비저항과 전도도는 동전의 양면이지만 둘 다 전자 공학에 대해 배울 때 이해해야 할 중요한 개념입니다. 그것들은 본질적으로 동일한 기본 물리적 특성을 설명하는 두 가지 다른 방법입니다. 전류가 물질을 통과하는 정도입니다.
전기 저항은 전류의 흐름에 저항하는 정도를 알려주는 재료의 속성이며 전도도는 전류가 얼마나 쉽게 흐르는지를 정량화합니다. 전기 전도도는 저항의 역수로 매우 밀접하게 관련되어 있지만 두 가지를 자세히 이해하는 것은 전자 물리학의 문제를 해결하는 데 중요합니다.
전기 저항
재료의 저항은 도체의 전기 저항을 결정하는 핵심 요소이며 서로 다른 특성을 고려하는 저항 방정식의 일부 기재.
전기 저항 자체는 간단한 비유를 통해 이해할 수 있습니다. 와이어를 통한 전자 (전류의 운반자)의 흐름이 다음과 같이 표현된다고 상상해보십시오. 경사로 아래로 흐르는 구슬: 경로에 장애물을 놓으면 저항을 받게됩니다. 비탈길. 구슬이 장벽에 부딪히면 장애물에 대한 에너지의 일부를 잃고 경사로 아래로 구슬의 전체 흐름이 느려집니다.
전류 흐름이 저항의 영향을받는 방식을 이해하는 데 도움이 될 수있는 또 다른 비유는 패들 휠을 통과하는 것이 물의 흐름 속도에 미치는 영향입니다. 다시, 에너지는 패들 휠로 전달되고 결과적으로 물은 더 느리게 이동합니다.
도체를 통한 전류 흐름의 현실은 전자가 물질이지만 원자핵의 격자와 같은 구조는이 흐름을 방해하여 전자를 느리게합니다. 하위.
도체의 전기 저항은 다음과 같이 정의됩니다.
R = \ frac {ρL} {A}
어디ρ(rho)는 재료의 저항률 (구성에 따라 다름), 길이엘지휘자가 얼마나 길고ㅏ재료의 단면적 (평방 미터)입니다. 이 방정식은 도체가 길수록 전기 저항이 높고 단면적이 더 큰 도체는 저항이 낮다는 것을 보여줍니다.
저항의 SI 단위는 옴 (Ω)이며, 여기서 1 Ω = 1 kg m2 에스−3 ㅏ−2, 저항률의 SI 단위는 옴 미터 (Ω m)입니다. 재료마다 저항률이 다르므로 테이블에서 계산에 사용중인 재료의 저항률 값을 찾을 수 있습니다 (참고 자료 참조).
전기 전도도
전기 전도도는 단순히 저항률의 역으로 정의되므로 높은 저항률은 낮은 전도도를 의미하고 낮은 저항률은 높은 전도도를 의미합니다. 수학적으로 재료의 전도도는 다음과 같이 표현됩니다.
σ = \ frac {1} {ρ}
어디σ전도도이고ρ이전과 마찬가지로 저항률입니다. 물론 이전 섹션에서 저항에 대한 방정식을 다시 정렬하여 저항으로 표현할 수 있습니다.아르 자형, 단면적ㅏ지휘자의 길이와 길이엘, 해결하려는 문제에 따라 달라집니다.
전도도의 SI 단위는 저항률 단위의 역이므로 Ω이됩니다.−1 미디엄−1; 그러나 일반적으로 지멘스 / 미터 (S / m)로 표시됩니다. 여기서 1S = 1Ω−1.
비저항 및 전도도 계산
전기 저항과 전도도의 정의를 염두에두고 계산 예를 보면 지금까지 소개 한 아이디어를 구체화하는 데 도움이됩니다. 길이가있는 구리선 길이의 경우엘= 0.1m 및 단면적ㅏ = 5.31 × 10−6 미디엄2 그리고 저항아르 자형 = 3.16 × 10−4 Ω, 저항은 무엇입니까ρ구리? 먼저 저항에 대한 식을 얻기 위해 저항에 대한 방정식을 다시 정렬해야합니다.ρ, 다음과 같이 :
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ frac {RA} {L}
이제 값을 삽입하여 결과를 찾을 수 있습니다.
\ 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}
이것으로부터 구리선의 전기 전도도는 얼마입니까? 물론 이것은 방금 찾은 것을 기반으로 계산하는 것이 매우 간단합니다. 왜냐하면 전도도 (σ)는 저항률의 역수입니다. 따라서 전도도는 다음과 같습니다.
\ begin {정렬} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1.68 × 10 ^ {− 8} \ text {Ω m}} \\ & = 5.95 × 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {정렬}
매우 낮은 저항과 높은 전도도는 왜 이와 같은 구리선이 가정에서 전기를 공급하는 데 사용되는지 설명합니다.
온도 의존성
다른 재료의 저항에 대한 표에서 찾을 수있는 값은 모두 특정 값의 값입니다. 온도 (일반적으로 실온으로 선택됨), 대부분의 경우 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하기 때문입니다. 기재.
일부 재료 (예: 실리콘과 같은 반도체)의 경우 온도가 증가함에 따라 저항률이 감소하지만 온도에 따라 증가하는 것이 일반적인 규칙입니다. 대리석 비유로 돌아 가면 이해하기 쉽습니다. 장벽이 진동하면서 온도 및 내부 에너지), 완전히 고정 된 경우보다 대리석을 차단할 가능성이 더 높습니다. 전역.
온도에서의 저항률티관계에 의해 주어진다 :
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T – T_0))
여기서 알파 (α)는 저항률의 온도 계수,티저항률을 계산하는 온도입니다.티0 는 기준 온도 (일반적으로 293K, 대략 실내 온도)이며ρ0 기준 온도에서의 저항률입니다. 이 방정식의 모든 온도는 켈빈 (K)이며 온도 계수의 SI 단위는 1 / K입니다. 저항의 온도 계수는 일반적으로 저항의 온도 계수와 동일한 값을 가지며 10 정도의 경향이 있습니다.−3 이하.
다른 재료에 대한 온도 의존성을 계산해야하는 경우에는 간단히 적절한 온도 계수의 값을 지정하고 기준 온도로 방정식을 통해 작업티0 = 293 K (저항률에 대한 기준 값에 사용 된 온도와 일치하는 한).
방정식의 형태에서 이것이 항상 온도 상승에 대한 저항률 증가임을 알 수 있습니다. 다음 표에는 다양한 재료의 전기 저항, 전도도 및 온도 계수에 대한 몇 가지 주요 데이터가 포함되어 있습니다.
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {비저항,} ρ \ text {(at 293 K) / Ω m} & \ text { 전도도,} σ \ text {(293K에서) / S / m} & \ text {온도 계수,} 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 {니크롬 } & 1.10 × 10 ^ {− 6} & 9.09 × 10 ^ 5 & 0.0004 \\ \ hdashline \ text {식수} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {− 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {− 2} & \\ \ hdashline \ text {Glass} & 10 ^ {11} \ text {to} 10 ^ {15} & 10 ^ {-11} \ text {to} 10 ^ {-15} & \\ \ hdashline \ text {고무} & 10 ^ {13} & 10 ^ {-13} & \\ \ hdashline \ text {나무} & 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} 및 \\ \ hdashline \ end {array}
목록의 절연체에는 온도 계수에 대한 설정된 값이 없지만 저항률 및 전도도 값의 전체 범위를 표시하기 위해 포함됩니다.
서로 다른 온도에서 비저항 계산
온도가 상승하면 저항률이 증가한다는 이론이 타당하지만 살펴볼 가치가 있습니다. 온도 상승이 전도도와 저항률에 미칠 수있는 영향을 강조하기위한 계산 재료. 계산 예시를 위해 293K에서 343K로 가열 할 때 니켈의 저항률과 전도도에 어떤 일이 발생하는지 고려하십시오. 다시 방정식을 보면 :
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T – T_0))
새로운 저항률을 계산하는 데 필요한 값이 위의 표에 나와 있음을 알 수 있습니다.ρ0 = 6.99 × 10−8 Ω m 및 온도 계수α= 0.006. 이러한 값을 위의 방정식에 삽입하면 새로운 저항률을 쉽게 계산할 수 있습니다.
\ begin {aligned} ρ (T) & = 6.99 × 10 ^ {− 8} \ text {Ω m} (1 + 0.006 \ text {K} ^ {− 1} × (343 \ text {K}-293 \ 텍스트 {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 {정렬}
계산에 따르면 50K의 상당히 상당한 온도 상승은 30 % 저항률 값이 증가하여 주어진 양의 저항이 30 % 증가합니다. 재료. 물론이 결과를 기반으로 전도도의 새로운 값을 계산할 수 있습니다.
온도 상승이 저항률 및 전도도에 미치는 영향은 온도 계수, 값이 높을수록 온도 변화가 더 많음을 의미하고 값이 낮을수록 변화.
초전도체
네덜란드의 물리학자인 Heike Kamerlingh Onnes는 다양한 재료의 특성을 조사했습니다. 1911 년에 매우 낮은 온도에서 4.2K (즉, -268.95 ° C) 미만의 수은이 완전히잃다전류 흐름에 대한 저항이므로 저항률은 0이됩니다.
그 결과 (그리고 저항과 전도도의 관계) 전도도는 무한 해지고 에너지 손실없이 무기한 전류를 전달할 수 있습니다. 나중에 과학자들은 더 많은 요소가 특정 "임계 온도"이하로 냉각 될 때 이러한 동작을 나타내며 "초전도체"라고 불린다는 사실을 발견했습니다.
오랫동안 물리학은 초전도체에 대한 실제적인 설명을 제공하지 않았지만 1957 년에 John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer는 초전도에 대한“BCS”이론을 개발했습니다. 이것은 물질 그룹의 전자가 양극과의 상호 작용의 결과로 "쿠퍼 쌍"으로 가정합니다. 이온은 재료의 격자 구조를 구성하며, 이러한 쌍은 아무런 방해없이 재료를 통해 이동할 수 있습니다.
전자가 냉각 된 물질을 통과 할 때 격자를 형성하는 양이온이 그들에게 끌려 위치를 약간 변경합니다. 그러나이 운동은 물질에 양전하를 띠는 영역을 만들어 다른 전자를 끌어 당기고 그 과정이 다시 시작됩니다.
초전도체는 많은 잠재력을 가지고 있으며 저항없이 전류를 전달할 수있는 능력을 이미 실현했습니다. 가장 일반적인 용도 중 하나이자 가장 친숙 할 것 같은 용도는 의료 환경에서의 자기 공명 영상 (MRI)입니다.
그러나 초전도는 자기 부상을 통해 작동하고 열차와 선로 사이의 마찰을 제거하는 것을 목표로하는 자기 부상 열차와 같은 것들에도 사용됩니다. – CERN의 Large Hadron Collider와 같은 입자 가속기에서 초전도 자석을 사용하여 다음 속도에 근접한 속도로 입자를 가속합니다. 빛. 앞으로 초전도체는 발전 효율을 높이고 컴퓨터의 속도를 높이는 데 사용될 수 있습니다.