Pretestība un vadītspēja ir vienas monētas divas puses, taču abi ir izšķiroši jēdzieni, kas jāņem vērā, apgūstot elektroniku. Tie būtībā ir divi dažādi veidi, kā aprakstīt vienu un to pašu fizisko pamatīpašību: cik labi elektriskā strāva plūst caur materiālu.
Elektriskā pretestība ir materiāla īpašība, kas norāda, cik daudz tas pretojas elektriskās strāvas plūsmai, bet vadītspēja kvantificē, cik viegli strāva plūst. Tie ir ļoti cieši saistīti, un elektrovadītspēja ir pretestība pretestībai, taču detalizēta izpratne par abiem ir svarīga, lai risinātu elektronikas fizikas problēmas.
Elektriskā pretestība
Materiāla pretestība ir galvenais faktors, lai noteiktu vadītāja elektrisko pretestību, un tā ir pretestības vienādojuma daļa, kurā ņemtas vērā atšķirīgās atšķirīgās īpašības materiāliem.
Elektrisko pretestību var saprast, izmantojot vienkāršu līdzību. Iedomājieties, ka elektronu (elektriskās strāvas nesēju) plūsmu caur vadu attēlo bumbiņas, kas tek pa rampu: Jūs iegūtu pretestību, ja jūs novietotu šķēršļus ceļa virzienā uzbrauktuve. Kad marmors ietriecās barjerās, viņi zaudēs daļu enerģijas šķēršļiem, un kopējā marmora plūsma pa rampu palēnināsies.
Vēl viena līdzība, kas var palīdzēt jums saprast, kā pretestība ietekmē strāvas plūsmu, ir ietekme, ko izlaišana caur lāpstiņas riteni ietekmē ūdens straumes ātrumu. Atkal enerģija pāriet uz lāpstiņas riteni, un rezultātā ūdens pārvietojas lēnāk.
Strāvas plūsmas caur vadītāju realitāte ir tuvāk marmora piemēram, jo elektroni plūst caur materiāls, bet atomu kodolu režģveida struktūra ir šķērslis šai plūsmai, kas palēnina elektronus uz leju.
Vadītāja elektriskā pretestība ir definēta kā:
R = \ frac {ρL} {A}
Kurρ(rho) ir materiāla pretestība (kas atkarīga no tā sastāva), garumsLir cik ilgs ir vadītājs unAir materiāla šķērsgriezuma laukums (kvadrātmetros). Vienādojums parāda, ka garākam vadītājam ir lielāka elektriskā pretestība, bet vienam ar lielāku šķērsgriezuma laukumu - mazāka pretestība.
SI pretestības vienība ir oms (Ω), kur 1 Ω = 1 kg m2 s−3 A−2, un SI pretestības mērvienība ir ommetrs (Ω m). Dažādiem materiāliem ir atšķirīga pretestība, un tabulā aprēķinos varat meklēt izmantotā materiāla pretestības vērtības (skat. Resursi).
Elektriskā vadītspēja
Elektrisko vadītspēju vienkārši definē kā pretestības apgriezto vērtību, tāpēc augsta pretestība nozīmē zemu vadāmību, bet maza - ar lielu vadītspēju. Matemātiski materiāla vadītspēju attēlo:
σ = \ frac {1} {ρ}
Kurσir vadītspēja unρir pretestība, tāpat kā iepriekš. Protams, jūs varat pārkārtot pretestības vienādojumu iepriekšējā sadaļā, lai izteiktu to pretestības izteiksmē,R, šķērsgriezuma laukumsAvadītāja garumu un garumuL, atkarībā no tā, kāda problēma jūs risināt.
SI vienības vadītspējai ir apgrieztās pretestības vienības, kas padara tās par Ω−1 m−1; tomēr to parasti citē kā siemens / metrs (S / m), kur 1 S = 1 Ω−1.
Pretestības un vadītspējas aprēķināšana
Paturot prātā elektriskās pretestības un vadītspējas definīcijas, aprēķina parauga redzēšana palīdzēs nostiprināt līdz šim ieviestās idejas. Vara stieples garumam ar garumuL= 0,1 m un šķērsgriezuma laukumsA = 5.31 × 10−6 m2 un pretestībaR = 3.16 × 10−4 Ω, kāda ir pretestībaρno vara? Pirmkārt, jums jāpārkārto pretestības vienādojums, lai iegūtu pretestības izpausmiρ, sekojoši:
R = \ frac {ρL} {A}
ρ = \ frac {RA} {L}
Tagad varat ievietot vērtības, lai atrastu rezultātu:
\ begin {izlīdzināts} 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}
No tā, kāda ir vara stieples elektrovadītspēja? Protams, to ir diezgan vienkārši izstrādāt, pamatojoties uz tikko atrasto, jo vadītspēja (σ) ir tikai pretestības apgrieztā vērtība. Tātad vadītspēja ir:
\ begin {izlīdzināts} σ & = \ frac {1} {ρ} \\ & = \ frac {1} {1,68 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m}} \\ & = 5,95 × 10 ^ 7 \ text {s / m} \ end {izlīdzināts}
Ļoti zema pretestība un augsta vadītspēja izskaidro, kāpēc tieši tāds vara vads, iespējams, tiek izmantots jūsu mājās, lai piegādātu elektrību.
Atkarība no temperatūras
Vērtības, kuras atradīsit dažādu materiālu pretestības tabulā, visas būs vērtības konkrētam temperatūra (parasti tiek izvēlēta istabas temperatūra), jo lielākajai daļai temperatūras paaugstināšanās pretestība palielinās materiāliem.
Lai gan dažiem materiāliem (piemēram, pusvadītājiem, piemēram, silīcijam) pretestība samazinās, palielinoties temperatūrai, temperatūras paaugstināšanās ir vispārējs noteikums. To ir viegli saprast, ja atgriežaties pie marmora līdzības: Ar barjerām, kas vibrē apkārt (palielinātas temperatūra un līdz ar to iekšējā enerģija), tie, visticamāk, bloķēs bumbiņas nekā tad, ja tie būtu pilnīgi nekustīgi visā.
Pretestība temperatūrāTdod attiecības:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Kur alfa (α) ir pretestības temperatūras koeficients,Tir temperatūra, kurā aprēķināt pretestību,T0 ir atskaites temperatūra (parasti to uzskata par 293 K, aptuveni istabas temperatūrā) unρ0 ir pretestība atskaites temperatūrā. Visas vienādojuma temperatūras ir izteiktas kelvinos (K), un SI vienība temperatūras koeficientam ir 1 / K. Temperatūras pretestības koeficientam parasti ir tāda pati pretestības temperatūras koeficienta vērtība, un tam parasti ir 10 pakāpes−3 vai zemāk.
Ja jums jāaprēķina dažādu materiālu atkarība no temperatūras, jums vienkārši jāmeklē attiecīgā temperatūras koeficienta vērtību un jāizstrādā vienādojums ar standarttemperatūruT0 = 293 K (ja vien tā atbilst temperatūrai, ko izmanto pretestības atsauces vērtībai).
Pēc vienādojuma formas var redzēt, ka tas vienmēr būs temperatūras paaugstināšanās pretestības pieaugums. Šajā tabulā ir daži galvenie dati par elektrisko pretestību, vadītspēju un temperatūras koeficientiem dažādiem materiāliem:
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {masīvs} {c: c: c: c} \ text {Material} & \ text {Resistivity,} ρ \ text {(pie 293 K) / Ω m} & \ text { Vadītspēja,} σ \ text {(pie 293 K) / S / m} & \ text {Temperature Koeficients,} α \ text {/ K} ^ {- 1} \\ \ hline \ text {Silver} un 1,59 × 10 ^ {- 8} un 6,30 × 10 ^ 7 & 0,0038 \\ \ hdashline \ text {Copper} & 1,68 × 10 ^ {- 8} & 5,96 × 10 ^ 7 un 0,00386 \\ \ hdashline \ text {Cinks} & 5,90 × 10 ^ {- 8} un 1,69 × 10 ^ 7 un 0,0037 \\ \ hdashline \ text {niķelis} un 6,99 × 10 ^ {- 8} & 1,43 × 10 ^ 7 & 0,006 \\ \ hdashline \ text {dzelzs } Un 1,00 × 10 ^ {- 7} un 1,00 × 10 ^ 7 un 0,00651 \\ \ hdashline \ text {Stainless Steel} & 6,9 × 10 ^ {- 7} un 1,45 × 10 ^ 6 un 0,00094 \\ \ hdashline \ text {Mercury} un 9,8 × 10 ^ {- 7} & 1,02 × 10 ^ 6 & 0,0009 \\ \ hdashline \ text {Nichrome } Un 1,10 × 10 ^ {- 6} un 9,09 × 10 ^ 5 un 0,0004 \\ \ hdashline \ text {Dzeramais ūdens} & 2 × 10 ^ 1 \ text {to} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ text {to} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ hdashline \ īsziņa {Glass} un 10 ^ {11} \ text {to} 10 ^ {15} un 10 ^ {- 11} \ text {to} 10 ^ {- 15} un \\ \ 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} un 10 ^ {23} \ text {to} 10 ^ {25} & 10 ^ {- 25} \ text {to} 10 ^ {- 23} & \\ \ hdashline \ end {masīvs}
Ņemiet vērā, ka sarakstā iekļautajiem izolatoriem nav noteiktas temperatūras koeficientu vērtības, taču tie ir iekļauti, lai parādītu visu pretestības un vadītspējas vērtību diapazonu.
Pretestības aprēķināšana dažādās temperatūrās
Lai arī ir jēga teorijai, ka temperatūras paaugstināšanās gadījumā palielinās pretestība, ir vērts apskatīt a aprēķins, lai uzsvērtu temperatūras paaugstināšanās ietekmi uz a vadītspēju un pretestību materiāls. Aprēķina piemērā ņemiet vērā, kas notiek ar niķeļa pretestību un vadītspēju, sildot no 293 K līdz 343 K. Vēlreiz aplūkojot vienādojumu:
ρ (T) = ρ_0 (1 + α (T - T_0))
Jūs varat redzēt, ka vērtības, kas jums nepieciešamas, lai aprēķinātu jauno pretestību, ir iepriekš redzamajā tabulā, kur pretestībaρ0 = 6.99 × 10−8 Ω m un temperatūras koeficientsα= 0.006. Šo vērtību ievietošana iepriekš minētajā vienādojumā ļauj viegli aprēķināt jauno pretestību:
\ begin {izlīdzināts} ρ (T) & = 6.99 × 10 ^ {- 8} \ text {Ω m} (1 + 0.006 \ text {K} ^ {- 1} × (343 \ text {K} - 293 \ teksts {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} \ teksts {Ω m} \ end {izlīdzināts}
Aprēķins rāda, ka diezgan ievērojams temperatūras pieaugums par 50 K rada tikai 30 procentus pretestības vērtības pieaugums un līdz ar to par 30 procentiem palielināts pretestība noteiktā daudzumā materiāls. Protams, pēc tam jūs varētu turpināt aprēķināt vadītspējas jauno vērtību, pamatojoties uz šo rezultātu.
Temperatūras paaugstināšanās ietekmi uz pretestību un vadītspēju nosaka pēc lieluma temperatūras koeficients, kur augstākas vērtības nozīmē vairāk izmaiņu ar temperatūru un zemākas vērtības nozīmē mazāk izmaiņas.
Supravadītāji
Holandiešu fiziķis Heike Kamerlingh Onnes pētīja dažādu materiālu īpašības ļoti zemā temperatūrā 1911. gadā un atklāja, ka dzīvsudrabs ir zem 4,2 K (t.i., -268,95 ° C) pilnībāzaudētā pretestība elektriskās strāvas plūsmai, tāpēc tā pretestība kļūst nulle.
Tā rezultātā (un attiecības starp pretestību un vadītspēju) viņu vadītspēja kļūst bezgalīga, un viņi var nest strāvu bezgalīgi, nezaudējot enerģiju. Vēlāk zinātnieki atklāja, ka daudzi citi elementi izrāda šādu izturēšanos, atdzesējot zem noteiktas “kritiskās temperatūras”, un tos sauc par “supravadītājiem”.
Ilgu laiku fizika nepiedāvāja reālu supravadītāju skaidrojumu, taču 1957. gadā Džons Bardēns, Leons Kūpers un Džons Šīferers izstrādāja supravadītspējas teoriju “BCS”. Tas rada to, ka mijiedarbības ar pozitīvo rezultātā materiālu grupas elektroni dalās “Kūpera pāros” joni, kas veido materiāla režģa struktūru, un šie pāri var bez šķēršļiem pārvietoties pa materiālu.
Kad elektrons pārvietojas pa atdzesēto materiālu, pozitīvie joni, kas veido režģi, tiem piesaista un nedaudz maina savu pozīciju. Tomēr šī kustība materiālā rada pozitīvi uzlādētu reģionu, kas piesaista vēl vienu elektronu, un process sākas no jauna.
Supravadītājiem ir jāpateicas daudziem potenciāliem un jau realizētiem izmantošanas veidiem, lai viņi spētu pārvadāt strāvas bez pretestības. Viens no visizplatītākajiem lietojumiem, kas, visticamāk, ir pazīstams, ir magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) medicīnas iestādēs.
Tomēr supravadītspēju izmanto arī tādām lietām kā Maglev vilcieni, kas darbojas caur magnētisko levitāciju un kuru mērķis ir novērst berzi starp vilcienu un sliežu ceļu - un daļiņu paātrinātāji, piemēram, lielais hadronu kolektors CERN, kur supravadītus magnētus izmanto, lai paātrinātu daļiņas ar ātrumu, kas tuvojas gaisma. Nākotnē supravadītājus var izmantot, lai uzlabotu elektroenerģijas ražošanas efektivitāti un uzlabotu datoru ātrumu.