რეზისტენტობა და გამტარობა ერთი და იგივე მონეტის ორი მხარეა, მაგრამ ორივე გადამწყვეტი ცნებაა, როდესაც უნდა გაითავისოთ, როდესაც სწავლობთ ელექტრონიკას. ეს არსებითად ერთი და იგივე ფუნდამენტური ფიზიკური თვისების აღწერის ორი განსხვავებული გზაა: რამდენად კარგად მიედინება ელექტროენერგია მასალაში.
ელექტრული რეზისტენტობა არის მასალის თვისება, რომელიც გიჩვენებთ რამდენად ეწინააღმდეგება იგი ელექტროენერგიის დინებას, ხოლო გამტარობა აფასებს რამდენად ადვილად მიედინება მიმდინარეობა. ისინი ძალიან მჭიდრო კავშირშია, ელექტროგამტარობა საწინააღმდეგო რეზისტენტობისაა, მაგრამ ორივე მათგანის დაწვრილებით გაგება მნიშვნელოვანია ელექტრონიკის ფიზიკაში არსებული პრობლემების გადასაჭრელად.
ელექტრომედეგობა
მასალის რეზისტენტობა არის ძირითადი ფაქტორი კონდუქტორის ელექტრული წინააღმდეგობის დასადგენად და ეს არის წინააღმდეგობის განტოლების ნაწილი, რომელიც ითვალისწინებს განსხვავებული მახასიათებლების განსხვავებას მასალები.
თავად ელექტრული წინააღმდეგობის გაგება მარტივი ანალოგიით ხდება. წარმოიდგინეთ, რომ ელექტრონების (ელექტროენერგიის მატარებლები) მავთულის გავლით არის წარმოდგენილი მარმარილო, რომელიც ჩასასვლელზე მიედინება: თქვენ წინააღმდეგობას მიიღებთ, თუ დაბრკოლებებს განათავსებთ ბილიკზე პანდუსი როდესაც მარმარილოები ბარიერებს ეჯახებოდნენ, ისინი კარგავდნენ გარკვეულ ენერგიას დაბრკოლებების გამო, ხოლო მარმარილოს საერთო ნაკადი პანდუსზე შენელდებოდა.
კიდევ ერთი ანალოგია, რომელიც დაგეხმარებათ იმის გაგებაში, თუ როგორ ახდენს გავლენას ახდენს წინააღმდეგობა მიმდინარე დინებაზე, არის ის გავლენა, რომელიც paddle საჭეზე გადის წყლის მიმდინარე სიჩქარეზე. ისევ ენერგია გადადის პადლის ბორბალზე და შედეგად წყალი უფრო ნელა მოძრაობს.
დირიჟორით მიმდინარე დინების რეალობა უფრო ახლოს არის მარმარილოს მაგალითთან, რადგან ელექტრონები მიედინება მასალა, მაგრამ ატომების ბირთვების ქსელის მსგავსი სტრუქტურა წარმოადგენს ამ ნაკადის ხელის შეშლას, რაც ანელებს ელექტრონებს ქვემოთ
კონდუქტორის ელექტრული წინააღმდეგობა განისაზღვრება, როგორც:
R = \ frac {ρL} {A}
სადρ(rho) არის მასალის რეზისტენტობა (რაც დამოკიდებულია მის შემადგენლობაზე), სიგრძელარის რამდენ ხანს არის კონდუქტორი დააარის მასალის განივი ფართობი (კვადრატულ მეტრში). განტოლება გვიჩვენებს, რომ გრძელი კონდუქტორი უფრო მაღალი ელექტრული წინააღმდეგობაა, ხოლო უფრო დიდი განივკვეთის ფართობით უფრო დაბალი წინააღმდეგობა.
წინააღმდეგობის SI ერთეულია ომი (Ω), სადაც 1 Ω = 1 კგ მ2 ს−3 ა−2, და SI რეზისტენტობის ერთეული არის ომ-მეტრი (Ω მ). სხვადასხვა მასალას აქვს განსხვავებული რეზისტენტობა და შეგიძლიათ გაეცნოთ მასალის რეზისტენტობის მნიშვნელობებს, რომელსაც იყენებთ ცხრილში გაანგარიშებით (იხილეთ რესურსები).
Ელექტრო გამტარობის
ელექტროგამტარობა უბრალოდ განისაზღვრება, როგორც რეზისტენტობის შებრუნებული, ამიტომ მაღალი რეზისტენტობა ნიშნავს დაბალ გამტარობას, ხოლო დაბალი მდგრადობა ნიშნავს მაღალ გამტარობას. მათემატიკურად, მასალის გამტარობა წარმოდგენილია:
σ = \ frac {1} {ρ}
სადσარის გამტარობა დაρრეზისტენტობაა, როგორც ადრე. რა თქმა უნდა, წინა განყოფილებაში შეგიძლიათ განლაგოთ წინააღმდეგი განტოლება, რომ გამოხატოთ ეს წინააღმდეგობის თვალსაზრისით,რ, კვეთის ფართობიაკონდუქტორისა და სიგრძისლეს დამოკიდებულია იმაზე, თუ რა პრობლემის მოგვარებას ითხოვს.
კონდუქტომეტრისთვის SI ერთეულები წარმოადგენს რეზისტენტობის ერთეულების ინვერსიას, რაც მათ Ω ქმნის−1 მ−1; ამასთან, იგი ჩვეულებრივ ციტირდება როგორც siemens / meter (S / m), სადაც 1 S = 1 Ω−1.
მდგრადობის და გამტარობის გაანგარიშება
ელექტრული რეზისტენტობისა და კონდუქტომეტრის განმარტებების გათვალისწინებით, მაგალითის გაანგარიშების დანახვა ხელს შეუწყობს აქამდე შემოტანილი იდეების განმტკიცებას. სპილენძის მავთულის სიგრძისთვის, სიგრძითლ= 0,1 მ და კვეთის ფართობია = 5.31 × 10−6 მ2 და წინააღმდეგობარ = 3.16 × 10−4 Ω, რა არის რეზისტენტობაρსპილენძის? პირველი, თქვენ უნდა მოაწყოთ განტოლების წინააღმდეგობა, რომ მიიღოთ რეზისტენტობის გამოხატვაρ, შემდეგნაირად:
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ frac {RA} {L}
ახლა თქვენ შეგიძლიათ ჩადოთ მნიშვნელობები, რომ იპოვოთ შედეგი:
\ დაწყება {გასწორება} ρ & = \ frac {3.16 × 10 ^ {- 4} \ ტექსტი {Ω} 5.31 × 10 ^ {- 6} \ ტექსტი {მ} ^ 2} {0.1 \ ტექსტი {მ}} \ \ & = 1,68 × 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω მ} \ ბოლო {გასწორებული}
რა არის სპილენძის მავთულის ელექტროგამტარობა? რა თქმა უნდა, ეს საკმაოდ მარტივია, რომ შეიმუშაოთ იმის საფუძველზე, რაც თქვენ ახლახან იპოვნეთ, რადგან გამტარობა (σ) უბრალოდ წინააღმდეგობის გაწევაა. გამტარობა არის:
\ დაწყება {გასწორება} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1.68 × 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω m}} \\ & = 5.95 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {გასწორებული}
ძალიან დაბალი მდგრადობა და მაღალი გამტარობა ხსნის იმას, თუ რატომ არის სპილენძის მავთული, რომელიც სწორედ თქვენს სახლში გამოიყენება ელექტროენერგიის მიწოდებაში.
ტემპერატურის დამოკიდებულება
მნიშვნელობები, რომლებსაც ნახავთ ცხრილში, სხვადასხვა მასალის წინააღმდეგობის გაწევისთვის, ყველა იქნება მნიშვნელობები კონკრეტულთან მიმართებაში ტემპერატურა (ზოგადად არჩეულია ოთახის ტემპერატურად), რადგან უმეტესობისთვის ტემპერატურის მატებასთან ერთად მდგრადობა იზრდება მასალები.
მიუხედავად იმისა, რომ ზოგიერთი მასალისთვის (მაგალითად, ნახევარგამტარები, როგორიცაა სილიციუმი), ტემპერატურის მატებასთან ერთად მდგრადობა მცირდება, ტემპერატურის ზრდა ზოგადი წესია. ამის გაგება მარტივია, თუ დაბრუნდებით მარმარილოს ანალოგზე: ბარიერებით ირბინება გარშემო (გაზრდილი ტემპერატურა და, შესაბამისად, შინაგანი ენერგია), ისინი უფრო მეტად იბლოკებენ მარმარილოებს, ვიდრე ისინი მთლიანად სტაციონარულია მთელი.
რეზისტენტობა ტემპერატურაზეთმოცემულია ურთიერთობით:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
სადაც ალფა (α) არის რეზისტენტობის ტემპერატურის კოეფიციენტი,თარის ტემპერატურა, რომელზეც გამოანგარიშდებით რეზისტენტობას,თ0 არის საცნობარო ტემპერატურა (ჩვეულებრივ მიიღება 293 K, უხეშად ოთახის ტემპერატურა) დაρ0 არის რეზისტენტობა საცნობარო ტემპერატურაზე. ამ განტოლებაში ყველა ტემპერატურა არის კელვინებში (K), ხოლო SI ერთეული ტემპერატურის კოეფიციენტისთვის არის 1 / K. რეზისტენტობის ტემპერატურის კოეფიციენტს ზოგადად აქვს ტემპერატურის წინააღმდეგობის კოეფიციენტის იგივე მნიშვნელობა და უნდა იყოს 10−3 ან უფრო დაბალი.
თუ თქვენ უნდა გამოთვალოთ ტემპერატურის დამოკიდებულება სხვადასხვა მასალებზე, თქვენ უბრალოდ უნდა მოძებნოთ შესაბამისი ტემპერატურის კოეფიციენტის მნიშვნელობა და რეფერენციული ტემპერატურის განტოლების მეშვეობით მუშაობათ0 = 293 K (რამდენადაც იგი ემთხვევა რეზისტენტობის საცნობარო მნიშვნელობისთვის გამოყენებულ ტემპერატურას).
განტოლების ფორმიდან ხედავთ, რომ ეს ყოველთვის იქნება რეზისტენტობის მომატება ტემპერატურის ზრდისთვის. შემდეგ ცხრილში მოცემულია რამდენიმე ძირითადი მონაცემები ელექტრული გამძლეობის, კონდუქტომეტრული და ტემპერატურული კოეფიციენტების სხვადასხვა მასალებისთვის:
\ def \ arraystretch {1.5} \ დასაწყისი {array} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {Resistivity,} ρ \ text {(at 293 K) / Ω m} & \ text { გამტარობა,} σ \ ტექსტი {(293 K) / S / m} და \ text {ტემპერატურა კოეფიციენტი,} α \ ტექსტი {/ K} ^ {- 1} \\ \ ხაზი \ ტექსტი {ვერცხლი} & 1.59 10 ^ {- 8} და 6.30 × 10 ^ 7 და 0.0038 \\ \ hdashline \ text {სპილენძი} & 1,68 × 10 ^ {- 8} & 5,96 10 ^ 7 & 0,00386 \\ \ hdashline \ text {თუთია} და 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 {უჟანგავი ფოლადი} & 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 {სასმელი წყალი} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ hdashline \ ტექსტი {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}
გაითვალისწინეთ, რომ სიაში იზოლატორებს არ აქვთ დადგენილი მნიშვნელობები მათი ტემპერატურული კოეფიციენტებისათვის, მაგრამ ისინი შედის რეზისტენტობისა და კონდუქტომეტრული სიდიდეების მთლიანი სპექტრის საჩვენებლად.
განსხვავებული ტემპერატურის წინააღმდეგობის გაანგარიშება
მიუხედავად იმისა, რომ აზრი აქვს თეორიას, რომ რეზისტენტობა იზრდება ტემპერატურის ზრდის დროს, ღირს ამის ნახვა გაანგარიშება, რათა ხაზი გაესვას იმ გავლენას, რომელიც შეიძლება ჰქონდეს ტემპერატურის ზრდას გამტარობაზე და მდგრადობაზე მასალა მაგალითის გაანგარიშებისთვის, გაითვალისწინეთ, რა ხდება ნიკელის რეზისტენტულობასა და კონდუქტომეტთან, როდესაც თბება 293 K– დან 343 K– მდე. კვლავ განტოლებას ვუყურებთ:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
თქვენ ხედავთ, რომ ახალი რეზისტენტობის გამოსათვლელად საჭირო მნიშვნელობები მოცემულია ზემოთ მოცემულ ცხრილში, სადაც რეზისტენტობააρ0 = 6.99 × 10−8 Ω მ და ტემპერატურის კოეფიციენტიα= 0.006. ზემოთ მოცემულ განტოლებაში ამ მნიშვნელობების ჩასმა საშუალებას იძლევა ადვილად გამოითვალოს ახალი რეზისტენტობა:
\ დაწყება {გასწორება} ρ (T) & = 6,99 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω მ} (1 + 0,006 \ ტექსტი {K} ^ {- 1} × (343 \ ტექსტი {K} - 293 \) ტექსტი {K})) \\ & = 6.99 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω მ} (1 + 0.006 \ ტექსტი {K} ^ {- 1} × (50 \ ტექსტი {K)}) \\ & = 6.99 × 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω m} × 1.3 \\ & = 9.09 10 ^ {- 8} \ ტექსტი {Ω მ} \ end {გასწორებული}
გაანგარიშებით ნაჩვენებია, რომ 50 K ტემპერატურის საკმაოდ მნიშვნელოვან ზრდას მხოლოდ 30 პროცენტამდე მივყავართ რეზისტენტობის ღირებულების ზრდა და ამით 30 პროცენტით გაზრდილი მოცემული რაოდენობის წინააღმდეგობა მასალა რა თქმა უნდა, ამის შემდეგ შეგიძლიათ გააგრძელოთ და გაანგარიშოთ გამტარუნარიანობის ახალი მნიშვნელობა ამ შედეგის საფუძველზე.
ტემპერატურის ზრდის ზემოქმედება რეზისტენტობაზე და გამტარობაზე განისაზღვრება ზომით ტემპერატურის კოეფიციენტი, უფრო მაღალი მნიშვნელობებით, რაც უფრო მეტ ცვლილებას ნიშნავს ტემპერატურასთან და ქვედა მნიშვნელობებს, რაც ნიშნავს ნაკლებით ცვლილება.
სუპერგამტარები
ჰოლანდიელი ფიზიკოსი ჰაიკე კამერლინგ ონესი იკვლევდა სხვადასხვა მასალის თვისებებს 1911 წელს ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე და აღმოჩნდა, რომ მერკური 4,2 K (ანუ −268,95 ° C) ქვემოთ მთლიანადკარგავსმისი წინააღმდეგობა ელექტროენერგიის ნაკადის მიმართ, ამიტომ მისი რეზისტენტობა ნულდება.
ამის შედეგად (და რეზისტენტულობასა და გამტარობას შორის დამოკიდებულება), მათი გამტარობა უსასრულო ხდება და მათ შეუძლიათ დენის გადატანა განუსაზღვრელი ვადით, ენერგიის დაკარგვის გარეშე. მოგვიანებით მეცნიერებმა აღმოაჩინეს, რომ მრავალი სხვა ელემენტი ავლენს ამ ქცევას, როდესაც გაცივდება გარკვეულ "კრიტიკულ ტემპერატურაზე" და უწოდებენ "სუპერგამტარებს".
დიდი ხნის განმავლობაში ფიზიკა არ გვთავაზობდა ზეგამტარების რეალურ ახსნას, მაგრამ 1957 წელს ჯონ ბარდინმა, ლეონ კუპერმა და ჯონ შრიფერმა შეიმუშავეს სუპერგამტარობის "BCS" თეორია. ეს პოზიტიურთან ურთიერთქმედების შედეგად მატერიალური ჯგუფის ელექტრონებს ”კუპერის წყვილებად” აქცევს იონები ქმნიან მასალის გისოვან სტრუქტურას და ამ წყვილებს შეუძლიათ გადაადგილდნენ მასალის საშუალებით ყოველგვარი შეფერხების გარეშე.
ელექტრონი გაცივებული მასალის გადაადგილებისას, ბადის შექმნის დადებითი იონები იზიდავს მათ და ოდნავ ცვლის მათ პოზიციას. ამასთან, ეს მოძრაობა ქმნის დადებითად დამუხტულ რეგიონს მასალაში, რომელიც იზიდავს სხვა ელექტრონს და პროცესი თავიდან იწყება.
სუპერგამტარებს მრავალი პოტენციური და უკვე რეალიზებული გამოყენების ვალდებულება აქვთ, წინააღმდეგობის გარეშე დენების გადატანის უნარს. ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული გამოყენება და ის, რაც თქვენ სავარაუდოდ უნდა იცოდეთ, არის მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია (MRI) სამედიცინო დაწესებულებებში.
ამასთან, სუპერგამტარობა ასევე გამოიყენება მაგლევის მატარებლებისთვის, რომლებიც მუშაობს მაგნიტური ლევიტაციით და მიზნად ისახავს მატარებელს და ლიანდაგს შორის არსებული ხახუნის მოხსნას. - და ნაწილაკების ამაჩქარებლები, როგორიცაა დიდი ადრონული კოლაიდერი CERN- ში, სადაც ზეგამტარ მაგნიტებს იყენებენ ნაწილაკების დასაჩქარებლად, რომლებიც სიჩქარეს უახლოვდება მსუბუქი. მომავალში, სუპერგამტარები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტროენერგიის წარმოების ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად და კომპიუტერების სიჩქარის გასაუმჯობესებლად.