Электрический проводник

В физике и электротехнике проводник - это объект или тип материала , который позволяет поток заряда ( электрический ток ) в одном или нескольких направлениях. Материалы, изготовленные из металла, являются общими электрическими проводниками. Поток отрицательно заряженных электронов генерирует электрический ток, положительно заряженные отверстия положительные или отрицательные ионы , а в некоторых случаях .

Для того, чтобы ток протекал в замкнутой электрической цепи , одной заряженной частице не нужно перемещаться от компонента, производящего ток ( источник тока ), к тем, кто его потребляет ( нагрузки ). Вместо этого заряженная частица просто должна подтолкнуть своего соседа на конечное количество, который подталкивает его соседа, а также, пока частица не будет обнаружена в потребителю, тем самым питает его. По сути, что происходит, является длинной цепью передачи импульса мобильного между носителями заряда ; Модель Drude проводимости описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором для проводника; Металлы, характерно, обладают делокализованным морем электронов , которое дает электроны достаточно подвижности для столкновения и, таким образом, влияет на передачу импульса.

Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; Однако другие устройства, такие как катионные электролиты (ы) батареи или мобильные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на положительные носители заряда. Изоляторы -это непроводящие материалы с небольшим количеством мобильных зарядов, которые поддерживают только незначительные электрические токи.

Сопротивление и проводимость

Сопротивление . данного проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, и от его измерений Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. ^{[ 1 ]} Например, толстая медная проволока обладает более низким сопротивлением, чем иначе идентичный тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; Например, длинная медная проволока обладает более высоким сопротивлением, чем иначе идентичный короткий медный провод. Следовательно, сопротивление $r$ и проводимость $g$ проводника равномерного поперечного сечения могут быть рассчитаны как ^{[ 1 ]}

{\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned}}

где $\ell$ Длина проводника, измеренная в метрах [M], A -это площадь поперечного сечения проводника, измеренная в квадратных метрах [M ²], σ ( Sigma ) - это электрическая проводимость , измеренная в Siemens на метр (S · M ⁻¹), а ρ ( rho )-это электрическое удельное сопротивление (также называемое удельное электрическое сопротивление ) материала, измеренного в ом-мелках (ω · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого изготовлен провод, а не геометрию провода. Удельное сопротивление и проводимость являются взаимными : $\rho =1/\sigma$ Полем Удельное сопротивление является мерой способности материала противостоять электрическому току.

Эта формула не является точной: она предполагает, что плотность тока является совершенно равномерной в проводнике, что не всегда верно в практической ситуации. Тем не менее, эта формула по -прежнему обеспечивает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.

Другая ситуация эта формула не является точной для переменного тока (AC), потому что эффект кожи ингибирует поток тока вблизи центра проводника. Затем геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше, чем ожидалось. Точно так же, если два проводника находятся рядом друг с другом, неся ток переменного тока, их сопротивление увеличивается из -за эффекта близости . При коммерческой частоте электроэнергии эти эффекты являются значимыми для крупных проводников, несущих большие токи, такие как шины в электрической подстанции , ^{[ 2 ]} Или большие кабели силовых, несущие более нескольких сотен ампер.

Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами, первым является то, что материалы могут расширяться при применении тепла. Количество, которое материал будет расширять, регулируется коэффициентом теплового расширения, специфичным для материала. Такое расширение (или сокращение) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характерное сопротивление. Однако этот эффект, как правило, невелик, по порядку 10 ⁻⁶Полем Повышение температуры также увеличит количество фононов, генерируемых в материале. Фонон , по сути, является решеткой, или, скорее, маленьким гармоническим кинетическим движением атомов материала. Подобно встряхиванию машины для пинбола, фононы служат для нарушения пути электронов, заставляя их разбросать. Это электронное рассеяние уменьшит количество электронных столкновений и, следовательно, уменьшит общее количество передаваемого тока.

Материалы для проводника

Материал	ρ [ω · м] при 20 ° C	s [ ⁠ S / M ⁠ ] и 20 ° C
Серебро, Аг	1.59 × 10 ⁻⁸	6.30 × 10 ⁷
Медь, с	1.68 × 10 ⁻⁸	5.96 × 10 ⁷
Алюминий, Ал	2.82 × 10 ⁻⁸	3.50 × 10 ⁷

С материалами проводимости включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .

Медь обладает высокой проводимостью . Отжигая медь является международным стандартом, с которым сравниваются все другие электрические проводники; Международная отжигающая стандартная проводимость меди составляет 58 мс/м , хотя медная медь сверхчистая может немного превышать 101% IAC. Основным классом меди, используемой для электрических применений, таких как проволока здания, моторные обмотки, кабели и шины , представляет собой электролитическое качель (ETP) медь (CW004A или ASTM . Обозначение C100140). Если медь с высокой проводимостью должна быть сварена , сбора или использования в восстановительной атмосфере, то не без кислорода высокая проводимость (CW008A или ASTM. Обозначение C10100). может использоваться ^{[ 3 ]} Из-за простоты связи путем пайки или зажима медь все еще является наиболее распространенным выбором для большинства световых проводов.

Серебро на 6% более проводящему, чем медь, но из -за стоимости в большинстве случаев это не практично. Тем не менее, он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , и в качестве тонкого покрытия для смягчения потери эффекта кожи на высоких частотах. Известно, что 14 700 коротких тонн (13 300 т) серебра в аренде из Казначейства Соединенных Штатов были использованы при создании калутронных магнитов во время Второй мировой войны из -за нехватки меди военного времени. ^{[ 4 ]}

Алюминиевая проволока является наиболее распространенным металлом в электроэнергии передаче и распределении . Хотя только 61% проводимости меди по площади поперечного сечения, его более низкая плотность делает его вдвое проводящим по массе. Поскольку алюминий составляет примерно одну треть стоимость меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются крупные проводники.

Недостатки алюминиевой проводки лежат в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, что устанавливает нагревание соединений. Его больший коэффициент теплового расширения , чем латунные материалы, используемые для разъемов, приводит к ослаблению соединений. Алюминий также может «ползть», медленно деформируясь при нагрузке, что также ослабляет соединения. Эти эффекты могут быть смягчены с помощью подходящих разъемов и дополнительной помощи в установке, но они сделали проводку алюминиевого здания непопулярной после падения обслуживания .

Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут провести электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку оно не теряет и не получает электроны, таким образом, не образует ионов. Ковалентные связи - это просто совместное использование электронов. Следовательно, нет разделения ионов, когда через него передается электричество. Жидкости, изготовленные из соединений с только ковалентными связями, не могут провести электричество. Некоторые органические ионные жидкости , напротив, могут провести электрический ток.

В то время как чистая вода не является электрическим проводником, даже небольшая часть ионных примесей, таких как соль , может быстро превратить его в проводник.

Размер провода

Провода измеряются по площади поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются американским проводным датчиком для более мелких и круговых мил для более крупных.

Проводник амбалести

Усиленность которое проводника, то есть количество тока, он может нести, связана с его электрическим сопротивлением: проводник с низким уровнем устойчивости может носить большее значение тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого проводник сделан (как описано выше) и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.

Для голой проводников конечный предел - это точка, в которой власть, потерянная для сопротивления, заставляет проводника растопить. Однако, помимо предохранителей , большинство дирижеров в реальном мире управляются намного ниже этого предела. Например, проводка домохозяйств обычно изолирована изоляцией из ПВХ , которая оценивается только для работы до примерно 60 ° C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы никогда не нагревать медный проводник выше 60 ° C, вызывая риск огонь . Другая, более дорогостоящая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно, может позволить работать при гораздо более высоких температурах.

Изотропия

Если электрическое поле применяется к материалу, а результирующий индуцированный электрический ток находится в том же направлении, считается, что материал является изотропным электрическим проводником . Если полученный электрический ток находится в другом направлении, чем на приложенном электрическом поле, материал, как говорят, является анизотропным электрическим проводником .

Смотрите также

Классификация материалов на основе диэлектрической проницаемости
$⁠ ε r ″ / ε r' ⁠$	Текущая проводимость	Полевое распространение
0		Идеальный диэлектрик Без потерь среда
≪ 1	Материал с низкой передачей Плохой дирижер	Среда с низким потерей Хороший диэлектрик
≈ 1	Потерящий материал	Среда распространения потерь
≫ 1	Материал с высокой передачей хороший дирижер	Среда с высокой потерей Плохой диэлектрик
∞	идеальный дирижер

Проводник пакета
Комплекс переноса заряда
Электрический кабель
Электрическое удельное сопротивление и проводимость
Четвертый рельс
Накладная линия
Стивен Грей , сначала для выявления электрических проводников и изоляторов
Сверхпроводимость
Третий рельс

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} «Размеры проволоки и сопротивление» (PDF) . Получено 2018-01-14 .
^ Fink и Beaty, стандартное руководство для инженеров -электриков 11 -е издание , страницы 17–19
^ «Высокая проводимость (электрические)» . Ассоциация развития меди (Великобритания). Архивировано с оригинала 2013-07-20 . Получено 2013-06-01 .
^ «От казначейского хранилища до проекта Манхэттена» (PDF) . Американский ученый . Получено 2022-10-27 .

Дальнейшее чтение

Новаторские и исторические книги

Уильям Генри Прис. На электрических проводниках . 1883.
Оливер Хависайд. Электрические бумаги . Макмиллан, 1894.

Справочники

Ежегодная книга стандартов ASTM: электрические проводники. Американское общество тестирования и материалов. (Каждый год)
IET Правила проводки. Учреждение для технического инженера и технологий. wyingregulations.net Архивировал 2021-04-02 на машине Wayback

Внешние ссылки

[:0-1] Jump up to: ^а ^{беременный} «Размеры проволоки и сопротивление» (PDF) . Получено 2018-01-14 .

[2] Fink и Beaty, стандартное руководство для инженеров -электриков 11 -е издание , страницы 17–19

[3] «Высокая проводимость (электрические)» . Ассоциация развития меди (Великобритания). Архивировано с оригинала 2013-07-20 . Получено 2013-06-01 .

[4] «От казначейского хранилища до проекта Манхэттена» (PDF) . Американский ученый . Получено 2022-10-27 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]