Что такое сопротивление проводников и от чего оно зависит что важнее — длина или сечение

Формула сопротивления

Здесь – сопротивление, – удельное сопротивление проводника, – длина проводника, – площадь его сечения.

Единица измерения сопротивления – Ом.

Удельное сопротивление проводника зависит от материала, из которого он сделан. При расчётах эту величину берут из таблиц. Наименьшим среди распространённых металлов удельным сопротивлением обладают цинк, медь и алюминий.

То, что сопротивление проводника обратно пропорционально площади его сечения означает, что чем толще провод, по которому течёт электрический ток, тем больше потери электроэнергии. Поэтому электроснабжение устраивается таким образом, что там, где это возможно, вместо одного толстого провода используются несколько тонких.

Примеры решения задач по теме «Сопротивление»

Задание Найти сопротивление медного провода длиной 1 км и площадью сечения 1 мм. Удельное сопротивление меди равно мкОм*м.
Решение Вспомним, что 1 км = м, 1 мм = м, мкОм*м = Ом*м.

Подставим эти величины в исходную формулу:

Задание Дан цинк объёмом 1 м. Найти, длину провода, который нужно отлить из указанного объёма цинка таким образом, чтобы его сопротивление было равно Ом. Удельное сопротивление цинка Ом*м.
Решение Провод имеет цилиндрическую форму, значит его объём равен произведению длины на площадь сечения:

Подставим полученное выражение в оригинальную формулу:

Расчет падения напряжения на проводах

Выбор сечения провода для постоянного тока. Падение напряжения (пояснения в статье)

Говорят, что в своё время между Эдисоном и Тесла проходило соперничество – какой ток выбрать для передачи на большие расстояния – переменный или постоянный? Эдисон был за то, чтобы для передачи электричества использовать постоянный ток. Тесла утверждал, что переменный ток легче передавать и преобразовывать.

Впоследствии, как известно, победил Тесла. Сейчас повсеместно используется переменный ток, в России с частотой 50 Гц. Такой ток дешевле передавать на большие расстояния. Хотя, есть и линии электропередач постоянного тока специального применения.

А если использовать высокие напряжения (например, 110 или 10 кВ), то выходит значительная экономия на проводах, по сравнению с низким напряжением. Об этом я рассказываю в статье про то, чем отличается напряжение 380В от 220В.

Тесла потом пошёл ещё дальше – нашёл способ, как передавать электрический ток совсем без проводов. Чем вызвал большое недовольство производителей меди. Но это уже тема совсем другой статьи.

Кстати, если Вам интересно то, о чем я пишу, подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу в ВК!

Забегая вперед, скажу, что расчет сечения провода для постоянного тока строится на двух критериях:

  1. Падение напряжения (потери)
  2. Нагрев провода

Первый пункт для постоянного тока наиболее важен, а второй лишь вытекает из первого.

Теперь обстоятельно, по порядку, для тех, кто хочет ПОНИМАТЬ.

Падение напряжения на проводе

Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.

И ещё – расчет потерь напряжения на длинной мощной трехфазной кабельной линии. Пример расчета реальной линии.

Итак, если взять неизменной мощность, то при понижении напряжения ток должен возрастать, согласно формуле:

P = I U. (1)

U = R I. (2)

Из этих двух формул видно, что при понижении питающего напряжения потери на проводе возрастают. Поэтому чем ниже питающее напряжение, тем большее сечение провода нужно использовать, чтобы передать ту же мощность.

Для постоянного тока, где используется низкое напряжение, приходится тщательно подходить к вопросу сечения и длины, поскольку именно от этих двух параметров зависит, сколько вольт пропадёт зря.

Сопротивление медного провода постоянному току

Сопротивление провода зависит от удельного сопротивления ρ, которое измеряется в Ом·мм²/м. Величина удельного сопротивления определяет сопротивление отрезка провода длиной 1 м и сечением 1 мм².

Сопротивление того же куска медного провода длиной 1 м рассчитывается по формуле:

R = (ρ l) / S, где (3)

R – сопротивление провода, Ом,

ρ – удельное сопротивление провода, Ом·мм²/м,

l – длина провода, м,

S – площадь поперечного сечения, мм².

Сопротивление медного провода равно 0,0175 Ом·мм²/м, это значение будем дальше использовать при расчетах.

Не факт, что производители медного кабеля используют чистую медь “0,0175 пробы”, поэтому на практике всегда сечение берется с запасом, а от перегрузки провода используют защитные автоматы, тоже с запасом.

Из формулы (3) следует, что для отрезка медного провода сечением 1 мм² и длиной 1 м сопротивление будет 0,0175 Ом. Для длины 1 км – 17,5 Ом. Но это только теория, на практике всё хуже.

Ниже приведу табличку, рассчитанную по формуле (3), в которой приводится сопротивление медного провода для разных площадей сечения.

Таблица 0. Сопротивление медного провода в зависимости от площади сечения

S, мм² 0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10
R для 1м 0,035 0,023333 0,0175 0,011667 0,007 0,004375 0,002917 0,00175
R для 100м 3,5 2,333333 1,75 1,166667 0,7 0,4375 0,291667 0,175

Расчет падения напряжения на проводе для постоянного тока

Теперь по формуле (2) рассчитаем падение напряжения на проводе:

U = ((ρ l) / S) I , (4)

То есть, это то напряжение, которое упадёт на проводе заданного сечения и длины при определённом токе.

Вот такие табличные данные будут для длины 1 м и тока 1А:

Таблица 1.
Падение напряжения на медном проводе 1 м разного сечения и токе 1А:

S, мм² 0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 8 10
U, B 0,0350 0,0233 0,0175 0,0117 0,0070 0,0044 0,0029 0,0022 0,0018

Эта таблица не очень информативна, удобнее знать падение напряжения для разных токов и сечений. Напоминаю, что расчеты по выбору сечения провода для постоянного тока проводятся по формуле (4).

Таблица 2.
Падение напряжения при разном сечении провода (верхняя строка) и токе (левый столбец).
Длина = 1 метр

Какие пояснения можно сделать для этой таблицы?

1. Красным цветом я отметил те случаи, когда провод будет перегреваться, то есть ток будет выше максимально допустимого для данного сечения. Пользовался таблицей, приведенной у меня на СамЭлектрике: Выбор площади сечения провода.

2. Синий цвет – когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.

Как пользоваться таблицей выбора сечения?

Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии – 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение – 0,5В.

В наличии – провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.

Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина – 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.

Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства – 11,34. Этот пример актуален для питания светодиодной ленты.

И это – не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода (“проба” меди не та, примеси, и т.п.)

Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.

А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.

1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.

2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.

Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции “потери”.

Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:

Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше. То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.

Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в “синюю” зону.

Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро – там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).

В заключение – таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр – максимальная длина провода.

Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!

Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.

Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) – всё сходится.

Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).

Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при питании галогенных ламп через понижающий трансформатор.

Прошу прокомментировать статью, у кого как теория совпадает с практикой?

Электрическое сопротивление

Любое тело сопротивляется прохождению электрического заряда сквозь себя. Разберёмся, почему это происходит. Для примера возьмём типичный проводник — металлический провод. Внутренняя структура металла — металлическая (ионная) решётка, т.е. атомы (ионы) металла в теле находятся на строго определённых местах (на самом деле, колеблются вокруг них) и достаточно строго упорядочены ионными связями (рис. 1).

Рис. 1. Электрическое сопротивление

Пусть по металлу бежит поток электронов, тогда они могут удариться с атомами кристаллической решётки и не участвовать в дальнейшем токе. Также ионы в узлах решётки положительно заряжены, т.е. по закону Кулона могут притягивать электроны, меняя их траекторию и уменьшая количество прошедших далее электронов. Таким образом, сам проводник сопротивляется прохождению электронов сквозь себя. Совокупность описанных процессов образует электрическое сопротивление проводника.

Электрическое сопротивление – характеристика электрических свойств участка цепи, определяющая упорядоченное перемещение носителей тока на этом участке. Обозначение — , размерность — Ом.

Электрическое сопротивление проводника зависит от длины проводника (чем длиннее провод, тем больше электронов «потеряются» при прохождении сквозь него), также от площади сечения проводника (чем площадь больше, тем больше вероятность электронам пройти «препятствия») и от материала проводника. Тогда:

  • где
    • — сопротивление проводника,
    • — удельное сопротивление проводника (табличное значение),
    • — длина проводника,
    • — площадь поперечного сечения проводника.

Немного об удельном сопротивлении:

Удельное сопротивление, как параметр, является характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник, и является табличной величиной. Но в ряде задач (и это физически обосновано), данный параметр зависит от температуры:

  • где
    • — удельное сопротивление проводника при температуре ,
    • — удельное сопротивление проводника при температуре ,
    • — температурный коэффициент сопротивления,
    • — текущая температура проводника в градусах Цельсия.

Также иногда в задачах встречается параметр, обратный удельному сопротивлению, — удельная проводимость:

  • где
    • — удельная проводимость.

Удельная проводимость — параметр, значение которого описывает насколько легко ток проходит по проводу из конкретного вещества.

Удельное сопротивление — параметр, значение которого описывает насколько тяжело ток проходит по проводу из конкретного вещества.

Вывод: сопротивление, как параметр, чаще всего присутствует в законе Ома для участка цепи. Ряд задач связаны с параллельным и последовательным подключением.

Читайте также:  Электростанция на дровах своими руками, паровой двигатель, принцип Пельтье
Ссылка на основную публикацию
Что такое климат контроль, как работает, неполадки, ошибки
Как работает климат контроль в автомобиле, особенности, схемы Особенности системы климат контроля Сегодня все типы автомобилей оборудуются специальными устройствами, обеспечивающими...
Что такое 2 din и 1 din Студия автозвука Электросила, Киев
Рейтинг лучших магнитол 2 DIN в машину производители, какую выбрать, рейтинг топ-7 Практически все современные модели автомобилей опционально комплектуются разнообразными...
Что такое AUX в автомагнитоле (АУКС) как подключить, включить, сделать вход если его нет, блютуз ада
Разъём «джек» (TRS, TRRS) Разъём TRS (phone connector) по кличке «джек» разработан для передачи аналогового звука и чаще всего применяется...
Что такое коленчатый вал Назначение и особенности конструкции
Коленчатый вал - что такое коленвал в автомобиле устройство AvtoTachki Коленвал в автомобиле Коленвал это деталь в моторе автомобиля, приводящаяся...
Adblock detector