როდესაც ისინი ამბობენ, რომ სპილენძი უფრო მძიმე მეტალია ვიდრე ალუმინი, ისინი ადარებენ მათ სიმკვრივეს. ანალოგიურად, როდესაც ამბობენ, რომ სპილენძი უკეთესი გამტარია, ვიდრე ალუმინი, ხდება მათი წინაღობის (ρ) შედარება, რომლის მნიშვნელობა არ არის დამოკიდებული კონკრეტული ნიმუშის ზომაზე ან ფორმაზე - მხოლოდ თავად მასალაზე.
თეორიული დასაბუთება
რეზისტენტობა არის ელექტრული გამტარობის წინააღმდეგობის საზომი მასალის მოცემული ზომისთვის. მისი საპირისპირო არის ელექტრული გამტარობა. ლითონები კარგი ელექტრული გამტარებია (მაღალი გამტარობა და დაბალი ρ მნიშვნელობა), ხოლო არამეტალები ზოგადად ცუდი გამტარებია (დაბალი გამტარობა და მაღალი ρ მნიშვნელობა).
უფრო ნაცნობი თერმული ელექტრული წინააღმდეგობა ზომავს რამდენად რთულია მასალისთვის ელექტროენერგიის გატარება. ეს დამოკიდებულია ნაწილის ზომაზე: წინააღმდეგობა უფრო მაღალია გრძელი ან ვიწრო მასალისთვის. ეფექტის აღმოსაფხვრელადზომა წინააღმდეგობისგან, გამოიყენება მავთულის წინააღმდეგობა - ეს არის მატერიალური თვისება, რომელიც არ არის დამოკიდებული ზომაზე. მასალების უმეტესობისთვის წინააღმდეგობა იზრდება ტემპერატურასთან ერთად. გამონაკლისი არის ნახევარგამტარები (როგორიცაა სილიციუმი), რომლებშიც ის მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად.
სიმარტივე, რომლითაც მასალა ატარებს სითბოს, იზომება თბოგამტარობით. როგორც პირველი შეფასებით, კარგი ელექტროგამტარები ასევე კარგი თბოგამტარებია. წინააღმდეგობა წარმოდგენილია r სიმბოლოთი, ხოლო მისი ერთეული არის ომმეტრი. სუფთა სპილენძის წინააღმდეგობაა 1.7×10 -8 ohms. ეს არის ძალიან მცირე რიცხვი - 0,000,000,017 Ohm, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ კუბურ მეტრ სპილენძს პრაქტიკულად არ აქვს წინააღმდეგობა. რაც უფრო დაბალია წინაღობა (ohmmeter ან Ωm), მით უკეთესია მასალა გამოყენებული გაყვანილობაში. წინააღმდეგობა არის გამტარობის მეორე მხარე.
მასალების კლასიფიკაცია
მასალის წინააღმდეგობის მნიშვნელობა ხშირად გამოიყენება გამტარების, ნახევარგამტარების ან იზოლატორების კლასიფიკაციისთვის. მყარი ელემენტები კლასიფიცირდება როგორც იზოლატორები, ნახევარგამტარები ან გამტარები მათი "სტატიკური წინააღმდეგობის" ელემენტების პერიოდულ სისტემაში. წინააღმდეგობა იზოლატორში, ნახევარგამტარში ან გამტარ მასალაში არის მთავარი თვისება, რომელიც განიხილება ელექტრული გამოყენებისთვის.
ცხრილი აჩვენებს ρ, σ და ტემპერატურის კოეფიციენტის მონაცემებს. ლითონების წინააღმდეგობისთვისიზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. საპირისპიროა ნახევარგამტარებისთვის და მრავალი იზოლატორისთვის.
| მასალა | ρ (Ωm) 20°C-ზე | σ (S/m) 20°C-ზე |
ტემპერატურული კოეფიციენტი (1/°C) x10 ^ -3 |
| ვერცხლი | 1, 59 × 10 -8 | 6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| სპილენძი | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| ოქრო | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| ალუმინი | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| ვოლფრამი | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4.5 |
| თუთია | 5, 90 × 10 -8 | 1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| ნიკელი | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| ლითიუმი | 9, 28 × 10 -8 | 1.08 × 10 7 | 6 |
| რკინა | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| პლატინი | 1, 06 × 10 -7 |
9, 43 × 10 6 |
3, 9 |
| წამყვანი | 2, 2 × 10 -7 | 4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| კონსტანტინე | 4, 9 × 10 -7 | 2.04 × 10 6 | 0, 008 |
| მერკური | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0.9 |
| Nicrome | 1.10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| ნახშირბადი (ამორფული) | 5 × 10 -4-დან 8 × 10-მდე -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
რეზისტენტობის გაანგარიშება
ნებისმიერი მოცემული ტემპერატურისთვის, ჩვენ შეგვიძლია გამოვთვალოთ ობიექტის ელექტრული წინააღმდეგობა ohms-ში შემდეგი ფორმულის გამოყენებით.
ამ ფორმულაში:
- R - ობიექტის წინააღმდეგობა, ohms-ში;
- ρ - მასალის წინააღმდეგობა (სპეციფიკური) საიდანაც მზადდება ობიექტი;
- L - ობიექტის სიგრძე მეტრებში;
- A-ჯვარედინი განყოფილებაობიექტის მონაკვეთი კვადრატულ მეტრებში.
რეზისტენტობა უდრის ომმეტრების გარკვეულ რაოდენობას. მიუხედავად იმისა, რომ ρ-ის SI ერთეული, როგორც წესი, არის ომმეტრი, ზოგჯერ ერთეული არის ომ სანტიმეტრზე.
მასალის წინააღმდეგობა განისაზღვრება მასზე ელექტრული ველის სიდიდით, რომელიც იძლევა გარკვეული დენის სიმკვრივეს.
ρ=E/J სადაც:
- ρ - ომმეტრში;
- E - ელექტრული ველის სიდიდე ვოლტებში მეტრზე;
- J - დენის სიმკვრივის მნიშვნელობა ამპერებში კვადრატულ მეტრზე.
როგორ განვსაზღვროთ წინაღობა? ბევრ რეზისტორს და გამტარს აქვს ერთგვაროვანი ჯვარი ელექტრული დენის ერთგვაროვანი ნაკადით. აქედან გამომდინარე, არსებობს უფრო კონკრეტული, მაგრამ უფრო ფართოდ გამოყენებული განტოლება.
ρ=RA/ J, სადაც:
- R - ერთგვაროვანი მასალის ნიმუშის წინააღმდეგობა, გაზომილი ohms-ში;
- l - მასალის ნაჭრის სიგრძე, გაზომილი მეტრებში, m;
- A - ნიმუშის განივი კვეთის ფართობი, გაზომილი კვადრატულ მეტრებში, m2.
მასალების წინააღმდეგობის საფუძვლები
მასალის ელექტრული წინააღმდეგობა ასევე ცნობილია როგორც ელექტრული წინაღობა. ეს არის საზომი იმისა, თუ რამდენად ძლიერად ეწინააღმდეგება მასალა ელექტრული დენის ნაკადს. მისი დადგენა შესაძლებელია წინაღობის ერთეულზე სიგრძისა და ერთეულის განივი კვეთის ფართობის გაყოფით, კონკრეტული მასალისთვის მოცემულ ტემპერატურაზე.
ეს ნიშნავს, რომ დაბალი ρ მიუთითებს მასალაზე, რომელიც ადვილად იძლევა საშუალებასელექტრონების გადაადგილება. პირიქით, მაღალი ρ-ის მქონე მასალას ექნება მაღალი წინააღმდეგობა და შეაფერხებს ელექტრონების ნაკადს. ელემენტები, როგორიცაა სპილენძი და ალუმინი, ცნობილია მათი დაბალი ρ დონეებით. განსაკუთრებით ვერცხლს და ოქროს აქვს ძალიან დაბალი ρ ღირებულება, მაგრამ მათი გამოყენება შეზღუდულია აშკარა მიზეზების გამო.
რეზისტენტული რეგიონი
მასალები მოთავსებულია სხვადასხვა კატეგორიაში, მათი ρ მნიშვნელობიდან გამომდინარე. შეჯამება ნაჩვენებია ქვემოთ მოცემულ ცხრილში.
ნახევარგამტარების გამტარობის დონე დამოკიდებულია დოპინგის დონეზე. დოპინგის გარეშე ისინი თითქმის იზოლატორებს ჰგვანან, რაც იგივეა ელექტროლიტებისთვის. მასალების ρ დონე მნიშვნელოვნად განსხვავდება.
| აღჭურვილობის კატეგორიები და მასალის ტიპი | ყველაზე გავრცელებული მასალების წინაღობის არე, დამოკიდებულია ρ-ზე |
| ელექტროლიტები | ცვლადი |
| იზოლატორები | ~ 10 ^ 16 |
| მეტალები | ~ 10 ^ -8 |
| ნახევარგამტარები | ცვლადი |
| ზეგამტარები | 0 |
ტემპერატურული წინააღმდეგობის კოეფიციენტი
უმეტეს შემთხვევაში, წინააღმდეგობა იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. შედეგად, საჭიროა გავიგოთ წინააღმდეგობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულება. გამტარში წინააღმდეგობის ტემპერატურის კოეფიციენტის მიზეზი შეიძლება გამართლდესინტუიციურად. მასალის წინააღმდეგობა დამოკიდებულია უამრავ ფენომენზე. ერთ-ერთი მათგანია შეჯახების რაოდენობა, რომელიც ხდება მასალის მუხტის მატარებლებსა და ატომებს შორის. გამტარის წინაღობა გაიზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, შეჯახების რაოდენობის მატებასთან ერთად.
ეს შეიძლება ყოველთვის ასე არ იყოს და განპირობებულია იმით, რომ ტემპერატურის მატებასთან ერთად გამოიყოფა დამატებითი მუხტის მატარებლები, რაც გამოიწვევს მასალების წინაღობის დაქვეითებას. ეს ეფექტი ხშირად შეინიშნება ნახევარგამტარ მასალებში.
წინააღმდეგობის ტემპერატურული დამოკიდებულების განხილვისას, ჩვეულებრივ, ვარაუდობენ, რომ წინააღმდეგობის ტემპერატურის კოეფიციენტი მიჰყვება წრფივ კანონს. ეს ეხება ოთახის ტემპერატურას და ლითონებს და ბევრ სხვა მასალას. თუმცა, აღმოჩნდა, რომ შეჯახების რაოდენობის შედეგად გამოწვეული წევის ეფექტი ყოველთვის არ არის მუდმივი, განსაკუთრებით ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე (ზეგამტარობის ფენომენი).
რეზისტენტობის ტემპერატურის გრაფიკი
გამტარის წინააღმდეგობა ნებისმიერ მოცემულ ტემპერატურაზე შეიძლება გამოითვალოს ტემპერატურის მნიშვნელობიდან და მისი წინააღმდეგობის ტემპერატურის კოეფიციენტიდან.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), სადაც:
- R - წინააღმდეგობა;
- Rref - წინააღმდეგობა საცნობარო ტემპერატურაზე;
- α- მასალის წინააღმდეგობის ტემპერატურის კოეფიციენტი;
- Tref არის საცნობარო ტემპერატურა, რომლისთვისაც მითითებულია ტემპერატურის კოეფიციენტი.
ტემპერატურული წინააღმდეგობის კოეფიციენტი, ჩვეულებრივ სტანდარტიზებული 20 °C ტემპერატურამდე.შესაბამისად, განტოლება, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება პრაქტიკული გაგებით არის:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), სადაც:
- R20=წინააღმდეგობა 20°C-ზე;
- α20 - წინააღმდეგობის ტემპერატურის კოეფიციენტი 20 °C-ზე;
- T20- ტემპერატურა უდრის 20 °C.
მასალების წინააღმდეგობა ოთახის ტემპერატურაზე
ქვემოთ მოცემული წინააღმდეგობის ცხრილი შეიცავს ბევრ ნივთიერებას, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება ელექტროტექნიკაში, მათ შორის სპილენძი, ალუმინი, ოქრო და ვერცხლი. ეს თვისებები განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია, რადგან ისინი განსაზღვრავენ შესაძლებელია თუ არა ნივთიერების გამოყენება ელექტრო და ელექტრო კომპონენტების ფართო სპექტრში, სადენებიდან დამთავრებული უფრო რთული მოწყობილობებით, როგორიცაა რეზისტორები, პოტენციომეტრები და სხვა.
| სხვადასხვა მასალის წინააღმდეგობის ცხრილი 20°C გარე ტემპერატურაზე | |
| მასალები | OM წინააღმდეგობა 20°C-ზე |
| ალუმინი | 2, 8 x 10 -8 |
| ანტიმონი | 3, 9 × 10 -7 |
| ბისმუტი | 1, 3 x 10 -6 |
| ბრასი | ~ 0.6 - 0.9 × 10 -7 |
| კადმიუმი | 6 x 10 -8 |
| კობალტი | 5, 6 × 10 -8 |
| სპილენძი | 1, 7 × 10 -8 |
| ოქრო | 2, 4 x 10 -8 |
| ნახშირბადი (გრაფიტი) | 1 x 10 -5 |
| გერმანიუმი | 4,6 x 10 -1 |
| რკინა | 1.0 x 10 -7 |
| წამყვანი | 1, 9 × 10 -7 |
| Nicrome | 1, 1 × 10 -6 |
| ნიკელი | 7 x 10 -8 |
| პალადიუმი | 1.0 x 10 -7 |
| პლატინი | 0, 98 × 10 -7 |
| კვარცი | 7 x 10 17 |
| სილიკონი | 6, 4 × 10 2 |
| ვერცხლი | 1, 6 × 10 -8 |
| ტანტალი | 1, 3 x 10 -7 |
| ვოლფრამი | 4, 9 x 10 -8 |
| თუთია | 5, 5 x 10 -8 |
სპილენძისა და ალუმინის გამტარობის შედარება
გამტარები შედგება მასალებისგან, რომლებიც ატარებენ ელექტროენერგიას. არამაგნიტური ლითონები ზოგადად ითვლება ელექტროენერგიის იდეალურ გამტარებად. სხვადასხვა მეტალის გამტარები გამოიყენება მავთულისა და საკაბელო ინდუსტრიაში, მაგრამ სპილენძი და ალუმინი ყველაზე გავრცელებულია. გამტარებს აქვთ სხვადასხვა თვისებები, როგორიცაა გამტარობა, დაჭიმვის სიმტკიცე, წონა და გარემოზე ზემოქმედება.
სპილენძის გამტარის წინაღობა ბევრად უფრო ხშირად გამოიყენება კაბელების წარმოებაში, ვიდრე ალუმინის. თითქმის ყველა ელექტრონული კაბელი დამზადებულია სპილენძისგან, ისევე როგორც სხვა მოწყობილობები და აღჭურვილობა, რომლებიც იყენებენ სპილენძის მაღალ გამტარობას. სპილენძის გამტარები ასევე ფართოდ გამოიყენება სადისტრიბუციო სისტემებში დაელექტროენერგიის გამომუშავება, საავტომობილო ინდუსტრია. წონისა და ხარჯების დაზოგვის მიზნით, გადამცემი კომპანიები იყენებენ ალუმინს ელექტროგადამცემ ხაზებში.
ალუმინი გამოიყენება ინდუსტრიებში, სადაც მისი სიმსუბუქე მნიშვნელოვანია, როგორიცაა თვითმფრინავების მშენებლობა და მოსალოდნელია მომავალში მისი გამოყენება საავტომობილო ინდუსტრიაში. უფრო მაღალი სიმძლავრის კაბელებისთვის, სპილენძის მოპირკეთებული ალუმინის მავთული გამოიყენება სპილენძის წინააღმდეგობის უპირატესობის გამოსაყენებლად, რაც იძენს მნიშვნელოვან სტრუქტურულ წონას მსუბუქი წონის ალუმინისგან.
სპილენძის გამტარები
სპილენძი ერთ-ერთი უძველესი ცნობილი მასალაა. მისი მოქნილობა და ელექტრული გამტარობა გამოიყენეს ადრეულმა ელექტრო ექსპერიმენტატორებმა, როგორიცაა ბენ ფრანკლინი და მაიკლ ფარადეი. სპილენძის მასალების დაბალი ρ-მ განაპირობა ის, რომ იგი მიიღეს, როგორც მთავარი გამტარი, რომელიც გამოიყენება გამოგონებებში, როგორიცაა ტელეგრაფი, ტელეფონი და ელექტროძრავა. სპილენძი ყველაზე გავრცელებული გამტარ ლითონია. 1913 წელს მიღებულ იქნა სპილენძის ანთების საერთაშორისო სტანდარტი (IACS) სხვა ლითონების გამტარობის სპილენძთან შესადარებლად.
ამ სტანდარტის მიხედვით, კომერციულად სუფთა დამუშავებულ სპილენძს აქვს 100% IACS გამტარობა. მასალების წინაღობა შედარებულია სტანდარტთან. დღეს წარმოებული კომერციულად სუფთა სპილენძი შეიძლება ჰქონდეს უფრო მაღალი IACS ღირებულებები, რადგან დამუშავების ტექნოლოგია დროთა განმავლობაში მნიშვნელოვნად განვითარდა. სპილენძის შესანიშნავი გამტარობის გარდა, ლითონს აქვს მაღალი გამძლეობა, თბოგამტარობა და თერმული გაფართოება.ელექტრული მიზნებისთვის გამოყენებული სპილენძის მავთულები აკმაყოფილებს სტანდარტის ყველა მოთხოვნას.
ალუმინის დირიჟორები
მიუხედავად იმისა, რომ სპილენძს, როგორც ელექტროენერგიის წარმოების მასალას, დიდი ხნის ისტორია აქვს, ალუმინს აქვს გარკვეული უპირატესობები, რაც მას მიმზიდველს ხდის სპეციფიკური აპლიკაციებისთვის, და მისი ამჟამინდელი წინააღმდეგობა იძლევა მრავალჯერ გამოყენების საშუალებას. ალუმინს აქვს სპილენძის გამტარობის 61% და სპილენძის წონის მხოლოდ 30%. ეს ნიშნავს, რომ ალუმინის მავთული იწონის იმავე ელექტრული წინააღმდეგობის მქონე სპილენძის მავთულის ნახევარს.
ალუმინი უფრო იაფია სპილენძის ბირთვთან შედარებით. ალუმინის დირიჟორები შედგება სხვადასხვა შენადნობებისაგან, აქვთ მინიმალური ალუმინის შემცველობა 99,5%. 1960-იან და 1970-იან წლებში, სპილენძის მაღალი ფასის გამო, ალუმინის ეს კლასი ფართოდ გამოიყენებოდა საყოფაცხოვრებო ელექტრული გაყვანილობისთვის.
ალუმინსა და სპილენძს შორის შეერთებების ცუდი დამუშავებისა და ფიზიკური განსხვავებების გამო, მათი შეერთებების საფუძველზე დამზადებული მოწყობილობები და მავთულები ხანძრის საფრთხის შემცველი გახდა სპილენძ-ალუმინის კონტაქტებზე. ნეგატიური პროცესის საპირისპიროდ, ალუმინის შენადნობები შემუშავებულია ცოცვის და დრეკადობის თვისებებით, რომლებიც უფრო ჰგავს სპილენძს. ეს შენადნობები გამოიყენება ძაფიანი ალუმინის მავთულის დასამზადებლად, რომლის მიმდინარე წინაღობა მისაღებია მასობრივი გამოყენებისთვის, რაც აკმაყოფილებს ელექტრული ქსელების უსაფრთხოების მოთხოვნებს.
თუ ალუმინი გამოიყენება ისეთ ადგილებში, სადაც ადრე გამოიყენებოდა სპილენძი,ქსელის თანაბარი შესანარჩუნებლად, თქვენ უნდა გამოიყენოთ ალუმინის მავთული, რომელიც ორჯერ აღემატება სპილენძის მავთულს.
მასალების ელექტრული გამტარობის გამოყენება
ბევრი მასალა, რომელიც ნაპოვნია წინააღმდეგობის ცხრილში, ფართოდ გამოიყენება ელექტრონიკაში. ალუმინი და განსაკუთრებით სპილენძი გამოიყენება მათი დაბალი წინააღმდეგობის დონის გამო. მავთულისა და კაბელების უმეტესობა, რომლებიც დღეს გამოიყენება ელექტრო კავშირებისთვის, დამზადებულია სპილენძისგან, რადგან ის უზრუნველყოფს ρ-ის დაბალ დონეს და ხელმისაწვდომია. ოქროს კარგი გამტარობა, ფასის მიუხედავად, ასევე გამოიყენება ზოგიერთ ძალიან ზუსტ ინსტრუმენტებში.
ოქროს მოოქროვება ხშირად გვხვდება მაღალი ხარისხის დაბალი ძაბვის კავშირებზე, სადაც მიზანია ყველაზე დაბალი კონტაქტის წინააღმდეგობის უზრუნველყოფა. ვერცხლი ფართოდ არ გამოიყენება სამრეწველო ელექტროტექნიკაში, რადგან ის სწრაფად იჟანგება და ეს იწვევს მაღალი კონტაქტის წინააღმდეგობას. ზოგიერთ შემთხვევაში, ოქსიდს შეუძლია იმოქმედოს როგორც გამსწორებელი. ტანტალის წინააღმდეგობა გამოიყენება კონდენსატორებში, ნიკელისა და პალადიუმის ბოლო კავშირებში მრავალი ზედაპირის სამონტაჟო კომპონენტისთვის. კვარცი პოულობს თავის პირველად გამოყენებას, როგორც პიეზოელექტრული რეზონანსული ელემენტი. კვარცის კრისტალები გამოიყენება როგორც სიხშირის ელემენტი ბევრ ოსცილატორში, სადაც მისი მაღალი მნიშვნელობა შესაძლებელს ხდის საიმედო სიხშირის სქემების შექმნას.
