Takistus ja juhtivus on sama mündi kaks külge, kuid mõlemad on elektroonika tundmaõppimisel ülitähtsad mõisted. Need on põhimõtteliselt kaks erinevat viisi sama füüsikalise põhivara kirjeldamiseks: kui hästi elektrivool materjali läbib.
Elektriline takistus on materjali omadus, mis ütleb teile, kui palju see elektrivoolu vastu peab, juhtivus aga kvantifitseerib voolu hõlpsuse. Need on väga tihedalt seotud, kusjuures elektrijuhtivus on pöördetakistus, kuid mõlema detaili mõistmine on oluline elektroonika füüsika probleemide lahendamiseks.
Elektriline takistus
Materjali takistus on juhi elektritakistuse määramisel võtmetegur ja seda ka takistuse võrrandi osa, mis võtab arvesse erinevate omaduste erinevaid omadusi materjalid.
Elektritakistust ennast saab mõista lihtsa analoogia abil. Kujutage ette, et elektronide (elektrivoolu kandjad) voolu läbi juhtme tähistab kaldteelt allavoolav marmor: Te saaksite vastupanu, kui asetaksite teele takistusi kaldtee. Kui marmor põrkab tõkkepuude vastu, kaotavad nad osa energiast takistustele ja kogu marmorivool mööda kaldteed aeglustub.
Teine analoogia, mis aitab teil mõista, kuidas voolutugevust takistus mõjutab, on mõla ratta läbimise mõju veevoolu kiirusele. Jällegi kandub energia aerurattale ja vesi liigub seetõttu aeglasemalt.
Juhi kaudu voolava voolu tegelikkus on marmornäitele lähemal, kuna elektronid voolavad läbi materjal, kuid aatomite tuumade võre sarnane struktuur on selle voolu takistuseks, mis aeglustab elektrone alla.
Juhi elektritakistus on määratletud järgmiselt:
R = \ frac {ρL} {A}
Kusρ(rho) on materjali takistus (mis sõltub selle koostisest), pikkusLon kui pikk on dirigent jaAon materjali ristlõikepindala (ruutmeetrites). Võrrand näitab, et pikemal juhil on suurem elektritakistus ja suurema ristlõikepinnaga ühel on väiksem takistus.
SI takistuse ühik on oom (Ω), kus 1 Ω = 1 kg m2 s−3 A−2ja takistuse SI ühik on oommeeter (Ω m). Erinevatel materjalidel on erinev vastupidavus ja saate tabelis arvutustes otsida kasutatava materjali takistuse väärtusi (vt Ressursid).
Elektrijuhtivus
Elektrijuhtivus on lihtsalt defineeritud kui vastupidavus vastupidiseks, nii et kõrge takistus tähendab madalat juhtivust ja madal takistus - suurt juhtivust. Matemaatiliselt esindab materjali juhtivust:
σ = \ frac {1} {ρ}
Kusσon juhtivus jaρon takistus, nagu varem. Muidugi saate eelmises osas vastupanuvõrrandi uuesti korraldada, et seda väljendada vastupanuna,R, ristlõikepindalaAjuhi pikkusL, olenevalt sellest, millist probleemi lahendate.
Juhtivuse SI ühikud on vastupidavusühikute pöördvõrdelised, mis muudab need Ω−1 m−1; tavaliselt tsiteeritakse seda kui siemens / meeter (S / m), kus 1 S = 1 Ω−1.
Takistuse ja juhtivuse arvutamine
Pidades silmas elektritakistuse ja juhtivuse määratlusi, aitab arvutusnäite nägemine seni kasutusele võetud ideed kinnistada. Vasktraadi pikkuseks, pikkusegaL= 0,1 m ja ristlõikepindalaA = 5.31 × 10−6 m2 ja vastupanuR = 3.16 × 10−4 Ω, mis on takistusρvasest? Esiteks peate vastupanuvõime avaldise saamiseks vastupanuvõrrandi uuesti korraldamaρ, järgnevalt:
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ frac {RA} {L}
Nüüd saate tulemuse leidmiseks sisestada väärtused:
\ begin {joondatud} ρ & = \ frac {3.16 × 10 ^ {- 4} \ text {Ω} × 5.31 × 10 ^ {- 6} \ text {m} ^ 2} {0.1 \ text {m}} \ \ & = 1,68 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} \ end {joondatud}
Milline on sellest vasktraadi elektrijuhtivus? Muidugi on selle leidmine selle põhjal, mida just leidsite, üsna lihtne, sest juhtivus (σ) on lihtsalt vastupidavus vastupidine. Nii et juhtivus on:
\ begin {joondatud} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1.68 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m}} \\ & = 5.95 × 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {joondatud}
Väga väike takistus ja kõrge juhtivus selgitavad, miks just sellist vasktraati kasutatakse teie kodus elektrienergia tarnimiseks.
Temperatuuri sõltuvus
Väärtused, mille leiate erinevate materjalide takistuse tabelist, on kõik konkreetse väärtused temperatuur (tavaliselt on valitud toatemperatuur), kuna enamiku jaoks tõuseb takistus temperatuuri tõustes materjalid.
Ehkki mõnede materjalide (näiteks pooljuhtide, näiteks räni) puhul väheneb takistus temperatuuri tõustes, on üldine reegel siiski temperatuuri tõus. Seda on lihtne mõista, kui pöördute tagasi marmorist analoogia juurde: kui tõkked vibreerivad ümber (suurenenud temperatuur ja seetõttu siseenergia), blokeerivad nad marmoreid tõenäolisemalt kui siis, kui nad oleksid täiesti statsionaarsed kogu ulatuses.
Takistus temperatuurilTannab suhe:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Kus alfa (α) on takistuse temperatuurikoefitsient,Ton temperatuur, mille juures arvutate takistust,T0 on võrdlustemperatuur (tavaliselt 293 K, umbes toatemperatuur) jaρ0 on takistus võrdlustemperatuuril. Kõik selle võrrandi temperatuurid on esitatud kelvinites (K) ja temperatuurikoefitsiendi SI ühik on 1 / K. Temperatuuritakistuse koefitsiendil on tavaliselt sama väärtus kui takistuse temperatuuriteguril ja see kipub olema suurusjärgus 10−3 või madalam.
Kui peate arvutama erinevate materjalide sõltuvuse temperatuurist, peate lihtsalt üles otsima sobiva temperatuurikoefitsiendi väärtus ja töötage läbi võrrand võrdlustemperatuurigaT0 = 293 K (seni, kuni see vastab takistuse kontrollväärtuse jaoks kasutatud temperatuurile).
Võrrandi kujul näete, et see on temperatuuri tõusu korral alati takistuse suurenemine. Järgmine tabel sisaldab mõningaid põhiandmeid erinevate materjalide elektritakistuse, juhtivuse ja temperatuuri koefitsientide kohta:
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {Resistivity,} ρ \ text {(293 K) / Ω m} & \ text { Juhtivus,} σ \ text {(temperatuuril 293 K) / S / m} & \ text {Temperature Koefitsient,} 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 {Roostevaba teras} & 6,9 × 10 ^ {- 7} & 1,45 × 10 ^ 6 & 0,00094 \\ \ hdashline \ text {Merkuur} & 9,8 × 10 ^ {- 7} & 1,02 × 10 ^ 6 & 0,0009 \\ \ hdashline \ text {Nichrome } & 1,10 × 10 ^ {- 6} ja 9,09 × 10 ^ 5 ja 0,0004 \\ \ hdashline \ text {Joogivesi} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ hdashline \ tekst {Glass} ja 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} ja 10 ^ {23} \ text {to} 10 ^ {25} & 10 ^ {- 25} \ text {to} 10 ^ {- 23} & \\ \ hdashline \ end {array}
Pange tähele, et loendis olevate isolaatorite temperatuuri koefitsientide väärtused pole kindlaks määratud, kuid need on lisatud, et näidata kogu takistuse ja juhtivuse väärtuste vahemikku.
Takistuse arvutamine erinevatel temperatuuridel
Ehkki teooria, mille kohaselt takistus tõuseb temperatuuri tõustes, on mõistlik, tasub siiski vaadata a arvutus, et rõhutada temperatuuri tõusu mõju a juhtivusele ja takistusele materjal. Näite arvutamiseks kaaluge, mis juhtub nikli takistuse ja juhtivusega, kui seda kuumutatakse temperatuuril 293 K kuni 343 K. Vaadates võrrandit uuesti:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Näete, et uue takistuse arvutamiseks vajalikud väärtused on ülaltoodud tabelis, kus on takistusρ0 = 6.99 × 10−8 Ω m ja temperatuuri koefitsientα= 0.006. Nende väärtuste lisamine ülaltoodud võrrandisse võimaldab uut takistust hõlpsalt arvutada:
\ begin {joondatud} ρ (T) & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0,006 \ text {K} ^ {- 1} × (343 \ text {K} - 293 \ tekst {K}))) \\ & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0,006 \ text {K} ^ {- 1} × (50 \ text {K)}) \\ & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} × 1,3 \\ & = 9,09 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} \ end {joondatud}
Arvutus näitab, et üsna oluline temperatuuri tõus 50 K juures viib ainult 30 protsendini takistuse väärtuse suurenemine ja seeläbi etteantud koguse resistentsuse suurenemine 30 protsenti materjal. Muidugi võiksite selle tulemuse põhjal jätkata juhtivuse uue väärtuse arvutamist.
Temperatuuri tõusu mõju takistusele ja juhtivusele määratakse temperatuuri suuruse järgi temperatuuri koefitsient, kusjuures suuremad väärtused tähendavad rohkem muutusi temperatuuri juures ja madalamad väärtused tähendavad vähem temperatuuri muutus.
Ülijuhid
Hollandi füüsik Heike Kamerlingh Onnes uuris erinevate materjalide omadusi väga madalatel temperatuuridel 1911. aastal ja avastas, et elavhõbe on alla 4,2 K (s.o -268,95 ° C) täielikultkaotabselle takistus elektrivoolu voolule, nii et selle takistus muutub nulliks.
Selle (ja takistuse ja juhtivuse suhte) tagajärjel muutub nende juhtivus lõpmatuks ja nad suudavad voolu kanda piiramatult, ilma energia kadumiseta. Hiljem avastasid teadlased, et paljud teised elemendid ilmutavad seda käitumist, kui see on jahtunud alla teatud kriitilise temperatuuri, ja neid nimetatakse ülijuhtideks.
Pikka aega ei pakkunud füüsika ülijuhtidele tegelikku seletust, kuid 1957. aastal töötasid John Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer välja ülijuhtivuse teooria “BCS”. See eeldab, et materjalirühmas olevad elektronid suhtlevad positiivsega „Cooperi paaridena“ ioonid, mis moodustavad materjali võre struktuuri, ja need paarid saavad ilma takistusteta liikuda läbi materjali.
Kui elektron liigub läbi jahtunud materjali, tõmbuvad võre moodustavad positiivsed ioonid nende poole ja muudavad nende positsiooni veidi. See liikumine loob aga materjalis positiivselt laetud piirkonna, mis tõmbab ligi veel ühe elektroni ja protsess algab uuesti.
Ülijuhid võlgnevad palju potentsiaali ja juba realiseeritud kasutusviise nende võimele kanda voolu ilma takistusteta. Üks levinumaid ja kõige tõenäolisemalt kasutatavaid kasutusviise on magnetresonantstomograafia (MRI) meditsiiniasutustes.
Ülijuhtivust kasutatakse aga ka näiteks Maglevi rongide puhul, mis töötavad läbi magnetilise levitatsiooni ja mille eesmärk on eemaldada rongi ja rööbastee vaheline hõõrdumine - ja osakeste kiirendid, nagu suur hadroni kokkupõrge CERNis, kus ülijuhtivaid magnete kasutatakse osakeste kiirendamiseks kiirusel, mis läheneb kiirusele valgus. Tulevikus võidakse elektri tootmise efektiivsuse ja arvutite kiiruse parandamiseks kasutada ülijuhte.