Atsparumas ir laidumas yra dvi tos pačios monetos pusės, tačiau abi yra labai svarbios sąvokos, kurias reikia suvokti mokantis apie elektroniką. Jie iš esmės yra du skirtingi būdai apibūdinti tą pačią pagrindinę fizinę savybę: kaip gerai elektros srovė teka per medžiagą.
Elektrinė varža yra medžiagos savybė, nurodanti, kiek ji priešinasi elektros srovės srautui, o laidumas - kiek srovė teka. Jie yra labai glaudžiai susiję, o elektrinis laidumas yra atvirkštinis varžai, tačiau norint suprasti elektronikos fizikos problemas, svarbu suprasti abi detales.
Elektrinė varža
Medžiagos varža yra pagrindinis veiksnys nustatant laidininko elektrinę varžą, ir ji yra pasipriešinimo lygties dalis, kurioje atsižvelgiama į skirtingas skirtingų charakteristikas medžiagos.
Pats elektrinis varža gali būti suprantama pagal paprastą analogiją. Įsivaizduokite, kad elektronų (elektros srovės nešėjų) srautą per laidą vaizduoja rampos, tekančios rampa: Jūs sulauktumėte pasipriešinimo, jei į kelią įstumtumėte kliūtis rampa. Kai marmuras atsitrenkia į atitvarus, jie praranda dalį savo energijos dėl kliūčių, o bendras marmuro srautas žemyn rampa sulėtės.
Kita analogija, kuri gali padėti jums suprasti, kaip srovės srautą veikia pasipriešinimas, yra tai, kokį poveikį praeina pro irklo ratą vandens srovės greičiui. Vėlgi, energija perduodama irklo ratui, todėl vanduo juda lėčiau.
Srovės tekėjimo per laidininką tikrovė yra arčiau marmuro pavyzdžio, nes elektronai teka per medžiagos, tačiau į groteles panaši atomų branduolių struktūra yra kliūtis šiam srautui, kuris sulėtina elektronus žemyn.
Laidininko elektrinė varža apibrėžiama taip:
R = \ frac {ρL} {A}
Kurρ(rho) yra medžiagos atsparumas (kuris priklauso nuo jo sudėties), ilgisLyra ilgas laidininkas irAyra medžiagos skerspjūvio plotas (kvadratiniais metrais). Lygtis rodo, kad ilgesnio laidininko elektrinė varža yra didesnė, o didesnio skerspjūvio ploto - mažesnė.
SI varžos vienetas yra omas (Ω), kur 1 Ω = 1 kg m2 s−3 A−2, o SI varžos vienetas yra omo metras (Ω m). Skirtingos medžiagos turi skirtingą atsparumą, ir jūs galite ieškoti medžiagos, kurią naudojate, atsparumo vertės apskaičiuojamos lentelėje (žr. Ištekliai).
Elektrinis laidumas
Elektros laidumas yra tiesiog apibrėžiamas kaip atvirkštinis varžai, todėl didelis atsparumas reiškia mažą laidumą, o mažas - didelį laidumą. Matematiškai medžiagos laidumą vaizduoja:
σ = \ frac {1} {ρ}
Kurσyra laidumas irρyra atsparumas, kaip ir anksčiau. Žinoma, galite iš naujo sutvarkyti pasipriešinimo lygtį ankstesniame skyriuje, kad tai išreikštumėte pasipriešinimu,R, skerspjūvio plotasAlaidininko ir ilgioL, atsižvelgiant į tai, kokią problemą sprendžiate.
SI laidumo koeficientai yra atvirkštiniai varžos vienetams, todėl jie yra Ω−1 m−1; tačiau paprastai jis nurodomas kaip siemens / metras (S / m), kur 1 S = 1 Ω−1.
Atsparumo ir laidumo skaičiavimas
Turint omenyje elektrinės varžos ir laidumo apibrėžimus, pamatę skaičiavimo pavyzdį, galėsite įtvirtinti iki šiol pristatytas idėjas. Vario vielos ilgiui, kurio ilgisL= 0,1 m ir skerspjūvio plotasA = 5.31 × 10−6 m2 o pasipriešinimasR = 3.16 × 10−4 Ω, kokia yra varžaρvario? Pirmiausia turite iš naujo sutvarkyti atsparumo lygtį, kad gautumėte varžos išraiškąρ, taip:
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ frac {RA} {L}
Dabar galite įterpti reikšmes, kad rastumėte rezultatą:
\ 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}
Iš to, koks yra vario laido elektrinis laidumas? Žinoma, tai yra gana paprasta atlikti remiantis tuo, ką ką tik radote, nes laidumas (σ) yra tik atvirkštinė varžos. Taigi laidumas yra:
\ begin {aligned} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1.68 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m}} \\ & = 5.95 × 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {aligned}
Labai mažas atsparumas ir didelis laidumas paaiškina, kodėl varinė viela, panaši į šią, tikriausiai yra naudojama jūsų namuose tiekiant elektrą.
Temperatūros priklausomybė
Vertės, kurias rasite skirtingų medžiagų atsparumo lentelėje, visos bus tam tikros vertės temperatūra (paprastai pasirinkta kambario temperatūra), nes daugumai atsparumas didėja didėjant temperatūrai medžiagos.
Nors kai kurioms medžiagoms (pvz., Puslaidininkiams, pavyzdžiui, siliciui), atsparumas mažėja didėjant temperatūrai, tačiau bendra taisyklė yra didėjimas, kai temperatūra. Tai lengva suprasti, jei grįšite į marmuro analogiją: kai barjerai vibruoja aplink (dėl padidėjusio temperatūra, taigi ir vidinė energija), jie labiau užblokuos rutuliukus, nei būtų visiškai nejudantys visoje.
Varža esant temperatūraiTsuteikia santykiai:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Kur alfa (α) yra atsparumo temperatūros koeficientas,Tyra temperatūra, kurioje skaičiuojate varžą,T0 yra etaloninė temperatūra (paprastai laikoma 293 K, maždaug kambario temperatūra) irρ0 yra varža atskaitos temperatūroje. Visos šios lygties temperatūros yra kelvinais (K), o SI temperatūros koeficiento vienetas yra 1 / K. Temperatūros varžos koeficientas paprastai turi tą pačią atsparumo temperatūros koeficiento vertę ir paprastai būna 10−3 ar žemiau.
Jei reikia apskaičiuoti skirtingų medžiagų priklausomybę nuo temperatūros, tiesiog reikia ieškoti atitinkamo temperatūros koeficiento reikšmę ir apskaičiuokite lygtį su etalonine temperatūraT0 = 293 K (tol, kol ji atitinka temperatūrą, naudojamą pamatinei varžos vertei).
Iš lygties formos matote, kad tai visada bus atsparumo padidėjimas padidėjus temperatūrai. Šioje lentelėje pateikiami keli pagrindiniai duomenys apie įvairių medžiagų elektrinės varžos, laidumo ir temperatūros koeficientus:
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {Resistivity,} ρ \ text {(esant 293 K) / Ω m} & \ text { Laidumas,} σ \ text {(esant 293 K) / S / m} & \ text {Temperature Koeficientas,} α \ text {/ K} ^ {- 1} \\ \ hline \ text {Silver} ir 1,59 × 10 ^ {- 8} ir 6,30 × 10 ^ 7 & 0,0038 \\ \ hdashline \ text {Copper} & 1,68 × 10 ^ {- 8} ir 5,96 × 10 ^ 7 ir 0,00386 \\ \ hdashline \ text {Cinkas} ir 5,90 × 10 ^ {- 8} ir 1,69 × 10 ^ 7 ir 0,0037 \\ \ hdashline \ text {Nickel} ir 6,99 × 10 ^ {- 8} & 1,43 × 10 ^ 7 & 0,006 \\ \ hdashline \ text {Iron } Ir 1,00 × 10 ^ {- 7} ir 1,00 × 10 ^ 7 ir 0,00651 \\ \ hdashline \ text {Stainless Steel} & 6,9 × 10 ^ {- 7} ir 1,45 × 10 ^ 6 ir 0,00094 \\ \ hdashline \ text {Mercury} ir 9,8 × 10 ^ {- 7} & 1,02 × 10 ^ 6 & 0,0009 \\ \ hdashline \ text {Nichrome } Ir 1,10 × 10 ^ {- 6} ir 9,09 × 10 ^ 5 ir 0,0004 \\ \ hdashline \ text {Geriamojo vandens} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ hdashline \ tekstas {Glass} ir 10 ^ {11} \ text {to} 10 ^ {15} ir 10 ^ {- 11} \ text {to} 10 ^ {- 15} ir \\ \ hdashline \ text {Rubber} & 10 ^ {13} & 10 ^ {- 13} & \\ \ hdashline \ text {Wood} & 10 ^ {14} \ text {to} 10 ^ {16} & 10 ^ {- 16 } \ text {to} 10 ^ {- 14} & \\ \ hdashline \ text {teflonas} ir 10 ^ {23} \ text {to} 10 ^ {25} ir 10 ^ {- 25} \ text {to} 10 ^ {- 23} & \\ \ hdashline \ end {array}
Atkreipkite dėmesį, kad sąraše esantys izoliatoriai neturi nustatytų temperatūros koeficientų verčių, tačiau jie įtraukiami, kad būtų rodomas visas atsparumo ir laidumo verčių diapazonas.
Atsparumo skaičiavimas esant skirtingai temperatūrai
Nors teorija, kad atsparumas didėja, kai temperatūra pakyla, turi prasmę, verta pažvelgti į a apskaičiavimas, siekiant pabrėžti temperatūros padidėjimo poveikį a laidumui ir varžai medžiaga. Apskaičiuokite pavyzdį, kas atsitiks su nikelio atsparumu ir laidumu, kai jis kaitinamas nuo 293 K iki 343 K. Dar kartą pažvelgę į lygtį:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Galite pamatyti, kad vertės, kurių jums reikia norint apskaičiuoti naują varžą, yra aukščiau pateiktoje lentelėje, kur yra atsparumasρ0 = 6.99 × 10−8 Ω m ir temperatūros koeficientasα= 0.006. Įterpus šias vertes į aukščiau pateiktą lygtį, galima lengvai apskaičiuoti naują varžą:
\ begin {aligned} ρ (T) & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0,006 \ text {K} ^ {- 1} × (343 \ text {K} - 293 \ tekstas {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 {aligned}
Apskaičiavimai rodo, kad gana reikšmingas 50 K temperatūros padidėjimas lemia tik 30 proc atsparumo vertės padidėjimas ir tuo pačiu 30 procentų padidėjęs tam tikros vertės atsparumas medžiaga. Žinoma, tada galite tęsti ir apskaičiuoti naują laidumo vertę, remdamiesi šiuo rezultatu.
Temperatūros padidėjimo įtaka varžai ir laidumui nustatoma pagal temperatūros koeficientas, kai didesnės vertės reiškia daugiau pokyčių su temperatūra, o mažesnės reikšmės reiškia mažesnę temperatūrą pasikeitimas.
Superlaidininkai
Nyderlandų fizikas Heike'as Kamerlinghas Onnesas tyrinėjo skirtingų medžiagų savybes esant labai žemai temperatūrai 1911 m. ir atrado, kad gyvsidabris yra žemesnis nei 4,2 K (t. y. –268,95 ° C) visiškaipralaimijo atsparumas elektros srovės srautui, todėl jo varža tampa lygi nuliui.
Dėl to (ir atsparumo ir laidumo santykio) jų laidumas tampa begalinis, ir jie gali nešti srovę neribotą laiką, neprarandant energijos. Vėliau mokslininkai atrado, kad daugeliui elementų būdingas toks elgesys atvėsus iki žemesnės nei tam tikros „kritinės temperatūros“ ir jie vadinami „superlaidžiais“.
Ilgą laiką fizika nepasiūlė tikro supratimo apie superlaidininkus, tačiau 1957 m. Johnas Bardeenas, Leonas Cooperis ir Johnas Schriefferis sukūrė superlaidumo teoriją „BCS“. Tai reiškia, kad medžiagų grupės elektronai į „Cooper poras“ dėl sąveikos su teigiamu jonų, sudarančių medžiagos grotelių struktūrą, ir šios poros gali judėti per medžiagą be jokių kliūčių.
Elektronui judant per atvėsusią medžiagą, groteles formuojantys teigiami jonai juos traukia ir šiek tiek keičia savo padėtį. Tačiau šis judėjimas sukuria teigiamai įkrautą sritį medžiagoje, kuri pritraukia kitą elektroną ir procesas prasideda iš naujo.
Superlaidininkai turi daug potencialo ir jau realizuotų panaudojimo galimybių savo srovei nešti be pasipriešinimo. Vienas iš dažniausiai naudojamų ir greičiausiai jums žinomų būdų yra magnetinio rezonanso tomografija (MRT) medicinos įstaigose.
Tačiau superlaidumas taip pat naudojamas tokiems dalykams kaip „Maglev“ traukiniai, kurie veikia per magnetinę levitaciją ir kuriais siekiama pašalinti trintį tarp traukinio ir kelio - ir dalelių greitintuvai, pvz., Didelis hadronų kolektorius CERN, kur superlaidūs magnetai naudojami dalelėms pagreitinti greičiu, artėjančiu lengvas. Ateityje superlaidininkai gali būti naudojami siekiant pagerinti elektros energijos gamybos efektyvumą ir padidinti kompiuterių greitį.