Войти
Воздушные проводники несут электроэнергию от генерирующих станций к потребителям. В физике и электротехника, проводник - это объект или тип материала, который позволяет протекать заряду (электрический ток ) в одном или нескольких направлениях. Материалы из металла являются обычными электрическими проводниками. Электрический ток генерируется потоком отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных дырок и в некоторых случаях положительных или отрицательных ионов.
Для протекания тока необязательно, чтобы одна заряженная частица перемещалась от машины, производящей ток, к той, которая ее потребляет. Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечную величину, которая будет подталкивать своего соседа и так далее, пока частица не попадет в потребителя, тем самым запитав машину. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульса между мобильными носителями заряда; модель проводимости Друде описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором в качестве проводника; металлы, как правило, обладают делокализованным морем электронов, которое придает электронам достаточную подвижность для столкновения и, таким образом, передачи импульса.
Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; однако другие устройства, такие как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на положительный заряд перевозчики. Изоляторы - это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые поддерживают лишь незначительные электрические токи.
кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах. сопротивление данного проводника зависит от материала, из которого он сделан, и от его размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем идентичный в остальном тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный во всем остальном короткий медный провод. Следовательно, сопротивление R и проводимость G проводника однородного поперечного сечения можно вычислить как
![{\ displaystyle {\ begin {align} R = \ rho { \ frac {\ ell} {A}}, \\ [6pt] G = \ sigma {\ frac {A} {\ ell}}. \ end {align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
где 
Эта формула не точна: предполагается, что плотность тока полностью однородна в проводнике, что не всегда верно в практической ситуации. Однако эта формула по-прежнему дает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.
Другая ситуация, для которой эта формула не точна, - это переменный ток (AC), потому что скин-эффект препятствует протеканию тока около центра проводника. Тогда геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Аналогично, если два проводника находятся рядом друг с другом, по которым проходит переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффекта близости. На промышленной частоте сети эти эффекты значительны для больших проводников, по которым проходят большие токи, таких как сборные шины на электрической подстанции, или большие силовые кабели, несущие более несколько сотен ампер.
Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами: во-первых, материалы могут расширяться под воздействием тепла. Величина расширения материала определяется коэффициентом теплового расширения, характерным для данного материала. Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект обычно невелик, порядка 10. Повышение температуры также увеличивает количество фононов, генерируемых в материале. Фонон - это, по сути, колебание решетки, или, скорее, небольшое гармоническое кинетическое движение атомов материала. Подобно сотрясению автомата для игры в пинбол, фононы служат для нарушения траектории электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общую величину передаваемого тока.
| Материал | ρ [Ом · м] при 20 ° C | σ [См / м] при 20 ° C |
|---|---|---|
| Серебро, Ag | 1,59 × 10 | 6,30 × 10 |
| Медь, Cu | 1,68 × 10 | 5,96 × 10 |
| Алюминий, Al | 2,82 × 10 | 3,50 × 10 |
Проводящие материалы включают металлы, электролиты, сверхпроводники, полупроводники., плазма и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры.
Медь, имеют высокую проводимость. Отожженная медь - это международный стандарт, с которым сравниваются все другие электрические проводники; Международный стандарт отожженной меди составляет 58 МС / м, хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой для электрических применений, таких как строительный провод, электродвигатель обмотки, кабели и шины, является медь с твердым электролитическим пеком (ETP) ( CW004A или ASTM обозначение C100140). Если медь с высокой проводимостью должна быть сварена или паяна или использоваться в восстановительной атмосфере, то бескислородная медь с высокой проводимостью (CW008A или обозначение ASTM C10100) может быть используемый. Из-за простоты подключения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения.
Серебро на 6% больше проводимости, чем медь, но из-за стоимости в большинстве случаев это непрактично. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники, и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь скин-эффекта на высоких частотах. Известно, что 14,700 коротких тонн (13,300 т) серебра, взятого взаймы из Казначейства США, были использованы для изготовления магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за нехватки меди во время войны.
Алюминиевый провод является наиболее распространенным металлом в передаче электроэнергии и распределении. Хотя проводимость меди составляет всего 61% от площади поперечного сечения, ее более низкая плотность делает ее в два раза более проводящей по массе. Поскольку алюминий составляет примерно одну треть стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются большие проводники.
Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, заставляя соединения нагреваться. Его более высокий коэффициент теплового расширения , чем у латунных материалов, используемых для соединителей, вызывает ослабление соединений. Алюминий также может «ползать», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью соединителей подходящей конструкции и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку для зданий непопулярной после снижения уровня обслуживания.
Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода. и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, следовательно, не образует ионы. Ковалентные связи - это просто обмен электронами. Следовательно, при пропускании электричества через него не происходит разделения ионов. Таким образом, жидкость (масло или любое органическое соединение) не может проводить электричество.
Хотя чистая вода не является электрическим проводником, даже небольшая часть ионных примесей, таких как соль, может быстро превратить ее в проводник.
Провода измеряются по площади поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются американским сечением для проводов меньшего размера и круглыми милами для более крупных.
допустимая токовая нагрузка проводника, то есть величина тока, который он может переносить, зависит от его электрического сопротивления: провод с меньшим сопротивлением может пропускать большее значение тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого сделан проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.
Для неизолированных проводов конечным пределом является точка, в которой потеря мощности из-за сопротивления вызывает плавление проводника. Однако, за исключением предохранителей , большинство проводников в реальном мире эксплуатируются намного ниже этого предела. Например, бытовая электропроводка обычно изолирована изоляцией PVC, которая рассчитана на работу только при температуре около 60 ° C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы он никогда не нагревал медный провод выше 60 °. C, вызывая опасность пожара. Другая, более дорогая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно, может позволить работать при гораздо более высоких температурах.
Если электрическое поле приложено к материалу, и результирующий индуцированный электрический ток имеет то же направление, материал считается изотропным электрическим проводником. Если результирующий электрический ток имеет направление, отличное от направления приложенного электрического поля, материал считается анизотропным электрическим проводником.
| εr″ /εr′ | Ток проводимость | Поле распространение |
|---|---|---|
| 0 | идеальный диэлектрик. среда без потерь | |
| ≪ 1 | материал с низкой проводимостью. плохой проводник | среда с низким уровнем потерь. хороший диэлектрик |
| ≈ 1 | проводимость с потерями материал | среда распространения с потерями |
| ≫ 1 | материал с высокой проводимостью. хороший проводник | среда с высокими потерями. плохой диэлектрик |
| ∞ | идеальный проводник |
 | На сайте Wikimedia Commons есть материалы, связанные с электрическими проводниками. |
