المقاومة والتوصيل وجهان لعملة واحدة ، لكن كلاهما مفهومان حاسمان يجب فهمهما عندما تتعلم عن الإلكترونيات. إنهما في الأساس طريقتان مختلفتان لوصف نفس الخاصية الفيزيائية الأساسية: مدى جودة تدفق التيار الكهربائي عبر المادة.
المقاومة الكهربائية هي خاصية لمادة تخبرك بمدى مقاومتها لتدفق التيار الكهربائي ، بينما تحدد الموصلية مدى سهولة تدفق التيار. إنهما مرتبطان ارتباطًا وثيقًا ، حيث تكون التوصيل الكهربائي معكوسًا للمقاومة ، لكن فهم كلاهما بالتفصيل مهم لمعالجة المشكلات في فيزياء الإلكترونيات.
المقاومة الكهربائية
تعتبر مقاومة المادة عاملاً رئيسياً في تحديد المقاومة الكهربائية للموصل ، وهي كذلك جزء المعادلة للمقاومة الذي يأخذ في الاعتبار الخصائص المختلفة للاختلاف مواد.
يمكن فهم المقاومة الكهربائية نفسها من خلال تشبيه بسيط. تخيل أن تدفق الإلكترونات (ناقلات التيار الكهربائي) عبر سلك يتم تمثيله بواسطة كرات رخامية تتدفق على منحدر: ستحصل على مقاومة إذا وضعت عوائق في مسار المنحدر. عندما تصطدم الكرات بالحواجز ، فإنها تفقد بعض طاقتها بسبب العوائق ، وسيبطئ التدفق الإجمالي للكرات أسفل المنحدر.
تشبيه آخر يمكن أن يساعدك على فهم كيفية تأثر تدفق التيار بالمقاومة هو تأثير المرور عبر عجلة مجداف على سرعة تيار الماء. مرة أخرى ، تنتقل الطاقة إلى عجلة المجداف ، ونتيجة لذلك يتحرك الماء بشكل أبطأ.
إن حقيقة تدفق التيار عبر الموصل أقرب إلى مثال الرخام لأن الإلكترونات تتدفق عبر المادة ، لكن البنية الشبيهة بالشبكة لنواة الذرات هي عوائق لهذا التدفق ، مما يؤدي إلى إبطاء الإلكترونات تحت.
يتم تعريف المقاومة الكهربائية للموصل على النحو التالي:
R = \ frac {ρL} {A}
أينρ(rho) هي مقاومة المادة (التي تعتمد على تركيبتها) ، الطولإلهو طول الموصل وأهي مساحة المقطع العرضي للمادة (بالمتر المربع). توضح المعادلة أن الموصل الأطول يتمتع بمقاومة كهربائية أعلى ، وأن الموصل ذو مساحة المقطع العرضي الأكبر لديه مقاومة أقل.
وحدة مقاومة النظام الدولي للوحدات هي أوم (Ω) ، حيث 1 Ω = 1 كجم م2 س−3 أ−2، ووحدة SI للمقاومة هي أوم متر (Ω م). المواد المختلفة لها مقاومات مختلفة ، ويمكنك البحث عن قيم مقاومة المادة التي تستخدمها في عملية حسابية في جدول (انظر الموارد).
التوصيل الكهربائي
يتم تعريف الموصلية الكهربائية ببساطة على أنها عكس المقاومة ، لذا فإن المقاومة العالية تعني الموصلية المنخفضة ، والمقاومة المنخفضة تعني الموصلية العالية. رياضيا ، يتم تمثيل موصلية المادة من خلال:
σ = \ فارك {1} {ρ}
أينσهو الموصلية وρهي المقاومة ، كما كان من قبل. بالطبع يمكنك إعادة ترتيب معادلة المقاومة في القسم السابق للتعبير عن ذلك من حيث المقاومة ،ص، مساحة المقطع العرضيأمن الموصل والطولإل، اعتمادًا على المشكلة التي تعالجها.
وحدات SI للتوصيل هي معكوس وحدات المقاومة ، مما يجعلها Ω−1 م−1; ومع ذلك ، عادة ما يتم اقتباسها على أنها سيمنز / متر (S / م) ، حيث 1 S = 1 Ω−1.
حساب المقاومة والتوصيل
مع وضع تعريفات المقاومة الكهربائية والموصلية في الاعتبار ، فإن رؤية مثال على الحساب سيساعد في ترسيخ الأفكار المقدمة حتى الآن. لطول الأسلاك النحاسية بطولإل= 0.1 متر ومساحة المقطع العرضيأ = 5.31 × 10−6 م2 ومقاومةص = 3.16 × 10−4 Ω ما هي المقاومةρمن النحاس؟ أولاً ، تحتاج إلى إعادة ترتيب معادلة المقاومة للحصول على تعبير للمقاومةρ، كما يلي:
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ فارك {RA} {L}
يمكنك الآن إدخال القيم للعثور على النتيجة:
\ start {align} ρ & = \ frac {3.16 × 10 ^ {- 4} \ text {Ω} × 5.31 × 10 ^ {- 6} \ text {m} ^ 2} {0.1 \ text {m}} \ \ & = 1.68 × 10 ^ {- 8} \ text {m} \ end {align}
من هنا ، ما هي الموصلية الكهربائية للسلك النحاسي؟ بالطبع ، من السهل جدًا العمل على أساس ما وجدته للتو ، لأن الموصلية (σ) هو فقط معكوس المقاومة. لذا فإن الموصلية هي:
\ start {align} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1.68 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m}} \\ & = 5.95 × 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {align}
تفسر المقاومة المنخفضة للغاية والموصلية العالية السبب في أن سلكًا نحاسيًا مثل هذا ربما يكون هو ما يُستخدم في منزلك لتوصيل الكهرباء.
اعتماد درجات الحرارة
القيم التي ستجدها في جدول لمقاومة المواد المختلفة ستكون جميعها قيمًا عند معين درجة الحرارة (يتم اختيارها بشكل عام لتكون درجة حرارة الغرفة) ، لأن المقاومة تزداد مع زيادة درجة الحرارة لمعظم مواد.
على الرغم من أنه بالنسبة لبعض المواد (مثل أشباه الموصلات مثل السيليكون) ، تقل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة ، فإن الزيادة مع درجة الحرارة هي القاعدة العامة. من السهل فهم ذلك إذا عدت إلى تشبيه الرخام: مع اهتزاز الحواجز حولها (نتيجة لزيادة درجة الحرارة وبالتالي الطاقة الداخلية) ، فمن المرجح أن تسد الكرات الرخامية أكثر مما لو كانت ثابتة تمامًا على مدار.
المقاومة في درجة الحرارةتيتعطى بالعلاقة:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
أين ألفا (α) هو معامل درجة حرارة المقاومة ،تيهي درجة الحرارة التي تحسب عندها المقاومة ،تي0 هي درجة حرارة مرجعية (عادة ما تكون 293 كلفن ، درجة حرارة الغرفة تقريبًا) وρ0 هي المقاومة عند درجة الحرارة المرجعية. جميع درجات الحرارة في هذه المعادلة بوحدة kelvins (K) ، ووحدة SI لمعامل درجة الحرارة هي 1 / K. معامل درجة الحرارة للمقاومة عمومًا له نفس قيمة معامل درجة الحرارة للمقاومة ، ويميل إلى أن يكون من 10−3 أو أقل.
إذا كنت بحاجة إلى حساب اعتماد درجة الحرارة للمواد المختلفة ، فما عليك سوى البحث عن قيمة معامل درجة الحرارة المناسبة والعمل من خلال المعادلة مع درجة الحرارة المرجعيةتي0 = 293 كلفن (طالما أنها تتطابق مع درجة الحرارة المستخدمة للقيمة المرجعية للمقاومة).
يمكنك أن ترى من شكل المعادلة أن هذا سيكون دائمًا زيادة في المقاومة لزيادة درجة الحرارة. يحتوي الجدول التالي على بعض البيانات الأساسية الخاصة بالمقاومة الكهربائية ومعاملات التوصيل ودرجة الحرارة للمواد المختلفة:
\ def \ arraystretch {1.5} \ start {array} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {Resistivity،} ρ \ text {(at 293 K) / Ω m} & \ text { الموصلية ،} σ \ text {(عند 293 كلفن) / S / m} & \ text {Temperature المعامل ،} α \ text {/ K} ^ {- 1} \\ \ hline \ text {Silver} & 1.59 × 10 ^ {- 8} & 6.30 × 10 ^ 7 & 0.0038 \\ \ hdashline \ text {Copper} & 1.68 × 10 ^ {- 8} & 5.96 × 10 ^ 7 & 0.00386 \\ \ hdashline \ text {Zinc} & 5.90 × 10 ^ {- 8} & 1.69 × 10 ^ 7 & 0.0037 \\ \ hdashline \ text {Nickel} & 6.99 × 10 ^ {- 8} & 1.43 × 10 ^ 7 & 0.006 \\ \ hdashline \ text {Iron } & 1.00 × 10 ^ {- 7} & 1.00 × 10 ^ 7 & 0.00651 \\ \ hdashline \ text {Stainless Steel} & 6.9 × 10 ^ {- 7} & 1.45 × 10 ^ 6 & 0.00094 \\ \ hdashline \ text {Mercury} & 9.8 × 10 ^ {- 7} & 1.02 × 10 ^ 6 & 0.0009 \\ \ hdashline \ text {Nichrome } & 1.10 × 10 ^ {- 6} & 9.09 × 10 ^ 5 & 0.0004 \\ \ hdashline \ text {مياه الشرب} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ hdashline \ أرسل {Glass} & 10 ^ {11} \ text {to} 10 ^ {15} & 10 ^ {- 11} \ text {to} 10 ^ {- 15} & \\ \ hdashline \ text {Rubber} & 10 ^ {13} & 10 ^ {- 13} & \\ \ hdashline \ text {Wood} & 10 ^ {14} \ text {to} 10 ^ {16} & 10 ^ {- 16 } \ text {to} 10 ^ {- 14} & \\ \ hdashline \ text {Teflon} & 10 ^ {23} \ text {to} 10 ^ {25} & 10 ^ {- 25} \ text {to} 10 ^ {- 23} & \\ \ hdashline \ end {array}
لاحظ أن العوازل في القائمة ليس لديها قيم محددة لمعاملات درجة الحرارة الخاصة بها ، ولكن يتم تضمينها لإظهار النطاق الكامل لقيم المقاومة والتوصيل.
حساب المقاومة عند درجات حرارة مختلفة
على الرغم من أن النظرية القائلة بأن المقاومة تزداد عندما ترتفع درجة الحرارة تبدو منطقية ، إلا أنها تستحق النظر في أ للتأكيد على التأثير الذي يمكن أن تحدثه الزيادة في درجة الحرارة على الموصلية والمقاومة في أ مواد. لحساب المثال ، ضع في اعتبارك ما يحدث لمقاومة وموصلية النيكل عند تسخينه من 293 كلفن إلى 343 كلفن. بالنظر إلى المعادلة مرة أخرى:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
يمكنك أن ترى أن القيم التي تحتاجها لحساب المقاومة الجديدة موجودة في الجدول أعلاه ، حيث المقاومةρ0 = 6.99 × 10−8 Ω م ، ومعامل درجة الحرارةα= 0.006. يتيح إدخال هذه القيم في المعادلة أعلاه حساب المقاومة الجديدة بسهولة:
\ start {align} ρ (T) & = 6.99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0.006 \ text {K} ^ {- 1} × (343 \ text {K} - 293 \ نص {K})) \\ & = 6.99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0.006 \ text {K} ^ {- 1} × (50 \ text {K)}) \\ & = 6.99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω م} × 1.3 \\ & = 9.09 × 10 ^ {- 8} \ نص {Ω م} \ نهاية {محاذاة}
يُظهر الحساب أن الزيادة الكبيرة إلى حد ما في درجة الحرارة بمقدار 50 كلفن تؤدي إلى 30 بالمائة فقط زيادة في قيمة المقاومة ، وبالتالي زيادة بنسبة 30 في المائة في مقاومة مقدار معين من مواد. بالطبع ، يمكنك بعد ذلك الاستمرار وحساب القيمة الجديدة للتوصيل على أساس هذه النتيجة.
يتم تحديد تأثير زيادة درجة الحرارة على المقاومة والتوصيل بحجم معامل درجة الحرارة ، مع القيم الأعلى يعني المزيد من التغيير مع درجة الحرارة والقيم الأقل تعني أقل من تغيير.
الموصلات الفائقة
كان الفيزيائي الهولندي Heike Kamerlingh Onnes يبحث في خصائص المواد المختلفة في درجات حرارة منخفضة للغاية في عام 1911 واكتشفت أن أقل من 4.2 كلفن (أي -268.95 درجة مئوية) ، والزئبق تمامايخسرمقاومتها لتدفق التيار الكهربائي ، فتصبح مقاومتها صفراً.
نتيجة لذلك (والعلاقة بين المقاومة والتوصيلية) ، تصبح موصليةها غير محدودة ، ويمكنها حمل تيار إلى أجل غير مسمى ، دون أي فقد للطاقة. اكتشف العلماء لاحقًا أن العديد من العناصر تظهر هذا السلوك عند تبريدها إلى ما دون "درجة حرارة حرجة" معينة ، وتسمى "الموصلات الفائقة".
لفترة طويلة ، لم تقدم الفيزياء أي تفسير حقيقي للموصلات الفائقة ، ولكن في عام 1957 ، طور جون باردين ، وليون كوبر ، وجون شريفر نظرية الموصلية الفائقة "BCS". هذا يفترض أن الإلكترونات في المادة تتجمع في "أزواج كوبر" نتيجة تفاعلات مع الموجب تشكل الأيونات بنية شبكية للمادة ، ويمكن لهذه الأزواج أن تتحرك عبر المادة دون أي عائق.
عندما يتحرك الإلكترون عبر المادة المبردة ، تنجذب إليها الأيونات الموجبة التي تشكل الشبكة وتغير موضعها قليلاً. ومع ذلك ، فإن هذه الحركة تخلق منطقة موجبة الشحنة في المادة ، والتي تجذب إلكترونًا آخر وتبدأ العملية مرة أخرى.
تدين الموصلات الفائقة بالعديد من الاستخدامات المحتملة والمحققة بالفعل لقدرتها على حمل التيارات دون مقاومة. يعد التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في البيئات الطبية أحد الاستخدامات الأكثر شيوعًا ، والاستخدام الذي من المرجح أن تكون على دراية به.
ومع ذلك ، تُستخدم الموصلية الفائقة أيضًا لأشياء مثل قطارات Maglev - التي تعمل من خلال الرفع المغناطيسي وتهدف إلى إزالة الاحتكاك بين القطار والمسار. - ومسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير في سيرن ، حيث تُستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل لتسريع الجسيمات بسرعات تقترب من سرعة ضوء. في المستقبل ، يمكن استخدام الموصلات الفائقة لتحسين كفاءة توليد الكهرباء وتحسين سرعة أجهزة الكمبيوتر.