Сопротивление медного провода от сечения. Электрическое сопротивление проводника. Тепловые потери проводов

В домашних условиях мы часто применяем переносные удлинители – розетки для временного (как правило остающееся на постоянно ) включения бытовых приборов: электронагревателя, кондиционера, утюга с большими токами потребления.
Кабель для этого удлинителя обычно выбирается по принципу – что попало подруку, а это не всегда соответствует необходимым электрическим параметрам.

В зависимости от диаметра (или от поперечного сечения провода в мм.кв.)провод обладает определенным электрическим сопротивлением для прохождения электрического тока.

Чембольше поперечное сечение проводника, тем меньше его электрическое сопротивление, тем меньше падение напряжения на нем. Соответственно меньше потеря мощности в проводе на его нагрев.

Проведем сравнительный анализпотери мощности на нагрев в проводе в зависимости от его поперечного сечения. Возьмем наиболее распространенные в быту кабели с паперечным сечением: 0,75; 1,5; 2,5 мм.кв. для двух удлинителей с длиной кабеля: L = 5 м. и L = 10м .

Возьмем для примера нагрузку в виде стандартного электронагревателя с электрическими параметрами:
— напряжение питания U = 220 Воль т ;
— мощность электронагревателя Р = 2,2 КВт = 2200 Вт ;
— ток потребления I = P / U = 2200 Вт / 220 В = 10 А.

Из справочной литературы, возьмем данные сопротивлений 1 метра провода разных поперечных сечений.

Приведена таблица сопротивлений 1 метра провода изготовленного из меди и алюминия.

Посчитаем потерю мощности, уходящей на нагрев для поперечного сечения провода S = 0,75 мм.кв. Провод изготовлен из меди.

Сопротивление 1 метра провода (из таблицы) R 1 = 0,023 Ом.
Длина кабеля L = 5 метров.
Длина провода в кабеле (туда и обратно)2 · L =2 · 5 = 10 метров .
Электрическое сопротивление провода в кабеле R = 2 · L · R 1 = 2 · 5 · 0,023 = 0,23 Ом.

Падение напряжения в кабеле при прохождении тока I = 10 A будет: U = I · R = 10 А · 0,23 Ом = 2,3 B .
Потеря мощности на нагрев в самом кабеле составит:P = U · I = 2,3 В · 10 А = 23 Вт .

Если длина кабеляL = 10 м . (того же сечения S = 0,75 мм.кв .),потеря мощности в кабеле составит 46 Вт . Это составляет примерно 2 % мощности потребляемой электронагревателем от сети.

Для а кабеляс алюминиевыми жилами того же сечения S = 0,75 мм.кв . показания увеличиваютсяи составляютдля L = 5 м-34,5 Вт. Для L = 10 м— 69 Вт.

Все данные расчетовдля кабелей сечением 0,75; 1,5; 2,5 мм.кв. для длины кабелейL = 5 и L = 10 метров,приведены в таблице.
Где: S – сечение провода в мм.кв.;
R 1 – сопротивление 1 метра провода в Ом;
R -сопротивление кабеля в Омах;
U – падение напряжения в кабеле в Вольтах;
Р – потеря мощности в кабеле в ватах или в процентах.

Какие же выводы нужно сделать из этих расчетов?

• — При одном и том же поперечном сечении, медный кабель имеет больший запас надежности и меньше потерь электрической мощности на нагрев провода Р .
• — С увеличением длины кабеля увеличиваются потери Р . Чтобы скомпенсировать потеринеобходимо увеличить поперечное сечение проводов кабеля S .
• — Кабель желательно выбирать в резиновой оболочке, а жилы кабеля многожильными .

Для удлинителя желательно использовать евро-розетку и евро-вилку. Штырьки евро-вилки имеют диаметр 5 мм . У простой электрической вилки диаметр штырьков 4 мм . Евро-вилки рассчитаны на больший ток, чем простые розетка и вилка. Чем больше диаметр штырьков вилки, тем больше площадь контакта в месте соединения вилки и розетки, следовательно меньшее переходное сопротивление. Это способствует меньшему нагревув месте соединения вилки и розетки.

То как влияет материал проводника учитывается при помощи удельного сопротивления, которое принято обозначать буквой греческого алфавита ρ и являет собой сопротивление проводника сечением 1 мм 2 и длинной 1 м. У серебра наименьшее удельное сопротивление ρ = 0,016 Ом.мм 2 /м. Ниже приводятся значения удельного сопротивления для нескольких проводников:

• Сопротивление провода для серебра - 0,016,
• Сопротивление провода для свинеца - 0,21,
• Сопротивление провода для меди - 0,017,
• Сопротивление провода для никелина - 0,42,
• Сопротивление провода для люминия - 0,026,
• Сопротивление провода для манганина - 0,42,
• Сопротивление провода для вольфрама - 0,055,
• Сопротивление провода для константана - 0,5,
• Сопротивление провода для цинка - 0,06,
• Сопротивление провода для ртути - 0,96,
• Сопротивление провода для латуни - 0,07,
• Сопротивление провода для нихрома - 1,05,
• Сопротивление провода для стали - 0,1,
• Сопротивление провода для фехрали -1,2,
• Сопротивление провода для бронзы фосфористой - 0,11,
• Сопротивление провода для хромаля - 1,45

Так как в состав сплавов входят разные количества примесей, то удельное сопротивление может изменятся.

Сопротивление провода рассчитывается по формуле,которая приведена ниже:

R=(ρ?l)/S

• R — сопротивление,
• Ом; ρ — удельное сопротивление , (Ом.мм 2)/м;
• l — длина провода, м;
• s — площадь сечения провода, мм 2 .

Площадь сечения рассчитывается так:

S=(π?d^2)/4=0.78?d^2≈0.8?d^2

• где d - это диаметр провода.

Измерить диаметр провода можно микрометром либо штангенциркулем,но если их нету под рукой,то можно плотно намотать на ручку (карандаш) около 20 витков провода, затем измерить длину намотанного провода и разделить на количество витков.

Для определения длинны провода,которая нужна для достижения необходимого сопротивления,можно использовать формулу:

l=(S?R)/ρ

Примечания:

1.Если данные для провода отсутствуют в таблице,то берется некоторое среднее значение.Как пример,провод из никелина который имеет диаметр 0,18 мм площадь сечения равна приблизительно 0,025 мм2, сопротивление одного метра 18 Ом, а допустимый ток 0,075 А.

2.Данные последнего столбца,для другой плотности тока, необходимо изменить. Например при плотности тока 6 А/мм2, значение необходимо увеличить вдвое.

Пример 1 . Давайте найдем сопротивление 30 м медного провода диаметром 0,1 мм.

Решение . С помощью таблицы берем сопротивление 1 м медного провода, которое равно 2,2 Ом. Значит, сопротивление 30 м провода будет R = 30.2,2 = 66 Ом.

Расчет по формулам будет выглядеть так: площадь сечения: s= 0,78.0,12 = 0,0078 мм2. Поскольку удельное сопротивление меди ρ = 0,017 (Ом.мм2)/м, то получим R = 0,017.30/0,0078 = 65,50м.

Пример 2 . Сколько провода из манганина у которого диаметр 0,5 мм нужно чтобы изготовить реостат, сопротивлением 40 Ом?

Решение . По таблице выбираем сопротивление 1 м этого провода: R= 2,12 Ом: Чтобы изготовить реостат сопротивлением 40 Ом, нужен провод, длина которого l= 40/2,12=18,9 м.

Расчет по формулам будет выглядеть так. Площадь сечения провода s= 0,78.0,52 = 0,195 мм 2 . Длина провода l = 0,195.40/0,42 = 18,6 м.

Электрическое сопротивление проводника: 1) величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току;

2) структурный элемент электрической цепи, включаемый в цепь для ограничения или регулирования силы тока.

Электрическое сопротивление металлов з ависит от материала проводника, его длины и поперечного сечения, температуры и состояния проводника (давления, механических сил растяжения и сжатия, т.е. внешних факторов, влияющих на кристаллическое строение металлических проводников).

Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника:

где  - удельное сопротивление проводника;

l – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника.

Зависимость сопротивления проводника от температуры:

или
,

где R t – сопротивление при температуре t 0 C;

R 0 – сопротивление при 0 0 C;

- температурный коэффициент сопротивления, который показывает, как изменяется сопротивление проводника по отношению к его сопротивлению при 0 0 C, если температура изменяется на один градус;

T – термодинамическая температура.

Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное.

а) Последовательное соединение сопротивлений представляет собой систему проводников (сопротивлений), которые включены один за другим, так что через каждое из сопротивлений протекает один и тот же ток:

I = I 1 = I 2 == I n .

Напряжение при последовательном соединении сопротивлений равно сумме напряжений на каждом из сопротивлений:

.

Напряжение на каждом из последовательно соединенных сопротивлений пропорционально значению данного сопротивления:

.

Распределение напряжения по последовательно соединенным элементам цепи (делитель напряжения) :

,

U – напряжение на участке цепи с сопротивлением R 1 ;

R – полное сопротивление соединения;

R 1 – сопротивление участка цепи с выбранным сопротивлением.

равно сумме отдельно взятых сопротивлений и оно больше наибольшего из включенных:

.

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении n одинаковых сопротивлений :

,

где n – число сопротивлений, включенных последовательно;

R 1 = значение отдельно взятого сопротивления.

б) Параллельное соединение сопротивлений: признаком такого соединения является разветвление тока I на отдельные токи через соответствующие сопротивления. При этом ток I равен сумме токов через отдельно взятое сопротивление:

.

Общее напряжение при параллельном соединении равно напряжению на отдельно взятом сопротивлении:

U = U 1 = U 2 = = U i .

Связь между током и сопротивлением при параллельном соединении: при параллельном соединении сопротивлений токи в отдельных проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям:

.

Величина, обратная полному сопротивлению цепи (общая проводимость) при параллельном соединении, равна сумме проводимостей отдельно взятых проводников. При этом общее сопротивление цепи меньше наименьшего сопротивления из включенных:

;
.

Общая проводимость цепи при параллельном соединении n проводников:

G пар = nG 1 ,

где G пар – проводимость цепи;

G 1 – проводимость отдельного взятого проводника.

Шунтирование электроизмерительных приборов – расширение предела измерения тока с помощью электроизмерительного прибора, к которому присоединяют параллельно проводник с малым сопротивлением (шунт). В этом случае

,

где I п – ток, протекающий через прибор;

I – ток в цепи;

n = R п /R ш – отношение сопротивления прибора R п к сопротивлению шунта R ш.

Добавочное сопротивление – сопротивление, которое присоединяют последовательно к электроизмерительному прибору для расширения предела измерения напряжения. При этом

,

где U п – напряжение на приборе;

U – напряжение в цепи;

N = R д /R п – отношение величины добавочного сопротивления к сопротивлению прибора.

Электрическая проводимость – физическая величина, обратная сопротивлению проводника:

.

Сверхпроводимость – свойство многих проводников, состоящее в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры T k , характерной для данного материала.

Связь удельной проводимости с удельным сопротивлением (удельным электрическим сопротивлением)  :

;
.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры :

,

где  t – удельное сопротивление при температуре t 0 C;

 0 – удельное сопротивление при 0 0 C;

- температурный коэффициент сопротивления, который показывает, как изменяется удельное сопротивление проводника по отношению к его удельному сопротивлению при 0 0 C, если температура изменяется на один градус.

Задания: 1. Ознакомиться с применяемыми в работе электроизмерительными приборами. Результаты занести в табл. 1.

Таблица 1.

2. Измерить удельное электрическое сопротивление.

1. Измерить микрометром в нескольких местах рабочей части проводника его диаметр. Рассчитать среднее значение диаметра.

2. Установить подвижный контакт на 0,5  0,7 от длины рабочей части проводника. Занести значение длины в таблицу 2.

3. Включить установку в сеть переменного тока с напряжением 220 В. При этом должна загореться индикаторная лампочка.

4. Провести измерения тока и напряжения. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2.

5. Отключить установку. Установить подвижный контакт на другое значение рабочей части исследуемого проводника. Вновь включить установку и определить новые значения тока и напряжения.

Примечание. Изменение длины рабочей части проводника, определение тока и напряжения проводятся 3-5 раз.

6. Так как

,

, (1)

где  - удельное электросопротивление проводника;

ℓ - длина проводника;

S - площадь поперечного сечения.

, (2)

где
- погрешность вольтметра;

- приборная погрешность миллиамперметра;

 - задается преподавателем;

d, ℓ - определяются известными методами.

10. Записать полученный результат в виде доверительного интервала

Электрическое сопротивление является основной характеристикой проводниковых материалов. В зависимости от области применения проводника величина его сопротивления может играть как положительную, так и отрицательную роль в функционировании электротехнической системы. Также, особенности применения проводника могут вызывать необходимость учёта дополнительных характеристик, влиянием которых в конкретном случае нельзя пренебрегать.

Проводниками являются чистые металлы и их сплавы. В металле, фиксированные в единую «прочную» структуру атомы, обладают свободными электронами (так называемый «электронный газ»). Именно эти частицы в данном случае являются носителями заряда. Электроны находятся в постоянном беспорядочном движении от одного атома к другому. При появлении электрического поля (подключении к концам металла источника напряжения) движение электронов в проводнике становится упорядоченным. Движущиеся электроны встречают на своём пути препятствия, вызванные особенностями молекулярной структуры проводника. При столкновении со структурой носители заряда теряют свою энергию, отдавая её проводнику (нагревают его). Чем больше препятствий проводящая структура создаёт носителям заряда, тем выше сопротивление.

При увеличении поперечного сечения проводящей структуры для одного количества электронов «канал пропускания» станет шире, сопротивление уменьшится. Соответственно, при увеличении длины провода таких препятствий будет больше и сопротивление увеличится.

Таким образом, в базовую формулу для вычисления сопротивления входит длина провода, площадь поперечного сечения и некий коэффициент, связывающий эти размерные характеристики с электрическими величинами напряжения и тока (1). Этот коэффициент называют удельным сопротивлением.
R= r*L/S (1)

Удельное сопротивление

Удельное сопротивление неизменно и является свойством вещества, из которого изготовлен проводник. Единицы измерения r — ом*м. Часто величину удельного сопротивления приводят в ом*мм кв./м. Это связанно с тем, что величина сечения наиболее часто применяемых кабелей является относительно малой и измеряется в мм кв. Приведём простой пример.

Задача №1. Длина медного провода L = 20 м, сечение S = 1.5 мм. кв. Рассчитать сопротивление провода.
Решение: удельное сопротивление медного провода r = 0.018 ом*мм. кв./м. Подставляя значения в формулу (1) получим R=0.24 ома.
Вычисляя сопротивление системы питания сопротивление одного провода нужно умножить на количество проводов.
Если вместо меди использовать алюминий с более высоким удельным сопротивлением (r = 0.028 ом*мм. кв./м), то сопротивление проводов соответственно возрастёт. Для вышеприведенного примера сопротивление будет равно R = 0.373 ома (на 55 % больше). Медь и алюминий – основные материалы для проводов. Существуют металлы с меньшим удельным сопротивлением, чем удельное сопротивление меди, например серебро. Однако его применение ограничено из-за очевидной дороговизны. В таблице ниже приведены сопротивления и другие основные характеристики проводниковых материалов.
Таблица – основные характеристики проводников

Тепловые потери проводов

Если с помощью кабеля из вышеприведенного примера к однофазной сети 220 В подключить нагрузку 2.2 кВт, то через провод потечёт ток I = P / U или I=2200/220=10 А. Формула для вычисления мощности потерь в проводнике:
Pпр=(I^2)*R (2)
Пример № 2. Рассчитать активные потери при передаче мощности 2.2 кВт в сети с напряжением 220 В для упомянутого провода.
Решение: подставив значения тока и сопротивления проводов в формулу (2), получим Pпр=(10^2)*(2*0.24)=48 Вт.
Таким образом, при передаче энергии от сети в нагрузку потери в проводах составят чуть больше 2%. Эта энергия превращается в тепло, выделяемое проводником в окружающую среду. По условию нагрева проводника (по величине тока) производят выбор его сечения, руководствуясь специальными таблицами.
Например, для вышеприведенного проводника максимальный ток равен 19 А или 4.1 кВт в сети напряжения 220 В.

Для уменьшения активных потерь в линиях электропередач применяют повышенное напряжение. При этом ток в проводах понижается, потери падают.

Влияние температуры

Рост температуры приводит к увеличению колебаний кристаллической решётки металла. Соответственно, электроны встречают большее количество препятствий, что приводит к росту сопротивления. Величину «чувствительности» сопротивления металла к росту температуры называют температурным коэффициентом α. Формула учёта температуры выглядит следующим образом
R=Rн*, (3)
где Rн – сопротивление провода при нормальных условиях (при температуре t°н); t° — температура проводника.
Обычно t°н = 20° С. Значение α также указывают для температуры t°н.
Задача 4. Рассчитать сопротивление медного провода при температуре t° = 90° С. α меди = 0.0043, Rн = 0.24 Ома (задача 1).
Решение: подставив значения в формулу (3) получим R = 0.312 Ом. Сопротивление анализируемого нагретого провода на 30% больше его сопротивления при комнатной температуре.

Влияние частоты

При увеличении частоты тока в проводнике происходит процесс вытеснения зарядов ближе к его поверхности. В результате увеличения концентрации зарядов в поверхностном слое растёт и сопротивление провода. Этот процесс получил название «скин — эффект» или поверхностный эффект. Коэффициент скин – эффекта также зависит от размеров и формы провода. Для вышеприведенного примера при частоте переменного тока 20 кГц сопротивление провода увеличится приблизительно на 10%. Отметим, что высокочастотные компоненты может иметь сигнал тока многих современных промышленных и бытовых потребителей (энергосберегающие лампы, импульсные источники питания, преобразователи частоты и так далее).

Влияние соседних проводников

Вокруг любого проводника, по которому течёт ток, существует магнитное поле. Взаимодействие полей соседних проводников также вызывает потери энергии и называется «эффектом близости». Также отметим, что любой металлический проводник обладает индуктивностью, создаваемой проводящей жилой, и ёмкостью, создаваемой изоляцией. Этим параметрам также свойственен эффект близости.

Технологии

Высоковольтные провода нулевого сопротивления

Данный тип проводов широко применяется в системах зажигания автомобилей. Сопротивление высоковольтных проводов достаточно мало и составляет несколько долей ома на метр длины. Напомним, что сопротивление такой величины невозможно измерять омметром общего применения. Зачастую для задачи измерения малых сопротивлений применяют измерительные мосты.
Конструктивно такие провода имеют большое количество медных жил с изоляцией на основе силикона, пластмасс или других диэлектриков. Особенность применения таких проводов заключается не только в работе при высоком напряжением, но и передаче энергии за короткий промежуток времени (импульсный режим).

Биметаллический кабель

Основная сфера применения упомянутых кабелей – передача высокочастотных сигналов. Сердечник провода изготавливают из металла одного типа, поверхность которого покрывают металлом другого типа. Поскольку на высоких частотах проводящим является только поверхностный слой проводника, то есть возможность замены внутренности провода. Тем самым достигается экономия дорогостоящего материала и повышаются механические характеристики провода. Примеры таких проводов: медь с нанесением серебряного покрытия, сталь с медным покрытием.

Заключение

Сопротивление провода – величина, которая зависит от группы факторов: тип проводника, температура, частота тока, геометрические параметры. Значимость влияния этих параметров зависит от условий эксплуатации провода. Критериями оптимизации в зависимости от задач для проводов могут быть: уменьшение активных потерь, улучшение механических характеристик, снижение цены.