par cette analogie, il lui est plus facile de faire passer un conducteur épais qu'un conducteur fin.
La résistivité, en tant qu'unité SI, est mesurée en Ohm.m. La conductivité dépend de la longueur moyenne de vol libre des particules chargées, qui est caractérisée par la structure du matériau. Métaux sans impuretés, qui ont le plus correct plus petites valeurs neutralisation. A l’inverse, les impuretés déforment le réseau, augmentant ainsi ses performances. La résistivité des métaux se situe dans une plage étroite de valeurs à températures normales : de l'argent de 0,016 à 10 μΩm (alliages de fer et de chrome avec de l'aluminium).
Sur les caractéristiques du mouvement des chargés
les électrons dans un conducteur sont influencés par la température, car à mesure qu'elle augmente, l'amplitude des ondes d'oscillation des ions et des atomes existants augmente. En conséquence, il reste moins d’électrons espace libre pour un mouvement normal dans le réseau cristallin. Cela signifie que les obstacles à un mouvement ordonné augmentent. La résistivité de tout conducteur, comme d'habitude, augmente linéairement avec l'augmentation de la température. Les semi-conducteurs, au contraire, se caractérisent par une diminution avec des degrés croissants, car cela entraîne la libération de nombreuses charges qui créent directement un courant électrique.
Le processus de refroidissement de certains conducteurs métalliques à la température souhaitée amène leur résistivité à un état abrupt et tombe à zéro. Ce phénomène a été découvert en 1911 et appelé supraconductivité.
Malgré le fait que ce sujet puisse sembler complètement banal, je répondrai à une question très importante sur le calcul de la perte de tension et le calcul des courants de court-circuit. Je pense que ce sera la même découverte pour beaucoup d’entre vous que pour moi.
J'ai récemment étudié un GOST très intéressant :
GOST R 50571.5.52-2011 Installations électriques basse tension. Partie 5-52. Sélection et installation d'équipements électriques. Câblage électrique.
Ce document fournit une formule pour calculer la perte de tension et indique :
p est la résistivité des conducteurs dans des conditions normales, prise égale à la résistivité à température dans des conditions normales, soit 1,25 résistivité à 20 °C, soit 0,0225 Ohm mm 2 /m pour le cuivre et 0,036 Ohm mm 2 / m pour l'aluminium ;
Je n'ai rien compris =) Apparemment, lors du calcul des pertes de tension et lors du calcul des courants de court-circuit, il faut prendre en compte la résistance des conducteurs, comme dans des conditions normales.
Il convient de noter que toutes les valeurs du tableau sont données à une température de 20 degrés.
Et quoi conditions normales? Je pensais qu'il faisait 30 degrés Celsius.
Rappelons-nous la physique et calculons à quelle température la résistance du cuivre (aluminium) augmentera de 1,25 fois.
R1=R0
R0 – résistance à 20 degrés Celsius ;
R1 - résistance à T1 degrés Celsius ;
T0 - 20 degrés Celsius ;
α=0,004 par degré Celsius (le cuivre et l'aluminium sont presque identiques) ;
1,25=1+α (T1-T0)
Т1=(1,25-1)/ α+Т0=(1,25-1)/0,004+20=82,5 degrés Celsius.
Comme vous pouvez le constater, il ne fait pas du tout 30 degrés. Apparemment, tous les calculs doivent être effectués aux températures maximales autorisées des câbles. La température maximale de fonctionnement du câble est de 70 à 90 degrés selon le type d'isolation.
Pour être honnête, je ne suis pas d'accord avec cela, parce que... cette température correspond à un mode pratiquement d'urgence de l'installation électrique.
Dans mes programmes, j'ai défini la résistivité du cuivre à 0,0175 Ohm mm 2 /m et celle de l'aluminium à 0,028 Ohm mm 2 /m.
Si vous vous en souvenez, j'ai écrit que dans mon programme de calcul des courants de court-circuit, le résultat est environ 30 % inférieur aux valeurs du tableau. Là, la résistance de boucle phase zéro est calculée automatiquement. J'ai essayé de trouver l'erreur, mais je n'ai pas pu. Apparemment, l'inexactitude du calcul réside dans la résistivité utilisée dans le programme. Et tout le monde peut poser des questions sur la résistivité, il ne devrait donc y avoir aucune question sur le programme si vous indiquez la résistivité à partir du document ci-dessus.
Mais je devrai probablement apporter des modifications aux programmes de calcul des pertes de tension. Cela entraînera une augmentation de 25 % des résultats de calcul. Bien que dans le programme ELECTRIC, les pertes de tension soient presque les mêmes que les miennes.
Si c'est votre première fois sur ce blog, alors vous pouvez voir tous mes programmes sur la page
A votre avis, à quelle température faut-il calculer les pertes de tension : à 30 ou 70-90 degrés ? Qu'il y ait un règlements qui répondra à cette question ?
Les substances et matériaux capables de conduire le courant électrique sont appelés conducteurs. Le reste est classé comme diélectrique. Mais il n’existe pas de diélectriques purs ; ils conduisent tous également le courant, mais son ampleur est très faible.
Mais les conducteurs conduisent également le courant différemment. Selon la formule de Georg Ohm, le courant circulant dans un conducteur est linéairement proportionnel à l'amplitude de la tension qui lui est appliquée et inversement proportionnel à une quantité appelée résistance.
L'unité de mesure de la résistance a été nommée Ohm en l'honneur du scientifique qui a découvert cette relation. Mais il s'est avéré que les conducteurs fabriqués à partir de différents matériaux et ayant les mêmes dimensions géométriques, ont une résistance électrique différente. Pour déterminer la résistance d'un conducteur de longueur et de section connues, le concept de résistivité a été introduit - un coefficient qui dépend du matériau.
En conséquence, la résistance d'un conducteur de longueur et de section connues sera égale à
La résistivité s'applique non seulement aux matériaux solides, mais également aux liquides. Mais sa valeur dépend également des impuretés ou d’autres composants présents dans la matière source. Eau pure ne conduit pas le courant électrique, étant un diélectrique. Mais l’eau distillée n’existe pas dans la nature ; elle contient toujours des sels, des bactéries et d’autres impuretés. Ce cocktail est conducteur de courant électrique avec résistivité.
En introduisant divers additifs dans les métaux, de nouveaux matériaux sont obtenus - alliages, dont la résistivité diffère de celle du matériau d'origine, même si le pourcentage ajouté à celui-ci est insignifiant.
Dépendance de la résistivité à la température
Les résistivités des matériaux sont données dans des ouvrages de référence pour des températures proches de la température ambiante (20 °C). Plus la température augmente, plus la résistance du matériau augmente. Pourquoi cela arrive-t-il?
Le courant électrique est conduit à l’intérieur du matériau électrons libres. Sous l'influence d'un champ électrique, ils se séparent de leurs atomes et se déplacent entre eux dans la direction spécifiée par ce champ. Les atomes d’une substance forment un réseau cristallin, entre les nœuds duquel se déplace un flux d’électrons, également appelé « gaz électronique ». Sous l’influence de la température, les nœuds du réseau (atomes) vibrent. Les électrons eux-mêmes ne se déplacent pas non plus en ligne droite, mais selon un chemin complexe. Dans le même temps, ils entrent souvent en collision avec des atomes, modifiant ainsi leur trajectoire. À certains moments, les électrons peuvent se déplacer dans la direction opposée à la direction du courant électrique.
Avec l'augmentation de la température, l'amplitude des vibrations atomiques augmente. Les collisions d'électrons avec eux se produisent plus souvent, le mouvement du flux d'électrons ralentit. Physiquement, cela se traduit par une augmentation de la résistivité.
Un exemple d'utilisation de la dépendance de la résistivité à la température est le fonctionnement d'une lampe à incandescence. La spirale en tungstène à partir de laquelle le filament est constitué présente une faible résistivité au moment de la mise sous tension. Un appel de courant au moment de la mise sous tension le réchauffe rapidement, la résistivité augmente et le courant diminue pour devenir nominal.
Le même processus se produit avec les éléments chauffants au nichrome. Par conséquent, il est impossible de calculer leur mode de fonctionnement en déterminant la longueur de fil nichrome d'une section connue pour créer la résistance requise. Pour les calculs, vous avez besoin de la résistivité du fil chauffé, et les ouvrages de référence donnent des valeurs pour température ambiante. Par conséquent, la longueur finale de la spirale en nichrome est ajustée expérimentalement. Les calculs déterminent la longueur approximative et lors du réglage, raccourcissent progressivement le fil section par section.
Coefficient de température de résistance
Mais pas dans tous les appareils, la présence d'une dépendance de la résistivité des conducteurs à la température est bénéfique. En technologie de mesure, la modification de la résistance des éléments du circuit entraîne une erreur.
Pour quantifier la dépendance de la résistance des matériaux à la température, le concept coéfficent de température résistance (TCS). Il montre à quel point la résistance d'un matériau change lorsque la température change de 1°C.
Pour la fabrication de composants électroniques - résistances utilisées dans les circuits des équipements de mesure, des matériaux à faible TCR sont utilisés. Ils sont plus chers, mais les paramètres de l'appareil ne changent pas sur une large plage de températures environnement.
Mais les propriétés des matériaux à TCS élevé sont également utilisées. Le fonctionnement de certains capteurs de température est basé sur des modifications de la résistance du matériau à partir duquel l'élément de mesure est constitué. Pour ce faire, vous devez maintenir une tension d'alimentation stable et mesurer le courant traversant l'élément. En calibrant l'échelle de l'appareil qui mesure le courant par rapport à un thermomètre standard, on obtient un thermomètre électronique. Ce principe est utilisé non seulement pour les mesures, mais aussi pour les capteurs de surchauffe. Désactiver l'appareil lorsque des conditions de fonctionnement anormales surviennent, entraînant une surchauffe des enroulements des transformateurs ou des éléments semi-conducteurs de puissance.
En électrotechnique, des éléments sont également utilisés qui modifient leur résistance non pas à cause de la température ambiante, mais à cause du courant qui les traverse - thermistances. Un exemple de leur utilisation est celui des systèmes de démagnétisation pour les tubes cathodiques des téléviseurs et des moniteurs. Lorsqu'une tension est appliquée, la résistance de la résistance est minimale et le courant la traverse dans la bobine de démagnétisation. Mais le même courant chauffe le matériau de la thermistance. Sa résistance augmente, réduisant le courant et la tension aux bornes de la bobine. Et ainsi de suite jusqu'à ce qu'il disparaisse complètement. En conséquence, une tension sinusoïdale avec une amplitude décroissante progressivement est appliquée à la bobine, créant le même champ magnétique dans son espace. Le résultat est qu’au moment où le filament du tube chauffe, il est déjà démagnétisé. Et le circuit de commande reste verrouillé jusqu'à ce que l'appareil soit éteint. Ensuite, les thermistances refroidiront et seront à nouveau prêtes à fonctionner.
Le phénomène de supraconductivité
Que se passe-t-il si la température du matériau diminue ? La résistivité diminuera. Il existe une limite jusqu'à laquelle la température diminue, appelée zéro absolu. Ce - 273°С. Il n'y a pas de températures en dessous de cette limite. A cette valeur, la résistivité de tout conducteur est nulle.
Au zéro absolu, les atomes du réseau cristallin arrêtent de vibrer. En conséquence, le nuage électronique se déplace entre les nœuds du réseau sans entrer en collision avec eux. La résistance du matériau devient nulle, ce qui ouvre la possibilité d'obtenir des courants infiniment grands dans des conducteurs de petites sections.
Le phénomène de supraconductivité ouvre de nouveaux horizons pour le développement de l’électrotechnique. Mais il existe encore des difficultés liées à l'obtention dans des conditions domestiques des températures ultra-basses nécessaires pour créer cet effet. Lorsque les problèmes seront résolus, l’ingénierie électrique passera à un nouveau niveau de développement.
Exemples d'utilisation des valeurs de résistivité dans les calculs
Nous connaissons déjà les principes de calcul de la longueur du fil nichrome pour la fabrication élément chauffant. Mais il existe d’autres situations où la connaissance de la résistivité des matériaux est nécessaire.
Pour le calcul contours des dispositifs de mise à la terre des coefficients correspondant à des sols typiques sont utilisés. Si le type de sol à l'emplacement de la boucle de terre est inconnu, sa résistivité est d'abord mesurée pour des calculs corrects. De cette façon, les résultats des calculs sont plus précis, ce qui élimine le besoin d'ajuster les paramètres du circuit lors de la fabrication : ajout du nombre d'électrodes, entraînant une augmentation des dimensions géométriques du dispositif de mise à la terre.
Résistance spécifique des matériaux qui les composent lignes de câbles et des jeux de barres, est utilisé pour calculer leur résistance active. Ensuite, au courant de charge nominal, utilisez-le la valeur de la tension à la fin de la ligne est calculée. Si sa valeur s'avère insuffisante, alors les sections des conducteurs sont augmentées au préalable.
Il est donc important de connaître les paramètres de tous les éléments et matériaux utilisés. Et pas seulement électrique, mais aussi mécanique. Et ayez-en quelques-uns pratiques à votre disposition Matériel de référence, vous permettant de comparer les caractéristiques de différents matériaux et de choisir pour la conception et le fonctionnement exactement ce qui sera optimal dans situation spécifique.
Dans les lignes de transport d'énergie, où l'objectif est de fournir de l'énergie au consommateur de la manière la plus productive, c'est-à-dire avec un rendement élevé, l'économie des pertes et la mécanique des lignes elles-mêmes sont prises en compte. L'efficacité économique finale de la ligne dépend de la mécanique, c'est-à-dire du dispositif et de la disposition des conducteurs, des isolateurs, des supports, des transformateurs élévateurs/abaisseurs, du poids et de la résistance de toutes les structures, y compris les fils tendus sur de longues distances, ainsi que les matériaux sélectionnés pour chaque élément de structure, ses travaux et coûts d'exploitation. De plus, dans les lignes transportant de l'électricité, il existe des exigences plus élevées pour assurer la sécurité des lignes elles-mêmes et de tout ce qui les entoure là où elles passent. Et cela ajoute des coûts à la fois pour la fourniture du câblage électrique et pour une marge de sécurité supplémentaire de toutes les structures.
À des fins de comparaison, les données sont généralement réduites à une forme unique et comparable. Souvent, l'épithète « spécifique » est ajoutée à ces caractéristiques, et les valeurs elles-mêmes sont considérées sur la base de certaines normes unifiées par des paramètres physiques. Par exemple, la résistivité électrique est la résistance (ohms) d'un conducteur constitué d'un métal (cuivre, aluminium, acier, tungstène, or) ayant une unité de longueur et une section unitaire dans le système d'unités de mesure utilisé (généralement SI ). De plus, la température est précisée, car lorsqu'ils sont chauffés, la résistance des conducteurs peut se comporter différemment. Les conditions de fonctionnement moyennes normales sont prises comme base - à 20 degrés Celsius. Et lorsque les propriétés sont importantes lors de la modification des paramètres environnementaux (température, pression), des coefficients sont introduits et des tableaux et graphiques de dépendance supplémentaires sont compilés.
Types de résistivité
Puisque la résistance se produit :
- actif - ou ohmique, résistif - résultant de la dépense d'électricité pour chauffer le conducteur (métal) lorsqu'un courant électrique le traverse, et
- réactif - capacitif ou inductif - qui résulte des pertes inévitables dues à la création de tout changement dans le courant traversant le conducteur de champs électriques, alors la résistivité du conducteur se décline en deux variétés :
- Résistance électrique spécifique au courant continu (ayant un caractère résistif) et
- Résistance électrique spécifique au courant alternatif (ayant un caractère réactif).
Ici, la résistivité de type 2 est une valeur complexe ; elle se compose de deux composants TC - actif et réactif, car la résistance résistive existe toujours lorsque le courant passe, quelle que soit sa nature, et la résistance réactive ne se produit qu'avec tout changement de courant dans les circuits. Enchaîné courant continu la réactance ne se produit que pendant les processus transitoires associés à l'activation du courant (changement du courant de 0 au nominal) ou à la désactivation (différence du nominal à 0). Et ils ne sont généralement pris en compte que lors de la conception de la protection contre les surcharges.
Dans les circuits à courant alternatif, les phénomènes liés à la réactance sont beaucoup plus diversifiés. Ils dépendent non seulement du passage réel du courant à travers une certaine section, mais également de la forme du conducteur, et la dépendance n'est pas linéaire.
Le fait est que le courant alternatif induit champ électriqueà la fois autour du conducteur à travers lequel il circule, et dans le conducteur lui-même. Et de ce champ naissent des courants de Foucault, qui ont pour effet de « pousser » le mouvement principal réel des charges, des profondeurs de toute la section transversale du conducteur jusqu'à sa surface, ce qu'on appelle « l'effet de peau » (de peau - peau). Il s'avère que les courants de Foucault semblent « voler » sa section au conducteur. Le courant circule dans une certaine couche proche de la surface, l'épaisseur restante du conducteur reste inutilisée, cela ne réduit pas sa résistance et il ne sert tout simplement à rien d'augmenter l'épaisseur des conducteurs. Surtout aux hautes fréquences. Par conséquent, pour le courant alternatif, la résistance est mesurée dans les sections de conducteurs où toute sa section peut être considérée comme proche de la surface. Un tel fil est dit fin ; son épaisseur est égale à deux fois la profondeur de cette couche superficielle, où les courants de Foucault déplacent le courant principal utile circulant dans le conducteur.
Bien entendu, réduire l’épaisseur des fils ronds n’épuise pas la conduction efficace du courant alternatif. Le conducteur peut être aminci, mais en même temps rendu plat sous la forme d'un ruban, la section transversale sera alors supérieure à celle d'un fil rond et, par conséquent, la résistance sera inférieure. De plus, la simple augmentation de la surface aura pour effet d’augmenter la section efficace. La même chose peut être obtenue en utilisant du fil toronné au lieu du fil monoconducteur. De plus, le fil toronné est plus flexible que le fil monoconducteur, ce qui est souvent précieux. D'autre part, compte tenu de l'effet de peau dans les fils, il est possible de rendre les fils composites en réalisant l'âme à partir d'un métal qui présente de bonnes caractéristiques de résistance, par exemple l'acier, mais de faibles caractéristiques électriques. Dans ce cas, une tresse d'aluminium est réalisée sur l'acier, qui présente une résistivité plus faible.
En plus de l'effet de peau, la circulation du courant alternatif dans les conducteurs est affectée par l'excitation des courants de Foucault dans les conducteurs environnants. De tels courants sont appelés courants d'induction, et ils sont induits à la fois dans des métaux qui ne jouent pas le rôle de câblage (éléments structurels porteurs) et dans les fils de l'ensemble du complexe conducteur - jouant le rôle de fils d'autres phases, neutres , mise à la terre.
Tous ces phénomènes se produisent dans toutes les structures électriques, ce qui rend encore plus important de disposer d’une référence complète pour une grande variété de matériaux.
La résistivité des conducteurs est mesurée avec des instruments très sensibles et précis, car les métaux ayant la plus faible résistance sont sélectionnés pour le câblage - de l'ordre de l'ohm * 10 -6 par mètre de longueur et m². mm. sections. Pour mesurer la résistivité de l'isolement, vous avez au contraire besoin d'instruments qui ont des plages de valeurs de résistance très larges - généralement des mégohms. Il est clair que les conducteurs doivent bien conduire et que les isolants doivent bien isoler.
Tableau
| Tableau de résistivité des conducteurs (métaux et alliages) |
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| Matériau conducteur | Composition (pour les alliages) | Résistivité ρ mΩ × mm2/m |
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| cuivre, zinc, étain, nickel, plomb, manganèse, fer, etc. | ||||
| Aluminium | ||||
| Tungstène | ||||
| Molybdène | ||||
| cuivre, étain, aluminium, silicium, béryllium, plomb, etc. (sauf zinc) | ||||
| fer, carbone | ||||
| cuivre, nickel, zinc | ||||
| Manganine | cuivre, nickel, manganèse | |||
| Constantan | cuivre, nickel, aluminium | |||
| nickel, chrome, fer, manganèse | ||||
| fer, chrome, aluminium, silicium, manganèse | ||||
Le fer comme conducteur en électrotechnique
Le fer est le métal le plus répandu dans la nature et dans la technologie (après l’hydrogène, qui est aussi un métal). C'est le moins cher et possède d'excellentes caractéristiques de résistance, il est donc utilisé partout comme base de résistance. divers modèles.
En électrotechnique, le fer est utilisé comme conducteur sous forme d'acier fils flexibles là où la force physique et la flexibilité sont nécessaires, et où la résistance requise peut être obtenue grâce à une section transversale appropriée.
Disposant d'un tableau des résistivités de divers métaux et alliages, vous pouvez calculer les sections transversales des fils constitués de différents conducteurs.
A titre d'exemple, essayons de trouver la section électriquement équivalente de conducteurs constitués de différents matériaux : fil de cuivre, de tungstène, de nickel et de fer. Prenons comme matériau de départ un fil d'aluminium d'une section de 2,5 mm.
Il faut que sur une longueur de 1 m la résistance du fil composé de tous ces métaux soit égale à la résistance de celui d'origine. La résistance de l'aluminium par 1 m de longueur et 2,5 mm de section sera égale à
Où R.- résistance, ρ – résistivité du métal du tableau, S- superficie de la section transversale, L- longueur.
En remplaçant les valeurs d'origine, nous obtenons la résistance d'un morceau de fil d'aluminium d'un mètre de long en ohms.
Après cela, résolvons la formule de S
Nous remplacerons les valeurs du tableau et obtiendrons les surfaces transversales pour différents métaux.
Puisque la résistivité dans le tableau est mesurée sur un fil de 1 m de long, en microohms par section de 1 mm 2, alors nous l'avons obtenue en microohms. Pour l'obtenir en ohms, vous devez multiplier la valeur par 10 -6. Mais on n’a pas forcément besoin d’obtenir le nombre ohm avec 6 zéros après la virgule, puisqu’on retrouve quand même le résultat final en mm2.
Comme vous pouvez le constater, la résistance du fer est assez élevée, le fil est épais.
Mais il existe des matériaux pour lesquels il est encore plus important, par exemple le nickel ou le constantan.
- une grandeur électrique qui caractérise la propriété d'un matériau à empêcher la circulation du courant électrique. Selon le type de matériau, la résistance peut tendre vers zéro – être minime (miles/micro ohms – conducteurs, métaux) ou être très grande (giga ohms – isolation, diélectriques). L’inverse de la résistance électrique est .
Unité résistance électrique - Ohm. Il est désigné par la lettre R. La dépendance de la résistance au courant dans un circuit fermé est déterminée.
Ohmmètre- un appareil de mesure directe de la résistance du circuit. Selon la plage de la valeur mesurée, ils sont divisés en gigaohmmètres (pour les grandes résistances - lors de la mesure de l'isolation) et en micro/miliohmmètres (pour les petites résistances - lors de la mesure des résistances de transition des contacts, des enroulements de moteur, etc.).
Il existe une grande variété d'ohmmètres par conception provenant de différents fabricants, de l'électromécanique à la microélectronique. Il est à noter qu'un ohmmètre classique mesure la partie active de la résistance (appelée ohms).
Toute résistance (métal ou semi-conducteur) dans un circuit à courant alternatif possède une composante active et réactive. La somme des résistances active et réactive est Impédance du circuit CA et est calculé par la formule :
où Z est la résistance totale du circuit à courant alternatif ;
R est la résistance active du circuit à courant alternatif ;
Xc est la réactance capacitive du circuit à courant alternatif ; 
(C - capacité, w - vitesse angulaire du courant alternatif)
Xl est la réactance inductive du circuit à courant alternatif ; 
(L est l'inductance, w est la vitesse angulaire du courant alternatif).
Résistance active- elle fait partie de la résistance totale d'un circuit électrique dont l'énergie est entièrement convertie en d'autres types d'énergie (mécanique, chimique, thermique). Une propriété distinctive du composant actif est la consommation complète de toute l'électricité (aucune énergie n'est restituée au réseau) et la réactance renvoie une partie de l'énergie au réseau (une propriété négative du composant réactif).
La signification physique de la résistance active
Chaque environnement où passent les charges électriques crée des obstacles sur leur chemin (on pense que ce sont des nœuds réseau cristallin), dans lequel ils semblent frapper et perdre leur énergie, qui est libérée sous forme de chaleur.
Ainsi, il se produit une chute (perte d'énergie électrique), dont une partie est perdue en raison de la résistance interne du milieu conducteur.
La valeur numérique caractérisant la capacité d’un matériau à empêcher le passage des charges est appelée résistance. Elle se mesure en Ohms (Ohm) et est inversement proportionnelle à la conductivité électrique.
Éléments divers tableau périodique Mendeleev a des résistivités électriques (p) différentes, par exemple la plus petite. L'argent (0,016 Ohm*mm2/m), le cuivre (0,0175 Ohm*mm2/m), l'or (0,023) et l'aluminium (0,029) ont une résistance. Ils sont utilisés dans l’industrie comme principaux matériaux sur lesquels reposent toute l’électrotechnique et l’énergie. Les diélectriques, au contraire, ont une valeur de choc élevée. résistance et sont utilisés pour l’isolation.
La résistance du milieu conducteur peut varier considérablement en fonction de la section transversale, de la température, de l'amplitude et de la fréquence du courant. De plus, différents environnements possèdent différents porteurs de charge (électrons libres dans les métaux, ions dans les électrolytes, « trous » dans les semi-conducteurs), qui sont les facteurs déterminants de la résistance.
Signification physique de la réactance
Dans les bobines et les condensateurs, lorsqu'ils sont appliqués, l'énergie s'accumule sous forme de champs magnétiques et électriques, ce qui prend un certain temps.
Champs magnétiques dans les réseaux à courant alternatif, ils changent en fonction du changement de direction du mouvement des charges, tout en fournissant une résistance supplémentaire.
De plus, un changement de phase et de courant stable se produit, ce qui entraîne des pertes d'électricité supplémentaires.
Résistivité
Comment pouvons-nous connaître la résistance d’un matériau s’il n’y a aucun écoulement à travers celui-ci et si nous n’avons pas d’ohmmètre ? Il y a une valeur particulière à cela - résistivité électrique du matériau V
(ce sont des valeurs tabulaires déterminées empiriquement pour la plupart des métaux). En utilisant cette valeur et grandeurs physiques matériau, on peut calculer la résistance à l’aide de la formule :
Où, p— résistivité (unités ohm*m/mm2) ;
l-longueur du conducteur (m);
S— coupe transversale(mm2).