Wenn sie sagen, dass Kupfer ein schwereres Metall als Aluminium ist, vergleichen sie ihre Dichte. Wenn Kupfer angeblich ein besserer Leiter als Aluminium ist, wird der spezifische Widerstand (ρ) verglichen, dessen Wert nicht von der Größe oder Form einer bestimmten Probe abhängt, sondern nur vom Material selbst.
Theoretische Begründung
Widerstand ist ein Maß für den Widerstand gegen elektrische Leitung für eine bestimmte Materialgröße. Ihr Gegenteil ist die elektrische Leitfähigkeit. Metalle sind gute elektrische Leiter (hohe Leitfähigkeit und niedriger ρ-Wert), während Nichtmetalle im Allgemeinen schlechte Leiter sind (geringe Leitfähigkeit und hoher ρ-Wert).
Der bekanntere thermische elektrische Widerstand misst, wie schwierig es für ein Material ist, Elektrizität zu leiten. Es hängt von der Größe des Teils ab: Bei einem längeren oder schmaleren Materialstück ist der Widerstand höher. Um den Effekt zu beseitigenGröße aus Widerstand, der spezifische Widerstand des Drahtes wird verwendet - dies ist eine Materialeigenschaft, die nicht von der Größe abhängt. Bei den meisten Materialien steigt der Widerstand mit der Temperatur. Ausnahme sind Halbleiter (z. B. Silizium), bei denen sie mit der Temperatur abnimmt.
Die Leichtigkeit, mit der ein Material Wärme leitet, wird durch die Wärmeleitfähigkeit gemessen. Als erste Abschätzung sind gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter. Der Widerstand wird durch das Symbol r dargestellt und seine Einheit ist ein Ohmmeter. Der Widerstand von reinem Kupfer beträgt 1,7 x 10 -8 Ohm. Dies ist eine sehr kleine Zahl - 0.000.000.017 Ohm, was darauf hinweist, dass ein Kubikmeter Kupfer praktisch keinen Widerstand hat. Je niedriger der spezifische Widerstand (Ohmmeter oder Ωm), desto besser wird das Material in der Verdrahtung verwendet. Widerstand ist die andere Seite der Leitung.
Materialklassifizierung
Der Widerstandswert eines Materials wird oft verwendet, um es als Leiter, Halbleiter oder Isolator zu klassifizieren. Feste Elemente werden nach ihrem "statischen Widerstand" im Periodensystem der Elemente als Isolatoren, Halbleiter oder Leiter klassifiziert. Der Widerstand in einem Isolator, Halbleiter oder leitenden Material ist die wichtigste Eigenschaft, die für elektrische Anwendungen in Betracht gezogen wird.
Die Tabelle zeigt einige Daten zu ρ, σ und Temperaturkoeffizienten. Für Metallbeständigkeitnimmt mit steigender Temperatur zu. Das Gegenteil gilt für Halbleiter und viele Isolatoren.
| Material | ρ (Ωm) bei 20°C | σ (S/m) bei 20°C | Temperaturkoeffizient (1/°C) x10 ^ -3 |
| Silber | 1, 59 × 10 -8 | 6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| Kupfer | 1, 68 × 10 -8 | 5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| Gold | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| Aluminium | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| Wolfram | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4.5 |
| Zink | 5, 90 × 10 -8 |
1, 69 × 10 7 |
3, 7 |
| Nickel | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| Lithium | 9, 28 × 10 -8 | 1.08 × 10 7 | 6 |
| Eisen | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| Platin | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| Lead | 2, 2 × 10 -7 | 4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| Konstantan | 4, 9 × 10 -7 | 2.04 × 10 6 | 0, 008 |
| Merkur | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0.9 |
| Nichrom | 1.10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| Kohlenstoff (amorph) | 5 × 10 -4 bis 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
Widerstandsberechnung
Für jede gegebene Temperatur können wir den elektrischen Widerstand eines Objekts in Ohm mit der folgenden Formel berechnen.
In dieser Formel:
- R - Objektwiderstand, in Ohm;
- ρ - Beständigkeit (spezifisch) des Materials, aus dem das Objekt besteht;
- L - Objektlänge in Metern;
- A-QuerschnittAbschnitt des Objekts in Quadratmetern.
Der spezifische Widerstand entspricht einer bestimmten Anzahl von Ohmmetern. Obwohl die SI-Einheit von ρ normalerweise Ohmmeter ist, ist die Einheit manchmal Ohm pro Zentimeter.
Der Widerstand eines Materials wird durch die Stärke des elektrischen Feldes darüber bestimmt, das eine bestimmte Stromdichte ergibt.
ρ=E/ J wobei:
- ρ - in ein Ohmmeter;
- E - die Größe des elektrischen Feldes in Volt pro Meter;
- J - Stromdichtewert in Ampere pro Quadratmeter.
Wie bestimmt man den spezifischen Widerstand? Viele Widerstände und Leiter haben einen gleichmäßigen Querschnitt mit einem gleichmäßigen Stromfluss. Daher gibt es eine spezifischere, aber weiter verbreitete Gleichung.
ρ=RÀ/ J, wobei:
- R - Widerstand einer homogenen Materialprobe, gemessen in Ohm;
- l - Länge eines Materialstücks, gemessen in Metern, m;
- A - Querschnittsfläche der Probe, gemessen in Quadratmetern, m2.
Grundlagen der Widerstandsfähigkeit von Materialien
Der elektrische Widerstand eines Materials wird auch als spezifischer elektrischer Widerstand bezeichnet. Dies ist ein Maß dafür, wie stark das Material dem Fluss von elektrischem Strom widersteht. Er kann bestimmt werden, indem der Widerstand pro Längeneinheit und pro Querschnittsflächeneinheit für ein bestimmtes Material bei einer gegebenen Temperatur dividiert wird.
Dies bedeutet, dass ein niedriges ρ auf ein Material hinweist, das leicht zulässtElektronen bewegen. Umgekehrt hat ein Material mit hohem ρ einen hohen Widerstand und behindert den Elektronenfluss. Elemente wie Kupfer und Aluminium sind für ihre niedrigen ρ-Niveaus bekannt. Insbesondere Silber und Gold haben einen sehr niedrigen ρ-Wert, aber ihre Verwendung ist aus offensichtlichen Gründen begrenzt.
Widerstandsregion
Materialien werden je nach ihrem ρ-Wert in verschiedene Kategorien eingeteilt. Eine Zusammenfassung finden Sie in der folgenden Tabelle.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern hängt von der Dotierung ab. Ohne Dotierung sehen sie fast wie Isolatoren aus, was auch für Elektrolyte gilt. Das ρ-Niveau von Materialien ist sehr unterschiedlich.
| Ausstattungskategorien und Materialart | Widerstandsbereich der gängigsten Materialien in Abhängigkeit von ρ |
| Elektrolyte | Variable |
| Isolatoren | ~ 10 ^ 16 |
| Metalle | ~ 10 ^ -8 |
| Halbleiter | Variable |
| Supraleiter | 0 |
Temperaturkoeffizient des Widerstands
In den meisten Fällen steigt der Widerstand mit der Temperatur. Daher ist es notwendig, die Temperaturabhängigkeit des Widerstands zu verstehen. Der Grund für den Temperaturkoeffizienten des Widerstands in einem Leiter kann begründet werdenintuitiv. Die Beständigkeit eines Materials hängt von einer Reihe von Phänomenen ab. Eine davon ist die Anzahl der Kollisionen, die zwischen Ladungsträgern und Atomen im Material auftreten. Der spezifische Widerstand des Leiters steigt mit steigender Temperatur, da die Anzahl der Kollisionen zunimmt.
Dies muss nicht immer der Fall sein und liegt daran, dass mit steigender Temperatur zusätzliche Ladungsträger freigesetzt werden, was zu einer Abnahme des spezifischen Widerstands von Materialien führt. Dieser Effekt wird häufig bei Halbleitermaterialien beobachtet.
Bei der Betrachtung der Temperaturabhängigkeit des Widerstands wird üblicherweise angenommen, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstands einem linearen Gesetz folgt. Dies gilt sowohl für Raumtemperatur als auch für Metalle und viele andere Materialien. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die aus der Anzahl der Kollisionen resultierenden Widerstandseffekte nicht immer konstant sind, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen (Phänomen der Supraleitung).
Widerstandstemperaturdiagramm
Der Widerstand eines Leiters bei einer bestimmten Temperatur kann aus dem Temperaturwert und seinem Temperaturkoeffizienten des Widerstands berechnet werden.
R=Rref(1+ α (T- Tref)), wobei:
- R - Widerstand;
- Rref - Widerstand bei Referenztemperatur;
- α- Temperaturkoeffizient des Materialwiderstands;
- Tref ist die Referenztemperatur, für die der Temperaturkoeffizient angegeben wird.
Temperaturkoeffizient des Widerstands, meist normiert auf eine Temperatur von 20 °C. Dementsprechend lautet die im praktischen Sinne gebräuchliche Gleichung:
R=R20(1+ α20 (T- T20)), wobei:
- R20=Widerstand bei 20°C;
- α20 - Temperaturkoeffizient des Widerstands bei 20 °C;
- T20- Temperatur gleich 20 °C.
Widerstand von Materialien bei Raumtemperatur
Die folgende Beständigkeitstabelle enthält viele der in der Elektrotechnik üblichen Stoffe, darunter Kupfer, Aluminium, Gold und Silber. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, da sie bestimmen, ob eine Substanz in einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Komponenten von Drähten bis hin zu komplexeren Geräten wie Widerständen, Potentiometern und mehr verwendet werden kann.
| Widerstandstabelle verschiedener Materialien bei 20°C Außentemperatur | |
| Materialien | OM-Beständigkeit bei 20°C |
| Aluminium | 2, 8 x 10 -8 |
| Antimon | 3, 9 × 10 -7 |
| Bismut | 1, 3 x 10 -6 |
| Messing | ~ 0,6 - 0,9 × 10 -7 |
| Cadmium | 6 x 10 -8 |
| Cob alt | 5, 6 × 10 -8 |
| Kupfer | 1, 7 × 10 -8 |
| Gold | 2, 4 x 10 -8 |
| Kohlenstoff (Graphit) | 1 x 10 -5 |
| Germanium | 4.6 x 10 -1 |
| Eisen | 1.0 x 10 -7 |
| Lead | 1, 9 × 10 -7 |
| Nichrom | 1, 1 × 10 -6 |
| Nickel | 7 x 10 -8 |
| Palladium | 1.0 x 10 -7 |
| Platin | 0, 98 × 10 -7 |
| Quarz | 7 x 10 17 |
| Silizium | 6, 4 × 10 2 |
| Silber | 1, 6 × 10 -8 |
| Tantal | 1, 3 x 10 -7 |
| Wolfram | 4, 9 x 10 -8 |
| Zink | 5, 5 x 10 -8 |
Vergleich der Leitfähigkeit von Kupfer und Aluminium
Leiter bestehen aus Materialien, die Elektrizität leiten. Nicht magnetische Metalle gelten allgemein als ideale elektrische Leiter. In der Draht- und Kabelindustrie werden verschiedene metallische Leiter verwendet, aber Kupfer und Aluminium sind die gebräuchlichsten. Leiter haben unterschiedliche Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Zugfestigkeit, Gewicht und Umweltbelastung.
Der spezifische Widerstand eines Kupferleiters wird viel häufiger in der Kabelherstellung verwendet als der von Aluminium. Fast alle elektronischen Kabel bestehen aus Kupfer, ebenso wie andere Geräte und Ausrüstungen, die die hohe Leitfähigkeit von Kupfer nutzen. Kupferleiter werden auch häufig in Verteilungssystemen und verwendetEnergieerzeugung, Automobilindustrie. Um Gewicht und Kosten zu sparen, verwenden Übertragungsunternehmen Aluminium in Freileitungen.
Aluminium wird in Branchen eingesetzt, in denen es auf Leichtigkeit ankommt, wie zum Beispiel im Flugzeugbau, und es wird erwartet, dass es in Zukunft in der Automobilindustrie verstärkt eingesetzt wird. Für Kabel mit höherer Leistung wird kupferbeschichteter Aluminiumdraht verwendet, um den spezifischen Widerstand von Kupfer zu nutzen und durch leichtes Aluminium erhebliche strukturelle Gewichtseinsparungen zu erzielen.
Kupferleiter
Kupfer ist eines der ältesten bekannten Materialien. Seine Formbarkeit und elektrische Leitfähigkeit wurden von frühen elektrischen Experimentatoren wie Ben Franklin und Michael Faraday ausgenutzt. Das niedrige ρ von Kupfermaterialien hat dazu geführt, dass es als Hauptleiter für Erfindungen wie Telegrafen, Telefone und Elektromotoren akzeptiert wurde. Kupfer ist das häufigste leitfähige Metall. 1913 wurde der International Standard for Ignition of Copper (IACS) eingeführt, um die Leitfähigkeit anderer Metalle mit Kupfer zu vergleichen.
Gemäß dieser Norm hat kommerziell reines, geglühtes Kupfer eine Leitfähigkeit von 100 % IACS. Der spezifische Widerstand von Materialien wird mit dem Standard verglichen. Kommerziell reines Kupfer, das heute produziert wird, kann höhere IACS-Werte aufweisen, da sich die Verarbeitungstechnologie im Laufe der Zeit erheblich weiterentwickelt hat. Neben der hervorragenden Leitfähigkeit von Kupfer weist das Metall eine hohe Zugfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung auf. Geglühter Kupferdraht für elektrische Zwecke erfüllt alle Anforderungen der Norm.
Aluminiumleiter
Trotz der Tatsache, dass Kupfer eine lange Geschichte als Material für die Stromerzeugung hat, hat Aluminium bestimmte Vorteile, die es für bestimmte Anwendungen attraktiv machen, und sein aktueller spezifischer Widerstand ermöglicht eine vielfache Verwendung. Aluminium hat 61 % der Leitfähigkeit von Kupfer und nur 30 % des Gewichts von Kupfer. Das bedeutet, dass ein Aluminiumdraht bei gleichem elektrischem Widerstand halb so viel wiegt wie ein Kupferdraht.
Aluminium ist im Vergleich zum Kupferkern tendenziell billiger. Aluminiumleiter bestehen aus verschiedenen Legierungen und haben einen Aluminiumgeh alt von mindestens 99,5 %. In den 1960er und 1970er Jahren wurde diese Aluminiumsorte aufgrund des hohen Kupferpreises in großem Umfang für die elektrische Verkabelung von Haush alten verwendet.
Aufgrund schlechter Verarbeitung an den Verbindungen und physikalischen Unterschieden zwischen Aluminium und Kupfer wurden Geräte und Drähte, die auf der Grundlage ihrer Verbindungen hergestellt wurden, an den Kupfer-Aluminium-Kontakten feuergefährlich. Um dem negativen Prozess entgegenzuwirken, wurden Aluminiumlegierungen mit Kriech- und Dehnungseigenschaften entwickelt, die denen von Kupfer ähnlicher sind. Diese Legierungen werden zur Herstellung von Aluminiumlitzen verwendet, deren spezifischer Stromwiderstand für den Massengebrauch akzeptabel ist und die Sicherheitsanforderungen für elektrische Netzwerke erfüllt.
Wenn Aluminium dort verwendet wird, wo früher Kupfer verwendet wurde,Um das Netzwerk gleich zu h alten, müssen Sie einen Aluminiumdraht verwenden, der doppelt so dick ist wie der Kupferdraht.
Anwendung der elektrischen Leitfähigkeit von Materialien
Viele der in der Widerstandstabelle aufgeführten Materialien werden in der Elektronik häufig verwendet. Aluminium und insbesondere Kupfer werden aufgrund ihres geringen Widerstands verwendet. Die meisten Drähte und Kabel, die heute für elektrische Verbindungen verwendet werden, bestehen aus Kupfer, da es ein niedriges ρ-Niveau bietet und erschwinglich ist. Die trotz des Preises gute Leitfähigkeit von Gold wird auch in einigen sehr präzisen Instrumenten genutzt.
Vergoldung findet sich häufig bei hochwertigen Niederspannungsverbindungen, bei denen das Ziel darin besteht, den niedrigsten Kontaktwiderstand bereitzustellen. Silber ist in der industriellen Elektrotechnik nicht weit verbreitet, da es schnell oxidiert und dies zu hohen Übergangswiderständen führt. In einigen Fällen kann das Oxid als Gleichrichter wirken. Tantalwiderstand wird in Kondensatoren, Nickel und Palladium in Endverbindungen für viele oberflächenmontierte Komponenten verwendet. Quarz findet seine primäre Verwendung als piezoelektrisches Resonanzelement. Quarzkristalle werden in vielen Oszillatoren als Frequenzelemente verwendet, wo ihr hoher Wert es ermöglicht, zuverlässige Frequenzsch altungen zu erstellen.
