Γιατί διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετική αντίσταση

Η ποσότητα του ρεύματος που διαρρέει ένα καλώδιο είναι ευθέως ανάλογη με την τάση στα άκρα του. Αυτό σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η τάση στα άκρα ενός σύρματος, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα σε αυτό το καλώδιο. Αλλά για την ίδια τάση σε διαφορετικά καλώδια από διαφορετικά υλικά, το ρεύμα θα είναι διαφορετικό. Δηλαδή, εάν η τάση σε διαφορετικά καλώδια αυξάνεται με τον ίδιο τρόπο, τότε η αύξηση της ισχύος ρεύματος θα συμβεί σε διαφορετικά καλώδια με διαφορετικούς τρόπους, και αυτό εξαρτάται από τις ιδιότητες ενός συγκεκριμένου σύρματος.

Για κάθε καλώδιο, η εξάρτηση της τιμής ρεύματος από την εφαρμοζόμενη τάση είναι ατομική και αυτή η εξάρτηση ονομάζεται ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού R… Η αντίσταση σε γενική μορφή μπορεί να βρεθεί με τον τύπο R = U / I, δηλαδή, ως ο λόγος της τάσης που εφαρμόζεται σε έναν αγωγό προς την ποσότητα του ρεύματος που εμφανίζεται σε αυτήν την τάση σε αυτόν τον αγωγό.

Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του ρεύματος σε ένα καλώδιο σε μια δεδομένη τάση, τόσο χαμηλότερη είναι η αντίστασή του και όσο περισσότερη τάση πρέπει να εφαρμοστεί στο καλώδιο για να παραχθεί ένα δεδομένο ρεύμα, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του σύρματος.

Από τον τύπο για την εύρεση της αντίστασης, μπορείτε να εκφράσετε το ρεύμα I = U / R, αυτή η έκφραση ονομάζεται Νόμος του Ohm… Από αυτό μπορεί να φανεί ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση του σύρματος, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα.

Η αντίσταση, όπως ήταν, εμποδίζει τη ροή του ρεύματος, εμποδίζει την ηλεκτρική τάση (ηλεκτρικό πεδίο στο καλώδιο) να δημιουργήσει ακόμα μεγαλύτερο ρεύμα. Έτσι, η αντίσταση χαρακτηρίζει έναν συγκεκριμένο αγωγό και δεν εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται στον αγωγό. Όταν εφαρμόζεται υψηλότερη τάση, το ρεύμα θα είναι υψηλότερο, αλλά η αναλογία U / I, δηλαδή η αντίσταση R, δεν θα αλλάξει.

Στην πραγματικότητα, η αντίσταση ενός σύρματος εξαρτάται από το μήκος του σύρματος, από το εμβαδόν της διατομής του, από την ουσία του σύρματος και από την τρέχουσα θερμοκρασία του. Η ουσία ενός αγωγού σχετίζεται με την ηλεκτρική του αντίσταση μέσω της τιμής του λεγόμενου αντίσταση.

Η αντίσταση είναι αυτό που χαρακτηρίζει το υλικό ενός αγωγού, που δείχνει πόση αντίσταση θα έχει ένας αγωγός κατασκευασμένος από μια δεδομένη ουσία εάν ένας τέτοιος αγωγός έχει επιφάνεια διατομής 1 τετραγωνικό μέτρο και μήκος 1 μέτρο. Τα καλώδια μήκους 1 μέτρου και διατομής 1 τετραγωνικού μέτρου, που αποτελούνται από διαφορετικές ουσίες, θα έχουν διαφορετικές ηλεκτρικές αντιστάσεις.

Η ουσία είναι ότι για οποιαδήποτε ουσία (συνήθως υπάρχουν μέταλλα, καθώς τα σύρματα κατασκευάζονται συχνά από μέταλλα) έχει τη δική του ατομική και μοριακή δομή. Όσον αφορά τα μέταλλα, μπορούμε να μιλήσουμε για τη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος και τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων, είναι διαφορετικός για διαφορετικά μέταλλα. Όσο μικρότερη είναι η ειδική αντίσταση μιας δεδομένης ουσίας, τόσο καλύτερα ο αγωγός που κατασκευάζεται από αυτήν άγει το ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή τόσο καλύτερα περνάει ηλεκτρόνια μέσα από τον εαυτό της.

Το ασήμι, ο χαλκός και το αλουμίνιο έχουν χαμηλή ειδική αντίσταση. Ο σίδηρος και το βολφράμιο είναι πολύ μεγαλύτερα, για να μην αναφέρουμε τα κράματα, η αντίσταση ορισμένων από τα οποία υπερβαίνει τα καθαρά μέταλλα κατά εκατοντάδες φορές. Η συγκέντρωση των φορέων ελεύθερου φορτίου στα καλώδια είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι στα διηλεκτρικά, γι' αυτό και η αντίσταση των συρμάτων είναι πάντα μεγαλύτερη.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η ικανότητα όλων των ουσιών να μεταδίδουν ρεύμα σχετίζεται με την παρουσία σε αυτές φορέων ρεύματος (φορείς φορτίου) — κινητά φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, ιόντα) ή οιονεί σωματίδια (για παράδειγμα, οπές σε ημιαγωγό) που μπορούν κινείται σε μια δεδομένη ουσία σε μεγάλη απόσταση, μπορούμε απλά να πούμε ότι εννοούμε ότι ένα τέτοιο σωματίδιο ή οιονεί σωματίδιο πρέπει να μπορεί να διανύσει σε μια δεδομένη ουσία μια αυθαίρετα μεγάλη, τουλάχιστον μακροσκοπική, απόσταση.

Δεδομένου ότι η πυκνότητα ρεύματος είναι μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των φορέων ελεύθερης φόρτισης και όσο μεγαλύτερη είναι η μέση ταχύτητα κίνησης τους, η κινητικότητα, η οποία εξαρτάται από τον τύπο του φορέα ρεύματος σε ένα δεδομένο συγκεκριμένο περιβάλλον, είναι επίσης σημαντική. Όσο μεγαλύτερη είναι η κινητικότητα των φορέων φορτίου, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση αυτού του μέσου.

Ένα μακρύτερο καλώδιο έχει μεγαλύτερη ηλεκτρική αντίσταση. Εξάλλου, όσο μακρύτερο είναι το σύρμα, τόσο περισσότερα ιόντα από το κρυσταλλικό πλέγμα συναντώνται στη διαδρομή των ηλεκτρονίων που σχηματίζουν το ρεύμα. Και αυτό σημαίνει ότι όσο περισσότερα τέτοια εμπόδια συναντούν τα ηλεκτρόνια στο δρόμο, τόσο περισσότερο επιβραδύνονται, πράγμα που σημαίνει ότι μειώνεται τρέχον μέγεθος.

Ένας αγωγός με μεγάλη διατομή δίνει μεγαλύτερη ελευθερία στα ηλεκτρόνια, σαν να κινούνται όχι σε στενό σωλήνα, αλλά σε φαρδιά διαδρομή. Τα ηλεκτρόνια κινούνται πιο εύκολα σε πιο ευρύχωρες συνθήκες, σχηματίζοντας ρεύμα, γιατί σπάνια συγκρούονται με τους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτός είναι ο λόγος που ένα παχύτερο σύρμα έχει μικρότερη ηλεκτρική αντίσταση.

Ως αποτέλεσμα, η αντίσταση ενός αγωγού είναι ευθέως ανάλογη με το μήκος του αγωγού, την ειδική αντίσταση της ουσίας από την οποία είναι κατασκευασμένος και αντιστρόφως ανάλογη με το εμβαδόν της διατομής του. Ο τύπος της τελικής αντίστασης περιλαμβάνει αυτές τις τρεις παραμέτρους.

Αλλά δεν υπάρχει θερμοκρασία στον παραπάνω τύπο. Εν τω μεταξύ, είναι γνωστό ότι η αντίσταση ενός αγωγού εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία του. Το γεγονός είναι ότι η τιμή αναφοράς της αντίστασης των ουσιών μετριέται συνήθως σε θερμοκρασία + 20 ° C. Επομένως, εδώ η θερμοκρασία εξακολουθεί να λαμβάνεται υπόψη. Υπάρχουν πίνακες αναφοράς αντίστασης για διαφορετικές θερμοκρασίες ουσίας.

Τα μέταλλα χαρακτηρίζονται από αύξηση της αντίστασης καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία τους.

Αυτό συμβαίνει γιατί όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, τα ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος αρχίζουν να δονούνται όλο και περισσότερο και να παρεμβαίνουν όλο και περισσότερο στην κίνηση των ηλεκτρονίων.Αλλά στους ηλεκτρολύτες, τα ιόντα φέρουν φορτίο, επομένως, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του ηλεκτρολύτη, η αντίσταση, αντίθετα, μειώνεται, επειδή η διάσταση των ιόντων επιταχύνεται και κινούνται πιο γρήγορα.

Στους ημιαγωγούς και τα διηλεκτρικά, η ηλεκτρική αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό συμβαίνει επειδή η συγκέντρωση των περισσότερων φορέων φορτίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η τιμή που αντιπροσωπεύει τη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ονομάζεται συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας.