Was bestimmt den Widerstand eines Leiters?
Der Widerstand und sein Kehrwert – die elektrische Leitfähigkeit – sind für Leiter aus chemisch reinen Metallen eine charakteristische physikalische Größe, dennoch sind ihre Widerstandswerte mit relativ geringer Genauigkeit bekannt.
Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass der Widerstandswert von Metallen stark von verschiedenen zufälligen, schwer kontrollierbaren Umständen beeinflusst wird.
Erstens erhöhen oft geringfügige Verunreinigungen des reinen Metalls dessen Widerstandsfähigkeit.
Das wichtigste Metall für die Elektrotechnik ist HonigAls besonders empfindlich erweist sich in dieser Hinsicht das Material, aus dem Drähte und Kabel für die Verteilung elektrischer Energie hergestellt werden.
Vernachlässigbar kleine Verunreinigungen von Kohlenstoff mit 0,05 % erhöhen den Widerstand von Kupfer um 33 % im Vergleich zum Widerstand von chemisch reinem Kupfer, eine Verunreinigung von 0,13 % Phosphor erhöht den Widerstand von Kupfer um 48 %, 0,5 % Eisen um 176 %, Spuren von Zink in einer Menge, die aufgrund seiner Kleinheit schwer zu messen ist, nämlich 20 %.
Der Einfluss von Verunreinigungen auf die Beständigkeit anderer Metalle ist geringer als bei Kupfer.
Die Beständigkeit von Metallen, ob chemisch rein oder allgemein mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung, hängt von der Art ihrer thermischen und mechanischen Behandlung ab.
Durch Walzen, Ziehen, Abschrecken und Glühen kann sich der spezifische Widerstand des Metalls um mehrere Prozent ändern.
Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass das geschmolzene Metall während der Erstarrung kristallisiert und zahlreiche und zufällig verteilte kleine Einkristalle bildet.
Jede mechanische Bearbeitung zerstört diese Kristalle teilweise und verschiebt ihre Gruppen relativ zueinander, wodurch sich die gesamte elektrische Leitfähigkeit eines Metallstücks normalerweise in Richtung zunehmenden Widerstands ändert.
Längeres Glühen bei einer günstigen Temperatur, die für verschiedene Metalle unterschiedlich ist, geht mit einer Kristallreduktion einher und verringert in der Regel den Widerstand.
Es gibt Methoden, die es ermöglichen, bei der Erstarrung geschmolzener Metalle mehr oder weniger signifikante Einkristalle (Einkristalle) zu erhalten.
Wenn das Metall Kristalle des richtigen Systems ergibt, dann ist der Widerstand der Einkristalle eines solchen Metalls in alle Richtungen gleich. Gehören die Metallkristalle zu einem hexagonalen, tetragonalen oder trigonalen System, so hängt der Widerstandswert des Einkristalls von der Stromrichtung ab.
Die Grenzwerte (Extremwerte) ergeben sich in Richtung der Symmetrieachse des Kristalls und in Richtung senkrecht zur Symmetrieachse, in allen anderen Richtungen weist der Widerstand Zwischenwerte auf.
Mit herkömmlichen Methoden gewonnene Metallstücke mit einer zufälligen Verteilung kleiner Kristalle weisen einen Widerstand auf, der einem bestimmten Durchschnittswert entspricht, es sei denn, bei der Erstarrung stellt sich eine mehr oder weniger geordnete Kristallverteilung ein.
Daraus wird deutlich, dass der Widerstand von Proben anderer chemisch reiner Metalle, deren Kristalle nicht zum richtigen System gehören, keine vollständig bestimmten Werte annehmen kann.
Widerstandswerte der gängigsten leitenden Metalle und Legierungen bei 20 °C: Widerstand und elektrische Leitfähigkeit von Stoffen
Der Einfluss der Temperatur auf den Widerstand verschiedener Metalle ist Gegenstand zahlreicher und gründlicher Untersuchungen, da die Frage nach diesem Effekt von großer theoretischer und praktischer Bedeutung ist.
Reine Metalle Temperaturkoeffizient des Widerstands, liegt größtenteils nahe am Temperaturkoeffizienten der thermischen Längenausdehnung von Gasen, d.h. er unterscheidet sich kaum von 0,004, daher ist der Widerstand im Bereich von 0 bis 100 °C annähernd proportional zur absoluten Temperatur.
Bei Temperaturen unter 0° sinkt der Widerstand schneller als die absolute Temperatur und desto schneller sinkt die Temperatur. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt geht der Widerstand einiger Metalle praktisch gegen Null. Bei hohen Temperaturen über 100° steigt der Temperaturkoeffizient der meisten Metalle langsam an, d. h. der Widerstand steigt etwas schneller als die Temperatur.
Interessante Fakten:
Die sogenannte ferromagnetische Metalle (Eisen, Nickel und Kobalt) Der Widerstand steigt viel schneller als die Temperatur.Schließlich zeigen Platin und Palladium einen Anstieg des spezifischen Widerstands, der etwas hinter dem Temperaturanstieg zurückbleibt.
Zur Messung hoher Temperaturen werden die sogenannten Platin-Widerstandsthermometer, bestehend aus einem Stück dünnen reinen Platindrahts, der spiralförmig über ein Rohr aus isolierender Substanz gewickelt oder sogar in die Wände eines Quarzrohrs eingeschmolzen ist. Durch Messung des Widerstands des Drahtes können Sie dessen Temperatur aus einer Tabelle oder aus einer Kurve für einen Temperaturbereich von -40 bis 1000 °C ermitteln.
Unter anderen Stoffen mit metallischer Leitfähigkeit sind Kohle, Graphit und Anthrazit zu nennen, die sich von Metallen mit negativem Temperaturkoeffizienten unterscheiden.
Der Widerstand von Selen in einer seiner Modifikationen (metallisches, kristallines Selen, graues) nimmt bei Einwirkung von Lichtstrahlen deutlich ab. Dieses Phänomen gehört zur Gegend Photovoltaik-Phänomene.
Bei Selen und vielen anderen ähnlichen Substanzen fliegen die Elektronen, die bei der Absorption von Lichtstrahlen von den Atomen der Substanz getrennt werden, nicht durch die Körperoberfläche, sondern verbleiben im Inneren der Substanz, wodurch die elektrische Leitfähigkeit entsteht der Substanz erhöht sich auf natürliche Weise. Das Phänomen wird als intrinsisches photoelektrisches Phänomen bezeichnet.
Siehe auch:
Warum verschiedene Materialien unterschiedliche Widerstände haben
Grundlegende elektrische Eigenschaften von Drähten und Kabeln