Elektrický odpor je vlastnost materiálu odolávat pohybu elektrického proudu. Určuje, jak snadno nebo obtížně může proud protékat materiálem. Změny elektrického odporu mohou být způsobeny různými faktory a mají důležité důsledky pro různá elektrická a elektronická zařízení.
Jedním z klíčových faktorů ovlivňujících změny elektrického odporu je změna fyzikálních vlastností materiálu, kterým protéká elektrický proud. Například, když se změní teplota materiálu, může se změnit jeho odpor.
Obecně se odpor kovů zvyšuje s teplotou, zatímco u polovodičů může klesat. To se vysvětluje změnami v počtu volných elektronů a tepelným pohybem atomů v materiálu.
Dalším faktorem, který ovlivňuje změny odporu, je geometrie vodiče nebo prvku obvodu. Odpor je přímo úměrný délce vodiče a nepřímo úměrný jeho průřezové ploše. To vysvětluje, proč má tenký drát větší odpor než tlustý drát stejné délky a materiálu.
Pokud se například zvětší délka vodiče nebo se zmenší jeho průřez, zvýší se i odpor. Je to způsobeno zvýšením vzdálenosti, kterou musí elektrický proud urazit, nebo snížením počtu volných nosičů náboje.
Odpor se může měnit i vlivem vnějšího pole, např. magnetického nebo elektrického.
U některých materiálů se odpor může měnit v závislosti na použitém napětí nebo proudu. Tento jev se nazývá proměnný odpor a používá se v různých zařízeních, jako jsou proměnné rezistory nebo termistory, které mění svůj odpor v závislosti na teplotě.
Proč vzniká odpor
Odpor vzniká interakcí elektrického proudu s materiálem, kterým prochází. Tato interakce se projevuje v podobě různých fyzikálních jevů, které brání volnému pohybu nabitých částic (obvykle elektronů) uvnitř materiálu.
Mezi hlavní faktory ovlivňující výskyt rezistence patří:
- Srážky elektronů: Jak se elektrony pohybují materiálem, mohou se srazit s atomy, ionty nebo jinými defekty ve struktuře materiálu. Tyto srážky způsobují, že elektrony mění směr a rozptylují energii, což vytváří odpor.
- Ionizace a disociace: V některých materiálech, zejména plynech a elektrolytech, elektrický proud způsobuje ionizaci nebo disociaci molekul. To má za následek vznik kladných a záporných nábojů, které vytvářejí elektrické pole, které brání pohybu nabitých částic a vytváří odpor.
- Vliv teploty: Zvýšení teploty materiálu může zvýšit jeho odolnost. Je to způsobeno zvýšením počtu srážek elektronů s atomy, ionty nebo fonony (kvanta kmitů mřížky) látky se zvýšením jejich tepelného pohybu.
- Geometrické faktory: Tvar a velikost vodiče také ovlivňují jeho odpor. Užší nebo delší vodič má větší odpor ve srovnání s širším a kratším vodičem ze stejné materiálové součásti.
Odpor lze popsat pomocí Ohmova zákona, který říká, že proud protékající vodičem je úměrný napětí aplikovanému na tento vodič a nepřímo úměrný jeho odporu: Ohmův zákon pro sekci obvodu
Proč odpor klesá?
K poklesu elektrického odporu může dojít z různých důvodů v závislosti na materiálu a podmínkách. Zde je několik hlavních důvodů, proč se odpor může snížit:
- Odpor se může s rostoucí teplotou snižovat. To je vysvětleno tepelným pohybem atomů v materiálu, který zvyšuje pohyblivost elektronů, a proto snižuje jejich srážky s nečistotami nebo jinými defekty v materiálu. Výsledkem je snížení odporu a elektrický proud může snadněji protékat materiálem.
- Přidání nečistot nebo dotování materiálu může změnit jeho elektrické vlastnosti, včetně odporu. Některé nečistoty mohou zvýšit koncentraci volných nosičů náboje nebo zlepšit jejich pohyblivost, což vede ke snížení odporu. Příkladem takového materiálu je dopovaný polovodič používaný v tranzistorech nebo diodách.
- Změna struktury materiálu může také ovlivnit jeho odolnost. Například u některých materiálů, jako jsou kovy, se může odpor snižovat, když se materiál natahuje nebo deformuje. To je způsobeno změnami meziatomových vzdáleností a elektronové struktury materiálu.
- Ve strukturách nanoměřítek, jako jsou kvantové tečky nebo nanodrátky, mohou účinky kvantové mechaniky vést ke snížení odporu. V těchto strukturách jsou elektrony omezeny na prostor a mají omezený počet dostupných energetických stavů, což umožňuje elektronům volněji se pohybovat a snižovat odpor.
Proč se zvyšuje odpor?
Zvýšení elektrického odporu může být také způsobeno různými faktory. Zde je několik hlavních důvodů, proč se odpor může zvýšit:
- Odpor se může zvýšit s rostoucí teplotou. K tomu dochází v důsledku zvýšení počtu srážek mezi elektrony a atomy materiálu, způsobených jejich aktivnějším tepelným pohybem. V důsledku toho se zvyšuje elektrický odpor.
- Pokud dojde k oxidaci nebo znečištění povrchu vodiče, může to způsobit zvýšení jeho odporu. Oxidované vrstvy nebo přítomnost nečistot na povrchu mohou vytvářet dodatečný odpor vůči toku proudu.
- Změna složení materiálu může vést ke zvýšení jeho odolnosti. Například přidání nečistot nebo změna koncentrace volných nosičů náboje může zvýšit odolnost materiálu.
- U některých materiálů se může odpor zvyšovat s rostoucím napětím nebo proudem. To je způsobeno saturačními efekty spojenými s přítomností omezeného počtu volných nosičů náboje nebo omezením jejich pohybu v materiálu.
U kterých materiálů se odpor s rostoucí teplotou zvyšuje a u kterých naopak klesá?
Obecně platí, že zvýšení teploty může vést buď ke zvýšení nebo snížení odporu, v závislosti na materiálu. Existují však dvě hlavní třídy materiálů, ve kterých se odpor chová odlišně při změnách teploty: kovy a polovodiče.
U většiny kovů se odpor zvyšuje s teplotou. To je způsobeno zvýšením počtu srážek elektronů s atomy látky se zvýšením jejich tepelného pohybu.
Jak teplota stoupá, atomy vibrují intenzivněji a vytvářejí další překážky pro volný pohyb elektronů. U kovů tedy odpor roste s rostoucí teplotou.
Na rozdíl od kovů odpor většiny polovodičů s rostoucí teplotou klesá.
Jak teplota stoupá, energie tepelného pohybu stimuluje volné elektrony v polovodiči, čímž se stávají mobilnějšími. Tím se snižuje pravděpodobnost jejich srážky s nečistotami nebo defekty, což vede ke snížení odporu polovodiče.
Je však třeba poznamenat, že v obou třídách materiálů existují výjimky a některé kovy a polovodiče mohou mít při změnách teploty neobvyklé chování odporu.
Za úvahu také stojí, že mluvíme o chování odporu v určitém teplotním rozmezí a mimo tento rozsah mohou existovat další faktory, které mohou změnit vlastnosti materiálu.
Proč potřebujete vědět, jak se mění odpor?
Změny elektrického odporu jsou důležité pro provoz elektrických zařízení.
Například odpor vodičů v elektrickém obvodu určuje energetické ztráty ve formě tepla a účinnost přenosu energie.
Řízení odporu v různých elektrických a elektronických zařízeních umožňuje regulovat a řídit elektrický proud, aby byla zajištěna správná funkce zařízení.
Změny odporu hrají důležitou roli také u různých elektronických zařízení a senzorů.
Termistory se například používají k měření a řízení teploty. Jejich odpor se mění s teplotou, což umožňuje určovat a regulovat tepelné procesy v systému.
Dalším příkladem jsou fotodiody a fotorezistory, které mění svůj odpor v závislosti na osvětlení. To umožňuje jejich použití pro měření světelného toku nebo automatické nastavení úrovně osvětlení.
Měnící se odpor lze také použít k ochraně elektrických obvodů před poškozením. Rezistory se používají v napěťových tlumicích obvodech, aby se zabránilo zvýšeným hodnotám proudu při přetížení nebo zkratu. Fungují jako omezovače proudu, absorbují přebytečnou energii a zabraňují poškození zařízení.
A konečně, variace elektrického odporu hraje důležitou roli v oblasti mikroelektroniky.
Materiály s proměnným odporem, jako jsou feromagnetické materiály nebo polovodiče, se používají k vytváření paměťových prvků nebo k regulaci signálů v elektronických zařízeních.
Také tranzistory s efektem pole, které řídí proud změnou odporu v kanálu, jsou klíčovými součástmi mikroelektronických zařízení.
Změny elektrického odporu hrají významnou roli ve fungování elektrických zařízení a systémů. Umožňuje řídit proud, měřit různé parametry, regulovat energii a zajišťovat spolehlivost zařízení. Pochopení těchto procesů je důležité pro vývoj nových technologií a optimalizaci stávajících elektrických a elektronických zařízení.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Každé těleso, kterým protéká elektrický proud, mu vykazuje určitý odpor. Vlastnost materiálu vodiče bránit průchodu elektrického proudu skrz něj se nazývá elektrický odpor.
Elektronická teorie vysvětluje podstatu elektrického odporu kovových vodičů. Volné elektrony se při pohybu po vodiči nesčetněkrát setkávají s atomy a jinými elektrony a při interakci s nimi nevyhnutelně ztrácejí část své energie.
Pohybující se elektrony (od kladného pólu zdroje k zápornému) narážejí na vibrující ionty krystalové mřížky ve vodiči a zpomalují jejich pohyb
Elektrony zažívají určitý druh odporu vůči jejich pohybu. Různé kovové vodiče, které mají různé atomové struktury, nabízejí různou odolnost vůči elektrickému proudu.
Totéž vysvětluje odpor kapalných vodičů a plynů vůči průchodu elektrického proudu. Neměli bychom však zapomínat, že v těchto látkách to nejsou elektrony, ale nabité částice molekul, které při svém pohybu narážejí na odpor.
Ohmmetr – přístroj pro měření elektrického odporu
Odpor se označuje latinskými písmeny R nebo r.
Jednotkou elektrického odporu je ohm na počest Georga Simona Ohma (1784–1854), německého fyzika, který studoval vztah mezi napětím, proudem a odporem.
Ohm je odpor rtuťového sloupce vysokého 106,3 cm o průřezu 1 mm 2 při teplotě 0 °C.
Pokud je například elektrický odpor vodiče 4 ohmy, pak se zapíše takto: R = 4 ohmy nebo r = 4 ohmy.
Pro měření velkých odporů se používá jednotka zvaná megohm.
Jeden megohm se rovná jednomu milionu ohmů.
Čím větší je odpor vodiče, tím hůře vede elektrický proud, a naopak čím nižší je odpor vodiče, tím snáze elektrický proud tímto vodičem prochází.
Pro charakterizaci vodiče (z hlediska průchodu elektrického proudu skrz něj) lze tedy uvažovat nejen jeho odpor, ale také převrácenou hodnotu odporu.
Převrácená hodnota elektrického odporu je fyzikální veličina zvaná elektrická vodivost.
Měděné přípojnice v rozváděči
Elektrická vodivost (elektrická vodivost) je schopnost materiálu procházet skrz sebe elektrický proud.
Protože vodivost je převrácená hodnota odporu, vyjadřuje se jako 1/ R, vodivost se označuje latinským písmenem g.
Jednotkou elektrické vodivosti je siemens. Byl pojmenován po německém vědci Werneru Siemensovi (1816 – 1892).
Slovem odpor se označuje i pasivní elektrická součástka, jejíž správný název je rezistor, vyznačující se jednou vlastností – elektrickým odporem.
Důvodem pro zařazení rezistoru do elektrického obvodu je obvykle snížení množství elektrického proudu nebo vytvoření určitého poklesu napětí. Rezistor se často nesprávně nazývá odpor a to může vést k nejednoznačnosti. Hodnota odporu rezistorů je označena buď napsáním čísla na rezistoru, nebo častěji barevnými proužky.
Rezistory pro elektronické obvody
Vliv materiálu vodiče, jeho rozměrů a okolní teploty na hodnotu elektrického odporu.
Velikost elektrického odporu je dána materiálem, tvarem a teplotou vodiče. Velikost odporu závisí na délce vodiče (přímo úměrně), na obsahu průřezu vodiče (nepřímo úměrně), na materiálu vodiče (elektrický odpor) a na teplotě.
Protože odpor různých vodičů závisí na materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, byl pro charakterizaci elektrického odporu různých materiálů zaveden pojem tzv. rezistivita.
Měrný odpor je odpor vodiče o délce 1 m a ploše průřezu 1 mm2. Odpor se označuje písmenem p řecké abecedy. Každý materiál, ze kterého je vodič vyroben, má svůj vlastní odpor.
Například měrný odpor mědi je 0,017, tj. měděný vodič o délce 1 m a průřezu 1 mm 2 má odpor 0,017 ohmů. Rezistivita hliníku je 0,03, měrný odpor železa je 0,12, měrný odpor konstantanu je 0,48, měrný odpor nichromu je 1-1,1.
Látky s vysokým měrným odporem jsou izolanty. Nejpokročilejším izolantem je jantar, dále se jako izolanty používá PVC, slída, sklo, porcelán atd.
Elektrický drát s měděným jádrem
Odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce, tj. čím delší vodič, tím větší elektrický odpor.
Odpor vodiče je nepřímo úměrný jeho průřezové ploše, tedy čím je vodič tlustší, tím je jeho odpor nižší, a naopak čím tenčí vodič, tím větší je jeho odpor.
Pro lepší pochopení tohoto vztahu si představte dva páry komunikujících cév, přičemž jeden pár cév má tenkou spojovací trubici a druhý tlustou. Je jasné, že když je jedna z nádob (každý pár) naplněna vodou, její přenos do druhé nádoby přes tlustou trubku proběhne mnohem rychleji než přes tenkou trubku, to znamená, že tlustá trubka bude mít menší odpor proti proudění. z vody. Stejně tak je pro elektrický proud snazší procházet tlustým vodičem než tenkým, to znamená, že první mu klade menší odpor než druhý.
Elektrický odpor vodiče se rovná měrnému odporu materiálu, ze kterého je vodič vyroben, vynásobené délkou vodiče a dělené plochou průřezu vodiče:
kde – R je odpor vodiče, ohm, l je délka vodiče vm, S je plocha průřezu vodiče, mm 2.
Plocha průřezu kulatého vodiče se vypočítá podle vzorce:
kde Pi je konstantní hodnota rovna 3,14; d – průměr vodiče.
A takto se určuje délka vodiče:
Tento vzorec umožňuje určit délku vodiče, jeho průřez a měrný odpor, pokud jsou známy další veličiny zahrnuté ve vzorci.
Pokud je nutné určit plochu průřezu vodiče, má vzorec následující podobu:
Transformací stejného vzorce a vyřešením rovnosti vzhledem k p zjistíme měrný odpor vodiče:
Poslední vzorec je nutné použít v případech, kdy je znám odpor a rozměry vodiče, ale jeho materiál je neznámý a navíc obtížně zjistitelný podle vzhledu. Chcete-li to provést, musíte určit měrný odpor vodiče a pomocí tabulky najít materiál, který má takový měrný odpor.
Průřez napájecího kabelu 400 kV s izolací XLPE a měděným vodičem. Průřez kabelu – 1600 mm 2. Tento typ kabelu se používá v nadzemním vedení pro přenos energie 380 kV v Berlíně. Trať o délce 34 km byla postavena v roce 2000.
Toto si musíte zapamatovat:
1. Jsou-li vodiče z různých materiálů, ale stejné délky a stejného průřezu, zapojeny do série ke stejnému zdroji elektrického napětí, pak naměříme ampérmetrem, že každým z nich protéká elektrický proud různé velikosti. dirigent. Každý materiál klade jiný odpor proti průchodu proudu.
2. Pokud k měření použijeme vodiče ze stejného materiálu, které budou mít stejný průměr, ale vždy různé délky, pak ampérmetr určí pro každou délku vodiče jiný procházející proud. Největší proud bude protékat nejkratším drátem.
3. Pokud k měření použijeme vodiče ze stejného materiálu stejné délky, ale různých průřezů, pak naměříme pro každý vodič s různými průřezy různé hodnoty proudu. Největší proud bude protékat drátem s největším průřezem.
Měděné svorkovnice pro připojení vodičů a kabelů v elektrických panelech
Dalším důvodem, který ovlivňuje odpor vodičů, je teplota.
Odpor vodičů a polovodičů závisí na teplotě. S rostoucí teplotou se zvyšuje odpor vodičů (kladný teplotní koeficient elektrického odporu), zatímco odpor polovodičů, uhlíku a některých speciálních kovových slitin se zvyšující teplotou klesá (záporný teplotní koeficient elektrického odporu). Elektrický odpor má vždy kladnou hodnotu. Dobré vodiče mají nízký odpor, špatné vodiče mají vysoký odpor.
Různé vodiče mají různý odpor. Propojovací vodiče v elektrickém obvodu mají nízký odpor, aby co nejméně snížily proud protékající obvodem. Naproti tomu odporové vodiče používané v topných kabelech a elektrických ohřívačích a odporová vlákna v žárovkách mají poměrně vysoký odpor, které se při dostatečném napětí díky vysokému odporu výrazně zahřívají.
Topné těleso pro elektrický sporák
Bylo zjištěno, že s rostoucí teplotou odpor kovových vodičů roste a s klesající teplotou klesá. Toto zvýšení nebo snížení odporu u čistých kovových vodičů je téměř stejné a průměrně 0,4 % na 1 °C. S rostoucí teplotou klesá odpor tekutých vodičů a uhlíku.
Elektronová teorie struktury hmoty poskytuje následující vysvětlení nárůstu odporu kovových vodičů s rostoucí teplotou.
Při zahřívání vodič přijímá tepelnou energii, která se nevyhnutelně přenáší na všechny atomy látky, v důsledku čehož se zvyšuje intenzita jejich pohybu. Zvýšený pohyb atomů vytváří větší odpor proti směrovému pohybu volných elektronů, proto se zvyšuje odpor vodiče.
S klesající teplotou se vytvářejí lepší podmínky pro směrový pohyb elektronů a snižuje se odpor vodiče. To vysvětluje zajímavý jev – supravodivost kovů .
Supravodivost, tj. pokles odporu kovů k nule, nastává při obrovské záporné teplotě – 273 ° C, nazývané absolutní nula. Při teplotě absolutní nuly se zdá, že atomy kovů zamrznou na místě, aniž by vůbec zasahovaly do pohybu elektronů.
Nový supravodivý materiál, který byl objeven v roce 2021, vložený mezi diamanty, může vést elektřinu bez elektrického odporu při pokojové teplotě
Při velmi nízkých teplotách, blízkých absolutní nule, je vibrační pohyb molekul tak malý, že se jimi volné elektrony pohybují bez jakéhokoli odporu. Proud zavedený do takto silně chlazeného vodiče protéká nepřetržitě a bez sebemenších ztrát.
Postupným chlazením vzorků platiny a zlata holandský fyzik a chemik Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926) zjistil, že se jejich elektrický odpor snižuje. Když provedl svůj pokus se rtutí, při teplotě asi 4,27 K začal její odpor prudce klesat a při teplotě asi 4,22 K zcela zmizel. V následujících letech objevil supravodivost v jiných kovech.
V roce 2015 fyzik na Ústavu chemie. Michail Eremets z Maxe Plancka a jeho tým stlačili vodík a síru, aby dosáhli supravodivosti při -70 °C. O několik let později dvě výzkumné skupiny experimentovaly se sloučeninami lanthanu a vodíku při vysokém tlaku. Experimenty ukázaly, že supravodivost je možná při vyšších teplotách, jako je -23 °C a -13 °C, ale některé experimenty byly úspěšné při 7 °C.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
