Przewód elektryczny - Electrical conductor

Przewody napowietrzne przenoszą energię elektryczną z elektrowni do klientów.

W fizyki i elektrotechniki , A dyrygent jest przedmiot lub rodzaj materiału , który umożliwia przepływ ładunku ( prąd elektryczny ) w jednej lub większej liczbie kierunków. Materiały wykonane z metalu są powszechnymi przewodnikami elektrycznymi. Prąd elektryczny jest generowany przez przepływ ujemnie naładowanych elektronów , dodatnio naładowanych dziur oraz w niektórych przypadkach dodatnich lub ujemnych jonów .

Aby prąd płynął w zamkniętym obwodzie elektrycznym , nie jest konieczne, aby jedna naładowana cząstka przemieszczała się od elementu wytwarzającego prąd ( źródło prądu ) do tych, które go zużywają ( obciążenia ). Zamiast tego, naładowana cząstka musi po prostu szturchnąć swojego sąsiada o skończoną ilość, który będzie szturchał swojego sąsiada i tak dalej, aż cząstka zostanie potrącona w konsumenta, tym samym zasilając go. Zasadniczo to, co ma miejsce, to długi łańcuch przenoszenia pędu między operatorami opłat mobilnych ; Drude modelu przewodzenia opisuje ten proces bardziej rygorystyczne. Ten model przenoszenia pędu sprawia, że metal jest idealnym wyborem dla przewodnika; metale, co charakterystyczne, posiadają zdelokalizowane morze elektronów, które zapewnia im wystarczającą ruchliwość do zderzenia, a tym samym wpływa na przeniesienie pędu.

Jak omówiono powyżej, elektrony są głównym motorem w metalach; jednak inne urządzenia, takie jak kationowy elektrolit (y) baterii lub ruchome protony przewodnika protonowego ogniwa paliwowego, opierają się na dodatnich nośnikach ładunku. Izolatory to materiały nieprzewodzące z niewielką liczbą ruchomych ładunków, które przenoszą tylko nieznaczne prądy elektryczne.

Rezystancja i przewodność

Kawałek materiału rezystancyjnego ze stykami elektrycznymi na obu końcach.

Odporność danego przewodu zależy od materiału, z którego jest wykonana, a na jej wymiarach. Dla danego materiału opór jest odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju. Na przykład gruby drut miedziany ma niższą rezystancję niż identyczny cienki drut miedziany. Również dla danego materiału opór jest proporcjonalny do długości; na przykład długi drut miedziany ma większą rezystancję niż identyczny krótki drut miedziany. Opór $R$ i przewodność $G$ przewodu o jednolitym przekroju można zatem obliczyć jako

{\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównane} R & = \ rho {\ Frac {\ ell} {A}}, \ \ [6 pkt] G & = \ sigma {\ Frac {A} {\ ell}}. \ koniec {wyrównane }}}

gdzie to długość przewodu mierzona w metrach [m], A pole przekroju poprzecznego przewodu mierzone w metrach kwadratowych [m ² ], σ ( sigma ) to przewodność elektryczna mierzona w siemensach na metr (S· m- ¹ ), a ρ ( rho ) jest opornością elektryczną (zwaną również opornością elektryczną właściwą ) materiału, mierzoną w om-metrach (Ω·m). Rezystywność i przewodność są stałymi proporcjonalności i dlatego zależą tylko od materiału, z którego wykonany jest drut, a nie od geometrii drutu. Oporność i przewodność są odwrotnością : . Rezystywność jest miarą zdolności materiału do przeciwstawiania się prądowi elektrycznemu. $\ell$ ${\ Displaystyle \ rho = 1 / \ sigma}$

Ten wzór nie jest dokładny: zakłada, że gęstość prądu w przewodniku jest całkowicie jednorodna, co nie zawsze jest prawdziwe w praktyce. Jednak ten wzór nadal zapewnia dobre przybliżenie dla długich, cienkich przewodów, takich jak druty.

Inną sytuacją, w której ten wzór nie jest dokładny, jest prąd przemienny (AC), ponieważ efekt naskórkowości hamuje przepływ prądu w pobliżu środka przewodnika. Wówczas przekrój geometryczny różni się od przekroju efektywnego, w którym faktycznie płynie prąd, a więc rezystancja jest wyższa od oczekiwanej. Podobnie, jeśli dwa przewodniki są blisko siebie przewodzące prąd przemienny, ich rezystancja wzrasta ze względu na efekt bliskości . Przy komercyjnej częstotliwości zasilania efekty te są znaczące w przypadku dużych przewodników przewodzących duże prądy, takich jak szyny zbiorcze w podstacji elektrycznej lub duże kable zasilające przenoszące prąd o natężeniu przekraczającym kilkaset amperów.

Poza geometrią drutu, istotny wpływ na skuteczność przewodników ma również temperatura. Temperatura wpływa na przewodniki na dwa sposoby, po pierwsze, materiały mogą rozszerzać się pod wpływem ciepła. Wielkość, o jaką materiał się rozszerzy, zależy od współczynnika rozszerzalności cieplnej specyficznego dla materiału. Takie rozszerzenie (lub skurcz) zmieni geometrię przewodnika, a tym samym jego charakterystyczną rezystancję. Jednak efekt ten jest na ogół niewielki, rzędu ^10-6 . Wzrost temperatury spowoduje również wzrost liczby fononów generowanych w materiale. Fononowa jest zasadniczo kraty drgania, a raczej niewielki, harmonicznej kinetyczna ruchu atomów materiału. Podobnie jak drżenie flippera, fonony zakłócają drogę elektronów, powodując ich rozproszenie. To rozpraszanie elektronów zmniejszy liczbę zderzeń elektronów, a zatem zmniejszy całkowitą ilość przesyłanego prądu.

Materiały przewodzące

Materiał	ρ [Ω·m] w 20°C	s [ S/m] w 20°C
Srebro, Ag	1,59 × ^10-8	6,30 × 10 ⁷
Miedź, Cu	1,68 × ^10-8	5,96 × 10 ⁷
aluminium, aluminium	2,82 × ^10-8	3,50 × 10 ⁷

Materiały przewodzące obejmują metale , elektrolity , nadprzewodniki , półprzewodniki , plazmy i niektóre przewodniki niemetaliczne, takie jak grafit i polimery przewodzące .

Miedź ma wysoką przewodność . Miedź wyżarzona jest międzynarodowym standardem, z którym porównywane są wszystkie inne przewodniki elektryczne; przewodność według Międzynarodowego Standardu Miedzi Wyżarzanej wynosi58 MS/m , chociaż ultraczysta miedź może nieznacznie przekroczyć 101% IACS. Głównym gatunkiem miedzi używanym w zastosowaniach elektrycznych, takich jak przewody budowlane, uzwojenia silników , kable i szyny zbiorcze , jest miedź elektrolityczna (ETP) (CW004A lub oznaczenie ASTM C100140). Jeśli miedź o wysokiej przewodności musi być spawana lub lutowana lub stosowana w atmosferze redukującej, można zastosować beztlenową miedź o wysokiej przewodności (oznaczenie CW008A lub ASTM C10100). Ze względu na łatwość łączenia przez lutowanie lub zaciskanie, miedź jest nadal najczęstszym wyborem dla większości przewodów o małej średnicy.

Srebro jest o 6% bardziej przewodzące niż miedź, ale ze względu na koszty w większości przypadków nie jest to praktyczne. Jest jednak stosowany w specjalistycznym sprzęcie, takim jak satelity , oraz jako cienką powłokę łagodzącą straty spowodowane efektem naskórkowości przy wysokich częstotliwościach. Znane jest, że podczas II wojny światowej do produkcji magnesów calutronowych wykorzystano 14 700 krótkich ton (13 300 t) srebra pożyczonego od Skarbu Państwa z powodu niedoboru miedzi w czasie wojny.

Drut aluminiowy jest najczęściej używanym metalem w przesyle i dystrybucji energii elektrycznej . Chociaż tylko 61% przewodności miedzi na powierzchnię przekroju poprzecznego, jej mniejsza gęstość sprawia, że ma ona dwukrotnie większą przewodność masową. Ponieważ aluminium stanowi w przybliżeniu jedną trzecią kosztu miedzi wagowo, korzyści ekonomiczne są znaczne, gdy wymagane są duże przewodniki.

Wady okablowania aluminiowego tkwią w jego właściwościach mechanicznych i chemicznych. Łatwo tworzy izolujący tlenek, nagrzewając połączenia. Większy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż w przypadku materiałów mosiężnych użytych do złączy powoduje poluzowanie połączeń. Aluminium może też „pełzać”, powoli odkształcając się pod obciążeniem, co również rozluźnia połączenia. Efekty te można złagodzić za pomocą odpowiednio zaprojektowanych złączy i dodatkowej staranności podczas instalacji, ale spowodowały one, że aluminiowe okablowanie budynku stało się niepopularne po przejściu usługi .

Związki organiczne, takie jak oktan, który ma 8 atomów węgla i 18 atomów wodoru, nie mogą przewodzić elektryczności. Oleje są węglowodorami, ponieważ węgiel ma właściwość tetrakowalencji i tworzy wiązania kowalencyjne z innymi pierwiastkami, takimi jak wodór, ponieważ nie traci ani nie zyskuje elektronów, a zatem nie tworzy jonów. Wiązania kowalencyjne to po prostu współdzielenie elektronów. Dlatego nie ma separacji jonów, gdy przepuszcza się przez nią prąd. Tak więc ciecz (olej lub jakikolwiek związek organiczny) nie może przewodzić elektryczności.

Chociaż czysta woda nie jest przewodnikiem elektrycznym, nawet niewielka część zanieczyszczeń jonowych, takich jak sól , może szybko przekształcić ją w przewodnik.

Rozmiar przewodu

Przewody są mierzone według ich pola przekroju. W wielu krajach rozmiar wyrażany jest w milimetrach kwadratowych. W Ameryce Północnej przewodniki są mierzone według amerykańskiej grubości drutu dla mniejszych i okrągłych mil dla większych.

Obciążalność przewodnika

Obciążalność od dyrygenta, czyli ilość prądu może nieść, jest związana z jego oporu elektrycznego: dyrygent niższy opór może posiadać większą wartość prądu. Z kolei opór zależy od materiału, z którego wykonany jest przewodnik (jak opisano powyżej) oraz od rozmiaru przewodnika. Dla danego materiału przewodniki o większym polu przekroju poprzecznego mają mniejszą rezystancję niż przewodniki o mniejszym polu przekroju.

W przypadku przewodów nieosłoniętych ostateczną granicą jest punkt, w którym utrata mocy na oporność powoduje stopienie przewodu. Jednak poza bezpiecznikami większość przewodników w świecie rzeczywistym działa znacznie poniżej tego limitu. Na przykład okablowanie domowe jest zwykle izolowane izolacją PVC, która jest przystosowana do pracy tylko do około 60 °C, dlatego prąd w takich przewodach musi być ograniczony, aby nigdy nie nagrzewał przewodnika miedzianego powyżej 60 °C, co powoduje ryzyko ogień . Inne, droższe izolacje, takie jak teflon czy włókno szklane, mogą pozwolić na pracę w znacznie wyższych temperaturach.

Izotropia

Jeśli pole elektryczne zostanie przyłożone do materiału, a wynikowy indukowany prąd elektryczny jest w tym samym kierunku, mówi się, że materiał jest izotropowym przewodnikiem elektrycznym . Jeśli wynikowy prąd elektryczny jest w innym kierunku niż przyłożone pole elektryczne, mówi się, że materiał jest anizotropowym przewodnikiem elektrycznym .

Zobacz też

Klasyfikacja materiałów na podstawie przenikalności elektrycznej
$ε r ″ / ε r'$	Przewodzenie prądu	Propagacja pola
0		doskonałe dielektryczne medium bezstratne
1	materiał o niskiej przewodności słaby przewodnik	niskostratny średnio dobry dielektryk
1	stratny materiał przewodzący	stratne medium propagacyjne
1	materiał o wysokiej przewodności dobry przewodnik	wysokostratny średnio słaby dielektryk
∞	doskonały dyrygent

Przewód wiązkowy
Kompleks transferu opłat
Rezystywność i przewodność elektryczna
Czwarta szyna
Napowietrzna linia
Stephen Gray , jako pierwszy zidentyfikował przewodniki elektryczne i izolatory
Nadprzewodnictwo
Trzecia szyna

Bibliografia

Dalsza lektura

Książki pionierskie i historyczne

Williama Henry'ego Preece'a. O przewodnikach elektrycznych . 1883.
Olivera Heaviside'a. Papiery elektryczne . Macmillana, 1894.

Leksykony

Roczna księga norm ASTM: przewodniki elektryczne. Amerykańskie Stowarzyszenie Badań i Materiałów. (każdego roku)
Przepisy IET dotyczące okablowania. Instytut Inżynierii i Technologii. okablowanieregulations.net

Languages

In other projects