Сопротивление меди действительно меняется с температурой, но сначала нужно определиться, имеется ли в виду удельное электрическое сопротивление проводников (омическое сопротивление), что важно для питания по Ethernet, использующего постоянный ток, или же речь идет о сигналах в сетях передачи данных, и тогда мы говорим о вносимых потерях при распространении электромагнитной волны в среде витой пары и о зависимости затухания от температуры (и частоты, что не менее важно).

Удельное сопротивление меди

В международной системе СИ удельное сопротивление проводников измеряется в Ом∙м. В сфере ИТ чаще используется внесистемная размерность Ом∙мм 2 /м, более удобная для расчетов, поскольку сечения проводников обычно указаны в мм 2 . Величина 1 Ом∙мм 2 /м в миллион раз меньше 1 Ом∙м и характеризует удельное сопротивление вещества, однородный проводник из которого длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 мм 2 дает сопротивление в 1 Ом.

Удельное сопротивление чистой электротехнической меди при 20°С составляет 0,0172 Ом∙мм 2 /м . В различных источниках можно встретить значения до 0,018 Ом∙мм 2 /м, что тоже может относиться к электротехнической меди. Значения варьируются в зависимости от обработки, которой подвергнут материал. Например, отжиг после вытягивания («волочения») проволоки уменьшает удельное сопротивление меди на несколько процентов, хотя проводится он в первую очередь ради изменения механических, а не электрических свойств.

Удельное сопротивление меди имеет непосредственное значение для реализации приложений питания по Ethernet. Лишь часть исходного постоянного тока, поданного в проводник, достигнет дальнего конца проводника – определенные потери по пути неизбежны. Так, например, PoE Type 1 требует, чтобы из 15,4 Вт, поданных источником, до запитываемого устройства на дальнем конце дошло не менее 12,95 Вт.

Удельное сопротивление меди изменяется с температурой, но для температур, характерных для сферы ИТ, эти изменения невелики. Изменение удельного сопротивления рассчитывается по формулам:

ΔR = α · R · ΔT

R 2 = R 1 · (1 + α · (T 2 - T 1))

где ΔR – изменение удельного сопротивления, R – удельное сопротивление при температуре, принятой в качестве базового уровня (обычно 20°С), ΔT – градиент температур, α – температурный коэффициент удельного сопротивления для данного материала (размерность °С -1). В диапазоне от 0°С до 100°С для меди принят температурный коэффициент 0,004 °С -1 . Рассчитаем удельное сопротивление меди при 60°С.

R 60°С = R 20°С · (1 + α · (60°С - 20°С)) = 0,0172 · (1 + 0,004 · 40) ≈ 0,02 Ом∙мм 2 /м

Удельное сопротивление при увеличении температуры на 40°С возросло на 16%. При эксплуатации кабельных систем, разумеется, витая пара не должна находиться при высоких температурах, этого не следует допускать. При правильно спроектированной и установленной системе температура кабелей мало отличается от обычных 20°С, и тогда изменение удельного сопротивления будет невелико. По требованиям телекоммуникационных стандартов сопротивление медного проводника длиной 100 м в витой паре категорий 5e или 6 не должно превышать 9,38 Ом при 20°С. На практике производители с запасом вписываются в это значение, поэтому даже при температурах 25°С ÷ 30°С сопротивление медного проводника не превышает этого значения.

Затухание сигнала в витой паре / Вносимые потери

При распространении электромагнитной волны в среде медной витой пары часть ее энергии рассеивается по пути от ближнего конца к дальнему. Чем выше температура кабеля, тем сильнее затухает сигнал. На высоких частотах затухание сильнее, чем на низких, и для более высоких категорий допустимые пределы при тестировании вносимых потерь строже. При этом все предельные значения заданы для температуры 20°С. Если при 20°С исходный сигнал приходил на дальний конец сегмента длиной 100 м с уровнем мощности P, то при повышенных температурах такая мощность сигнала будет наблюдаться на более коротких расстояниях. Если необходимо обеспечить на выходе из сегмента ту же мощность сигнала, то либо придется устанавливать более короткий кабель (что не всегда возможно), либо выбирать марки кабелей с более низким затуханием.

• Для экранированных кабелей при температурах выше 20°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.2%
• Для всех типов кабелей и любых частот при температурах до 40°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.4%
• Для всех типов кабелей и любых частот при температурах от 40°С до 60°С изменение температуры на 1 градус приводит к изменению затухания на 0.6%
• Для кабелей категории 3 может наблюдаться изменение затухания на уровне 1,5% на каждый градус Цельсия

Уже в начале 2000 гг. стандарт TIA/EIA-568-B.2 рекомендовал уменьшать максимально допустимую длину постоянной линии/канала категории 6, если кабель устанавливался в условиях повышенных температур, и чем выше температура, тем короче должен быть сегмент.

Если учесть, что потолок частот в категории 6А вдвое выше, чем в категории 6, температурные ограничения для таких систем будут еще жестче.

На сегодняшний день при реализации приложений PoE речь идет о максимум 1-гигабитных скоростях. Когда же используются 10-гигабитные приложения, питание по Ethernet не применяется, по крайней мере, пока. Так что в зависимости от ваших потребностей при изменении температуры вам нужно учитывать либо изменение удельного сопротивления меди, либо изменение затухания. Разумнее всего и в том, и в другом случае обеспечить кабелям нахождение при температурах, близких к 20°С.

Сопротивление проводника (R) (удельное сопротивление) () зависит от температуры. Эту зависимость при незначительных изменениях температуры () представляют в виде функции:

где — удельное сопротивление проводника при температуре равной 0 o C; — температурный коэффициент сопротивления.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Температурным коэффициентом электрического сопротивления () называют физическую величину, равную относительному приращению (R) участка цепи (или удельного сопротивления среды ()), которое происходит при нагревании проводника на 1 o С. Математически определение температурного коэффициента сопротивления можно представить как:

Величина служит характеристикой связи электросопротивления с температурой.

При температурах, принадлежащих диапазону , у большинства металлов рассматриваемый коэффициент остается постоянным. Для чистых металлов температурный коэффициент сопротивления часто принимают равным

Иногда говорят о среднем температурном коэффициенте сопротивления, определяя его как:

где — средняя величина температурного коэффициента в заданном интервале температур ().

Температурный коэффициент сопротивления для разных веществ

Большая часть металлов имеет температурный коэффициент сопротивления больше нуля. Это означает, что сопротивление металлов с ростом температуры возрастает. Это происходит как результат рассеяния электронов на кристаллической решетке, которая усиливает тепловые колебания.

При температурах близких к абсолютному нулю (-273 o С) сопротивление большого числа металлов резко падает до нуля. Говорят, что металлы переходят в сверхпроводящее состояние.

Полупроводники, не имеющие примесей, обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Их сопротивление при увеличении температуры уменьшается. Это происходит вследствие того, что увеличивается количество электронов, которые переходят в зону проводимости, значит, при этом увеличивается число дырок в единице объема полупроводника.

Растворы электролитов имеют . Сопротивление электролитов при увеличении температуры уменьшается. Это происходит потому, что рост количества свободных ионов в результате диссоциации молекул превышает увеличение рассеивания ионов в результате столкновений с молекулами растворителя. Надо сказать, что температурный коэффициент сопротивления для электролитов является постоянной величиной только в малом диапазоне температур.

Единицы измерения

Основной единицей измерения температурного коэффициента сопротивления в системе СИ является:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Лампа накаливания, имеющая спираль из вольфрама включена в сеть с напряжением B, по ней идет ток А. Какой будет температура спирали, если при температуре o С она имеет сопротивление Ом? Температурный коэффициент сопротивления вольфрама .
Решение	В качестве основы для решения задачи используем формулу зависимости сопротивления от температуры вида: где — сопротивление вольфрамовой нити при температуре 0 o C. Выразим из выражения (1.1), имеем: По закону Ома для участка цепи имеем: Вычислим Запишем уравнение связывающее сопротивление и температуру: Проведем вычисления:
Ответ	K

ПРИМЕР 2

Во время нагревания удельное сопротивление металла увеличивается в связи с активацией Броуновского движения атомов. Часть сплавов, имеющих большее удельное сопротивление, практически не меняют его с ростом температуры (манганин, константан). Это связано с особой структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.

Изменение проводимости

Температурный коэффициент сопротивления — отражает изменение проводимости при нагревании или охлаждения материала. Если температурный коэффициент обозначить через α, удельное сопротивление при 20 °C через Ro, то во время нагревания материала до температуры t° его удельное сопротивление R1 = Ro (1 + (α(t1 — to))

Приведём пример. Температурный коэффициент фехрали = 0,0001 /1 градус, а для нихрома α= 0,0002 / 1 градус. Это означает, что нагревание на 100 °C, повышает электросопротивление фехрали на 1%, а нихрома на 2%.

Отрезок нихромовой проволоки 1 м

Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термомопарах для измерения температуры металлургических процессов, а также в печах сушки и обжига.

Поставщик

Поставщик «Auremo» — признанный эксперт на рынке цветного и нержавеющего металлопроката- предлагает купить по доступной цене нихром, фехраль, термопары:. Большой выбор на складе. Соответствие ГОСТ и международным стандартам качества. Всегда в наличии нихром, фехраль, термопары, цена — оптимальная от поставщика. Оптовым заказчикам цена — льготная. Обращайтесь по номерам телефонов из раздела «Контакты», мы всегда открыты для предложений. Приглашаем к партнёрскому сотрудничеству.

Купить по выгодной цене

Поставщик «Auremo» предлагает на выгодных условиях купить нихром, фехраль, термопары, цена — обусловлена технологическими особенностями производства без включения дополнительных затрат. На сайте компании отображена самая оперативная информация, есть каталог продукции и прайс-листы. Под заказ можно купить продукцию нестандартных параметров. Цена заказа зависит от объема и дополнительных условий поставки.

Температурный коэффициент сопротивления α показывает на сколько увеличивается сопротивление проводника в 1 Ом при увеличении температуры (нагревании проводника) на 1 ºС.

Сопротивление проводника при температуре t рассчитывается по формуле:

r t = r 20 + α* r 20 *(t - 20 ºС)

r t = r 20 *,

где r 20 – сопротивление проводника при температуре 20 ºС, r t – сопротивление проводника при температуре t.

Плотность тока

Через медный проводник с площадью поперечного сечения S = 4 мм² протекает ток I = 10 А. Какова плотность тока?

Плотность тока J = I/S = 10 А/4 мм² = 2.5 А/мм².

[По площади поперечного сечения 1 мм² протекает ток I = 2.5 А; по всему поперечному сечению S протекает ток I = 10 А].

По шине распределительного устройства прямоугольного поперечного сечения (20х80) мм² проходит ток I = 1000 А. Какова плотность тока в шине?

Площадь поперечного сечения шины S = 20х80 = 1600 мм². Плотность тока

J = I/S = 1000 A/1600 мм² = 0.625 А/мм².

У катушки провод имеет круглое сечение диаметром 0.8 мм и допускает плотность тока 2.5 А/мм². Какой допустимый ток можно пропустить по проводу (нагрев не должен превысить допустимый)?

Площадь поперечного сечения провода S = π * d²/4 = 3/14*0.8²/4 ≈ 0.5 мм².

Допустимый ток I = J*S = 2.5 А/мм² * 0.5 мм² = 1.25 А.

Допустимая плотность тока для обмотки трансформатора J = 2.5 А/мм². Через обмотку проходит ток I = 4 А. Каким должно быть поперечное сечение (диаметр) круглого сечения проводника, чтобы обмотка не перегревалась?

Площадь поперечного сечения S = I/J = (4 А) / (2.5 А/мм²) = 1.6 мм²

Этому сечению соответствует диаметр провода 1.42 мм.

По изолированному медному проводу сечением 4 мм² проходит максимально допустимый ток 38 А (см. таблицу). Какова допустимая плотность тока? Чему равны допустимые плотности тока для медных проводов сечением 1, 10 и 16 мм²?

1). Допустимая плотность тока

J = I/S = 38 А / 4мм² = 9.5 А/мм².

2). Для сечения 1 мм² допустимая плотность тока (см. табл.)

J = I/S = 16 А / 1 мм² = 16 А/мм².

3). Для сечения 10 мм² допустимая плотность тока

J = 70 A / 10 мм² = 7.0 А/мм²

4). Для сечения 16 мм² допустимая плотность тока

J = I/S = 85 А / 16 мм² = 5.3 А/мм².

Допустимая плотность тока с увеличением сечения падает. Табл. действительна для электрических проводов с изоляцией класса В.

Задачи для самостоятельного решения

Через обмотку трансформатора должен протекать ток I = 4 А. Какое должно быть сечение обмоточного провода при допустимой плотности тока J = 2.5 А/мм²? (S = 1.6 мм²)

По проводу диаметром 0.3 мм проходит ток 100 мА. Какова плотность тока? (J = 1.415 А/мм²)

По обмотке электромагнита из изолированного провода диаметром

d = 2.26 мм (без учёта изоляции) проходит ток 10 А. Какова плотность

тока? (J = 2.5 А/мм²).

4. Обмотка трансформатора допускает плотность тока 2.5 А/мм². Ток в обмотке равен 15 А. Какое наименьшее сечение и диаметр может иметь круглый провод (без учёта изоляции)? (в мм²; 2.76 мм).

Основными характеристиками проводниковых материалов являются:

1. Теплопроводность;
2. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;
3. Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.

ρ - величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:

Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S - в мм², сопротивление проводника r - в Ом, тогда размерность удельного сопротивления

Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены в статье "Электрическое сопротивление и проводимость ".

α - величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры.
Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t 2 ° - t 1 ° может быть найдена по формуле:

Данные температурных коэффициентов сопротивления различных проводниковых материалов приведены ниже в таблице.

Значение температурных коэффициентов сопротивления металлов

Теплопроводность

λ - величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой вещества. Размерность теплопроводности

Теплопроводность имеет большое значение при тепловых расчетах машин, аппаратов, кабелей и других электротехнических устройств.

Значение теплопроводности λ для некоторых материалов

Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяю специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловлена теми же электронами проводимости, что и электропроводность.

Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

Как было указано в статье "Металлические проводники ", положительные ионы металла расположены в узлах кристаллической решетки, образующей как бы ее каркас. Свободные электроны заполняют решетку наподобие газа, который называют иногда "электронным газом". Давление электронного газа в металле пропорционально абсолютной температуре и числу свободных электронов в единице объема, которое зависит от свойств металла. При соприкосновении двух разнородных металлов в месте соприкосновения происходит выравнивание давления электронного газа. В результате диффузии электронов металл, у которого число электронов уменьшается, заряжается положительно, а металл, у которого число электронов увеличивается, заряжается отрицательно. В месте контакта возникает разность потенциалов. Эта разность пропорциональна разности температур металлов и зависит от их вида. В замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Электродвижущая сила (ЭДС), которая создает этот ток, называется термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС).

Явление контактной разности потенциалов применяется в технике для измерения температуры при помощи термопар. При измерении малых токов и напряжений в цепи в местах соединения различных металлов может возникнуть большая разность потенциалов, которая будет искажать результаты измерений. В этом случае необходимо подобрать материалы так, чтобы точность измерений была высокой.

Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении

При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием силы, приложенной к материалу, последний удлиняется. Если обозначить первоначальную длину l 1 , а конечную длину l 2 , то разность l 1 - l 2 = Δl будет абсолютным удлинением .

Отношение

называется относительным удлинением .

Сила, производящая разрыв материала, называется разрушающей нагрузкой , а отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения материала в момент разрушения называется временным сопротивлением на разрыв и обозначается

Данные временных сопротивлений на разрыв для различных материалов приведены ниже.

Значение предела прочности на разрыв для различных металлов