Таблица удельного сопротивления металлов

Удельное сопротивление — прикладное понятие в электротехнике. Оно обозначает то, какое сопротивление на единицу длины оказывает материал единичного сечения протекающему через него току — другими словами, каким сопротивлением обладает провод миллиметрового сечения длиной один метр. Это понятие используется в различных электротехнических расчетах.

Важно понимать различия между удельным электрическим сопротивлением постоянному току и удельным электросопротивлением переменному току. В первом случае сопротивление вызывается исключительно действием постоянного тока на проводник. Во втором случае переменный ток (он может быть любой формы: синусоидальной, прямоугольной, треугольной или произвольной) вызывает в проводнике дополнительно действующее вихревое поле, которому также создается сопротивление.

Физическое представление

В технических расчетах, предполагающих прокладку кабелей различных диаметров, используются параметры, позволяющие рассчитать необходимую длину кабеля и его электрические характеристики. Одним из основных параметров является удельное сопротивление. Формула удельного электрического сопротивления:

• ρ — это удельное сопротивление материала;
• R — омическое электросопротивление конкретного проводника;
• S — поперечное сечение;
• l — длина.

Размерность ρ измеряется в Ом•мм 2 /м, или, сократив формулу — Ом•м.

Значение ρ для одного и того же вещества всегда одинаковое. Следовательно, это константа, характеризующая материал проводника. Обычно она указывается в справочниках. Исходя из этого уже можно проводить расчет технических величин.

Важно сказать и об удельной электрической проводимости. Эта величина является обратной удельному сопротивлению материала, и используется наравне с ним. Ее также называют электропроводностью. Чем выше эта величина, тем лучше металл проводит ток. Например, удельная проводимость меди равна 58,14 м/(Ом•мм 2 ). Или, в единицах, принятых в системе СИ: 58 140 000 См/м. (Сименс на метр — единица электропроводности в СИ).

Удельное сопротивление различных материалов

Говорить об удельном сопротивлении можно только при наличии элементов, проводящих ток, так как диэлектрики обладают бесконечным или близким к нему электросопротивлением. В отличие от них, металлы — очень хорошие проводники тока. Измерить электросопротивление металлического проводника можно с помощью прибора миллиомметра, или еще более точного — микроомметра. Значение измеряется между их щупами, приложенными к участку проводника. Они позволяют проверить цепи, проводку, обмотки двигателей и генераторов.

Металлы разнятся между собой по способности проводить ток. Удельное сопротивление различных металлов — параметр, характеризующий это отличие. Данные приведены при температуре материала 20 градусов по шкале Цельсия:

• Серебро (ρ = 0,01498 Ом•мм 2 /м);
• Алюминий (ρ = 0,027);
• Медь (ρ = 0,01721);
• Ртуть (ρ = 0,94);
• Золото (ρ = 0,023);
• Железо (ρ = 0,1);
• Вольфрам (ρ = 0,0551);
• Латунь (ρ = 0,026…0,109);
• Бронза (ρ = 0,095);
• Сталь (ρ = 0,103…0,14);
• Сплав никеля, марганца, железа и хрома — нихром (ρ = 1,051…1,398).

Параметр ρ показывает, каким сопротивлением будет обладать метровый проводник с сечением 1 мм 2 . Чем больше это значение, тем больше электросопротивление будет у нужного провода определенной длины. Наименьшее ρ, как видно из списка, у серебра, сопротивление одного метра из этого материала будет равно всего 0,015 Ом, но это слишком дорогой металл для использования его в промышленных масштабах. Следующим идет медь, которая в природе встречается гораздо чаще (не драгоценный, а цветной металл). Поэтому медная проводка очень распространена.

Применение медных проводников

Медь является не только хорошим проводником электрического тока, но и очень пластичным материалом. Благодаря этому свойству медная проводка лучше укладывается, она устойчива к изгибам и растяжению.

Медь очень востребована на рынке. Из этого материала производят множество различных изделий:

• Огромное многообразие проводников;
• Автозапчасти (например, радиаторы);
• Часовые механизмы;
• Компьютерные составляющие;
• Детали электрических и электронных приборов.

Удельное электрическое сопротивление меди является одним из лучших среди проводящих ток материалов, поэтому на ее основе создается множество товаров электроиндустрии. К тому же медь легко поддается пайке, поэтому очень распространена в радиолюбительстве.

Высокая теплопроводность меди позволяет использовать ее в охлаждающих и обогревающих устройствах, а пластичность дает возможность создавать мельчайшие детали и тончайшие проводники.

Зависимость электропроводности от температуры

Проводники электрического тока бывают первого и второго рода. Проводники первого рода — это металлы. Проводники второго рода- это проводящие растворы жидкостей. Ток в первых переносят электроны, а переносчики тока в проводниках второго рода —ионы, заряженные частицы электролитической жидкости.

Говорить о проводимости материалов можно только в контексте температуры окружающей среды. При более высокой температуре проводники первого рода увеличивают свое электросопротивление, а второго, напротив, уменьшают. Соответственно, существует температурный коэффициент сопротивления материалов. Удельное сопротивление меди Ом м возрастает при увеличении нагрева. Температурный коэффициент α тоже зависит только от материала, эта величина не имеет размерности и для разных металлов и сплавов равна следующим показателям:

• Серебро — 0,0035;
• Железо — 0,0066;
• Платина — 0,0032;
• Медь — 0,0040;
• Вольфрам — 0,0045;
• Ртуть — 0,0090;
• Константан — 0,000005;
• Никелин — 0,0003;
• Нихром — 0,00016.

Определение величины электросопротивления участка проводника при повышенной температуре R (t), вычисляется по формуле:

R (t) = R (0) · [1+ α·(t-t (0))], где:

• R (0) — сопротивление при начальной температуре;
• α — температурный коэффициент;
• t — t (0) — разность температур.

Например, зная электросопротивление меди при 20 градусах Цельсия, можно вычислить, чему оно будет равно при 170 градусах, то есть при нагреве на 150 градусов. Исходное сопротивление увеличится в [1+0,004·(170−20)] раз, то есть в 1,6 раз.

При увеличении температуры проводимость материалов, напротив, уменьшается. Так как это величина, обратная электросопротивлению, то и уменьшается она ровно во столько же раз. Например, удельная электропроводность меди при нагреве материала на 150 градусов уменьшится в 1,6 раз.

Существуют сплавы, которые практически не изменяют своего электросопротивления при изменении температуры. Таков, к примеру, константан. При изменении температуры на сто градусов его сопротивление увеличивается всего на 0,5%.

Если проводимость материалов ухудшается с нагревом, она улучшается с понижением температуры. С этим связано такое явление, как сверхпроводимость. Если понизить температуру проводника ниже -253 градусов Цельсия, его электросопротивление резко уменьшится: практически до нуля. В связи с этим падают затраты на передачу электрической энергии. Единственной проблемой оставалось охлаждение проводников до таких температур. Однако в связи с недавними открытиями высокотемпературных сверхпроводников на базе оксидов меди, охлаждать материалы приходится уже до приемлемых значений.

Представлены таблицы значений удельного электрического сопротивления сталей различных типов и марок в зависимости от температуры — в диапазоне от 0 до 1350°С.

В общем случае, удельное сопротивление определяется только составом вещества и его температурой, оно численно равно полному сопротивлению изотропного проводника, имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 .

Удельное электрическое сопротивление стали существенно зависит от состава и температуры. При повышении температуры этого металла увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов кристаллической решетки, что создает дополнительное сопротивление прохождению электрического тока через толщу сплава. Поэтому, с ростом температуры сопротивление стали увеличивается.

Изменение состава стали и процента содержания в ней легирующих добавок значительно сказывается на величине электросопротивления. Например, углеродистые и низколегированные стали в несколько раз лучше проводят электрический ток, чем высоколегированные и жаропрочные, которые имеют высокое содержание никеля и хрома.

Углеродистые стали

Углеродистые стали при комнатной температуре, как уже было сказано, имеют низкое удельное электросопротивление за счет высокого содержания железа. При 20°С значение их удельного сопротивления находится в диапазоне от 13·10 -8 (для стали 08КП) до 20·10 -8 Ом·м (для У12).

При нагревании до температур более 1000°С способность углеродистых сталей проводить электрический ток сильно снижается. Величина сопротивления возрастает на порядок и может достигать значения 130·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление углеродистых сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Температура, °С	Сталь 08КП	Сталь 08	Сталь 20	Сталь 40	Сталь У8	Сталь У12
	12	13,2	15,9	16	17	18,4
20	13	14,2	16,9	17,1	18	19,6
50	14,7	15,9	18,7	18,9	19,8	21,6
100	17,8	19	21,9	22,1	23,2	25,2
150	21,3	22,4	25,4	25,7	26,8	29
200	25,2	26,3	29,2	29,6	30,8	33,3
250	29,5	30,5	33,4	33,9	35,1	37,9
300	34,1	35,2	38,1	38,7	39,8	43
350	39,3	40,2	43,2	43,8	45	48,3
400	44,8	45,8	48,7	49,3	50,5	54
450	50,9	51,8	54,6	55,3	56,5	60
500	57,5	58,4	60,1	61,9	62,8	66,5
550	64,8	65,7	68,2	68,9	69,9	73,4
600	72,5	73,4	75,8	76,6	77,2	80,2
650	80,7	81,6	83,7	84,4	85,2	87,8
700	89,8	90,5	92,5	93,2	93,5	96,4
750	100,3	101,1	105	107,9	110,5	113
800	107,3	108,1	109,4	111,1	112,9	115
850	110,4	111,1	111,8	113,1	114,8	117,6
900	112,4	113	113,6	114,9	116,4	119,6
950	114,2	114,8	115,2	116,6	117,8	121,2
1000	116	116,5	116,7	117,9	119,1	122,6
1050	117,5	117,9	118,1	119,3	120,4	123,8
1100	118,9	119,3	119,4	120,7	121,4	124,9
1150	120,3	120,7	120,7	122	122,3	126
1200	121,7	122	121,9	123	123,1	127,1
1250	123	123,3	122,9	124	123,8	128,2
1300	124,1	124,4	123,9	—	124,6	128,7
1350	125,2	125,3	125,1	—	125	129,5

Низколегированные стали

Низколегированные стали способны чуть более сильно сопротивляться прохождению электричества, чем углеродистые. Их удельное электросопротивление составляет (20…43)·10 -8 Ом·м при комнатной температуре.

Следует отметить марки стали этого типа, которые наиболее плохо проводят электрический ток — это 18Х2Н4ВА и 50С2Г. Однако при высоких температурах, способность проводить электрический ток у сталей, приведенных в таблице, практически не различается.

Удельное электрическое сопротивление низколегированных сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
15ХФ	—	28,1	42,1	60,6	83,3	—	—	—
30Х	21	25,9	41,7	63,6	93,4	114,5	120,5	125,1
12ХН2	33	36	52	67	—	112	—	—
12ХН3	29,6	—	—	67	—	116	—	—
20ХН3	24	29	46	66	—	123	—	—
30ХН3	26,8	31,7	46,9	68,1	98,1	114,8	120,1	124,6
20ХН4Ф	36	41	56	72	102	118	—	—
18Х2Н4ВА	41	44	58	73	97	115	—	—
30Г2	20,8	25,9	42,1	64,5	94,6	114,3	120,2	125
12МХ	24,6	27,4	40,6	59,8	—	—	—	—
40Х3М	—	33,1	48,2	69,5	96,2	—	—	—
20Х3ФВМ	—	39,8	54,4	74,3	98,2	—	—	—
50С2Г	42,9	47	60,1	78,8	105,7	119,7	124,9	128,9
30Н3	27,1	32	47	67,9	99,2	114,9	120,4	124,8

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали имеют удельное электрическое сопротивление в несколько раз выше чем углеродистые и низколегированные. По данным таблицы видно, что при температуре 20°С его величина составляет (30…86)·10 -8 Ом·м.

При температуре 1300°С сопротивление высоко- и низко- легированных сталей становится почти одинаковым и не превышает 131·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление высоколегированных сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Г13	68,3	75,6	93,1	95,2	114,7	123,8	127	130,8
Г20Х12Ф	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—	—
Г21Х15Т	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—	—
Х13Н13К10	—	90	100,8	109,6	115,4	119,6	—	—
Х19Н10К47	—	90,5	98,6	105,2	110,8	—	—	—
Р18	41,9	47,2	62,7	81,5	103,7	117,3	123,6	128,1
ЭХ12	31	36	53	75	97	119	—	—
40Х10С2М (ЭИ107)	86	91	101	112	122	—	—	—

Хромистые нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали имеют высокую концентрацию атомов хрома, что увеличивает их удельное сопротивление — электропроводность такой нержавеющей стали не высока. При обычных температурах ее сопротивление составляет (50…60)·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромистых нержавеющих сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100	1300
Х13	50,6	58,4	76,9	93,8	110,3	115	119	125,3
2Х13	58,8	65,3	80	95,2	110,2	—	—	—
3Х13	52,2	59,5	76,9	93,5	109,9	114,6	120,9	125
4Х13	59,1	64,6	78,8	94	108	—	—	—

Хромоникелевые аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали также являются нержавеющими, но за счет добавки никеля имеют удельное сопротивление почти в полтора раза выше, чем у хромистых — оно достигает величины (70…90)·10 -8 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление хромоникелевых нержавеющих сталей ρ_э·10 8 , Ом·м

Марка стали	20	100	300	500	700	900	1100
12Х18Н9	—	74,3	89,1	100,1	109,4	114	—
12Х18Н9Т	72,3	79,2	91,2	101,5	109,2	—	—
17Х18Н9	72	73,5	92,5	103	111,5	118,5	—
Х18Н11Б	—	84,6	97,6	107,8	115	—	—
Х18Н9В	71	77,6	91,6	102,6	111,1	117,1	122
4Х14НВ2М (ЭИ69)	81,5	87,5	100	110	117,5	—	—
1Х14Н14В2М (ЭИ257)	—	82,4	95,6	104,5	112	119,2	—
1х14Н18М3Т	—	89	100	107,5	115	—	—
36Х18Н25С2 (ЭЯ3С)	—	98,5	105,5	110	117,5	—	—
Х13Н25М2В2	—	103	112,1	118,1	121	—	—
Х7Н25 (ЭИ25)	—	—	109	115	121	127	—
Х2Н35 (ЭИ36)	87,5	92,5	103	110	116	120,5	—
Н28	84,2	89,1	99,6	107,7	114,2	118,4	122,5

Жаропрочные и жаростойкие стали

По своим электропроводящим свойствам жаропрочные и жаростойкие стали близки к хромоникелевым. Высокое содержание в этих сплавах хрома и никеля не позволяет им проводить электрический ток, подобно обычным углеродистым с высокой концентрацией железа.

Значительное удельное электросопротивление и высокая рабочая температура таких сталей делают возможным их применение в качестве рабочих элементов электрических нагревателей. В частности, сталь 20Х23Н18 по своему сопротивлению и жаростойкости в некоторых случаях способна заменить такой популярный сплав для нагревателей, как нихром Х20Н80.

Удельное сопротивление металлов является мерой их свойства противодействовать прохождению электрического тока. Эта величина выражается в Ом-метр (Ом⋅м). Символ, обозначающий удельное сопротивление, является греческая буква ρ (ро). Высокое удельное сопротивление означает, что материал плохо проводит электрический заряд.

Удельное сопротивление

Удельное электрическое сопротивление определяется как отношение между напряженностью электрического поля внутри металла к плотности тока в нем:

где:
ρ — удельное сопротивление металла (Ом⋅м),
Е — напряженность электрического поля (В/м),
J — величина плотности электрического тока в металле (А/м2)

Если напряженность электрического поля (Е) в металле очень большая, а плотность тока (J) очень маленькая, это означает, что металл имеет высокое удельное сопротивление.

Обратной величиной удельного сопротивления является удельная электропроводность, указывающая, насколько хорошо материал проводит электрический ток:

σ — проводимость материала, выраженная в сименс на метр (См/м).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление, одно из составляющих закона Ома, выражается в омах (Ом). Следует заметить, что электрическое сопротивление и удельное сопротивление — это не одно и то же. Удельное сопротивление является свойством материала, в то время как электрическое сопротивление — это свойство объекта.

Электрическое сопротивление резистора определяется сочетанием формы и удельным сопротивлением материала, из которого он сделан.

Например, проволочный резистор, изготовленный из длинной и тонкой проволоки имеет большее сопротивление, нежели резистор, сделанный из короткой и толстой проволоки того же металла.

В тоже время проволочный резистор, изготовленный из материала с высоким удельным сопротивлением, обладает большим электрическим сопротивлением, чем резистор, сделанный из материала с низким удельным сопротивлением. И все это не смотря на то, что оба резистора сделаны из проволоки одинаковой длины и диаметра.

В качестве наглядности можно провести аналогию с гидравлической системой, где вода прокачивается через трубы.

• Чем длиннее и тоньше труба, тем больше будет оказано сопротивление воде.
• Труба, заполненная песком, будет больше оказывать сопротивление воде, нежели труба без песка

Сопротивление провода

Величина сопротивления провода зависит от трех параметров: удельного сопротивления металла, длины и диаметра самого провода. Формула для расчета сопротивления провода:

где:
R — сопротивление провода (Ом)
ρ — удельное сопротивление металла (Ом.m)
L — длина провода (м)
А — площадь поперечного сечения провода (м2)

В качестве примера рассмотрим проволочный резистор из нихрома с удельным сопротивлением 1.10×10-6 Ом.м. Проволока имеет длину 1500 мм и диаметр 0,5 мм. На основе этих трех параметров рассчитаем сопротивление провода из нихрома:

R=1,1*10 -6 *(1,5/0,000000196) = 8,4 Ом

Нихром и константан часто используют в качестве материала для сопротивлений. Ниже в таблице вы можете посмотреть удельное сопротивление некоторых наиболее часто используемых металлов.

Поверхностное сопротивление

Величина поверхностного сопротивления рассчитывается таким же образом, как и сопротивление провода. В данном случае площадь сечения можно представить в виде произведения w и t:

Для некоторых материалов, таких как тонкие пленки, соотношение между удельным сопротивлением и толщиной пленки называется поверхностное сопротивление слоя RS:

где RS измеряется в омах. При данном расчете толщина пленки должна быть постоянной.

Часто производители резисторов для увеличения сопротивления вырезают в пленке дорожки, чтобы увеличить путь для электрического тока.

Свойства резистивных материалов

Удельное сопротивление металла зависит от температуры. Их значения приводится, как правило, для комнатной температуры (20°С). Изменение удельного сопротивления в результате изменения температуры характеризуется температурным коэффициентом.

Например, в термисторах (терморезисторах) это свойство используется для измерения температуры. С другой стороны, в точной электронике, это довольно нежелательный эффект.
Металлопленочные резисторы имеют отличные свойства температурной стабильности. Это достигается не только за счет низкого удельного сопротивления материала, но и за счет механической конструкции самого резистора.

Много различных материалов и сплавов используются в производстве резисторов. Нихром (сплав никеля и хрома), из-за его высокого удельного сопротивления и устойчивости к окислению при высоких температурах, часто используют в качестве материала для изготовления проволочных резисторов. Недостатком его является то, что его невозможно паять. Константан, еще один популярный материал, легко паяется и имеет более низкий температурный коэффициент.