Отпорност и проводљивост су две стране исте медаље, али обе су кључне појмове које требате схватити када учите о електроници. Они су у основи два различита начина описивања истог основног физичког својства: колико добро електрична струја протиче кроз материјал.
Електрична отпорност је својство материјала које вам говори колико се одупире протоку електричне струје, док проводљивост квантификује колико лако струја тече. Они су врло уско повезани, с тим што је електрична проводљивост обрнута од отпора, али детаљно разумевање оба је важно за решавање проблема у физици електронике.
Електрична отпорност
Отпорност материјала је кључни фактор у одређивању електричног отпора проводника и јесте део једначине за отпор који узима у обзир различите карактеристике различитих материјала.
Сам електрични отпор може се разумети једноставном аналогијом. Замислите да је проток електрона (носача електричне струје) кроз жицу представљен са мрамор који тече низ рампу: Добили бисте отпор ако бисте поставили препреке на путу рампа. Како би мрамор налетео на препреке, губио би део своје енергије због препрека, а укупни проток мермера низ рампу успорио би се.
Још једна аналогија која вам може помоћи да разумете како на проток струје утиче отпор је ефекат који пролазак кроз точак са лопатицом има на брзину струје воде. Опет, енергија се преноси на точак весла, а вода се услед тога спорије креће.
Стварност протока струје кроз проводник ближа је примеру мермера, јер електрони пролазе кроз материјала, али мрежаста структура језгара атома представља препреку овом току који успорава електроне доле.
Електрични отпор проводника је дефинисан као:
Р = \ фрац {ρЛ} {А}
Гдеρ(рхо) је отпорност материјала (која зависи од његовог састава), дужинаЛје колико је проводник дугачак иА.је површина попречног пресека материјала (у квадратним метрима). Једначина показује да дужи проводник има већи електрични отпор, а онај са већом површином попречног пресека мањи отпор.
СИ јединица отпора је охм (Ω), где је 1 Ω = 1 кг м2 с−3 А.−2, а СИ јединица отпора је охм-метар (Ω м). Различити материјали имају различиту отпорност и вредности отпорности материјала који користите можете потражити у прорачуну у табели (погледајте Ресурси).
Електрична проводљивост
Електрична проводљивост се једноставно дефинише као инверзна отпорност, тако да велика отпорност значи малу проводљивост, а мала отпорност значи велику проводљивост. Математички проводљивост материјала представља:
σ = \ фрац {1} {ρ}
Гдеσје проводљивост иρје отпор, као и раније. Наравно, можете преуредити једначину отпора у претходном одељку да то изразите у терминима отпор,Р., попречни пресекА.проводника и дужинеЛ, у зависности од проблема за који се борите.
СИ јединице за проводљивост су инверзне јединицама отпорности, што их чини Ω−1 м−1; међутим, обично се наводи као сиеменс / метар (С / м), где је 1 С = 1 Ω−1.
Израчунавање отпорности и проводљивости
Имајући у виду дефиниције електричне отпорности и проводљивости, виђење примера прорачуна помоћи ће да се цементирају до сада представљене идеје. За дужину бакарне жице, са дужиномЛ= 0,1 м и површина попречног пресекаА. = 5.31 × 10−6 м2 и отпор одР. = 3.16 × 10−4 Ω, колика је отпорностρбакра? Прво треба да преуредите једначину отпора да бисте добили израз отпорностиρ, као што следи:
Р = \ фрац {ρЛ} {А}
ρ = \ фрац {РА} {Л}
Сада можете уметнути вредности да бисте пронашли резултат:
\ почетак {поравнато} ρ & = \ фрац {3,16 × 10 ^ {- 4} \ текст {Ω} × 5,31 × 10 ^ {- 6} \ текст {м} ^ 2} {0,1 \ текст {м}} \ \ & = 1,68 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м} \ крај {поравнато}
Из овога, колика је електрична проводљивост бакарне жице? Наравно, ово је сасвим једноставно разрадити на основу онога што сте управо нашли, јер проводљивост (σ) је управо обрнута отпорност. Дакле, проводљивост је:
\ почетак {поравнато} σ & = \ фрац {1} {ρ} \\ & = \ фрац {1} {1,68 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м}} \\ & = 5,95 × 10 ^ 7 \ тект {с / м} \ крај {поравнато}
Врло мала отпорност и велика проводљивост објашњавају зашто је бакарна жица управо оваква оно што се у вашем дому користи за испоруку електричне енергије.
Зависност од температуре
Вредности отпорности различитих материјала које ћете наћи у табели биће све вредности за одређену вредност температура (обично изабрана за собну температуру), јер отпорност расте са повећањем температуре већине материјала.
Иако се за неке материјале (попут полупроводника попут силицијума) отпорност смањује са порастом температуре, опште правило је повећање температуре. Ово је лако разумети ако се вратите на мермерну аналогију: са баријерама које вибрирају около (као резултат повећане температура и самим тим унутрашња енергија), већа је вероватноћа да ће блокирати кликере него да су потпуно стационарни током.
Отпорност на температуриТ.даје однос:
ρ (Т) = ρ_0 (1 + α (Т - Т_0))
Где алфа (α) је температурни коефицијент отпорности,Т.је температура на којој рачунате отпор,Т.0 је референтна температура (обично се узима као 293 К, приближно собна температура) иρ0 је отпор при референтној температури. Све температуре у овој једначини су у келвинима (К), а СИ јединица за коефицијент температуре је 1 / К. Температурни коефицијент отпорности углавном има исту вредност температурног коефицијента отпора и обично је реда 10−3 или ниже.
Ако треба да израчунате температурну зависност за различите материјале, једноставно треба да потражите вредност одговарајућег температурног коефицијента и проћи кроз једначину са референтном температуромТ.0 = 293 К (све док се подудара са температуром која се користи за референтну вредност отпора).
Из облика једначине можете видети да ће ово увек бити повећање отпора за повећање температуре. Следећа табела садржи неке кључне податке за коефицијенте електричне отпорности, проводљивости и температуре за различите материјале:
\ деф \ арраистретцх {1.5} \ старт {низ} {ц: ц: ц: ц} \ тект {Материјал} & \ тект {Отпор,} ρ \ тект {(при 293 К) / Ω м} & \ тект { Проводљивост,} σ \ тект {(на 293 К) / С / м} & \ тект {Температура Коефицијент,} α \ тект {/ К} ^ {- 1} \\ \ хлине \ тект {Силвер} & 1,59 × 10 ^ {- 8} & 6,30 × 10 ^ 7 & 0,0038 \\ \ хдасхлине \ тект {Цоппер} & 1,68 × 10 ^ {- 8} & 5,96 × 10 ^ 7 & 0,00386 \\ \ хдасхлине \ тект {Цинк} & 5,90 × 10 ^ {- 8} & 1,69 × 10 ^ 7 & 0,0037 \\ \ хдасхлине \ тект {Ницкел} & 6,99 × 10 ^ {- 8} & 1,43 × 10 ^ 7 & 0,006 \\ \ хдасхлине \ тект {Гвожђе } & 1,00 × 10 ^ {- 7} & 1,00 × 10 ^ 7 & 0,00651 \\ \ хдасхлине \ тект {Нерђајући челик} & 6,9 × 10 ^ {- 7} & 1,45 × 10 ^ 6 & 0,00094 \\ \ хдасхлине \ тект {Меркур} & 9,8 × 10 ^ {- 7} & 1,02 × 10 ^ 6 & 0,0009 \\ \ хдасхлине \ тект {Ницхроме } & 1,10 × 10 ^ {- 6} & 9,09 × 10 ^ 5 & 0,0004 \\ \ хдасхлине \ тект {Питка вода} & 2 × 10 ^ 1 \ тект {то} 2 × 10 ^ 3 & 5 × 10 ^ {- 4} \ тект {то} 5 × 10 ^ {- 2} & \\ \ хдасхлине \ тект {Гласс} & 10 ^ {11} \ тект {то} 10 ^ {15} & 10 ^ {- 11} \ тект {то} 10 ^ {- 15} & \\ \ хдасхлине \ тект {Руббер} & 10 ^ {13} & 10 ^ {- 13} & \\ \ хдасхлине \ тект {Воод} & 10 ^ {14} \ тект {то} 10 ^ {16} & 10 ^ {- 16 } \ тект {то} 10 ^ {- 14} & \\ \ хдасхлине \ тект {Тефлон} & 10 ^ {23} \ тект {то} 10 ^ {25} & 10 ^ {- 25} \ тект {то} 10 ^ {- 23} & \\ \ хдасхлине \ енд {низ}
Имајте на уму да изолатори на листи немају утврђене вредности за своје температурне коефицијенте, али су укључени да покажу читав опсег вредности отпорности и проводљивости.
Израчунавање отпорности на различитим температурама
Иако теорија да се отпор повећава када се температура повећава има смисла, вреди погледати а прорачун за подвлачење утицаја који пораст температуре може имати на проводљивост и отпорност а материјал. За пример прорачуна узмите у обзир шта се дешава са отпорношћу и проводљивошћу никла када се загрева са 293 К на 343 К. Гледајући поново једначину:
ρ (Т) = ρ_0 (1 + α (Т - Т_0))
Можете видети да су вредности потребне за израчунавање нове отпорности у горњој табели, где је отпорностρ0 = 6.99 × 10−8 Ω м, и температурни коефицијентα= 0.006. Убацивање ових вредности у горњу једначину омогућава лако израчунавање нове отпорности:
\ почетак {поравнато} ρ (Т) & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м} (1 + 0,006 \ текст {К} ^ {- 1} × (343 \ текст {К} - 293 \ текст {К})) \\ & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м} (1 + 0,006 \ текст {К} ^ {- 1} × (50 \ текст {К)}) \\ & = 6,99 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м} × 1,3 \\ & = 9,09 × 10 ^ {- 8} \ текст {Ω м} \ крај {поравнато}
Прорачун показује да прилично значајан пораст температуре од 50 К доводи до само 30 процената повећање вредности отпорности, а самим тим и 30-постотни пораст отпора дате количине материјал. Наравно, онда можете наставити и израчунати нову вредност проводљивости на основу овог резултата.
Утицај повећања температуре на отпорност и проводљивост одређује се величином температурни коефицијент, при чему веће вредности значе већу промену са температуром, а ниже вредности мање Промена.
Суперпроводници
Холандски физичар Хеике Камерлингх Оннес истраживао је својства различитих материјала на врло ниским температурама 1911. године и открио је да испод 4,2 К (тј. -268,95 ° Ц), жива у потпуностигубињегов отпор протоку електричне струје, па отпор постаје нула.
Као резултат овога (и односа између отпорности и проводљивости), њихова проводљивост постаје бесконачна и они могу да носе струју неограничено, без икаквог губитка енергије. Научници су касније открили да много више елемената показује ово понашање када се охлади испод одређене „критичне температуре“ и називају се „суперпроводницима“.
Дуго времена физика није нудила право објашњење суправодича, али су 1957. Јохн Бардеен, Леон Цоопер и Јохн Сцхриеффер развили „БЦС“ теорију суперпроводљивости. Ово представља да су електрони у групи материјала у „Цооперове парове“ као резултат интеракције са позитивним јони чине мрежну структуру материјала и ови парови се могу кретати кроз материјал без икаквих препрека.
Како се електрон креће кроз охлађени материјал, позитивни јони који формирају решетку привлаче их и мало мењају свој положај. Међутим, ово кретање ствара позитивно наелектрисану област у материјалу, која привлачи други електрон и процес започиње поново.
Суперпроводници дугују многим потенцијалним и већ оствареним употребама способност да носе струје без отпора. Једна од најчешћих примена, и она са којом ћете највероватније бити упознати, је магнетна резонанца (МРИ) у медицинским условима.
Међутим, суправодљивост се користи и за ствари попут возова Маглев - који раде магнетном левитацијом и имају за циљ уклањање трења између воза и колосека - и акцелератори честица попут Великог хадронског сударача у ЦЕРН-у, где се суперпроводљиви магнети користе за убрзавање честица брзином која се приближава брзини светло. У будућности се суперпроводници могу користити за побољшање ефикасности производње електричне енергије и побољшање брзине рачунара.