Зависимость сечения кабеля и провода от токовых нагрузок и мощности

При проектировании схемы любой электрической установки и монтаже, выбор сечения проводов и кабелей является обязательным этапом. Чтобы правильно подобрать силовой провод нужного сечения, необходимо учитывать величину максимального потребления.

Сечения проводов измеряется в квадратных милиметрах или «квадратах». Каждый «квадрат» алюминиевого провода способен пропустить через себя в течение длительного времени нагреваясь до допустимых пределов максимум  — только 4 ампера, а медный провода  10 ампер тока. Соответственно, если какой-то электропотребитель потребляет мощность равную 4 киловаттам (4000 Ватт), то при напряжении 220 вольт сила тока будет равна 4000/220=18,18 ампер и для его питания достаточно подвести к нему электричество медным проводом сечением 18,18/10=1,818 квадрата. Правда в этом случае провод будет работать на пределе своих возможностей, поэтому следует взять запас по сечению в размере не менее 15%. Получим 2,091 квадрата. И теперь подберем ближайший провод стандартного сечения. Т.е. к этому потребителю мы должны вести проводку медным проводом сечением 2 квадратных миллиметра именуемого нагрузкой тока. Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формуле: I = Р/220. Алюминиевый провод будет соответственно в 2,5 раза толще.

Из расчета достаточной механической прочности открытая силовая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться таблицами.

Медные жилы проводов и кабелей
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Напряжение, 220 В		Напряжение, 380 В
	ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
1,5	19	4,1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
4	38	8,3	30	19,8
6	46	10,1	40	26,4
10	70	15,4	50	33,0
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66,0	260	171,6

Алюминиевые жилы проводов и кабелей
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Напряжение, 220 В		Напряжение, 380 В
	ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
2,5	20	4,4	19	12,5
4	28	6,1	23	15,1
6	36	7,9	30	19,8
10	50	11,0	39	25,7
16	60	13,2	55	36,3
25	85	18,7	70	46,2
35	100	22,0	85	56,1
50	135	29,7	110	72,6
70	165	36,3	140	92,4
95	200	44,0	170	112,2
120	230	50,6	200	132,0

Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами к примеру кабель МКЭШВнг
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Открыто	Ток, А, для проводов проложенных в одной трубе
		Двух одножильных	Трех одножильных	Четырех одножильных	Одного двухжильного	Одного трехжильного
0,5	11	—	—	—	—	—
0,75	15	—	—	—	—	—
1	17	16	15	14	15	14
1,2	20	18	16	15	16	14,5
1,5	23	19	17	16	18	15
2	26	24	22	20	23	19
2,5	30	27	25	25	25	21
3	34	32	28	26	28	24
4	41	38	35	30	32	27
5	46	42	39	34	37	31
6	50	46	42	40	40	34
8	62	54	51	46	48	43
10	80	70	60	50	55	50
16	100	85	80	75	80	70
25	140	115	100	90	100	85
35	170	135	125	115	125	100
50	215	185	170	150	160	135
70	270	225	210	185	195	175
95	330	275	255	225	245	215
120	385	315	290	260	295	250
150	440	360	330	—	—	—
185	510	—	—	—	—	—
240	605	—	—	—	—	—
300	695	—	—	—	—	—
400	830	—	—	—	—	—

Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Открыто	Ток, А, для проводов проложенных в одной трубе
		Двух одножильных	Трех одножильных	Четырех одножильных	Одного двухжильного	Одного трехжильного
2	21	19	18	15	17	14
2,5	24	20	19	19	19	16
3	27	24	22	21	22	18
4	32	28	28	23	25	21
5	36	32	30	27	28	24
6	39	36	32	30	31	26
8	46	43	40	37	38	32
10	60	50	47	39	42	38
16	75	60	60	55	60	55
25	105	85	80	70	75	65
35	130	100	95	85	95	75
50	165	140	130	120	125	105
70	210	175	165	140	150	135
95	255	215	200	175	190	165
120	295	245	220	200	230	190
150	340	275	255	—	—	—
185	390	—	—	—	—	—
240	465	—	—	—	—	—
300	535	—	—	—	—	—
400	645	—	—	—	—	—

Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной, найритовой или резиновой оболочке, бронированных и небронированных
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Ток*, А, для проводов и кабелей
	одножильных		двухжильных			трехжильных
	при прокладке
	в воздухе	в воздухе		в земле	в воздухе		в земле
1,5	23	19		33	19		27
2,5	30	27		44	25		38
4	41	38		55	35		49
6	50	50		70	42		60
10	80	70		105	55		90
16	100	90		135	75		115
25	140	115		175	95		150
35	170	140		210	120		180
50	215	175		265	145		225
70	270	215		320	180		275
95	325	260		385	220		330
120	385	300		445	260		385
150	440	350		505	305		435
185	510	405		570	350		500
240	605	—		—	—		—

* Токи относятся к кабелям и проводам с нулевой жилой и без нее.

Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Ток, А, для проводов и кабелей
	одножильных		двухжильных			трехжильных
	при прокладке
	в воздухе	в воздухе		в земле	в воздухе		в земле
2,5	23	21		34	19		29
4	31	29		42	27		38
6	38	38		55	32		46
10	60	55		80	42		70
16	75	70		105	60		90
25	105	90		135	75		115
35	130	105		160	90		140
50	165	135		205	110		175
70	210	165		245	140		210
95	250	200		295	170		255
120	295	230		340	200		295
150	340	270		390	235		335
185	390	310		440	270		385
240	465	—		—	—		—

Допустимые длительные токи для четырехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ могут выбираться по данной таблице как для трехжильных кабелей, но с коэффициентом 0,92.

Сводная таблица сечений проводов, тока, мощности и характеристик нагрузки
Сечение медных жил проводов и кабелей, кв.мм	Допустимый длительный ток нагрузки для проводов и кабелей, А	Номинальный ток автомата защиты, А	Предельный ток автомата защиты, А	Максимальная мощность однофазной нагрузки при U=220 B	Характеристика примерной однофазной бытовой нагрузки
1,5	19	10	16	4,1	группа освещения и сигнализации
2,5	27	16	20	5,9	розеточные группы и электрические полы
4	38	25	32	8,3	водонагреватели и кондиционеры
6	46	32	40	10,1	электрические плиты и духовые шкафы
10	70	50	63	15,4	вводные питающие линии

В таблице приведены данные на основе ПУЭ, для выбора сечений кабельно-проводниковой продукции, а также номинальных и максимально возможных токов автоматов защиты, для однофазной бытовой нагрузки чаще всего применяемой в быту.

Наименьшие допустимые сечения кабелей и проводов электрических сетей в жилых зданиях
Наименование линий	Наименьшее сечение кабелей и проводов с медными жилами, кв.мм
Линии групповых сетей	1,5
Линии от этажных до квартирных щитков и к расчетному счетчику	2,5
Линии распределительной сети (стояки) для питания квартир	4

 

Надеемся данная информация была полезна для Вас. Мы же напоминаем что у нас Вы можете купить кабель МКЭКШВнг отличного качества по низкой цене. 

Выбор мощности, тока и сечения проводов и кабелей

Выбор мощности, тока и сечения проводов и кабелей Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формуле: I = Р/220. Зная суммарный ток всех потребителей и учитывая соотношения допустимой для провода токовой нагрузки ( открытой проводки) на сечение провода: для медного провода 10 ампер на миллиметр квадратный, для алюминиевого 8 ампер на миллиметр квадратный, можно определить, подойдет ли имеющийся у вас провод или же необходимо использовать другой. При выполнении скрытой силовой проводки (в трубке или же в стене) приведенные значения уменьшаются умножением на поправочный коэффициент 0,8. Следует отметить, что открытая силовая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм из расчета достаточной механической прочности. Приведенные выше соотношения легко запоминаются и обеспечивают достаточную точность для использования проводов. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться нижеприведенными таблицами. В следующей таблице сведены данные мощности, тока и сечения кабельно-проводниковых материалов, для расчетов и выбора зашитных средств, кабельно-проводниковых материалов и электрооборудования. Медные жилы, проводов и кабелей Алюминиевые жилы, проводов и кабелей Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами. Допустимый длительный ток для проводов с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами. Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной, найритовой или резиновой оболочке, бронированных и небронированных. * Токи относятся к проводам и кабелям с нулевой жилой и без нее. Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных. Примечание. Допустимые длительные токи для четырехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ могут выбираться по данной таблице как для трехжильных кабелей, но с коэффициентом 0,92. Сводная таблица сечений проводов, тока, мощности и характеристик нагрузки. В таблице приведены данные на основе ПУЭ, для выбора сечений кабельно-проводниковой продукции, а также номинальных и максимально возможных токов автоматов защиты, для однофазной бытовой нагрузки чаще всего применяемой в быту. Наименьшие допустимые сечения кабелей и проводов электрических сетей в жилых зданиях. Рекомендуемое сечение силового кабеля в зависимости от потребляемой мощности: Медь, U = 220 B, одна фаза, двухжильный кабель Р, кВт 1 2 3 3,5 4 6 8 I, A 4,5 9,1 13,6 15,9 18,2 27,3 36,4 Сечение токопроводящей жилы, мм2 1 1 1,5 2,5 2,5 4 6 Макс. допустимая длина кабеля при указанном сечении, м* 34,6 17,3 17,3 24,7 21,6 23 27 Медь, U = 380 B, три фазы, трехжильный кабель Р, кВт 6 12 15 18 21 24 27 35 I, A 9,1 18,2 22,8 27,3 31,9 36,5 41 53,2 Сечение токопроводящей жилы, мм2 1,5 2,5 4 4 6 6 10 10 Макс. допустимая длина кабеля при указанном сечении, м* 50,5 33,6 47,6 39,7 51 44,7 66,2 51 * величина сечения может корректироваться в зависимости от конкретных условий прокладки кабеля Мощность нагрузки в зависимости от номинального тока автоматического выключателя и сечения кабеля. Наименьшие сечения токопроводящих жил проводов и кабелей в электропроводках. Сечение жил, мм2 Проводники медных алюминиевых Шнуры для присоединения бытовых электроприемников 0,35 — Кабели для присоединения переносных и передвижных электроприемников в промышленных установках 0,75 — Скрученные двухжильные провода с многопроволочными жилами для стационарной прокладки на роликах 1 — Незащищенные изолированные провода для стационарной электропроводки внутри помещений: непосредственно по основаниям, на роликах, клицах и тросах 1 2,5 на лотках, в коробах (кроме глухих): для жил, присоединяемых к винтовым зажимам 1 2 для жил, присоединяемых пайкой: однопроволочных 0,5 — многопроволочных (гибких) 0,35 — на изоляторах 1,5 4 Незащищенные изолированные провода в наружных электропроводках: по стенам, конструкциям или опорам на изоляторах; 2,5 4 вводы от воздушной линии под навесами на роликах 1,5 2,5 Незащищенные и защищенные изолированные провода и кабели в трубах, металлических рукавах и глухих коробах 1 2 Кабели и защищенные изолированные провода для стационарной электропроводки (без труб, рукавов и глухих коробов): для жил, присоединяемых к винтовым зажимам 1 2 для жил, присоединяемых пайкой: однопроволочных 0,5 — многопроволочных (гибких) 0,35 — Защищенные и незащищенные провода и кабели, прокладываемые в замкнутых каналах или замоноличенно (в строительных конструкциях или под штукатуркой) 1 2

Продукция: Услуги: НОВИНКА ECOLED-100-105W- 13600-D120 CITY Светильник используют для освещения территорий предприятий, автостоянок, дворов, складских и производственных помещений. ПОДРОБНЕЕ

Зависимость сечения кабеля от силы тока

При проектировании схемы любой электрической установки и монтаже, выбор сечения проводов и кабелей является обязательным этапом. Чтобы правильно подобрать силовой провод нужного сечения, необходимо учитывать величину максимального потребления.

Сечения проводов измеряется в квадратных милиметрах или «квадратах». Каждый «квадрат» алюминиевого провода способен пропустить через себя в течение длительного времени нагреваясь до допустимых пределов максимум — только 4 ампера, а медный провода 10 ампер тока. Соответственно, если какой-то электропотребитель потребляет мощность равную 4 киловаттам (4000 Ватт), то при напряжении 220 вольт сила тока будет равна 4000/220=18,18 ампер и для его питания достаточно подвести к нему электричество медным проводом сечением 18,18/10=1,818 квадрата. Правда в этом случае провод будет работать на пределе своих возможностей, поэтому следует взять запас по сечению в размере не менее 15%. Получим 2,091 квадрата. И теперь подберем ближайший провод стандартного сечения. Т.е. к этому потребителю мы должны вести проводку медным проводом сечением 2 квадратных миллиметра именуемого нагрузкой тока. Значения токов легко определить, зная паспортную мощность потребителей по формуле: I = Р/220. Алюминиевый провод будет соответственно в 2,5 раза толще.

Из расчета достаточной механической прочности открытая силовая проводка обычно выполняется проводом с сечением не менее 4 кв. мм. Если требуется с большей точностью знать длительно допустимую токовую нагрузку для медных проводов и кабелей, то можно воспользоваться таблицами.

Медные жилы проводов и кабелей

Алюминиевые жилы проводов и кабелей

Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с медными жилами к примеру кабель МКЭШВнг

Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и поливинилхлоридной изоляцией с алюминиевыми жилами

Допустимый длительный ток для проводов с медными жилами с резиновой изоляцией в металлических защитных оболочках и кабелей с медными жилами с резиновой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной,
найритовой или резиновой оболочке, бронированных и небронированных

* Токи относятся к кабелям и проводам с нулевой жилой и без нее.

Допустимый длительный ток для кабелей с алюминиевыми жилами с резиновой или пластмассовой изоляцией в свинцовой, поливинилхлоридной и резиновой оболочках, бронированных и небронированных

Допустимые длительные токи для четырехжильных кабелей с пластмассовой изоляцией на напряжение до 1 кВ могут выбираться по данной таблице как для трехжильных кабелей, но с коэффициентом 0,92.

Сечение токопроводящей жилы, мм.	Напряжение, 220 В		Напряжение, 380 В
	ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
1,5	19	4,1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
4	38	8,3	30	19,8
6	46	10,1	40	26,4
10	70	15,4	50	33,0
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66,0	260	171,6
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Напряжение, 220 В		Напряжение, 380 В
	ток, А	мощность, кВт	ток, А	мощность, кВт
2,5	20	4,4	19	12,5
4	28	6,1	23	15,1
6	36	7,9	30	19,8
10	50	11,0	39	25,7
16	60	13,2	55	36,3
25	85	18,7	70	46,2
35	100	22,0	85	56,1
50	135	29,7	110	72,6
70	165	36,3	140	92,4
95	200	44,0	170	112,2
120	230	50,6	200	132,0
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Открыто	Ток, А, для проводов проложенных в одной трубе
		Двух одножильных	Трех одножильных	Четырех одножильных	Одного двухжильного	Одного трехжильного
0,5	11	—	—	—	—	—
0,75	15	—	—	—	—	—
1	17	16	15	14	15	14
1,2	20	18	16	15	16	14,5
1,5	23	19	17	16	18	15
2	26	24	22	20	23	19
2,5	30	27	25	25	25	21
3	34	32	28	26	28	24
4	41	38	35	30	32	27
5	46	42	39	34	37	31
6	50	46	42	40	40	34
8	62	54	51	46	48	43
10	80	70	60	50	55	50
16	100	85	80	75	80	70
25	140	115	100	90	100	85
35	170	135	125	115	125	100
50	215	185	170	150	160	135
70	270	225	210	185	195	175
95	330	275	255	225	245	215
120	385	315	290	260	295	250
150	440	360	330	—	—	—
185	510	—	—	—	—	—
240	605	—	—	—	—	—
300	695	—	—	—	—	—
400	830	—	—	—	—	—
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Открыто	Ток, А, для проводов проложенных в одной трубе
		Двух одножильных	Трех одножильных	Четырех одножильных	Одного двухжильного	Одного трехжильного
2	21	19	18	15	17	14
2,5	24	20	19	19	19	16
3	27	24	22	21	22	18
4	32	28	28	23	25	21
5	36	32	30	27	28	24
6	39	36	32	30	31	26
8	46	43	40	37	38	32
10	60	50	47	39	42	38
16	75	60	60	55	60	55
25	105	85	80	70	75	65
35	130	100	95	85	95	75
50	165	140	130	120	125	105
70	210	175	165	140	150	135
95	255	215	200	175	190	165
120	295	245	220	200	230	190
150	340	275	255	—	—	—
185	390	—	—	—	—	—
240	465	—	—	—	—	—
300	535	—	—	—	—	—
400	645	—	—	—	—	—
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Ток*, А, для проводов и кабелей
	одножильных		двухжильных			трехжильных
	при прокладке
	в воздухе	в воздухе		в земле	в воздухе		в земле
1,5	23	19		33	19		27
2,5	30	27		44	25		38
4	41	38		55	35		49
6	50	50		70	42		60
10	80	70		105	55		90
16	100	90		135	75		115
25	140	115		175	95		150
35	170	140		210	120		180
50	215	175		265	145		225
70	270	215		320	180		275
95	325	260		385	220		330
120	385	300		445	260		385
150	440	350		505	305		435
185	510	405		570	350		500
240	605	—		—	—		—
Сечение токопроводящей жилы, мм.	Ток, А, для проводов и кабелей
	одножильных		двухжильных			трехжильных
	при прокладке
	в воздухе	в воздухе		в земле	в воздухе		в земле
2,5	23	21		34	19		29
4	31	29		42	27		38
6	38	38		55	32		46
10	60	55		80	42		70
16	75	70		105	60		90
25	105	90		135	75		115
35	130	105		160	90		140
50	165	135		205	110		175
70	210	165		245	140		210
95	250	200		295	170		255
120	295	230		340	200		295
150	340	270		390	235		335
185	390	310		440	270		385
240	465	—		—	—		—

Сводная таблица сечений проводов, тока, мощности и характеристик нагрузки
Сечение медных жил проводов и кабелей, кв.мм	Допустимый длительный ток нагрузки для проводов и кабелей, А	Номинальный ток автомата защиты, А	Предельный ток автомата защиты, А	Максимальная мощность однофазной нагрузки при U=220 B	Характеристика примерной однофазной бытовой нагрузки
1,5	19	10	16	4,1	группа освещения и сигнализации
2,5	27	16	20	5,9	розеточные группы и электрические полы
4	38	25	32	8,3	водонагреватели и кондиционеры
6	46	32	40	10,1	электрические плиты и духовые шкафы
10	70	50	63	15,4	вводные питающие линии

В таблице приведены данные на основе ПУЭ, для выбора сечений кабельно-проводниковой продукции, а также номинальных и максимально возможных токов автоматов защиты, для однофазной бытовой нагрузки чаще всего применяемой в быту.

Наименьшие допустимые сечения кабелей и проводов электрических сетей в жилых зданиях
Наименование линий	Наименьшее сечение кабелей и проводов с медными жилами, кв.мм
Линии групповых сетей	1,5
Линии от этажных до квартирных щитков и к расчетному счетчику	2,5
Линии распределительной сети (стояки) для питания квартир	4

Надеемся данная информация была полезна для Вас. Мы же напоминаем что у нас Вы можете купить кабель МКЭКШВнг отличного качества по низкой цене.

Большое значение в электротехнике имеет такая величина, как поперечное сечение провода и нагрузка. Без этого параметра невозможно проведение каких-либо расчетов, особенно, связанных с прокладкой кабельных линий. Ускорить необходимые вычисления помогает таблица зависимости мощности от сечения провода, применяемая при проектировании электротехнического оборудования. Правильные расчеты обеспечивают нормальную работу приборов и установок, способствуют надежной и долговременной эксплуатации проводов и кабелей.

Правила расчетов площади сечения

На практике расчеты сечения любого провода не представляют какой-либо сложности. Достаточно всего лишь вычислить сечение кабеля по диаметру с помощью штангенциркуля, а затем полученное значение использовать в формуле: S = π (D/2)2, в которой S является площадью сечения, число π составляет 3,14, а D представляет собой измеренный диаметр жилы.

В настоящее время используются преимущественно медные провода. По сравнению с алюминиевыми, они более удобны в монтаже, долговечны, имеют значительно меньшую толщину, при одинаковой силе тока. Однако, при увеличении площади сечения стоимость медных проводов начинает возрастать, и все преимущества постепенно теряются. Поэтому при значении силы тока более 50-ти ампер практикуется применение кабелей с алюминиевыми жилами. Для измерения сечения проводов используются квадратные миллиметры. Наиболее распространенными показателями, применяемыми на практике, являются площади 0,75; 1,5; 2,5; 4,0 мм2.

Таблица сечения кабеля по диаметру жилы

Основным принципом расчетов служит достаточность площади сечения, для нормального протекания через него электрического тока. То есть, допустимый ток не должен нагревать проводник до температуры свыше 60 градусов. Падение напряжения не должно превышать допустимого значения. Этот принцип особенно актуален для ЛЭП большой протяженности и высокой силы тока. Обеспечение механической прочности и надежности провода осуществляется за счет оптимальной толщины провода и защитной изоляции.

Сечение провода по току и мощности

Прежде чем рассматривать соотношение сечения и мощности, следует остановиться на показателе, известном, как максимальная рабочая температура. Данный параметр обязательно учитывается при выборе толщины кабеля. Если этот показатель превышает свое допустимое значение, то из-за сильного нагрева металл жилы и изоляция расплавятся и разрушатся. Таким образом, происходит ограничение рабочего тока для конкретного провода его максимальной рабочей температурой. Важным фактором является время, в течение которого кабель сможет функционировать в подобных условиях.

Основное влияние на устойчивую и долговечную работу провода оказывает потребляемая мощность и сила тока. Для быстроты и удобства расчетов были разработаны специальные таблицы, позволяющие подобрать необходимое сечение в соответствии с предполагаемыми условиями эксплуатации. Например, при мощности 5 кВт и силе тока в 27,3 А, площадь сечения проводника составит 4.0 мм2. Точно так же подбирается сечение кабелей и проводов при наличии других показателей.

Необходимо учитывать и влияние окружающей среды. При температуре воздуха, на 20 градусов превышающей нормативную, рекомендуется выбор большего сечения, следующего по порядку. То же самое касается наличия нескольких кабелей, содержащихся в одном жгуте или значения рабочего тока, приближающегося к максимальному. В конечном итоге, таблица зависимости мощности от сечения провода позволит выбрать подходящие параметры на случай возможного увеличения нагрузки в перспективе, а также при наличии больших пусковых токов и существенных перепадов температур.

Формулы для расчета сечения кабеля

В теории и практике, выбору площади поперечного сечения провода по току (толщине) уделяется особое внимание. В данной статье, анализируя справочные данные, познакомимся с понятием «площадь сечения».

Расчет сечения проводов.

В науке не используется понятие «толщина» провода. В литературных источниках используется терминология – диаметр и площадь сечения. Применимо к практике, толщина провода характеризуется площадью сечения.

Довольно легко рассчитывается на практике сечение провода. Площадь сечения вычисляется с помощью формулы, предварительно измерив его диаметр (можно измерить с помощью штангенциркуля):

S = π (D/2)2 ,

• S – площадь сечения провода, мм
• D- диаметр токопроводящей жилы провода. Измерить его можно с помощью штангенциркуля.

Более удобный вид формулы площади сечения провода:

Небольшая поправка — является округленным коэффициентом. Точная расчетная формула:

В электропроводке и электромонтаже в 90 % случаях применяется медный провод. Медный провод по сравнению с алюминиевым проводом, имеет ряд преимуществ. Он более удобен в монтаже, при такой же силе токе имеет меньшую толщину, более долговечен. Но чем больше диаметр (площадь сечения), тем выше цена медного провода. Поэтому, несмотря на все преимущества, если сила тока превышает значение 50 Ампер, чаще всего используют алюминиевый провод. В конкретном случае используется провод, имеющий алюминиевую жилу 10 мм и более.

В квадратных миллиметрах измеряют площадь сечения проводов. Наиболее чаще всего на практике (в бытовой электрике), встречаются такие площади сечения: 0,75; 1,5; 2,5; 4 мм .

Существует иная система измерения площади сечения (толщины провода) — система AWG, которая используется, в основном в США. Ниже приведена таблица сечений проводов по системе AWG, а так же перевод из AWG в мм .

Рекомендовано прочитать статью про выбор сечения провода для постоянного тока. В статье приведены теоретические данные и рассуждения о падении напряжения, о сопротивлении проводов для разных сечений. Теоретические данные сориентируют, какое сечение провода по току наиболее оптимально, для разных допустимых падений напряжения. Также на реальном примере объекта, в статье о падении напряжения на трехфазных кабельных линиях большой длины, приведены формулы, а также рекомендации о том, как уменьшить потери. Потери на проводе прямо пропорциональны току и длине провода. И являются обратно пропорциональными сопротивлению.

Выделяют, три основные принципа, при выборе сечения провода.

1. Для прохождения электрического тока, площадь сечения провода (толщина провода), должна быть достаточной. Понятие достаточно означает, что когда проходит максимально возможный, в данном случае, электрический ток, нагрев провода будет допустимый (не более 600С).

2. Достаточное сечение провода, что бы падение напряжения не превышало допустимого значения. В основном это относится к длинным кабельным линиям (десятки, сотни метров) и токам большой величины.

3. Поперечное сечение провода, а также его защитная изоляция, должна обеспечивать механическую прочность и надежность.

Для питания, например люстры, используют в основном лампочки с суммарной потребляемой мощностью 100 Вт (ток чуть более 0,5 А).

Выбирая толщину провода, необходимо ориентироваться на максимальную рабочую температуру. Если температура будет превышена, провод и изоляция на нем будут плавиться и соответственно это приведет к разрушению самого провода. Максимальный рабочий ток для провода с определенным сечением ограничивается только максимально его рабочей температурой. И временем, которое сможет проработать провод в таких условиях.

Далее приведена таблица сечения проводов, при помощи которой в зависимости от силы тока, можно подобрать площадь сечения медных проводов. Исходные данные – площадь сечения проводника.

Максимальный ток для разной толщины медных проводов. Таблица 1.

Сечение токопроводящей жилы, мм 2

Ток, А, для проводов, проложенных

Максимально допустимая сила тока в медном кабеле, таблица мощности и сечений

Медные проводники получили преимущественное распространение в электрических сетях, электро,- и радиотехнике. Это обусловлено наилучшим соотношением характеристик данного металла:

• Низкое удельное сопротивление;
• Низкая стоимость;
• Высокая механическая прочность;
• Пластичность и гибкость;
• Высокая коррозионная стойкость.

Медный кабель

В некоторых случаях в качестве металла для проводников и кабелей используется алюминий, но, по большей части, это вызвано лишь стремлением снизить стоимость и массу, поскольку алюминий имеет меньший удельный вес и стоимость, но несравнимо худшие механические и химические свойства. Алюминиевые провода плохо поддаются пайке, поэтому при производстве продукции радио,- и электротехнического назначения, силовых кабелей преимущество имеет медь. Еще одно преимущество меди состоит в том, что она имеет большие допустимые токовые нагрузки из-за низкого удельного сопротивления и большей температуры плавления.

Определение допустимого тока

Имеется несколько критериев выбора максимального тока через проводники:

• Тепловой нагрев;
• Падение напряжения.

Данные параметры являются взаимосвязанными, и увеличение сечения проводников с целью уменьшения падения напряжения снижает и нагрев. В любой ситуации длительно допустимый ток подразумевает отсутствие критического нагрева, который может привести к деградации изоляции, изменению параметров как самого провода, так и близко расположенных элементов.

Тепловой нагрев

Величина тока связана с нагревом в соответствии с законом Джоуля-Ленца, названного так по именам первооткрывателей зависимости:

Q=I2·R·t, где:

• Q – количество теплоты, которое выделяется на проводнике;
• R – сопротивление проводника;
• I – ток, протекающий через проводник;
• t – промежуток времени, в течение которого производится подсчет тепловыделения.

Из формулы следует, что чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделится на нем. На этом принципе построены нагревательные приборы с высокоомным нагревательным элементом. Нагреватель выполнен из провода, который, кроме высокого удельного сопротивления, имеет высокую температурную устойчивость (как правило, нихром). Температура меди намного ниже, поэтому существуют определенные условия, при которых нагрев медного проводника не будет выходить за допустимые пределы.

Падение напряжения

Для того чтобы представить влияние тока на падение напряжения, необходимо вспомнить закон Ома:

I=U/(R+r).

Согласно закону Ома, при протекании тока через проводник с сопротивлением R на нем образуется падение напряжения:

U=I·(R+r).

Таким образом, при постоянном сопротивлении нагрузки R, чем больше ток в питающей сети, тем больше будет падение напряжения на сопротивлении r, питающих проводов (U=I·r).

Именно напряжение потерь вызывает ненужный нагрев проводов, но главная проблема в том, что напряжение нагрузки становится меньше на эту величину. Пояснить это можно на простом примере. Пускай в домашней электропроводке имеется участок длиной 100 м, выполненный медным проводом сечением 2.5 мм2. Сопротивление такого участка составит около 0.7 Ом. При токе нагрузки 10А, а это потребляемая мощность чуть больше 2 кВт, падение напряжения на проводе составит 7 В. При однофазном питании используется два провода, поэтому суммарное падение составит 14 В. Это довольно значительная величина, поскольку напряжение на потребителях будет составлять уже не 220, а 206В.

К определению падения напряжения в кабеле

На самом деле этот пример не совсем точен, поскольку уменьшение напряжения на активной нагрузке приведет к снижению мощности, следовательно, к снижению потребляемого тока. Но целью данной статьи не является замена учебника электротехники, поэтому данное объяснение вполне правдоподобно. Таблица, приведенная ниже, показывает соотношение падения напряжения при различных значениях тока на 1 м провода для наиболее распространенных сечений.

Зависимость падения напряжения от сечения и величины протекающего тока

Сечение, мм2 Ток, А	0,75	1	1,5	2	2,5	4	6
1	0,023	0,018	0,012	0,009	0,007	0,004	0,003
2	0,047	0,035	0,023	0,018	0,014	0,009	0,006
5	0,117	0,088	0,059	0,045	0,035	0,022	0,015
10	0,233	0,175	0,117	0,090	0,070	0,044	0,029
15	0,350	0,263	0,175	0,135	0,105	0,066	0,044
20	0,466	0,350	0,233	0,180	0,140	0,088	0,058

При расчетах однофазной электропроводки по допустимому падению напряжения при предполагаемом токе нагрузки данные таблицы следует удваивать (используется два проводника: ноль и фаза). Не всегда в таблице будет присутствовать нужное сечение проводника, поэтому следует выбирать ближайшее большее значение. Это хорошо еще и тем, что учитывается возможное повышение мощности потребителей. Сильно большое сечение, взятое с запасом, приведет к неоправданному удорожанию материалов.

Допустимая плотность тока

Для упрощения расчетов и подбора требуемого провода принята такая величина, как плотность тока для меди и иных материалов. Плотность тока выражается в амперах на один квадратный миллиметр сечения.

Важно! Допустимая плотность тока определяется для площади сечения, а не диаметра провода. При маркировке монтажного провода обычно используется сечение, а обмоточного – диаметр. Для перевода диаметра провода в сечение нужно воспользоваться формулой S=π·d2/4 или определить его по таблице, взяв равное или ближайшее меньшее значение имеющегося диаметра.

Сечение популярного обмоточного провода ПЭВ-2

Сечение провода ПЭВ-2

Выбирая сечение провода, нужно знать, что допустимый ток для медных проводов во многом зависит от условий охлаждения. Наличие свободного доступа воздуха улучшает охлаждение нагретых проводов, поэтому в самых неблагоприятных условиях находятся внутренние обмотки трансформаторов напряжения, электропроводка, смонтированная в штробах стен. Большое влияние на теплоотдачу имеет материал и толщина внешней изоляции силовых кабелей.

Расчетным путем установлены и подтверждены на практике допустимые значения плотности тока для медного провода, применяемого в обмотках электрических машин и электрической проводки, которые сведены в таблицу ниже.

Допустимые значения плотности тока на 1 мм² в медном проводе

Трансформаторы и электрические машины		Электропроводка
Внутренние обмотки	Наружные обмотки	Скрытая	Наружная
2-3 А	3-5 А	4 А	5 А

Обратите внимание! Таблица дает только ориентировочные данные для предварительных расчетов. Более точные показатели допустимых значений для кабелей разных типов и условий эксплуатации приведены в нормативной документации, в частности в ПУЭ.

Нормативные значения сечения кабеля

Пути повышения допустимого тока

Для снижения стоимости конструкций, в которых используются медные провода и кабели или шнуры, уменьшения массы, существует несколько путей повышения допустимых значений тока:

• Улучшение охлаждения за счет обдува или конвективных потоков;
• Отвод тепла при помощи теплоотводов или радиаторов;
• Ограничение максимальных токовых нагрузок по времени.

Грамотно выполненная конфигурация обмоток и расположение трансформатора способны эффективно отводить тепло, которое выделяется при прохождении тока. Для мощных силовых трансформаторов, а это сварочные аппараты, трансформаторы подстанций, выполняется специальная обмотка с воздушными промежутками. Попадая в промежуток между отдельными частями обмоток, воздух отбирает часть тепла и выносит его наружу.

Те же цели преследует обдув нагревающихся частей машин при помощи вентиляторов. К такому решению часто обращаются производители микроволновых печей, устанавливая кулер на мощный высоковольтный трансформатор.

Обмотка с зазорами

Мощные трансформаторы силовых подстанций охлаждают обмотки при помощи трансформаторного масла, в которое погружен весь трансформатор. Обмотки выполняются с промежутками, в которых циркулирует масло.

Масло охлаждается при помощи трубчатого радиатора, который находится на боковых сторонах корпуса трансформатора. Вся конструкция выполнена полностью герметичной, поэтому для компенсации температурного расширения масла имеется расширительный бак.

Масляный трансформатор

Кратковременные токовые нагрузки не успевают в достаточной мере прогреть всю обмотку, поэтому для кратковременно работающего оборудования можно принимать плотность тока по сечению провода вплоть до 7-10А на мм2.

Оборудование, которое эксплуатируется на максимально допустимых плотностях тока, должно чередовать работу под нагрузкой с перерывом на охлаждение.

Важно! Теплопроводность меди и теплоемкость железного сердечника машин переменного тока высоки. Проходящие токи нагрузки прогревают весь объем обмоток одновременно, а охлаждение происходит только с поверхности, поэтому периоды отдыха должны превышать время работы под нагрузкой в несколько раз для достаточного охлаждения не только наружных, но и внутренних частей оборудования.

Последствия превышения тока

Чрезмерно высокий ток в медных проводах способен разогреть материал вплоть до температуры плавления. Разумеется, что подобная ситуация приведет к аварии или неработоспособности оборудования, но в некоторых случаях это является полезным.

Речь идет о плавких предохранителях. Основу их устройства составляет тонкая металлическая проволока, заключенная в огнеупорный изоляционный корпус. Толщина проволоки подобрана таким образом, чтобы ток определенной величины вызывал нагрев и перегорание проводника предохранителя. Наиболее часто используются плавкие вставки из цинка или меди.

Трубчатый предохранитель

Самое главное требование к плавкой вставке – строгое соответствие состава металла и его равномерный диаметр проводника по всей длине. Состав важен для стабильности температуры плавления. Наличие неравномерности по длине провода может вызвать локальный перегрев в месте сужения и перегорание предохранителя при токе, меньше номинального. Исходя из этих условий, провод для предохранителей выпускается с повышенным контролем и называется калиброванным.

Выполнение изложенных требований по допустимому току в проводниках позволяет продлить срок нормальной эксплуатации конструкций и электрооборудования, свести к минимуму риск возникновения поломок и аварий.

Видео

Оцените статью:

Таблица зависимости сечения кабеля от тока (мощности).

При прокладке электропроводки в частном доме или квартире важно правильно подобрать сечение используемых проводов (кабелей). Если взять слишком толстый кабель (большого сечения) — это «влетит вам в копеечку», так как его цена сильно зависит от диаметра токопроводящих жил. Применение же тонкого кабеля, приводит к его перегрузке и, при несрабатывании защиты, перегреву, оплавлению изоляции, короткому замыканию и пожару. Правильным будет выбор сечения провода в зависимости от тока, что отражено в приведенных ниже таблицах.

 

Сечение кабеля

Сечение кабеля — это площадь среза токоведущей жилы. Если срез жилы круглый (как в большинстве случаев) и состоит из одной проволочки — то площадь/сечение определяется по формуле площади круга. Если в жиле много проволочек, то сечением будет сумма сечений всех проволочек в данной жиле.

 

Величины сечения во всех странах стандартизированы, причем стандарты бывшего СНГ и Европы в этой части полностью совпадают. В нашей стране документом, которым регулируется этот вопрос, являются «Правила устройства электроустановок» или кратко — ПУЭ.

 

Сечение кабеля выбирается исходя из нагрузок с помощью специальных таблиц, называемых «Допустимые токовые нагрузки на кабель.» Если нет никакого желания разбираться в этих таблицах — то Вам вполне достаточно знать, что на розетки желательно брать медный кабель сечением 1,5-2,5 мм², а на освещение — 1,0-1,5 мм².

 

Для ввода одной фазы в рядовую 2-3 комнатную квартиру вполне хватит 6,0 мм². Все равно на Ваших 40-80 м² большего оборудования не поместиться, даже с учетом электроплиты.

Многие электрики для «прикидки» нужного сечения считают, что 1 мм² медного провода может пропустить через себя 10А электрического тока: соответственно 2,5 мм² меди способны пропустить 25А, а 4,0 мм² — 40А и т.д. Если Вы немного проанализируете таблицу выбора сечения кабеля, то увидите, что такой метод годится только для прикидки и только для кабелей сечением не выше 6,0 мм².

Ниже дана сокращенная таблица выбора сечения кабеля до 35 мм² в зависимости от токовых нагрузок. Там же для Вашего удобства приведена суммарная мощность электрооборудования при 1-фазном (220В) и 3-фазном (380В) потреблении.

 

При прокладке кабеля в трубе (т.е. в любых закрытых пространствах) возможные токовые нагрузки на кабель должны быть меньше, чем при прокладке открыто. Это связано с тем, что кабель в процессе эксплуатации нагревается, а теплоотдача в стене или в земле значительно ниже, чем на открытом пространстве.

 

Когда нагрузка называется в кВт — то речь идет о совокупной нагрузке. Т.е. для однофазного потребителя нагрузка будет указана по одной фазе, а для трехфазного — совокупно по всем трем. Когда величина нагрузки названа в амперах (А) — речь всегда идет о нагрузке на одну жилу (или фазу).

Таблица нагрузок по сечению кабеля:

 

Сеч. каб. мм²	Открытая проводка						Скрытая проводка
	медь			алюминий			медь			алюминий
	ток, А	мощность, кВт		ток, А	мощность, кВт		ток, А	мощность, кВт		ток, А	мощность, кВт
		220В	380В		220В	380В		220В	380В		220В	380В
0.5	11	2.4
0.75	15	3.3
1	17	3.7	6.4				14	3	5.3
1.5	23	5	8.7				15	3.3	5.7
2.5	30	6.6	11	24	5.2	9.1	21	4.6	7.9	16	3.5	6
4	41	9	15	32	7	12	27	5.9	10	21	4.6	7.9
6	50	11	19	39	8.5	14	34	7.4	12	26	5.7	9.8
10	80	17	30	60	13	22	50	11	19	38	8.3	14
16	100	22	38	75	16	28	80	17	30	55	12	20
25	140	30	53	105	23	39	100	22	38	65	14	24
35	170	37	64	130	28	49	135	29	51	75	16	28

 

Для самостоятельного расчета необходимого сечение кабеля, например, для ввода в дом, можно воспользоваться кабельным калькулятором или выбрать необходимое сечение по таблице.

Настоящая таблица касается кабелей и проводов в резиновой и пластмассовой изоляции. Это такие широко распространенные марки как: ПВС, ВВП, ВПП, ППВ, АППВ, ВВГ. АВВГ и ряд других. На кабели в бумажной изоляции есть своя таблица, на не изолированные провода и шины — своя.

При расчетах сечения кабеля специалист должен также учитывать методы прокладки кабеля: в лотках, пучками и т.п.
Кроме того, величины из таблиц о допустимых токовых нагрузках должны быть откорректированы следующими снижающими коэффициентами:

• поправочный коэффициент, соответствующий сечению кабеля и расположению его в блоке;
• поправочный коэффициент на температуру окружающей среды;
• поправочный коэффициент для кабелей, прокладываемых в земле;
• поправочный коэффициент на различное число работающих кабелей, проложенных рядом.

 

Расчет сечения кабеля

Начнем не с таблицы, а с расчета. То есть, каждый человек, не имея под рукой интернет, где в свободном доступе ПУЭ с таблицами имеется, может самостоятельно определить сечение кабеля по току. Для этого потребуется штангенциркуль и формула.

 

Если рассмотреть сечение кабеля, то это круг с определенным диаметром.
Существует формула площади круга: S= 3,14*D²/4, где 3,14 – это Архимедово число, «D» — диаметр измеренной жилы. Формулу можно упростить: S=0,785*D².

 

Если провод состоит из нескольких жил, то замеряется диаметр каждой, вычисляется площадь, затем все показатели суммируются. А как вычислить сечение кабеля, если каждая его жила состоит из нескольких тоненьких проводков?

Процесс немного усложняется, но не сильно. Для этого придется подсчитать количество проводков в одной жиле, измерить диаметр одного проводка, вычислить его площадь по описанной формуле и умножить данный показатель на количество проводков. Это и будет сечение одной жилы. Теперь необходимо это значение умножить на количество жил.

Если нет желания считать проводки и измерять их размеры, надо просто замерить диаметр одной жилы, состоящий из нескольких проводов. Снимать размеры надо аккуратно, чтобы не смять жилу. Обратите внимание, что этот диаметр не является точным, потому что между проводками остается пространство.

 

Соотношение тока и сечения

Чтобы понять, как работает электрический кабель, необходимо вспомнить обычную водопроводную трубу. Чем больше ее диаметр, тем больше воды через нее будет проходить. То же самое и с проводами.

Чем больше их площадь, тем большей силы ток, через них пройдет, тем большую нагрузку такой провод выдерживает. При этом кабель не будет перегреваться, что является самым важным требованием правил пожарной безопасности.

Поэтому связка сечение – ток является основным критерием, который используется в подборе электрических проводов в разводке. Поэтому вам необходимо сначала разобраться, сколько бытовых приборов и какой общей мощности будет подключены к каждому шлейфу.

 

 

Сечение жилы провода, мм2	Медные жилы		Алюминиевые жилы
	Ток, А	Мощность, Вт	Ток, А	Мощность, Вт
0.5	6	1300
0.75	10	2200
1	14	3100
1.5	15	3300	10	2200
2	19	4200	14	3100
2.5	21	4600	16	3500
4	27	5900	21	4600
6	34	7500	26	5700
10	50	11000	38	8400
16	80	17600	55	12100
25	100	22000	65	14300

 

К примеру, на кухне обязательно устанавливается холодильник, микроволновка, кофемолка и кофеварка, электрочайник иногда посудомоечная машина. То есть, все эти прибору могут в один момент быть включены одновременно. Поэтому в расчетах и используется суммарная мощность помещения.

Узнать потребляемую мощность каждого прибора можно из паспорта изделия или на бирке.

Для примера обозначим некоторые из них:

1. Чайник – 1-2 кВт.
2. Микроволновка и мясорубка 1,5-2,2 кВт.
3. Кофемолка и кофеварка – 0,5-1,5 кВт.
4. Холодильник 0,8 кВт.

 

Узнав мощность, которая будет действовать на проводку, можно подобрать ее сечение из таблицы. Не будем рассматривать все показатели данной таблицы, покажем те, которые преобладают в быту.

 

Чем отличается кабель от провода

Прежде чем перейти к основному содержимому, нам необходимо понять, что же мы все-таки хотим рассчитать, сечение провода или кабеля, в чем различия одного от другого!? Несмотря на то, что обыватель применяет эти два слова как синонимы, подразумевая под этим что-то свое, но если быть дотошными, то разница все же имеется.

Так провод это одна токопроводящая жила, будь то моножила или набор проводников, изолированная в диэлектрик, в оболочку. А вот кабель, это уже несколько таких проводов, объединенных в единое целое, в своей защитной и изоляционной оболочке. Для того, чтобы вам было лучше понятно, что к чему, взгляните на картинку.

 

 

Так вот, теперь мы в курсе, что рассчитывать нам необходимо именно сечение провода, то есть одного токопроводящего элемента, а второй будет уже уходить от нагрузки, обратно к питанию.

Однако мы порой и сами забываемся не лучше Вашего, так что если вы нас подловите на том, что где-то все же встретится слово кабель, то не сочтите уж за невежество, стереотипы делают свое дело.

 

Выбор кабеля

Делать внутреннюю разводку лучше всего из медных проводов. Хотя алюминиевые им не уступят. Но тут есть один нюанс, который связан с правильно проведенном соединении участков в распределительной коробке. Как показывает практика, места соединений часто выходят из строя из-за окисления алюминиевого провода.

Еще один вопрос, какой провод выбрать: одножильный или многожильный? Одножильный имеет лучшую проводимость тока, поэтому именно его рекомендуют к применению в бытовой электрической разводке. Многожильный имеет высокую гибкость, что позволяет его сгибать в одном месте по несколько раз без ущерба качеству.

 

Одножильный или многожильный

При монтаже электропроводки обычно применяют провода и кабели марки ПВС, ВВГнг, ППВ, АППВ. В этом списке встречаются как гибкие кабели, так и с моножилой.

Здесь мы хотели бы сказать вам одно правило. Если ваша проводка стационарная, то есть это не удлинитель, не место сгиба, которое постоянно меняет свое положение, то используют моножилу.

Вы спросите почему? Все просто! Не смотря на то, насколько хорошо не были бы уложены в защитную изоляционною оплетку проводники, под нее все же попадет воздух, в котором содержится кислород. Происходит окисление поверхности меди.

В итоге, если проводников много, то площадь окисления намного больше, а значит токопроводящее сечение «тает» на много больше. Да, это процесс длительный, но и мы не думаем, что вы собрались менять проводку часто. Чем больше она проработает, тем лучше.

Особенно это эффект окисления будет сильно проявляться у краев реза кабеля, в помещениях с перепадом температуры и при повышенной влажности. Так что мы вам настоятельно рекомендуем использовать моножилу! Сечение моножилы кабеля или провода изменится со временем незначительно, а это так важно, при наших дальнейших расчетах.

 

 

Медь или алюминий

В СССР большинство жилых домов оснащались алюминиевой проводкой, это было своеобразной нормой, стандартом и даже догмой. Нет, это совсем не значит, что страна была бедная, и не хватало на меди. Даже в некоторых случая наоборот.

Но видимо проектировщики электрических сетей решили, что экономически можно много сэкономить, если применять алюминий, а не медь. Действительно, темпы строительства были огромнейшие, достаточно вспомнить хрущевки, в которых все еще живет половина страны, а значит эффект от такой экономии был значительным. В этом можно не сомневаться.

 

Тем не менее, сегодня другие реалии, и алюминиевую проводку в новых жилых помещениях не применяют, только медную. Это исходит из норм ПУЭ пункт 7.1.34 «В зданиях следует применять кабели и провода с медными жилами…».

 

Так вот, мы вам настоятельно не рекомендуем экспериментировать и пробовать алюминий. Минусы его очевидны. Алюминиевые скрутки невозможно пропаять, так же очень трудно сварить, в итоге контакты в распределительных коробках могут со временем нарушиться. Алюминий очень хрупкий, два-три изгиба и провод отпал.

Будут постоянные проблемы с подключением его к розеткам, выключателем. Опять же если говорить о проводимой мощности, то медный провод с тем же сечением для алюминия 2,5 мм.кв. допускает длительный ток в 19А, а для меди в 25А. Здесь разница больше чем 1 КВт.

Так что еще раз повторимся — только медь! Далее мы и будем уже исходить из того, что сечение рассчитываем для медного провода, но в таблицах приведем значения и для алюминия. Мало ли что.

 

Зачем производится расчет

Провода и кабели, по которым протекает электрический ток, являются важнейшей частью электропроводки.

 

Расчет сечения провода необходимо производить затем, чтобы убедится, что выбранный провод соответствует всем требованиям надежности и безопасной эксплуатации электропроводки.

 

Безопасная эксплуатация заключается в том, что если вы выберете сечение, не соответствующее его токовым нагрузкам, то это приведет к чрезмерному перегреву провода, плавлению изоляции, короткому замыканию и пожару.

Поэтому к вопросу о выборе сечения провода необходимо отнестись очень серьезно.

 

Что нужно знать

Основным показателем, по которому рассчитывают провод, является его длительно допустимая токовая нагрузка. Проще говоря, это такая величина тока, которую он способен пропускать на протяжении длительного времени.

Чтобы найти величину номинального тока, необходимо подсчитать мощность всех подключаемых электроприборов в доме. Рассмотрим пример расчета сечения провода для обычной двухкомнатной квартиры.

Электроприбор	Потребляемая мощность, Вт	Сила тока, А
Стиральная машина	2000 – 2500	9,0 – 11,4
Джакузи	2000 – 2500	9,0 – 11,4
Электроподогрев пола	800 – 1400	3,6 – 6,4
Стационарная электрическая плита	4500 – 8500	20,5 – 38,6
СВЧ печь	900 – 1300	4,1 – 5,9
Посудомоечная машина	2000 – 2500	9,0 – 11,4
Морозильники, холодильники	140 – 300	0,6 – 1,4
Мясорубка с электроприводом	1100 – 1200	5,0 – 5,5
Электрочайник	1850 – 2000	8,4 – 9,0
Электрическая кофеварка	630 – 1200	3,0 – 5,5
Соковыжималка	240 – 360	1,1 – 1,6
Тостер	640 – 1100	2,9 – 5,0
Миксер	250 – 400	1,1 – 1,8
Фен	400 – 1600	1,8 – 7,3
Утюг	900 –1700	4,1 – 7,7
Пылесос	680 – 1400	3,1 – 6,4
Вентилятор	250 – 400	1,0 – 1,8
Телевизор	125 – 180	0,6 – 0,8
Радиоаппаратура	70 – 100	0,3 – 0,5
Приборы освещения	20 – 100	0,1 – 0,4

 

После того как мощность будет известна расчет сечения провода или кабеля сводится к определению силы тока на основании этой мощности. Найти силу тока можно по формуле:

1) Формула расчета силы тока для однофазной сети 220 В:

расчет силы тока для однофазной сети

где Р — суммарная мощность всех электроприборов, Вт;
U — напряжение сети, В;
КИ= 0.75 — коэффициент одновременности;
cos для бытовых электроприборов- для бытовых электроприборов.
2) Формула для расчета силы тока в трехфазной сети 380 В:

расчет силы тока для трехфазной сети

Зная величину тока, сечение провода находят по таблице. Если окажется что расчетное и табличное значения токов не совпадают, то в этом случае выбирают ближайшее большее значение. Например, расчетное значение тока составляет 23 А, выбираем по таблице ближайшее большее 27 А — с сечением 2.5 мм2.

 

Какой провод лучше использовать

На сегодняшний день для монтажа, как открытой электропроводки, так и скрытой, конечно же большой популярностью пользуются медные провода.

Медь, по сравнению с алюминием, более эффективна:

• она прочнее, более мягкая и в местах перегиба не ломается по сравнению с алюминием;
• меньше подвержена коррозии и окислению. Соединяя алюминий в распределительной коробке, места скрутки со временем окисляются, это приводит к потере контакта;
• проводимость меди выше чем алюминия, при одинаковом сечении медный провод способен выдержать большую токовую нагрузку чем алюминиевый.

Недостатком медных проводов является их высокая стоимость. Стоимость их в 3-4 раза выше алюминиевых. Хотя медные провода по стоимости дороже все же они являются более распространенными и популярными в использовании чем алюминиевые.

 

Расчет сечения медных проводов и кабелей

Подсчитав нагрузку и определившись с материалом (медь), рассмотрим пример расчета сечения проводов для отдельных групп потребителей, на примере двухкомнатной квартиры.

 

Как известно, вся нагрузка делится на две группы: силовую и осветительную.

 

В нашем случае основной силовой нагрузкой будет розеточная группа, установленная на кухне и в ванной. Так как там устанавливается наиболее мощная техника (электрочайник, микроволновка, холодильник, бойлер, стиральная машина и т.п.).

Для этой розеточной группы выбираем провод сечением 2.5 мм2. При условии, что силовая нагрузка будет разбросана по разным розеткам. Что это значит? Например, на кухне для подключения всей бытовой техники нужно 3-4 розетки подключенных медным проводом сечением 2.5 мм2 каждая.

Если вся техника подключается через одну единственную розетку, то сечения в 2.5 мм2 будет недостаточно, в этом случае нужно использовать провод сечением 4-6 мм2. В жилых комнатах для питания розеток можно использовать провод сечением 1.5 мм2, но окончательный выбор нужно принимать после соответствующих расчетов.

 

Питание всей осветительной нагрузки выполняется проводом сечением 1.5 мм2.

 

Необходимо понимать, что мощность на разных участках электропроводки будет разной, соответственно и сечение питающих проводов тоже разным. Наибольшее его значение будет на вводном участке квартиры, так как через него проходит вся нагрузка. Сечение вводного питающего провода выбирают 4 – 6 мм2.

При монтаже электропроводки применяют провода и кабели марки ПВС, ВВГнг, ППВ, АППВ.

 

Сечение кабеля по мощности (таблица)

Вот мы добрались и до сути нашей статьи. Однако всё, что было выше, упускать нельзя, а значит и мы умолчать не могли.

Если попытаться изложить мысль логично и по-простому, то через каждое условное сечение проводника может пройти ток определенной силы. Заключение это вполне логичное и теперь лишь осталось узнать эти соотношения и соотнести для разных диаметров провода, исходя из его типоряда.

Также нельзя умолчать, что здесь, при расчете сечения по току, в «игру вступает» и температура. Да, это новая составляющая – температура. Именно она способна повлиять на сечение. Как и почему, давайте разбираться.

Все мы знаем о броуновском движении. О постоянном смещении ионов в кристаллической решетке. Все это происходит во всех материалах, в том числе и в проводниках. Чем выше температура, тем больше будут эти колебания ионов внутри материала. А мы знаем, что ток — это направленное движение частиц.

Так вот, направленное движение частиц будет сталкиваться в кристаллической решетке с ионами, что приведет к повышению сопротивления для тока.

 

Чем выше температура, тем выше электрическое сопротивление проводника. Поэтому по умолчанию, сечение провода для определенного тока принимается при комнатной температуре, то есть при 18 градусах Цельсия. Именно при этой температуре приведены все справочные значения в таблицах, в том числе и наших.

 

Несмотря на то, что алюминиевые провода мы не рассматриваем в качестве проводов для электропроводки, по крайней мере, в квартире, тем не менее, они много где применяются. Скажем для проводки на улице. Именно поэтому мы также приведем значения зависимостей сечения и тока и для алюминиевых проводов.

Итак, для меди и алюминия будут следующие показатели зависимости сечения провода (кабеля) от тока (мощности). Смотрите таблицу.

Таблица проводников под допустимый максимальный ток для их использования в проводке:

 

С 2001 года алюминиевые провода для проводки в квартирах не применяются. (ПЭУ)

Да, здесь как заметил наш читатель, мы фактически не привели расчета, а лишь предоставили справочные данные, сведенные в таблицу, на основании этих расчетов. Но смеем вас замерить, что для расчетов необходимо перелопатить множество формул, и показателей. Начиная от температуры, удельного сопротивления, плотности тока и тому подобных.

Поэтому такие расчеты мы оставим для спецов. При этом необходимо заметить, что и они не являются окончательными, так как могут незначительно разнится, в зависимости от стандарта на материал и запаса провода по току, применяемого в разных странах.

А вот о чем мы еще хотели бы сказать, так это о переводе сечения провода в диаметр. Это необходимо, когда имеется провод, но по каким-то причинам маркировки на нем нет. В этом случае по диаметру провода можно вычислить сечения и наоборот из сечения диаметр.

 

Общепринятые сечения для проводки в квартире

Мы с вами много говорили о наименованиях, о материалах, об индивидуальных особенностях и даже о температуре, но упустили из вида жизненные обстоятельства.

Так если вы нанимаете электрика для того, чтобы он провел вам проводку в комнатах вашей квартиры или дома, то обычно принимаются следующие значения. Для освещения сечения провода берется в 1,5 мм 2, а для розеток в 2,5 мм 2.

Если проводка предназначена для подключения бойлеров, нагревателей, плит, то здесь уже рассчитывается сечение провода (кабеля) индивидуально.

 

Выбор сечения провода исходя из количества потребителей

О чем еще хотелось сказать, так это о том, что лучше использовать несколько независимых линий питания для каждого из помещений в комнате или квартире. Тем самым вы не будете применять провод с сечением 10 мм 2 для всей квартиры, проброшенный во все комнаты, от которого идут отводы.

Такой провод будет приходить на вводный автомат, а затем от него, в соответствии с мощностью потребляемой нагрузки будут разведены выбранные сечения проводов, для каждого из помещений.

 

 

Типовая принципиальная схема электропроводки для квартиры или дома с электрической плитой (с указанием сечения кабеля для электроприборов)

 

Токовые нагрузки в сетях с постоянным током

В сетях с постоянным током расчет сечения идет несколько по-другому. Сопротивление проводника постоянному напряжению гораздо выше, чем переменному (при переменном токе сопротивлением на длинах до 100 м вообще пренебрегают).

 

Кроме этого, для потребителей постоянного тока как правило очень важно, чтобы напряжение на концах было не ниже 0,5В (для потребителей переменного тока, как известно колебания напряжения в пределах 10% в любую сторону допустимы).

 

Есть формула, определяющая насколько упадет напряжение на концах по сравнению с базовым напряжением, в зависимости от длины проводника, его удельного сопротивления и силы тока в цепи:

U = ((p l) / S) I

где:

• U — напряжение постоянного тока, В
• p — удельное сопротивление провода, Ом*мм2/м
• l — длина провода, м
• S — площадь поперечного сечения, мм2
• I — сила тока, А

 

Зная величины указанных показателей достаточно легко рассчитать нужное Вам сечение: методом подстановки, или с помощью простейших арифметических действий над данным уравнением.

Если же падение постоянного напряжения на концах не имеет значения, то для выбора сечения можно пользоваться таблицей для переменного тока, но при этом корректировать величины тока на 15% в сторону уменьшения, т.е. при постоянном токе справочные сечения кабеля могут пропускать тока на 15 % меньше, чем указано в таблице.

 

Подобное правило также работает для выбора автоматических выключателей для сетей с постоянным током, например: для цепей с нагрузкой в 25А, нужно брать автомат на 15% меньшего номинала, в нашем случае подходит предыдущий типоразмер автомата — 20А.

 

Кабель, передающий электрический ток, – один из важнейших элементов электрической сети. В случае выхода кабеля из строя работа всей системы становится невозможной, поэтому для предотвращения отказов, а также опасности возгорания от перегрева, следует произвести точный расчёт сечения кабеля по нагрузке.

Такой расчёт дает уверенность в безопасной и надёжной работе сети и приборов, но что ещё важнее – безопасности людей.

Выбор сечения, недостаточного для токовой нагрузки, приводит к перегреву, оплавлению и повреждению изоляции, а это, в свою очередь, – к короткому замыканию и даже пожару. Так что для проведения расчётов и тщательного выбора подходящего кабеля есть масса причин.

Основной показатель, помогающий рассчитать сечение и марку кабеля – предельно допустимая длительная нагрузка (по току). Если проще, то это – величина тока, которую кабель способен пропускать в условиях его прокладки без перегрева достаточно долго.

Для этого необходимо простое арифметическое суммирование мощностей всех электроприборов, которые будут включаться в сеть.

Следующим важным этапом, позволяющим достичь безопасности, является расчёт сечения кабеля по нагрузке, для чего необходимо подсчитать силу тока, используя формулу:

Для однофазной сети напряжением 220 В:

Где:

• Р – это суммарная мощность для всех электроприборов, Вт;
• U — напряжение сети, В;
• COSφ — коэффициент мощности.

 

Для трёхфазной сети напряжением 380 В:

 

Наименование прибора	Примерная мощность, Вт
LCD-телевизор	140-300
Холодильник	300-800
Пылесос	800-2000
Компьютер	300-800
Электрочайник	1000-2000
Кондиционер	1000-3000
Освещение	300-1500
Микроволновая печь	1500-2200

 

Получив точное значение величины тока, следует обратиться к таблицам, позволяющим найти кабель или провод требуемого сечения и материала. Но если полученное значение величины тока не совсем совпадает с табличным значением, то не стоит «экономить», а лучше выбрать ближайшее, но большее значение сечения кабеля.

Пример: при напряжении сети 220 В полученное значение величины тока составило 22 ампера, ближайшее большее значение (27 А) имеет медный провод или кабель из меди, сечением 2,5 мм кв. Это означает, что оптимальным выбором станет именно такой кабель, а не с сечением 1,5 мм кв., имеющим значение допустимого длительного тока 19 А.

 

Сечение токо- проводящих жил, мм	Медные жилы проводов и кабелей
	Напряжение 220В		Напряжение 380В
	Ток, А	Мощность, кВт	Ток, А	Мощность, кВт
1,5	19	4,1	16	10,5
2,5	27	5,9	25	16,5
4	38	8,3	30	19,8
6	46	10,1	40	26,4
10	70	15,4	50	33
16	85	18,7	75	49,5
25	115	25,3	90	59,4
35	135	29,7	115	75,9
50	175	38,5	145	95,7
70	215	47,3	180	118,8
95	260	57,2	220	145,2
120	300	66	260	171,6

 

Если выбирается кабель с алюминиевыми жилами, то лучше взять сечение жилы не 2,5, а 4 мм кв.

Сечение токо- проводящих жил, мм	Алюминиевые жилы проводов и кабелей
	Напряжение 220В		Напряжение 380В
	Ток, А	Мощность, кВт	Ток, А	Мощность, кВт
2,5	20	4,4	19	12,5
4	28	6,1	23	15,1
6	36	7,9	30	19,8
10	50	11	39	25,7
16	60	13,2	55	36,3
25	85	18,7	70	46,2
35	100	22	85	56,1
50	135	29,7	110	72,6
70	165	36,3	140	92,4
95	200	44	170	112,2
120	230	50,6	200	132

 

 

Расчёт для помещений

Предыдущий расчёт позволил точно вычислить материал и сечение вводного кабеля, по которому будет идти общая максимальная нагрузка. Теперь следует произвести аналогичные расчёты по каждому помещению и его группам. И вот почему: нагрузка на розеточные группы может значительно отличаться.

Так, розетки с подключённой стиральной машиной и феном нагружены гораздо больше, чем розетка для миксера и кофеварки на кухне. Поэтому не стоит «упрощать» задачу, без раздумий укладывая провод сечением 2,5 квадрата на розетки, так как иногда этого просто не хватит.

 

Следует помнить, что суммарная нагрузка в помещении состоит из 1) силовой и 2) осветительной. И если с осветительной нагрузкой всё ясно – она выполняется медным проводом с сечением в 1,5 мм кв., то с розетками не так всё просто.

 

Следует помнить, что обычно кухня и ванная комната – наиболее «нагруженные» линии, так как именно там расположены холодильник, электрочайник, бойлер, микроволновка, а иногда и стиральная машинка. Поэтому лучше всего распределить эту нагрузку по различным розеточным группам, а не использовать блок на 5-6 розеток.

Иногда от «специалистов» можно услышать, что для розеток в остальных помещениях достаточно и «кабеля-полторушки», однако выдели бы вы те чёрные полосы, видные из-под обоев, которые оставляет после себя прогоревший кабель после включения в него масляного обогревателя или тепловентилятора!

Наиболее распространенные марки проводов и кабелей:

1. ППВ — медный плоский двух- или трехжильный с одинарной изоляцией для прокладки скрытой или неподвижной открытой проводки;
2. АППВ — алюминиевый плоский двух- или трехжильный с одинарной изоляцией для прокладки скрытой или неподвижной открытой проводки;
3. ПВС — медный круглый, количество жил — до пяти, с двойной изоляцией для прокладки открытой и скрытой проводки;
4. ШВВП – медный круглый со скрученными жилами с двойной изоляцией, гибкий, для подключения бытовых приборов к источникам питания;
5. ВВГ — кабель медный круглый, до четырех жил с двойной изоляцией для прокладки в земле;
6. ВВП — кабель медный круглый одножильный с двойной ПВХ (поливинилхлорид) изоляцией, П — плоский (токопроводящие жилы расположены в одной плоскости).

Таблица выбора сечения кабеля в зависимости от силы тока или мощности при прокладке проводов. Выбор сечения автомобильного провода — Ізолітсервіс

Таблица выбора сечения кабеля при прокладке проводов

Проложенные открыто					Проложенные в трубе
Сечение	Медь			Алюминий			Медь			Алюминий
каб.,	ток	W, кВт		ток	W, кВт		ток	W, кВт			W, кВт
мм2	А	220в	380в	А	220в	380в	А	220в	380в	А	220в	380в
0,5	11	2,4	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
0,75	15	3,3	—	—	—	—	—	—	—	—	—	—
1,0	17	3,7	6,4	—	—	—	14	3,0	5,3	—	—	—
1,5	23	5,0	8,7	—	—	—	15	3,3	5,7	—	—	—
2,0	26	5,7	9,8	21	4,6	7,9	19	4,1	7,2	14,0	3,0	5,3
2,5	30	6,6	11,0	24	5,2	9,1	21	4,6	7,9	16,0	3,5	6,0
4,0	41	9,0	15,0	32	7,0	12,0	27	5,9	10,0	21,0	4,6	7,9
6,0	50	11,0	19,0	39	8,5	14,0	34	7,4	12,0	26,0	5,7	9,8
10,0	80	17,0	30,0	60	13,0	22,0	50	11,0	19,0	38,0	8,3	14,0
16,0	100	22,0	38,0	75	16,0	28,0	80	17,0	30,0	55,0	12,0	20,0
25,0	140	30,0	53,0	105	23,0	39,0	100	22,0	38,0	65,0	14,0	24,0
35,0	170	37,0	64,0	130	28,0	49,0	135	29,0	51,0	75,0	16,0	28,0

Выбор сечения автомобильного провода:

Номин. сечение, мм2	Сила тока в одиночном проводе, А при длительной нагрузке и при температуре окружающей среды, оС
	20	30	50	80
0,5	17,5	16,5	14,0	9,5
0,75	22,5	21,5	17,5	12,5
1,0	26,5	25,0	21,5	15,0
1,5	33,5	32,0	27,0	19,0
2,5	45,5	43,5	37,5	26,0
4,0	61,5	58,5	50,0	35,5
6,0	80,5	77,0	66,0	47,0
16,0	149,0	142,5	122,0	88,5

*Примечание: при прокладке проводов сечением 0,5 — 4,0 мм² в жгутах, в поперечном сечении которых по трассе содержится от двух до семи проводов, сила допустимого тока в проводе составляет 0,55 от силы тока в одиночном проводе согласно таблице, а при наличии 8-19 проводов — 0,38 от силы тока в одиночном проводе.

Как связаны нагрузка и сечение проводов между собой?

Реализация простой электрической сети в границах целого дома или отдельного его участка по силам каждому. От исполнителя лишь требуется квалифицированный подход к выбору проводников, главным образом определяющих нагрузочную способность системы.

Взаимосвязь между сечением провода и общей нагрузкой на сеть

Формулы, непосредственно описывающей соотношение между мощностью и величиной поперечного профиля электротехнического продукта, соединяющего щиток и стандартизированный разъем для подключения нагрузки, нет. Характеристику нормальной площадки можно установить через силу тока. В однофазной цепи нагрузка и ток, в общем случае, соотносятся: I = P / U, где:

P – суммарная планируемая нагрузка в номинальном эквиваленте, Вт;
U –напряжение, 220 В.

Отыскав величину силы тока, которую проводник должен транспортировать длительное время без риска перегрева и повреждения изолирующей оболочки, становится возможным установить косвенную взаимосвязь между предполагаемой нагрузкой от энергопотребляющих устройств и сечением проводов с помощью уже посчитанных инженерами и официально задокументированных данных.

Таблица 1 – Зависимость между силой тока и площадью нормального профиля медного провода

Сечение жилы, мм кв.	Открытая установка	Скрытый монтаж проводников одно/многожильный (количество жил)
		2 /-	-/1(2)	3 /-	-/1(3)	4/-
1	17	16	15	15	14	14
1,5	23	19	18	17	15	16
2,5	30	27	25	25	21	25
5	46	42	37	31	39	34

Таблица 2 – Зависимость между силой тока и площадью нормального профиля алюминиевого провода

Сечение жилы, мм кв.	Открытая установка	Скрытый монтаж проводников одно/многожильный (количество жил)
		2 /-	-/1(2)	3 /-	-/1(3)	4/-
2,5	24	20	19	19	16	19
5	36	32	28	30	24	27
6	39	36	31	32	26	30
8	46	43	38	32	40	37

Алгоритм использования таблиц

1. Определиться, в каком ключе будет происходить укладка электропроводки: открытым или закрытым методом. Скрыто могут быть забазированы различные конфигурации проводников, указанные в столбцах таблицы.
2. Вычисленную силу тока необходимо округлить до ближайшей большей цифры, расположенной в подходящем столбце.
3. В строке выбранного параметра принять указанную величину сечения кабеля.

Анализ таблицы показывает, что в случае скрытого метода установки исполнителю искусственно накладывается ограничение в использовании максимального количества проводов в связке – не более 4-х. Поэтому, если пучок формируют более 4-х нагруженных кабелей, сила тока выбирается из столбца для открытого метода базирования и умножается на корректор, зависящий от количества проводов в связке:

• 5 и 6 – 0,68;
• от 7 до 9 – 0,63;
• от 10 до 12 – 0,6.

Выбор наиболее эффективного материала

Использовать алюминиевые провода в домашней сети опытные специалисты категорически не рекомендуют. Неизменные нагрузка и сечение проводов показывают, что Al способен транспортировать несколько меньшую плотность заряда, нежели Cu при прочих равных условиях. Кроме того, Аl склонен к взаимодействию с окружающей средой. Негативный эффект от последнего – образование оксидной пленки, которая служит прочным диэлектриком и приводит к перегреву проводника.

Между нагрузкой и площадью профиля кабеля существует косвенная взаимосвязь. В качестве параметра-посредника выступает сила тока. Рассчитав величину последней и заранее спланировав методику укладки проводов в помещении, можно выявить математическую характеристику нормальной площадки по нормативным таблицам ПУЭ, выдержки из которых представлены выше. При выборе материала проводников акцентировать внимание следует на медных изделиях.

Учебное пособие по физике: электрическое сопротивление

Электрон, движущийся по проводам и нагрузкам внешней цепи, встречает сопротивление. Сопротивление препятствует прохождению заряда. Для электрона путешествие от терминала к терминалу не является прямым маршрутом. Скорее, это зигзагообразный путь, который возникает в результате бесчисленных столкновений с неподвижными атомами в проводящем материале. Электроны сталкиваются с сопротивлением — препятствием для их движения. В то время как разность электрических потенциалов, установленная между двумя выводами , способствует перемещению заряда , а препятствует его движению .Скорость, с которой заряд проходит от терминала к терминалу, является результатом совместного действия этих двух величин.

Переменные, влияющие на электрическое сопротивление

Поток заряда по проводам часто сравнивают с потоком воды по трубам. Сопротивление потоку заряда в электрической цепи аналогично эффектам трения между водой и поверхностями трубы, а также сопротивлению, создаваемому препятствиями на ее пути.Именно это сопротивление препятствует потоку воды и снижает как скорость потока, так и скорость дрейфа . Подобно сопротивлению потоку воды, общее сопротивление потоку заряда в проводе электрической цепи зависит от некоторых четко идентифицируемых переменных.

Во-первых, общая длина проводов влияет на величину сопротивления. Чем длиннее провод, тем большее сопротивление будет. Существует прямая зависимость между величиной сопротивления, с которым сталкивается заряд, и длиной провода, который он должен пройти.В конце концов, если сопротивление возникает в результате столкновений между носителями заряда и атомами провода, то, вероятно, столкновений будет больше в более длинном проводе. Больше столкновений означает большее сопротивление.

Во-вторых, на величину сопротивления влияет площадь поперечного сечения проводов. Более широкие провода имеют большую площадь поперечного сечения. Вода будет течь по более широкой трубе с большей скоростью, чем по узкой. Это можно объяснить меньшим сопротивлением, которое присутствует в более широкой трубе.Таким же образом, чем шире провод, тем меньше будет сопротивление прохождению электрического заряда. Когда все другие переменные одинаковы, заряд будет течь с большей скоростью через более широкие провода с большей площадью поперечного сечения, чем через более тонкие провода.

Третья переменная, которая, как известно, влияет на сопротивление потоку заряда, — это материал, из которого сделан провод. Не все материалы одинаковы с точки зрения их проводящей способности. Некоторые материалы являются лучшими проводниками, чем другие, и обладают меньшим сопротивлением потоку заряда.Серебро — один из лучших проводников, но никогда не используется в проводах бытовых цепей из-за своей стоимости. Медь и алюминий являются одними из наименее дорогих материалов с подходящей проводящей способностью, позволяющей использовать их в проводах бытовых цепей. На проводящую способность материала часто указывает его удельное сопротивление . Удельное сопротивление материала зависит от электронной структуры материала и его температуры. Для большинства (но не для всех) материалов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры.В таблице ниже приведены значения удельного сопротивления для различных материалов при температуре 20 градусов Цельсия.

Материал	Удельное сопротивление (Ом • метр)
Серебро	1,59 х 10 -8
Медь	1.7 х 10 -8
Золото	2,2 х 10 -8
Алюминий	2,8 х 10 -8
Вольфрам	5,6 х 10 -8
Утюг	10 х 10 -8
Платина	11 х 10 -8
Свинец	22 х 10 -8
Нихром	150 х 10 -8
Углерод	3.5 х 10 -5
Полистирол	10 7 — 10 11
Полиэтилен	10 8 — 10 9
Стекло	10 10 — 10 14
Твердая резина	10 13

Как видно из таблицы, существует широкий диапазон значений удельного сопротивления для различных материалов.Материалы с более низким сопротивлением обладают меньшим сопротивлением потоку заряда; они лучшие дирижеры. Материалы, показанные в последних четырех строках вышеприведенной таблицы, обладают таким высоким удельным сопротивлением, что их даже нельзя рассматривать как проводники.

Посмотрите! Используйте виджет Resistivity of a Material , чтобы найти удельное сопротивление данного материала. Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы узнать его удельное сопротивление.

Математическая природа сопротивления

Сопротивление — это числовая величина, которую можно измерить и выразить математически. Стандартной метрической единицей измерения сопротивления является ом, представленный греческой буквой омега -. Электрическое устройство с сопротивлением 5 Ом будет представлено как R = 5 . Уравнение, представляющее зависимость сопротивления ( R ) проводника цилиндрической формы (например,, провод) от влияющих на него переменных равно

, где L представляет длину провода (в метрах), A представляет площадь поперечного сечения провода (в метрах ² ) и представляет удельное сопротивление материала (в Ом • метр). В соответствии с обсуждением выше, это уравнение показывает, что сопротивление провода прямо пропорционально длине провода и обратно пропорционально площади поперечного сечения провода.Как показано в уравнении, знание длины, площади поперечного сечения и материала, из которого изготовлен провод (и, следовательно, его удельного сопротивления), позволяет определить сопротивление провода.

Расследовать!

Резисторы — один из наиболее распространенных компонентов в электрических цепях. На большинстве резисторов нанесены цветные полосы или полосы. Цвета отображают информацию о значении сопротивления.Возможно, вы работаете в лаборатории и вам нужно знать сопротивление резистора, используемого в лаборатории. Используйте виджет ниже , чтобы определить значение сопротивления по цветным полосам.

Проверьте свое понимание

1. В бытовых цепях часто используются провода двух разной ширины: 12-го и 14-го калибра. Проволока 12-го калибра имеет диаметр 1/12 дюйма, а проволока 14-го калибра — 1/14 дюйма.Таким образом, провод 12-го калибра имеет более широкое сечение, чем провод 14-го калибра. Цепь на 20 А, используемая для настенных розеток, должна быть подключена с использованием провода 12 калибра, а цепь на 15 А, используемая для цепей освещения и вентиляторов, должна быть подключена с помощью провода 14 калибра. Объясните физику, лежащую в основе такого электрического кода.

2. Основываясь на информации, указанной в предыдущем вопросе, объясните риск, связанный с использованием провода 14-го калибра в цепи, которая будет использоваться для питания 16-амперной пилы.

3. Определите сопротивление медного провода 12 калибра длиной 1 милю. Дано: 1 миля = 1609 метров и диаметр = 0,2117 см.

4. Два провода — A и B — круглого сечения имеют одинаковую длину и изготовлены из одного материала. Тем не менее, сопротивление провода A в четыре раза больше, чем у провода B.Во сколько раз диаметр проволоки B больше диаметра проволоки A?

Resistivity and Resistance — University Physics Volume 2

Теперь рассмотрим сопротивление провода или компонента. Сопротивление — это мера того, насколько сложно пропустить ток через провод или компонент. Сопротивление зависит от удельного сопротивления. Удельное сопротивление является характеристикой материала, используемого для изготовления провода или другого электрического компонента, тогда как сопротивление является характеристикой провода или компонента.

Чтобы рассчитать сопротивление, рассмотрим участок проводящего провода с площадью поперечного сечения A , длиной L и удельным сопротивлением. Батарея подключается к проводнику, обеспечивая разность потенциалов на нем ((рисунок)). Разность потенциалов создает электрическое поле, пропорциональное плотности тока, согласно.

Величина электрического поля на сегменте проводника равна напряжению, деленному на длину,, а величина плотности тока равна току, деленному на площадь поперечного сечения. Используя эту информацию и вспомнив что электрическое поле пропорционально удельному сопротивлению и плотности тока, мы можем видеть, что напряжение пропорционально току:

Единицей измерения сопротивления является ом,.Для заданного напряжения чем выше сопротивление, тем ниже ток.

Резисторы

Обычным компонентом электронных схем является резистор. Резистор можно использовать для уменьшения протекания тока или обеспечения падения напряжения. (Рисунок) показывает символы, используемые для резистора в принципиальных схемах цепи. Два широко используемых стандарта для принципиальных схем предоставлены Американским национальным институтом стандартов (ANSI, произносится как «AN-см.») И Международной электротехнической комиссией (IEC).Обе системы обычно используются. Мы используем стандарт ANSI в этом тексте для его визуального распознавания, но отметим, что для более крупных и сложных схем стандарт IEC может иметь более четкое представление, что упрощает чтение.

Обозначения резистора, используемого в принципиальных схемах. (а) символ ANSI; (b) символ IEC.

Зависимость сопротивления материала и формы от формы

Резистор можно смоделировать как цилиндр с площадью поперечного сечения A и длиной L , сделанный из материала с удельным сопротивлением ((Рисунок)).Сопротивление резистора составляет.

Модель резистора в виде однородного цилиндра длиной L и площадью поперечного сечения A . Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше его площадь поперечного сечения A , тем меньше его сопротивление.

Наиболее распространенным материалом для изготовления резистора является углерод. Углеродная дорожка намотана на керамический сердечник, к нему прикреплены два медных вывода.Второй тип резистора — это металлопленочный резистор, который также имеет керамический сердечник. Дорожка сделана из материала оксида металла, который имеет полупроводниковые свойства, аналогичные углеродным. Опять же, в концы резистора вставляются медные провода. Затем резистор окрашивается и маркируется для идентификации. Резистор имеет четыре цветные полосы, как показано на (Рисунок).

Многие резисторы имеют вид, показанный на рисунке выше. Четыре полосы используются для идентификации резистора. Первые две цветные полосы представляют собой первые две цифры сопротивления резистора.{5} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {Ω} Ошибка пакета inputenc: символ Юникода ± (U + 00B1) начальный текст: … ext {Ω} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {±} Файл завершился при сканировании использования \ text @. Экстренная остановка.

.

Сопротивление может быть разным. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление или более. Сухой человек может иметь сопротивление руки к ноге, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около.Кусок медного провода большого диаметра длиной в метр может иметь сопротивление, а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления при низких температурах. Как мы видели, сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит.

Плотность тока, сопротивление и электрическое поле для токоведущего провода. Рассчитайте плотность тока, сопротивление и электрическое поле медного провода длиной 5 м и диаметром 2,053 мм (калибр 12), по которому течет ток 0,5 м.

Стратегия

Мы можем рассчитать плотность тока, сначала найдя площадь поперечного сечения провода, которая есть, и определение плотности тока. Сопротивление можно найти, используя длину провода, площадь и удельное сопротивление меди, где. Удельное сопротивление и плотность тока можно использовать для определения электрического поля.

Решение Сначала мы рассчитываем плотность тока:

Сопротивление провода

Наконец, мы можем найти электрическое поле:

Значимость Исходя из этих результатов, неудивительно, что медь используется для проводов, проводящих ток, потому что сопротивление довольно мало.Обратите внимание, что плотность тока и электрическое поле не зависят от длины провода, но напряжение зависит от длины.

Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как оно прямо пропорционально. Мы знаем, что для цилиндра L и A не сильно изменяются с температурой, R имеет такую ​​же температурную зависимость, как (Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на L и A примерно на два порядка меньше, чем на

.

— это температурная зависимость сопротивления объекта, где — исходное сопротивление (обычно принимается равным R — сопротивление после изменения температуры. Цветовой код показывает сопротивление резистора при температуре.

Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление ((Рисунок)). Один из наиболее распространенных термометров основан на термисторе, полупроводниковом кристалле с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для определения его температуры. Устройство небольшое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

Эти знакомые термометры основаны на автоматическом измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры.

Проверьте свое понимание Тензодатчик — это электрическое устройство для измерения деформации, как показано ниже. Он состоит из гибкой изолирующей основы, поддерживающей рисунок из проводящей фольги. Сопротивление фольги изменяется по мере растяжения основы. Как меняется сопротивление тензодатчика? Влияет ли тензодатчик на изменение температуры?

Рисунок фольги растягивается по мере растяжения основы, а дорожки фольги становятся длиннее и тоньше.Поскольку сопротивление рассчитывается как, сопротивление увеличивается по мере того, как дорожки из фольги растягиваются. При изменении температуры меняется и удельное сопротивление дорожек фольги, изменяя сопротивление. Один из способов борьбы с этим — использовать два тензодатчика, один используется в качестве эталона, а другой — для измерения деформации. Два тензодатчика поддерживаются при постоянной температуре

Сопротивление коаксиального кабеля Длинные кабели иногда могут действовать как антенны, улавливая электронные шумы, которые являются сигналами от другого оборудования и приборов.Коаксиальные кабели используются во многих случаях, когда требуется устранение этого шума. Например, их можно найти дома через кабельное телевидение или другие аудиовизуальные соединения. Коаксиальные кабели состоят из внутреннего проводника с радиусом, окруженного вторым, внешним концентрическим проводником с радиусом ((Рисунок)). Пространство между ними обычно заполнено изолятором, например полиэтиленовым пластиком. Между двумя проводниками возникает небольшой ток радиальной утечки. Определите сопротивление коаксиального кабеля длиной L .

Коаксиальные кабели состоят из двух концентрических жил, разделенных изоляцией. Они часто используются в кабельном телевидении или других аудиовизуальных средствах связи.

Стратегия Мы не можем использовать уравнение напрямую. Вместо этого мы смотрим на концентрические цилиндрические оболочки толщиной dr и интегрируем.

Решение Мы сначала находим выражение для dR , а затем интегрируем от до,

Значение Сопротивление коаксиального кабеля зависит от его длины, внутреннего и внешнего радиусов, а также удельного сопротивления материала, разделяющего два проводника.Поскольку это сопротивление не бесконечно, между двумя проводниками возникает небольшой ток утечки. Этот ток утечки приводит к ослаблению (или ослаблению) сигнала, передаваемого по кабелю.

Проверьте свое понимание Сопротивление между двумя проводниками коаксиального кабеля зависит от удельного сопротивления материала, разделяющего два проводника, длины кабеля и внутреннего и внешнего радиуса двух проводников. Если вы разрабатываете коаксиальный кабель, как сопротивление между двумя проводниками зависит от этих переменных?

Чем больше длина, тем меньше сопротивление.Чем больше удельное сопротивление, тем выше сопротивление. Чем больше разница между внешним радиусом и внутренним радиусом, то есть чем больше соотношение между ними, тем больше сопротивление. Если вы пытаетесь максимизировать сопротивление, выбор значений для этих переменных будет зависеть от приложения. Например, если кабель должен быть гибким, выбор материалов может быть ограничен.

Электрическое сопротивление — провода, шланги, удельное сопротивление и ток

Электрическое сопротивление провода или цепи — это способ измерения сопротивления прохождению электрического тока.Хороший электрический провод, например медный провод , будет иметь очень низкое сопротивление. Хорошие изоляторы, такие как изоляторы из резины или стекла , имеют очень высокое сопротивление. Сопротивление измеряется в Ом и связано с током в цепи и напряжением в цепи по закону Ома . Для данного напряжения провод с меньшим сопротивлением будет иметь более высокий ток.

Сопротивление данного куска провода зависит от трех факторов: длины провода, площади поперечного сечения провода и удельного сопротивления материала, из которого он состоит.Чтобы понять, как это работает, представьте, что вода течет по шлангу. Количество воды, протекающей по шлангу, аналогично току в проводе. Подобно тому, как через пожарный шланг fat может пройти больше воды, чем через тонкий садовый шланг, толстый провод может пропускать больше тока, чем тонкий. Для провода чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление; чем меньше площадь поперечного сечения, тем выше сопротивление. Теперь рассмотрим длину. По очень длинному шлангу труднее протекать воде просто потому, что она должна течь дальше.Точно так же току труднее проходить по более длинному проводу. Более длинный провод будет иметь большее сопротивление. Удельное сопротивление — это свойство материала в проводе, которое зависит от химического состава материала, но не от количества материала или формы (длины, площади поперечного сечения) материала. Медь имеет низкое удельное сопротивление, но сопротивление данной медной проволоки зависит от ее длины и площади. Замена медного провода на провод той же длины и площади, но с более высоким удельным сопротивлением приведет к более высокому сопротивлению.В аналогии со шлангом это похоже на заполнение шланга песком . Через шланг с песком будет течь меньше воды, чем через такой же свободный шланг. Фактически песок имеет более высокое сопротивление потоку воды. Таким образом, полное сопротивление провода представляет собой удельное сопротивление материала, составляющего провод, умноженное на длину провода, деленное на площадь поперечного сечения провода.

Электрические характеристики легких композитных проволок CNT-Cu, подверженных влиянию поверхностного и внутреннего пространственного распределения Cu

Мы демонстрируем изготовление легких проволок MWCNT-Cu с равномерным распределением УНТ в непрерывной матрице Cu по всей длине проволоки.Сплошная медная матрица в композитных проволоках была достигнута за счет максимального (полного) внутреннего заполнения Cu с помощью нового двухэтапного электроосаждения в аккуратные проволоки из MWCNT. На рисунке 1b показано типичное поперечное сечение полностью заполненных проволок CNT-Cu (iii), полученных после оптимальной затравки меди (ii) в исходные проволоки MWCNT (i). Композитные проволоки с полным заполнением содержат ~ 96–98 мас.% Cu и имеют плотность ~ 5,2 г / куб.см, что на 2/3 ^против от Cu. Поперечные сечения СЭМ выявили сплошную матрицу Cu с очень небольшим количеством пор (рис.1б, iii). Анализ множества поперечных сечений (3-5 на см проволоки) показывает, что полное заполнение медью было достигнуто по всей длине проволоки (дополнительный рис. S1). Проволока из этих композитов CNT-Cu длиной до 10 см (рис. 1a) может быть изготовлена ​​из промышленных катушек проволоки с нанотрубками, что указывает на потенциальную масштабируемость производства. Наш протокол изготовления потенциально может производить более длинные образцы, и длина образца была ограничена только размером используемой нами установки электроосаждения. Провода CNT-Cu длиной от ~ 50 см ¹⁴ до нескольких метров ^{9, 15} уже сообщались.Однако эти проволоки были либо порошковыми композитами с низким содержанием УНТ (~ 0,5 об.%) И плотностью, аналогичной Cu ⁹ , либо только проволоками из УНТ с медным покрытием (без сплошной Cu-матрицы) ^{14, 15} .

Рис. 1

( a ) Изготовление проволоки из композитного материала CNT-Cu двухэтапным электроосаждением. ( b ) СЭМ-изображения поперечного сечения (i) исходной проволоки MWCNT, (ii) проволоки MWCNT с затравкой из меди после этапа 1 (осаждение в органическом электролите) и (iii) полностью заполненной проволоки MWCNT-Cu, полученной после этапа 2 (осаждение в водном электролите).Эллипсоиды с черными точками на изображениях с малым увеличением (вверху) представляют собой контуры поперечного сечения. Изображения с большим увеличением (внизу) представляют собой увеличение области, заключенной в белый пунктирный квадрат на изображениях с низким увеличением (вверху).

Полученные данные электрических характеристик в зависимости от пространственного распределения Cu в проволоках CNT-Cu демонстрируют, что максимальное внутреннее заполнение медью для достижения непрерывной медной матрицы на всем протяжении имеет жизненно важное значение для достижения хороших общих электрических характеристик.Насколько нам известно, это первый отчет, в котором систематически проводится корреляция общих электрических характеристик композита CNT-Cu как функции пространственного распределения Cu. По сравнению с проволоками с засеянной медью и проволоками с частичным или отсутствующим внутренним заполнением Cu (поперечные сечения на рис. 2), полностью заполненные проволоки из MWCNT-Cu показывают наименьшее значение ρ _RT (рис. 3a). Ρ _RT проволок MWCNT-Cu с полным внутренним заполнением обычно составляет 1,6 × 10 ^-5 Ом · см, что в 100 раз меньше, чем у исходных проволок MWCNT.Полностью заполненные композитные проволоки также показывают подавленное увеличение сопротивления с температурой (рис. 3b). Температурный коэффициент сопротивления (TCR), который количественно определяет изменение сопротивления с температурой, составляет ~ 1,7 · 10 ^-3 для полностью заполненной проволоки MWCNT-Cu, ~ ½ от Cu (рис. 3b, вставка). Для сравнения, провода с частичным заполнением Cu или без него показывают TCR, аналогичные Cu. Эта комбинация низкого TCR и низкого ρ _RT является многообещающим для приложений, требующих стабильной и эффективной работы при высоких температурах, таких как легкие обмотки двигателя.Кроме того, с точки зрения устойчивости к высоким токам (рис. 4a), полное внутреннее заполнение Cu приводит к значениям CCC (в вакууме) на 28% выше, чем у медных проволок аналогичных размеров, и в 3 раза выше, чем у исходных проволок MWCNT. Напротив, проволока с затравкой из меди и образцы без / частичного заполнения Cu показывают более низкие значения CCC в вакууме, аналогичные исходным проволокам из MWCNT.

Рис. 2

СЭМ-изображения поперечного сечения проволок MWCNT-Cu с ( a ) частичным внутренним заполнением Cu и ( b ) только внешним покрытием Cu и без внутреннего Cu-наполнения (структура сердцевина-оболочка).Эллипсоиды с черными точками на изображениях с малым увеличением (вверху) представляют собой контуры поперечного сечения. Изображения с большим увеличением (внизу) представляют собой увеличение области, заключенной в белый пунктирный квадрат на изображениях с низким увеличением (вверху).

Рисунок 3

( a ) Сопротивление при комнатной температуре и ( b ) температурная зависимость сопротивления (вставка: TCR) исходной проволоки MWCNT, проволоки MWCNT-Cu с различным уровнем внутреннего наполнения и проволоки Cu.Схема измерения сопротивления с 4 зондами показана на вставке и .

Рисунок 4

( a ) CCC исходной проволоки MWCNT, проволоки MWCNT-Cu с различными уровнями внутреннего медного наполнения и проволоки из меди. На вставке показана схема измерения CCC. Типичное сопротивление в зависимости от приложенного тока проводов Cu / MWCNT-Cu ( b ) и пусковых проводов MWCNT ( c ).

Кроме того, наши композитные провода MWCNT-Cu могут быть легко интегрированы в практические схемы с обычными медными проводами путем простой пайки, как показано на рис.5. Чистые проволоки из УНТ были предложены в качестве легких проводников, заменяющих металлические проволоки ²⁵ . Однако интеграция проводов CNT в основные цепи с использованием Cu является сложной задачей, потому что обычный припой не смачивает гидрофобные провода CNT, что требует специальных процедур контакта ²⁶ . Наши проволоки из MWCNT-Cu, сочетающие легкий вес, низкое удельное сопротивление и простую интеграцию, обладают явным преимуществом перед аккуратными проволоками из CNT.

Рис. 5

Провода MWCNT-Cu в простой схеме, объединенные путем регулярной пайки вместе с медными проводами, демонстрируют их практическую применимость.

Чтобы понять наблюдаемое изменение электрических характеристик проволоки CNT-Cu в зависимости от пространственного распределения Cu на поверхности и в объеме композита, важно обсудить электрические свойства в контексте конкретных структурных различий между рассматриваемыми образцами проволоки.

Структура поперечного сечения проволок MWCNT-Cu по сравнению с внутренним заполнением Cu

Общее содержание Cu высокое во всех типах подготовленных проволок (> 85 мас.%, Дополнительный рисунок S2).Однако количество (дополнительный рис. S2), размер, непрерывность и распределение зерен меди внутри образцов заметно различаются (рис. 1b, 2 и 6). Как видно из изображений CS-SEM (рис. 1b, ii), проволока с засеянной медью проволока содержит внутри неравномерно распределенные сфероидальные маленькие зародыши меди (~ 200-800 нм в диаметре). Зерна Cu на внешнем покрытии не всегда связаны друг с другом. Все проволоки, подвергнутые осаждению CuSO ₄ , независимо от предшествующей затравки, показывают наличие более крупных зерен меди и сплошного внешнего покрытия из меди.В полностью заполненных образцах внешнее покрытие Cu неотличимо от массивных проволок MWCNT-Cu (рис. 1b, iii). УНТ полностью покрыты Cu, как видно из дефицита сигнала C на карте CS-SEM-EDX (рис. 6a). Кроме того, в поперечных сечениях полностью заполненных проволок, полученных на сканирующем электронном микроскопе, практически не наблюдаются поры / зазоры / трещины (рис. 1b iii и дополнительный рис S1). Таким образом, наш оптимальный двухэтапный протокол электроосаждения привел к достаточному включению Cu в проволоки MWCNT для образования композитных проволок (диаметром ~ 90–100 мкм) с твердой непрерывной матрицей Cu.Напротив, частично заполненные проволоки состоят из многочисленных слабо связанных зерен Cu размером от 100 нм до микрона внутри, в дополнение к отчетливому внешнему покрытию Cu, как видно на изображении CS-SEM на рис. 2a. Карта EDX (рис. 6b) показывает сильное присутствие сигналов C и Cu в объеме образца в отличие от преобладающего присутствия только Cu во внешнем покрытии. Провода без внутреннего наполнения Cu, полученные прямым водным осаждением CuSO ₄ без предварительной затравки, состоят только из сплошного внешнего покрытия Cu на проводе MWCNT с очень небольшим внутренним слоем, как показано на изображении CS-SEM (рис.2b, карта EDX, показанная на рис. 6c). Для сравнения, EDX-карта поперечного сечения чистой проволоки из MWCNT без сигнала Cu представлена ​​на рис. 6d.

Рисунок 6

SEM-EDX-карты поперечного сечения проволок MWCNT-Cu с ( a ) полным, ( b ) частичным и ( c ) без внутреннего медного заполнения и ( d ) начальным MWCNT провода. Эллипсоид с черными точками в файле. — контур поперечного сечения.

Мы предполагаем, что эти различия в пространственном распределении Cu в различных проволоках MWCNT-Cu определяют доминирующий компонент электронной проводимости i.е., Cu или MWCNT, что приводит к изменению ρ _{, RT} , TCR и CCC среди образцов. Каждое из этих свойств обсуждается в следующих разделах.

Удельное сопротивление при комнатной температуре, ρ

_RT проволок MWNCT-Cu по сравнению с внутренним заполнением Cu

При добавлении металлической меди путем затравки и последующего водного осаждения ρ _RT проволок MWCNT уменьшается (рис. 3a и дополнительная таблица S1). Проволоки MWCNT с затравкой из меди (общее содержание Cu = 90–94 мас.%) Показывают более высокое значение ρ _RT , чем все проволоки с водным напылением, включая проволоки без внутреннего медного наполнения (только внешнее покрытие из меди) с самым низким общим содержанием меди (84 –88 мас.%).В проволоках с затравками из меди отсоединенные мелкие зерна меди действуют как точки рассеяния электронов, что приводит к более высоким значениям ρ _RT . С другой стороны, во всех проволоках, подвергнутых водному осаждению CuSO ₄ , металлическая Cu присутствует в непрерывной форме либо в виде внешнего покрытия, либо в виде внутреннего наполнителя, что обеспечивает более низкий резистивный путь для переноса электронов. Это приводит к уменьшению значений ρ _RT для композитных проволок с полным, частичным заполнением и без внутреннего медного наполнения по сравнению с проволоками с медной затравкой.Однако среди композитных проволок с полным, частичным заполнением и без внутреннего наполнения медью значения ρ _RT различаются из-за различий в пространственном распределении меди. Полностью заполненные проволоки MWCNT-Cu показывают самое низкое значение ρ _RT среди всех образцов (~ 1,6 × 10 ^–5 Ом · см), что почти в два раза меньше, чем у проволок без или частичного внутреннего заполнения Cu. Мы связываем это с наличием сплошной проводящей Cu-матрицы в полностью заполненных проволоках. Напротив, в проволоках без внутреннего заполнения или с частичным заполнением УНТ и любые отсоединенные внутренние зерна Cu внутри вносят вклад в площадь поперечного сечения и сопротивление образца за счет увеличения рассеяния электронов, что приводит к более высокому значению ρ _RT .Примечательно, что ρ _RT проводов только с внешним покрытием из Cu и без внутреннего наполнения (структуры сердцевина-оболочка) аналогичен предыдущим отчетам о проводах с медным покрытием с сопоставимым диаметром проволоки MWCNT и отношениями толщины внешнего покрытия Cu ^{14, 15} .

Тем не менее, ρ _RT полностью заполненных проволок все еще на порядок выше, чем у Cu, несмотря на наличие сплошной Cu-матрицы. Можно ожидать, что MWCNT, концы нанотрубок и граница раздела CNT / Cu будут рассеивать электроны, что приведет к увеличению сопротивления.Тем не менее, мы не можем четко продемонстрировать роль интерфейса MWCNT / Cu в переносе электронов. По сравнению с литературными данными, предыдущие композиты CNT-Cu с непрерывными матрицами Cu, но с низким содержанием CNT (<20 об.%) ^{8, 9, 16} показывают значения ρ _RT того же порядка, что и Cu. Напротив, наши полностью заполненные проволоки MWCNT-Cu содержат более высокое содержание УНТ (40–45 об.%), Что может способствовать наблюдаемому высокому значению ρ _RT (10 × Cu). Кроме того, большинство предшествующих композитов с низким содержанием УНТ получали путем обработки порошка, и качество зерна Cu улучшалось во время уплотнения (спекания).Однако наши проволоки MWCNT-Cu не подвергались обработке, типичной для порошковой обработки ^{5,6,7,8,9,10,11,12,13} , такой как отжиг при температурах> 500 ° C, вытяжка, высокотемпературная обработка. процедуры давления и т. д. Следует отметить, что преимущество низкого ρ _RT в композитах с низким об.% УНТ сводится на нет их высокой плотностью, обычно ~ 8 г / куб.см ⁵ , что почти равно плотности Cu (8,9 г / куб. С другой стороны, плотность наших 45 об.% Композитов CNT-Cu составляет ~ 5,2 г / куб.см, что значительно ниже, чем у Cu.Плотность проволок CNT-Cu с различными уровнями внутреннего наполнения, а также проволоки из Cu и исходных CNT приведены в дополнительной таблице S1 для справки.

Удельное сопротивление наших полностью заполненных проволок MWCNT-Cu все еще выше, чем у предыдущих одностенных (SW) композитов CNT-Cu с аналогичной сплошной матрицей Cu и об.% CNT ^1,2,3 . Композиты подготовлены Subramaniam et al . с 45 об.% УНТ показали значения ρ _RT только на 30% выше, чем Cu ^{1, 2} и сквозные кремниевые переходные отверстия CNT-Cu, полученные Sun и др. .выполняется почти эквивалентно Cu ³ . Мы связываем несходные значения ρ _RT с различиями между нанотрубками, присутствующими в наших композитных проволоках, и в композитах, приготовленных Subramaniam и др. . и Sun и др. . Композитные образцы в микромасштабе, представленные Subramaniam et al . и Sun и др. . содержат выровненные длинные SWCNT, идущие концом между контактами. С другой стороны, наши композитные проволоки содержат MWCNT большого диаметра с множеством концов нанотрубок между контактами.Кроме того, жгуты MWCNT в наших композитных проволоках скручены и не выровнены в одном направлении вдоль оси проволоки.

Сопротивление в зависимости от температуры проволок MWCNT-Cu в зависимости от внутреннего медного наполнителя

Поведение температуры в зависимости от сопротивления (рис. 3b) и TCR (вставка на рис. 3b и дополнительная таблица S1) композитных проволок также меняются с внутренним заполнением. Медное заполнение аналогично ρ _RT . Проволоки MWCNT исходного материала показывают снижение сопротивления с температурой и −ve TCR (~ — 9.0 × 10 ⁻⁴ / K). TCR волокон CNT может быть + ve или −ve в зависимости от типа CNT, уровней легирования и т. Д. ^{19, 27, 28, 29, 30, 31, 32} . Поведение сопротивления в зависимости от температуры и TCR наших проволок MWCNT из исходного материала согласуется с тенденциями и значениями, указанными для аналогичных аккуратных сборок MWCNT, скрученных из вертикальных массивов ^{19, 29,30,31,32} . С добавлением Cu проволоки с затравкой из меди показывают менее –ve TCR (~ –4,0 × 10 ^–4 / K). Это говорит о том, что, хотя МУНТ по-прежнему вносят основной вклад в перенос электронов с повышением температуры, металлические зародыши Cu и внешнее покрытие также начинают участвовать, уменьшая наклон –ve зависимости сопротивления отграфик температуры. Проволоки MWCNT-Cu только с внешним покрытием из Cu (без внутреннего медного наполнения) демонстрируют металлическое увеличение сопротивления с температурой и + ve TCR 3,0 × 10 ^-2 / K, что близко к таковому у Cu (3,3 × 10 ^{— 3} / К). Такое поведение согласуется с предыдущими наблюдениями Рандении и др. . ¹⁴ Следовательно, в этих образцах преобладающий перенос электронов осуществляется через непрерывное наименее резистивное внешнее покрытие Cu. С увеличением внутреннего медного наполнения наклон постепенно снижается, и значение TCR падает до 2.8 × 10 ^–3 / K для частично заполненных проволок и, наконец, до 1,7 × 10 ^–3 / K для полностью заполненных композитных проволок MWCNT-Cu. Мы видим это уменьшение вдвое TCR в полностью заполненных композитных проволоках по сравнению с Cu в результате противоположного поведения сопротивления и температуры Cu и MWCNT. Следовательно, в полностью заполненных проволоках MWCNT-Cu, хотя перенос электронов через непрерывную металлическую матрицу Cu приводит к общему увеличению сопротивления с повышением температуры и + ve TCR, пучки MWCNT (которые сами по себе показывают –ve TCR) снижают повышение сопротивления, снижение значений TCR для композита.

Общее подавление повышения сопротивления с температурой по сравнению с Cu согласуется с предыдущими отчетами о микромасштабных образцах CNT-Cu и листах ^{1, 3, 17} . Однако степень восстановления TCR, по-видимому, варьируется в зависимости от об.% УНТ, типа, длины, ориентации и т.д. в композите. Самый низкий TCR, который мы наблюдаем в наших полностью заполненных композитных проволоках с ~ 40–45 об.% MWCNT (1/2 от Cu), аналогичен значениям, полученным Sun и др. . ³ в выровненных композитных микроструктурах, состоящих из 40–50 об.% Выровненных ОУНТ длиной несколько 100 мкм, проложенных встык.Шуай и др. . ¹⁷ сообщают, что TCR составляет 80% Cu в сверхцентрированных композитах MWCNT-Cu из-за низкого содержания УНТ в размере 1 об.%. Напротив, Subramaniam et al . ¹ сообщают о снижении на порядок величины TCR по сравнению с Cu для композитов, состоящих из ориентированных на 45 об.% ОУНТ 500–700 мкм.

Мы подчеркиваем, что комбинация ρ _RT , подобная Cu, и более низкое TCR, чем Cu, приводит к значениям высокотемпературного удельного сопротивления ниже, чем Cu. ^{1, 3} Несмотря на TCR 1/2, чем у Cu, наши композитные проволоки с ρ _RT 10 × Cu показывают высокотемпературные значения ρ выше, чем Cu.Следовательно, улучшение наших композитных проволок для достижения ρ _RT , сопоставимого с Cu, в сочетании со значениями TCR

Допустимая нагрузка по току (CCC) проводов MWCNT-Cu по сравнению с внутренним медным заполнением

Способность проводящих проводов выдерживать высокие токи без повреждений и выдерживать скачки тока имеет решающее значение для их практического применения в цепях питания основного потока. Эта способность определяется CCC, который мы измеряем как максимальную плотность тока, при которой данный провод разрывается в вакууме (~ 10 ^–3 Па). Провода ломаются из-за комбинации индуцированной током атомной диффузии и резистивного джоулева нагрева, которые вместе называются электромиграцией ³³ .Разрушение с преобладанием диффузии более выражено в слабосвязанных металлических системах, таких как медные проволоки. Провода CNT, однако, выходят из строя в основном из-за джоулева нагрева, связанного с их высоким сопротивлением, вызванным наличием множества переходов трубка-трубка ^{1, 34} . Предыдущие исследования показали, что присутствие УНТ в матрице Cu может подавлять поверхностную и зернограничную диффузию Cu ^{1, 17} . С другой стороны, присутствие металлической меди в проволоках из УНТ снижает сопротивление и, следовательно, джоулев нагрев.Следовательно, можно ожидать, что объединение УНТ и Cu в проводах приведет к увеличению пропускной способности по току.

Как показано на рис. 4а, полностью заполненные композитные проволоки с их однородным распределением Cu и MWCNT демонстрируют КСС высокого вакуума, немного превышающие таковую Cu (на ~ 28%). Наше наблюдение аналогично более высоким CCC микромасштабных непрерывных композитов Cu-матрица-УНТ (45 об.%), Чем чистая Cu, наблюдавшаяся ранее. ¹ Этот высокий CCC CNT-Cu (> Cu) был приписан УНТ, подавляющим диффузию Cu за счет увеличения энергии активации диффузии Cu (до ~ 2.0 эВ против 0,6–1,0 эВ в чистых системах Cu). ¹ Мы ожидаем, что MWCNT в наших полностью заполненных композитных проволоках будут оказывать аналогичный эффект в сдерживании диффузии зерен Cu. Проволоки с затравкой из меди и образцы с частичным и отсутствующим внутренним заполнением Cu показывают значения CCC для низкого вакуума ~ 1–2 × 10 ⁴ А / см ² , аналогично чистым проволокам из MWCNT. Это вызвано отсоединением более мелких зерен Cu внутри и внешним покрытием Cu, не контактирующим с MWCNT, которые могут легко электромигрировать, что приводит к выходу из строя при более низких токах.

Отметим, что происхождение вызванного током разрушения проводов MWCNT-Cu и проводов MWCNT различно. Типичный сломанный конец проволоки после испытания CCC в вакууме полностью заполненной проволоки MWCNT-Cu показан на рис. 7. Конец состоит из хвоста проволоки CNT и отступившего покрытия Cu, образующего глобулу. Также показаны профили линий EDX Cu и C в различных точках на конце. Вблизи точки разрыва наблюдается только сигнал C от MWCNT, а Cu почти не обнаруживается. На участках, удаленных от точки разрыва, наблюдается повышенное присутствие Cu.Испытанные образцы проволоки порвались примерно посередине, и оба сломанных конца демонстрировали вышеописанные особенности. Кроме того, все композитные проволоки, независимо от уровня внутреннего наполнения медью, показали одинаковые оборванные концы после испытания CCC в вакууме. Мы предполагаем, что выход из строя проволоки MWCNT-Cu происходит преимущественно за счет диффузии Cu с последующим выгоранием оставшейся сети MWCNT. Это подтверждается увеличением сопротивления с приложенным током до разрыва, показываемым всеми медными проволоками (рис. 4b), что указывает на то, что в композитных проволоках преобладает перенос тока через Cu.Диффузия меди может быть вызвана как протеканием тока, так и плавлением за счет джоулева нагрева. Однако аккуратные проволоки из MWCNT, похоже, выходят из строя в первую очередь из-за эффектов Джоуля, то есть нагрева проволоки с увеличением приложенного тока. О нагреве свидетельствует уменьшение сопротивления проводов MWCNT под действием приложенного тока (рис. 4c).

Рис. 7

СЭМ-изображение сломанного конца проволоки MWCNT-Cu после испытания CCC. Также показаны профили Cu и C EDX по линиям 1, 2 и 3.

Отметим, что CCC композитов CNT-Cu, измеренные в этой работе, нельзя сравнивать со значениями, указанными в других исследованиях ^{1, 17} из-за различий в установке измерения и конфигурации образцов. Измеренные значения CCC зависят от среды образца (вакуум / инертный газ), текущей скорости нанесения и времени выдержки, наличия субстрата в контакте с образцом, размера образца и т. Д. ^{17, 34} Эти экспериментальные факторы влияют на химическое состояние образца и рассеяние тепла, генерируемого эффектами Джоуля, и, следовательно, отказ, вызванный электромиграцией.Например, как Cu, так и проволока MWCNT-Cu показали снижение CCC на ~ 30% при воздействии лабораторной атмосферы (10 ⁵ Па) во время измерения (дополнительный рисунок S3) из-за окисления образца. Чтобы продемонстрировать влияние конфигурации образца: в то время как наши отдельно стоящие проволоки MWCNT-Cu без какой-либо подложки для отвода тепла показывают максимальные значения CCC в вакууме ~ 6,3 × 10 ⁴ А / см ² , микроскопические линии CNT-Cu на Si / Si ₃ N ₄ подложек показывают значения CCC в вакууме порядка 10 ⁸ А / см ² .

В соответствии с литературными данными ^{1, 17} , наши результаты действительно демонстрируют преимущество присутствия УНТ в непрерывной матрице Cu для достижения CCC выше, чем Cu (при измерении в идентичных условиях). Однако степень увеличения CCC в CNT-Cu по сравнению с Cu варьируется в литературе. Вакуумный CCC наших полностью заполненных проволок MWCNT-Cu составляет ~ 6,3 × 10 ⁴ А / см ² по сравнению с ~ 4,9 × 10 ⁴ А / см ² показано медными проволоками сопоставимых размеров при идентичных измерениях. условия.Шуай и др. . ¹⁷ сообщают о CCC 1,2 × 10 ⁴ А / см ² для 1 об.% Сверхцентрированных композитов MWCNT-Cu по сравнению с 8,8 × 10 ³ А / см ² для Cu (измерено в потоке Ar) , что на 36% больше. Напротив, Subramanian et al . сообщают о 100-кратном увеличении CCC (измеренное при 10 ^–4 Па) по сравнению с Cu для их микромасштабных выровненных 45 об.% SWCNT-Cu композитов с нанотрубками, идущими от конца к концу ¹ . Следовательно, аналогично удельному электрическому сопротивлению и TCR, составу композита, типу нанотрубки, выравниванию и т. Д.также влияют на устойчивость к току CNT-Cu. Далее, как и в случае с Shuai et al . ¹⁷ , наши испытательные образцы проволоки CCC MWCNT-Cu были длинными (~ 1 см) и включают несколько концов и переходов MWCNT, которые, как ожидается, негативно повлияют на значения CCC CNT-Cu.

Факторы, влияющие на индуктивность | Катушки индуктивности

Существует четыре основных фактора конструкции индуктора, определяющих величину создаваемой индуктивности. Все эти факторы определяют индуктивность, влияя на то, какой поток магнитного поля будет развиваться при заданной величине силы магнитного поля (ток через проволочную катушку индуктора):

Число витков или витков проволоки в катушке

При прочих равных условиях большее количество витков провода в катушке приводит к большей индуктивности; чем меньше витков провода в катушке, тем меньше индуктивность.

Пояснение: Больше витков провода означает, что катушка будет генерировать большее количество силы магнитного поля (измеряемое в ампер-витках!) Для данной величины тока катушки.

Зона катушки

При прочих равных условиях большая площадь катушки (при измерении в продольном направлении через катушку в поперечном сечении сердечника) приводит к большей индуктивности; меньшая площадь катушки приводит к меньшей индуктивности.

Пояснение: Большая площадь катушки представляет меньшее сопротивление формированию потока магнитного поля для данной величины силы поля (ампер-витки).

Длина рулона

При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше индуктивность; чем короче длина катушки, тем больше индуктивность.

Пояснение: Более длинный путь для потока магнитного поля приводит к большему сопротивлению формированию этого потока для любой заданной величины силы поля (ампер-витков).

Основной материал

При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше проницаемость сердечника, тем меньше индуктивность.

Пояснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью приводит к большему потоку магнитного поля для любой заданной величины силы поля (ампер-витков).

Приблизительное значение индуктивности для любой катушки с проволокой можно найти по следующей формуле:

Следует понимать, что эта формула дает только приблизительных цифр . Одной из причин этого является тот факт, что проницаемость изменяется при изменении напряженности поля (вспомните нелинейные кривые «B-H» для разных материалов).Очевидно, что если проницаемость (µ) в уравнении нестабильна, то индуктивность (L) также будет в некоторой степени нестабильной, поскольку ток через катушку изменяется по величине.

Если гистерезис материала сердечника значительный, это также окажет странное влияние на индуктивность катушки. Разработчики индукторов стараются минимизировать эти эффекты, проектируя сердечник таким образом, чтобы его плотность потока никогда не приближалась к уровням насыщения, и поэтому индуктор работает на более линейной части кривой B / H.

Если катушка индуктивности спроектирована так, что любой из этих факторов может изменяться по желанию, ее индуктивность будет соответственно меняться. Переменные индукторы обычно изготавливаются путем изменения количества витков проводов, используемых в любой момент времени, или путем изменения материала сердечника (скользящий сердечник, который можно перемещать в катушку и из нее). Пример прежнего дизайна показан на этой фотографии:

В этом устройстве используются скользящие медные контакты для подключения к катушке в разных точках по ее длине.Показанный блок представляет собой индуктор с воздушным сердечником, который использовался в ранних работах по радио.

Катушка индуктивности с фиксированным значением показана на следующей фотографии, еще одно старинное устройство с воздушным сердечником, созданное для радиоприемников. Внизу видны клеммы подключения, а также несколько витков относительно толстого провода:

Вот еще одна катушка индуктивности (с большей индуктивностью), также предназначенная для радиоприложений. Катушка из проволоки намотана на белую керамическую трубку для большей жесткости:

Катушки индуктивности

также могут быть очень маленькими для применения на печатных платах.Внимательно изучите следующую фотографию и посмотрите, можете ли вы определить две катушки индуктивности рядом друг с другом:

Две катушки индуктивности на этой печатной плате имеют маркировку L ₁ и L ₂ , и они расположены справа по центру платы. Два соседних компонента — это R ₃ (резистор) и C

_{(конденсатор). Эти катушки индуктивности называются «тороидальными», потому что их проволочные катушки намотаны на сердечники в форме бублика («тор»).}

Подобно резисторам и конденсаторам, индукторы могут быть упакованы как «устройства для поверхностного монтажа». На следующей фотографии показано, насколько малым может быть катушка индуктивности в такой упаковке:

На этой печатной плате справа и в центре можно увидеть пару индукторов, которые выглядят как маленькие черные микросхемы с цифрой «100», напечатанной на обеих. Этикетку верхнего индуктора можно увидеть на зеленой печатной плате как L ₅ .Конечно, эти катушки индуктивности очень малы по величине индуктивности, но это демонстрирует, насколько крошечными они могут быть изготовлены для удовлетворения определенных потребностей проектирования схем.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

20.3 Сопротивление и удельное сопротивление — College Physics

Сводка

• Объясните понятие удельного сопротивления.
• Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления материала указанной конфигурации.
• Используйте термический коэффициент удельного сопротивления, чтобы рассчитать изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он сделан. Цилиндрический резистор на Рисунке 1 легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра [латекс] {R} [/ латекс] прямо пропорционально его длине [латекс] {L} [/ латекс], подобно сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше зарядов соударяется с его атомами.Чем больше диаметр цилиндра, тем больше тока он может пропускать (аналогично потоку жидкости по трубе). Фактически, [латекс] {R} [/ латекс] обратно пропорционален площади поперечного сечения цилиндра [латекс] {A} [/ латекс].

Рисунок 1. Единый цилиндр длины [латекс] {L} [/ латекс] и площади поперечного сечения [латекс] {A} [/ латекс]. Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению, которое труба оказывает потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление.Чем больше его площадь поперечного сечения [латекс] {A} [/ латекс], тем меньше его сопротивление.

Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы обладают разным сопротивлением потоку заряда. Мы определяем удельное сопротивление [латекс] {\ rho} [/ латекс] вещества так, чтобы сопротивление [латекс] {R} [/ латекс] объекта было прямо пропорционально [латексу] {\ rho} [/латекс]. Удельное сопротивление [латекс] {\ rho} [/ latex] — это внутреннее свойство материала, независимо от его формы или размера.Сопротивление [латекс] {R} [/ латекс] однородного цилиндра длины [латекс] {L} [/ латекс], площади поперечного сечения [латекс] {A} [/ латекс] и изготовленного из материала с удельным сопротивлением [латекс] {\ rho} [/ латекс], составляет

[латекс] {R =} [/ латекс] [латекс] {\ frac {\ rho L} {A}} [/ латекс].

В таблице 1 приведены типичные значения [латекса] {\ rho} [/ latex]. Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельных сопротивлений. У проводников наименьшее удельное сопротивление, а у изоляторов наибольшее; полупроводники имеют промежуточное удельное сопротивление.Проводники имеют различную, но большую плотность свободных зарядов, тогда как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут двигаться. Полупроводники являются промежуточными, имеют гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладают свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников находят применение в современной электронике, о чем мы поговорим в следующих главах.

Материал	Удельное сопротивление [латекс] {\ rho (\ Omega \ cdot \; \ text {m})} [/ latex]
Проводники
Серебро	[латекс] {1.{11}} [/ латекс]
Таблица 1. Удельное сопротивление [латекс] {\ rho} [/ латекс] различных материалов при 20ºC

Пример 1: Расчет диаметра резистора: нить накала фары

Нить накала автомобильной фары изготовлена ​​из вольфрама и имеет хладостойкость [латекс] {0,350 \; \ Omega} [/ латекс]. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (ее можно свернуть в бухту для экономии места), каков ее диаметр?

Стратегия

Мы можем переписать уравнение [латекс] {R = \ frac {\ rho L} {A}} [/ latex], чтобы найти площадь поперечного сечения [латекс] {A} [/ латекс] нити из заданного Информация.Тогда его диаметр можно определить, предположив, что он имеет круглое поперечное сечение.

Решение

Площадь поперечного сечения, найденная путем перестановки выражения для сопротивления цилиндра, приведенного в [latex] {R = \ frac {\ rho L} {A}} [/ latex], составляет

[латекс] {A =} [/ латекс] [латекс] {\ frac {\ rho L} {R}} [/ латекс]

Подставляя указанные значения и беря [латекс] {\ rho} [/ latex] из таблицы 1, получаем

[латекс] \ begin {array} {r @ {{} = {}} l} {A} \; = & {\ frac {(5.{-5} \; \ text {m}} \ end {array}. [/ Latex]

Обсуждение

Диаметр чуть меньше десятой миллиметра. Он состоит только из двух цифр, потому что [latex] {\ rho} [/ latex] известен только из двух цифр.

Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые даже становятся сверхпроводниками (нулевое сопротивление) при очень низких температурах. (См. Рисунок 2.) И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с увеличением температуры. Поскольку атомы колеблются быстрее и на больших расстояниях при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, эффективно увеличивая удельное сопротивление.При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC или меньше) удельное сопротивление [латекс] {\ rho} [/ латекс] изменяется с изменением температуры [латекс] {\ Delta T} [/ латекс], как выражается в следующем уравнении

[латекс] {\ rho = \ rho_ {0} (1 + \ alpha \ Delta T)}, [/ latex]

, где [латекс] {\ rho_0} [/ latex] — это исходное удельное сопротивление, а [латекс] {\ alpha} [/ latex] — это температурный коэффициент удельного сопротивления . (См. Значения [латекс] {\ alpha} [/ latex] в Таблице 2 ниже.) При более значительных изменениях температуры [латекс] {\ alpha} [/ latex] может изменяться, или может потребоваться нелинейное уравнение, чтобы найти [ латекс] {\ rho} [/ латекс].Обратите внимание, что [латекс] {\ alpha} [/ latex] положительно влияет на металлы, то есть их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. У манганина (который состоит из меди, марганца и никеля), например, [латекс] {\ alpha} [/ latex] близок к нулю (до трех цифр на шкале в Таблице 2), и поэтому его удельное сопротивление варьируется только слегка с температурой. Это полезно, например, для создания не зависящего от температуры эталона сопротивления.

Рисунок 2. Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — это сверхпроводник примерно до 4,2 К. Выше этой критической температуры его сопротивление совершает внезапный скачок, а затем увеличивается почти линейно с температурой.

Материал	Коэффициент [латекс] {\ alpha} [/ латекс] (1 / ° C) 2
Проводники
Серебро	[латекс] {3.{-3}} [/ латекс]
Таблица 2: Температурные коэффициенты удельного сопротивления [латекс] {\ alpha} [/ латекс]

Обратите внимание, что [латекс] {\ alpha} [/ latex] отрицателен для полупроводников, перечисленных в таблице 2, что означает, что их удельное сопротивление уменьшается с увеличением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высоких температурах, потому что повышенное тепловое перемешивание увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения [латекса] {\ rho} [/ латекса] с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.

Сопротивление объекта также зависит от температуры, поскольку [латекс] {R_0} [/ latex] прямо пропорционален [латексу] {\ rho} [/ latex]. Для цилиндра мы знаем [латекс] {R = \ rho L / A} [/ latex], и поэтому, если [latex] {L} [/ latex] и [latex] {A} [/ latex] не изменяются сильно зависит от температуры, [латекс] {R} [/ латекс] будет иметь такую ​​же температурную зависимость, как [латекс] {\ rho} [/ латекс]. (Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше, чем типичные температурные коэффициенты удельного сопротивления, и поэтому влияние температуры на [латекс] {L} [/ латекс] и [латекс] {A} [ / latex] примерно на два порядка меньше, чем для [latex] {\ rho} [/ latex].) Таким образом,

[латекс] {R = R_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ латекс]

— это температурная зависимость сопротивления объекта, где [латекс] {R_0} [/ латекс] — исходное сопротивление, а [латекс] {R} [/ латекс] — сопротивление после изменения температуры [латекс] {\ Дельта Т} [/ латекс]. Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление. (См. Рис. 3.) Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для определения его температуры.Устройство небольшое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

Рисунок 3. Эти знакомые термометры основаны на автоматическом измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры. (Источник: Biol, Wikimedia Commons)

Пример 2: Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити

Хотя следует соблюдать осторожность при применении [латекса] {\ rho = \ rho_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ latex] и [latex] {R = R_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [ / латекс] для изменений температуры более 100 ° C, для вольфрама уравнения достаточно хорошо работают при очень больших изменениях температуры.{\ circ} C)]} \\ [1em] = & {4.8 \; \ Omega} \ end {array}. [/ latex]

Обсуждение

Это значение согласуется с примером сопротивления фары в примере 1, глава 20.2 Закон Ома: сопротивление и простые схемы.

Исследования PhET: сопротивление в проводе

Узнайте о физике сопротивления в проводе. Измените его удельное сопротивление, длину и площадь, чтобы увидеть, как они влияют на сопротивление провода. Размеры символов в уравнении меняются вместе со схемой провода.

Рисунок 4. Сопротивление в проводе.

• Сопротивление [латекс] {R} [/ латекс] цилиндра длиной [латекс] {L} [/ латекс] и площадью поперечного сечения [латекс] {A} [/ латекс] равно [латекс] {R = \ frac {\ rho L} {A}} [/ latex], где [latex] {\ rho} [/ latex] — удельное сопротивление материала.
• Значения [латекс] {\ rho} [/ латекс] в таблице 1 показывают, что материалы делятся на три группы — проводников, полупроводников и изоляторов .
• Температура влияет на удельное сопротивление; для относительно небольших изменений температуры [латекс] {\ Delta T} [/ latex], удельное сопротивление равно [латекс] {\ rho = \ rho_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ latex], где [латекс] {\ rho_0} [/ latex] — исходное удельное сопротивление, а αα — температурный коэффициент удельного сопротивления.
• В таблице 2 приведены значения температурного коэффициента удельного сопротивления [латекс] {\ alpha} [/ latex].
• Сопротивление [латекс] {R} [/ латекс] объекта также зависит от температуры: [латекс] {R = R_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ латекс], где [латекс] {R_0} [/ latex] — это исходное сопротивление, а [latex] {R} [/ latex] — это сопротивление после изменения температуры.

Концептуальные вопросы

1: В каком из трех полупроводниковых материалов, перечисленных в таблице 1, примеси несут свободные заряды? (Подсказка: изучите диапазон удельного сопротивления для каждого из них и определите, имеет ли чистый полупроводник большую или меньшую проводимость.)

2: Зависит ли сопротивление объекта от пути тока, протекающего через него? Рассмотрим, например, прямоугольный стержень — одинаково ли его сопротивление по длине и по ширине? (См. Рисунок 5.)

Рисунок 5. Встречается ли ток, проходящий двумя разными путями через один и тот же объект, с разным сопротивлением?

3: Если алюминиевый и медный провода одинаковой длины имеют одинаковое сопротивление, какой из них имеет больший диаметр? Почему?

4: Объясните, почему [латекс] {R = R_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ latex] для температурного изменения сопротивления [латекс] {R} [/ латекс] объекта не является с такой же точностью, как [латекс] {\ rho = \ rho_0 (1 + \ alpha \ Delta T)} [/ latex], который дает температурное изменение удельного сопротивления [латекс] {\ rho} [/ latex].

Задачи и упражнения

1: Каково сопротивление отрезка медного провода 12 калибра длиной 20,0 м и диаметром 2,053 мм?

2: Диаметр медного провода нулевого сечения составляет 8,252 мм. Найдите сопротивление такого провода длиной 1,00 км, используемого для передачи энергии.

3: Если вольфрамовая нить диаметром 0,100 мм в лампочке должна иметь сопротивление [латекс] {0.200 \; \ Omega} [/ латекс] при 20,0 ° C, какой длины она должна быть?

4: Найдите отношение диаметра алюминиевого провода к медному, если они имеют одинаковое сопротивление на единицу длины (как в бытовой электропроводке).3 \; \ text {V}} [/ latex] применяется к нему? (Такой стержень можно использовать, например, для изготовления детекторов ядерных частиц.)

6: (a) До какой температуры нужно нагреть медный провод, изначально равный 20,0 ° C, чтобы удвоить его сопротивление, не обращая внимания на любые изменения в размерах? (б) Происходит ли это в бытовой электропроводке при обычных обстоятельствах?

7: Резистор из нихромовой проволоки используется в приложениях, где его сопротивление не может измениться более чем на 1,00% от значения 20.0ºC. В каком температурном диапазоне его можно использовать?

8: Из какого материала изготовлен резистор, если его сопротивление на 40,0% больше при 100 ° C, чем при 20,0 ° C?

9: Электронное устройство, предназначенное для работы при любой температуре в диапазоне от –10,0 ° C до 55,0 ° C, содержит резисторы из чистого углерода. В какой степени их сопротивление увеличивается в этом диапазоне?

10: (a) Из какого материала сделана проволока, если она имеет длину 25,0 м, диаметр 0,100 мм и сопротивление [латекс] {77.7 \; \ Omega} [/ latex] при 20,0ºC? (б) Каково его сопротивление при 150 ° C?

11: Если принять постоянный температурный коэффициент удельного сопротивления, каков максимальный процент уменьшения сопротивления константановой проволоки, начиная с 20,0 ° C?

12: Проволока протягивается через матрицу, растягивая ее в четыре раза по сравнению с исходной длиной. По какому фактору увеличивается его сопротивляемость?

13: Медный провод имеет сопротивление [латекс] {0,500 \; \ Omega} [/ латекс] при 20.{\ circ} \ text {C}} [/ latex]), когда он имеет ту же температуру, что и пациент. Какова температура пациента, если сопротивление термистора при этой температуре составляет 82,0% от его значения при 37,0 ° C (нормальная температура тела)? (b) Отрицательное значение [латекс] {\ alpha} [/ latex] не может поддерживаться при очень низких температурах. Обсудите, почему и так ли здесь. (Подсказка: сопротивление не может стать отрицательным.)

15: интегрированные концепции

(a) Повторите упражнение 2 с учетом теплового расширения вольфрамовой нити.{\ circ} \ text {C}} [/ латекс]. б) На какой процент ваш ответ отличается от приведенного в примере?

16: Необоснованные результаты

(a) До какой температуры нужно нагреть резистор из константана, чтобы удвоить его сопротивление, при условии постоянного температурного коэффициента удельного сопротивления? б) разрезать пополам? (c) Что необоснованного в этих результатах? (d) Какие предположения необоснованны или какие посылки несовместимы?

Сноски

1. Значения сильно зависят от количества и типа примесей
2. Значения при 20 ° C.

Глоссарий

удельное сопротивление

внутреннее свойство материала, независимо от его формы или размера, прямо пропорциональное сопротивлению, обозначенное как ρ

температурный коэффициент удельного сопротивления

эмпирическая величина, обозначенная как α , которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала при температуре

Решения

Задачи и упражнения

1: [латекс] {0.{-3} \; \ text {A}} [/ латекс]

7: от –5ºC до 45ºC

9: 1.03

11: 0,06%

13: −17ºC

15: (a) [латекс] {4.7 \; \ Omega} [/ латекс] (всего)

(б) снижение на 3,0%

7.2 Электрический потенциал и разность потенциалов — University Physics Volume 2

7.2 Электрический потенциал и разность потенциалов

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить электрический потенциал, напряжение и разность потенциалов
• Определите электрон-вольт
• Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
• Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
• Применение экономии энергии в электрических системах

Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет при произвольном пробном заряде.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку W = F → · d → W = F → · d →, а направление и величина F → F → могут быть сложными для нескольких зарядов, для объектов нечетной формы и вдоль произвольных путей. .Но мы знаем, что, поскольку F → = qE → F → = qE →, работа и, следовательно, ΔU, ΔU, пропорциональны испытательному заряду q . Чтобы получить физическую величину, не зависящую от испытательного заряда, мы определяем электрический потенциал В (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:

Электрический потенциал

Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда составляет

Поскольку U пропорционально q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии ΔUΔU имеет решающее значение, поэтому нас беспокоит разность потенциалов или разность потенциалов ΔVΔV между двумя точками, где

ΔV = VB − VA = ΔUq.ΔV = VB − VA = ΔUq.

Разница в электрическом потенциале

Разность электрических потенциалов между точками A и B , VB-VA, VB-VA, определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного с A на B , деленное на заряд.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.

Знакомый термин «напряжение» — это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение — это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете как ноль вольт, произвольна. Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например уровень моря или, возможно, пол лекционного зала.Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.

Разница потенциалов и электрическая потенциальная энергия

Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется формулой

. ΔV = ΔUqorΔU = qΔV.ΔV = ΔUqorΔU = qΔV.

7,5

Напряжение — это не то же самое, что энергия. Напряжение — это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между выводами аккумулятора), но при этом один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что ΔU = qΔV.ΔU = qΔV. Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора — 12 В.

Пример 7,4

Расчет энергии

У вас есть мотоциклетный аккумулятор на 12,0 В, способный обеспечить заряд на 5000 градусов Цельсия, и автомобильный аккумулятор на 12,0 В, способный обеспечить заряд на 60 000 градусов Цельсия. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда с точностью до трех значащих цифр.)

Стратегия

Сказать, что у нас есть батарея на 12,0 В, означает, что на ее выводах есть 12.Разность потенциалов 0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное ΔU = qΔV.ΔU = qΔV. Чтобы найти выход энергии, мы умножаем перемещенный заряд на разность потенциалов.

Решение

Для аккумулятора мотоцикла q = 5000Cq = 5000C и ΔV = 12,0VΔV = 12,0V. Полная энергия, отдаваемая аккумулятором мотоцикла, составляет ΔUцикл = (5000 ° C) (12,0 В) = (5000 ° C) (12,0 Дж / ° C) = 6,00 × 104 Дж. ΔUцикл = (5000 ° C) (12,0 В) = (5000 ° C) (12.0Дж / Кл) = 6,00 × 104Дж.

Аналогично для автомобильного аккумулятора q = 60,000 Cq = 60,000C и

ΔUcar = (60,000C) (12,0В) = 7,20 × 105Дж. ΔUcar = (60,000C) (12,0В) = 7,20 × 105Дж.

Значение

Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжается, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора.Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.

Проверьте свое понимание 7,4

Проверьте свое понимание Сколько энергии имеет батарея AAA на 1,5 В, способная перемещаться на 100 градусов Цельсия?

Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд — в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам ( B ), как показано на рисунке 7.12. Изменение потенциала составляет ΔV = VB − VA = + 12 В ΔV = VB − VA = + 12 В, а заряд q отрицательный, так что ΔU = qΔVΔU = qΔV является отрицательным, что означает, что потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместился с A на B .

Фигура 7.12 Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательной клеммы через фару к положительной клемме. Соответствующие комбинации химикатов в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод находится под более высоким напряжением, чем отрицательный. Внутри аккумулятора движутся как положительные, так и отрицательные заряды.

Пример 7,5

Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?

Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?

Стратегия

Чтобы узнать количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который перемещается за 1,00 с. Перемещаемый заряд связан с напряжением и энергией посредством уравнений ΔU = qΔV.ΔU = qΔV. Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 джоулей в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем ΔU = -30JΔU = -30J и, поскольку электроны переходят от отрицательного вывода к положительному, мы видим, что ΔV = + 12.0 В. ΔV = + 12,0 В.

Решение

Чтобы найти заряд q перемещенного, решаем уравнение ΔU = qΔV: ΔU = qΔV:

Вводя значения ΔUΔU и ΔVΔV, получаем

q = −30.0J + 12.0V = −30.0J + 12.0J / C = −2.50C. q = −30.0J + 12.0V = −30.0J + 12.0J / C = −2,50C.

Число электронов nene — это общий заряд, деленный на заряд одного электрона. То есть

ne = −2,50C − 1,60 · 10−19C / e− = 1,56 · 1019 электронов. ne = −2,50C − 1,60 · 10−19C / e− = 1,56 · 1019 электронов.

Значение

Это очень большое количество.Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельные электроны, так много которых присутствует в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих обстоятельствах были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном отрицательному, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или оба движутся.

Проверьте свое понимание 7,5

Проверьте свое понимание Сколько электронов прошло бы через 24.Лампа 0 Вт каждую секунду от 12-вольтового автомобильного аккумулятора?

Электрон-вольт

Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере — крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб.Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.

На рис. 7.13 показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму — например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «спуск» для электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением ΔU = qΔVΔU = qΔV, мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.

Фигура 7,13 Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами. По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, поэтому KE = qVKE = qV. Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.Концептуальная конструкция, а именно две параллельные пластины с отверстием в одной, показана на (a), а реальная электронная пушка показана на (b).

Электрон-вольт

В субмикроскопическом масштабе удобнее определять единицу энергии, называемую электрон-вольт (эВ), которая представляет собой энергию, передаваемую фундаментальному заряду, ускоренному через разность потенциалов в 1 В. В форме уравнения:

1эВ = (1,60 × 10−19C) (1V) = (1,60 × 10−19C) (1J / C) = 1,60 × 10−19J. 1эВ = (1,60 × 10−19C) (1V) = (1,60 × 10− 19C) (1J / C) = 1.60 × 10−19Дж.

Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный до 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.

Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах — химические валентные энергии, молекулярные и ядерные энергии связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разрушить до 6000 этих молекул (30 000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул).(30,000 эВ ÷ 5 эВ на молекулу = 6000 молекул). Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может нанести значительный биологический ущерб.

Сохранение энергии

Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого добавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.

Механическая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть K + U = константа.K + U = постоянная. Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как

или

, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.

Пример 7,6

Электрическая потенциальная энергия, преобразованная в кинетическую энергию

Вычислите конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя, через разность потенциалов 100 В.(Предположим, что это числовое значение имеет точность до трех значащих цифр.)

Стратегия

У нас есть система, в которой действуют только консервативные силы. Предполагая, что электрон ускоряется в вакууме, и пренебрегая гравитационной силой (мы проверим это предположение позже), вся электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Мы можем идентифицировать начальную и конечную формы энергии как Ki = 0, Kf = 12mv2, Ui = qV, Uf = 0. Ki = 0, Kf = 12mv2, Ui = qV, Uf = 0.

Решение

Сохранение энергии утверждает, что

Вводя указанные выше формы, получаем

Решаем это для v :

Ввод значений для q , V и м дает

v = 2 (−1.60 × 10−19C) (- 100Дж / C) 9,11 × 10−31 кг = 5,93 × 106 м / зв = 2 (−1.60 × 10−19C) (- 100Дж / C) 9,11 × 10−31 кг = 5,93 × 106 м / с .

Значение

Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке 7.13. Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы.В электронных пушках обычно используются напряжения, намного превышающие 100 В. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, и поэтому они оставлены для более поздней главы (Теория относительности). Вот почему в этом примере мы рассматриваем низкое напряжение (точно).

Проверьте свое понимание 7,6

Проверьте свое понимание Как этот пример изменится с позитроном? Позитрон идентичен электрону, за исключением того, что заряд положительный.

Напряжение и электрическое поле

До сих пор мы исследовали взаимосвязь между напряжением и энергией. Теперь мы хотим изучить взаимосвязь между напряжением и электрическим полем. Начнем с общего случая для неоднородного поля E → E →. Напомним, что наша общая формула для потенциальной энергии пробного заряда q в точке P относительно реперной точки R равна

UP = −RPF → · dl → .UP = −RPF → · dl →.

Когда мы подставляем в определение электрического поля (E → = F → / q), (E → = F → / q), это становится

UP = −q∫RPE → · dl →.UP = −q∫RPE → · dl →.

Применяя наше определение потенциала (V = U / q) (V = U / q) к этой потенциальной энергии, мы находим, что в общем случае

VP = −RPE → · dl → .VP = −RPE → · dl →.

7,6

Из нашего предыдущего обсуждения потенциальной энергии заряда в электрическом поле результат не зависит от выбранного пути, и, следовательно, мы можем выбрать наиболее удобный интегральный путь..доктор

, что упрощается до

Vr = −∫∞rkqr2dr = kqr − kq∞ = kqr.Vr = −∫∞rkqr2dr = kqr − kq∞ = kqr.

Этот результат,

— это стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.

Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле E → E → создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) ΔVΔV на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных A и B (рис. 7.14). Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля.Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.

Фигура 7,14 Соотношение между V и E для параллельных проводящих пластин составляет E = V / dE = V / d. (Обратите внимание, что ΔV = VABΔV = VAB по величине. Для заряда, который перемещается от пластины A при более высоком потенциале к пластине B при более низком потенциале, необходимо включить знак минус следующим образом: −ΔV = VA − VB = VAB. − ΔV = VA − VB = VAB.)

С точки зрения физика, для описания любого взаимодействия между зарядами можно использовать ΔVΔV или E → E →.Однако ΔVΔV является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как E → E → является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена ​​как E .) Связь между ΔVΔV и E → E → выявляется путем вычисления работы, совершаемой электрической силой при перемещении заряда из точки A. к пункту B . Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.

Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке 7.14 по перемещению положительного заряда q от A , положительная пластина, более высокий потенциал, к B , отрицательная пластина, более низкий потенциал, составляет

. W = −ΔU = −qΔV.W = −ΔU = −qΔV.

Разница потенциалов между точками A и B равна

−ΔV = — (VB − VA) = VA − VB = VAB. − ΔV = — (VB − VA) = VA − VB = VAB.

Если ввести это в выражение для работы, получится

Работа — это W = F → · d → = FdcosθW = F → · d → = Fdcosθ; здесь cosθ = 1cosθ = 1, так как путь параллелен полю.Таким образом, W = FdW = Fd. Поскольку F = qEF = qE, мы видим, что W = qEdW = qEd.

Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает

Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками A и B получаем

VAB = EdE = VABd} (только uniformE-field) VAB = EdE = VABd} (только uniformE-field)

, где d — это расстояние от A до B , или расстояние между пластинами на рисунке 7.14. Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля — вольт на метр.Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля — ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:

Кроме того, мы можем продолжить это до интегральной формы. Подставляя уравнение 7.5 в наше определение разности потенциалов между точками A и B , мы получаем

VBA = VB − VA = −∫RBE → · dl → + ∫RAE → · dl → VBA = VB − VA = −∫RBE → · dl → + ∫RAE → · dl →

, что упрощается до

VB − VA = −ABE → · dl → .VB − VA = −ABE → · dl →.

В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A и B ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке 7.= 0 и, следовательно,

Этот результат, заключающийся в отсутствии разницы в потенциале вдоль постоянного радиуса от точечного заряда, пригодится при отображении потенциалов.

Пример 7,7

Какое максимально возможное напряжение между двумя пластинами?

Сухой воздух может поддерживать максимальную напряженность электрического поля около 3,0 × 106 В / м. 3,0 × 106 В / м. Выше этого значения поле создает достаточную ионизацию в воздухе, чтобы сделать воздух проводником. Это допускает разряд или искру, которые уменьшают поле.Каково же максимальное напряжение между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными 2,5 см сухого воздуха?

Стратегия

Нам дано максимальное электрическое поле E между пластинами и расстояние d между ними. Мы можем использовать уравнение VAB = EdVAB = Ed для расчета максимального напряжения.

Решение

Разность потенциалов или напряжение между пластинами составляет

Ввод данных значений для E и d дает

VAB = (3.0 × 106 В / м) (0,025 м) = 7,5 × 104 VVAB = (3,0 × 106 В / м) (0,025 м) = 7,5 × 104 В

или

(Ответ состоит только из двух цифр, поскольку максимальная напряженность поля является приблизительной.)

Значение

Одним из следствий этого результата является то, что требуется около 75 кВ, чтобы совершить скачок искры через зазор размером 2,5 см (1 дюйм), или 150 кВ для искры 5 см. Это ограничивает напряжения, которые могут существовать между проводниками, возможно, на линии электропередачи. Меньшее напряжение может вызвать искру, если на поверхности есть шипы, поскольку острые точки имеют большую напряженность поля, чем гладкие поверхности.Влажный воздух разрушается при более низкой напряженности поля, а это означает, что меньшее напряжение заставит искру проскочить через влажный воздух. Наибольшие напряжения могут создаваться статическим электричеством в засушливые дни (рис. 7.16).

Фигура 7,16 Искровая камера используется для отслеживания пути частиц высоких энергий. Ионизация, создаваемая частицами при прохождении через газ между пластинами, позволяет искре прыгнуть. Искры расположены перпендикулярно пластинам, следуя силовым линиям электрического поля между ними.Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, производимой частицами из экспериментов с ускорителем (или космическими лучами). Эта форма детектора сейчас устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)

Пример 7,8

Поле и сила внутри электронной пушки

Электронная пушка (рис. 7.13) имеет параллельные пластины, разделенные расстоянием 4,00 см, и дает 25 электронов.0 кэВ энергии. а) Какова напряженность электрического поля между пластинами? (б) Какую силу это поле окажет на кусок пластика с зарядом 0,500 мкКл0,500 мкКл, который проходит между пластинами?

Стратегия

Поскольку напряжение и расстояние между пластинами указаны, напряженность электрического поля можно рассчитать непосредственно из выражения E = VABdE = VABd. Зная напряженность электрического поля, мы можем найти силу, действующую на заряд, используя F → = qE → .F → = qE →. Поскольку электрическое поле имеет только одно направление, мы можем записать это уравнение в терминах величин: F = qEF = qE.

Решение

1. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами имеет вид Поскольку электрон является однозарядным и получает энергию 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Вводя это значение для VABVAB и расстояния между плитами 0,0400 м, получаем E = 25,0 кВ 0,0400 м = 6,25 × 105 В / м. E = 25,0 кВ 0,0400 м = 6,25 × 105 В / м.
2. Величина силы, действующей на заряд в электрическом поле, получается из уравнения Подстановка известных значений дает F = (0.500 × 10–6C) (6,25 × 105 В / м) = 0,313 Н. F = (0,500 × 10–6 ° C) (6,25 × 105 В / м) = 0,313 Н.

Значение

Обратите внимание, что единицы измерения — ньютоны, так как 1V / m = 1N / C1V / m = 1N / C. Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, сила, действующая на заряд, одинакова независимо от того, где находится заряд между пластинами.

Пример 7.9

Расчет потенциала точечного заряда

Учитывая точечный заряд q = + 2.0nCq = + 2.0nC в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой P1P1 на расстоянии a = 4.= 0 и, следовательно, ΔV = 0. ΔV = 0. Складывая две части вместе, получаем 300 В.

Значение

Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.

Проверьте свое понимание 7,7

Проверьте свое понимание Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.

Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.

Стратегия решения проблем

Электростатика

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
2. Укажите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую — если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные).

   No related posts.