Зависимость диаметра провода от сечения провода: Как определить сечение кабеля по диаметру, формула, таблица

Содержание

Сечение кабеля по диаметру | Заметки электрика

Здравствуйте, дорогие посетители сайта «Заметки электрика».

Эта статья про то, как самостоятельно можно определить сечение кабеля по диаметру.

В прошлой своей статье про провод ПУНП я говорил Вам, что напишу серию статей как правильно выбрать марку и купить кабели и провода.

Так вот данная статья тоже имеет прямое отношение к этой теме.

Зачем нам нужно определять сечение кабеля или провода по его диаметру?

А нужно нам это по нескольким причинам.

1. Нет бирки на бухте провода или кабеля

Встречаются ситуации, когда на бухте кабеля или провода отсутствует бирка с его сечением и прочими характеристиками. Конечно, я как опытный электрик, который практически ежедневно сталкиваюсь с этим, могу определить сечение провода или кабеля «на глаз». Но скажу честно, иногда бывает и так, что определить сечение очень затруднительно.

2. Покупка проводов и кабелей

Второй причиной, служит покупка этих самых проводов и кабелей. Все Вы знаете, и не раз я Вам об этом рассказывал, что в современных рыночных отношениях кабельная и проводниковая продукция «иногда» не соответствует требованиям современных ГОСТов. Но об этом поговорим подробнее в следующих статьях. Кому интересно, то подписывайтесь на получение уведомлений о выходе новых статей на сайте.

Итак, как же определить сечение жил кабеля или провода по его диаметру?

Способ №1

Первый способ применяется для определения сечения жил однопроволочного кабеля или провода.

Для этого нам необходимо с помощью обычного штангенциркуля или микрометра произвести измерение диаметра жилы кабеля (провода) без изоляции. Микрометра у меня нет, а вот штангенциркуль в моем инструменте электрика присутствует всегда.

В качестве примера я приведу определение сечения жилы кабеля ВВГнг двумя способами. В итоге сравним полученные результаты.

Вот этот кабель.

Разделываем кабель и разводим жилы.

Берем одну жилку (я взял синюю) и зачищаем ее, т.е. снимаем изоляцию жилы. Для снятия изоляции лично я пользуюсь стриппером Книпекс 12 40 200 — рекомендую.

С помощью штангенциркуля производим замер диаметра этой жилы.

У меня получилось, что диаметр измеренной жилы равен 1,8 (мм).

Далее в нижеприведенную формулу расчета площади круга подставляем полученное значение диаметра.

Полученное значение 2,54 (кв.мм) — это и есть фактическое сечение жил нашего кабеля.

 

Способ №2

Второй способ применяется для определения сечения жил однопроволочного кабеля или провода по его диаметру без использования штангенциркуля или микрометра. Этот способ я считаю более сложным и трудоемким.

Лучше все таки воспользоваться первым способом, т.к. он проще и более точный.

Но если нет в наличии штангенциркуля или микрометра, то остается применить только второй способ. Для этого нам потребуется карандаш или ручка. Я воспользовался карандашом, но лучше взять ручку или что то более жесткое.

Все делается аналогично.

Разделываем кабель произвольной длины и откусываем любую жилу (я опять взял синюю жилку).

С провода этой жилы снимаем слой изоляции. А затем провод наматываем на карандаш.

Лучше намотать побольше витков — так измерение будет точнее. Саму намотку выполняем таким образом, чтобы виток плотно прилегал к другому витку (без зазоров).

Вот, что у меня получилось.

Далее считаем количество получившихся витков. У меня получилось 10 витков.

После этого измеряем длину намотки.

Длина намотки составляет 18 (мм).

Далее необходимо длину намотки разделить на количество витков.

Получаем 1,8 (мм). Это и есть искомый диаметр жилы.

Диаметр жилки интересующего нас кабеля ВВГнг известен. А теперь по уже известной нас формуле определяем фактическое его сечение.

Т.к. диаметр жилы обоими способами получился одинаковый, то соответственно, и сечение их одинаковое.

Что и требовалось доказать. 

Способ №3

Третий способ применяется для определения сечения жил многопроволочного (гибкого) кабеля или провода.

Сначала необходимо распушить жилу и посчитать в ней количество жилок. Дальше действуем аналогично по первому способу, определяя диаметр одной жилки с помощью штангенциркуля.

Например, количество жилок в пучке составляет 12 штук.

Измерив диаметр одной жилки, мы получили значение 0,4 (мм).

Опять же, применив формулу расчета площади круга, рассчитаем сечение одной жилки в пучке.

А теперь рассчитаем сечение всего многожильного провода, умножив полученное сечение 0,125 (кв. мм) на количество жилок в пучке.

Полученное значение 1,5 (кв.мм) — это и есть фактическое сечение жилки гибкого кабеля или провода.

 

Способ №4

Четвертый способ применяется для определения сечения жил многопроволочного (гибкого) кабеля или провода без применения штангенциркуля или микрометра.

Делаем все действия, согласно описанного выше способа №2. Разница заключается лишь в том, что на карандаш необходимо наматывать одну жилку из пучка.

Определив диаметр одной жилки из пучка интересующего нас гибкого кабеля или провода, находим его фактическое сечение по алгоритму способа №3.

P.S. Я Вам попытался наглядно продемонстрировать распространенные способы определения сечения кабеля по диаметру. Если возникли вопросы, то задавайте их в комментариях. В следующих статьях я расскажу Вам, что делать с полученным сечением жилы кабеля или провода, и  как узнать, что оно соответствует действующим ГОСТам или нет. 

Если статья была Вам полезна, то поделитесь ей со своими друзьями:


Зависимость сечения провода от силы тока

Токовые нагрузки на провода, кабели и шнуры, покрытые резиновой или ПХВ изоляцией приведены исходя из расчета максимально допустимого нагрева жилы до 65°C. Температура окружающего воздуха принята равной 25°C, температура земли 15°C. При определении количества проводов или жил многожильного провода, которые прокладываются в одной трубе, не принимаются в расчет нулевые и заземляющие провода. Токовые нагрузки, указанные в нижеприведенной таблице 2, действительны при любом количестве труб и месте их прокладки (на открытом воздухе, внутри помещения, в перекрытиях здания).

Таблица 1. Токовая нагрузка на провода и шнуры с резиновой или ПХВ изоляцией, проложенные открыто.




























Сечение жилы, мм2 Диаметр жилы, мм Ток, А
С медными жилами
С алюминиевыми жилами
0.5 0.80 11
0. 75 0.98 15
1.0 1.1 17
1.2 1.2 20 18
1.5 1.4 23
2 1.6 26 21
2.5 1.8 30 24
3 2.0 34 27
4 2.3 41 32
5 2.5 46 36
6 2.8 50 39
8 3.2 62 46
10 3.6 80 60
16 4.5 100 75
25 5. 6 140 105
35 6.7 170 130
50 8.0 215 165
70 9.4 270 210
95 11.0 330 255
120 12.4 385 295
150 13.8 440 340
185 15.3 510 390
240 17.5 605 465
300 19.5 695 535
400 22.6 830 645

Таблица 2. Токовая нагрузка на провода и шнуры с резиновой или ПХВ изоляцией, проложенные в трубе.

А — два одножильных; Б — три одножильных; В — четыре одножильных;
Г — один двухжильный; Д — один трехжильный.





























Сечение жилы, мм2 Диаметр жилы, мм Ток, А
С медными жилами С алюминиевыми жилами    
А Б В Г Д А Б В Г Д
0.5 0.80
0. 75 0.98
1.0 1.1 16 15 14 15 14
1.2 1.2 18 16 15 16 14.5
1.5 1.4 19 17 16 18 15
2 1.6 24 22 20 23 19 19 18 15 17 14
2. 5 1.8 27 25 25 25 21 20 19 19 19 16
3 2.0 32 28 26 28 24 24 22 21 22 18
4 2.3 38 35 30 32 27 28 28 23 25 21
5 2.5 42 39 34 37 31 32 30 27 28 24
6 2.8 46 42 40 40 34 36 32 30 31 26
8 3. 2 54 51 46 48 43 43 40 37 38 32
10 3.6 70 60 50 55 50 50 47 39 42 38
16 4.5 85 80 75 80 80 60 60 55 60 55
25 5.6  115  100 90  100  100 85 80 70 75 65
35 6.7  135  125  115  125  135  100 95 85 95 75
50 8. 0  185  170  150  160  175  140  130  120  125  105
70 9.4  225  210  185  195  215  175  165  140  150  135
95 11.0  275  255  225  245  250  215  200  175  190  165
120 12.4  315  290  260  295  245  220  200  230  190
150 13.8  360  330  275  255
185 15. 3
240 17.5
300 19.5
400 22.6

Как определить сечение кабеля по диаметру. Пошаговая инструкция

Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника

В металле подвижными носителями зарядов являются свободные электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные электроны в металлах называют электронным газом и в первом приближении считают, что к нему применимы законы, установленные для идеального газа.

Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от длины проводника, площади его поперечного сечения и от температуры.

Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем, что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее.

Из формулы

видно, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной проводимостью вещества и обозначают σ.

Сопротивление тела человека

· Для расчёта опасной величины силы тока, протекающего через человека при попадании его под электрическое напряжение частотой 50 Гц, сопротивление тела человека условно принимается равным 1 кОм. Эта величина имеет малое отношение к реальному сопротивлению человеческого тела. В реальности сопротивление человека не является омическим, так как эта величина, во-первых, нелинейна по отношению к приложенному напряжению, во-вторых меняется во времени, в третьих, гораздо меньше у человека, который волнуется и, следовательно, потеет и т. д.

· Серьёзные поражения тканей человека наблюдаются обычно при прохождении тока силой около 100 мА. Совершенно безопасным считается ток силой до 1 мА. Удельное сопротивление тела человека зависит от состояния кожных покровов. Сухая кожа обладает удельным сопротивлением порядка 10000 Ом·м, поэтому опасные токи могут быть достигнуты только при значительном напряжении. Однако при наличии сырости сопротивление тела человека резко снижается и безопасным может считаться напряжение только ниже 12 В. Удельное сопротивление крови 1 Ом·м при 50 Гц.

Электрическое сопротивление проводников
 
 

S D22 ,

  • S – площадь сечения провода, мм
  • D- диаметр токопроводящей жилы провода. Измерить его можно с помощью штангенциркуля.

Более удобный вид формулы площади сечения провода:

Небольшая поправка — является округленным коэффициентом. Точная расчетная формула:

В электропроводке и электромонтаже в 90 % случаях применяется медный провод. Медный провод по сравнению с алюминиевым проводом, имеет ряд преимуществ. Он более удобен в монтаже, при такой же силе токе имеет меньшую толщину, более долговечен. Но чем больше диаметр (площадь сечения), тем выше цена медного провода. Поэтому, несмотря на все преимущества, если сила тока превышает значение 50 Ампер, чаще всего используют алюминиевый провод. В конкретном случае используется провод, имеющий алюминиевую жилу 10 мм и более.

В квадратных миллиметрах измеряют площадь сечения проводов. Наиболее чаще всего на практике (в бытовой электрике), встречаются такие площади сечения: 0,75; 1,5; 2,5; 4 мм .

Существует иная система измерения площади сечения (толщины провода) — система AWG, которая используется, в основном в США. Ниже приведена таблица сечений проводов по системе AWG, а так же перевод из AWG в мм .

Выделяют, три основные принципа, при выборе сечения провода.

1. Для прохождения электрического тока, площадь сечения провода (толщина провода), должна быть достаточной. Понятие достаточно означает, что когда проходит максимально возможный, в данном случае, электрический ток, нагрев провода будет допустимый (не более 600С).

2. Достаточное сечение провода, что бы падение напряжения не превышало допустимого значения. В основном это относится к длинным кабельным линиям (десятки, сотни метров) и токам большой величины.

3. Поперечное сечение провода, а также его защитная изоляция, должна обеспечивать механическую прочность и надежность.

Для питания, например люстры, используют в основном лампочки с суммарной потребляемой мощностью 100 Вт (ток чуть более 0,5 А).

Выбирая толщину провода, необходимо ориентироваться на максимальную рабочую температуру. Если температура будет превышена, провод и изоляция на нем будут плавиться и соответственно это приведет к разрушению самого провода. Максимальный рабочий ток для провода с определенным сечением ограничивается только максимально его рабочей температурой. И временем, которое сможет проработать провод в таких условиях.

Далее приведена таблица сечения проводов, при помощи которой в зависимости от силы тока, можно подобрать площадь сечения медных проводов. Исходные данные – площадь сечения проводника.

Максимальный ток для разной толщины медных проводов. Таблица 1.

Сечение токопроводящей жилы, мм 2

Ток, А, для проводов, проложенных

ОтветыMail.

Ru формула удельного сопротивления проводника

Учебник открой. Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток. Единица измерения удельного сопротивления в СИ — ом·метр (Ом·м) . Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 кв. м; . Величина удельного сопротивления обозначается символом р (ро) . Вывод: Удельное сопротивление проводника – это характеристика данного проводника, оно не рассчитывается и не имеет формулы для расчета. Наоборот, при помощи его рассчитывается сопротивление проводника заданных размеров.

p=RS/L Такая пойдет?

Александр, сейчас вас тут кое-кто”переучит” на другую сторону.. . Удельное сопротивление проводника измеряется в Омах, умноженных на мм. в квадрате, деленное на метр. Это не что иное как сопротивление проводника сечением 1 мм. в квадрате. и длиной 1 метр. Един. измерения Ом. поскольку сопротивление (Ом) = (удельное сопротивление (ро) х длину (м) ) и деленное на площадь сечения (S) Значит удельное сопротивление (ро) =(R х S) / L это то-же самое, что написал GP, причем написал абсолютно правильно. Я только смог дополнить пояснением . Другую формулу вам не кто не напишет, разве что только шарлатаны.. . Тут другого объяснения и расширенного толкования просто быть не может.. . Это правильный ответ.. .

Ищем сечение провода по диаметру формула

Провода в кабеле имеют в поперечном сечении форму круга. Потому при расчетах пользуемся формулой площади круга. Ее можно найти используя радиус (половину измеренного диаметра) или диаметр (смотрите формулу).

Определяем сечение провода по диаметру: формула

Например, посчитаем площадь поперечного сечения проводника (проволоки) по размеру, рассчитанному ранее: 0,68 мм. Давайте сначала используем формулу с радиусом. Сначала находим радиус: делим диаметр на два. 0,68 мм / 2 = 0,34 мм. Далее эту цифру подставляем в формулу

S = π * R 2 = 3,14 * 0,34 2 = 0,36 мм 2

Считать надо так: сначала возводим в квадрат 0,34, потом умножаем полученное значение на 3,14. Получили сечение данного провода 0,36 квадратных миллиметров. Это очень тонкий провод, который в силовых сетях не используется.

Давайте посчитаем сечение кабеля по диаметру, используя вторую часть формулы. Должно получиться точно такое же значение. Разница может быть в тысячные доли из-за разного округления.

S = π/4 * D 2 = 3.14/4 * 0,68 2 = 0,785 * 0,4624 = 0,36 мм 2

В данном случае делим число 3,14 на четыре, потом возводим диаметр в квадрат, две полученные цифры перемножаем. Получаем аналогичное значение, как и должно быть. Теперь вы знаете, как узнать сечение кабеля по диаметру. Какая из этих формул вам удобнее, ту и используйте. Разницы нет.

Порядок проведения расчётов

Для того чтобы определить сечение провода, необходимо сперва измерить его диаметр. Для этого нам понадобится штангенциркуль либо микрометр. Так как нас интересует непосредственно окружность самого проводника, то предварительно необходимо будет зачистить его от изоляции. Если при покупке вам сделать это не позволят, тогда можно приобрести минимально допустимый кусок, после чего и проводить следующие манипуляции.

Когда необходимый параметр замерен, уже несложно будет рассчитать непосредственно и само сечение. Если интересует вопрос, чем производить замер предпочтительнее, то, можно сказать, что чем выше точность замера, тем и более точным будет конечный результат.

Бывают ситуации, когда в наличии просто нет ни штангенциркуля, ни микрометра. В таком случае сделать соответствующие замеры мы вполне сможем и при помощи простой линейки. Но здесь может встать необходимость покупать тестовый кусок, так как очистить от изоляции придётся сантиметров 10-15, и маловероятно, что это разрешат сделать бесплатно.

Как только провод освобождён от изоляции, его стоит намотать на цилиндрическую часть отвёртки

Обращайте внимание, чтобы витки прилегали как можно плотнее друг к другу, не оставляя зазоров. Концы с краёв должны быть выведены в одну из сторон, чтобы получившиеся витки имели законченную форму

Что касается количества витков, то это не принципиально, хотя лучше делать их 10, так как легче будет вести расчёт.

Осталось лишь измерить и высчитать непосредственно толщину нашего провода. Для этого измеряем длину используемых витков. Далее это значение делим на количество витков – полученный результат и будет искомым диаметром. В качестве примера возьмём количество витков 10. Длина всех этих десяти витков — 6,8 мм. Следовательно, 6,8 делим на 10, получаем 0,68. Именно это значение и есть искомый результат. Имея эти данные, можно искать и непосредственно сечение.

Как определить сечение провода кабеля для ввода в дом или квартиру

Самое первое, что нам нужно сделать, это рассчитать общую потребляемую мощность своей квартиры или дома. Как же это сделать? Да очень просто. Берем листок бумаги и пишем туда весь перечень электрических приборов, которые будут питаться от нашего кабеля.

Например:

чайник
микроволновая печь
стиральная машина
электрическая плита
холодильник
компьютер
телевизор
светильники
утюг
кондиционер.

У каждого электрического прибора имеется своя установленная мощность и указывается она в паспорте или на стикере. Напротив каждого электрического прибора пишем его мощность. Единица измерения — Ватт (Вт) или килоВатт (КВт). И считаем путем сложения суммарную установленную мощность своей квартиры, дома, дачи. Заметим, что расчет будем вести для однофазной (220 В) системы электроснабжения. Предположим, что у Вас получилось 16000 Вт или 16 КВт. Полученную мощность умножаем на коэффициент одновременного использования электроприборов (0,7-0,8) — этот коэффициент показывает, что Вы можете включить одновременно 70%-80% всего вышеперечисленного электрооборудования.

Для примера возьмем 0,8. 16000 х 0,8 = 12800 (Вт) = 12,8 (кВт) .

В зависимости от вида электропроводки (в воздухе или земле), материала жил и напряжения выбираем сечение. В данном примере у нас вводной кабель в квартиру выполнен медным трехжильным кабелем марки ВВГнг и проложен открыто. Получаем сечение кабеля 10 кв.мм.

Рассмотрим второй пример. Допустим, у нас в котедже имеется трехфазный асинхронный двигатель типа мощностью 550 (Вт), обмотки которого подключены звездой на напряжение 380 (В). Нам необходимо для него выбрать и определить сечение питающего кабеля. Смотрим номинальный ток двигателя при соединении звездой, указанный на бирке. Он составляет 1,6 (А) . Питающий кабель планируем приобрести медным, прокладывать будем по воздуху. Ищем соответствующие строки по таблице и находим необходимое сечение. Получаем 1,5 кв. мм. Сечение питающего кабеля для двигателя можно найти и по его мощности.

Сечение провода рассчитывают по следующей формуле:

S = π*r2 ,

где S – сечение провода, мм2; π – число равное 3,14; r — радиус провода, мм, который равен половине диаметра.

Диаметр провода токоведущей жилы без изоляции измеряют микрометром или штангенциркулем. Сечение жилы многопроволочных проводов и кабелей определяют по сумме сечений всех проволок.

Пользуются также другой формулой: S = 0,78d², где d – диаметр провода.

Как определить сечение жилы провода (кабеля)

При проведении электромонтажных работ довольно часто возникает необходимость определения сечения жилы провода или кабеля. Для опытного электрика данная задача не вызывает особых сложностей, но человека, который в первые приступает к электромонтажным работам, данный вопрос может завести в тупик. Ниже рассмотрим способы определения сечения жил кабельно-проводниковой продукции, приведем наглядные примеры определения сечения.

Для начала отметим, для чего все-таки необходимо определять сечение кабеля или провода? Например, у вас есть в наличии кабель, но вы не знаете, какого он сечения и на нем нет соответствующих маркировок. В данном случае целесообразно определить сечение жил данного кабеля, чтобы в дальнейшем определить, подойдет данный кабель по нагрузке для той или иной линии электропроводки или нет.

К примеру, вы рассчитали, что для одной из линий проводки вам необходимо провести кабель сечением 2,5 кв. мм. В наличии есть кабель, визуально похож на кабель сечением 2,5 кв. мм, но фактически его сечение составляет 1,5 кв. мм. К чему может привести монтаж такого кабеля? Во-первых, данная линия электропроводки может повредиться по причине того, что ток нагрузки будет превышать максимально допустимый для кабеля. Согласно расчетам, номинальная нагрузка на данной линии электропроводки составляет 25 А. Для кабеля сечением 1,5 кв. мм данная нагрузка недопустима, так как она превышает номинальный ток нагрузки для данного кабеля на 10-12 А.

Бывают случаи, когда приобретенный кабель имеет сечение, которое несколько ниже заявленного. Например, вы приобрели кабель сечением 4 кв. мм, а фактически его сечение составляет 3,5 кв. мм. В таком случае нагрузочная способность кабеля также уменьшается, что также нежелательно и может в дальнейшем привести к негативным последствиям.

То есть в любом случае целесообразно определять сечение приобретенной кабельно-проводниковой продукции.

Итак, для определения площади поперечного сечения жилы необходимо знать диаметр данной жилы. Далее, используя формула для определения площади окружности: Sкр=п*r2 находим искомую величину. Для упрощения расчетов преобразуем формулу. Диаметр d в два раза больше радиуса r, исходя из этого, преобразуем формулу следующим образом: Sкр=(п*d2)/4, где п – постоянная величина, ее значение составляет 3,14. Произведем дальнейшее преобразование формулы для удобства проведения расчетов. Sкр=0,785*d2.
То есть для определения сечения жилы кабеля или провода необходимо взять диаметр этой жилы, возвести его в квадрат и умножить на 0,785.

Теперь рассмотрим, как определить диаметр жилы. Для определения диаметра используется специальный измерительный прибор – микрометр. Микрометр позволяет измерить диаметр жилы кабеля (провода) с высокой точностью.

Для определения диаметра используется специальный измерительный прибор – микрометр

Для определения диаметра используется специальный измерительный прибор – микрометр

Но, как правило, не у каждого в хозяйстве есть данный измерительный прибор. Что делать, если в доме нет штангенциркуля? Для электромонтажника, который очень часто сталкивается с необходимостью проведения замеров, приобретение штангенциркуля целесообразно. Но для человека, которому необходимо произвести замер всего один раз, в процессе монтажа домашней электропроводки, приобретать штангенциркуль нецелесообразно. Существует альтернативный способ определения диаметра жилы кабеля (провода).

Для этого понадобится карандаш и линейка. Если приложить линейку к разрезу жилы, то очевидно, что с ее помощью невозможно точно определить диаметр. Способ определения диаметра с высокой точностью следующий. Необходимо взять провод, диаметр которого необходимо узнать, и зачистить его на длину 30-40 см. Далее берется карандаш (трубка, ручка и другой подобный предмет) и наматывается на него зачищенный провод. Витки наматываемого провода должны лежать плотно друг к другу. Если между витками будут зазоры, то результат будет с большой погрешностью.

Альтернативный способ определения диаметра жилы кабеля

Альтернативный способ определения диаметра жилы кабеля

Далее считаем количество намотанных витков и замеряем их общую длину. Приведем пример. Вы намотали 21 виток провода, общая длина витков – 37 мм. Поделив общую длину витков на количество витков, получаем диаметр провода: 37/21=1,762 мм. Подставляем полученное значение диаметра в вышеприведенную формулу: Sкр=0,785*1,7622 и, округлив до сотых, получаем сечение жилы данного провода — 2,44 кв. мм. Следует отметить, что точность выполненных замеров диаметра зависит от количества наматываемых витков. Чем больше витков, тем меньше погрешность и соответственно точнее результат.

Если вы часто сталкиваетесь с необходимость определения сечения жил кабельно-проводниковой продукции, то для упрощения расчетов можно воспользоваться специальными справочными данными, в которых указываются сечения провода и соответствующие значения диаметров.

фото и видео инструкция как определить площадь сечения, зная диаметр, и наоборот, таблица


Автор Aluarius На чтение 5 мин. Просмотров 517 Опубликовано

Представьте себе, что вы нашли в своих закромах старый электрический кабель, которым хотите воспользоваться. Но перед вами стоит проблема определения его сечения. На глаз это не определить, бирки, конечно, на нем не осталось. Что делать? Есть несколько способов, в основе которых лежит диаметр жилы. То есть, диаметр провода и сечение находятся в прямой зависимости друг от друга, чему подтверждение формула круга, ведь форма сечения жилы является круг. Вот эта формула:

S=3,14d²/4=0,785d².

Поэтому и приходится в первую очередь определить диаметр жилы.

Способ №1

Для этого вам понадобится штангенциркуль. Просто необходимо зачистить жилу от изоляции и провести замер диаметра. После чего полученное значение и подставляется в формулу круга. Вот вам и площадь сечения провода.

Скажем так, что этот вариант самый простой и самый точный. Поэтому стоит в арсенале электрика держать этот измерительный инструмент.

Способ №2

Его можно использовать на тот случай, если под рукой штангенциркуля не оказалось. Процесс определения этот непростой и требует определенной точности проведения всех его этапов. Итак, здесь вам понадобится или карандаш, или ручка, или отвертка, или любая трубка из плотного материала (лучше металлическая). Вот алгоритм действий:

Как работать штангенциркулем

  • Снимается изоляция в длину сантиметров двадцать-тридцать.
  • Теперь наматываем проволоку на карандаш или другой предмет, из описанных выше. Чем больше витков будет сделано, тем точнее показатель. При этом наматывать витки надо так, чтобы они плотно прижимались друг к другу.
  • Считается количество витков.
  • Замеряется длина скрученных витков при помощи обычной линейки, то есть по карандашу от первого до последнего.
  • Теперь необходимо провести одно математическое действие – разделить длину витков на их количество. Это и будет диаметр провода.

Конечно, он не самый точный, потому что все будет зависеть от того, как была проведена навивка жилы кабеля. Здесь, как было сказано выше, основное значение имеет плотность витков. Теперь можно значение диаметра провода подставлять в формулу площади круга.

Способ №3

Этот способ касается определения сечения провода по диаметру многопроволочной жилы. По сути, все вышеперечисленные методы подходят и под этот вариант, только с одним условием. Необходимо жилу, если так можно выразиться, распушить. Выбрать одну проволочку и замерить ее диаметр штангенциркулем или воспользоваться карандашом. После чего полученную величину надо умножить на количество проволочек, подсчитать которые не составит большого труда. Это и есть диаметр жилы, который подставляется в формулу сечения.

Способ №4

Это так называемый табличный способ, то есть, для определения площади кабеля вам потребуется таблица, где указаны основные параметры изделия. Такая таблица есть и в интернете, так что проблем найти ее у вас возникнуть не должно. Можно обратиться к таблицам ПУЭ, где также расписаны параметры и показатели электрических кабелей.

Для чего необходимо знать сечение провода

Всем известно, что чем толще провод, тем больше токовые нагрузки он выдерживает, тем большей мощности к нему можно подключить бытовых приборов. Поэтому сечение кабеля – это основная характеристика, которая поможет избежать неприятных моментов, связанных с перегреванием электрической разводки, а соответственно и возникновению пожаров.

Существуют определенные нормы, в которых оговорено, какое сечение (диаметр) провода должны устанавливаться под необходимые токовые нагрузки. Эти нормативы определены правилами управления электроустановками (ПУЭ), где присутствуют таблицы. В них четко расставлены позиции, связанные с площадью, материалом, из которого изготавливаются провода, и токовой нагрузкой или мощностью потребления.

Но тут есть один очень тонкий момент, который должен знать покупатель. Есть электрические провода, которые изготавливаются по техническим условиям (ТУ), есть изготавливаемые по государственным стандартам (ГОСТам). Их отличия заключаются в том, что изделия, изготовленные по ТУ, подчас обладают меньшим диаметром жилы (процентов на десять-тридцать), а соответственно и сниженным сечением. А это является причиной снижения токовой нагрузки, которую кабель может через себя пропустить. Плюс ко всему изоляция изготавливается более тонким слоем. К чему это может привести, наверное, вы догадываетесь.

Поэтому рекомендация: если вами выбирается электрическая проводка, изготовленная по техническим условиям, то рекомендуется выбирать ее сечение на порядок выше. К примеру, вам по расчетам требуется кабель 1,5 мм², то лучше выбирать 2,5 мм². В реальности же данный показатель окажется площадью 1,8-2,0 мм².

Как узнать, по каким стандартам изготавливался провод?

  • Во-первых, это обязательно указывается в сертификате качества изделия.
  • Во-вторых, можно проверить изоляцию. Если она мягкая и быстро снимается с жилы, то это однозначно материал, изготовленный по ТУ.
  • В-третьих, замерьте штангенциркулем диаметр провода. А затем, используя формулу круга, подсчитайте площадь жилы. В принципе, это можно сделать на калькуляторе сотового телефона, то есть, прямо в магазине. Если расчетное значение соответствует номинальному, то это гостовский материал. Если значение оказалось ниже, то это провод, изготовленный по техническим условиям.

Заключение по теме

Как видите, существует несколько способов, как можно узнать и определить сечение провода по диаметру жилы. Самый простой – это номер один. Но в этом случае вам понадобится штангенциркуль. Если под рукой есть интернет, то можно воспользоваться мировой паутиной. То есть, каждый выбирает то, что ему удобно в определенный момент времени.

Перевести мм2 в мм онлайн калькулятор (сечение в диаметр)

Как узнать сечение кабеля по внешнему виду

Определить сечение кабеля можно и без расчетов. Кабель в заводском исполнении обязательно маркируется: на его внешней оболочке штампуется с определенным шагом завод-изготовитель, вид кабеля, количество жил и площадь поперечного сечения токопроводящей жилы.

Например, если на кабеле имеется обозначение ВВГ-нг-LS 3х2,5, то это означает, что кабель имеет внешнюю оболочку и изоляцию жил из негорючего ПВХ с отсутствием при горении выделения опасных газов, также такой кабель имеет 3 токопроводящих жилы с площадью поперечного сечения каждого проводника 2,5 мм2.

Маркировка не всегда указывает правдивое значение площади жилы, так как соблюдение данного параметра остается на совести производителей. Это связано с тем, что большинство изготовителей не придерживается ГОСТ при производстве, а руководствуется собственными ТУ при производстве кабельной продукции, что приводит к вольной интерпретации методик расчета поперечного сечения и не регулируется должным образом. Поэтому лучше всего перед использованием кабеля по назначению проверить соответствие его поперечного сечения заявленному в маркировке.

Сечение сегментного кабеля

При работе с проводниками необходимо понимать их обозначение. Существуют провода и кабеля, которые отличаются друг от друга внутренним устройством и техническими характеристиками. Однако многие люди часто путают эти понятия.

Проводом является проводник, имеющий в своей конструкции одну проволоку или группу проволок, сплетенных между собой, и тонкий общий изоляционный слой. Кабелем же называется жила или группа жил, имеющих как собственную изоляцию, так и общий изоляционный слой (оболочку).

Каждому из типов проводников будут соответствовать свои методы определения сечений, которые почти схожи.

Количество энергии, какую передает проводник, зависит от ряда факторов, главный из которых – это материал токопроводящих жил. Материалом жилок проводов и кабелей могут выступать следующие цветные металлы:

  1. Алюминий. Дешевые и легкие проводники, что является их преимуществом. Им присуще такие отрицательные качества, как низкая электропроводность, склонность к механическим повреждением, высокое переходное электросопротивление окисленных поверхностей;
  2. Медь. Наиболее популярные проводники, имеющие, по сравнению с другими вариантами, высокую стоимость. Однако им присуще малое электрическое и переходное на контактах сопротивление, достаточно высокая эластичность и прочность, легкость в спайке и сварке;
  3. Алюмомедь. Кабельные изделия с жилами из алюминия, которые покрыты медью. Им свойственна чуть меньшая электропроводность, чем у медных аналогов. Также им присуще легкость, среднее сопротивление при относительной дешевизне.

Различные вида кабелей по материалу изготовления жил

Важно! Некоторые способы определения сечения кабелей и проводов будут зависеть именно от материала их жильной составляющей, который напрямую влияет на пропускную мощность и силу тока (метод определения сечения жил по мощности и току)

Алюминиевый кабель с секторными жилами

В таких случаях необходимо прибегнуть к таблице, где размер (высота, ширина) кабеля принимает соответствующее значение площади сечения. Изначально необходимо линейкой измерить высоту и ширину требуемого сегмента, после чего требуемый параметр может быть рассчитан соотнесением полученных данных.

Таблица расчета площади сектора жилы электрокабеля

Тип кабеля Площадь сечения сегмента, мм2
S 35 50 70 95 120 150 185 240
Четырехжильный сегментный в 7 8,2 9,6 10,8 12 13,2
ш 10 12 14,1 16 18 18
Трехжильный сегментный многопроволочный, 6(10) в 6 7 9 10 11 12 13,2 15,2
ш 10 12 14 16 18 20 22 25
Трехжильный сегментный однопроволочный, 6(10) в 5,5 6,4 7,6 9 10,1 11,3 12,5 14,4
ш 9,2 10,5 12,5 15 16,6 18,4 20,7 23,8

Как определить соответствие параметров?

Как правило, избежать подобных казусов во время покупки позволяет предельная внимательность с вашей стороны:

  • На нормальном проводе обязательно присутствует его маркировка, которая предоставляет покупателю всю информацию о модели, особенностях эксплуатации, параметрах. В случае столкновения с сомнительной продукцией, можно обнаружить, что данные об изделии представлены не в полном объеме или вовсе отсутствуют.
  • Если проводник действительно хорош, на него обязательно должны предоставить сертификаты качества. Техническая документация свидетельствует о том, что такой он не только изготовлен в соответствии с  НД, но и прошел соответствующие испытания.
  • Хороший провод не может стоить копейки – так как цена материалов достаточно высока, дешевизна должна заставить задуматься о том, не кроется ли в этом какой-то подвох. При желании вы можете прийти в магазин с микрометром или штангенциркулем и выполнить проверку, чтобы развеять сомнения.

Определение сечения по диаметру

После определения диаметра провода можно приступить к вычислению площади сечения в квадратах (мм2). Для кабелей типа ВВГ, состоящих из трех одножильных проводников, применяются методы вычисления по формуле или по готовой таблице соответствия диаметров и площадей. Методики применимы и для продукции с другой маркировкой.

По формуле

Основным способом является вычисление по формуле вида — S=(п/4)*D2, где π=3,14, а D — измеренный диаметр. Например, чтобы рассчитать площадь при диаметре 1 мм, потребуется вычислить значение: S=(3.14/4)*1²=0,785 мм2.

В сети доступны онлайн-калькуляторы, которые позволяют производить расчет площадей окружности по диаметру. Перед покупкой кабеля рекомендуется заранее просчитать значения, свести в таблицу и пользоваться ей в магазине.

В видеоролике от пользователя Александр Кваша демонстрируется проверка сечения жил провода.

По таблице с часто встречаемыми диаметрами

Для упрощения расчета удобно воспользоваться готовой таблицей.

Порядок пользования числами из таблицы:

  1. Выбрать тип провода, который предполагается приобретать, например, ВВГ 3*4.
  2. Определить диаметр по таблице — сечению 4 мм2 соответствует диаметр 2,26 мм.
  3. Проверить реальное значение диаметра провода. В случае совпадения продукцию можно приобретать.

Ниже приведена таблица соотношения сечений основных типов медной проводки к диаметрам и току (при напряжении 220 В).

Диаметр жилы провода, мм Сечение жилы, мм2 Допустимый ток, А
1,12 1 14
1,38 1,5 15
1,59 2,0 19
1,78 2,5 21
2,26 4,0 27
2,76 6,0 34
3,57 10,0 50
4,51 16,0 80
5,64 25,0 100
6,68 35,0 135

Дополнительным критерием соответствия сечения диаметру является вес провода. Способ определения диаметра по весу применяется при проверке тонкой проволоки для намотки трансформаторов. Толщина продукции начинается от 0,1 мм, и ее проблематично измерить при помощи микрометра.

Краткая таблица соответствия диаметров жилки по весу приведена ниже. Развернутые данные имеются в магазинах, специализирующихся на продаже электронных компонентов.

Диаметр, мм Сечение, мм2 Вес, гр/км
0,1 0,0079 70
0,15 0,0177 158
0,2 0,0314 281
0,25 0,0491 438
0,3 0,0707 631
0,35 0,0962 859
0,4 0,1257 1,122

При расчете диаметра провода для предохранителей следует учитывать материал проводника. Краткая таблица соответствия диаметров кабеля из распространенных типов материала и силы тока приведена ниже.

Ток разрыва, А Медь Алюминий Никелин Железо Олово Свинец
0,5 0,03 0,04 0,05 0,06 0,11 0,13
1 0,05 0,07 0,08 0,12 0,18 0,21
5 0,16 0,19 0,25 0,35 0,53 0,60
10 0,25 0,31 0,39 0,55 0,85 0,95
15 0,32 0,40 0,52 0,72 1,12 1,25
25 0,46 0,56 0,73 1,00 1,56 1,75
50 0,73 0,89 1,15 1,60 2,45 2,78
100 1,15 1,42 1,82 2,55 3,90 4,40
200 1,84 2,25 2,89 4,05 6,20 7,00
300 2,40 2,95 3,78 5,30 8,20 9,20

Для многожильного кабеля

Диаметр многожильного кабеля определяется размером сечения одного проводника, умноженным на их количество. Основной проблемой является измерение диаметра тонкого провода.

Примером является кабель, состоящий из 25 жил с диаметром 0,2 мм. По приведенной выше формуле сечение равно: S=(3.14/4)*0.2²=0,0314 мм2. При 25 жилах оно составит: S­=0,0314*25=0.8 мм2. Затем по таблицам соответствия определяют — пригоден он для передачи тока требуемой силы или нет.

Еще одним способом приблизительного расчета силы тока является методика умножения диаметра многожильного кабеля на корректировочный показатель 0,91. Коэффициент предусматривает немонолитную структуру провода и воздушные зазоры между витками. Замер наружного диаметра ведется с небольшим усилием, поскольку поверхность легко деформируется и сечение становится овальным.

При расчете сегментной части кабеля применяются формулы или табличные значения. В таблице приведены стандартные величины ширины и высоты сегмента.

Площадь сечения, мм2 35 50 70 95 120 160 185 240
Высота/ширина для трехжильного монолитного кабеля, мм 5,5/9,2 6,4/10,5 7,6/12,5 9/15 10,1/16,6 11,3/18,4 12,5/20,7 14,4/23,8
Высота/ширина для трехжильного кабеля из тонких жил, мм 6/10 7/12 9/14 10/16 11/18 12/20 13,2/22 15,2/25
Высота/ширина для четырехжильного монолитного кабеля, мм нет 7/10 8,2/12 9,6/14,1 10,8/16 12/18 13,2/18 нет

Расчет сечения

Если перед вами лежит кабель, сечение которого вы не знаете (нет маркировки), то этот показатель можно самостоятельно рассчитать, используя формулу площади круга:

S=πd²/4=0,8d².

То есть, замеряете своими руками при помощи штангенциркуля диаметр жилы и вставляете данный показатель в формулу. Если маркировка на проводе осталась, к примеру, ВВГ 3х1,5, то это значит, что перед вами трехжильный провод с сечением 1,5 мм².

Но необходимо учитывать и тот факт, что провода бывают разные в плане материала, из которого они изготавливаются. В основе всех электрических кабелей лежит или медь, или алюминий. Так вот медные кабели выдерживают большую токовую нагрузку, чем алюминиевые. К тому же они практически не окисляются, поэтому, когда перед вами стоит выбор, то предпочтение лучше всего отдать медному варианту.

Есть еще один момент, который необходимо учитывать. Этот способ проводки схемы электроснабжения. То есть, электрический кабель уложен в штробы и заштукатурен, или проводка была проведена в гофрированном шланге, или была сделана открытая электропроводка. В чем разница?

Все дело в том, что внутренняя проводка (скрытая) создает условия, при которых провод оказывается в замкнутом пространстве. То есть, нагреваясь, он не отдает тепло воздуху, который его окружает. А, значит, перегревается быстрее и больше. А это, в свою очередь, снижает ресурс эксплуатации и создает условия быстрого выхода из строя. То есть, в такой проводке необходимо использовать провода сечением чуть больше, чем по номиналу.

Плотность тока

Постепенно, разбираясь в электрических проводах, а точнее, в выборе сечения кабеля, мы подошли к еще одному не менее важному показателю – плотности тока. Что это такое? По сути, это все та же сила тока, измеряемая в амперах, которая проходит через стандартную величину сечения электрического провода, равную одному миллиметру в квадрате

Скажем так, что это относительная величина, поэтому ее можно использовать в формуле, определяющей диаметр провода:

d=1,1*√I/Ip, где Ip – плотность тока.

Теперь можно вычислить сечение провода, подставляя значение «d» в формулу площади. В конечном итоге получаем, что S=I/Ip.

Но где тогда взять показания «Ip»? Это стандартные величины, зависящте опять-таки от материала, из которого изготавливаются провода, и вида проводки. Нижняя таблица показывает данную зависимость.

Площадь круга

Материал Медь Алюминий
Скрытая проводка 6 А/мм² 4
Открытая проводка 10 6

Как мы и говорили выше, медь в данном случае предпочтительнее.

Давайте рассмотрим один простой пример расчета. Вводные данные:

  • Провод медный.
  • Открытая проводка.
  • Нагрузка на кабель 2,2 кВт.

Сначала находим силу тока в электрической цепи: I=P/U=2200 Вт:220 В= 10 А.

Теперь находим сечение самого провода: S=I/Ip=10:10=1 мм², где второе число «10» выбираем из вышеупомянутой таблицы. Таким образом, можно самостоятельно рассчитать все сечения кабелей на каждом участке электрической сети дома. Главное – правильно рассчитать потребляемую мощность на каждом шлейфе. А это, как вы знаете, суммарная мощность все бытовых приборов и лампочек освещения. К примеру, если рассчитывается участок кухни, то придется сложить мощность всех аппаратов, а это холодильник, микроволновка, кофеварка, электрический чайник, вытяжка, блендер и так далее, плюс освещение. Данный показатель указывается на бирках приборов и стеклянном корпусе ламп.

В принципе, для себя можно такую таблицу сечения проводов собрать самостоятельно, учитывая все раскладки, о которых написано выше. То есть, если знать потребляемую мощность на всех электрических контурах, то можно по участкам разбить кабели в зависимости от их сечения.

Мощность некоторых бытовых электроприборов

  • Во-первых, это упростит проведение монтажа. То есть, вы никогда не запутаетесь, где какой кабель должен быть проложен.
  • Во-вторых, можно будет подсчитать расходы, связанные с покупкой проводки, и тем самым определить бюджет ремонта.
  • В-третьих, таблица поможет в будущем. Если потребляемая мощность не изменится с годами, то вам не надо будет опять проводить все расчеты. Достаточно достать таблицу и вспомнить, какого сечения кабель, где был уложен.

Разные способы: как определить сечение провода

Проводник часто обозначают 2 разными словами – провод и кабель. Такое смешение очень неудобно. В обиходе эти понятия часто смешивают, хотя в работе данных устройств наблюдаются некоторые существенные различия. Чтобы правильно определить и верно узнать площадь сечения, необходимо разобраться в различиях этих проводников и уяснить более-менее точное определение.

Проводник состоит из группы жил, которые заключены в отдельную изоляцию или в общую. Жилы бывают разными, обычно сплетёнными или сплошными, в зависимости от модели провода. Измеряется их диаметр, как обычной линейкой, так и специальным прибором – штангенциркулем. Как правило, проводники делаются из различных цветных металлов.

Обычно материалы следующие:

  • Медь;
  • Алюминий;
  • Алюмомедь – (это специально разработанный учёными сплав алюминия и меди).

Все эти материалы отличает относительно низкая цена, малое электрическое сопротивление, достаточно высокая электропроводность, удобство при сварке и монтаже

Ещё одной важной характеристикой является максимально маленький вес металлической проволоки. Способы нахождения площади сечения у вышеуказанных проводников практически одинаковы, и замерить ее совсем несложно

Как определить

Существует несколько способов определения этого значения электропровода. Есть формулы, по которым можно рассчитать параметр или таблицы, в которых присутствуют все значения распространенных стандартных проводников. Зная какой-то один параметр, к примеру – диаметр жилы, ее токопроводящую способность – можно узнать и сечение. Другие способы определения такие:

  • по формуле через диаметр – S=π*R², где R – это ½ диаметра (d), а π=3,14;
  • измерительным прибором – микрометром;
  • с помощью штангенциркуля;
  • при использовании карандаша или ручки;
  • линейкой на основании диаметра.

Микрометр, а также штангенциркуль помогает определить самый точный диаметр, а после на его основании рассчитать сечение по формуле: S= d*d*d/4, результат будет в мм². При помощи инструментов измеряют токопроводящие элементы круглого сечения, но они достаточно дорогие и поэтом покупать их для одного раза нецелесообразно.

Для определения с помощью ручки или карандаша (подходит маркер, фломастер, другое) сперва срезают изоляцию. Потом жилу плотно наматывают на пишущую принадлежность по всей длине. После измеряют длину намотки линейкой и делят ее на число витков, чтобы узнать диаметр. Чем больше будет сделано витков – тем точнее расчет. Когда диаметр стал известен, высчитывают сечение по специальной формуле.

Можно вычислить этот параметр и при помощи только линейки, но жила обязана быть достаточно толстой. Диаметр определяют ниткой или тонкой бумагой – для большей точности. От листа отрывают полоску и загибают с одной из сторон. После бумагу оборачивают вокруг жилы, до касания полоски. В месте из соединения загибают повторно и прикладывают к линейке для замера. С ниткой действуют аналогично. Рассчитывают диаметр по формуле: d=l/2π, где l – это длина бумаги или нитки. Потом используют стандартный расчет – S=π*R², чтобы определить R, d (диаметр) делят на 2.

Условия работы с таблицей сечений кабеля по диаметру

Таблицы сечения кабеля по некоторым характеристикам разнятся с данными провода, однако основные признаки и понятия всё-таки те же самые – диаметр и площадь. Расчет и его принцип особенно не отличаются. Кроме того, в таблице сечения кабели неизменно присутствуют следующие характеристики, например, такие как мощность, сила тока, сопротивления конкретного материала (меди или алюминия).

Следует также помнить, что с течением времени, нагрузка способна значительно увеличится по различным независящим (в том числе) от собственника квартиры причинам. Чтобы не создать пожароопасную ситуацию в собственной квартире, желательно выбирать провода совместно с квалифицированным специалистом-монтажников, да и устанавливать эти провода/кабели и соединения вместе с ними.

Разумеется, что данные, предоставленные в этой таблице, адекватны действительности только в том случае, если выполняются некоторые условия:

  1. Температура воздуха немного меньше или равна, например, +30 ᵒС (понятно, что температура разная для каждой таблицы, обычно дополнительные условия прописаны).
  2. Напряжение в сети равно 220 В.
  3. Провод трёхжильный, при этом изоляция общая.
  4. Отдельное заземление.
  5. Прокладка в закрытом пространстве – в воздухе или коробе.

Существуют также другие условия, которыми желательно не пренебрегать, во избежание опасных и сложных ситуаций, связанных с выходом из строя техники или угрозой для безопасности (жизни и здоровья) людей.

Определяем размер сечения кабеля

Кабели могут быть как одножильными, так и многожильными. Во втором случае лучше всего определиться с диаметром каждой отдельной жилы. Также и жила может быть однопроволочной или же состоять из множества проволок. Вне зависимости от вида кабеля можно определить его сечение по диаметру.

Однако не стоит забывать о том, что «на заборе тоже написано» и лучше всего при выборе провода самостоятельно провести все необходимые измерения. Благо их проведение не так уж и сложно. Определение действительного диаметра провода возможно при использовании доступных инструментов. К таким инструментам относят микрометр и штангенциркуль.

Измерение микрометром

Самым точным методом измерения диаметра является измерение с помощью микрометра. Для подобного измерения необходимо взять проводник и подвести к нему измеряющий винт до появления характерного звука трещетки. Значение точного диаметра складывается из двух значений: на стержне микрометра и на барабане.

Измерение штангенциркулем

Также можно измерить диаметр кабеля с помощью такого распространенного инструмента, как штангенциркуль. Для этого необходимо зажать измеряемый провод между губками измерителя и считать точное значение со специальной шкалы.

Измерение линейкой

Наименее точным типом измерения является замер простой линейкой. Однако в этом случае точности можно добиться при замере большого количества витков. Порядок замера линейкой:

  1. На некий стержень наматывается проводник на определенное расстояние.
  2. Линейкой измеряется длина обмотанного участка стержня.
  3. Полученное значение делится на количество витков.

Этот способ все же имеет определенную точность в силу сокращения погрешности.

Далее можно определить сечение кабеля по диаметру. Это можно сделать по формуле:

S = π*D2/4

где D – измеренный диаметр провода.

По теме:

НАЗАД ВПЕРЕД 1 из 2

Навык самостоятельного расчета сечения проводника поможет избежать всевозможных проблем в будущем, а также обмана со стороны поставщика продукции.

Таблицы и нормы

Еще одним очень распространенным методом определить сечение провода по диаметру представляется использование стандартизированных таблиц, в которых перечислены все самые распространенные и широко используемые сечения кабелей.

Порядок подбора сечения провода по таблице:

  1. Сначала необходимо определиться с типом кабеля.
  2. Далее находим в таблице нужный нам диаметр.
  3. Определяем соответствующее сечение.
  4. В случае необходимости, самостоятельно проверяем показатели по методикам, описанным выше, и принимаем решение о приобретении.

Таблица сечения проводов по диаметру.

Диаметр жилы провода, мм Сечение жилы, мм2
1,12 1
1,38 1,5
1,59 2,0
1,78 2,5
2,26 4,0
2,76 6,0
3,57 10,0
4,51 16,0
5,64 25,0
6,68 35,0

Таблица, связывающая сечение провода и диаметр показывает, что описанная выше формула весьма справедлива.  Значения сечений, приведенные в предложенной таблице, вычислены именно по ней с определенными допускающимися округлениями.

Итак, вот уже известно, как самостоятельно узнать сечение провода. Осталось только с пользой использовать полученные знания.

При покупке кабеля можно попросить продавца зачистить небольшой участок провода, дабы провести все необходимые манипуляции по измерению изделия. Однако практика показывает, что не многие продавцы идут на подобный шаг. Тогда единственным выходом является покупка вначале небольшого участка кабеля, необходимого для замеров. А вот уже после того, как все сомнения отпадут можно приобретать столько провода, сколько нужно.  Все же не самым радостным фактом является то, что по-настоящему внимательные покупатели зачастую выбирают кабель большего сечения. Ведь на поверку они оказываются несколько меньше формальных размеров.

Формула: как определить сечение кабеля

Понятие площадь сечения, или, в простонародье, толщина кабеля – вещь интересная. Определяется она прибором под названием штангенциркуль. Сначала этим прибором необходимо вычислить диаметр проводника (естественно, предварительно очищенного от изоляции).

Затем следует найти площадь кабеля по формуле S = π (D/2)2, в данной формуле:

  1. S – это площадь сечения многожильного или одножильного проводника, которая выражается в мм2.
  2. π = 3,14 (банальное широко известное число Пи).
  3. D – это диаметр проводящей электрический ток жилы кабеля, выражается в мм.

Перевод в другие единицы измерения или в систему СИ необязателен. Также можно записать эту формулу в сокращённом виде: S = 0,8 D² (площадь равна произведению 0,8 и квадрата диаметра). В таком случае 0,8 D² – это округлённый коэффициент. На самом деле посчитать площадь сечения и соотношение разных параметров проводника совсем несложно.

Кстати, очень удобно мерить площадь сечения микрометром или использовать калькулятор.

Конечно, он не выдаст точно число, вроде 16мм2, но расчёты облегчит значительно. Видео об этом смотреть достаточно скучно, но может оказаться вполне полезно, особенно если решились делать ремонт дома самостоятельно (это не очень хорошая идея, но ваша квартира – ваши правила).

Как рассчитать сечение медного провода и определить нагрузку на кабель

Макс. мощность, кВт

Макс. ток нагрузки, А

Сечение провода, мм2

Ток автомата, А

4.5

4-6

9.1

1.5

13.6

2.5

18.2

2.5

22.7

27.3

31.8

36.4

40.9

45.5

50.0

54.5

59.1

63.6

68.2

72.7

77.3

В этой таблице данные приведены для следующего случая.

— Одна фаза, напряжение 220 В

— Температура окружающей среды 30 С

— Прокладка в воздухе или коробе (в закрытом пространстве)

— Провод трехжильный, в общей изоляции (кабель)

— Используется наиболее распространенная система TN-S с отдельным проводом заземления

— Достижение потребителем максимальной мощности — крайний, но возможный случай. При этом максимальный ток может действовать длительное время без отрицательных последствий.

В том случае, если температура окружающей среды будет больше хотя бы на 20 C, или в жгуте будет находиться несколько кабелей, то рекомендуется выбрать большее сечение.

Еще важно знать какой провод вы покупаете. Некоторые производители занижают сечение жил в кабеле, чтобы сэкономить средства и время

Существует ряд компаний делающих такие провода(перечислять их я не буду).

Но есть и такие, которые делают качественные, но дорогие провода

На это стоит обратить максимальное внимание

В процессе определения сечения провода по диаметру необходимо обратить внимание на металл жилы. Характеризуется ярким, насыщенным цветом медная, или же алюминиевая жила

Если цвет вызывает сомнения, тогда можно сделать вывод о низком качестве. Вероятнее всего, производитель просто сэкономил на металле, используя для изготовления сплав металла.

Сплав является опасным для монтажных работ, ведь номинальная нагрузка, токопроводимость меньше сравнительно с оригинальным продуктом.

  1. Для точного определения сечений проводов смотрят на жилы. При нормальной толщине изделий возможна такая ситуация, как уменьшение размера жилы компенсируется повышением слоя изоляции.
  2. Специалисты советуют приобрести провод большего сечения. Стоит учитывать, что запас мощности не сможет повредить качеству и работоспособности электропроводки.
  3. Расчет изменяется, если речь идет о кабеле, так как состоит из нескольких проводов. Для получения максимально точных показателей нужно определить диаметр каждого провода, затем суммировать полученные значения.

Есть разные способы определения сечения провода по диаметру. Опытные электрики способны определить это значение в считанные минуты. Новичкам советуют подобрать ту методику, которая ближе и понятнее именно вам.

Рекомендации по устройству

Устройство проводки, кроме всего прочего, требует навыков проектирования, что есть не у каждого, кто хочет ее сделать. Недостаточно иметь только хорошие навыки в электромонтаже. Некоторые путают проектирование с оформлением документации по каким-то правилам. Это совершенно разные вещи. Хороший проект может быть изложен на листках из тетрадки.

Прежде всего, нарисуйте план ваших помещений и отметьте будущие розетки и светильники. Узнайте мощности всех ваших потребителей: утюгов, ламп, нагревательных приборов и т. п. Затем впишите мощности нагрузок, наиболее часто потребляемых в разных помещениях. Это позволит вам выбрать наиболее оптимальные варианты выбора кабелей.

Вы удивитесь, сколько тут возможностей и какой резерв для экономии денег. Выбрав провода, подсчитайте длину каждой линии, которую вы ведете. Сложите все вместе, и тогда вы приобретете ровно то, что нужно, и столько, сколько нужно.

Каждая линия должна быть защищена своим автоматом (автоматическим выключателем), рассчитанным на ток, соответствующий допустимой мощности линии (сумма мощностей потребителей). Подпишите автоматы, расположенные в щитке, например: «кухня», «гостиная» и т. д.

Целесообразно иметь отдельную линию на все освещение, тогда вы сможете спокойно чинить розетку в вечернее время, не пользуясь спичками. Именно розетки чаще всего и бывают перегруженными. Обеспечивайте розетки достаточной мощностью – вы не знаете заранее, что вам придется туда включать.

В сырых помещениях используйте кабели только с двойной изоляцией! Используйте современные розетки («евро») и кабели с заземляющими проводниками и правильно подключайте заземление. Одножильные провода, особенно медные, изгибайте плавно, оставляя радиус в несколько сантиметров. Это предотвратит их излом. В кабельных лотках и каналах провода должны лежать прямо, но свободно, ни в коем случае нельзя натягивать их, как струну.

В розетках и выключателях должен быть запас в несколько лишних сантиметров. При прокладке нужно убедиться, что нигде нет острых углов, которые могут надрезать изоляцию. Затягивать клеммы при подключении необходимо плотно, а для многожильных проводов эту процедуру следует сделать повторно, у них есть особенность усадки жил, в результате чего соединение может ослабнуть.

Медные провода и алюминиевые «не дружат» между собой по электрохимическим причинам, непосредственно соединять их нельзя. Для этого можно использовать специальные клеммники или оцинкованные шайбы. Места соединений всегда должны быть сухими.

Фазные проводники должны быть белого (или коричневого) цвета, а нейтрали – всегда синего . Заземление имеет желто-зеленый цвет. Это общепринятые правила расцветки и продажные кабели, как правило, имеют внутреннюю изоляцию именно таких цветов. Соблюдение расцветки повышает безопасность эксплуатации и ремонта.

Предлагаем вашему вниманию интересное и познавательное видео, как правильно рассчитать сечение кабеля по мощности и длине:

Выбор проводов по сечению является главным элементом проекта электроснабжения любого масштаба, от комнаты, до больших сетей. От этого будет зависеть ток, который можно отбирать в нагрузку и мощность. Правильный выбор проводов также обеспечивает электро- и пожарную безопасность, и обеспечивает экономичный бюджет вашего проекта.

Нередко перед приобретением кабельной продукции возникает необходимость самостоятельного замера ее сечения во избежание обмана со стороны производителей, которые из-за экономии и установления конкурентной цены могут незначительно занижать этот параметр.

Разнообразие кабельной продукции и проводов

Также знать, как производится определение сечения кабеля, необходимо, например, при добавлении новой энергопотребляющей точки в помещениях со старой электропроводкой, на которой отсутствует какая-либо техническая информация. Соответственно, вопрос о том, как узнать сечение проводников, остается актуальным всегда.

Таблица сечений провода и диаметров

Иногда, вместо того, чтобы ковыряться в проводах с линейкой, намного легче воспользоваться готовыми таблицами. Одна из них будет с некоторым сокращением приведена ниже. В такой таблице в левой колонке будет указан конкретный диаметр проволочных жил, а в правой – сечение проводника в квадратных миллиметрах.

Определение сечения:

  • 0,8 мм2 – 0,5;
  • 1 мм2 – 0,75;
  • 1,1 мм2 – 1;
  • 2,28 мм2 – 6;
  • 3,2 мм2 – 8;
  • 4 мм2 – 8,3.

Данная выше таблица далеко не полна. Всего в ней существует около 10-12 строчек, и каждое её значение вполне может встретиться в магазине. Наиболее точную информацию по каждому конкретно виду проводов и кабелей по первому требованию предоставит продавец-консультант в магазине бытовой техники или электрических товаров.

Также могу пригодиться следующие характеристики. Например, в таблице может быть также указано, открыто ли проложен провод, сколько конкретно проводов в одном соединении и какие они точно, например, 2, 3, 4 одножильных или 1 двухжильный, 1 трёхжильный.

Данные моменты также очень важны, именно поэтому, собираясь устанавливать провод, и считать площадь его сечения, подобные детали стоит всё-таки уточнить и померить ради спокойствия и комфорта. Ошибка грозит выходом из стоя всей электроники (телевизоров, стационарных компьютеров, холодильников, электричества и даже стиральных машин), а также пожароопасной ситуацией в собственном доме. Именно поэтому, рачительному хозяину, выбирая какие-либо провода или кабели доя дома, необходимо быть предельно внимательным, требовательным и аккуратным покупателем.

Сечение по ГОСТу или ТУ

Большой ассортимент электротехнических товаров способствует быстрому решению задач, которые связаны с электромонтажными работами. Качество этой продукции играет очень важную роль и все товары должны соответствовать требованиям ГОСТ.

Часто производители, желая сэкономить, находят лазейки чтобы отступать от требований ГОСТов и сами разрабатывают технические условия производства (ТУ) с учетом разрешенных погрешностей.

Как итог – рынок перенасыщен некачественным и дешевым товаром, который требуется перепроверять перед покупкой.

Если имеющиеся в торговых точках кабели подходящей стоимости не соответствуют заявленным характеристикам, единственное что можно сделать – приобрести провод с запасом по поперечному сечению. Резерв мощности никогда отрицательно не скажется качестве электропроводки

Также будет нелишним обратить внимание на продукцию от производителей, дорожащих своим именем – хоть она и стоит дороже, но это гарантия качества, а замена проводки делается не так часто, чтобы на ней экономить

Сечение провода — 110 фото правильного выбора в зависимости от необходимой мощности

Качество и длительность функционирования электрической проводки в жилище напрямую зависит от оптимального подбора кабеля. Поэтому ещё на стадии покупки кабеля нужно обращать внимание на такие аспекты, как сечение провода по току и мощности, а также его диаметр.

Краткое содержимое статьи:

Подбор размеров сечения с учётом нагрузки и тока

Самым простым вариантом подбора провода соответствующего размера считается расчет сечения под нагрузку, то есть изначально высчитывается общая мощность всех электрических приборов, которые подключены к электрической линии.

Для того чтобы осуществить расчёт нужно выполнить следующие действия:

Изначально следует проанализировать, какое электрическое оборудование может одновременно использоваться в помещении. К примеру, один член семьи купается, вследствие чего функционирует бойлер, параллельно с этим он заправил стиральную машину грязными вещами, другой член семьи готовит кофе с помощью кофейной машины, третий – сушит волосы феном и т.д. Может быть, большое количество разных вариантов.

После этого нужно взять все технические паспорта выделенных электрических приборов и прибавить их мощность. В случае отсутствия технических паспортов, можно найти в интернете ряд таблиц, где указана примерная мощность каждого электрического агрегата, для подсчёта сечения проводов.

Если итоговая сумма получилась 9,5 кВт, но это значение отсутствует в таблицах ПУЭ, тогда значение округляется в большую сторону. В нашем случае это 10,1 кВТ и кабель с сечением равным шести квадратным миллиметрам. Таким же образом определяется и сечение кабеля с учётом значения тока.

Расчёт размеров сечения кабеля с помощью специального оборудования

Людям, которые не имеют понятия, как определить сечение провода, на помощь приходят специальные инженерные приборы. В число таких приборов включены микрометр и штангенциркуль.


Этот способ расчёта причислен к наиболее точным, и единственный его недостаток заключается в довольно высокой стоимости. То есть, если человеку нужно один раз произвести вычисление размеров сечения кабеля, то использование такого оборудования является нецелесообразным. Поэтому такие инструменты, в большинстве случаев, приобретают люди, которые ежедневно занимаются установкой электрических проводок.

После того как будет использован инструмент, нужно продолжить расчёты. Для этого, число «Пи», то есть, 3,14 делится на 4. Полученное число должно быть равно 0,785 умноженному на диаметр в квадрате.

Использование линейки

Людям, которые сталкиваются с необходимостью произвести расчёт сечения кабеля очень редко подойдет менее затратный способ, а именно: использование линейки. С её помощью можно осуществить расчёт сечения кабеля по его диаметру. Кроме линейки, следует подготовить проволоку средней длины и простой карандаш.

Если ознакомившись с перечнем нужных вещей, вы так и не поняли, как рассчитать сечение, тогда нужно следовать такой инструкции:

  • производится зачистка жилы от изоляции;
  • жила плотно накручивается на карандаш;
  • с помощью линейки производиться измерение суммарной длины намотки.

Особенность этого метода измерения заключается в том, что следует осуществить измерение суммарной длины намотанного проводника и полученное значение поделить на число равное количеству жил. Полученное значение – это диаметр, который нужно определить.


Несмотря на кажущуюся простоту, этот метод расчётов обладает определёнными нюансами, на которые стоит обратить внимание:

  • чем большее количество жил получиться намотать на карандаш, тем точнее будет итоговый результат, минимально допустимое количество жил – 15, если их будет меньше, то итоговый результат будет иметь слишком большое отклонение;
  • витки следует прижимать друг к другу как можно плотнее, присутствие большого расстояния между витками, провоцирует увеличение погрешности в итоговом результате;
  • процесс измерения следует провести несколько раз, это поспособствует уменьшению погрешности.

Стоит также обратить внимание на фото представленного метода расчёта сечения провода. Как можно заметить, на карандаш можно намотать только тонкие проводники, толстый кабель накрутить будет очень сложно.

Соединение проводов с разным сечением

Мало кому везёт настолько, что во время монтажа в доме электрической проводки, им приходиться соединять кабеля с одинаковым сечением. В большинстве случаев задача сложнее, поскольку осуществляется соединение проводов разного сечения.

Выполнить это действие можно с помощью нескольких методов:

Используя скрутку в комбинировании с пайкой или сваркой. Это наиболее популярный метод. Разрешено осуществлять скрутку кабелей, соседствующих сечений, к примеру, 2,5 и 4 мм2. Если же диаметр кабелей сильно разнится, то качественной скрутки уже не добиться.

Во время скрутки нужно тщательно контролировать то, чтобы жилы обвивали друг друга. Тонкий провод ни в коем случае, не должен накручиваться на толстый, поскольку это может спровоцировать ухудшение электрического контакта.

Только после того, как все эти моменты будут проконтролированы можно, переходить к пайке или сварке. Если упустить хоть один из этих моментов, не исключено, что в доме будут возникать частые замыкания.

Используя винтовые зажимы. С помощью таких зажимов имеется возможность с одной стороны завести кабель одного сечения, а с другой стороны кабель другого сечения. Зажим каждой жилы осуществляется отдельным винтом.

Для того чтобы обеспечить себе качественную электрическую проводку следует обратить внимание на токовую нагрузку зажимов, последняя цифра их типа и описывает максимально допустимую нагрузку тока.

Используя универсальные самозажимные клеммы. У таких зажимов присутствуют специальные «гнёзда», куда вставляется каждая жила. Имеется возможность вставить в одно отверстие кабель с сечением в 1,5 мм2, а в другое – 4 мм2, это не окажет никакого негативного воздействия на исправность работы проводки.

Существует масса методов осуществить расчёт сечения кабеля и человек в зависимости от своих умений уже может самостоятельно подобрать для себя наиболее подходящий метод исчисления. Главное, понимать, что при отсутствии даже базовых знаний в электрике, представленную работу лучше всего доверить профессионалу.


Фото проводов с разным сичением

Медная проволока — обзор

Применение медных порошков ODS

Оксидно-дисперсионно-усиленная медь получила широкое признание на рынке в серийных применениях [31,34]. Основные приложения перечислены ниже.

Провода отведения . Медный провод ODS используется в свинцовых лампах накаливания. Его способность сохранять прочность при высоких температурах позволяет выполнять соединения стекло-металл без аномального размягчения свинца. Это, в свою очередь, устраняет необходимость в дорогостоящих опорных проводах из молибдена.Превосходная прочность стержня позволяет уменьшить диаметр стержня для экономии материала. Медный провод ODS также может использоваться в выводах для дискретных электронных компонентов, таких как диоды.

Релейные ножки и контактные опоры . Эти части включают в себя токоведущие рычаги, которые соединяют фиксированные точки контакта с электрической цепью. Как правило, релейная пластина и контактные опоры имеют серебряные контакты, припаянные или приклепанные к ним. Способность ODS-меди сохранять прочность после воздействия повышенной температуры позволяет припаивать контакты к лезвию без заметной потери прочности.Из-за более высокой электропроводности меди ODS в некоторых реле она заменила обычные медные сплавы, такие как фосфорная бронза и бериллиевая медь.

Раздвижные электрические контакты . Медные шины ODS используются в воздушных скользящих электрических контактах высокоскоростных электропоездов. Их высокая устойчивость к абразивному износу обеспечивает до 10 раз более длительный срок службы контактов и значительно снижает затраты на техническое обслуживание. Чем выше скорость поезда, тем больше преимущество меди ODS перед другими материалами на основе меди.

Электроды для контактной сварки . Медные электроды ODS широко используются для контактной сварки в автомобилестроении, бытовой технике и других отраслях промышленности по обработке листового металла. Хорошо известно, что прилипание электродов к заготовке является серьезной проблемой при сварке оцинкованной стали и стали с другим покрытием. Обычно это приводит к отрыву электродов от держателей и необходимости остановки конвейера для замены электродов. Такие перерывы очень дороги. Медные электроды ODS предотвращают прилипание к оцинкованной стали и стали с другим покрытием.Увеличение использования сталей с покрытием в автомобильной промышленности предсказывает дальнейшее широкое использование медных электродов ODS.

Контактные насадки для сварки металл-инертный газ . Устойчивость меди ODS к абразивному износу от стальной проволоки позволяет наконечникам сохранять диаметр отверстия и сводит к минимуму блуждание дуги. Это важно в автоматизированных сварочных линиях. Неприлипающие свойства меди ODS также сводят к минимуму накопление материала.

Компоненты рентгеновских и микроволновых трубок .Другой пример применения меди с ОРВ — стержни вращающихся анодов в рентгеновских трубках, где важны высокая прочность удержания после пайки и герметизация стекло-металл. Высокая теплопроводность ODS-меди также обеспечивает более эффективный отвод тепла, тем самым снижая рабочую температуру и обеспечивая более длительный срок службы трубки и более тихую работу трубки.

Компоненты ускорителя частиц . Медные пластины и стержни, усиленные оксидной дисперсией, используются в зеркалах и поглотителях рентгеновского излучения из-за их высокой теплопроводности, высокой прочности, сопротивления ползучести и герметичности.Пучки высокоэнергетических частиц формируются и фокусируются с помощью зеркал, линз и призм в больших полых кольцах в форме пончика,

Other Applications . Другие различные применения меди ODS включают стержни анодов в хлоридных ячейках, катушки магнитов с сильным полем, стержни хлорных элементов анодов, электроды для электроразрядной обработки, компоненты высокоскоростных двигателей и генераторов, коммутаторы и компоненты корпусов гибридных схем.

Что такое American Wire Gage (AWG) и почему это важно?

…и когда это имеет значение и почему?

Размеры сечения проводов немного сбивают с толку, и мы получаем много вопросов по ним. Почему один кабель динамика 12 AWG выглядит меньше другого? Калибр провода — хороший индикатор качества кабеля? Что такое калибр проводов, когда и почему это важно? Давайте посмотрим на эти вопросы.

Что такое AWG (американский калибр проводов)?

Калибр проволоки — это индекс, который косвенно (обратно и логарифмически) показывает площадь поперечного сечения круглой проволоки.В случае сплошных проводников, измерение этой площади довольно просто: площадь — это радиус провода в квадрате, умноженный на пи, и для простоты выражения вместо этого часто используется мера, называемая «Круговая площадь MIL». ; один круговой мил — это площадь круга диаметром в один мил (1/1000 дюйма), а круговой мил сплошной проволоки, следовательно, всегда представляет собой квадрат диаметра проволоки в милах.

Многожильный провод — другое дело. Для любого заданного размера AWG многожильный провод будет занимать больше места, чем сплошной, потому что калибр провода измеряется путем суммирования площадей поперечного сечения жил.Поскольку между жилами есть воздушные карманы, любая заданная площадь поперечного сечения провода будет занимать больше места в многожильной конфигурации, чем в сплошном проводе. Следовательно, когда мы говорим о «диаметре» относительно калибра проволоки, следует помнить, что диаметр будет варьироваться не только в зависимости от калибра, но и от скрутки. В этой статье, когда мы говорим об относительных диаметрах, для простоты наши примеры основаны на сплошной проволоке.

Отношение калибра к сечению провода для многих противоречит здравому смыслу.Чем больше номер калибра, тем меньше размер провода. Более того, соотношение не линейное, а логарифмическое. Два провода 16 AWG, вместе взятые, составляют проводник 13 AWG. Если вы знакомы с децибелами (дБ), это будет иметь смысл. Если мы увеличиваем или уменьшаем размер на 10 размеров, мы увеличиваем или уменьшаем площадь проводника в 10 раз. Если мы увеличиваем или уменьшаем 3 размера, мы увеличиваем или уменьшаем площадь примерно в 2 раза. причина (мы не совсем уверены, почему) это соотношение неточно, но для большинства целей оно достаточно близко к прямой логарифмической формуле.Например, сплошной провод 40 AWG имеет круглую площадь в миле, как определено Национальным бюро стандартов, 9,61; провод 30 AWG имеет круговую площадь 100,5 мил, провод 20 AWG — 1020, а провод 10 AWG — 10380.

Между прочим, важно помнить, что размер ПРОВОДА, а не размер провода с его изоляцией, измеряется в AWG. Иногда нам звонит клиент, который убежден, что наш акустический кабель 12 AWG не может быть 12 AWG, потому что он выглядит меньше, чем другой кабель 12 AWG, которым он владеет.Многие акустические кабели покрыты очень толстой полупрозрачной оболочкой из ПВХ, которая не только делает общий профиль громоздким, но и создает эффект увеличительного стекла, из-за чего провод выглядит немного больше, чем он есть на самом деле.

Как калибр проводов связан с электрическими свойствами провода?

Наиболее существенное влияние калибратора на электрические свойства провода оказывает сопротивление провода. Любой данный материал проволоки (медь, сталь, алюминий и т. Д.) Имеет сопротивление, а сопротивление постоянному току обратно пропорционально площади в миллиметрах.Если наш провод медный, этот провод 40 AWG с площадью 9,61 имеет сопротивление 1080 Ом на 1000 футов; 10 AWG, площадь которого примерно в 1000 раз больше, имеет сопротивление примерно в один Ом.

Сопротивление — это свойство проводника, которое описывает, как ток, протекающий по проводнику, преобразуется в тепло. В проводнике с очень низким сопротивлением относительно мало энергии будет потеряно на тепло; по мере увеличения сопротивления все больше и больше преобразуется в тепло.Однако то, как это влияет на электрические цепи, зависит от типа используемой цепи, и мы вернемся к этому чуть позже.

Но разве это не «сопротивление постоянному току»? Разве это не сигналы переменного тока?

Одно из наиболее распространенных заблуждений, с которыми мы сталкиваемся по поводу сопротивления, заключается в том, что сопротивление каким-то образом не имеет отношения к аудио- и видеосигналам, потому что эти сигналы представляют собой переменный ток (AC), а сопротивление провода выражается как «сопротивление постоянному току», что относится, конечно, к постоянному току, а не к переменному току.Итак, нас часто спрашивают, если сопротивление — постоянный ток, а сигнал — переменный, какое отношение сопротивление может иметь к чему-либо?

Сопротивление действует как на переменный, так и на постоянный ток. Причина, по которой сопротивление выражается в технических характеристиках как «сопротивление постоянному току», заключается не в том, что сопротивление не применимо к переменному току. Скорее, это из-за того, что называется «скин-эффектом». По мере увеличения частоты сигнала ток в проводе концентрируется по направлению к внешней стороне или «коже» проводника.Это означает, что для любого данного провода, если мы измеряем сопротивление на разных частотах, мы обнаружим, что сопротивление увеличивается с частотой. Сопротивление выражается в спецификациях как «сопротивление постоянному току», потому что значение сопротивления одного провода при постоянном токе можно осмысленно сравнивать с сопротивлением любого другого провода при постоянном токе. Теоретически, если бы кто-то захотел это сделать, можно было бы указать сопротивление проводов на любой частоте; мы могли бы составить таблицы «сопротивления 1 МГц» вместо сопротивления постоянному току. Этого не происходит, потому что (1) нет удобной «эталонной» частоты, которая широко применима для всех видов использования проводов, и (2) труднее правильно измерить сопротивление на более высоких частотах, потому что трудно отделить потери. к другим факторам, которые становятся важными с увеличением частоты, например емкостью, индуктивностью и обратными потерями.Но не заблуждайтесь: сопротивление преобразует электричество в тепло в проводе независимо от того, является ли электричество постоянным или переменным. И, кстати, в случае многожильного провода рассматриваемая «кожа» все же находится снаружи жгута; это не кожа каждой отдельной пряди, как часто думают люди.

Итак, AWG относится к сопротивлению. Что означает сопротивление для качества сигнала?

Какое отношение сопротивление имеет к качеству сигнала? Что ж, это во многом зависит от приложения.Принято считать, что AWG является хорошим индикатором качества кабеля, и это предположение восходит к самым ранним дням маркетинга «вторичных» акустических кабелей; коммерческий шаг, который положил начало всему кабельному бизнесу на вторичном рынке потребительских товаров, был, по сути, «чем больше провод, тем лучше». И это, как мы увидим, безусловно, верно для акустического кабеля (в определенных пределах), но не обязательно для других приложений.

Прежде чем мы перейдем к этому, пара предварительных. Во-первых, важно помнить, что в первую очередь нас интересует качество сигнала, а не его амплитуда.Если потери в системе не зависят от частоты, их очень легко отрегулировать; например, типичные схемы видеовхода просто принимают слабые сигналы и усиливают их до стандартного опорного уровня для использования на дисплее. В таком случае мы хотим быть уверены, что качество сигнала чистое, но это не имеет значения — по крайней мере, это относительно мало, в разумных пределах — высокая или низкая амплитуда сигнала.

Во-вторых, для понимания следующего обсуждения полезно немного узнать о так называемом законе Ома.Немецкий физик Георг Ом открыл простой принцип сопротивления, который является фундаментальной идеей, лежащей в основе всех видов электрических цепей. Если цепь содержит серию сопротивлений — то есть, если ток будет проходить через один резистор, затем через другой, а затем через другой — энергия электрического потока будет поглощаться этими резисторами пропорционально их сопротивлению ( которые, конечно же, мы измеряем в Омах в честь работы Георга Ома). Вы также, вероятно, будете знакомы с другим использованием термина «ом»: импедансом.Импеданс — более сложное явление, чем сопротивление, и о нем можно много сказать; но для целей следующих примеров мы можем рассматривать сопротивление в омах как эквивалентное сопротивление, как если бы сопротивление и сопротивление были одним и тем же.

Итак, чтобы проиллюстрировать закон Ома, давайте рассмотрим схему динамика, и для этого примера мы предположим, что установщик решил использовать кабель динамика значительно меньшего размера. Каждый провод этого кабеля имеет сопротивление четыре Ом, а динамик — восемь Ом.Сигнал, идущий от одного терминала динамика к другому, проходит через четыре Ом сопротивления провода динамика, через динамик на восемь Ом, а затем через еще четыре Ом сопротивления провода динамика. Что это значит? Общее сопротивление цепи составляет 16 Ом (для упрощения мы предполагаем, что «выходной импеданс» равен нулю; это нереально, но достаточно хорошо, чтобы проиллюстрировать принципы работы здесь). Итак, из энергии, сжигаемой в цепи, одна четверть (4 Ом на 16 Ом) сжигается на пути от плюсовой клеммы к динамику; одна половина (8 Ом на 16 Ом) подводится к динамику; и одна четверть выгорела на другой стороне кабеля динамика, между динамиком и «минусовой» клеммой усилителя.

Очевидно, что в акустическом кабеле сжигается много энергии. В нашем обсуждении ниже мы объясним, почему это плохо (помимо пустой траты электроэнергии). Но прежде чем мы поговорим об этом, давайте представим другое приложение. Предположим, мы берем кабель с одинаковыми характеристиками сопротивления (4 Ом на выходе, 4 Ом сзади), подключаем его к разъемам RCA и используем его для аналогового аудиосоединения линейного уровня между устройством-источником (скажем, проигрывателем компакт-дисков). ) и усилитель. Входная цепь усилителя не будет иметь низкий импеданс, как у динамика; 10 000 Ом, а не 8 Ом — это примерно нормально.Теперь, когда мы подключим эту схему, что мы обнаружим? Общее сопротивление цепи составляет 10 008 Ом. Из энергии, доставляемой источником, 8/10008 энергии — почти ничего — сгорает в кабеле, а 10000/10008 ее передается в усилитель. Сопротивление, которое было ужасно чрезмерным в кабеле динамика и потребляло половину энергии, подаваемой в цепь, в межблочном соединении незначительно.

Урок здесь в том, что одно приложение не похоже на другое.Калибр проводов критически важен, если вы доставляете электроэнергию от гидроэлектростанции в город; это критически важно, если вы управляете автомобильным стартером; это в некоторой степени важно, если вы управляете динамиком; и это практически несущественно, если вы соединяете несимметричный линейный звук. Поскольку здесь нас не особо интересуют гидроэлектростанции и шестерни Bendix, давайте пройдемся по списку распространенных аудио- и видеоприложений и поговорим о том, какое значение имеет калибр проводов для этих приложений.

Схемы динамиков:

Что касается акустических кабелей, то, за исключением некоторых действительно странных методов строительства, безусловно, наиболее важным аспектом кабеля является калибр. Почему? Что ж, вспомните еще пару абзацев к тому примеру закона Ома. По общему признанию, это крайний случай, но там половина энергии усилителя сгорает в проводе динамика, а не доставляется в динамик. Теперь можно подумать: «В чем разница? Система будет на несколько дБ тише, но в остальном она будет звучать так же.«Это было бы правдой, но для одного фактора, который мы не учли в нашем примере. Импеданс динамика может номинально составлять восемь Ом, но на самом деле он меняется в зависимости от частоты, начиная с высоких на низких частотах и ​​заканчивая падением. Подумайте, что происходит с нашими Ом. Теперь пример закона. Если на одной частоте сопротивление действительно составляет шесть Ом, а на другой — десять, закон Ома будет распределять эти разные частоты по-разному в цепи. При низком импедансе динамика большая часть энергии поглощается кабелем; где сопротивление динамика велико, большая часть энергии передается динамику.В результате чрезмерное сопротивление в кабеле динамика приведет к большей потере высоких частот, чем низкочастотного сигнала; система будет звучать иначе, чем система, подключенная к акустическому кабелю подходящего размера.

Аудио межкомпонентные соединения:

Аудио межкомпонентные соединения, как мы указывали, обычно работают в цепях с очень высоким импедансом. Следовательно, калибр проводов сам по себе не является значимым фактором качества кабеля. Однако калибр может иметь какое-то отношение к качеству кабеля в косвенном смысле — и этот косвенный смысл указывает, как ни странно, на то, что желателен провод меньшего, а не большего размера.

В цепях с высоким импедансом емкость становится важным фактором качества кабеля; Емкость — это тенденция кабеля накапливать часть сигнала в себе и медленно высвобождать ее, а не доставлять немедленно к месту назначения. Емкость кабеля с одним центральным проводником и внешним экраном будет определяться внешним диаметром центрального проводника, внутренним диаметром экрана и типом материала (диэлектрика), который их разделяет.В несбалансированном аудио межблочном соединении существуют практические ограничения на то, что можно сделать с внутренним диаметром экрана (кабель должен быть такого размера, который удобен для подключения штекеров RCA) и типами материалов, которые можно использовать в качестве диэлектрика, и поэтому лучший способ уменьшить емкость — это уменьшить AWG центрального проводника. Вот что мы сделали с нашим аудиокабелем LC-1; центральный провод имеет диаметр 25 AWG, что довольно мало, но при этом остается достаточно большим, чтобы иметь хороший срок службы при изгибе (т.е.е., не ломаться при изгибе) и быть восприимчивым к твердому окончанию обжима. Нас иногда спрашивают, почему AWG такой маленький, при негласном предположении, что центральный проводник большего размера был бы лучше; но даже при пробеге на 50 футов сопротивление центрального проводника составляет всего 1,6 Ом, что является исчезающе малым значением по сравнению с типичным импедансом цепи несимметричного аудиовхода.

Межкомпонентные соединения аналогового видео, последовательного цифрового видео и цифрового аудио S / PDIF:

Аналоговые видеосхемы межсоединений, будь то модулированные RF, композитные, s-video, компонентные или RGB, представляют собой цепи с сопротивлением 75 Ом.Поскольку все эти сигналы работают в радиочастотном диапазоне, скин-эффект увеличивает сопротивление используемых проводов, и поскольку длина кабеля часто бывает достаточной для определения характеристического импеданса кабеля (который не связан с его сопротивлением — это функция емкости и индуктивности кабеля), наиболее важным аспектом конструкции кабеля с точки зрения поддержания качества сигнала является то, что кабель должен иметь характеристическое сопротивление 75 Ом во всем диапазоне используемых частот.

При длительных межсоединениях затухание, вызванное, среди прочего, сопротивлением центрального проводника, в конечном итоге станет достаточным для ухудшения качества сигнала; но для прогонов средней длины это редко вызывает беспокойство. Следовательно, калибр провода имеет некоторое значение для качества сигнала, но не является основным фактором. Однако, как и в случае с аналоговым аудио, калибр проводов имеет второстепенное значение для конструкции кабеля; характеристический импеданс кабеля связан с его индуктивностью и емкостью, а калибр проводов влияет на оба этих параметра, поскольку центральный проводник должен быть в правильной пропорции с другими физическими размерами кабеля.Если мы вставим провод 16 AWG в центр кабеля RG-6, к которому относится провод 18 AWG, мы намотаем наш характеристический импеданс слишком низким; если мы воткнем провод 20 AWG в то же место, волновое сопротивление будет слишком высоким. Таким образом, несмотря на то, что в большинстве приложений не может быть серьезных соображений, влияющих на конкретный выбор калибра проводов, тем не менее важно, чтобы все внутренние размеры кабеля находились в правильных пропорциях по отношению друг к другу, включая калибр центрального проводника.

Параллельное цифровое видео (например, DVI и HDMI):

Преобладающими потребительскими цифровыми видеоформатами являются HDMI и DVI. В HDMI и DVI цифровые сигналы передаются с битовой скоростью, которая зависит от разрешения и может быть довольно высокой; в настоящее время наиболее часто используемое разрешение HDMI составляет 1080p / 60, что предполагает скорость передачи сигнала 1,485 Гбит / с. При чем здесь калибр проводов?

Как и в случае с аналоговым видео — и даже в большей степени из-за задействованных очень высоких частот — действительно важным атрибутом кабеля является его характеристический импеданс.Здесь мы имеем дело не с коаксиальным кабелем, а с витыми парами, характеристическое сопротивление которых намного сложнее контролировать и оно может значительно меняться от одного дюйма к другому.

Используемые здесь частоты делают интересную вещь для значения калибра проводов, для понимания которого требуется немного трехмерного мышления. В битовом потоке 1,485 Гбит / с наша основная частота обычно считается примерно половиной этого битрейта, или 742,5 МГц, и потому, что мы пытаемся передать некоторые гармоники этой основной частоты, чтобы края наших битов не округлялись слишком сильно, чтобы их можно было распознать. приемной схемой, ширина полосы, необходимая для обработки, примерно в три раза больше, чем частота, или 2.2275 ГГц. Помните «скин-эффект»? Что ж, говорим ли мы о 742 МГц или 2,2 ГГц, скин-эффект на этих частотах очень велик. По сути, сигнал не проходит через середину жилы кабеля HDMI — он скользит по поверхности.

Для калибра проводов это означает, что увеличение размера больше не так значительно, как было бы при более низких частотах, потому что увеличение площади поверхности провода пропорционально диаметру, а не квадрату диаметра.Давайте рассмотрим, скажем, разницу между кабелем 24 и 22 AWG. Если бы мы покупали провод 24 или 22 AWG для питания постоянного тока и хотели знать, какие потери мы увидим при запуске, нас бы в первую очередь интересовала площадь поперечного сечения. Провод 24 AWG имеет круглую площадь 404 мил; провод 22 AWG имеет круглую площадь 640,4 мил. Поскольку сопротивление постоянному току обратно пропорционально этой площади, это имеет большое значение — сопротивление провода 22 AWG немного меньше, чем 2/3 сопротивления провода 24 для любого заданного расстояния.

Но если мы смотрим на скин-эффект, картина меняется. Площадь поперечного сечения практически не имеет значения, потому что «глубина кожи» практически равна нулю. Вместо площади поперечного сечения потери на сопротивление будут обратно пропорциональны количеству меди, через которую на самом деле проходит сигнал, то есть обратно пропорционально площади поверхности кабеля — или, говоря поперечно -сечение, его периметр. Провод 24 AWG имеет диаметр 0,0201 дюйма, а провод 22 AWG — 0,5 мм.0253 дюйма. Поскольку периметры — это просто эти числа, каждое из которых умножается на пи, мы можем увидеть соотношение периметров, не выполняя этого умножения. 22 AWG «больше», чем 24 на 0,0253 / 0,0201, или в 1,259 раза. Когда нас интересовала площадь поперечного сечения, а не периметр, соотношение круговых милов было намного больше: 640,4 / 404, что делало 22 AWG «больше» в 1,585 раза. Вместо использования сопротивления падения 22 AWG примерно до 63% от сопротивления провода 24 AWG, как это происходит при постоянном токе, сопротивление падает только примерно до 80% от значения 24 AWG.

Теперь любое снижение сопротивления — это хорошо; Дело здесь просто в том, чтобы показать, что это не так хорошо, как можно было бы ожидать. Если бы все остальное было равным, можно было бы ожидать, что кабель HDMI 22 AWG будет полезен на расстоянии примерно на 20% длиннее, чем аналогичный кабель 24 AWG (это почти наверняка преувеличивает преимущество, потому что, конечно, все остальное не равно. Более длительный период покажет большие потери производительности из-за других факторов, включая емкость, перекрестные помехи, перекос и возвратные потери).

Факторы качества кабеля, которые действительно имеют значение для кабеля HDMI, — это, в первую очередь, контроль импеданса в парах TMDS (которые делают тяжелую работу в кабеле HDMI) и перекос, который является мерой разницы в электрической длине проводников и пары (под «электрической длиной» мы подразумеваем длину провода, измеряемую временем, которое требуется импульсу для прохождения по линии; это может отличаться от физической длины по ряду причин, большинство из которых, но не все, связанных с контролем импеданса).Эти параметры, как известно, трудно контролировать, и они не имеют ничего общего с калибром проводов, за исключением того, что иногда легче контролировать допуски для большего кабеля, чем для меньшего кабеля. Итак, калибр провода что-то значит в кабеле HDMI; но обычно это не главный фактор при измерении качества кабеля. Кабель с превосходными обратными потерями и перекосом может легко превзойти кабель большего диаметра на расстоянии.

Вывод:

Калибр провода может иметь большое значение для качества кабеля; но поскольку это очень важно для некоторых приложений, таких как провод динамика, имеет лишь умеренное значение для других, таких как аналоговое и цифровое видео, и практически бессмысленно для третьих, важно понимать требования приложения, прежде чем делать суждение о качестве кабеля на основе калибр проводов.Когда производители не публикуют подробные спецификации продуктов, может быть ошибкой основывать суждения об относительном качестве на любых предоставленных ограниченных характеристиках, будь то калибр проводов или что-то еще.

Еще статьи о кабелях

Вернуться к Blue Jeans Cable Home

Геометрическая форма

вызывает небольшое изменение коэффициента Зеебека в объемных металлических проводах

Датчики

(Базель). 2017 Февраль; 17 (2): 331.

Дебби Г. Сенески, научный редактор

Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Поступила 18.09.2016; Принято 6 февраля 2017 г.

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

В этой статье мы сообщаем о результатах незначительных изменений термоэдс длинных проволок из W, Mo, Zn, Cu, латуни и Ti в результате изменения диаметра или площади поперечного сечения проволоки. Образцы, использованные в испытаниях, имели круглую форму с диаметром от десятков микрон до 2 мм, что было намного больше, чем соответствующая длина свободного пробега этих материалов.Тем не менее, небольшое изменение термоэдс, порядка 1–10 нВ / К, неоднократно наблюдалось при изменении диаметра проволоки или при изменении площади поперечного сечения проволоки механическими методами, такими как шлифование или раскалывание. . Результаты согласуются с предыдущими наблюдениями, показывающими, что термоЭДС в полосах металлических тонких пленок изменяется с их шириной от 100 мкм до всего 70 нм, что подразумевает универсальный размерный эффект термоЭДС в металлических материалах, связанный с геометрическими границами. в нанометровом масштабе и непрерывно уменьшается вплоть до миллиметрового масштаба.Этот эффект может быть использован при изготовлении высокотемпературных датчиков простой конструкции.

Ключевые слова: термоЭДС, объемный металлический провод, длина свободного пробега, размерный эффект, высокотемпературный датчик

1. Введение

Металлы и металлические сплавы являются важными функциональными материалами для современных устройств и электронных систем. Как высокопрочные материалы, они широко применяются в качестве каркасов и покрытий для большинства искусственных изделий. В качестве отличных электрических проводников металлические провода используются в качестве линий электропередач, а тонкие пленки из алюминия, меди и W используются в качестве межсоединений в большинстве обычных электронных схем и в современных интегральных схемах [1,2].Тонкие пленки Au, Ag, Pt, Cu и Al интенсивно применяются в качестве электродов в системах «лаборатория на кристалле» [3], микроэлектромеханических системах (MEMS) [4] и наноэлектромеханических системах. (NEMS) [5], а также в различных квантовых электронных устройствах [6,7,8,9,10] и новых медицинских устройствах, встроенных в человеческое тело [11,12,13,14]. С другой стороны, используя термоэлектрические свойства металлических тонких пленок, многие виды микромасштабных и наноразмерных термодатчиков были разработаны из множества металлических тонких пленок [15,16,17,18,19,20, 21,22].Считается, что металлические тонкопленочные сенсоры должны сыграть важную роль в следующем поколении гибкой и носимой электроники.

Лучшее понимание металлических материалов помогает при разработке современных устройств и систем. Известно, что, когда толщина металлической тонкой пленки меньше 100 нм, что сравнимо со средней длиной свободного пробега электронов в металле, в процессах рассеяния электрон-электронов и электронов возникает сильный зависящий от толщины эффект. -фононные взаимодействия, приводящие к резкому снижению проводимости при дальнейшем уменьшении толщины пленки [23].Этот эффект становится одной из критических проблем при проектировании и производстве межсоединений в новейших крупномасштабных интегральных схемах [1]. Подобным образом такой эффект проявляется в термоэдс пленки [24,25,26,27,28,29,30,31]. Сигнал напряжения можно наблюдать, когда создается температурный градиент между горячим и холодным концом термоэлектрических материалов. Часто называемый коэффициентом Зеебека , термоЭДС S определяется как S = Δ В / Δ T , где Δ В — это разница напряжений между двумя концами металла или металла. полупроводниковый материал, а Δ T — разность температур [32].В металлах S чувствительно к плотности состояний (DOS) носителей заряда вблизи поверхности Ферми. Обычно это описывается уравнением Мотта-Джонса [33,34]:

S = −π2kB2T3e (dlnσdE) E = EF = −π2kB2T3e (dlnλdE) E = EF − π2kB2T3e (dlnAdE) E = EF

(1)

где S , k B , T , e , σ , E и E F — термоЭДС, постоянная Больцмана, температура, заряд электрона, электропроводность, энергия электрона и энергия Ферми соответственно; λ — длина свободного пробега электронов, а A — площадь поверхности Ферми.Здесь электропроводность σ выражается как σ = e 2 λA /6 π 2 h . Когда толщина металлической пленки превышает 100 нм, что больше, чем λ большинства металлов при 300 К, обычно прогнозируется, что коэффициент Зеебека должен приближаться к стабильному значению [24,25,26,27, 28,29,30,31].

Однако об исключениях из предсказаний теорий среднего поля сообщалось неоднократно, и зависимость электрического переноса и термоэлектричества от толщины на протяжении многих лет оставалась интересной темой.В экспериментах с тонкими пленками золота, серебра и меди Леонард и др. показали, что изменение термоЭДС происходит при толщине пленки около 250 нм, что в пять-шесть раз превышает длину свободного пробега этих металлов [35,36,37]. Подобные явления были обнаружены в тонких пленках иттербия, самария, олова, палладия и хрома Ангади и др. При толщине пленки менее 200 нм [24,25,26], а также в тонких пленках алюминия [27], висмут [28], железо [29] и другие металлы [30,31]. Большинство этих результатов хорошо согласуются с моделью Фукса-Зондхаймера (FS-модель) [33,34].Фукс и Зондхаймер обсудили поверхностный механизм рассеяния электронов в металлических тонких пленках и ввели коэффициент зеркального рассеяния p как долю рассеиваемых электронов. Результатом их работы является термоЭДС S f , выражаемая как:

SfSbulk = 1 + 38 (1 − p) λtU1 + U, U = (dlnλdE) E = EF.

(2)

где λ и t — собственная длина свободного пробега и толщина пленки соответственно. Соффер [38] развил этот анализ параметров p и связал изменение S f с шероховатостью поверхности.Как правило, уравнение (1) приводит к грубой зависимости ( S f S навалом ) ∝ 1/ t . Эта хорошо разработанная теория была успешно применена к описанию экспериментальных данных по зависимости термоЭДС от толщины различных металлических пленок [23,24,25,26], а также результатов улучшенного ZT в узорчатых пленках. Si нанопроволоки [39].

Недавно сообщалось, что для полосок металлических тонких пленок из более чем десяти металлов, таких как Ni, Cr, Ti, Ta, Pd и W, при сохранении толщины пленки 80–100 нм, Ширина полосы была изменена со 100 микрон до 30–50 мкм, термоЭДС этих полос постоянно демонстрировала измеримые изменения, а размерный эффект усиливался, когда ширина полосы была уменьшена до 80 нм [19,40,41, 42,43].Это явление было обнаружено в соответствии с кратким степенным законом: w α , где w — ширина полосы, а α — число, близкое к единице [41]. Поскольку длина 30–50 мкм на два порядка больше, чем длина свободного пробега обычных массивных металлов, испытанных в этих исследованиях, результаты вызвали аргументы [44,45]. Однако это исследование подняло два интересных вопроса: каков основной механизм? И могло ли такое явление наблюдаться даже в более толстых материалах?

В этой статье мы сообщаем наши экспериментальные результаты для термоэдс, измеренных для толстых металлических проволок диаметром от 70 микрон до 2–3 мм, которые предположительно считались «громоздкими».Удивительно, но в «громоздких проволочках» из W, Mo, Cu, латуни (CuZn), Zn и Ti небольшие, но однозначные изменения термоэдс измеряются в диапазоне температур 300–1500 К, когда поперечное сечение площадь или диаметр этих проводов были изменены. Мы полагаем, что различные геометрические масштабы вызывали небольшое изменение коэффициента Зеебека однородных термоэлементов. Результаты указывают на универсальный размерный эффект термоэдс в металлических материалах, который проявляется в наномасштабе и уменьшается, но продолжает существовать, от наномасштаба до миллиметрового масштаба.

2. Детали эксперимента

В данной работе были изготовлены образцы из десятков металлических проволок диаметром от 70 мкм до 2–3 мм. Основные ингредиенты этих проволочных материалов, предлагаемых коммерческими поставщиками, перечислены в.

Таблица 1

Основные ингредиенты проволочных материалов, используемых в данной работе.

Материал проволоки W Mo Ti Zn Cu Латунь
Основной ингредиент (больше или равно)95 99,95 99,9 92,66 99,9 Cu Zn
63,58 36,4

2.1. Приготовление образцов типа U

Для большинства образцов, использованных в этой работе, каждый отдельный образец был сделан из одного куска длинной проволоки из определенного материала, и эти проволоки имели диаметр в диапазоне 0,5–2,0 мм. В каждом образце часть проволоки сохраняла исходную форму, а остальную часть шлифовали, раскалывали или прессовали, поэтому площадь ее поперечного сечения была уменьшена до – ½ от исходной проволоки.Для мягких проволок из Cu, латуни (Cu-Zn), Zn, Ti, Mo и W каждый образец был согнут в U-образной форме, при этом толстое плечо образца сохраняло исходный диаметр проволоки, но тонкое плечо истончили электрическим шлифовальным кругом или механически шлифовальной машиной и наждачной бумагой. а показывает такую ​​примерную конфигурацию. Вращающаяся часть образца служит областью стыка или «горячим концом» в следующем процессе измерения. Для жестких проводов W изгиб более 180 ° обычно приводит к нарушению участка изгиба.Таким образом, мы сохранили образцы проволоки W прямой формы, но половина длинной проволоки каждого образца была механически утонена с помощью шлифовального станка, а испытательный горячий конец был выбран на стыковой части тонкого и толстого рычагов.

Схематические рисунки для подготовки образца: ( a ) Образец «типа U», сделанный из одного куска толстой проволоки, где одно плечо (обозначенное « A ») имеет первоначальную форму круглого поперечного сечения, а другой (с маркировкой « B ») механически утончается до толщины – ½ от первоначального диаметра; ( b ) Разрезной образец, который всегда изготавливается из одного куска толстой проволоки W; ( c ) Прессованный образец, в котором рычаг « B 1 » механически прижимается, чтобы он был намного тоньше диаметра исходной проволоки « A », а тонкое плечо « B 1 ». »такого образца можно было бы дополнительно разрезать на более узкое плечо« B 2 »для измерения второго цикла.

В оставшейся части этого документа образцы с двумя плечами как U-образной, так и прямой формы называются образцами «U-образного типа». Достоинством этой U-образной конфигурации является то, что в номинальной области соединения нет границы раздела между двумя плечами, потому что они изначально принадлежат одному и тому же куску длинного провода. Это основная причина того, что мы смогли обнаружить крошечную разницу в термоэдс между этими двумя плечами до относительного уровня 10 −4 от объемного значения.

В процессе шлифования проволок Mo и W, которые были очень твердыми, температура образца значительно повышалась.При такой высокой температуре опорная деревянная пластина проволоки сгорела, что означало, что температура была более 500 К. Это могло вызвать небольшие изменения кристаллической структуры проволоки и, как следствие, процесс охлаждения нагретой проволоки. прошли процесс отжига.

Чтобы избежать эффектов нагрева и отжига на этапах подготовки, мы изготовили образцы с помощью различных ручных шлифовальных машин для медной и латунной (CuZn) проволоки, которые были намного мягче, чем Mo и W.В каждом из этих образцов толстое плечо сохраняло исходный диаметр 1,0–2,0 мм, а более тонкое, отшлифованное вручную, имело площадь поперечного сечения от одной четвертой до половины исходного значения.

2.2. Приготовление разделенных образцов

При приготовлении использовалась расщепляющая природа чистой W-проволоки. Набор разделенных образцов был изготовлен из проволоки W и измерен. В большинстве случаев короткий кусок проволоки W (диаметром 0,5–1,0 мм) можно было легко разделить на две половинки небольшой длины, каждая из которых имела одинаковый размер.Но получить длинные разбитые сэмплы очень сложно. Пример конфигурации показан на b.

2.3. Подготовка прессованных образцов

Так как цинковые проволоки очень мягкие, мы приготовили один образец путем прямого прессования цинковой проволоки диаметром 1,5 мм и длиной 2 м, так чтобы 1 м проволоки сохранил свою первоначальную форму, а еще 1 м. изменил свою круглую форму поперечного сечения на прямоугольную, в результате чего она стала шире, как показано на c. Этот образец был испытан первым, а затем прессованный участок был механически разрезан пополам по ширине для второго испытания.Для обеспечения повторяемости экспериментов были исследованы десятки проволок из Mo, Ti, W, Cu, латуни и Zn. Эти проволоки имели исходный диаметр от 0,08 мм (80 мкм) до 2,0 мм. Этот диапазон размеров на два-четыре порядка превышает критические длины электронов или фононов в этих металлах.

2.4. Подготовка образцов толстой и тонкой проволоки с двумя плечами

Кроме того, десятки образцов проволоки из Mo, W и Ti были просто изготовлены из двух отдельных кусков коммерческой чистой проволоки с диаметрами, которые варьировались от 0.От 07 мм до 1,0 мм. На горячем конце механически соединялись две проволоки одного и того же образца. Эти образцы были испытаны как потенциальные датчики при практических высокотемпературных измерениях.

Для получения надежных данных измерений образцы были испытаны в трех различных системах нагрева. Две из них были коммерческими печами с максимальной температурой 1000 К и 1500 К. Третья система была самодельной системой, которая состояла из одного образца, одной термопары типа К, нескольких слоев керамической волокнистой бумаги (силикат алюминия) в качестве изоляционного материала. слоев, а также две пластины W в качестве крышки и днища устройства.Эти компоненты были упакованы вместе с крепежными винтами и W проводами. Горячий конец термопары располагался как можно ближе к стыку толстого и тонкого плеч каждого образца, но был электрически изолирован от испытуемого образца металлической проволоки. Во время каждого измерения испытательное устройство было закреплено на прочной раме над спиртовой горелкой с расстоянием 10-15 см, где пламя спиртовой горелки создавало максимальную температуру около 700 К на горячем конце образца.

Для всех измерений выходные напряжения образцов, измеренные на двух холодных концах, регистрировались нановольтметром Keithley 2182.Предположим, что значения термоЭДС двух плеч (обозначенных как A и B дюймов) равны S A и S B соответственно. Определите Δ S = | S A S B |. Если S A S B , то сетевое напряжение Δ В будет измеряться на холодных концах, Δ В = | S A · Δ T S B · Δ T | = | S A S B | · Δ T = Δ S · Δ T > 0.При каждом измерении холодные концы образца располагались далеко от зоны нагрева, так как все образцы имели длину 0,4–3,0 м. Чтобы избежать любого возможного влияния теплопроводности на результаты измерений, оба плеча каждого образца охлаждались отдельно в последовательности нескольких пластиковых резервуаров для воды, расположенных между горячим и холодным концом. Температуру воды в каждом резервуаре для воды поддерживали равной комнатной, заменяя содержимое пресной водой во время измерения.В некоторых экспериментах мы использовали ледяную воду вместо воды комнатной температуры, и результаты остались прежними. Для каждого образца измерения проводились повторно для нескольких циклов процессов нагрева и охлаждения. Для некоторых образцов тот же образец был повторно измерен через длительный период времени (от нескольких дней до одного года), чтобы проверить надежность.

В качестве калибровки настроек системы были измерены контрольные образцы идентичных пар проводов. Здесь и далее образец «идентичной проволоки» относится к образцу «Тип-U», изготовленному из одиночной проволоки без какой-либо обработки, где два плеча образца идентичны, а зона нагрева (горячий конец) установлена ​​в точке поворота. провода.

3. Результаты

3.1. Результаты измельченных образцов типа U и разделенных образцов

показывает типичные результаты измерений измельченного образца Mo, измельченного образца Cu и разделенного образца W, в которых были нанесены только данные, связанные с процессами нагрева. Исходные диаметры проволоки для образцов Mo, Cu и W составляли 1,7 мм, 1,5 мм и 1,0 мм соответственно. Для этих образцов формы поперечного сечения шлифованных плеч и разрезного плеча были полукругом, а площадь поперечного сечения каждого образца была примерно вдвое меньше, чем у исходного провода.Длина этих образцов превышала 1 м.

Результаты измерения напряжения на холодных концах в зависимости от температуры для одного расщепленного образца W (исходный диаметр 1,0 мм), одного измельченного образца Mo (исходный диаметр 1,7 мм) и одного образца Cu (исходный диаметр 1,5 мм).

Путем грубой линейной аппроксимации наклоны для данных образца Mo и образца W дают наклоны (т.е. Δ S ) 0,006 мкВ / К и 0,015 мкВ / К, соответственно. Наклон для данных образца Cu близок к нулю, когда Δ T мал, и увеличивается до 0.010 мкВ / К при Δ T > 600 К, со средней Δ S ~ 0,005 мкВ / К.

Интересно определить доминирующий фактор, который приводит к небольшому изменению тепловой мощности, а также интересно исследовать, является ли такое явление универсальным для металлов. Чтобы исключить другие факторы, помимо геометрического эффекта, мы приготовили образцы из цельного куска длинной проволоки, где одно плечо было утонено с обеих сторон электрическим шлифовальным кругом.

a представляет результаты измерений образца, изготовленного из длинного, 2.Проволока из чистой меди диаметром 0 мм. Длина каждой руки составляла 45 см. Отношение площадей поперечного сечения толстого плеча к тонкому плечу составляло около 2,0. Максимальное изменение Δ V при Δ T = 350 K, по измерениям, составляет около 1,2 мкВ, что едва превышает уровень шума. Однако в образцах, изготовленных из более тонких проволок из чистой меди, измеренные сигналы были больше. b показывает данные двух прогонов, измеренных для образца проволоки из чистой меди с исходным диаметром 1,0 мм. Отношение площади поперечного сечения толстого плеча к тонкому было около 2.0, длина руки — 55 см. При изучении кривых охлаждения можно отметить, что Δ V достигает 3,0 мкВ при Δ T = 350 К. Это более чем вдвое превышает измеренное значение для образца медной проволоки диаметром 2,0 мм (а).

Результаты измерений шлифованных образцов, изготовленных из ( a ) образца чистой медной проволоки диаметром 2,0 мм; ( b ) образец проволоки из чистой меди диаметром 1,0 мм; ( c ) проволока из чистого Мо диаметром 0,5 мм; и ( d ) W-проволока диаметром 0,5 мм. Для всех этих образцов утоненное плечо имеет площадь поперечного сечения, которая составляет примерно половину площади поперечного сечения исходной проволоки.

c отображает результаты измерения образца Мо. Каждая рука этого образца имела длину 37 см. Исходная проволока представляла собой проволоку из чистого Мо диаметром 0,5 мм с круглой формой поперечного сечения, но шлифованный рычаг имел прямоугольную форму поперечного сечения со средней площадью 0,5 мм × 0,15 мм. Кривая почти линейная, где Δ V составляет около 5,0 мкВ при Δ T = 300 K, что приводит к наклону около 0,016 мкВ / K. Это очень небольшое изменение, которое можно не заметить в большинстве систем измерения.d показывает результаты другого электрически шлифованного образца, сделанного из чистой W-проволоки диаметром 0,5 мм. Длина руки 38 см. Шлифованный рычаг также имел прямоугольную форму поперечного сечения со средней площадью поперечного сечения 0,5 мм × 0,2 мм. Измеренные данные были повторены для процессов нагрева и охлаждения, где Δ V достигает 12,0 мкВ при Δ T = 400 K, показывая наклон 0,03 мкВ / K, что примерно вдвое больше, чем для измельченного образца Mo.

Более крупные сигналы были получены от образцов из латунной проволоки.а представляет данные, полученные во время вторых прогонов процессов нагрева и охлаждения образца латунной проволоки с исходным диаметром 2,0 мм. Для обоих образцов отношение площадей поперечного сечения толстого плеча к тонкому было около 3,0, а длина каждого плеча составляла 58 см. В этом образце Δ V составляет около 7,0 мкВ при Δ T = 350 К. На b показаны экспериментальные данные, измеренные в процессе охлаждения более тонкого образца латунной проволоки с исходным диаметром 1,0 мм.Для обоих образцов отношение площадей поперечного сечения толстого плеча к тонкому было около 2,0, а длина каждого плеча составляла 44 см. В этом образце Δ V становится 17,5 мкВ при Δ T = 350 K.

Результаты измерений образцов латунной проволоки: ( a ) Образец с исходным диаметром 2,0 мм; и ( b ) образец с исходным диаметром 1,0 мм. Отношение площади поперечного сечения толстого плеча к тонкому для обоих образцов составляет около 3,0.

3.2. Результаты для прессованных образцов

На рисунке

представлены экспериментальные результаты, полученные для двух образцов проволоки из цинка. Тонкие плечи этих образцов не шлифовали, а механически прессовали молотком. Форма поперечного сечения исходной проволоки была круглой, диаметром 1,5 мм, а форма поперечного сечения для спрессованного плеча была плоской и прямоугольной. В процессе прессования прессованный рычаг был немного выдвинут в продольном направлении, и конечная площадь поперечного сечения прессованного плоского рычага была меньше, чем у исходной круглой проволоки, на 20–30%.Как показано на, длина руки «образца 1» составляла 24 см, а длина руки «образца 2» — 57 см. Тот, что помечен «образец 1, узкий», был изготовлен из «образца 1, широкий» путем отрезания половины прижатого плоского плеча вдоль проволоки; таким образом, площадь поперечного сечения оставшейся руки уменьшилась на два. Отношение площади поперечного сечения исходного образца к спрессованным составляло 1,2–1,3 как для «образца 1, широкого», так и для «образца 2». Коэффициент для «образца 1, узкий» составлял около 2,5.

Результаты измерений прессованных образцов, изготовленных из цельного куска 1.Z-образная проволока диаметром 5 мм.

В a можно увидеть тенденцию, согласно которой по мере увеличения отношения площади поперечного сечения толстого плеча к тонкому, измеренное изменение коэффициента Зеебека Δ S монотонно увеличивается. Измерения были ограничены Δ T = 205 K, чтобы избежать плавления проволок, и при этой температуре значения Δ V составляли 80, 88 и 112 мкВ соответственно для этих трех образцов, что соответствует Δ S из 0.37–0,49 мкВ / К.

3.3. Результаты калибровки образцов «идентичного провода»

Предположительно, сигналы напряжения, измеренные на образцах «идентичного провода», должны были находиться в пределах уровня шума всей измерительной системы. Это было верно для большинства проводов, испытанных в этой работе. Во избежание любой возможной теплопроводности оба плеча образца отдельно охлаждались в нескольких пластиковых резервуарах для воды, расположенных между горячим и холодным концом. Температура воды в каждом резервуаре поддерживалась на уровне комнатной путем подмены воды во время измерения.a представляет собой типичный результат, который был измерен для Мо-проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 1 м. Образец был измерен четыре раза. Для первого запуска образец был испытан во время процесса нагрева, когда разность температур между горячим и холодным концом была увеличена от нуля до 350 К, с помощью спиртовой горелки. Затем образец был протестирован сразу в процессе охлаждения, при этом спиртовая горелка была удалена. Данные для этих двух процессов представлены в виде треугольников. Во втором прогоне измерительные электроды были заменены, и вся процедура измерения была повторена от Δ T ≈ 0 K.Этот шаг изменил знак сигналов постоянного напряжения. Если измеренные сигналы были системными шумами, ожидается, что данные покажут тенденции, аналогичные тенденциям первого запуска.

Результаты калибровки образцов «идентичной проволоки», изготовленных из ( a ) одного куска Мо-проволоки диаметром 0,5 мм и ( b ) одного куска латунной проволоки диаметром 1,0 мм.

В a видно, что для каждого прогона сигналы, измеренные во время процесса нагрева, хорошо согласуются с сигналами, зарегистрированными во время процесса охлаждения.Кроме того, при одном и том же Δ T абсолютная разница сигналов между двумя прогонами в основном находится в пределах 0,8 мкВ во всем диапазоне температур. Это означает, что весь набор данных измерений находится в пределах уровня шума текущей измерительной установки, как и ожидалось.

b представляет собой типичный результат, измеренный для пары «идентичных проводов» из латунной проволоки диаметром 1,0 мм и длиной 1,0 м. Здесь показан тот же образец, что и на a, и измерительные электроды были заменены для второго прогона.Разница постепенно увеличивалась с увеличением Δ T , и при Δ T = 330 K Δ V составляла около 1,0 мкВ, что мы считали системной ошибкой.

3.4. Прототип высокотемпературных датчиков, образцы с толстой и тонкой проволокой с двумя плечами

Хотя изменение термоэдс в громоздком металлическом проводе из-за изменения его площади поперечного сечения очень мало, то есть Δ S ~ 1–10 нВ / К, это явление может найти применение в высокотемпературных датчиках.Когда Δ T приближается к 1000–2000 K, небольшое значение Δ S все еще может привести к измеряемому Δ V как Δ V = Δ S · Δ T . То есть выходное напряжение увеличено на три порядка.

Некоторые образцы Mo и W, каждый из которых изготовлен из тонкой и толстой проволоки, были испытаны на воздухе в качестве прототипа «датчика» на высокую разность температур до 1500 К. Такая конструкция устройства, вероятно, является самой простой в изготовлении. . представляет собой типичный результат для образца Мо, который состоит из двух кусков проволоки из Мо с диаметрами 0.07 мм и 0,7 мм соответственно. Весь процесс нагрева занимает 35 мин. Измерение температуры печи производится с помощью стандартной коммерческой Pt-Rh термопары. Экспериментальные данные близки к линейному отклику на повышение температуры. Линия линейной аппроксимации дает наклон 0,236 мкВ / К.

Результаты измерений для образца, изготовленного для двух отрезков проволоки из Мо диаметром 0,07 мм и 0,7 мм соответственно. Он показывает примерно линейный отклик выходного напряжения при большой разнице температур между горячим и холодным концом до 1200 К.

С помощью нашего самодельного испытательного устройства были быстро измерены различные образцы с двумя рукавами из тонкой толстой проволоки. а представляет экспериментальные результаты для группы чистых образцов Mo-Mo. Каждый образец был изготовлен из пары тонких и толстых проволок из Мо длиной 1 м. Толстые проволоки имели фиксированный диаметр 0,7 мм, а тонкие проволоки имели диаметр 0,08, 0,12, 0,20 и 0,40 мм соответственно. Каждый образец был измерен в течение нескольких прогонов. Чтобы избежать скопления точек данных на рисунке, на график наносится только один набор данных для каждого образца, полученных в процессе охлаждения.Здесь, представляя линейную аппроксимацию кривой, Δ S получается из наклона аппроксимирующей линии. Кривые Δ V T почти линейны, а Δ S находится в диапазоне от 0,11 мкВ / К до 0,75 мкВ / К. Измерение для комбинации 0,70 мм – 0,12 мм показывает наибольшее значение Δ S, 0,75 мкВ / К, а при Δ T = 350 K Δ V достигает 270 мкВ.

Результаты измерений для связки образцов из толстой и тонкой проволоки с двумя плечами, изготовленных из проволоки Mo ( a ); и проволока из титана ( b ).

Аналогично, b представляет собой типичный результат, измеренный для двух проволок из титана, где толстая имеет диаметр 0,6 мм, а тонкая — 0,2 мм. Наклон составляет около 0,33 мкВ / К. Он показывает изменение знака при Δ T ≈ 50 K и демонстрирует примерно линейное поведение при более высоких Δ T .

4. Обсуждение

Из нашего анализа результатов измерений для контрольных образцов мы пришли к выводу, что уровень шума системы и погрешность измерения всей установки были менее 1 мкВ.Все данные измерений для различных образцов типа U намного выше этого уровня. В них не должно быть ошибок измерения. Тем не менее, размеры толстого и тонкого плеч каждого исследуемого в данной работе образца на три-четыре порядка превышают критические длины либо электронов ( l e ), либо фононов ( l p. ) в соответствующих партиях.

Есть ли вклад от контакта на холодных концах? Проволока из меди используется для входа в нановольтметр Keithley 2182, который может вызывать небольшое напряжение в области контакта, поскольку большинство материалов образцов отличаются от меди.Однако в процессе измерения оба холодных конца тщательно поддерживались при одной и той же температуре; комнатная температура. В соответствии с природой эффекта Зеебека такая конфигурация может вносить сдвиг напряжения на Δ T = 0 K, но она не должна влиять на остальные результаты измерений.

Неоднократно наблюдаемое явление в образцах W, Mo, Cu, латуни и Zn, где Δ V примерно линейно увеличивается с Δ T , указывает на однозначный размерный эффект.Как правило, этот размерный эффект становится сильнее, когда увеличивается отношение площади поперечного сечения толстого плеча к тонкому плечу. Результаты согласуются с аналогичными эффектами, наблюдаемыми в тонких пленках из 10 металлов (т.е. Bi, Cr, Ni, Sc, Ti, Pd, Pt, Ta, W и Zr) [19,40].

In, мы наносим на график экспериментальные данные, полученные на различных металлических образцах. Данные, полученные для образцов с двумя полосами, каждый из которых изготовлен из одного куска тонкой пленки, показаны полыми синими символами.Данные, полученные из образцов Type-U в этой работе, каждый из которых сделан из цельного куска толстой проволоки, обозначены сплошными синими символами. Данные, полученные для образцов с двумя рукавами из толстой и тонкой проволоки, каждая из которых изготовлена ​​из двух проволок из одного и того же материала, но разного диаметра, показаны сплошными красными символами. Кроме того, дополнительные данные для прессованной проволоки из цинка показаны сплошными зелеными символами. Здесь размерная координата φ определяется следующим образом: для этих образцов тонкой пленки с двумя полосами ширина более узкой полосы принимается как значение φ ; для образцов проволоки типа U и двойных рукавов толщина шлифованного плеча или более тонкий диаметр проволоки принимается равной φ .

Общий вид экспериментальных данных различных металлических образцов. Полученные из одного куска тонкой пленки показаны полыми синими символами. Те, которые получены из цельного куска толстой проволоки, показаны сплошными синими символами. Данные, полученные для образцов с толстой и тонкой проволокой с двумя плечами, показаны сплошными красными символами. Данные для прессованной проволоки из цинка показаны сплошными зелеными символами. φ — номинальный размер.

Все образцы, изготовленные из цельного куска материала (тонкой пленки или проволоки), имеют схожую тенденцию: при уменьшении φ абсолютное значение его термоэдс также уменьшается, а Δ S увеличивается при уменьшении φ . .Действительно, как показано серой линией на рисунке, можно примерно увидеть степенной закон Δ S φ α , где α ~ 1,0. Это напоминает наблюдения термоэлектрических свойств квазиодномерных наноматериалов, таких как нанотрубки, нанопроволоки и наноленты, где размерный эффект проявляется в зависимости материалов от диаметра [46,47,48].

Мы можем вкратце обсудить происхождение этого размерного эффекта. Эффект Зеебека — сложный эффект.Среди металлов некоторые имеют положительные значения S , а некоторые — отрицательные; а абсолютные значения S имеют диапазон 0–20 мкВ / К. Для большинства металлов значение S также изменяется на T . Следовательно, S чувствителен к электронной структуре, такой как плотность состояния вблизи уровня Ферми. Он также чувствителен к сложным процессам электрон-электронного и электрон-фононного рассеяния; поэтому он чувствителен к примесям, дефектам, микроструктуре и шероховатости поверхности материала.Каждый из этих факторов может сыграть роль в настоящих результатах. Для получения четкой количественной корреляции для размерного эффекта коэффициента Зеебека в толстой проволоке требуются более систематические экспериментальные данные. Как правило, в уравнении (1) член (dln A / d E ) E = E F считается приблизительно постоянным, когда размер или размер материала очень большой. больше, чем длина свободного пробега. Помимо плотности носителей и температуры, факторами, определяющими длину свободного пробега, в основном являются различные механизмы рассеяния между носителями заряда и решетками материала, включая фоновое рассеяние, поверхностное рассеяние и рассеяние на границах зерен [49,50,51].Фоновое рассеяние в основном связано с примесями и дефектами атомной структуры материала; следовательно, не очень по отношению к граничным условиям материала. Поверхностное рассеяние и рассеяние на границах зерен вносят значительный вклад в изменение длины свободного пробега и, таким образом, могут быть основными факторами, определяющими размерный эффект термоЭДС.

Однако размерный эффект может быть не единственным механизмом, который объяснил все результаты, представленные в этой статье.Для образцов с толстой проволокой, тонкой проволоки с двумя плечами и для образцов прессованной проволоки из цинка, как показано на, наблюдались гораздо большие значения Δ S . В этих случаях измеренная разница также может быть результатом других факторов, таких как примеси, дефекты, различные кристаллические структуры и т. Д., Которые присутствуют в двух плечах каждого тестируемого образца. Например, хотя таблица данных для Мо-проволоки диаметром 0,07 мм такая же, как и для Мо-проволоки диаметром 0,7 мм, точный уровень примесей в этих двух проволоках может быть достаточно различным, чтобы вызвать очевидное изменение Δ S .Если такое изменение является контролируемым и стабильным при высоком Δ T , это хорошо для применения этих двухпроводных устройств в качестве высокотемпературных датчиков.

5. Выводы

Таким образом, уменьшив поперечное сечение одного плеча путем механического шлифования или раскалывания, мы изготовили образцы «Тип-U» из отдельных кусков объемных металлических проволок из W, Mo, Cu, Ti, Медь, латунь и цинк диаметром от 0,5 до 2,0 мм. Такая структура образца позволяет избежать влияния границы раздела в области соединения обычного устройства термопары, а также избежать влияния различия химических компонентов и примесей.В результате мы измерили «собственное» изменение термоэдс Δ S (коэффициент Зеебека), которое составляло всего 1–10 нВ / К в металлическом проводе при изменении его площади поперечного сечения. Это значение Δ S составляет примерно от 1/1000 до 1/10 000 термоЭДС соответствующей массы. Этот небольшой геометрический эффект в громоздких металлических проводах, по-видимому, не учитывался в предыдущих исследованиях.

Результат может иметь потенциальное применение для измерения сверхвысоких температур.Однако основной механизм до сих пор не ясен. Для объяснения эффекта может потребоваться модификация текущих теорий.

Благодарности

Авторы благодарны Бо Чжао за техническую помощь в эксплуатации высокотемпературных измерительных установок. Мы благодарим Шуйван Янг, Вэйцян Сунь и Хайсяо Лю за ценные обсуждения. Мы также благодарим Дэна Танга за помощь в приготовлении образцов прессованной цинковой проволоки. Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда Китая (гранты 11374016 и

202).

Вклад авторов

S.X. задумал и спланировал эксперименты; Г.Л., Х.С. и Ф. провели эксперименты; Г.З. участвовал в высокотемпературных экспериментах; X.H. помог в характеристике материала; S.X., G.L. и X.S. проанализировал данные и написал статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Международный комитет дорожной карты. Международная технологическая дорожная карта для полупроводников.Ассоциация полупроводниковой промышленности; Сан-Франциско, Калифорния, США: 2013 г. [Google Scholar] 2. Чаудри А. Межкомпонентные соединения для наноразмерной технологии MOSFET: обзор. J. Semicond. 2013; 34: 066001. DOI: 10.1088 / 1674-4926 / 34/6/066001. [CrossRef] [Google Scholar] 3. Nie Z., Nijhuis C.A., Gong J., Chen X., Kumachev A., Martinez A.W., Narovlyansky M., Whitesides G.M. Электрохимическое зондирование в микрофлюидных устройствах на бумажной основе. Лабораторный чип. 2010. 10: 477–483. DOI: 10.1039 / B917150A. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 4.Ким Б.Дж., Мэн Э. Обзор полимерной микрообработки МЭМС. J. Micromech. Microeng. 2016; 26: 013001. DOI: 10.1088 / 0960-1317 / 26/1/013001. [CrossRef] [Google Scholar] 5. Ло О.Ю., Эспиноза Х.Д. Наноэлектромеханические контактные выключатели. Nat. Nanotechnol. 2012; 7: 283–295. DOI: 10.1038 / nnano.2012.40. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 6. Ян Ю., Чжэн Ю., Цао В., Титов А., Хивонен Дж., Мандерс Дж. Р., Сюэ Дж. П., Холлоуэй Х., Цянь Л. Высокоэффективные светоизлучающие устройства на основе квантовых точек с индивидуализированными наноструктурами.Nat. Фотоника. 2015; 9: 259–266. DOI: 10.1038 / nphoton.2015.36. [CrossRef] [Google Scholar] 7. Де Франчески С., Кувенховен Л., Шененбергер К., Вернсдорфер В. Гибридные устройства сверхпроводник – квантовая точка. Nat. Nanotechnol. 2010; 5: 703–711. DOI: 10.1038 / nnano.2010.173. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 8. Диденхофен С.Л., Куфер Д., Ласанта Т., Констанатос Г. Интегрированные коллоидные фотодетекторы с квантовыми точками с настраиваемыми по цвету плазмонными нанофокусирующими линзами. Light Sci. Прил. 2015; 4: e234-1 – e234-7. DOI: 10.1038 / lsa.2015.7. [CrossRef] [Google Scholar] 9. Kelly J., Barends R., Fowler A.G., Megrant A., Jdffrey E., White T.C., Sank D., Mutus J.Y., Campbell B., Chen Y., et al. Сохранение состояния за счет обнаружения повторяющихся ошибок в сверхпроводящей квантовой цепи. Природа. 2015; 511: 66–69. DOI: 10,1038 / природа14270. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Машфорд Б.С., Стивенсон М., Попович З., Гамильтон К., Чжоу З., Брин К., Стеккель Дж., Булович В., Бавенди М., Коу-Салливан С. и др. Высокоэффективные светоизлучающие устройства на квантовых точках с улучшенной инжекцией заряда.Nat. Фотоника. 2013; 7: 407–412. DOI: 10.1038 / nphoton.2013.70. [CrossRef] [Google Scholar] 11. Бернард Т.М., Завидовик Б.Ю., Девос Ф.Дж. Программируемая искусственная сетчатка. IEEE J. Твердотельные схемы. 1993. 28: 789–798. DOI: 10,1109 / 4,222178. [CrossRef] [Google Scholar] 12. Фостер К.Р., Джегер Дж. Темная этика имплантированных чипов. IEEE Spectr. 2007; 44: 24–28. DOI: 10.1109 / MSPEC.2007.323430. [CrossRef] [Google Scholar] 13. Ку К., Чунг Х., Ю Й., Со Дж., Пак Дж., Лим Дж., Пайк С., Пак С., Чой Х. М., Чон М., и другие. Изготовление трехмерных пирамидальных электродов 8 × 8 для искусственной сетчатки. Приводы Sens. A Phys. 2006. 130: 609–615. DOI: 10.1016 / j.sna.2005.11.070. [CrossRef] [Google Scholar] 14. Макрей М.П., ​​Симмонс Г., Макдевитт Дж. Т. Проблемы и возможности для перевода медицинских микроустройств: выводы из программируемого био-наночипа. Биоанализ. 2016; 8: 905–919. DOI: 10.4155 / био-2015-0023. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Хейхал Ю., Чандра С., Бордачев Э.Тонкопленочная термопара с быстрым откликом для измерения быстрых изменений температуры поверхности. Exp. Therm. Fluid Sci. 2005. 30: 153–159. DOI: 10.1016 / j.expthermflusci.2005.05.004. [CrossRef] [Google Scholar] 16. Чой Х., Ли X. Изготовление и применение микротонкопленочных термопар для измерения температуры переходных процессов в наносекундной импульсной лазерной микрообработке никеля. Приводы Sens. A Phys. 2007. 136: 118–124. DOI: 10.1016 / j.sna.2007.01.007. [CrossRef] [Google Scholar] 17. Чжао Дж., Ли Х., Чой Х., Цай В., Abell J.A., Li X. Вставные тонкопленочные термопары для контроля переходной температуры на месте при ультразвуковой сварке металлических выводов аккумуляторных батарей. J. Manuf. Процесс. 2013; 15: 136–140. DOI: 10.1016 / j.jmapro.2012.10.002. [CrossRef] [Google Scholar] 18. Лю Х., Сунь В., Чен К., Сюй С. Матрица тонкопленочных термопар для картографирования локальной температуры с временным разрешением. IEEE Electron. Device Lett. 2011; 32: 1606–1608. DOI: 10.1109 / LED.2011.2165522. [CrossRef] [Google Scholar] 19. Лю Х., Сунь В., Сюй С. Чрезвычайно простая термопара, сделанная из одного слоя металла.Adv. Матер. 2012; 24: 3275–3279. DOI: 10.1002 / adma.201200644. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Ли Г., Ван З., Мао Х., Чжан Ю., Хо Х., Сюй С. Двумерное отображение относительных локальных температур поверхности в реальном времени с помощью матрицы тонкопленочных датчиков. Датчики. 2016; 16: 977. DOI: 10,3390 / s16070977. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21. Мекленбург М., Хаббард В.А., Уайт Э.Р., Дхалл Р., Кронин С.Б., Алони С., Реган Б.С. Наноразмерное отображение температуры в работающих микроэлектронных устройствах.Наука. 2015; 347: 629–632. DOI: 10.1126 / science.aaa2433. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Хо Х., Ван З., Фу М., Ся Дж., Сюй С. Трехмерный тонкопленочный датчик температуры шириной менее 200 нанометров. RSC Adv. 2016; 6: 40185–40191. DOI: 10.1039 / C6RA06353E. [CrossRef] [Google Scholar] 23. Зиман Дж.М. Электроны и фононы. Кларендон; Оксфорд, Великобритания: 1962. [Google Scholar] 24. Ангади М.А., Ашрит П.В. Термоэлектрический эффект в пленках иттербия и самария. J. Phys. D Прил. Phys. 1981; 14: L125 – L128. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 14/8/003. [CrossRef] [Google Scholar] 25. Ангади М.А., Шивапрасад С.М. Измерение термоэдс в тонких пленках палладия. J. Mater. Sci. Lett. 1982; 1: 65–66. DOI: 10.1007 / BF00731027. [CrossRef] [Google Scholar] 26. Ангади М.А., Удачан Л.А. Измерения термоэлектрической мощности в тонких пленках олова. J. Phys. D Прил. Phys. 1981; 14: L103 – L105. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 14/7/002. [CrossRef] [Google Scholar] 27. Де Д., Бандьопадхьяй С.К., Чаудхури С., Пал А.К. Термоэдс алюминиевых пленок.J. Appl. Phys. 1983; 54: 4022-4027. DOI: 10,1063 / 1,332583. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Дас В.Д., Соундарараджан Н. Влияние размера и температуры на коэффициент Зеебека тонких пленок висмута. Phys. Ред. Б. 1987; 35: 5990–5996. DOI: 10.1103 / PhysRevB.35.5990. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Schepis R.S., Matienzo L.J., Emmi F., Unertl W., Schröder K. Влияние скорости и толщины осаждения на удельное электрическое сопротивление и термоэдс тонких пленок железа. Тонкие твердые пленки. 1994; 251: 99–102.DOI: 10.1016 / 0040-6090 (94) -8. [CrossRef] [Google Scholar] 30. Сальвадори М.С., Ваз А.Р., Тейшейра Ф.С., Каттани М., Браун И.Г. Термоэлектрический эффект в очень тонкопленочных термопарах Pt / Au. Прил. Phys. Lett. 2006; 88: 133106. DOI: 10,1063 / 1,2189192. [CrossRef] [Google Scholar] 31. Такур А.П., Сури Р., Сури С.К., Чопра К.Л. Электронно-транспортные свойства медных пленок. II. Термоэлектрическая мощность. J. Appl. Phys. 1975. 46: 4777–4783. DOI: 10,1063 / 1,321503. [CrossRef] [Google Scholar] 32. Хереманс Дж. П.Термоэлектричество: Гадкий утенок. Природа. 2014; 508: 327–328. DOI: 10.1038 / 508327a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Фукс К. Электропроводность тонких металлических пленок согласно электронной теории металлов. Proc. Camb. Филос. Soc. 1938; 34: 100–108. DOI: 10.1017 / S0305004100019952. [CrossRef] [Google Scholar] 34. Сондхаймер Э. Длина свободного пробега электронов в металлах. Adv. Phys. 1952; 1: 1–42. DOI: 10.1080 / 00018735200101151. [CrossRef] [Google Scholar] 35. Лин С.Ф., Леонард В.Ф. Термоэлектрическая мощность тонких пленок золота.J. Appl. Phys. 1971; 42: 3634–3639. DOI: 10,1063 / 1,1660781. [CrossRef] [Google Scholar] 36. Ю. Х. Я., Леонард В. Ф. Термоэдс тонких пленок серебра. J. Appl. Phys. 1973; 44: 5324–5327. DOI: 10,1063 / 1,1662151. [CrossRef] [Google Scholar] 37. Леонард В.Ф., Ю. Х. Термоэдс тонких пленок меди. J. Appl. Phys. 1973; 44: 5320–5323. DOI: 10,1063 / 1,1662150. [CrossRef] [Google Scholar] 38. Соффер С.Б. Статистическая модель размерного эффекта в электропроводности. J. Appl. Phys. 1967; 38: 1710–1715.DOI: 10,1063 / 1,1709746. [CrossRef] [Google Scholar] 39. Чжоу Х., Кропельницкий П., Ли С. Характеристика поликристаллического кремния нанометровой толщины с улучшенными термоэлектрическими свойствами фононно-граничным рассеянием и его применение в инфракрасных датчиках. Наноразмер. 2015; 7: 532–541. DOI: 10.1039 / C4NR04184D. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 40. Сунь В., Лю Х., Гонг В., Пэн Л., Сюй С. Неожиданный размерный эффект в термоЭДС тонкопленочных полос. J. Appl. Phys. 2011; 110: 83709-1–83709-7. DOI: 10.1063 / 1,3653824. [CrossRef] [Google Scholar] 41. Хо Х., Лю Х., Лян Ю., Фу М., Сунь В., Чен К., Сюй С. Датчик на основе нанополос для измерения температуры на субмикрометрических и нано-шкалах. Небольшой. 2014; 10: 3869–3875. DOI: 10.1002 / smll.201303942. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 42. Шакмани Г.П., Орлов А.О., Бернштейн Г.Х., Пород В. Однометаллические наноразмерные термопары. IEEE Trans. Nanotechnol. 2014; 13: 1234–1239. DOI: 10.1109 / TNANO.2014.2358532. [CrossRef] [Google Scholar] 43. Рассер Дж. А., Джираушек К., Szakmany G.P., Schmidt M., Orlov A.O., Bernstein G.H., Porod W., Lugli P., Russer P. Высокоскоростные антенно-связанные терагерцовые термопарные детекторы и смесители. IEEE Trans. Микроу. Теория Тех. 2015; 63: 4236–4246. DOI: 10.1109 / TMTT.2015.2496379. [CrossRef] [Google Scholar] 44. Шакмани Г.П., Орлов А.О., Бернштейн Г.Х., Пород В. Комментарий к «Неожиданному размерному эффекту термоЭДС тонкопленочных полос» [J. Прил. Phys. 110, 083709 (2013)] J. Appl. Phys. 2014; 115: 236101-1–236101-4. DOI: 10,1063 / 1.4884735.[CrossRef] [Google Scholar] 45. Хо Х., Сунь В., Лю Х., Пэн Л., Сюй С. Ответ на «Комментарий к« Неожиданному эффекту размера в термоЭДС тонкопленочных полос »» [Дж. Прил. Phys. 115, 236101 (2014)] J. Appl. Phys. 2014; 115: 236102-1–236102-2. DOI: 10,1063 / 1.4884736. [CrossRef] [Google Scholar] 46. Николаева А., Хубер Т.Э., Гицу Д., Конопко Л. Зависимая от диаметра термоэдс висмутовых нанопроволок. Phys. Ред. Б. 2008; 77: 035422. DOI: 10.1103 / PhysRevB.77.035422. [CrossRef] [Google Scholar] 47. Ши Л., Яо Д., Чжан Г., Ли Б. Зависимые от размера термоэлектрические свойства кремниевых нанопроволок. Прил. Phys. Lett. 2009; 95: 063102. DOI: 10,1063 / 1,3204005. [CrossRef] [Google Scholar] 48. Зуев Ю.М., Ли Дж.С., Галлой К., Парк Х., Ким П. Зависимость транспортных свойств нанопроволок теллурида сурьмы от диаметра. Nano Lett. 2010; 10: 3037–3040. DOI: 10.1021 / NL101505q. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 49. Маядас А.Ф., Шацкес М. Модель электросопротивления поликристаллических пленок: случай произвольного отражения от внешних поверхностей.Phys. Ред. Б. 1970; 1: 1382–1389. DOI: 10.1103 / PhysRevB.1.1382. [CrossRef] [Google Scholar] 50. Телье К.Р. Теоретическое описание рассеяния электронов на границах зерен с помощью эффективной длины свободного пробега. Тонкие твердые пленки. 1978; 51: 311–317. DOI: 10.1016 / 0040-6090 (78)

-6. [CrossRef] [Google Scholar] 51. Pichard C.R., Tellier C.R., Tosser A.J. Термоэдс тонких поликристаллических металлических пленок в модели эффективной длины свободного пробега. J. Phys. F Met. Phys. 1980; 10: 2009–2014. [Google Scholar]

Закон Ампера — Университетская физика, выпуск 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, как закон Ампера связывает магнитное поле, создаваемое током, со значением тока
  • Рассчитайте магнитное поле длинного прямого провода, тонкого или толстого, по закону Ампера.

Основным свойством статического магнитного поля является то, что, в отличие от электростатического, оно неконсервативно.Консервативное поле — это поле, которое выполняет одинаковую работу с частицей, движущейся между двумя разными точками, независимо от выбранного пути. Магнитные поля таким свойством не обладают. Вместо этого существует связь между магнитным полем и его источником, электрическим током. Он выражается в виде линейного интеграла и известен как закон Ампера. Этот закон также может быть выведен непосредственно из закона Био-Савара. Теперь рассмотрим этот вывод для частного случая бесконечной прямой проволоки.

(рисунок) показана произвольная плоскость, перпендикулярная бесконечному прямому проводу, ток которого I направлен за пределы страницы. Силовые линии магнитного поля представляют собой окружности, направленные против часовой стрелки и центрированные на проводе. Для начала рассмотрим замкнутые трассы M и N . Обратите внимание, что один путь ( M ) охватывает провод, а другой ( N ) — нет. Поскольку силовые линии круглые, это произведение B и проекции dl на проходящую через окружность. Если радиус этой конкретной окружности равен r , проекция равна и

Ток I длинного прямого провода направлен за пределы страницы.Интеграл равен и 0 соответственно для трасс M и N .

С дано (рисунок),

Для пути M , который проходит по проводу, и

Путь N , с другой стороны, проходит как через положительный (против часовой стрелки), так и через отрицательный (по часовой стрелке) (см. (Рисунок)), и, поскольку он закрыт, Таким образом, для пути N ,

Распространение этого результата на общий случай — это закон Ампера.

Закон Ампера

По произвольному замкнутому пути,

, где I — полный ток, проходящий через любую открытую поверхность S , периметр которой является путем интегрирования. Необходимо учитывать только токи внутри пути интеграции.

Чтобы определить, является ли конкретный ток I положительным или отрицательным, согните пальцы правой руки в направлении пути интегрирования, как показано на (Рисунок). Если I проходит через S в том же направлении, что и ваш большой палец, I положителен; если I проходит через S в направлении, противоположном вашему вытянутому большому пальцу, это отрицательно.

Стратегия решения проблем: закон Ампера

Для расчета магнитного поля, создаваемого током в проводе (ах), выполните следующие действия:

  1. Определите симметрию тока в проводе (ах). Если симметрии нет, используйте закон Био-Савара для определения магнитного поля.
  2. Определите направление магнитного поля, создаваемого проводом (ами) по правилу правой руки 2.
  3. Выберите контур, в котором магнитное поле либо постоянное, либо нулевое.
  4. Рассчитайте ток внутри контура.
  5. Вычислите линейный интеграл вокруг замкнутого контура.
  6. Приравнять и решить для

Использование закона Ампера для расчета магнитного поля, обусловленного проводом Используйте закон Ампера для расчета магнитного поля, создаваемого постоянным током I в бесконечно длинном, тонком, прямом проводе, как показано на (Рисунок).

Возможные составляющие магнитного поля B из-за тока I , который направлен за пределы страницы.Радиальная составляющая равна нулю, потому что угол между магнитным полем и траекторией прямой.

Стратегия

Рассмотрим произвольную плоскость, перпендикулярную проводу, с током, направленным за пределы страницы. Возможные компоненты магнитного поля в этой плоскости показаны в произвольных точках на окружности радиуса r с центром на проводе. Поскольку поле цилиндрически симметрично, оно не меняется и не меняется в зависимости от положения на этом круге. Также из-за симметрии радиальные линии, если они существуют, должны быть направлены либо внутрь, либо наружу от провода.Это означает, однако, что чистый магнитный поток должен проходить через произвольный цилиндр, концентричный с проводом. Радиальная составляющая магнитного поля должна быть равна нулю, потому что мы можем применить закон Ампера к круговой траектории, как показано.

Решение По этому пути постоянный и параллельный так

Таким образом, закон Ампера сводится к

Наконец, поскольку это единственный компонент, мы можем опустить нижний индекс и написать

Это согласуется с приведенным выше расчетом Био-Савара.

Значение Закон Ампера хорошо работает, если у вас есть способ интеграции, который дает результаты, которые легко упростить. Для бесконечного провода это легко работает с круговой траекторией вокруг провода, так что магнитное поле не учитывается при интегрировании. Если зависимость от траектории выглядит сложной, вы всегда можете вернуться к закону Био-Савара и использовать его для определения магнитного поля.

Расчет магнитного поля толстого провода по закону Ампера Радиус длинного прямого провода на (рис.) Равен a , и по проводу проходит ток, который равномерно распределяется по его поперечному сечению.Найдите магнитное поле как внутри, так и снаружи провода.

(а) Модель токоведущего провода с радиусом а и током (б) Поперечное сечение того же провода с радиусом а и петлей Ампера с радиусом r .

Стратегия

Эта задача имеет ту же геометрию, что и (рисунок), но замкнутый ток изменяется по мере того, как мы перемещаем путь интегрирования из-за пределов провода внутрь провода, где он не захватывает весь заключенный ток (см. (Рисунок)).

Решение Для любой круговой траектории радиусом r , центрированной на проводе,

По закону Ампера это равно полному току, проходящему через любую поверхность, ограниченную путем интегрирования.

Сначала рассмотрим круговую траекторию внутри провода, как показано в части (а) (Рисунок). Нам нужен ток I , проходящий через область, ограниченную дорожкой. Она равна плотности тока Дж, умноженной на замкнутой площади.Поскольку ток однороден, плотность тока внутри пути равна плотности тока во всем проводе, что составляет Следовательно, ток I , проходящий через область, ограниченную путем, равен

Мы можем учитывать это соотношение, потому что плотность тока Дж постоянна по всей площади провода. Следовательно, плотность тока на части провода равна плотности тока на всей площади. Используя закон Ампера, получаем

, а магнитное поле внутри провода —

За пределами провода ситуация идентична ситуации с бесконечным тонким проводом из предыдущего примера; то есть

Вариант B с r показан на (Рисунок).

Изменение магнитного поля, создаваемое током в длинном прямом проводе радиусом a .

Значение Результаты показывают, что по мере увеличения радиального расстояния внутри толстой проволоки магнитное поле увеличивается от нуля до известного значения магнитного поля тонкой проволоки. Вне провода поле спадает независимо от того, толстый он или тонкий.

Этот результат аналогичен тому, как закон Гаусса для электрических зарядов ведет себя внутри однородного распределения заряда, за исключением того, что закон Гаусса для электрических зарядов имеет однородное объемное распределение заряда, тогда как закон Ампера здесь имеет однородную область распределения тока.Кроме того, падение за пределы толстого провода аналогично тому, как электрическое поле спадает за пределами линейного распределения заряда, поскольку оба случая имеют одинаковую геометрию, и ни один из случаев не зависит от конфигурации зарядов или токов, когда петля выходит за пределы распространение.

Проверьте свое понимание Рассмотрите возможность использования закона Ампера для расчета магнитных полей конечного прямого провода и кольцевой петли провода. Почему это бесполезно для этих расчетов?

В этих случаях интегралы вокруг петли Ампера очень сложны из-за отсутствия симметрии, поэтому этот метод не будет полезен.

Сводка

  • Магнитное поле, создаваемое током, идущим по любому пути, является суммой (или интегралом) полей, создаваемых сегментами вдоль пути (величина и направление, как для прямого провода), что приводит к общему соотношению между током и полем, известному как коэффициент Ампера. закон.
  • Закон Ампера можно использовать для определения магнитного поля по тонкой или толстой проволоке с помощью геометрически удобного пути интегрирования. Результаты соответствуют закону Био-Савара.

Концептуальные вопросы

Действует ли закон Ампера для всех закрытых путей? Почему обычно не используется для расчета магнитного поля?

Закон Ампера действителен для всех замкнутых путей, но он бесполезен для расчета полей, когда создаваемое магнитное поле не имеет симметрии, которая может быть использована подходящим выбором пути.

Глоссарий

Закон Ампера
физический закон, который гласит, что линейный интеграл магнитного поля вокруг электрического тока пропорционален току

Кабель 101 | Проволочный трос и кабель

Выбор троса

При выборе троса для наилучшего обслуживания необходимо учитывать четыре требования.Правильный выбор делается путем правильной оценки относительной важности этих требований и выбора веревки, которая имеет характеристики, наилучшим образом подходящие для того, чтобы выдерживать последствия длительного использования. Канат должен обладать:

  1. прочностью, достаточной для выдерживания максимальной нагрузки, которая может быть приложена, с надлежащим запасом прочности.
  2. Способность выдерживать многократные изгибы без выхода из строя проволоки от усталости.
  3. Способность противостоять абразивному износу.
  4. Способность противостоять деформации и раздавливанию, иначе называемым злоупотреблением.

Прочность

При эксплуатации канат подвергается нескольким видам напряжений. Наиболее часто встречающимися напряжениями являются прямое растяжение, напряжение из-за ускорения, напряжение из-за внезапных или ударных нагрузок, напряжение из-за изгиба и напряжение, возникающее в результате одновременного действия нескольких сил. По большей части эти напряжения можно преобразовать в простое натяжение, и можно выбрать веревку приблизительно правильной прочности. Поскольку прочность каната определяется его размером, маркой и конструкцией, следует учитывать эти три фактора.

Факторы безопасности

Фактор безопасности — это отношение прочности каната к рабочей нагрузке. Трос с прочностью 10 000 фунтов и общей рабочей нагрузкой 2 000 фунтов будет работать с коэффициентом безопасности пять.

Невозможно установить коэффициенты безопасности для различных типов канатов, использующих оборудование, так как этот коэффициент может варьироваться в зависимости от условий на отдельных единицах оборудования.

Надлежащий коэффициент запаса прочности зависит не только от прилагаемых нагрузок, но и от скорости работы, ударной нагрузки, типа арматуры, используемой для закрепления концов каната, ускорения и замедления, длины каната, количества, размер и расположение шкивов и барабанов, факторы, вызывающие абразивный износ и коррозию, и средства для проверки.

Усталость

Усталостное разрушение проволок каната является результатом распространения небольших трещин при многократном приложении изгибающих нагрузок. Это происходит, когда канаты проходят через сравнительно небольшие связки или барабаны. Повторяющееся изгибание отдельных проволок, когда веревка изгибается при прохождении через шкивы или барабаны, и выпрямление отдельных проволок, когда веревка выходит из шкивов или барабанов, вызывает усталость. Влияние усталости на проволоку можно проиллюстрировать путем многократного сгибания проволоки вперед и назад, пока она не порвется.

Лучшим средством предотвращения преждевременного утомления тросов является использование шкивов и барабанов подходящего размера. Для повышения устойчивости к усталости следует использовать веревку более гибкой конструкции, поскольку повышенная гибкость обеспечивается за счет использования проволоки меньшего размера.

Абразивный износ

Способность троса противостоять истиранию определяется размером, содержанием углерода и марганца, термообработкой внешней проволоки и конструкцией троса. Более крупные внешние провода менее гибких конструкций лучше выдерживают истирание, чем более тонкие внешние провода более гибких канатов.Более высокое содержание углерода и марганца и термическая обработка, используемая при производстве проволоки для более прочных канатов, делают канаты более высокого качества более устойчивыми к абразивному износу, чем канаты более низкого качества. Факторы, влияющие на сопротивление

— Engineer-Educators.com

  1. Сопротивление металлического проводника зависит от типа материала проводника. Было указано, что некоторые металлы обычно используются в качестве проводников из-за большого количества свободных электронов на их внешних орбитах.Медь обычно считается лучшим доступным материалом для проводников, поскольку медная проволока определенного диаметра обеспечивает меньшее сопротивление току, чем алюминиевая проволока того же диаметра. Однако алюминий намного легче меди, и по этой причине, а также по соображениям стоимости алюминий часто используется, когда важен весовой коэффициент.
  2. Сопротивление металлического проводника прямо пропорционально его длине. Чем больше длина провода данного размера, тем больше сопротивление.На рисунке 40 показаны двухпроводные жилы разной длины. Если напряжение электрического давления приложено к двум концам проводника длиной 1 фут и сопротивление движению свободных электронов предполагается равным 1 Ом, ток ограничивается 1 ампер. Если провод того же размера удвоить в длину, те же электроны, приведенные в движение под действием приложенного 1 вольта, теперь обнаруживают удвоенное сопротивление; следовательно, текущий поток будет уменьшен вдвое.
  3. Сопротивление металлического проводника обратно пропорционально площади поперечного сечения.Эта область может быть треугольной или даже квадратной, но обычно круглой. Если площадь поперечного сечения проводника увеличена вдвое, сопротивление току уменьшится вдвое. Это верно из-за увеличенной площади, в которой электрон может перемещаться без столкновения или захвата атомом. Таким образом, сопротивление изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.
  4. Четвертым важным фактором, влияющим на сопротивление проводника, является температура. Хотя некоторые вещества, такие как углерод, демонстрируют снижение сопротивления при повышении температуры окружающей среды, большинство материалов, используемых в качестве проводников, увеличивают сопротивление при повышении температуры.Сопротивление некоторых сплавов, таких как константан и манганин ™, очень мало изменяется при изменении температуры. Величина увеличения сопротивления 1-омного образца проводника на один градус повышения температуры выше 0 ° по Цельсию (C), принятого стандарта, называется температурным коэффициентом сопротивления. Для каждого металла это разные значения; например, для меди это значение составляет примерно 0,00427 Ом. Таким образом, медный провод, имеющий сопротивление 50 Ом при температуре 0 ° C, будет иметь увеличение сопротивления 50 × 0.00427, или 0,214 Ом, на каждый градус повышения температуры выше 0 ° C. Температурный коэффициент сопротивления необходимо учитывать там, где наблюдается заметное изменение температуры проводника во время работы. Доступны графики с указанием температурных коэффициентов сопротивления для различных материалов. На рисунке 41 показана таблица «удельного сопротивления» некоторых распространенных электрических проводников.

Рисунок 40. Сопротивление зависит от длины проводника. Рисунок 41. Таблица удельного сопротивления.

Сопротивление материала определяется четырьмя свойствами: материалом, длиной, площадью и температурой. Первые три свойства связаны следующим уравнением при T = 20 ° C (комнатная температура):

Open Textbooks | Сиявула

Математика

Наука

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 7A

        • Марка 7Б

        • Оценка 7 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 7А

        • Граад 7Б

        • Граад 7 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • класс 8A

        • Марка 8Б

        • Оценка 8 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 8А

        • Граад 8Б

        • Граад 8 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 9А

        • Марка 9Б

        • 9 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 9А

        • Граад 9Б

        • Граад 9 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 4A

        • Класс 4Б

        • Класс 4 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 4А

        • Граад 4Б

        • Граад 4 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Марка 5А

        • Марка 5Б

        • Оценка 5 (вместе A и B)

      • Африкаанс

        • Граад 5А

        • Граад 5Б

        • Граад 5 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

    • Читать онлайн
    • Учебники

      • Английский

        • Класс 6A

        • класс 6Б

        • 6 класс (A и B вместе)

      • Африкаанс

        • Граад 6А

        • Граад 6Б

        • Граад 6 (A en B saam)

    • Пособия для учителя

Наша книга лицензионная

Эти книги не просто бесплатные, они также имеют открытую лицензию! Один и тот же контент, но разные версии (брендированные или нет) имеют разные лицензии, как объяснено:

CC-BY-ND (фирменные версии)

Вам разрешается и поощряется свободное копирование этих версий.Вы можете делать ксерокопии, распечатывать и распространять их сколь угодно часто. Вы можете скачать их на свой мобильный телефон, iPad, ПК или флешку. Вы можете записать их на компакт-диск, отправить по электронной почте или загрузить на свой веб-сайт. Единственное ограничение заключается в том, что вы не можете адаптировать или изменять эти версии учебников, их содержание или обложки каким-либо образом, поскольку они содержат соответствующие бренды Siyavula, спонсорские логотипы и одобрены Департаментом базового образования. Для получения дополнительной информации посетите Creative Commons Attribution-NoDerivs 3.0 Непортированный.

Узнайте больше о спонсорстве и партнерстве с другими, которые сделали возможным выпуск каждого из открытых учебников.

CC-BY (версии без бренда)

Эти небрендированные версии одного и того же контента доступны для вас, чтобы вы могли делиться ими, адаптировать, трансформировать, модифицировать или дополнять их любым способом, с единственным требованием — дать соответствующую оценку Siyavula.