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电导体

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架空导线将电力从发电站输送给客户。

在物理和电气工程中,电导体是一种允许电荷(电流)在一个或多个方向流动的物体或材料。金属材料是常见的电导体。在某些情况下,电流是由带负电的电子流、带正电的空穴和正负离子产生的。

为了使电流流动,一个带电粒子不必从产生电流的机器运动到消耗电流的机器。相反,带电粒子只需以一个有限的推理轻推它相邻的粒子,相邻粒子间就会不停地轻推,直到一个粒子被轻推进入消费者体内,从而给机器供电。本质上,正在发生的是移动电荷载流子之间的一长串动量转移;德鲁伊传导模型更严格地描述了这个过程。这种动量转移模型使金属成为导体的理想选择,因为金属的特点是拥有离域的电子海洋,这使电子有足够的移动性碰撞,从而实现动量转移。

如上所述,电子是金属的主要动力;然而,诸如电池的阳离子电解质、或燃料电池质子导体的可移动质子的其他装置,都依赖于正电荷载体。绝缘体是不导电的材料,只有很少的移动电荷,只支持微小的电流。

1 电阻和电导编辑

两端都有电触点的一块电阻材料。

给定导体的电阻取决于它的材料和尺寸。对于给定的材料,电阻与横截面积成反比[1]。 例如,粗铜线的电阻比相同的细铜线低。此外,对于给定的材料,电阻与长度成正比;例如,长铜线比其他相同的短铜线具有更高的电阻。因此,等截面导体的电阻R和电导G可以计算为[1]

  

其中    是导体的长度,以米(m)为单位,A是导体的横截面积,以平方米(m2)为单位,σ是以西门子每米(S·m−1)为单位测量的电导率,ρ是材料的电阻率(也称为电阻率),以欧姆米(Ω·m)为单位测量。电阻率和电导率是比例常数,因此仅取决于导线的材料,而不是导线的几何形状。电阻率和电导率是倒数:   。电阻率是材料抵抗电流能力的量度。

这个公式并不精确:它假设导体中的电流密度是完全均匀的,这在实际情况中并不总是正确的。然而,这个公式仍然为长细导线(如电线)提供了一个很好的近似值。

这个公式不精确的另一种情况是交流电(AC),因为趋肤效应会抑制导体中心附近的电流流动。然后,几何横截面不同于电流实际流动的有效横截面,因此电阻高于预期。类似地,如果两个导体携带交流电流彼此靠近,它们的电阻会由于邻近效应而增加。在商用电源频率下,这些效应对于承载大电流的大导体很重要,例如变电站的母线[2] 或承载数百安培以上电流的大电力电缆。

除了导线的几何形状之外,温度对导体的效能也有显著影响。温度在两个主要方面影响导体,第一是材料在受热时会膨胀。材料膨胀的量由特定材料的热膨胀系数决定。这种膨胀(或收缩)将改变导体的几何形状,从而改变其特征电阻。然而,这种影响通常很小,约为10-6。温度的升高也会增加材料中产生的声子数量。声子本质上是晶格振动,或者更确切地说,是材料原子的一个小的谐波运动。很像弹球机的震动,声子用来扰乱电子的路径,导致它们散射。这种电子散射将减少电子碰撞的次数,因此将减少传输的电流总量。

2 导体材料编辑

材料 ρ [Ω·m] 在20℃时 σ [Sm] 在20℃时
1.59 × 10−8 6.30 × 107
1.68 × 10−8 5.96 × 107
2.82 × 10−8 3.50 × 107

导电材料包括金属、电解质、超导体、半导体、等离子体和一些非金属导体,如石墨和导电聚合物。

铜具有高导电性。退火铜是所有其他电导体比较的国际标准;国际退火铜标准电导率为58 MS/m,尽管超纯铜可能略高于101% IACS。电气应用(如建筑电线、电机绕组、电缆和母线)所用的铜的主要等级是耐电解沥青(ETP)铜(CW004A或美国材料试验学会(ASTM)指定C100140)。如果必须焊接或铜焊或在还原气氛中使用高导电率铜,则可以使用无氧高导电率铜(CW008A或ASTM指定C10100)[3]。 因为铜易于焊接或夹紧连接,所以铜仍然是大多数轻型电线最常见的选择。

银的导电率比铜高6%,但是由于成本的原因,在大多数情况下银是不实用的。然而,它被用于特殊设备,如卫星,并作为薄镀层,以减轻高频趋肤效应损失。众所周知,第二次世界大战期间,由于战时铜的短缺,从财政部借来的14,700短吨(13,300吨)银被用于制造卡鲁顿磁铁。

铝线是电力输配中最常见的金属。虽然铜的导电率只有横截面积的61%,但其密度较低,导电率是其质量的两倍。由于铝的重量约为铜的三分之一,因此当需要大导体时,其经济优势相当可观。

铝布线的缺点在于其机械和化学性能。它很容易形成绝缘氧化物,使连接变热。它的热膨胀系数比用于连接器的黄铜材料大,导致连接松动。铝也可能“蠕变”,在负载下缓慢变形,这也会导致连接断开。这些影响可以通过适当设计的连接器和安装中的额外小心来减轻,但是它们使得铝建筑布线在服务中断后不受欢迎。

有机化合物,如辛烷,有8个碳原子和18个氢原子,不能导电。石油是碳氢化合物,因为碳具有四椭圆的性质,并与其他元素如氢形成共价键,它不会失去或获得电子,因此不会形成离子。共价键只是电子的共享。因此,当电流通过时,离子不会分离。所以液体(石油或任何有机化合物)不能导电。

虽然纯水不是电导体,但即使是一小部分离子杂质,如盐,也能迅速将其转化为导体。

3 线规编辑

电线是通过它们的横截面积来测量的。在许多国家,大小以平方毫米表示。在北美,较小的导体用美国线规测量,较大的导体用圆形密耳测量。电线的大小有助于以下参量。

4 导体载流量编辑

导体的载流量,即它能承载的电流量,与其电阻有关:电阻较低的导体能承载较大的电流值。电阻反过来又由导体的材料(如上所述)和导体的尺寸决定。对于给定的材料,横截面积较大的导体比横截面积较小的导体电阻小。

对于裸导体来说,最终极限是电阻导致导体熔化的功率损失点。然而,除了保险丝之外,现实世界中的大多数导线都远低于这个极限。例如,家用电线通常用PVC绝缘,其额定工作温度仅为约60℃,因此,必须限制这种电线中的电流,使其不会将铜导体加热到60℃以上,从而导致火灾风险。其他更昂贵的绝缘材料,如特氟隆或玻璃纤维,可以在更高的温度下工作。

5 各向同性编辑

如果向材料施加电场,并且产生的感应电流方向相同,则该材料被称为各向同性电导体。如果产生的电流与施加的电场方向不同,则该材料被称为各向异性电导体。

参考文献

  • [1]

    ^"Wire Sizes and Resistance" (PDF). Retrieved 2018-01-14..

  • [2]

    ^Fink and Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, pages 17–19.

  • [3]

    ^"High conductivity coppers (electrical)". Copper Development Association (U.K.). Archived from the original on 2013-07-20. Retrieved 2013-06-01..

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