وقتی می گویند مس فلزی سنگین تر از آلومینیوم است، چگالی آنها را مقایسه می کنند. به طور مشابه، هنگامی که گفته می شود مس رسانای بهتری نسبت به آلومینیوم است، مقاومت آنها (ρ) مقایسه می شود، که مقدار آن به اندازه یا شکل یک نمونه خاص بستگی ندارد - فقط به خود ماده..
توجیه نظری
مقاومت اندازه گیری مقاومت در برابر هدایت الکتریکی برای اندازه معینی از مواد است. نقطه مقابل آن رسانایی الکتریکی است. فلزات رسانای الکتریکی خوبی هستند (رسانایی بالا و مقدار ρ کم)، در حالی که غیر فلزات عموما رسانای ضعیفی هستند (رسانایی کم و مقدار ρ بالا).
مقاومت الکتریکی حرارتی آشناتر میزان سختی رسانایی الکتریسیته برای یک ماده را اندازه گیری می کند. این به اندازه قطعه بستگی دارد: مقاومت برای یک قطعه بلندتر یا باریک تر از مواد بیشتر است. برای از بین بردن اثراندازه از مقاومت، مقاومت سیم استفاده می شود - این یک ویژگی ماده است که به اندازه بستگی ندارد. برای اکثر مواد، مقاومت با دما افزایش می یابد. استثناء نیمه هادی ها (مانند سیلیکون) هستند که در آنها با دما کاهش می یابد.
سهولت انتقال گرما توسط یک ماده با هدایت حرارتی اندازه گیری می شود. به عنوان اولین تخمین، هادی های الکتریکی خوب رسانای حرارتی خوبی نیز هستند. مقاومت با نماد r نشان داده می شود و واحد آن یک اهم متر است. مقاومت مس خالص 1.7×10 -8 اهم است. این عدد بسیار کمی است - 0,000,000,017 اهم، که نشان می دهد که یک متر مکعب مس عملاً هیچ مقاومتی ندارد. هر چه مقاومت مقاومتی (اهم متر یا Ωm) کمتر باشد، از مواد بهتر در سیم کشی استفاده می شود. مقاومت طرف دیگر هدایت است.
طبقه بندی مواد
مقدار مقاومت یک ماده اغلب برای طبقه بندی آن به عنوان رسانا، نیمه هادی یا عایق استفاده می شود. عناصر جامد بر اساس «مقاومت استاتیک» در جدول تناوبی عناصر به عنوان عایق، نیمه هادی یا هادی طبقه بندی می شوند. مقاومت در یک عایق، نیمه هادی یا مواد رسانا ویژگی اصلی است که برای کاربردهای الکتریکی در نظر گرفته می شود.
جدول برخی از داده های ρ، σ و ضریب دما را نشان می دهد. برای مقاومت در برابر فلزاتبا افزایش دما افزایش می یابد. برعکس در مورد نیمه هادی ها و بسیاری از عایق ها صادق است.
| مواد | ρ (Ωm) در 20°C | σ (S/m) در 20°C | ضریب دما (1/°C) x10 ^ -3 |
| نقره | 1، 59 × 10 -8 | 6، 30 × 10 7 | 3، 8 |
| مس |
1، 68 × 10 -8 |
5، 96 × 10 7 | 3، 9 |
| طلا | 2، 44 × 10 -8 | 4، 10 × 10 7 | 3, 4 |
| آلومینیوم | 2، 82 × 10 -8 | 3، 5 × 10 7 | 3، 9 |
| تنگستن | 5، 60 × 10 -8 | 1، 79 × 10 7 | 4.5 |
| روی | 5، 90 × 10 -8 | 1، 69 × 10 7 | 3, 7 |
| نیکل | 6، 99 × 10 -8 | 1، 43 × 10 7 | 6 |
| لیتیوم | 9، 28 × 10 -8 | 1.08 × 10 7 | 6 |
| آهن | 1، 0 × 10 -7 | 1، 00 × 10 7 | 5 |
| پلاتین | 1، 06 × 10 -7 | 9، 43 × 10 6 | 3، 9 |
| سرب | 2، 2 × 10 -7 | 4، 55 × 10 6 | 3، 9 |
| Constantan |
4، 9 × 10 -7 |
2.04 × 10 6 | 0, 008 |
| عطارد | 9، 8 × 10 -7 | 1، 02 × 10 6 | 0.9 |
| Nchrome | 1.10 × 10 -6 | 9، 09 × 10 5 | 0, 4 |
| کربن (بی شکل) | 5 × 10 -4 تا 8 × 10 -4 | 1، 25-2 × 10 3 | -0، 5 |
محاسبه مقاومت
برای هر دمای معین، می‌توانیم مقاومت الکتریکی یک جسم را بر حسب اهم با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنیم.
در این فرمول:
- R - مقاومت جسم، بر حسب اهم؛
- ρ - مقاومت (مشخص) ماده ای که جسم از آن ساخته شده است؛
- L - طول جسم بر حسب متر؛
- بخش متقاطعبخش شیء، بر حسب متر مربع.
مقاومت برابر با تعداد معینی اهم متر است. اگرچه واحد SI از ρ معمولا اهم متر است، گاهی اوقات واحد اهم بر سانتی متر است.
مقاومت یک ماده با بزرگی میدان الکتریکی در سراسر آن تعیین می شود که چگالی جریان مشخصی را به دست می دهد.
ρ=E/J که در آن:
- ρ - به اهم متر؛
- E - بزرگی میدان الکتریکی بر حسب ولت بر متر؛
- J - مقدار چگالی جریان بر حسب آمپر بر متر مربع.
چگونه مقاومت را تعیین کنیم؟ بسیاری از مقاومت ها و هادی ها دارای سطح مقطع یکنواخت با جریان یکنواخت جریان الکتریکی هستند. بنابراین، یک معادله خاص تر اما پرکاربردتر وجود دارد.
ρ=RA/ J، جایی که:
- R - مقاومت یک نمونه مواد همگن، اندازه‌گیری شده بر حسب اهم؛
- l - طول یک قطعه از مواد، اندازه گیری شده در متر، متر؛
- A - سطح مقطع نمونه، اندازه‌گیری شده در متر مربع، m2.
اصول مقاومت مواد
مقاومت الکتریکی یک ماده به عنوان مقاومت الکتریکی نیز شناخته می شود. این معیاری است که نشان می دهد ماده چقدر در برابر جریان الکتریکی مقاومت می کند. می توان آن را با تقسیم مقاومت در واحد طول و در واحد سطح مقطع، برای یک ماده خاص در دمای معین تعیین کرد.
این بدان معنی است که ρ کم نشان دهنده ماده ای است که به راحتی اجازه می دهدحرکت الکترون ها برعکس، ماده ای با ρ بالا مقاومت بالایی خواهد داشت و مانع از جریان الکترون ها می شود. عناصری مانند مس و آلومینیوم به دلیل سطوح ρ پایین خود شناخته می شوند. نقره و طلا به ویژه ارزش ρ بسیار پایینی دارند، اما استفاده از آنها به دلایل واضح محدود است.
منطقه مقاومتی
مواد بسته به مقدار ρ آنها در دسته های مختلفی قرار می گیرند. خلاصه ای در جدول زیر نشان داده شده است.
سطح رسانایی نیمه هادی ها به سطح دوپینگ بستگی دارد. بدون دوپینگ، آنها تقریباً شبیه عایق به نظر می رسند که برای الکترولیت ها یکسان است. سطح ρ مواد بسیار متفاوت است.
| دسته‌های تجهیزات و نوع مواد | ناحیه مقاومت رایج ترین مواد بسته به ρ |
| الکترولیت | متغیر |
| عایق | ~ 10 ^ 16 |
| فلزات | ~ 10 ^ -8 |
| نیمه رساناها | متغیر |
| ابررساناها | 0 |
ضریب مقاومت دما
در بیشتر موارد، مقاومت با دما افزایش می یابد. در نتیجه، نیاز به درک وابستگی مقاومت به دما وجود دارد. دلیل ضریب دمایی مقاومت در یک هادی را می توان توجیه کردبه طور شهودی مقاومت یک ماده به چند پدیده بستگی دارد. یکی از این موارد، تعداد برخوردهایی است که بین حامل های بار و اتم های موجود در ماده رخ می دهد. مقاومت هادی با افزایش دما افزایش می یابد، زیرا تعداد برخوردها افزایش می یابد.
ممکن است همیشه اینطور نباشد و به این دلیل است که حامل های بار اضافی با افزایش دما آزاد می شوند که منجر به کاهش مقاومت مواد می شود. این اثر اغلب در مواد نیمه هادی مشاهده می شود.
هنگام در نظر گرفتن وابستگی مقاومت به دما، معمولاً فرض می شود که ضریب دمایی مقاومت از یک قانون خطی پیروی می کند. این در مورد دمای اتاق و برای فلزات و بسیاری از مواد دیگر صدق می کند. با این حال، مشخص شده است که اثرات درگ ناشی از تعداد برخوردها همیشه ثابت نیست، به خصوص در دماهای بسیار پایین (پدیده ابررسانایی).
گراف دمای مقاومت
مقاومت یک رسانا در هر دمای معین را می توان از مقدار دما و ضریب مقاومت دمایی آن محاسبه کرد.
R=Rref(1+α (T- Tref))، که در آن:
- R - مقاومت؛
- Rref - مقاومت در دمای مرجع؛
- α- ضریب دمایی مقاومت مواد؛
- Tref دمای مرجعی است که ضریب دما برای آن مشخص شده است.
ضریب مقاومت دمایی، معمولاً تا دمای 20 درجه سانتیگراد استاندارد شده است.بر این اساس، معادله ای که معمولاً در معنای عملی استفاده می شود این است:
R=R20(1+ α20 (T- T20))، که در آن:
- R20=مقاومت در 20 درجه سانتیگراد؛
- α20 - ضریب مقاومت دما در 20 درجه سانتیگراد؛
- T20- دمای برابر با 20 درجه سانتیگراد.
مقاومت مواد در دمای اتاق
جدول مقاومت زیر حاوی بسیاری از موادی است که معمولاً در مهندسی برق استفاده می شود، از جمله مس، آلومینیوم، طلا و نقره. این ویژگی‌ها اهمیت ویژه‌ای دارند زیرا تعیین می‌کنند که آیا یک ماده می‌تواند در طیف گسترده‌ای از اجزای الکتریکی و الکترونیکی از سیم‌ها گرفته تا دستگاه‌های پیچیده‌تر مانند مقاومت‌ها، پتانسیومترها و موارد دیگر استفاده شود.
| جدول مقاومت مواد مختلف در دمای 20 درجه سانتیگراد در فضای باز | |
| مواد | مقاومت OM در 20°C |
| آلومینیوم | 2، 8 x 10 -8 |
| آنتیموان | 3، 9 × 10 -7 |
| بیسموت | 1، 3 x 10 -6 |
| برس | ~ 0.6 - 0.9 × 10 -7 |
| کادمیم | 6 x 10 -8 |
| کبالت | 5، 6 × 10 -8 |
| مس | 1، 7 × 10 -8 |
| طلا | 2، 4 x 10 -8 |
| کربن (گرافیت) | 1 x 10 -5 |
| ژرمانیوم | 4.6 x 10 -1 |
| آهن | 1.0 x 10 -7 |
| سرب | 1، 9 × 10 -7 |
| Nchrome | 1، 1 × 10 -6 |
| نیکل | 7 x 10 -8 |
| پالادیوم | 1.0 x 10 -7 |
| پلاتین | 0، 98 × 10 -7 |
| کوارتز | 7 x 10 17 |
| سیلیکون | 6، 4 × 10 2 |
| نقره | 1، 6 × 10 -8 |
| تانتالوم | 1، 3 x 10 -7 |
| تنگستن | 4، 9 x 10 -8 |
| روی | 5، 5 x 10 -8 |
مقایسه رسانایی مس و آلومینیوم
هادی ها از موادی تشکیل شده اند که الکتریسیته را هدایت می کنند. فلزات غیر مغناطیسی به طور کلی رسانای ایده آل الکتریسیته در نظر گرفته می شوند. هادی های فلزی مختلفی در صنعت سیم و کابل استفاده می شود، اما مس و آلومینیوم رایج ترین آنها هستند. رساناها دارای خواص مختلفی مانند رسانایی، استحکام کششی، وزن و تاثیرات محیطی هستند.
مقاومت یک هادی مسی در تولید کابل بسیار بیشتر از آلومینیوم استفاده می شود. تقریباً تمام کابل های الکترونیکی مانند سایر دستگاه ها و تجهیزاتی که از رسانایی بالای مس استفاده می کنند از مس ساخته شده اند. هادی های مسی نیز به طور گسترده در سیستم های توزیع وتولید برق، صنعت خودرو. برای صرفه جویی در وزن و هزینه، شرکت های انتقال از آلومینیوم در خطوط برق هوایی استفاده می کنند.
آلومینیوم در صنایعی که سبک بودن آن مهم است مانند ساخت هواپیما استفاده می شود و انتظار می رود در آینده کاربرد آن در صنعت خودروسازی افزایش یابد. برای کابل‌های قدرت بالاتر، از سیم آلومینیومی با روکش مس برای بهره‌گیری از مقاومت مس استفاده می‌شود که باعث کاهش وزن ساختاری قابل توجهی از آلومینیوم سبک وزن می‌شود.
رسانای مسی
مس یکی از قدیمی ترین مواد شناخته شده است. چکش‌خواری و هدایت الکتریکی آن توسط آزمایش‌کنندگان اولیه الکتریکی مانند بن فرانکلین و مایکل فارادی مورد بهره‌برداری قرار گرفت. کم بودن ρ مواد مس باعث شده است که آن را به عنوان رسانای اصلی مورد استفاده در اختراعاتی مانند تلگراف، تلفن و موتور الکتریکی پذیرفته شود. مس رایج ترین فلز رسانا است. در سال 1913، استاندارد بین المللی احتراق مس (IACS) برای مقایسه رسانایی سایر فلزات با مس به تصویب رسید.
طبق این استاندارد، مس بازپخت خالص تجاری دارای رسانایی 100% IACS است. مقاومت مواد با استاندارد مقایسه می شود. مس خالص تجاری که امروزه تولید می شود ممکن است ارزش IACS بالاتری داشته باشد زیرا فناوری پردازش به طور قابل توجهی در طول زمان پیشرفت کرده است. علاوه بر رسانایی عالی مس، این فلز دارای استحکام کششی، هدایت حرارتی و انبساط حرارتی بالایی است.سیم مسی آنیل شده که برای مصارف الکتریکی استفاده می شود، تمام الزامات استاندارد را برآورده می کند.
رساناهای آلومینیومی
علیرغم این واقعیت که مس سابقه طولانی به عنوان ماده ای برای تولید برق دارد، آلومینیوم دارای مزایای خاصی است که آن را برای کاربردهای خاص جذاب می کند و مقاومت فعلی آن باعث می شود تا چندین برابر از آن استفاده شود. آلومینیوم 61 درصد رسانایی مس و تنها 30 درصد وزن مس را دارد. این بدان معناست که وزن یک سیم آلومینیومی نصف یک سیم مسی با همان مقاومت الکتریکی است.
آلومینیوم در مقایسه با هسته مس ارزان تر است. هادی های آلومینیومی از آلیاژهای مختلف تشکیل شده اند، حداقل محتوای آلومینیوم 99.5٪ دارند. در دهه 1960 و 1970، به دلیل قیمت بالای مس، این درجه آلومینیوم به طور گسترده ای برای سیم کشی برق خانگی مورد استفاده قرار گرفت.
به دلیل عملکرد ضعیف در اتصالات و تفاوت های فیزیکی بین آلومینیوم و مس، دستگاه ها و سیم های ساخته شده بر اساس اتصالات آنها در تماس های مس-آلومینیوم خطرناک شدند. برای مقابله با فرآیند منفی، آلیاژهای آلومینیوم با خواص خزش و کشیدگی بیشتر شبیه به مس ساخته شده‌اند. این آلیاژها برای تولید سیم‌های آلومینیومی رشته‌ای استفاده می‌شوند که مقاومت جریان آن برای استفاده انبوه قابل قبول است و الزامات ایمنی برای شبکه‌های الکتریکی را برآورده می‌کند.
اگر آلومینیوم در مکان هایی که قبلاً از مس استفاده می شد استفاده شود،برای برابر نگه داشتن شبکه، باید از سیم آلومینیومی دو برابر اندازه سیم مسی استفاده کنید.
کاربرد رسانایی الکتریکی مواد
بسیاری از مواد موجود در جدول مقاومت به طور گسترده در الکترونیک استفاده می شوند. از آلومینیوم و به خصوص مس به دلیل مقاومت کم استفاده می شود. اکثر سیم‌ها و کابل‌هایی که امروزه برای اتصالات الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، از مس ساخته شده‌اند، زیرا سطح کمی از ρ را فراهم می‌کنند و مقرون به صرفه هستند. رسانایی خوب طلا، با وجود قیمت، در برخی از ابزارهای بسیار دقیق نیز استفاده می شود.
آبکاری طلا اغلب در اتصالات ولتاژ پایین با کیفیت بالا یافت می شود که هدف آن ارائه کمترین مقاومت تماسی است. نقره به طور گسترده ای در مهندسی برق صنعتی استفاده نمی شود زیرا به سرعت اکسید می شود و این منجر به مقاومت تماسی بالا می شود. در برخی موارد، اکسید می تواند به عنوان یکسو کننده عمل کند. مقاومت تانتالیوم در خازن ها، نیکل و پالادیوم در اتصالات انتهایی بسیاری از اجزای نصب سطحی استفاده می شود. کوارتز کاربرد اصلی خود را به عنوان یک عنصر تشدید کننده پیزوالکتریک می یابد. کریستال‌های کوارتز به‌عنوان عناصر فرکانس در بسیاری از نوسان‌گرها استفاده می‌شوند، جایی که ارزش بالای آن امکان ایجاد مدارهای فرکانس قابل اعتماد را فراهم می‌کند.
