प्रतिरोधकता और चालकता एक ही सिक्के के दो पहलू हैं, लेकिन जब आप इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में सीख रहे हों तो दोनों ही महत्वपूर्ण अवधारणाएं हैं। वे अनिवार्य रूप से एक ही मौलिक भौतिक संपत्ति का वर्णन करने के दो अलग-अलग तरीके हैं: एक सामग्री के माध्यम से विद्युत प्रवाह कितनी अच्छी तरह से बहता है।
विद्युत प्रतिरोधकता एक सामग्री की एक संपत्ति है जो आपको बताती है कि यह विद्युत प्रवाह के प्रवाह का कितना प्रतिरोध करती है, जबकि चालकता यह निर्धारित करती है कि धारा कितनी आसानी से प्रवाहित होती है। विद्युत चालकता प्रतिरोधकता के विपरीत होने के साथ वे बहुत निकट से संबंधित हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक्स के भौतिकी में समस्याओं से निपटने के लिए दोनों को विस्तार से समझना महत्वपूर्ण है।
विद्युत प्रतिरोधकता
किसी पदार्थ की प्रतिरोधकता एक चालक के विद्युत प्रतिरोध को निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक है, और यह है प्रतिरोध के समीकरण का वह भाग जो भिन्न की भिन्न विशेषताओं को ध्यान में रखता है सामग्री।
विद्युत प्रतिरोध को एक साधारण सादृश्य के माध्यम से ही समझा जा सकता है। कल्पना कीजिए कि एक तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह (विद्युत प्रवाह के वाहक) द्वारा दर्शाया जाता है एक रैंप से नीचे की ओर बहने वाले पत्थर: यदि आप रास्ते में अवरोध डालते हैं तो आपको प्रतिरोध मिलेगा रैंप। जैसे ही पत्थर बाधाओं में टकराते हैं, वे अपनी कुछ ऊर्जा अवरोधों के कारण खो देते हैं, और रैंप के नीचे कंचों का समग्र प्रवाह धीमा हो जाता है।
एक और सादृश्य जो आपको यह समझने में मदद कर सकता है कि प्रतिरोध से वर्तमान प्रवाह कैसे प्रभावित होता है, वह प्रभाव है जो पैडल व्हील से गुजरने से पानी की धारा की गति पर पड़ता है। फिर से, पैडल व्हील में ऊर्जा स्थानांतरित होती है, और परिणामस्वरूप पानी अधिक धीरे-धीरे चलता है।
एक कंडक्टर के माध्यम से वर्तमान प्रवाह की वास्तविकता संगमरमर के उदाहरण के करीब है क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है सामग्री, लेकिन परमाणुओं के नाभिक की जाली जैसी संरचना इस प्रवाह में बाधा है, जो इलेक्ट्रॉनों को धीमा कर देती है नीचे।
किसी चालक के विद्युत प्रतिरोध को इस प्रकार परिभाषित किया जाता है:
आर = \frac{ρL}{ए}
कहा पेρ(rho) सामग्री की प्रतिरोधकता है (जो इसकी संरचना पर निर्भर करती है), लंबाईलीकंडक्टर कितना लंबा है औरएसामग्री का क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र (वर्ग मीटर में) है। समीकरण से पता चलता है कि एक लंबे कंडक्टर का विद्युत प्रतिरोध अधिक होता है, और बड़े क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र वाले का प्रतिरोध कम होता है।
प्रतिरोध का SI मात्रक ओम (Ω) है, जहाँ 1 = 1 kg m2 रों−3 ए−2, और प्रतिरोधकता का SI मात्रक ओम-मीटर (Ω m) है। विभिन्न सामग्रियों में अलग-अलग प्रतिरोधकताएं होती हैं, और आप एक तालिका में गणना में उपयोग की जा रही सामग्री की प्रतिरोधकता के लिए मूल्यों को देख सकते हैं (संसाधन देखें)।
विद्युत चालकता
विद्युत चालकता को केवल प्रतिरोधकता के व्युत्क्रम के रूप में परिभाषित किया जाता है, इसलिए उच्च प्रतिरोधकता का अर्थ कम चालकता है, और कम प्रतिरोधकता का अर्थ उच्च चालकता है। गणितीय रूप से, किसी सामग्री की चालकता को निम्न द्वारा दर्शाया जाता है:
= \frac{1}{ρ}
कहा पेσचालकता है औरρप्रतिरोधकता है, पहले की तरह। बेशक, आप इसे प्रतिरोध के रूप में व्यक्त करने के लिए पिछले खंड में प्रतिरोध के समीकरण को फिर से व्यवस्थित कर सकते हैं,आर, संकर अनुभागीय क्षेत्रएकंडक्टर और लंबाई काली, इस बात पर निर्भर करता है कि आप किस समस्या का समाधान कर रहे हैं।
चालकता के लिए SI इकाइयाँ प्रतिरोधकता इकाइयों के व्युत्क्रम हैं, जो उन्हें. बनाता है−1 म−1; हालांकि, इसे आमतौर पर सीमेंस/मीटर (एस/एम) के रूप में उद्धृत किया जाता है, जहां 1 एस = 1−1.
प्रतिरोधकता और चालकता की गणना
विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता की परिभाषाओं को ध्यान में रखते हुए, एक उदाहरण गणना देखने से अब तक पेश किए गए विचारों को मजबूत करने में मदद मिलेगी। तांबे के तार की लंबाई के लिए, लंबाई के साथली= ०.१ मीटर और एक अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफलए = 5.31 × 10−6 म2 और का प्रतिरोधआर = 3.16 × 10−4, प्रतिरोधकता क्या हैρतांबे का? सबसे पहले, आपको प्रतिरोधकता के लिए एक व्यंजक प्राप्त करने के लिए प्रतिरोध के समीकरण को फिर से व्यवस्थित करने की आवश्यकता हैρ, निम्नलिखित नुसार:
आर = \frac{ρL}{ए}
= \ फ़्रेक {आरए} {एल}
अब आप परिणाम खोजने के लिए मान सम्मिलित कर सकते हैं:
\begin{aligned} 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{aligned}
इससे तांबे के तार की विद्युत चालकता क्या है? बेशक, आपने अभी जो पाया है, उसके आधार पर काम करना काफी सीधा है, क्योंकि चालकता (σ) प्रतिरोधकता का विलोम मात्र है। तो चालकता है:
\begin{aligned} σ &= \frac{1}{ρ} \\ &= \frac{1}{1.68 × 10^{−8}\text{ m}} \\ &= 5.95 × 10^7 \पाठ{एस/एम} \अंत{गठबंधन}
बहुत कम प्रतिरोधकता और उच्च चालकता बताती है कि बिजली देने के लिए शायद आपके घर में तांबे के तार का उपयोग क्यों किया जाता है।
तापमान निर्भरता
विभिन्न सामग्रियों की प्रतिरोधकता के लिए तालिका में आपको जो मान मिलेंगे, वे सभी एक विशिष्ट पर मान होंगे तापमान (आमतौर पर कमरे के तापमान के रूप में चुना जाता है), क्योंकि अधिकांश तापमान में वृद्धि के साथ प्रतिरोधकता बढ़ जाती है सामग्री।
हालांकि कुछ सामग्रियों (जैसे सिलिकॉन जैसे अर्धचालक) के लिए, बढ़ते तापमान के साथ प्रतिरोधकता कम हो जाती है, तापमान के साथ वृद्धि सामान्य नियम है। यह समझना आसान है यदि आप संगमरमर की सादृश्यता पर वापस जाते हैं: चारों ओर कंपन करने वाली बाधाओं के साथ (बढ़ी हुई वृद्धि के परिणामस्वरूप) तापमान और इसलिए आंतरिक ऊर्जा), वे पूरी तरह से स्थिर होने की तुलना में कंचों को अवरुद्ध करने की अधिक संभावना रखते हैं भर में।
तापमान पर प्रतिरोधकताटीरिश्ते द्वारा दिया जाता है:
(टी) = ρ_0(1 + α(टी - टी_0))
जहां अल्फा (α) प्रतिरोधकता का तापमान गुणांक है,टीवह तापमान है जिस पर आप प्रतिरोधकता की गणना कर रहे हैं,टी0 एक संदर्भ तापमान है (आमतौर पर 293 K के रूप में लिया जाता है, मोटे तौर पर कमरे का तापमान) औरρ0 संदर्भ तापमान पर प्रतिरोधकता है। इस समीकरण में सभी तापमान केल्विन (K) में हैं, और तापमान गुणांक के लिए SI इकाई 1/K है। प्रतिरोधकता के तापमान गुणांक में आमतौर पर प्रतिरोध के तापमान गुणांक का मान समान होता है, और यह 10 के क्रम का होता है−3 या कम।
यदि आपको विभिन्न सामग्रियों के लिए तापमान निर्भरता की गणना करने की आवश्यकता है, तो आपको बस देखने की जरूरत है उपयुक्त तापमान गुणांक का मान और संदर्भ तापमान के साथ समीकरण के माध्यम से काम करेंटी0 = 293 K (जब तक यह प्रतिरोधकता के लिए संदर्भ मान के लिए उपयोग किए गए तापमान से मेल खाता है)।
आप समीकरण के रूप से देख सकते हैं कि तापमान में वृद्धि के लिए यह हमेशा प्रतिरोधकता वृद्धि होगी। निम्न तालिका में विभिन्न सामग्रियों के लिए विद्युत प्रतिरोधकता, चालकता और तापमान गुणांक के लिए कुछ प्रमुख डेटा शामिल हैं:
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c: c: c} \text{Material} और \text{प्रतिरोधकता, }ρ \text{ (293 K पर) / Ωm} और \text{ चालकता, } \text{ (293 K पर) / S/m} और \text{तापमान गुणांक,} α \text{/ K}^{−1} \\ \hline \text{Silver} & 1.59 × 10^{−8} & 6.30 × 10^7 & 0.0038\\ \hdashline \text{Copper} & 1.68 × 10^{−8} और 5.96 × 10^7 और 0.00386\\ \hdashline \text{Zinc} और 5.90 × 10^{−8} &1.69 × 10^7 और 0.0037\\ \hdashline \text{Nickel} &6.99 × 10^{−8} & 1.43 × 10^7 और 0.006\\ \hdashline \text{आयरन } और 1.00 × 10^{−7} और 1.00 × 10^7 और 0.00651\\ \hdashline \text{स्टेनलेस स्टील} और 6.9 × 10^{−7} और 1.45 × 10^6 और 0.00094\\ \hdashline \text{Mercury} और 9.8 × 10^{−7} और 1.02 × 10^6 और 0.0009\\ \hdashline \text{Nichrome } और 1.10 × 10^{−6} और 9.09 × 10^5 और 0.0004\\ \hdashline \text{पीने का पानी} और 2 × 10^1 \text{to} 2 × 10^3 और 5 × 10^{−4} \text{to} 5 × 10^{−2} और \\ \hdashline \ टेक्स्ट{ग्लास} और 10^{11} \text{to} 10^{15} और 10^{-11} \text{to} 10^{-15} और \\ \hdashline \text{रबर} और 10^{13} और 10^{-13} और \\ \hdashline \text{wood} और 10^{14} \text{to} 10^{16} & 10^{-16 } \पाठ{से} 10^{-14} और \\ \hdashline \text{Teflon} और 10^{23} \text{to} 10^{25} & 10^{-25} \text{to} 10^{-23} और \\ \hdashline \end{array}
ध्यान दें कि सूची में इंसुलेटर के तापमान गुणांक के लिए स्थापित मान नहीं हैं, लेकिन उन्हें प्रतिरोधकता और चालकता के मूल्यों की पूरी श्रृंखला दिखाने के लिए शामिल किया गया है।
विभिन्न तापमानों पर प्रतिरोधकता की गणना
हालांकि यह सिद्धांत कि तापमान बढ़ने पर प्रतिरोधकता बढ़ जाती है, समझ में आता है, यह देखने लायक है a तापमान में वृद्धि से a की चालकता और प्रतिरोधकता पर पड़ने वाले प्रभाव को रेखांकित करने के लिए गणना सामग्री। उदाहरण गणना के लिए, विचार करें कि 293 K से 343 K तक गर्म करने पर निकल की प्रतिरोधकता और चालकता का क्या होता है। समीकरण को फिर से देख रहे हैं:
(टी) = ρ_0(1 + α(टी - टी_0))
आप देख सकते हैं कि नई प्रतिरोधकता की गणना करने के लिए आपको जिन मूल्यों की आवश्यकता है, वे ऊपर दी गई तालिका में हैं, जहां प्रतिरोधकताρ0 = 6.99 × 10−8 Ω मीटर, और तापमान गुणांकα= 0.006. उपरोक्त समीकरण में इन मानों को सम्मिलित करने से नई प्रतिरोधकता की गणना आसानी से की जा सकती है:
\begin{aligned} ρ (T) &= 6.99 × 10^{−8} \text{ m} (1 + 0.006 \text{ K}^{−1} × (343 \text{ K}- 293 \ पाठ{ K})) \\ &= 6.99 × 10^{−8}\text{ m} (1 + 0.006 \text{ K}^{−1} × (50 \text{ K)}) \\ &= 6.99 × 10^{−8}\text { Ω एम} × 1.3 \\ &= 9.09 × 10^{−8}\पाठ{ Ω एम} \अंत{गठबंधन}
गणना से पता चलता है कि ५० K के तापमान में काफी वृद्धि केवल ३० प्रतिशत की ओर ले जाती है प्रतिरोधकता के मूल्य में वृद्धि, और इस तरह दी गई मात्रा के प्रतिरोध में 30 प्रतिशत की वृद्धि percent सामग्री। बेशक, आप आगे बढ़ सकते हैं और इस परिणाम के आधार पर चालकता के लिए नए मूल्य की गणना कर सकते हैं।
प्रतिरोधकता और चालकता पर तापमान में वृद्धि का प्रभाव के आकार से निर्धारित होता है तापमान गुणांक, उच्च मूल्यों के साथ जिसका अर्थ है तापमान के साथ अधिक परिवर्तन और कम मूल्यों का अर्थ है कम एक परिवर्तन।
अतिचालक
डच भौतिक विज्ञानी हेइक कामरलिंग ओन्स विभिन्न सामग्रियों के गुणों की जांच कर रहे थे 1911 में बहुत कम तापमान पर और पता चला कि 4.2 K (यानी, −268.95 °C) से नीचे, पारा पूरी तरहखो देता हैविद्युत धारा के प्रवाह के लिए इसका प्रतिरोध, इसलिए इसकी प्रतिरोधकता शून्य हो जाती है।
इसके परिणामस्वरूप (और प्रतिरोधकता और चालकता के बीच संबंध), उनकी चालकता अनंत हो जाती है, और वे ऊर्जा के किसी भी नुकसान के बिना, अनिश्चित काल तक वर्तमान को ले जा सकते हैं। वैज्ञानिकों ने बाद में पता लगाया कि एक निश्चित "महत्वपूर्ण तापमान" से नीचे ठंडा होने पर कई और तत्व इस व्यवहार को प्रदर्शित करते हैं और उन्हें "सुपरकंडक्टर्स" कहा जाता है।
लंबे समय तक, भौतिकी ने सुपरकंडक्टर्स की कोई वास्तविक व्याख्या नहीं की, लेकिन 1957 में, जॉन बार्डीन, लियोन कूपर और जॉन श्राइफ़र ने सुपरकंडक्टिविटी के "बीसीएस" सिद्धांत को विकसित किया। यह मानता है कि सकारात्मक के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप भौतिक समूह में इलेक्ट्रॉन "कूपर जोड़े" में हैं आयन सामग्री की जाली संरचना बनाते हैं, और ये जोड़े बिना किसी बाधा के सामग्री के माध्यम से आगे बढ़ सकते हैं।
जैसे ही इलेक्ट्रॉन ठन्डे पदार्थ में से गुजरता है, जाली बनाने वाले धनात्मक आयन उनकी ओर आकर्षित होते हैं और अपनी स्थिति को थोड़ा बदल देते हैं। हालांकि, यह गति सामग्री में एक सकारात्मक चार्ज क्षेत्र बनाती है, जो एक और इलेक्ट्रॉन को आकर्षित करती है और प्रक्रिया फिर से शुरू होती है।
सुपरकंडक्टर्स में प्रतिरोध के बिना धाराओं को ले जाने की उनकी क्षमता के लिए कई संभावित और पहले से ही महसूस किए गए उपयोग हैं। सबसे आम उपयोगों में से एक, और जिसके बारे में आप सबसे अधिक परिचित हैं, वह है मेडिकल सेटिंग्स में चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई)।
हालांकि, सुपरकंडक्टिविटी का उपयोग मैग्लेव ट्रेनों जैसी चीजों के लिए भी किया जाता है - जो चुंबकीय उत्तोलन के माध्यम से काम करती हैं और ट्रेन और ट्रैक के बीच घर्षण को दूर करने का लक्ष्य रखती हैं। - और सर्न में लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर जैसे कण त्वरक, जहां सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट का उपयोग गति के निकट गति पर कणों को तेज करने के लिए किया जाता है रोशनी। भविष्य में, सुपरकंडक्टर्स का उपयोग बिजली उत्पादन की दक्षता में सुधार और कंप्यूटर की गति में सुधार के लिए किया जा सकता है।