Varža – kas tai?

Kai jie sako, kad varis yra sunkesnis metalas nei aliuminis, jie lygina savo tankį. Panašiai, kai teigiama, kad varis yra geresnis laidininkas nei aliuminis, lyginama jų savitoji varža (ρ), kurios vertė nepriklauso nuo konkretaus mėginio dydžio ar formos – tik nuo pačios medžiagos.

Teorinis pagrindimas

Varža yra tam tikro dydžio medžiagos atsparumo elektriniam laidumui matas. Jo priešingybė yra elektros laidumas. Metalai yra geri elektros laidininkai (didelis laidumas ir maža ρ vertė), o nemetalai paprastai yra prasti (mažas laidumas ir didelė ρ vertė).

Geresnė šiluminė elektrinė varža matuoja, kaip sunkiai medžiagai praleidžia elektrą. Tai priklauso nuo detalės dydžio: ilgesniam ar siauresniam medžiagos gabalui atsparumas didesnis. Norėdami pašalinti poveikįdydis nuo varžos, naudojama vielos savitoji varža - tai medžiagos savybė, kuri nepriklauso nuo dydžio. Daugumos medžiagų atsparumas didėja didėjant temperatūrai. Išimtis yra puslaidininkiai (pvz., silicis), kuriuose jis mažėja didėjant temperatūrai.

Medžiagos lengvumas praleidžia šilumą matuojamas šilumos laidumu. Pirmuoju vertinimu, geri elektros laidininkai taip pat yra geri šilumos laidininkai. Atsparumas žymimas simboliu r, o jo vienetas yra omometras. Gryno vario varža 1,7×10 -8 omai. Tai labai mažas skaičius – 0 000 000 017 omų, o tai rodo, kad kubinis metras vario praktiškai neturi pasipriešinimo. Kuo mažesnė savitoji varža (ommetras arba Ωm), tuo geriau medžiaga naudojama laidams. Atsparumas yra kita laidumo pusė.

Medžiagų klasifikacija

Medžiagos varžos vertė dažnai naudojama klasifikuojant ją kaip laidininką, puslaidininkį ar izoliatorių. Kietieji elementai periodinėje elementų lentelėje klasifikuojami kaip izoliatoriai, puslaidininkiai arba laidininkai pagal jų „statinę varžą“. Izoliatoriaus, puslaidininkio ar laidžios medžiagos savitoji varža yra pagrindinė savybė, į kurią atsižvelgiama naudojant elektrą.

Lentelėje pateikti kai kurie ρ, σ ir temperatūros koeficiento duomenys. Dėl atsparumo metalamsdidėja didėjant temperatūrai. Puslaidininkiams ir daugeliui izoliatorių galioja priešingai.

Medžiaga	ρ (Ωm) esant 20°C	σ (S/m) esant 20°C	Temperatūros koeficientas (1/°C) x10 ^ -3
Sidabrinė	1, 59 × 10 -8	6, 30 × 10 7	3, 8
Varis	1, 68 × 10 -8	5, 96 × 10 7	3, 9
Auksas	2, 44 × 10 -8	4, 10 × 10 7	3, 4
Aliuminis	2, 82 × 10 -8	3, 5 × 10 7	3, 9
Volframas	5, 60 × 10 -8	1, 79 × 10 7	4.5
Cinkas	5, 90 × 10 -8	1, 69 × 10 7	3, 7
nikelis	6, 99 × 10 -8	1, 43 × 10 7	6
Litis	9, 28 × 10 -8	1,08 × 10 7	6
Geležis	1, 0 × 10 -7	1, 00 × 10 7	5
Platina	1, 06 × 10 -7	9, 43 × 10 6	3, 9
Lead	2, 2 × 10 -7	4, 55 × 10 6	3, 9
Konstantanas	4, 9 × 10 -7	2,04 × 10 6	0, 008
Merkurijus	9, 8 × 10 -7	1, 02 × 10 6	0,9
Nichromas	1,10 × 10 -6	9, 09 × 10 5	0, 4
Anglis (amorfinė)	5 × 10 -4 iki 8 × 10 -4	1, 25-2 × 10 3	-0, 5

Savosios varžos skaičiavimas

Esant bet kuriai temperatūrai, galime apskaičiuoti objekto elektrinę varžą omais, naudodami šią formulę.

Šioje formulėje:

• R – objekto varža, omais;
• ρ - medžiagos, iš kurios pagamintas objektas, atsparumas (specifinis);
• L – objekto ilgis metrais;
• A skerspjūvisobjekto atkarpa, kvadratiniais metrais.

Varža yra lygi tam tikram ommetrų skaičiui. Nors ρ SI vienetas paprastai yra omometras, kartais vienetas yra omų vienam centimetrui.

Medžiagos varžą lemia joje esančio elektrinio lauko, kuris suteikia tam tikrą srovės tankį, dydis.

ρ=E/J kur:

• ρ – į omometrą;
• E – elektrinio lauko dydis voltais vienam metrui;
• J – srovės tankio vertė amperais kvadratiniam metrui.

Kaip nustatyti varžą? Daugelis rezistorių ir laidininkų turi vienodą skerspjūvį ir vienodą elektros srovės srautą. Todėl yra konkretesnė, bet plačiau naudojama lygtis.

ρ=RА/ J, kur:

• R – vienalytės medžiagos pavyzdžio varža, matuojama omais;
• l – medžiagos gabalo ilgis, matuojamas metrais, m;
• A – imties skerspjūvio plotas, matuojamas kvadratiniais metrais, m^2.

Medžiagų varžos pagrindai

Medžiagos elektrinė varža taip pat žinoma kaip elektrinė varža. Tai matas, kaip stipriai medžiaga priešinasi elektros srovės srautui. Jį galima nustatyti padalijus tam tikros medžiagos varžą iš ilgio ir skerspjūvio ploto vieneto tam tikroje temperatūroje.

Tai reiškia, kad mažas ρ rodo medžiagą, kuri lengvai leidžiaperkelti elektronus. Priešingai, medžiaga, turinti didelį ρ, turės didelį atsparumą ir trukdys elektronų srautui. Tokie elementai kaip varis ir aliuminis yra žinomi dėl žemo ρ lygio. Sidabro ir aukso ρ vertė yra labai maža, tačiau dėl akivaizdžių priežasčių jų naudojimas yra ribotas.

Atsparus regionas

Medžiagos skirstomos į skirtingas kategorijas, atsižvelgiant į jų ρ reikšmę. Santrauka rodoma toliau esančioje lentelėje.

Puslaidininkių laidumo lygis priklauso nuo dopingo lygio. Be dopingo jie atrodo beveik kaip izoliatoriai, o tai yra ir elektrolitams. Medžiagų ρ lygis labai skiriasi.

Įrangos kategorijos ir medžiagos tipas	Dažniausiai paplitusių medžiagų varžos sritis, priklausomai nuo ρ
Elektrolitai	Kintamasis
Izoliatoriai	~ 10 ^ 16
Metalai	~ 10 ^ -8
Puslaidininkiai	Kintamasis
Superlaidininkai	0

Temperatūros pasipriešinimo koeficientas

Daugeliu atvejų atsparumas didėja didėjant temperatūrai. Dėl to reikia suprasti atsparumo priklausomybę nuo temperatūros. Laidininko temperatūros pasipriešinimo koeficiento priežastis gali būti pateisinamaintuityviai. Medžiagos atsparumas priklauso nuo daugelio reiškinių. Vienas iš jų yra susidūrimų tarp krūvininkų ir medžiagos atomų skaičius. Didėjant temperatūrai, didėjant susidūrimų skaičiui, laidininko savitoji varža padidės.

Taip gali būti ne visada ir taip yra dėl to, kad kylant temperatūrai išsiskiria papildomi krūvininkai, dėl ko sumažės medžiagų savitoji varža. Šis poveikis dažnai pastebimas puslaidininkinėse medžiagose.

Atsižvelgiant į atsparumo priklausomybę nuo temperatūros, paprastai daroma prielaida, kad atsparumo temperatūros koeficientas atitinka tiesinį dėsnį. Tai taikoma kambario temperatūrai ir metalams bei daugeliui kitų medžiagų. Tačiau buvo nustatyta, kad pasipriešinimo poveikis, atsirandantis dėl susidūrimų skaičiaus, ne visada yra pastovus, ypač esant labai žemai temperatūrai (superlaidumo reiškinys).

Atsparumo temperatūros grafikas

Laidžio varža esant bet kuriai temperatūrai gali būti apskaičiuojama pagal temperatūros vertę ir jo temperatūros atsparumo koeficientą.

R=Rref(1+ α (T- Tref)), kur:

• R – pasipriešinimas;
• Rref – atsparumas pamatinei temperatūrai;
• α- medžiagos atsparumo temperatūros koeficientas;
• Tref yra atskaitos temperatūra, kuriai nurodytas temperatūros koeficientas.

Temperatūros atsparumo koeficientas, paprastai standartizuotas iki 20 °C temperatūros. Atitinkamai, lygtis dažniausiai naudojama praktine prasme yra tokia:

R=R20(1+ α20 (T-T20)), kur:

• R20=atsparumas 20 °C temperatūroje;
• α20 - atsparumo temperatūros koeficientas esant 20 °C;
• T20 – temperatūra lygi 20 °C.

Medžiagų varža kambario temperatūroje

Toliau pateiktoje varžos lentelėje yra daug elektrotechnikoje dažniausiai naudojamų medžiagų, įskaitant varį, aliuminį, auksą ir sidabrą. Šios savybės yra ypač svarbios, nes pagal jas nustatoma, ar medžiaga gali būti naudojama įvairiuose elektriniuose ir elektroniniuose komponentuose – nuo laidų iki sudėtingesnių įrenginių, tokių kaip rezistoriai, potenciometrai ir kt.

Įvairių medžiagų varžos lentelė esant 20°C lauko temperatūrai
Medžiagos	OM atsparumas 20 °C temperatūroje
Aliuminis	2, 8 x 10 -8
Stibis	3, 9 × 10 -7
Bismutas	1, 3 x 10 -6
Žalvaris	~ 0,6–0,9 × 10 -7
kadmis	6 x 10 -8
Kob altas	5, 6 × 10 -8
Varis	1, 7 × 10 -8
Auksas	2, 4 x 10 -8
Anglis (grafitas)	1 x 10 -5
Germanis	4,6 x 10 -1
Geležis	1,0 x 10 -7
Lead	1, 9 × 10 -7
Nichromas	1, 1 × 10 -6
nikelis	7 x 10 -8
Palladium	1,0 x 10 -7
Platina	0, 98 × 10 -7
Kvarcas	7 x 10 17
Silicis	6, 4 × 10 2
Sidabrinė	1, 6 × 10 -8
Tantalas	1, 3 x 10 -7
Volframas	4, 9 x 10 -8
Cinkas	5, 5 x 10 -8

Vario ir aliuminio laidumo palyginimas

Laidžiai sudaryti iš medžiagų, kurios laidi elektrą. Nemagnetiniai metalai paprastai laikomi idealiais elektros laidininkais. Laidų ir kabelių pramonėje naudojami įvairūs metaliniai laidininkai, tačiau dažniausiai naudojami varis ir aliuminis. Laidininkai turi skirtingas savybes, tokias kaip laidumas, atsparumas tempimui, svoris ir poveikis aplinkai.

Vario laidininko savitoji varža kabelių gamyboje naudojama daug dažniau nei aliuminio. Beveik visi elektroniniai kabeliai yra pagaminti iš vario, kaip ir kiti įrenginiai ir įranga, naudojantys didelį vario laidumą. Variniai laidininkai taip pat plačiai naudojami paskirstymo sistemose irenergijos gamyba, automobilių pramonė. Siekdamos sutaupyti svorio ir išlaidų, perdavimo įmonės oro linijose naudoja aliuminį.

Aliuminis naudojamas pramonės šakose, kuriose jo lengvumas yra svarbus, pavyzdžiui, orlaivių konstrukcijoje, ir tikimasi, kad ateityje jo naudojimas automobilių pramonėje padidės. Didesnės galios kabeliams naudojama variu dengta aliuminio viela, kad būtų išnaudota vario savitoji varža, todėl lengvas aliuminis žymiai sumažina konstrukcijos svorį.

Variniai laidininkai

Varis yra viena iš seniausių žinomų medžiagų. Jo lankstumą ir elektrinį laidumą išnaudojo ankstyvieji elektros eksperimentatoriai, tokie kaip Benas Franklinas ir Michaelas Faradėjus. Dėl mažo vario medžiagų ρ jis buvo priimtas kaip pagrindinis laidininkas, naudojamas tokiuose išradimuose kaip telegrafas, telefonas ir elektros variklis. Varis yra labiausiai paplitęs laidus metalas. 1913 m. buvo priimtas Tarptautinis vario uždegimo standartas (IACS), siekiant palyginti kitų metalų laidumą su variu.

Pagal šį standartą komerciškai gryno atkaitinto vario laidumas yra 100 % IACS. Medžiagų savitoji varža lyginama su standartine. Šiandien gaminamas komerciškai grynas varis gali turėti didesnes IACS vertes, nes laikui bėgant apdorojimo technologija labai pažengė į priekį. Be puikaus vario laidumo, metalas turi didelį atsparumą tempimui, šilumos laidumą ir šiluminį plėtimąsi. Elektros reikmėms naudojama atkaitinta varinė viela atitinka visus standarto reikalavimus.

Aliuminio laidininkai

Nepaisant to, kad varis turi ilgą energijos gamybos medžiagos istoriją, aliuminis turi tam tikrų pranašumų, dėl kurių jis patrauklus konkrečioms reikmėms, o dėl dabartinės varžos jį galima naudoti daug kartų. Aliuminis turi 61% vario laidumo ir tik 30% vario svorio. Tai reiškia, kad aliuminio viela sveria perpus mažiau nei varinė viela su tokia pačia elektrine varža.

Aliuminis paprastai yra pigesnis, palyginti su varine šerdimi. Aliuminio laidininkai yra sudaryti iš įvairių lydinių, kurių minimalus aliuminio kiekis yra 99,5%. Šeštajame ir aštuntajame dešimtmetyje dėl didelės vario kainos šios klasės aliuminis buvo plačiai naudojamas buitinei elektros instaliacijai.

Dėl prasto jungčių darbo ir fizinių aliuminio ir vario skirtumų, jų jungčių pagrindu pagaminti įrenginiai ir laidai tapo pavojingi vario ir aliuminio kontaktų gaisrui. Siekiant neutralizuoti neigiamą procesą, buvo sukurti aliuminio lydiniai, kurių valkšnumo ir pailgėjimo savybės yra panašesnės į varį. Iš šių lydinių gaminami suvytieji aliuminio laidai, kurių savitoji varža yra priimtina masiniam naudojimui, atitinkanti elektros tinklų saugos reikalavimus.

Jei aliuminis naudojamas ten, kur anksčiau buvo naudojamas varis,kad tinklas būtų vienodas, turite naudoti aliuminio vielą, dvigubai didesnę už varinę.

Medžiagų elektrinio laidumo taikymas

Daugelis varžos lentelėje esančių medžiagų yra plačiai naudojamos elektronikoje. Aliuminis ir ypač varis naudojamas dėl mažo atsparumo. Dauguma šiandien elektros jungtims naudojamų laidų ir kabelių yra pagaminti iš vario, nes jis užtikrina žemą ρ lygį ir yra prieinamas. Geras aukso laidumas, nepaisant kainos, taip pat naudojamas kai kuriuose labai tiksliuose instrumentuose.

Auksinis padengimas dažnai naudojamas aukštos kokybės žemos įtampos jungtyse, kurių tikslas yra užtikrinti mažiausią kontaktinę varžą. Sidabras nėra plačiai naudojamas pramoninėje elektrotechnikoje, nes jis greitai oksiduojasi ir dėl to atsiranda didelis kontaktinis atsparumas. Kai kuriais atvejais oksidas gali veikti kaip lygintuvas. Tantalo atsparumas naudojamas kondensatoriuose, nikelis ir paladis daugelio paviršinio montavimo komponentų galinėse jungtyse. Kvarcas pirmiausia naudojamas kaip pjezoelektrinis rezonansinis elementas. Kvarco kristalai naudojami kaip dažnio elementai daugelyje generatorių, kur dėl didelės vertės galima sukurti patikimas dažnio grandines.