In der Elektronentheorie umkreisen negativ geladene Elektronen den Kern (positive Ladung) auf festen Bahnen. Materialien, in denen Elektronen leicht von einem äußeren elektrischen Feld angezogen werden und von ihren Bahnen abfliegen, um freie Elektronen zu werden, werden als Leiter bezeichnet. Metalle können Elektrizität leiten, weil sie unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes eine große Anzahl freier Elektronen erzeugen. Diese freien Elektronen bewegen sich von niedrigem zu hohem Potential und bilden einen Elektronenfluss oder elektrischen Strom.
Metalle bestehen aus Atomen, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind, einer Kristallstruktur, die als Gitter bekannt ist. Wenn freie Elektronen durch ein elektrisches Feld beschleunigt und gelenkt werden, stoßen sie ständig mit Atomen und miteinander zusammen, wodurch ihre Bewegung verlangsamt und Energie abgeleitet wird. Folglich weisen leitfähige Materialien einen gewissen Widerstand gegen den Fluss des elektrischen Stroms auf. Dieser Widerstand wird als Widerstand bezeichnet und stellt den Widerstand des Leiters gegen den Stromfluss dar.
Der spezifische Widerstand ist der Widerstand eines Leiters aus einem bestimmten Material, das eine Standardlängeneinheit und eine Standardquerschnittsflächeneinheit bei einer bestimmten Temperatur aufweist.
Diese Definition lässt sich anhand einer Formel besser verstehen:
R=ρ·L/A
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R ist die Widerstand des Leiters, mit der Einheit Ohm (Ω).
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ρ(Rho) ist der spezifische Widerstand, mit der Einheit Ohm-Meter (Ω·m).
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L ist die Länge des Leiters, mit der Einheit Meter (m).
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A ist die Querschnittsfläche des Leiters, mit der Einheit Quadratmeter (m2).
Spezifischer Widerstand und Leitfähigkeit stehen in umgekehrtem Verhältnis zueinander.
Je größer die Leitfähigkeit, desto kleiner der Widerstand des Materials und desto besser die Leitfähigkeit.
In der Wirbelstromprüfungstechnologie benötigt die Leitfähigkeit keinen absoluten Wert, sondern einen relativen Wert. Am häufigsten wird der International Annealed Copper Standard (IACS) verwendet, eine nicht-internationale Einheit, die die Metallleitfähigkeit darstellt.
Um die Unterscheidung zwischen Materialien zu erleichtern, legte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 1913 fest, dass die industrielle hochreine Kupferkalibrierung in einem geglühten Zustand mit einem spezifischen Widerstand von 1 m Länge und 1 mm2 Querschnittsfläche bei 20 °C Temperatur 1,7241×10−8Ω⋅m1,7241×10−8Ω⋅m betrug, die Leitfähigkeit von 100 % IACS100 % IACS, und der spezifische Widerstand anderer Metalle oder Legierungen ρXρX und die Leitfähigkeit σxσx sind das Verhältnis der Leitfähigkeit von industriellem hochreinem Kupfer in diesem geglühten Zustand unter 20 °C als die Leitfähigkeit des Metalls oder der Legierung, die als Prozentsatz ausgedrückt wird, d. h. % IACS oder PIACS (P ist ein Prozentsatz)
Temperatur
Spezifischer Widerstand, Leitfähigkeit und Temperaturkoeffizient des Widerstands typischer Metalle und Legierungen
Legierungszusammensetzung
Bei Festlösungslegierungsmaterialien (Auswirkungen sind gleichmäßig in Metallsubstraten verteilt) nimmt der spezifische Widerstand bei unregelmäßiger Anordnung der Legierungsatome, d. h. ungeordneter Festlösung, im Allgemeinen mit zunehmenden Legierungskomponenten zu. Wenn die Legierungsatome jedoch in einem bestimmten Verhältnis in ein sehr regelmäßiges Kristallgitter angeordnet sind, d. h. eine geordnete Festlösung, weist ihr spezifischer Widerstand mit der Änderung der Legierungskomponenten einen Minimalwert auf.
Materialien mit unterschiedlichen Legierungskomponenten haben unterschiedliche Leitfähigkeiten, was nicht nur die Grundlage der Materialsortiermethode in der Wirbelstromprüfungstechnologie ist, sondern auch einer der wichtigen Faktoren, die bei der Wirbelstromprüfung berücksichtigt werden müssen, die die Impedanz der Prüfspule beeinflussen.
Verunreinigungsgehalt
Verunreinigungen in Metallen können zu einer Verzerrung des Metallgitters führen, die die Anordnung der Atome im Material beeinflusst, eine Elektronenstreuung verursacht und den spezifischen Widerstand erhöht.
Spannung
Die im Metall vorhandene innere Spannung kann dazu führen, dass sich das Metallgitter verformt, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Elektronenstößen erhöht und somit der spezifische Widerstand erhöht wird. Beispielsweise erhöht die Spannung einer unidirektionalen Zug- oder Torsion innerhalb des elastischen Bereichs den spezifischen Widerstand des Metalls, während unter der Einwirkung einer unidirektionalen Druckspannung der spezifische Widerstand für die meisten Metalle verringert wird, oder die innere Spannung des Metalls nach der Kaltbearbeitung und Wärmebehandlung verringert ebenfalls die Leitfähigkeit.
Normale Verformung durch Warm- und Kaltbearbeitung erreicht
Das Ergebnis der normalen Verformung ist, dass die atomare Anordnungsstruktur verformt wird und die Wahrscheinlichkeit von Elektronenstößen zunimmt. Je größer der Verformungsgrad, desto größer nimmt der spezifische Widerstand zu. Bei kaltbearbeiteten Metallen kann der spezifische Widerstand jedoch nach einer langfristigen Hochtemperaturerwärmung wie Glühen und Beseitigung der Gitterverformung auf einen niedrigen Wert nahe dem ursprünglichen Wert reduziert werden.
Wärmebehandlungsprozess
Die Leitfähigkeit desselben Materials variiert unter verschiedenen Wärmebehandlungszuständen. Einkristallmetalle oder vollständig geglühte hochreine Metalle weisen tendenziell eine hohe Leitfähigkeit auf, während Legierungen eine geringere Leitfähigkeit aufweisen. Das Glühen von Metallen wie Aluminium, Silber, Kupfer, Eisen nach der Kaltbearbeitung verringert den spezifischen Widerstand. Der Widerstand des Materials nimmt normalerweise mit zunehmender Glühtemperatur ab, aber wenn die Glühtemperatur höher als die Rekristallisationstemperatur ist, nimmt der Widerstand stattdessen zu.
Darüber hinaus weisen auch verschiedene Arten von Materialien (Isolatoren, Leiter, Halbleiter) unterschiedliche Leitfähigkeiten auf.
Um ein tieferes Verständnis der Wirbelstromprüfung zu haben, müssen Sie auch die magnetische Permeabilität kennen.
Lesen Sie unseren Beitrag für Teil zwei.
SCHLÜSSELWÖRTER:
Wie sich die Temperatur auf die Metallleitfähigkeit auswirkt, Auswirkung von Verunreinigungen auf den spezifischen Widerstand, Metallgitterdefekte und Leitfähigkeit, Physikalische Grundlagen der Wirbelstromprüfung, Leitfähigkeit vs. spezifischer Widerstand
