В физике и электротехнике проводник — это объект или тип материала , который позволяет течь заряду ( электрическому току ) в одном или нескольких направлениях. Металлические материалы являются обычными электрическими проводниками. Поток отрицательно заряженных электронов генерирует электрический ток, положительно заряженные дырки и в некоторых случаях положительные или отрицательные ионы .
Чтобы ток протекал внутри замкнутой электрической цепи , одной заряженной частице не обязательно перемещаться от компонента, производящего ток ( источника тока ), к компонентам, его потребляющим ( нагрузкам ). Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечную величину, который будет подталкивать своего соседа, и так далее, пока частица не подтолкнется к потребителю, тем самым питая его. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульса между подвижными носителями заряда ; модель проводимости Друде описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным проводником; Характерно, что металлы обладают делокализованным морем электронов , которое придает электронам достаточную подвижность, чтобы сталкиваться и, таким образом, влиять на передачу импульса.
Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; однако другие устройства, такие как катионный электролит (ы) батареи или мобильные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на носители положительного заряда. Изоляторы — это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые поддерживают лишь незначительный электрический ток.
Сопротивление данного проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, и от его размеров . Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. [1] Например, толстый медный провод имеет более низкое 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 в остальном медный провод. Таким образом, сопротивление R и проводимость G проводника однородного поперечного сечения можно рассчитать как [1]
где – длина проводника, измеряемая в метрах [м], А – площадь поперечного сечения проводника, измеряемая в квадратных метрах [м 2 ], σ ( сигма ) – электропроводность, измеряемая в сименсах на метр (С· м -1 ), а ρ ( rho ) — электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением ) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом·м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого изготовлен провод, а не от геометрии провода. Удельное сопротивление и проводимость обратные величины : . Удельное сопротивление — это мера способности материала противостоять электрическому току.
Эта формула не точна: она предполагает, что плотность тока в проводнике полностью однородна, что не всегда верно в практической ситуации. Однако эта формула по-прежнему обеспечивает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.
Другая ситуация, для которой эта формула не точна, — это переменный ток (AC), поскольку скин-эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. Тогда геометрическое сечение отличается от эффективного сечения, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Аналогично, если два проводника находятся рядом друг с другом, по которым течет переменный ток, их сопротивления увеличиваются из-за эффекта близости . На коммерческой частоте эти эффекты существенны для толстых проводников, по которым проходят большие токи, таких как шины на электрической подстанции [2] или больших силовых кабелей, пропускающих более нескольких сотен ампер.
Помимо геометрии провода, температура также оказывает существенное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами. Во-первых, материалы могут расширяться под воздействием тепла. Степень расширения материала определяется коэффициентом теплового расширения , специфичным для материала. Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект, как правило, невелик, порядка 10 -6 . Повышение температуры также увеличит количество фононов, генерируемых внутри материала. Фонон — это, по сути, колебание решетки, или , скорее, небольшое гармоническое кинетическое движение атомов материала. Подобно сотрясению автомата для игры в пинбол, фононы нарушают путь электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общее количество передаваемого тока.
Проводящие материалы включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .
Медь обладает высокой проводимостью . Отожженная медь является международным стандартом, с которым сравнивают все другие электрические проводники; Международный стандарт проводимости отожженной меди составляет58 MS/м , хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой в электротехнических целях, таких как строительные провода, обмотки двигателей , кабели и шины , является медь с электролитической стойкостью (ETP) (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если медь с высокой проводимостью необходимо сваривать , паять или использовать в восстановительной атмосфере, можно использовать бескислородную медь с высокой проводимостью (CW008A или обозначение ASTM C10100). [3] Из-за простоты соединения пайкой или зажимом медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения.
Серебро на 6% более проводяще, чем медь, но из-за стоимости в большинстве случаев оно непрактично. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , а также в качестве тонкой обшивки для уменьшения потерь на скин-эффекте на высоких частотах. Как известно, 14 700 коротких тонн (13 300 тонн) серебра, взятого взаймы у Казначейства США, были использованы для изготовления калютронных магнитов во время Второй мировой войны из-за нехватки меди во время войны. [4]
Алюминиевая проволока является наиболее распространенным металлом при передаче и распределении электроэнергии . Хотя проводимость меди по площади поперечного сечения составляет всего 61%, ее более низкая плотность делает ее вдвое более проводящей по массе. Поскольку стоимость алюминия составляет примерно одну треть стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются проводники большого размера.
Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, вызывающий нагревание соединений. Его более высокий коэффициент теплового расширения, чем у латунных материалов, используемых для разъемов, приводит к ослаблению соединений. Алюминий также может «ползти», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью разъемов соответствующей конструкции и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку в зданиях непопулярной после прекращения 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 и, следовательно, не образует ионов. Ковалентные связи — это просто обмен электронами. Следовательно, при прохождении через него электричества разделение ионов не происходит. Жидкости, состоящие из соединений только с ковалентными связями, не могут проводить электричество. Некоторые органические ионные жидкости , напротив, могут проводить электрический ток.
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 их поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются по американскому калибру для проводов меньшего размера и по круговым милам для более крупных.
Токовая нагрузка проводника, то есть величина тока , который он может проводить, связана с его электрическим сопротивлением: проводник с более низким сопротивлением может проводить большую величину тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого изготовлен проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения обладают меньшим сопротивлением, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.
Для оголенных проводников предельным пределом является точка, в которой потеря мощности на сопротивление приводит к плавлению проводника. Однако , если не считать предохранителей , большинство проводников в реальном мире работают намного ниже этого предела. Например, бытовая проводка обычно изолируется изоляцией из ПВХ , которая рассчитана только на температуру около 60 °C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы он никогда не нагревал медный проводник выше 60 °C, вызывая риск огонь . Другая, более дорогая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно , может обеспечить работу при гораздо более высоких температурах.
Если к материалу приложено электрическое поле и возникающий в результате индуцированный электрический ток имеет одно и то же направление, материал называется изотропным электрическим проводником . Если результирующий электрический ток имеет направление, отличное от приложенного электрического поля, материал называется анизотропным электрическим проводником .
![{\displaystyle {\begin{aligned}R&=\rho {\frac {\ell }{A}},\\[6pt]G&=\sigma {\frac {A}{\ell }}.\end{aligned }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/35fbdb44e9efe87d664cc2e178e9b29c53a44cbc)
