Введение

Объект или материал, позволяющий протеканию электрического заряда с минимальными потерями энергии.

В физике и электротехнике проводник – это объект или тип материала, который обеспечивает протекание электрического заряда (электрического тока) в одном или нескольких направлениях. Металлы являются распространенными электрическими проводниками. Протекание отрицательно заряженных электронов генерирует электрический ток, положительно заряженные дырки и, в некоторых случаях, положительные или отрицательные ионы. Для протекания тока в замкнутой электрической цепи, одной заряженной частице не требуется перемещаться от источника тока к потребителям. Вместо этого, заряженная частица лишь слегка толкает своего соседа, который толкает следующего, и так далее, пока частица не достигнет потребителя, обеспечивая его питание. 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 выбором в качестве проводника; металлы характеризуются наличием делокализованного моря электронов, обеспечивающего электронам достаточную подвижность для столкновений и, следовательно, передачи импульса. Как упоминалось выше, электроны являются основными носителями в металлах; однако, другие устройства, такие как катионный электролит батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на положительные носители заряда. Изоляторы – это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, поддерживающие лишь незначительные электрические токи.

Сопротивление и проводимость

Сопротивление данного проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, и от его размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем иначе идентичный тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет большее сопротивление, чем иначе идентичный короткий медный провод. Сопротивление R и проводимость G проводника с однородным поперечным сечением, таким образом, могут быть вычислены для больших силовых кабелей, несущих более нескольких сотен ампер. Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное 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 данного материала. Такое расширение (или сжатие) изменяет геометрию проводника и, следовательно, его характерное сопротивление. Однако этот эффект обычно невелик, порядка 10−6. Повышение температуры также увеличивает количество фононов, генерируемых в материале. Фонон – это, по сути, колебание кристаллической решетки, или, точнее, небольшое гармоническое кинетическое движение атомов материала. Подобно тому, как происходит в пинбольном автомате, фононы нарушают траекторию электронов, вызывая их рассеяние. Это рассеяние электронов уменьшает число столкновений электронов и, следовательно, снижает общее количество передаваемого тока.

Материалы проводников

Материал ρ [Ом·м] при 20°C σ [] при 20°C Серебро, Ag 1,59 × 10−8 6,30 × 107 Медь, Cu 1,68 × 10−8 5,96 × 107 Алюминий, Al 2,82 × 10−8 3,50 × 107 К проводящим материалам относятся металлы, электролиты, сверхпроводники, полупроводники, плазмы и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры. Медь обладает высокой электропроводностью. Отжиженная медь является международным стандартом, по которому сравниваются все остальные электрические проводники; электропроводность Международного стандарта отжиженной меди составляет 58, хотя сверхчистая медь может незначительно превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой для электротехнических применений, таких как строительные провода, обмотки двигателей, кабели и шины, является электролитическая медь высокой прочности (ETP) (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если требуется сварка или пайка высокопроводящей меди или ее использование в восстановительной атмосфере, можно использовать высокопроводящую медь без кислорода (CW008A или обозначение ASTM C10100). Благодаря простоте соединения пайкой или зажимами, медь по-прежнему остается наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения. Серебро на 6% более электропроводно, чем медь, но из-за стоимости это непрактично в большинстве случаев. Однако оно используется в специализированном оборудовании, таком как спутники, и в качестве тонкого покрытия для снижения потерь от поверхностного эффекта на высоких частотах. Известно, что серебро, взятое в долг у Казначейства США, использовалось при изготовлении магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за военного времени дефицита меди. Алюминиевая проволока является наиболее распространенным металлом в передаче и распределении электроэнергии. Хотя по площади поперечного сечения ее электропроводность составляет всего 61% от электропроводности меди, ее меньшая плотность делает ее в два раза более электропроводной по массе. Поскольку стоимость алюминия примерно в одну треть ниже стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны при использовании больших проводников. Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Она легко образует изолирующую оксидную пленку, что приводит к нагреву соединений. Ее более высокий коэффициент теплового расширения по сравнению с латунными материалами, используемыми для соединителей, приводит к ослаблению соединений. Алюминий также может "ползти", медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью правильно спроектированных соединителей и особой осторожности при монтаже, но они сделали алюминиевую проводку зданий непопулярной после отключения электроснабжения. Органические соединения, такие как октан, содержащий 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не проводят электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает тетравалентностью и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, а следовательно, не образует ионов. Ковалентные связи – это просто совместное использование электронов. Следовательно, при прохождении через них электричества разделения ионов не происходит. Жидкости, состоящие из соединений, содержащих только ковалентные связи, не проводят электричество. Некоторые органические ионные жидкости, напротив, могут проводить электрический ток. Хотя чистая вода не является проводником электричества, даже небольшое количество ионных примесей, таких как соль, может быстро превратить ее в проводник.

Размер провода

Провода измеряются по площади их поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке для проводов меньшего размера используется американский калибр проводов (AWG), а для больших – круговые миллиметры.

Ампацитет проводника

Ампацитет проводника, то есть его пропускная способность по току, связан с его электрическим сопротивлением: проводник с меньшим сопротивлением может проводить больший ток. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого изготовлен проводник (как описано выше), и его размером. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения. Для неизолированных проводников предельным фактором является точка, в которой мощность, теряемая на сопротивлении, приводит к плавлению проводника. Однако, за исключением предохранителей, большинство проводников в реальных условиях работают значительно ниже этого предела. Например, бытовая проводка обычно изолируется ПВХ-изоляцией, рассчитанной на работу при температуре около 60 °C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен, чтобы не допустить нагрева медного проводника выше 60 °C и, следовательно, возникновения пожара. Другие, более дорогие изоляционные материалы, такие как тефлон или стекловолокно, могут допускать работу при гораздо более высоких температурах.

Изотропия

Если к материалу приложено электрическое поле, и возникающий в результате индуцированный электрический ток направлен в том же направлении, то такой материал считается изотропным электрическим проводником. Если же индуцированный электрический ток направлен в направлении, отличном от направления приложенного электрического поля, то материал считается анизотропным электрическим проводником.

Пионерские и исторические книги

Уильям Генри Прейс. О электрических проводниках. 1883. Оливер Хэвисайд. Электрические работы. Макмиллан, 1894.

Справочные книги

Ежегодная книга стандартов ASTM: Электрические проводники. Американское общество по испытаниям и материалам. (ежегодно)
Правила электропроводки IET. Институт инженерии и технологий. wiringregulations.net