Miksi eri materiaaleilla on erilainen vastus?

Johdon läpi kulkevan virran määrä on suoraan verrannollinen sen päissä olevaan jännitteeseen. Tämä tarkoittaa, että mitä suurempi jännite johtimen päissä on, sitä suurempi on virta kyseisessä johdossa. Mutta samalla jännitteellä eri materiaaleista valmistetuissa eri johdoissa virta on erilainen. Eli jos eri johtojen jännite kasvaa samalla tavalla, virran voimakkuuden kasvu tapahtuu eri johdoissa eri tavoin, ja tämä riippuu tietyn johtimen ominaisuuksista.

Jokaiselle johdolle virran arvon riippuvuus käytetystä jännitteestä on yksilöllinen, ja tätä riippuvuutta kutsutaan johtimen R sähkövastus… Resistanssi yleisessä muodossa voidaan löytää kaavalla R = U / I, toisin sanoen johtimeen syötetyn jännitteen suhteena kyseisessä johtimessa kyseisellä jännitteellä esiintyvään virran määrään.

Mitä suurempi virran arvo johdossa on tietyllä jännitteellä, sitä pienempi sen vastus, ja mitä enemmän jännitettä johtimeen on kohdistettava tietyn virran tuottamiseksi, sitä suurempi on langan vastus.

Resistanssin löytämiskaavasta voit ilmaista virran I = U / R, tätä lauseketta kutsutaan Ohmin laki… Siitä voidaan nähdä, että mitä suurempi langan vastus, sitä pienempi virta.

Resistanssi ikään kuin estää virran kulkemisen, estää sähköjännitettä (sähkökenttää johdossa) luomasta vielä suurempaa virtaa. Siten vastus on ominaista tietylle johtimelle, eikä se riipu johtimeen syötetystä jännitteestä. Kun käytetään korkeampaa jännitettä, virta on suurempi, mutta suhde U / I, eli vastus R, ei muutu.

Itse asiassa langan resistanssi riippuu langan pituudesta, sen poikkileikkausalasta, langan aineesta ja sen nykyisestä lämpötilasta. Johtimen aine liittyy sen sähköiseen resistanssiin ns vastus.

Resistanssi on se, mikä luonnehtii johtimen materiaalia, joka osoittaa, kuinka suuri vastus on tietystä aineesta tehdyllä johtimella, jos tällaisen johtimen poikkipinta-ala on 1 neliömetri ja pituus 1 metri. Eri aineista koostuvilla 1 metrin pituisilla ja poikkileikkaukseltaan 1 neliömetrin johdoilla on erilaiset sähkövastukset.

Tärkeintä on, että mille tahansa aineelle (yleensä niitä on metallit, koska johdot on usein valmistettu metalleista) on oma atomi- ja molekyylirakenne. Metallien osalta voidaan puhua kidehilan rakenteesta ja vapaiden elektronien määrästä, se on erilainen eri metalleille. Mitä pienempi tietyn aineen ominaisresistanssi on, sitä paremmin siitä tehty johdin johtaa sähkövirtaa, eli sitä paremmin se kuljettaa elektroneja läpi itsensä.

Hopealla, kuparilla ja alumiinilla on alhainen resistanssi. Rauta ja volframi ovat paljon suurempia, puhumattakaan seoksista, joista joidenkin resistanssi ylittää puhtaat metallit satoja kertoja. Vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuus langoissa on huomattavasti korkeampi kuin dielektrisissä, minkä vuoksi johtimien resistanssi on aina suurempi.

Kuten edellä todettiin, kaikkien aineiden kyky johtaa virtaa liittyy siihen, että niissä on virrankantajia (varauksenkuljettajia) – liikkuvia varautuneita hiukkasia (elektroneja, ioneja) tai kvasihiukkasia (esimerkiksi puolijohteen reikiä), jotka voivat Jos siirrytään tietyssä aineessa pitkän matkan, voimme yksinkertaisesti sanoa, että tarkoitamme, että tällaisen hiukkasen tai kvasihiukkasen on kyettävä kulkemaan tietyssä aineessa mielivaltaisen suuri, ainakin makroskooppinen matka.

Koska virrantiheys on suurempi, mitä suurempi vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuus ja mitä suurempi niiden keskimääräinen liikenopeus, liikkuvuus, joka riippuu virrankantajatyypistä tietyssä ympäristössä, on myös tärkeä. Mitä suurempi varauksenkuljettajien liikkuvuus, sitä pienempi tämän väliaineen vastus.

Pidemmällä johdolla on suurempi sähkövastus. Loppujen lopuksi mitä pidempi lanka, sitä enemmän kidehilan ioneja kohtaa virran muodostavien elektronien tiellä. Ja tämä tarkoittaa, että mitä enemmän tällaisia ​​esteitä elektronit kohtaavat matkalla, sitä enemmän ne hidastuvat, mikä tarkoittaa, että se vähenee nykyinen suuruus.

Suuren poikkileikkauksen omaava johdin antaa elektroneille enemmän vapautta, ikään kuin ne eivät liikkuisi kapeassa putkessa, vaan leveästi. Elektronit liikkuvat helpommin avarammissa olosuhteissa muodostaen virran, koska ne harvoin törmäävät kidehilan solmuihin. Tästä syystä paksummalla johdolla on pienempi sähkövastus.

Tämän seurauksena johtimen resistanssi on suoraan verrannollinen johtimen pituuteen, sen aineen ominaisresistanssiin, josta se on valmistettu, ja kääntäen verrannollinen sen poikkipinta-alaan. Lopullinen vastuskaava sisältää nämä kolme parametria.

Mutta yllä olevassa kaavassa ei ole lämpötilaa. Samaan aikaan tiedetään, että johtimen resistanssi riippuu voimakkaasti sen lämpötilasta. Tosiasia on, että aineiden vastuksen viitearvo mitataan yleensä + 20 ° C:n lämpötilassa. Siksi tässä lämpötila otetaan edelleen huomioon. Eri aineiden lämpötiloille on olemassa vastusviitetaulukoita.

Metalleille on ominaista resistanssin lisääntyminen niiden lämpötilan noustessa.

Tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa kidehilan ionit alkavat värähtää enemmän ja enemmän ja häiritä yhä enemmän elektronien liikkeitä.Mutta elektrolyyteissä ionit kantavat varausta, joten kun elektrolyytin lämpötila nousee, vastus päinvastoin pienenee, koska ionien dissosiaatio kiihtyy ja ne liikkuvat nopeammin.

Puolijohteissa ja eristeissä sähkövastus pienenee lämpötilan noustessa. Tämä johtuu siitä, että useimpien varauksenkuljettajien pitoisuus kasvaa lämpötilan noustessa. Arvoa, joka ottaa huomioon sähkövastuksen muutoksen lämpötilan funktiona, kutsutaan lämpötilavastuskerroin.