Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Размеры проводов

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Размеры проводов[1]

Здравый смысл и жизненная логика подсказывают, что по трубам большого диаметра жидкость течёт легче, чем по трубам малого диаметра (если хотите убедиться в этом лично, попробуйте попить жидкость через соломинки разной толщины). Тот же общий принцип и для потока электронов, протекающего по проводнику: чем шире площадь поперечного сечения (толщина) проводника, тем больше места для манёвра и, следовательно, тем меньше препятствий для электронного потока (т.е. наблюдается меньшее сопротивление).

Два основных вида электрического провода: одножильный и многожильный

Электрический провод обычно имеет круглое поперечное сечение (хотя и далеко не всегда) и относится к одному из двух основных разновидностей: одножильному и многожильному. Сплошная медная проволока – это выглядит именно так, как и звучит: одна сплошная медная жила по всей длине провода. Многожильный провод состоит из более мелких жил сплошного медного провода, скрученных вместе, образуя один общий провод большего размера.

Главным преимуществом многожильного провода является его механическая гибкость, способность выдерживать многократные изгибы и скручивания намного лучше, чем в случае с одножильным проводом (для меди вообще характерна так называемая «усталость металла», в результате чего медный провод ломается после многократных деформаций).

Под размером провода можно подразумевать разные понятия. Мы могли бы говорить о диаметре проволоки, но так как в контексте движения потока электронов нам прежде всего интересна вся область поперечного сечения, размер провода будем обозначать с точки зрения площади.

Рис. 1. Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра.
Рис. 1. Определение размера провода – площади поперечного сечения, вычисляемой на основе диаметра.

Сечение провода, на рисунке выше, разумеется, показано не в масштабе «один к одному». Диаметр обозначен как равный 0,1019 дюйма. Вычисляем площадь поперечного сечения по формуле Площадь = πr2, получаем в итоге 0,008155 квадратных дюймов:

Рис. 2. Формула для нахождения площади поперечного сечения.
Рис. 2. Формула для нахождения площади поперечного сечения.
Примечание

В данной главе автор обозначает площадь буквой A, от слова Area. Обычно в технической/учебной/научной литературе, особенно в русскоязычной, площадь в формулах принято обозначать буквой S, от слова Square. Но перевод самого слова «square» – это больше про вычисление площадей прямоугольников и квадратов, а здесь специально подчёркивается, что поперечное сечение провода как раз обычно имеет не квадратную форму).

С получаемыми небольшими числами работать не совсем удобно, поэтому размеры проводов часто переводят в тысячные доли дюйма (называемые также милы). Для проиллюстрированного примера мы бы сказали, что диаметр проволоки составляет 101,9 мил (0,1019 дюйма умножаем на 1000, чтобы перейти к тысячным долям дюйма). Мы также могли бы, если бы захотели, выразить площадь провода в квадратных милах, вычислив это значение по той же формуле круга и площади, Площадь = πr2:

Рис. 3. При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы.
Рис. 3. При нахождении площади поперечного сечения (представляющего собой круг) проволоки, переведём дюймы в милы.
Рис. 4. Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены в милах, а не в дюймах.
Рис. 4. Используем формулу для поперечного сечения провода (представляющего собой круг), расчёты выполнены в милах, а не в дюймах.

Расчёт круглого поперечного сечения провода в милах

Однако электрики и вообще те, кто работает с размерами проводов, используют другую единицу измерения площади, специально разработанную для круглого сечения провода. Эта специальная единица называется круговым милом (в англоязычной технической литературе используется сокращение cmil от circular mil). Эта специальная единица измерения нужна только для того, чтобы избавиться от необходимости использовать коэффициент π (3,1415927...) в формуле для вычисления площади, а также при этом не нужно вычислять радиус провода, если уже задан диаметр. Формула для расчёта площади в милах для провода с круглым сечением очень проста:

Рис. 5. Формула для нахождения площади провода в круговых милах.
Рис. 5. Формула для нахождения площади провода в круговых милах.

Поскольку, хоть мы и избавились от числа «пи», это единица измерения площади, степень 2 никуда не делась (удвоение ширины круга всегда увеличивает его площадь в четыре раза, независимо от того, какие единицы используются, или если ширина круга определяется хоть через радиус хоть через диаметр). Чтобы проиллюстрировать разницу между измерениями в квадратных милах и круговых милах, сравним круг с квадратом, показывая площадь каждой формы в обеих единицах измерения:

Рис. 6. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.
Рис. 6. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.

Удвоим размер проволоки:

Рис. 7. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.
Рис. 7. Разница между измерениями в квадратных и круговых милах.

Очевидно, круг заданного диаметра имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем квадрат ширины и высоты, равный диаметру круга: обе единицы измерения площади (квадратные милы и круговые милы) отражают это.

Однако, надеюсь, понятно, что единица измерения «квадратный мил» действительно предназначена для удобного определения площади квадрата, в то время как единица измерения «круговой мил» предназначена для удобного определения площади именно круга: в зависимости от того, какую форму имеет сечение провода и выбираем соответствующую формулу. Следует также понимать, что обе единицы применимы для измерения площади любой формы, какой бы она ни была. Переводить круговые милы в квадратные и обратно легко, если помнить простое соотношение: на каждые 4 круговых мила приходится π (3,1415927...) квадратных мила.

Измерение площади поперечного сечения провода с помощью калибра

Другой мерой площади поперечного сечения провода является калибр. Шкала калибров основана на целых числах, а не на дробных или десятичных дюймах. Чем больше номер калибра, тем тоньше провод; чем меньше номер калибра, тем провод толще. Для тех, кто имел дело с огнестрельным оружием, эта обратно пропорциональная шкала измерения должна показаться знакомой.

В таблице ниже показано, как калибры сплошной проволоки соотносятся с диаметром в дюймах и площадью поперечного сечения (имеющего форму круга), выраженной в круговых или квадратных милах. Провода большего диаметра, достигших конца общей шкалы калибров (которая при увеличении размера провода естественным образом упирается в крайнее целочисленное значение 1) и представлены сериями нулей: 0, 00, 000, 0000. Впрочем, вместо нулей принято обозначать вот так: «3/0» (вместо 000), при этом в данном случае произносится как «тройной нуль». Опять же, тем, кто имеет дело с огнестрелом, следует принять эту терминологию, даже если она им кажется противоестественной. Что ещё больше запутывает ситуацию, так это то, что в мире существует и другие калибровочные стандарты. В рамках именно этого учебного курса мы будем ориентироваться на американскую систему калибров проводов (называемую AWG, от American Wire Gauge), также этот стандарт известен как калибр Брауна и Шарпа (B&S). В Канаде и Великобритании распространён британский стандарт (SWG, от British Standard Wire Gauge, где в аббревиатуру почему-то не попала первая буква B) – это в этих странах юридически закреплённая система измерения электрических проводов. Есть в мире и другие системы проводной калибровки, например, Steel Music Wire Gauge (обозначается как MWG, тоже куда-то сгинула первая буква из аббревиатуры), но эти измерительные системы применяются для неэлектрической проволоки (в случае с MWG классифицируется толщина струн для музыкальных инструментов).

Когда разрабатывали американскую систему AWG, несмотря на все её странности, создатели преследовали вполне определённую цель: на каждые три шага по калибровочной шкале площадь провода (и вес на единицу длины) примерно удваивается. Это весьма удобно при приблизительной оценке размера проволоки!

Для очень больших размеров проволоки (толще 4/0, что выходит за пределы таблицы) от системы калибра проволоки обычно отказываются и измеряют площадь поперечного сечения в тысячах круговых мил (обозначается латинскими буквами MCM, где римская цифра «M» обозначает числа, кратные тысяче, а «CM» – это круговые милы). В следующей таблице для классификации проводов не указаны размеры, превышающие калибр 4/0, потому что сплошной медный провод с такими размерами совершенно непрактичен в использовании. Если нужны толстые мощные провода, то лучше использовать многожильные варианты.

Калибровочная таблица для сплошных круглых медных проводов:
Размер Диаметр Площадь поперечного сечения Вес на единицу длины
система AWG дюймы круговые милы квадратные дюймы фунт / 1000 футов
4/0 (0000) 0,4600 211 600 0,1662 640,5
3/0 (000) 0,4096 167 800 0,1318 507,9
2/0 (00) 0,3648 133 100 0,1045 402,8
1/0 (0) 0,3249 105 500 0,08289 319,5
1 0,2893 83 690 0,06573 253,5
2 0,2576 66 370 0,05213 200,9
3 0,2294 52 630 0,04134 159,3
4 0,2043 41 740 0,03278 126,4
5 0,1819 33 100 0,02600 100,2
6 0,1620 26 250 0,02062 79,46
7 0,1443 20 820 0,01635 63,02
8 0,1285 16 510 0,01297 49,97
9 0,1144 13 090 0,01028 39,63
10 0,1019 10 380 0,008155 31,43
11 0,09074 8 234 0,006467 24,92
12 0,08081 6 530 0,005129 19,77
13 0,07196 5 178 0,004067 15,68
14 0,06408 4 107 0,003225 12,43
15 0,05707 3 257 0,002558 9,858
16 0,05082 2,583 0,002028 7,818
17 0,04526 2 048 0,001609 6,200
18 0,04030 1 624 0,001276 4,917
19 0,03589 1 288 0,001012 3,899
20 0,03196 1 022 0,0008023 3,092
21 0,02846 810,1 0,0006363 2,452
22 0,02535 642,5 0,0005046 1,945
23 0,02257 509,5 0,0004001 1,542
24 0,02010 404,0 0,0003173 1,233
25 0,01790 320,4 0,0002517 0,9699
26 0,01594 254,1 0,0001996 0,7692
27 0,01420 201,5 0,0001583 0,6100
28 0,01264 159,8 0,0001255 0,4837
29 0,01126 126,7 0,00009954 0,3836
30 0,01003 100,5 0,00007894 0,3042
31 0,008928 79,70 0,00006260 0,2413
32 0,007950 63,21 0,00004964 0,1913
33 0,007080 50,13 0,00003937 0,1517
34 0,006305 39,75 0,00003122 0,1203
35 0,005615 31,52 0,00002476 0,09542
36 0,005000 25,00 0,00001963 0,07567
37 0,004453 19,83 0,00001557 0,06001
38 0,003965 15,72 0,00001235 0,04759
39 0,003531 12,47 0,000009793 0,03774
40 0,003145 9,888 0,000007766 0,02993
41 0,002800 7,842 0,000006159 0,02374
42 0,002494 6,219 0,000004884 0,01882
43 0,002221 4,932 0,000003873 0,01493

Иногда (в случаях со сверхвысокими токами) требуются провода с сечением, превышающим практический предел диаметра круглого провода. В этих случаях в качестве проводов используются толстые шины из твёрдого металла, называемые сборными шинами. Шины обычно изготавливаются из меди или алюминия и чаще всего не изолированы. Они физически расположены на расстоянии от каркаса или конструкции, удерживающей их, с помощью изоляционных опор. Хотя зачастую поперечное сечение является квадратным или прямоугольным, широко распространены и другие формы шины. Площадь поперечного сечения шин обычно измеряется в круговых милах (даже если форма квадратная или прямоугольная!). Скорее всего это из-за того, чтобы было удобно напрямую соотнести размер шины с круглым проводом.

Итог

  • Ток течёт по проводам большего диаметра легче, чем по проводам меньшего диаметра, так как ввиду большей площади поперечного сечения электронам проще двигаться по проводнику.
  • Вместо того, чтобы измерять небольшие размеры проволоки в дюймах, часто используется единица измерения «мил» (1/1000 дюйма).
  • Площадь поперечного сечения провода может быть выражена в квадратных единицах (квадратные дюймы или квадратные милы), в круговых милах или же посредством калибровочной шкалы.
  • Расчёт площади в квадратных единицах для круглого провода выполняется с помощью обычной формулы для нахождения площади круга: A = πr2 (квадратные единицы измерения).
  • Расчёт площади проволоки с сечением в виду круга в милах намного проще из-за того, что единица измерения «круговой мил» специально придумана именно для этой цели: чтобы из классической формулы для нахождения площади исключить иррациональное число «пи», а также для того, чтобы не вычислять радиус как половину известного диаметра. A = d2 (круговые единицы измерения)
  • На каждые 4 круговых мила приходится π (3,1416…) квадратных мила.
  • Система калибровки проводов основана на целых числах, при этом бо́льшие числа представляют провода меньшей площади сечения, и наоборот – меньшие числа представляют провода большей площади сечения. Провода толщиной более 1 калибра обозначаются нулями: 0, 00, 000 и 0000 (произносятся «одинарный ноль», «двойной ноль», «тройной ноль» и «четверной ноль».
  • Очень большие сечения проводов измеряются в тысячах круговых милов (MCM, где приставка M это римская «тысяча», а вовсе не «мега», обозначающая той же буквой «миллион» в системе приставок Си), что распространено при использовании сборных шин и проводов с сечением выше, чем 4/0.
  • Шины – это сплошные шины из меди или алюминия, используемые в конструкциях сильноточных цепей. Соединения, выполняемые с шинами, обычно являются сварными или болтовыми, а сами шины часто голые (т.е. не изолированные), поддерживаемые поодаль от металлических каркасов с помощью изоляционных стоек.

См.также

Внешние ссылки