Online Unit Converters • Електротехніка • Конвертер питомої електричного опору • Компактний калькулятор

1. Загальні відомості
2. Історична довідка
3. Питомий електричний опір. визначення
4. Питомі електричні опори різних середовищ. фізика явищ
5. Питомий електричний опір рідин (електролітів)
6. Питомий опір ізоляторів
7. Питомий електричний опір різних грунтів
8. електротомографія
9. Визначення питомої опору на практиці

Високовольтна лінія йде на північ від атомної електростанції в Пікерінг, Онтаріо, Канада

Загальні відомості

Історична довідка

Питомий електричний опір. визначення

Питомі електричні опори різних середовищ. фізика явищ

Питомі електричні опори металів і їх сплавів, напівпровідників і діелектриків

Питомий електричний опір рідин (електролітів)

Питомий опір ізоляторів

Питомий електричний опір різних грунтів

електротомографія

Визначення питомої опору на практиці

Загальні відомості

Алюмінієвий дріт високовольтної лінії електропередачі

Як тільки електрику покинуло лабораторії вчених і стало широко впроваджуватися в практику повсякденного життя, постало питання про пошук матеріалів, що володіють певними, часом зовсім протилежними, характеристиками по відношенню до протікання через них електричного струму.

Трубчастий нагрівач кухонної плити

Наприклад, при передачі електричної енергії на далеку відстань, до матеріалу проводів пред'являлися вимоги мінімізації втрат через джоулева нагріву в поєднанні з малими ваговими характеристиками. Прикладом тому є всім знайомі високовольтні лінії електропередач, виконані з алюмінієвих проводів зі сталевим сердечником.

Або, навпаки, для створення компактних трубчастих електронагрівачів були потрібні матеріали з відносно високим електричним опором і високою термостійкістю. Найпростішим прикладом приладу, в якому застосовуються матеріали з подібними властивостями, може служити конфорка звичайної кухонної електроплити.

Від провідників, використовуваних в біології та медицині в якості електродів, зондів і щупів, потрібна висока хімічна стійкість і сумісність з біоматеріалами в поєднанні з малим контактним опором.

Вольфрамова спіраль лампи розжарювання

До розробки такого нині звичного всім приладу, як лампа розжарювання, свої зусилля доклала ціла плеяда винахідників з різних країн: Англії, Росії, Німеччини, Угорщини та США. Томас Едісон, провівши понад тисячу дослідів перевірки властивостей матеріалів, придатних на роль ниток напруження, створив лампу з платинової спіраллю. Лампи Едісона, хоча і мали високий термін експлуатації, але не були практичними через високу вартість вихідного матеріалу.

Наступні роботи російського винахідника Лодигіна, який запропонував використовувати в якості матеріалів нитки відносно дешеві тугоплавкі вольфрам і молібден з більш високим питомим опором, знайшли практичне застосування. До того ж Лодигін запропонував відкачувати з балонів ламп розжарювання повітря, замінюючи його інертними або благородними газами, що призвело до створення сучасних ламп розжарювання. Піонером масового виробництва доступних і довговічних електричних ламп стала компанія General Electric, якій Лодигін переуступив права на свої патенти і далі успішно працював в лабораторіях компанії довгий час.

Низька якість електропроводки часто є причиною пожеж в каркасних будинках

Цей перелік можна продовжувати, оскільки допитливий людський розум настільки винахідливий, що часом для вирішення певної технічної задачі йому потрібні матеріали з небаченими досі властивостями або з неймовірними сполученнями цих властивостей. Природа вже не встигає за нашими апетитами і вчені всіх країн світу включилися в гонку створення матеріалів, які не мають природних аналогів.

Однією з найважливіших характеристик як природних, так і синтезованих матеріалів є питомий електричний опір. Прикладом електричного приладу, в якому в чистому вигляді застосовується ця властивість, може служити плавкий запобіжник, що захищає нашу електро- і електронну апаратуру від дії струму, що перевищує допустимі значення.

При цьому треба зауважити, що саме саморобні замінники стандартних запобіжників, виконані без знань питомого опору матеріалу, часом служать причиною не тільки вигорання різних елементів електричних схем, але і виникнення пожеж в будинках і загоряння проводки в автомобілях.

Різні плавкі запобіжники, що застосовуються для захисту електронної апаратури

Те ж саме відноситься і до заміни запобіжників в силових мережах, коли замість запобіжника меншого номіналу встановлюється запобіжник з великим номіналом струму спрацьовування. Це призводить до перегріву електропроводки і навіть, як наслідок, до виникнення пожеж з сумними наслідками. Особливо це притаманно каркасних будинків.

Історична довідка

Поняття питомого електричного опір з'явилося завдяки працям відомого німецького фізика Георга Ома, який теоретично обґрунтував і в ході численних експериментів довів зв'язок між силою струму, електрорушійної силою батареї і опором всіх частин ланцюга, відкривши таким чином закон елементарної електричного кола, названим потім його ім'ям. Ом досліджував залежність величини струму, що протікає від величини прикладеної напруги, від довжини і форми матеріалу провідника, а також від роду матеріалу, що використовується в якості провідного середовища.

При цьому треба віддати належне роботам сера Гемфрі Деві, англійського хіміка, фізика і геолога, який першим встановив залежності електричного опору провідника від його довжини і площі поперечного перерізу, а також зазначив залежність електропровідності від температури.

Досліджуючи залежності протікання електричного струму від роду матеріалів, Ом виявив, що кожен доступний йому проводить матеріал мав деякої властивою тільки йому характеристикою опору протіканню струму.

Треба зауважити, що за часів Ома один з найбільш звичайних нині провідників - алюміній - мав статус особливо дорогоцінного металу, тому Ом обмежився дослідами з міддю, сріблом, золотом, платиною, цинком, оловом, свинцем і залізом.

В кінцевому підсумку Ом ввів поняття питомої електричного опору матеріалу як фундаментальної характеристики, абсолютно нічого не знаючи ні про природу протікання струму в металах, ні про залежність їх опору від температури.

Питомий електричний опір. визначення

Питомий електричний опір або просто питомий опір - фундаментальна фізична характеристика провідного матеріалу, яка характеризує здатність речовини перешкоджати пригодами електричного струму. Позначається грецької буквою ρ (вимовляється як ро) і розраховується виходячи з емпіричної формули для розрахунку опору, отриманої Георгом Омом.

R = ρ ∙ L / S

або, звідси

ρ = R ∙ S / L

де R - опір в Омах, S - площа в м² /, L - довжина в м

Розмірність питомої електричного опору в Міжнародній системі одиниць СІ виражається в Ом • м.

Це опір провідника довжиною в 1 м і площею поперечного перерізу в 1 м² / величиною в 1 Ом.

В електротехніці, для зручності розрахунків, прийнято користуватися похідною величини питомого електричного опору, яка виражається в Ом • мм ² / м. Значення питомої опору для найбільш поширених металів і їх сплавів можна знайти у відповідних довідниках.

У таблицях 1 і 2 наведені значення питомих опорів різних найбільш поширених матеріалів.

Таблиця 1. Питомий опір деяких металів

Таблиця 2. Питомий опір поширених сплавів

джерело: Стаття у Вікіпедії «Питомий електричний опір» зі змінами та доповненнями

кристал кварцу

Питомі електричні опори різних середовищ. фізика явищ

Питомі електричні опори металів і їх сплавів, напівпровідників і діелектриків

Сьогодні, озброєні знаннями, ми в змозі заздалегідь прорахувати питомий електричний опір будь-якого, як природного, так і синтезованого матеріалу виходячи з його хімічного складу і передбачуваного фізичного стану.

Ці знання допомагають нам найкращим чином використовувати можливості матеріалів, часом досить екзотичні та унікальні.

У силу сформованих уявлень, з точки зору фізики тверді тіла поділяються на кристалічні, полікристалічні і аморфні речовини.

Кварцові резонатори в різних пристроях

Найпростіше, в сенсі технічного розрахунку питомої опору або його вимірювання, справа йде з аморфними речовинами. Вони не мають вираженої кристалічної структури (хоча і можуть мати мікроскопічні включення таких речовин), відносно однорідні за хімічним складом і виявляють характерні для даного матеріалу властивості.

У полікристалічних речовин, утворених сукупністю відносно дрібних кристалів одного хімічного складу, поведінка властивостей не надто відрізняється від поведінки аморфних речовин, оскільки питомий електричний опір, як правило, визначається як інтегральне сукупне властивість даного зразка матеріалу.

Кварцовий резонатор у формі камертона в корпусі і зі знятим корпусом

Складніша справа з кристалічними речовинами, особливо з монокристалами, які мають різне питомий електричний опір і інші електричні характеристики щодо осей симетрії їх кристалів. Це властивість називається анізотропією кристала і широко використовується в техніці, зокрема, в радіотехнічних схемах кварцових генераторів, де стабільність частоти визначається саме генерацією частот, властивих даному кристалу кварцу.

Кожен з нас, будучи власником комп'ютера, планшета, мобільного телефону або смартфона, включаючи власників наручних електронних годинників аж до iWatch, одночасно є володарем кришталика кварцу. З цього можна судити про масштаби використання в електроніці кварцових резонаторів, що обчислюються десятками мільярдів.

Крім іншого, питомий опір багатьох матеріалів, особливо напівпровідників, залежить від температури, тому довідкові дані зазвичай наводяться із зазначенням температури вимірювання, зазвичай дорівнює 20 ° С.

Унікальні властивості платини, яка має постійну і добре вивчену залежність питомого електричного опору від температури, а також можливість отримання металу високої чистоти послужили передумовою створення на її основі датчиків в широкому діапазоні температур.

Для металів розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків і хімічної чистотою металу даного зразка.

Для сплавів більш сильний розкид довідкових значень питомого опору обумовлений способами виготовлення зразків і непостійністю складу сплаву.

Питомий електричний опір рідин (електролітів)

Вода має максимальну щільність при 4 ° С

В основі розуміння питомої опору рідин лежать теорії термічної дисоціації і рухливості катіонів та аніонів. Наприклад, в найпоширенішою рідини на Землі - звичайній воді, деяка частина її молекул під впливом температури розпадається на іони: катіони Н + і аніони ОН. При подачі зовнішнього напруги на електроди, занурені в воду при звичайних умовах, виникає струм, обумовлений переміщенням вищезазначених іонів. Як з'ясувалося, у воді утворюються цілі асоціації молекул - кластери, часом з'єднуються з катіонами Н + або аніонами ОН-. Тому передача іонів кластерами під впливом електричної напруги відбувається так: приймаючи іон в напрямку прикладеного електричного поля з одного боку, кластер «скидає» аналогічний іон з іншого боку. Наявність у воді кластерів прекрасно пояснює той науковий факт, що при температурі близько 4 ° C вода має найбільшу щільність. Велика частина молекул води при цьому знаходиться в кластерах через дії водневих і ковалентних зв'язків, практично в квазікрісталліческая стані; термодіссоціація при цьому мінімальна, а утворення кристалів льоду, який має більш низьку щільність (лід плаває у воді), ще не почалося.

В цілому проявляється більш сильна залежність питомої опору рідин від температури, тому ця характеристика завжди вимірюється при температурі в 293 K, що відповідає температурі 20 ° C.

Крім води є велика кількість інших розчинників, здатних створювати катіони і аніони розчиняються речовин. Знання та вимірювання питомого опору таких розчинів також має велике практичне значення.

Для водних розчинів солей, кислот і лугів істотну роль у визначенні питомої опору розчину грає концентрація розчиненої речовини. Прикладом може служити наступна таблиця, в якій наведені значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин при температурі 18 ° С:

Таблиця 3. Значення питомих опорів різних розчинених у воді речовин при температурі 18 ° С

Дані таблиці взяті з Короткого фізико-технічного довідника, Том 1, - М .: 1960

Кольорова гнучка поліхлорвінілова і рідка ізоляційної стрічки

Питомий опір ізоляторів

Величезне значення в галузях електротехніки, електроніки, радіотехніки і робототехніки грає цілий клас різних речовин, що має відносно високий питомий опір. Незалежно від їх агрегатного стану, будь воно тверде, рідке або газоподібне, такі речовини називаються ізоляторами. Такі матеріали використовуються для ізолювання окремих частин електричних схем одна від одної.

Прикладом твердих ізоляторів може служити всім знайома гнучка ізоляційна стрічка, завдяки якій ми відновлюємо ізоляцію при з'єднанні різних проводів. Багатьом знайомі порцелянові ізолятори підвіски повітряних ліній електропередач, текстолітові плати з електронними компонентами, що входять до складу більшості виробів електронної техніки, кераміка, скло та багато інших матеріалів. Сучасні тверді ізоляційні матеріали на базі пластмас і еластомерів роблять безпечним використання електричного струму різних напруг в найрізноманітніших пристроях і приладах.

Потужні знижувальні трансформатори на трансформаторній підстанції в Торонто, Канада

Крім твердих ізоляторів широке застосування в електротехніці знаходять рідкі ізолятори з високим питомим опором. У силових трансформаторах електромереж рідке трансформаторне масло запобігає міжвиткові пробої через ЕРС самоіндукції, надійно ізолюючи витки обмоток. У масляних вимикачах масло використовується для гасіння електричної дуги, яка виникає при перемиканні джерел струму. Конденсаторне масло використовується для створення компактних конденсаторів з високими електричними характеристиками; крім цих масел в якості рідких ізоляторів використовуються природне касторове масло і синтетичні масла.

При нормальному атмосферному тиску все гази і їх суміші є з точки зору електротехніки відмінними ізоляторами, але благородні гази (ксенон, аргон, неон, криптон) в силу їх інертності володіють більш високим питомим опором, що широко використовується в деяких областях техніки.

Але найпоширенішим ізолятором служить повітря, в основному складається з молекулярного азоту (75% по масі), молекулярного кисню (23,15% по масі), аргону (1,3% по масі), вуглекислого газу, водню, води і деякої домішки різних благородних газів. Він ізолює протікання струму в звичайних побутових вимикачах світла, перемикачах струму на основі реле, магнітних пускателях механічних рубильниках. Необхідно відзначити, що зниження тиску газів або їх сумішей нижче атмосферного призводить до зростання їх питомої електричного опору. Ідеальним ізолятором в цьому сенсі є вакуум.

Червоними стрілками показано заземлення обладнання стовпа високовольтної лінії електропередачі в житловому районі. На жовтому тлі написано, що заземлення виготовлений з обміднення стали і не представляє цінності при здачі в металобрухт.

Питомий електричний опір різних грунтів

Одним з найважливіших способів захисту людини від вражаючої дії електричного струму при аваріях електроустановок є пристрій захисного заземлення.

Воно являє собою навмисне з'єднання кожуха або корпуса електропристроїв з захисним пристроєм, що заземлює. Зазвичай заземлення виконується у вигляді заритих у землю на глибину більше 2,5 метра сталевих або мідних смуг, труб, стрижнів або куточків, які в разі аварії забезпечують протікання струму по контуру пристрій - корпус або кожух - земля - ​​нульовий провід джерела змінного струму. Опір цього контуру має бути не більше 4 Ом. У цьому випадку напруга на корпусі аварійного скорочують термін його служби до безпечного для людини величин, а автоматичні пристрої захисту електричного кола той чи інший спосіб проводять відключення аварійного пристрою.

При розрахунку елементів захисного заземлення істотну роль відіграє знання питомого опору грунтів, яке може варіюватися в широких межах.

Погодившись з даними довідкових таблиць, вибирається площа заземлюючих пристроїв, якi по ній обчислюється кількість заземлюючих елементів і власне конструкція всього пристрою. З'єднання елементів конструкції пристрою захисного заземлення здійснюється зварюванням.

електротомографія

Електророзвідка вивчає приповерхневих геологічне середовище, застосовується для пошуку рудних і нерудних корисних копалин та інших об'єктів на основі дослідження різних штучних електричних і електромагнітних полів. Окремим випадком електророзвідки є електротомографія (Electrical Resistivity Tomography) - метод визначення властивостей гірських порід по їх питомому опору.

Суть методу полягає в тому, що при певному положенні джерела електричного поля проводяться заміри напруги на різних зондах, потім джерело поля переміщують в інше місце або перемикають на інший джерело і повторюють вимірювання. Джерела поля і зонди-приймачі поля розміщують на поверхні і в свердловинах.

Потім отримані дані обробляються і інтерпретуються за допомогою сучасних комп'ютерних методів обробки, що дозволяють візуалізувати інформацію у вигляді двомірних і тривимірних зображень.

Електротомографія надає неоціненну допомогу геологам, археологам і палеозоологи

Будучи дуже точним методом пошуку, електротомографія надає неоціненну допомогу геологам, археологам і палеозоологи.

Визначення форми залягання родовищ корисних копалин і меж їх поширення (оконтуривание) дозволяє виявити залягання жильних покладів корисних копалин, що істотно знижує витрати на їх подальшу розробку.

Археологам цей метод пошуку дає цінну інформацію про розташування стародавніх поховань і наявності в них артефактів, тим самим скорочуючи витрати на розкопки.

Палеозоологи за допомогою електротомографія шукають скам'янілі останки стародавніх тварин; результати їх робіт можна побачити в музеях природничих наук у вигляді вражаючих уяву реконструкцій скелетів доісторичної мегафауни.

Крім того, електротомографія застосовується при зведенні і при подальшій експлуатації інженерних споруд: висотних будівель, гребель, дамб, насипів та інших.

Визначення діаметра дроту

Визначення питомої опору на практиці

Часом для вирішення практичних завдань перед нами може постати завдання визначення складу речовини, наприклад, дроту для різака пінополістиролу. Маємо два мотка дроту відповідного діаметру з різних невідомих нам матеріалів. Для вирішення завдання необхідно знайти їх питомий електричний опір і далі по різниці знайдених значень або по довідковій таблиці визначити матеріал дроту.

Відміряємо рулеткою і відріжемо по 2 метри дроту від кожного зразка. Визначимо діаметри дротів d₁ і d₂ мікрометрів. Включивши мультиметр на нижню межу вимірювання опорів, вимірюємо опір зразка R₁. Повторюємо процедуру для іншого зразка і також вимірюємо його опір R₂.

Врахуємо, що площа поперечного перерізу дротів розраховується за формулою

Тепер формула для розрахунку питомої електричного опору буде виглядати наступним чином

Вимірювання опору шматки дроту

Підставляючи отримані значення L, d₁ і R₁ в формулу для розрахунку питомої опору, наведену в статті вище, обчислюємо значення ρ₁ для першого зразка.

ρ1 = 0,12 ом мм2 / м

Підставляючи отримані значення L, d₂ і R₂ в формулу, обчислюємо значення ρ₂ для другого зразка.

ρ2 = 1,2 ом мм2 / м

З порівняння значень ρ₁ і ρ₂ з довідковими даними вищенаведеної Таблиці 2, робимо висновок, що матеріалом першого зразка є сталь, а другого - ніхром, з якого і виготовимо струну різака.

Автор статті: Сергій Акішкін

Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.