Resistansi spesifik kawat aluminium. Resistivitas aluminium

Setiap zat mampu menghantarkan arus derajat yang berbeda-beda, nilai ini dipengaruhi oleh ketahanan material. Resistivitas tembaga, aluminium, baja dan elemen lainnya dilambangkan dengan huruf ρ dari alfabet Yunani. Nilai ini tidak bergantung pada karakteristik konduktor seperti ukuran, bentuk dan kondisi fisik, hambatan listrik biasa memperhitungkan parameter ini. Resistivitas diukur dalam Ohm dikalikan mm² dan dibagi meter.

Kategori dan deskripsinya

Bahan apa pun mampu menunjukkan dua jenis hambatan tergantung pada listrik yang disuplai ke bahan tersebut. Arus dapat bervariasi atau konstan, yang secara signifikan mempengaruhi kinerja teknis suatu zat. Jadi, ada resistensi seperti itu:

1. ohmik. Muncul di bawah pengaruh arus searah. Mencirikan gesekan, yang diciptakan oleh pergerakan partikel bermuatan listrik dalam suatu konduktor.
2. Aktif. Ditentukan berdasarkan prinsip yang sama, tetapi diciptakan di bawah pengaruh AC.

Dalam hal ini, ada juga dua definisi nilai spesifik. Untuk arus searah, besarnya sama dengan hambatan yang diberikan oleh suatu satuan panjang bahan konduktif dengan satuan luas penampang tetap. Medan listrik potensial mempengaruhi semua konduktor, serta semikonduktor dan larutan yang mampu menghantarkan ion. Nilai ini menentukan sifat konduktif dari material itu sendiri. Bentuk konduktor dan dimensinya tidak diperhitungkan, sehingga dapat disebut sebagai dasar dalam ilmu teknik elektro dan material.

Tunduk pada aliran arus bolak-balik nilai tertentu dihitung dengan mempertimbangkan ketebalan bahan konduktif. Di sini sudah ada dampak tidak hanya potensi, tapi juga arus pusaran, selain itu, frekuensi medan listrik juga diperhitungkan. Resistivitas jenis ini lebih banyak dibandingkan dengan DC, karena di sinilah akuntansi berlangsung nilai positif perlawanan bidang pusaran. Selain itu, nilai ini bergantung pada bentuk dan ukuran konduktor itu sendiri. Parameter inilah yang menentukan sifat gerak pusaran partikel bermuatan.

Arus bolak-balik menyebabkan hal tertentu fenomena elektromagnetik. Mereka sangat penting untuk karakteristik listrik bahan konduktif:

1. Efek kulit ditandai dengan melemahnya aliran listrik medan magnet semakin banyak, semakin jauh ia menembus ke dalam media konduktor. Fenomena ini disebut juga efek permukaan.
2. Efek kedekatan mengurangi kepadatan arus karena kedekatan kabel yang berdekatan dan pengaruhnya.

Efek ini sangat penting ketika menghitung ketebalan konduktor yang optimal, karena ketika menggunakan kawat yang radiusnya lebih besar dari kedalaman penetrasi arus ke dalam material, sisa massanya akan tetap tidak terpakai, dan oleh karena itu pendekatan ini tidak akan efektif. Sesuai dengan perhitungan yang dilakukan, diameter efektif bahan konduktif dalam beberapa situasi adalah sebagai berikut:

• untuk arus 50 Hz - 2,8 mm;
• 400 Hz - 1 mm;
• 40 kHz - 0,1 mm.

Oleh karena itu, penggunaan kabel multiinti datar, yang terdiri dari banyak kabel tipis, aktif digunakan untuk arus frekuensi tinggi.

Karakteristik logam

Indikator spesifik konduktor logam terdapat dalam tabel khusus. Dengan menggunakan data ini, Anda dapat membuat perhitungan lebih lanjut yang diperlukan. Contoh tabel resistivitas dapat dilihat pada gambar.

Tabel tersebut menunjukkan bahwa perak memiliki konduktivitas tertinggi - perak merupakan konduktor ideal di antara semua logam dan paduan yang ada. Jika kita menghitung berapa banyak kawat dari bahan ini yang diperlukan untuk memperoleh hambatan 1 ohm, maka diperoleh kawat besi sepanjang 62,5 m dengan nilai yang sama akan membutuhkan kawat besi sebanyak 7,7 m.

Apa pun sifat yang luar biasa tidak peduli apa yang dimiliki perak, bahannya terlalu mahal penggunaan massal dalam jaringan listrik, oleh karena itu tembaga banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan industri. Dalam hal indikator spesifik, ia menempati urutan kedua setelah perak, dan dalam hal prevalensi dan kemudahan ekstraksi, ia jauh lebih baik daripada perak. Tembaga memiliki keunggulan lain yang menjadikannya konduktor yang paling umum. Ini termasuk:

Untuk digunakan dalam teknik kelistrikan, digunakan tembaga murni, yang setelah dilebur dari bijih sulfida, melalui proses pemanggangan dan peniupan, dan kemudian harus melalui pemurnian elektrolitik. Setelah pengolahan tersebut dimungkinkan diperoleh suatu bahan yang sangat berkualitas berkualitas tinggi(nilai M1 dan M0), yang mengandung 0,1 hingga 0,05% pengotor. Nuansa penting adalah adanya oksigen dalam jumlah yang sangat kecil, karena berdampak negatif terhadap karakteristik mekanik tembaga.

Seringkali logam ini digantikan oleh bahan yang lebih murah - aluminium dan besi, serta berbagai perunggu (paduan dengan silikon, berilium, magnesium, timah, kadmium, kromium, dan fosfor). Komposisi tersebut memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan tembaga murni, meskipun memiliki konduktivitas yang lebih rendah.

Keuntungan dari aluminium

Meskipun aluminium memiliki ketahanan yang lebih besar dan lebih rapuh, penggunaannya secara luas disebabkan oleh fakta bahwa aluminium tidak selangka tembaga sehingga harganya lebih murah. Resistivitas aluminium adalah 0,028, dan kepadatan rendah memberikannya berat 3,5 kali lebih kecil dari tembaga.

Untuk pekerjaan kelistrikan gunakan aluminium murni grade A1, yang mengandung tidak lebih dari 0,5% pengotor. Kelas AB00 yang lebih tinggi digunakan untuk pembuatan kapasitor elektrolitik, elektroda dan aluminium foil. Kandungan pengotor pada aluminium ini tidak lebih dari 0,03%. Ada juga logam murni AB0000, termasuk tidak lebih dari 0,004% bahan tambahan. Pengotor itu sendiri juga penting: nikel, silikon, dan seng memiliki pengaruh kecil terhadap konduktivitas aluminium, dan kandungan tembaga, perak, dan magnesium dalam logam ini memiliki pengaruh yang nyata. Talium dan mangan paling mengurangi konduktivitas.

Aluminium mempunyai sifat anti korosi yang baik. Setelah kontak dengan udara, ia menjadi tertutup lapisan tipis oksida, yang melindunginya dari kerusakan lebih lanjut. Untuk meningkatkan karakteristik mekanis logam tersebut dicampur dengan unsur lain.

Indikator baja dan besi

Resistivitas besi dibandingkan tembaga dan aluminium sangat besar kinerja tinggi Namun, karena ketersediaan, kekuatan dan ketahanan terhadap deformasi, material ini banyak digunakan dalam produksi listrik.

Meskipun besi dan baja, yang resistivitasnya lebih tinggi, mempunyai kelemahan yang signifikan, produsen bahan konduktor telah menemukan metode untuk mengimbanginya. Secara khusus, ketahanan terhadap korosi yang rendah diatasi dengan melapisi kawat baja dengan seng atau tembaga.

Sifat natrium

Logam natrium juga sangat menjanjikan dalam produksi konduktor. Dalam hal ketahanan, ia secara signifikan melebihi tembaga, tetapi memiliki kepadatan 9 kali lebih kecil dari itu. Hal ini memungkinkan bahan tersebut digunakan dalam pembuatan kabel ultra-ringan.

Logam natrium sangat lunak dan sama sekali tidak stabil terhadap segala jenis deformasi, sehingga penggunaannya menjadi masalah - kawat yang terbuat dari logam ini harus ditutup dengan selubung yang sangat kuat dengan sedikit fleksibilitas. Cangkangnya harus tertutup rapat, karena natrium menunjukkan aktivitas kimia yang kuat dalam kondisi paling netral. Ia langsung teroksidasi di udara dan menunjukkan reaksi hebat dengan air, termasuk air yang terkandung di udara.

Manfaat lain menggunakan natrium adalah ketersediaannya. Ini dapat diperoleh melalui elektrolisis natrium klorida cair, yang jumlahnya tidak terbatas di dunia. Logam lain jelas lebih rendah dalam hal ini.

Untuk menghitung kinerja konduktor tertentu, perlu membagi produk dari jumlah tertentu dan panjang kawat dengan luas penampangnya. Hasilnya adalah nilai resistansi dalam Ohm. Misalnya, untuk menentukan hambatan kawat besi sepanjang 200 m dengan penampang nominal 5 mm², Anda perlu mengalikan 0,13 dengan 200 dan membagi hasilnya dengan 5. Jawabannya adalah 5,2 Ohm.

Aturan dan fitur perhitungan

Mikroohmmeter digunakan untuk mengukur resistansi media logam. Saat ini mereka diproduksi dalam versi digital, sehingga pengukuran yang dilakukan dengan bantuan mereka akurat. Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa logam memiliki tingkat tinggi konduktivitas dan memiliki resistansi yang sangat rendah. Misalnya ambang bawah alat ukur memiliki nilai 10 -7 Ohm.

Dengan menggunakan mikroohmmeter, Anda dapat dengan cepat menentukan seberapa baik kontaknya dan berapa hambatan yang ditimbulkan oleh belitan generator, motor listrik dan trafo, serta bus listrik. Dimungkinkan untuk menghitung keberadaan inklusi logam lain di dalam ingot. Misalnya, sepotong tungsten yang dilapisi emas menunjukkan setengah konduktivitas emas padat. Metode yang sama dapat digunakan untuk menentukan cacat internal dan rongga pada konduktor.

Rumus resistivitasnya adalah sebagai berikut: ρ = Ohm mm 2 /m. Dengan kata lain, ini dapat digambarkan sebagai hambatan konduktor 1 meter, memiliki luas penampang 1 mm². Suhu diasumsikan standar - 20 °C.

Pengaruh suhu pada pengukuran

Pemanasan atau pendinginan beberapa konduktor mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kinerja alat ukur. Contohnya adalah percobaan berikut: perlu menyambungkan kawat yang dililitkan secara spiral ke baterai dan menyambungkan ammeter ke rangkaian.

Semakin banyak konduktor memanas, semakin rendah pembacaan pada perangkat. Arusnya justru sebaliknya ketergantungan proporsional dari perlawanan. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa akibat pemanasan, konduktivitas logam menurun. Pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, semua logam berperilaku seperti ini, tetapi untuk beberapa paduan praktis tidak ada perubahan konduktivitas.

Patut dicatat bahwa konduktor cair dan beberapa nonlogam padat cenderung menurunkan resistansinya seiring dengan meningkatnya suhu. Namun para ilmuwan juga telah memanfaatkan kemampuan logam ini untuk keuntungan mereka. Mengetahui koefisien resistansi suhu (α) ketika memanaskan beberapa bahan, dimungkinkan untuk menentukan suhu eksternal. Misalnya, kawat platina yang diletakkan pada rangka mika ditempatkan di dalam tungku dan hambatannya diukur. Tergantung pada seberapa banyak perubahannya, kesimpulan dibuat tentang suhu di dalam oven. Desain ini disebut termometer resistansi.

Jika pada suhu T resistansi konduktor 0 adalah R 0, dan pada suhu T sama rt, maka koefisien resistansi suhu sama dengan

Perhitungan menggunakan rumus ini hanya dapat dilakukan pada kisaran suhu tertentu (sampai kurang lebih 200 °C).

Sebagian besar hukum fisika didasarkan pada eksperimen. Nama-nama peneliti diabadikan dalam judul undang-undang tersebut. Salah satunya adalah Georg Ohm.

Eksperimen Georg Ohm

Dia mendirikan selama percobaan pada interaksi listrik dengan berbagai zat, termasuk logam hubungan mendasar massa jenis, kuat medan listrik, dan sifat-sifat zat, yang disebut “konduktivitas spesifik”. Rumus yang sesuai dengan pola ini, yang disebut “Hukum Ohm”, adalah sebagai berikut:

j= λE , di mana

• J- kerapatan arus listrik;
• λ — konduktivitas spesifik, juga disebut “konduktivitas listrik”;
• E – kekuatan medan listrik.

Dalam beberapa kasus, untuk menunjukkan daya konduksi huruf lain dari alfabet Yunani digunakan - σ . Konduktivitas spesifik bergantung pada parameter tertentu dari suatu zat. Nilainya dipengaruhi oleh suhu, zat, tekanan, apakah berupa gas, dan yang terpenting, struktur zat tersebut. Hukum Ohm hanya berlaku untuk zat homogen.

Untuk perhitungan yang lebih mudah, kebalikan dari konduktivitas spesifik digunakan. Ini disebut “resistansi spesifik”, yang juga dikaitkan dengan sifat-sifat zat di mana ia mengalir. arus listrik, dilambangkan surat Yunani ρ dan memiliki dimensi Ohm*m. Tapi karena berbeda fenomena fisik yang berbeda berlaku pembenaran teoretis, rumus alternatif dapat digunakan untuk resistivitas. Mereka adalah cerminan dari karya klasik teori elektron logam, serta teori kuantum.

Rumus

Rumus ini, yang membosankan bagi pembaca awam, mencakup faktor-faktor seperti Konstanta Boltzmann, Konstanta Avogadro dan konstanta Planck. Konstanta ini digunakan untuk perhitungan yang memperhitungkan jalur bebas elektron dalam konduktor, kecepatannya selama gerakan termal, derajat ionisasi, konsentrasi dan kepadatan suatu zat. Singkatnya, semuanya cukup rumit bagi non-spesialis. Agar tidak berdasar, di bawah ini Anda dapat melihat bagaimana semuanya sebenarnya terlihat:

Fitur logam

Karena pergerakan elektron bergantung pada homogenitas zat, arus dalam konduktor logam mengalir sesuai dengan strukturnya, yang mempengaruhi distribusi elektron dalam konduktor, dengan mempertimbangkan heterogenitasnya. Hal ini ditentukan tidak hanya oleh adanya inklusi pengotor, tetapi juga oleh cacat fisik - retakan, rongga, dll. Heterogenitas konduktor meningkatkan resistivitasnya, yang ditentukan oleh aturan Matthiesen.

Aturan yang mudah dipahami ini pada dasarnya mengatakan bahwa beberapa resistivitas terpisah dapat dibedakan dalam konduktor pembawa arus. Dan nilai yang dihasilkan akan menjadi jumlah mereka. Persyaratannya adalah resistivitas kisi kristal logam, kotoran dan cacat konduktor. Karena parameter ini bergantung pada sifat zat, hukum terkait telah ditetapkan untuk menghitungnya, termasuk untuk zat campuran.

Terlepas dari kenyataan bahwa paduan juga merupakan logam, mereka dianggap sebagai larutan dengan struktur kacau, dan untuk menghitung resistivitas, penting logam mana yang termasuk dalam paduan tersebut. Pada dasarnya, sebagian besar paduan dari dua komponen yang tidak termasuk dalam transisi, juga logam tanah jarang termasuk dalam deskripsi hukum Nodheim.

Bagaimana topik terpisah Resistivitas film tipis logam dipertimbangkan. Cukup logis untuk berasumsi bahwa nilainya harus lebih besar daripada nilai konduktor curah yang terbuat dari logam yang sama. Tapi di saat yang sama, spesial rumus empiris Fuchs, yang menggambarkan saling ketergantungan resistivitas dan ketebalan film. Ternyata logam dalam film menunjukkan sifat semikonduktor.

Dan proses perpindahan muatan dipengaruhi oleh elektron, yang bergerak searah dengan ketebalan film dan mengganggu pergerakan muatan “longitudinal”. Pada saat yang sama, mereka dipantulkan dari permukaan konduktor film, dan dengan demikian satu elektron berosilasi di antara kedua permukaannya dalam waktu yang cukup lama. Faktor penting lainnya dalam meningkatkan resistivitas adalah suhu konduktor. Semakin tinggi suhunya, semakin besar resistensinya. Sebaliknya, semakin rendah suhu maka resistansinya akan semakin rendah.

Logam adalah zat dengan resistivitas terendah pada suhu “ruangan”. Satu-satunya non-logam yang membenarkan penggunaannya sebagai konduktor adalah karbon. Grafit yang merupakan salah satu varietasnya banyak digunakan untuk pembuatan kontak geser. Ia memiliki kombinasi sifat yang sangat sukses seperti resistivitas dan koefisien gesekan geser. Oleh karena itu, grafit merupakan bahan yang sangat diperlukan untuk sikat motor listrik dan kontak geser lainnya. Nilai resistivitas bahan utama yang digunakan untuk keperluan industri diberikan pada tabel di bawah ini.

Superkonduktivitas

Pada suhu yang sesuai dengan pencairan gas, yaitu hingga suhu helium cair, yaitu -273 derajat Celcius, resistivitas menurun hingga hampir hilang sama sekali. Dan bukan hanya konduktor logam yang bagus seperti perak, tembaga dan aluminium. Hampir semua logam. Dalam kondisi seperti itu, yang disebut superkonduktivitas, struktur logam tidak mempunyai efek penghambatan terhadap pergerakan muatan di bawah pengaruh medan listrik. Oleh karena itu, merkuri dan sebagian besar logam menjadi superkonduktor.

Namun ternyata, baru-baru ini di tahun 80-an abad ke-20, beberapa jenis keramik juga mampu melakukan superkonduktivitas. Apalagi Anda tidak perlu menggunakan helium cair untuk ini. Bahan seperti itu disebut superkonduktor suhu tinggi. Namun, beberapa dekade telah berlalu, dan jangkauan konduktor suhu tinggi telah berkembang secara signifikan. Namun penggunaan massal elemen superkonduktor suhu tinggi tersebut belum teramati. Di beberapa negara, instalasi tunggal telah dilakukan dengan penggantian konduktor tembaga konvensional dengan superkonduktor suhu tinggi. Untuk mempertahankan rutinitas normal superkonduktivitas suhu tinggi diperlukan nitrogen cair. Dan ini ternyata merupakan solusi teknis yang terlalu mahal.

Oleh karena itu, rendahnya nilai resistivitas yang diberikan Alam pada tembaga dan aluminium masih menjadikannya bahan yang sangat diperlukan untuk pembuatan berbagai konduktor listrik.

Arus listrik terjadi akibat penutupan suatu rangkaian dengan beda potensial pada terminal-terminalnya. Gaya medan bekerja pada elektron bebas dan bergerak sepanjang konduktor. Selama perjalanan ini, elektron bertemu atom dan mentransfer sebagian energi yang terkumpul ke atom tersebut. Akibatnya kecepatan mereka menurun. Namun karena pengaruh medan listrik, momentumnya kembali meningkat. Dengan demikian, elektron terus-menerus mengalami hambatan, itulah sebabnya arus listrik memanas.

Sifat suatu zat untuk mengubah listrik menjadi panas bila terkena arus disebut hambatan listrik dan dilambangkan dengan R, nya satuan pengukuran adalah Om. Besarnya resistensi terutama bergantung pada kemampuan berbagai bahan menghantarkan arus.
Untuk pertama kalinya, peneliti Jerman G. Ohm berbicara tentang perlawanan.

Untuk mengetahui ketergantungan arus pada hambatan, fisikawan terkenal melakukan banyak percobaan. Untuk percobaan ia menggunakan berbagai konduktor dan memperoleh berbagai indikator.
Hal pertama yang ditentukan G. Ohm adalah bahwa resistivitas bergantung pada panjang konduktor. Artinya, jika panjang penghantar bertambah maka hambatannya juga bertambah. Alhasil, hubungan ini ditetapkan berbanding lurus.

Hubungan kedua adalah area penampang. Hal ini dapat ditentukan dengan memotong konduktor. Luas bangun yang terbentuk pada potongan adalah luas penampang. Di sini hubungannya berbanding terbalik. Artinya, semakin besar luas penampang, semakin rendah resistansi penghantarnya.

Dan yang ketiga, kuantitas penting yang menjadi sandaran resistensi adalah materialnya. Sebagai hasil dari fakta bahwa Om menggunakan berbagai bahan dalam percobaan, ia menemukan berbagai properti perlawanan. Semua eksperimen dan indikator ini dirangkum dalam sebuah tabel yang dapat dilihat arti yang berbeda resistensi spesifik berbagai zat.

Diketahui bahwa konduktor terbaik adalah logam. Logam manakah yang merupakan konduktor terbaik? Tabel tersebut menunjukkan bahwa tembaga dan perak memiliki resistansi paling kecil. Tembaga lebih sering digunakan karena biayanya yang lebih rendah, dan perak digunakan pada perangkat yang paling penting dan kritis.

Bahan dengan resistivitas tinggi pada tabel tidak dapat menghantarkan listrik dengan baik, yang berarti bahan tersebut dapat menjadi bahan insulasi yang sangat baik. Zat yang memiliki sifat ini semaksimal mungkin, ini porselen dan ebonit.

Secara umum, spesifik hambatan listrik sangat faktor penting Lagi pula, dengan menentukan indikatornya, kita dapat mengetahui bahan penghantar itu terbuat dari apa. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengukur luas penampang, mencari arus menggunakan voltmeter dan ammeter, dan juga mengukur tegangan. Dengan cara ini kita akan mengetahui nilai resistivitas dan, dengan menggunakan tabel, kita dapat dengan mudah mengidentifikasi zat tersebut. Ternyata resistivitas itu seperti sidik jari suatu zat. Selain itu, resistivitas penting ketika merencanakan rangkaian listrik yang panjang: kita perlu mengetahui indikator ini untuk menjaga keseimbangan antara panjang dan luas.

Ada rumus yang menentukan hambatannya adalah 1 ohm jika pada tegangan 1V arusnya 1A. Artinya, hambatan suatu satuan luas dan satuan panjang terbuat dari suatu zat tertentu dan ada resistensi spesifik.

Perlu juga dicatat bahwa indikator resistivitas secara langsung bergantung pada frekuensi zat. Artinya, apakah ada kotorannya. Namun, menambahkan hanya satu persen mangan akan meningkatkan ketahanan zat paling konduktif, tembaga, sebanyak tiga kali lipat.

Tabel ini menunjukkan resistivitas listrik beberapa zat.

Bahan yang sangat konduktif

Tembaga
Seperti yang telah kami katakan, tembaga paling sering digunakan sebagai konduktor. Hal ini dijelaskan tidak hanya oleh resistansinya yang rendah. Tembaga memiliki keunggulan kekuatan tinggi, ketahanan terhadap korosi, kemudahan penggunaan dan kemampuan mesin yang baik. Merek yang bagus tembaga dianggap M0 dan M1. Jumlah pengotor di dalamnya tidak melebihi 0,1%.

Tingginya harga logam dan dominasinya di akhir-akhir ini kelangkaan mendorong produsen untuk menggunakan aluminium sebagai konduktor. Paduan tembaga dengan berbagai logam juga digunakan.
Aluminium
Logam ini jauh lebih ringan dari tembaga, tetapi aluminium memilikinya nilai-nilai besar kapasitas panas dan titik leleh. Dalam hal ini, untuk menjadikannya cair, dibutuhkan lebih banyak energi daripada tembaga. Namun, fakta kekurangan tembaga harus diperhitungkan.
Dalam produksi produk listrik, biasanya digunakan aluminium kelas A1. Ini mengandung tidak lebih dari 0,5% pengotor. Dan logam frekuensi tertinggi- ini adalah aluminium kelas AB0000.
Besi
Murahnya dan ketersediaan besi dibayangi oleh resistivitasnya yang tinggi. Selain itu, cepat terkorosi. Oleh karena itu, konduktor baja sering kali dilapisi dengan seng. Yang disebut bimetal banyak digunakan - ini adalah baja yang dilapisi tembaga untuk perlindungan.
Sodium
Natrium juga merupakan bahan yang mudah didapat dan menjanjikan, namun ketahanannya hampir tiga kali lipat dari tembaga. Selain itu, natrium logam memiliki aktivitas kimia yang tinggi, sehingga konduktor tersebut harus ditutup dengan pelindung yang tertutup rapat. Ini juga harus melindungi konduktor dari kerusakan mekanis, karena natrium adalah bahan yang sangat lunak dan agak rapuh.

Superkonduktivitas
Tabel di bawah menunjukkan resistivitas zat pada suhu 20 derajat. Indikasi suhu tidak disengaja, karena resistivitas secara langsung bergantung pada indikator ini. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika dipanaskan, kecepatan atom juga meningkat, yang berarti kemungkinan bertemunya elektron juga akan meningkat.

Menariknya apa yang terjadi pada resistensi dalam kondisi pendinginan. Untuk pertama kalinya, perilaku atom sangat suhu rendah dicatat oleh G. Kamerlingh Onnes pada tahun 1911. Dia mendinginkan kawat merkuri hingga 4K dan menemukan bahwa resistansinya turun menjadi nol. Perubahan indeks resistivitas beberapa paduan dan logam pada kondisi suhu rendah disebut superkonduktivitas oleh fisikawan.

Superkonduktor menjadi superkonduktivitas ketika didinginkan, dan, pada saat yang sama, optik dan karakteristik struktural jangan berubah. Penemuan utama adalah listrik dan sifat magnetik logam dalam keadaan superkonduktor sangat berbeda dengan sifat-sifatnya dalam keadaan normal, serta sifat-sifat logam lain yang tidak dapat bertransisi ke keadaan ini ketika suhu menurun.
Penggunaan superkonduktor dilakukan terutama untuk memperoleh medan magnet ultra kuat yang kekuatannya mencapai 107 A/m. Sistem saluran listrik superkonduktor juga sedang dikembangkan.

Bahan serupa.

Dalam praktiknya, seringkali perlu menghitung resistansi berbagai kabel. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan rumus atau menggunakan data yang diberikan dalam tabel. 1.

Pengaruh bahan konduktor diperhitungkan dengan menggunakan resistivitas, yang dilambangkan dengan huruf Yunani? dan mempunyai panjang 1 m dan luas penampang 1 mm2. Resistivitas terendah? = 0,016 Ohm mm2/m mengandung perak. Mari kita berikan nilai rata-rata resistivitas beberapa konduktor:

Pada berbagai kuantitas kotoran dan rasio yang berbeda komponen yang termasuk dalam paduan reostatik, resistivitasnya mungkin sedikit berubah.

Resistansi dihitung menggunakan rumus:

dimana R adalah hambatan, Ohm; resistivitas, (Ohm mm2)/m; aku - panjang kawat, m; s - luas penampang kawat, mm2.

Jika diameter kawat d diketahui, maka luas penampangnya sama dengan:

Cara terbaik adalah mengukur diameter kawat menggunakan mikrometer, tetapi jika Anda tidak memilikinya, Anda harus melilitkan 10 atau 20 lilitan kawat dengan erat ke pensil dan mengukur panjang lilitan dengan penggaris. Membagi panjang belitan dengan jumlah lilitan, kita menemukan diameter kawat.

Untuk menentukan panjang kawat yang diameternya diketahui, terbuat dari bahan tertentu, diperlukan untuk memperoleh hambatan yang diperlukan, gunakan rumus

Tabel 1.

Catatan. 1. Data untuk kabel yang tidak tercantum dalam tabel harus diambil sebagai nilai rata-rata. Misalnya, untuk kawat nikel dengan diameter 0,18 mm, kita dapat berasumsi bahwa luas penampangnya adalah 0,025 mm2, hambatan satu meter adalah 18 Ohm, dan arus yang diizinkan adalah 0,075 A.

2. Untuk nilai rapat arus yang berbeda, data pada kolom terakhir harus diubah; misalnya, pada rapat arus 6 A/mm2, rapat arusnya harus digandakan.

Contoh 1. Tentukan hambatan pada jarak 30 m kawat tembaga dengan diameter 0,1mm.

Larutan. Kami menentukan sesuai tabel. 1 hambatan 1 m kawat tembaga sama dengan 2,2 ohm. Jadi, hambatan kawat yang panjangnya 30 m adalah R = 30 2,2 = 66 Ohm.

Perhitungan menggunakan rumus memberikan hasil sebagai berikut: luas penampang kawat: s = 0,78 0,12 = 0,0078 mm2. Karena resistivitas tembaga adalah 0,017 (Ohm mm2)/m, maka diperoleh R = 0,017 30/0,0078 = 65,50 m.

Contoh 2. Berapa kawat nikel diameter 0,5 mm yang diperlukan untuk membuat rheostat dengan hambatan 40 Ohm?

Larutan. Menurut tabel 1, kita tentukan hambatan 1 m kawat ini: R = 2,12 Ohm: Jadi, untuk membuat rheostat yang hambatannya 40 Ohm, diperlukan kawat yang panjangnya l = 40/2,12 = 18,9 m.

Mari kita lakukan perhitungan yang sama menggunakan rumus. Kita cari luas penampang kawat s = 0,78 · 0,52 = 0,195 mm2. Dan panjang kawatnya adalah l = 0,195 40/0,42 = 18,6 m.

Saat ditutup rangkaian listrik, pada terminal-terminalnya terdapat beda potensial, timbul arus listrik. Elektron bebas di bawah pengaruh kekuatan listrik bidang bergerak sepanjang konduktor. Dalam pergerakannya, elektron bertabrakan dengan atom konduktor dan memberi mereka suplai energi kinetik. Kecepatan pergerakan elektron terus berubah: ketika elektron bertabrakan dengan atom, molekul, dan elektron lainnya, kecepatannya berkurang, kemudian di bawah pengaruh medan listrik, kecepatannya bertambah dan berkurang lagi dengan tumbukan baru. Akibatnya, konduktor dipasang gerak seragam aliran elektron dengan kecepatan beberapa pecahan sentimeter per detik. Akibatnya, elektron yang melewati suatu konduktor selalu menemui hambatan terhadap pergerakannya dari sisinya. Ketika arus listrik melewati konduktor, konduktor memanas.

Hambatan listrik

Hambatan listrik suatu konduktor, yang ditunjuk huruf latin R, adalah properti suatu benda atau media untuk diubah energi listrik menjadi panas ketika arus listrik melewatinya.

Dalam diagram, hambatan listrik ditunjukkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, A.

Hambatan listrik variabel yang berfungsi untuk mengubah arus dalam suatu rangkaian disebut rheostat. Dalam diagram, rheostat ditunjukkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, B. DI DALAM pandangan umum Rheostat terbuat dari kawat dengan hambatan tertentu, dililitkan pada dasar isolasi. Penggeser atau tuas rheostat ditempatkan pada posisi tertentu, sebagai akibatnya resistansi yang diperlukan dimasukkan ke dalam rangkaian.

Konduktor panjang dengan penampang kecil menciptakan hambatan arus yang besar. Konduktor pendek dengan penampang besar memberikan sedikit hambatan terhadap arus.

Jika kita mengambil dua konduktor dari bahan yang berbeda, tetapi panjang dan penampangnya sama, maka penghantar tersebut akan menghantarkan arus secara berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa hambatan suatu penghantar bergantung pada bahan penghantar itu sendiri.

Suhu konduktor juga mempengaruhi resistansinya. Ketika suhu meningkat, resistensi logam meningkat, dan resistensi cairan dan batubara menurun. Hanya beberapa paduan logam khusus (manganin, konstanta, nikel, dan lainnya) yang mengalami kesulitan mengubah ketahanannya seiring dengan meningkatnya suhu.

Jadi, kita melihat bahwa hambatan listrik suatu konduktor bergantung pada: 1) panjang konduktor, 2) penampang konduktor, 3) bahan konduktor, 4) suhu konduktor.

Satuan hambatan adalah satu ohm. Om sering dilambangkan dalam bahasa Yunani huruf kapitalΩ (omega). Oleh karena itu, daripada menulis “Hambatan konduktor adalah 15 ohm”, Anda cukup menulis: R= 15Ω.
1.000 ohm disebut 1 kiloohm(1kOhm, atau 1kΩ),
1.000.000 ohm disebut 1 megaohm(1mOhm, atau 1MΩ).

Saat membandingkan resistansi konduktor dari bahan yang berbeda, perlu diambil panjang dan penampang tertentu untuk setiap sampel. Kemudian kita akan dapat menilai bahan mana yang menghantarkan arus listrik lebih baik atau lebih buruk.

Video 1. Resistansi konduktor

Resistivitas listrik

Hambatan dalam ohm suatu penghantar yang panjangnya 1 m, dengan penampang 1 mm² disebut resistivitas dan dilambangkan dengan huruf Yunani ρ (ro).

Tabel 1 menunjukkan resistivitas beberapa konduktor.

Tabel 1

Resistivitas berbagai konduktor

Tabel tersebut menunjukkan bahwa sebuah kawat besi dengan panjang 1 m dan luas penampang 1 mm² mempunyai hambatan 0,13 Ohm. Untuk mendapatkan hambatan 1 Ohm, Anda perlu mengambil kawat sepanjang 7,7 m. Perak memiliki resistivitas terendah. Hambatan 1 Ohm dapat diperoleh dengan mengambil kawat perak sepanjang 62,5 m dengan penampang 1 mm². Perak adalah konduktor terbaik, tetapi harga perak tidak termasuk kemungkinan penggunaan massal. Setelah perak di meja muncul tembaga: 1 m kawat tembaga dengan penampang 1 mm² memiliki hambatan 0,0175 Ohm. Untuk mendapatkan hambatan 1 ohm, Anda perlu mengambil 57 m kawat tersebut.

Tembaga murni secara kimia, diperoleh dengan penyulingan, telah banyak digunakan dalam teknik kelistrikan untuk pembuatan kabel, kabel, belitan mesin dan perangkat listrik. Aluminium dan besi juga banyak digunakan sebagai konduktor.

Resistansi konduktor dapat ditentukan dengan rumus:

Di mana R– resistansi konduktor dalam ohm; ρ – resistansi spesifik konduktor; aku– panjang konduktor dalam m; S– penampang konduktor dalam mm².

Contoh 1. Tentukan hambatan kawat besi sepanjang 200 m yang mempunyai luas penampang 5 mm².

Contoh 2. Hitung hambatan kawat aluminium sepanjang 2 km dengan luas penampang 2,5 mm².

Dari rumus resistansi Anda dapat dengan mudah menentukan panjang, resistivitas, dan penampang konduktor.

Contoh 3. Untuk penerima radio, perlu melilitkan resistor 30 Ohm dari kawat nikel dengan penampang 0,21 mm². Tentukan panjang kawat yang dibutuhkan.

Contoh 4. Tentukan luas penampang kawat nikrom 20 m jika hambatannya 25 Ohm.

Contoh 5. Sebuah kawat dengan luas penampang 0,5 mm² dan panjang 40 m mempunyai hambatan 16 Ohm. Tentukan bahan kawat.

Bahan konduktor mencirikan resistivitasnya.

Berdasarkan tabel resistivitas, kami menemukan bahwa timbal memiliki resistensi ini.

Telah dinyatakan di atas bahwa hambatan konduktor bergantung pada suhu. Mari kita lakukan percobaan berikut. Mari kita melilitkan beberapa meter kawat logam tipis dalam bentuk spiral dan menghubungkan spiral ini ke sirkuit baterai. Untuk mengukur arus, kita menghubungkan amperemeter ke rangkaian. Ketika kumparan dipanaskan dalam nyala api pembakar, Anda akan melihat bahwa pembacaan ammeter akan berkurang. Hal ini menunjukkan bahwa hambatan kawat logam meningkat seiring dengan pemanasan.

Untuk beberapa logam, ketika dipanaskan hingga 100°, resistansinya meningkat sebesar 40–50%. Ada paduan yang sedikit mengubah ketahanannya saat dipanaskan. Beberapa paduan khusus hampir tidak menunjukkan perubahan resistansi ketika suhu berubah. Resistansi konduktor logam meningkat seiring dengan meningkatnya suhu, resistansi elektrolit (konduktor cair), batubara dan lain-lain padatan, sebaliknya, menurun.

Kemampuan logam untuk mengubah resistansinya terhadap perubahan suhu digunakan untuk membuat termometer resistansi. Termometer ini merupakan lilitan kawat platina pada rangka mika. Dengan menempatkan termometer, misalnya, di dalam tungku dan mengukur resistansi kawat platina sebelum dan sesudah pemanasan, suhu di dalam tungku dapat ditentukan.

Perubahan hambatan suatu penghantar bila dipanaskan per 1 ohm hambatan awal dan per 1° suhu disebut koefisien resistansi suhu dan dilambangkan dengan huruf α.

Jika pada suhu T resistansi konduktor 0 adalah R 0 , dan pada suhu T sama r t, maka koefisien resistansi suhu

Catatan. Perhitungan menggunakan rumus ini hanya dapat dilakukan pada rentang suhu tertentu (sampai kurang lebih 200°C).

Berikut adalah nilai-nilainya koefisien suhu resistensi α untuk beberapa logam (Tabel 2).

Tabel 2

Nilai koefisien suhu untuk beberapa logam

Dari rumus koefisien resistansi suhu kita tentukan r t:

r t = R 0 .

Contoh 6. Tentukan hambatan kawat besi yang dipanaskan hingga 200°C jika hambatannya pada 0°C adalah 100 Ohm.

r t = R 0 = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 ohm.

Contoh 7. Sebuah termometer hambatan yang terbuat dari kawat platina mempunyai hambatan 20 ohm di ruangan bersuhu 15°C. Termometer dimasukkan ke dalam oven dan setelah beberapa waktu diukur hambatannya. Ternyata sama dengan 29,6 Ohm. Tentukan suhu di dalam oven.

Konduktivitas listrik

Sejauh ini, kita telah menganggap hambatan suatu konduktor sebagai hambatan yang diberikan konduktor terhadap arus listrik. Namun tetap saja, arus melewati konduktor. Oleh karena itu, selain hambatan (hambatan), penghantar juga mempunyai kemampuan menghantarkan arus listrik, yaitu daya hantar.

Semakin besar hambatan yang dimiliki suatu penghantar, semakin kecil daya hantar listriknya, semakin buruk penghantar arus listriknya, dan sebaliknya, semakin kecil daya hantar arus listriknya. resistensi yang lebih sedikit konduktor, semakin tinggi konduktivitasnya, semakin mudah arus mengalir melalui konduktor. Oleh karena itu, hambatan dan konduktivitas suatu konduktor merupakan besaran timbal balik.

Dari matematika diketahui kebalikan dari 5 adalah 1/5 dan sebaliknya kebalikan dari 1/7 adalah 7. Oleh karena itu, jika hambatan suatu penghantar dilambangkan dengan huruf R, maka konduktivitas didefinisikan sebagai 1/ R. Konduktivitas biasanya dilambangkan dengan huruf g.

Konduktivitas listrik diukur dalam (1/Ohm) atau dalam siemens.

Contoh 8. Resistansi konduktor adalah 20 ohm. Tentukan konduktivitasnya.

Jika R= 20 Ohm, kalau begitu

Contoh 9. Konduktivitas konduktor adalah 0,1 (1/Ohm). Tentukan resistensinya

Jika g = 0,1 (1/Ohm), maka R= 1 / 0,1 = 10 (Ohm)