Dlaczego różne materiały mają różną rezystancję

Natężenie prądu płynącego przez przewód jest wprost proporcjonalne do napięcia na jego końcach. Oznacza to, że im większe napięcie na końcach drutu, tym większy prąd w tym przewodzie. Ale dla tego samego napięcia na różnych drutach wykonanych z różnych materiałów prąd będzie inny. Oznacza to, że jeśli napięcie na różnych drutach wzrośnie w ten sam sposób, to wzrost natężenia prądu nastąpi w różnych drutach na różne sposoby, a to zależy od właściwości konkretnego drutu.

Dla każdego drutu zależność wartości prądu od przyłożonego napięcia jest indywidualna i nazywa się tę zależność opór elektryczny przewodnika R… Rezystancję w ogólnej postaci można znaleźć za pomocą wzoru R = U / I, to znaczy jako stosunek napięcia przyłożonego do przewodnika do ilości prądu, który występuje przy tym napięciu w tym przewodniku.

Im większa wartość prądu w przewodzie przy danym napięciu, tym mniejsza jego rezystancja, a im większe napięcie musi być przyłożone do drutu, aby wytworzyć dany prąd, tym większy opór drutu.

Ze wzoru na znalezienie oporu można wyrazić prąd I = U / R, nazywa się to wyrażenie Prawo Ohma… Widać z niego, że im większy opór drutu, tym mniejszy prąd.

Rezystancja niejako zapobiega przepływowi prądu, zapobiega wytwarzaniu przez napięcie elektryczne (pole elektryczne w przewodzie) jeszcze większego prądu. Zatem rezystancja charakteryzuje konkretny przewodnik i nie zależy od napięcia przyłożonego do przewodnika. Po przyłożeniu wyższego napięcia prąd będzie wyższy, ale stosunek U / I, czyli rezystancja R, nie zmieni się.

W rzeczywistości rezystancja drutu zależy od długości drutu, jego pola przekroju poprzecznego, materiału, z którego wykonany jest drut oraz jego aktualnej temperatury. Substancja przewodnika związana jest z jego oporem elektrycznym poprzez wartość tzw opór.

Rezystancja jest tym, co charakteryzuje materiał przewodnika, pokazując, jaki opór będzie miał przewodnik wykonany z danej substancji, jeśli taki przewodnik ma pole przekroju 1 metra kwadratowego i długość 1 metra. Przewody o długości 1 metra i przekroju 1 metra kwadratowego, składające się z różnych substancji, będą miały różną rezystancję elektryczną.

Najważniejsze jest to, że dla dowolnej substancji (zwykle są metale, ponieważ druty są często wykonane z metali) ma własną strukturę atomową i molekularną. W przypadku metali możemy mówić o budowie sieci krystalicznej i liczbie wolnych elektronów, jest ona różna dla różnych metali. Im mniejszy opór właściwy danej substancji, tym wykonany z niej przewodnik lepiej przewodzi prąd elektryczny, czyli lepiej przepuszcza przez siebie elektrony.

Srebro, miedź i aluminium mają niską rezystywność. Żelazo i wolfram są znacznie większe, nie mówiąc już o stopach, z których odporność niektórych z nich setki razy przewyższa czyste metale. Stężenie wolnych nośników ładunku w przewodach jest znacznie większe niż w dielektrykach, dlatego rezystancja przewodów jest zawsze większa.

Jak wspomniano powyżej, zdolność wszystkich substancji do przewodzenia prądu jest związana z obecnością w nich nośników prądu (nośników ładunku) — ruchomych cząstek naładowanych (elektrony, jony) lub quasi-cząstek (na przykład dziur w półprzewodniku), które mogą przemieszczać się w danej substancji na dużą odległość, możemy po prostu powiedzieć, że mamy na myśli to, że taka cząstka lub kwazicząstka musi być w stanie podróżować w danej substancji na dowolnie dużą, przynajmniej makroskopową, odległość.

Ponieważ gęstość prądu jest tym większa, im większa jest koncentracja nośników ładunku swobodnego i im większa jest ich średnia prędkość ruchu, to istotna jest również mobilność, która zależy od rodzaju nośnika prądu w danym środowisku. Im większa ruchliwość nośników ładunku, tym mniejszy opór tego ośrodka.

Dłuższy drut ma wyższy opór elektryczny. W końcu im dłuższy drut, tym więcej jonów z sieci krystalicznej spotyka się na drodze elektronów tworzących prąd. A to oznacza, że ​​im więcej takich przeszkód napotykają elektrony na swojej drodze, tym bardziej są spowalniane, co oznacza, że ​​maleje aktualna wielkość.

Przewodnik o dużym przekroju daje większą swobodę elektronom, tak jakby poruszały się nie w wąskiej rurce, ale po szerokiej ścieżce. Elektrony poruszają się łatwiej w warunkach bardziej przestrzennych, tworząc prąd, ponieważ rzadko zderzają się z węzłami sieci krystalicznej. Dlatego grubszy drut ma mniejszy opór elektryczny.

W rezultacie rezystancja przewodnika jest wprost proporcjonalna do długości przewodnika, rezystancji właściwej substancji, z której jest wykonany, i odwrotnie proporcjonalna do pola jego przekroju. Ostateczna formuła odporności obejmuje te trzy parametry.

Ale w powyższym wzorze nie ma temperatury. Tymczasem wiadomo, że rezystancja przewodnika silnie zależy od jego temperatury. Faktem jest, że wartość odniesienia odporności substancji jest zwykle mierzona w temperaturze + 20 ° C. Dlatego tutaj temperatura jest nadal brana pod uwagę. Istnieją tabele referencyjne rezystancji dla różnych temperatur substancji.

Metale charakteryzują się wzrostem rezystancji wraz ze wzrostem temperatury.

Dzieje się tak dlatego, że wraz ze wzrostem temperatury jony sieci krystalicznej zaczynają coraz bardziej wibrować i coraz bardziej zakłócać ruch elektronów.Ale w elektrolitach jony przenoszą ładunek, dlatego wraz ze wzrostem temperatury elektrolitu rezystancja wręcz przeciwnie maleje, ponieważ dysocjacja jonów przyspiesza i poruszają się szybciej.

W półprzewodnikach i dielektrykach rezystancja elektryczna maleje wraz ze wzrostem temperatury. Dzieje się tak, ponieważ stężenie większości nośników ładunku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Nazywa się wartość, która odpowiada za zmianę oporu elektrycznego w funkcji temperatury współczynnik temperaturowy oporu.