Miért eltérő a különböző anyagok ellenállása?
A vezetéken átfolyó áram nagysága egyenesen arányos a végének feszültségével. Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb a feszültség a vezeték végein, annál nagyobb az áram a vezetékben. De ugyanazon feszültség esetén a különböző anyagokból készült vezetékeken az áramerősség eltérő lesz. Vagyis ha a feszültség a különböző vezetékeken azonos módon növekszik, akkor az áramerősség növekedése a különböző vezetékekben eltérő módon történik, és ez az adott vezeték tulajdonságaitól függ.
Minden vezetéknél az áramérték függése az alkalmazott feszültségtől egyedi, és ezt a függést ún az R vezető elektromos ellenállása… Az ellenállás általános formában az R = U / I képlettel határozható meg, vagyis a vezetőre adott feszültség és az adott vezetőben a feszültségen fellépő áram arányaként.
Minél nagyobb az áram értéke egy vezetékben egy adott feszültség mellett, annál kisebb az ellenállása, és minél nagyobb feszültséget kell a vezetékre alkalmazni egy adott áram előállításához, annál nagyobb a vezeték ellenállása.
Az ellenállás megtalálására szolgáló képletből kifejezheti az áramerősséget I = U / R, ezt a kifejezést hívják Ohm törvénye… Ebből látható, hogy minél nagyobb a vezeték ellenállása, annál kisebb az áramerősség.
Az ellenállás mintegy megakadályozza az áram áramlását, megakadályozza, hogy az elektromos feszültség (elektromos mező a vezetékben) még nagyobb áramot hozzon létre. Így az ellenállás egy adott vezetőt jellemez, és nem függ a vezetőre adott feszültségtől. Nagyobb feszültség alkalmazásakor az áramerősség nagyobb lesz, de az U / I arány, azaz az R ellenállás nem változik.
Valójában a huzal ellenállása függ a vezeték hosszától, a keresztmetszeti területétől, a huzal anyagától és az aktuális hőmérséklettől. Egy vezető anyaga az elektromos ellenállásához kapcsolódik az ún ellenállás.
Az ellenállás az, ami a vezető anyagát jellemzi, megmutatja, mekkora ellenállása lesz egy adott anyagból készült vezetőnek, ha egy ilyen vezető keresztmetszete 1 négyzetméter, hossza pedig 1 méter. Az 1 méter hosszú és 1 négyzetméter keresztmetszetű, különböző anyagokból álló vezetékek elektromos ellenállása eltérő lesz.
A lényeg az, hogy bármilyen anyag esetében (általában vannak fémek, mivel a vezetékek gyakran fémből készülnek) saját atomi és molekulaszerkezettel rendelkezik. A fémekkel kapcsolatban a kristályrács szerkezetéről és a szabad elektronok számáról beszélhetünk, ez a különböző fémeknél eltérő. Minél kisebb egy adott anyag fajlagos ellenállása, a belőle készült vezető annál jobban vezeti az elektromos áramot, vagyis annál jobban engedi át magán az elektronokat.
Az ezüst, a réz és az alumínium ellenállása alacsony. A vas és a wolfram jóval nagyobb, nem beszélve az ötvözetekről, amelyek némelyikének ellenállása százszorosan meghaladja a tiszta fémeket. A vezetékekben a szabad töltéshordozók koncentrációja lényegesen nagyobb, mint a dielektrikumokban, ezért a vezetékek ellenállása mindig nagyobb.
Mint fentebb megjegyeztük, az összes anyag áramvezető képessége attól függ, hogy vannak-e bennük áramhordozók (töltéshordozók) – mobil töltött részecskék (elektronok, ionok) vagy kvázi részecskék (például lyukak a félvezetőben), amelyek Egy adott anyagban nagy távolságon mozogni, akkor egyszerűen azt értjük alatta, hogy egy ilyen részecskének vagy kvázirészecskéknek egy adott anyagban tetszőlegesen nagy, legalább makroszkopikus távolságot kell megtenni.
Mivel az áramsűrűség nagyobb, minél nagyobb a szabad töltéshordozók koncentrációja és minél nagyobb az átlagos mozgási sebességük, ezért fontos a mobilitás is, amely adott környezetben az áramhordozó típusától függ. Minél nagyobb a töltéshordozók mobilitása, annál kisebb ennek a közegnek az ellenállása.
A hosszabb vezeték nagyobb elektromos ellenállással rendelkezik. Hiszen minél hosszabb a vezeték, annál több ion találkozik a kristályrácsból az áramot alkotó elektronok útján. Ez pedig azt jelenti, hogy minél több ilyen akadályba ütköznek az elektronok útközben, annál jobban lelassulnak, ami azt jelenti, hogy csökken jelenlegi nagysága.
A nagy keresztmetszetű vezető nagyobb szabadságot ad az elektronoknak, mintha nem keskeny csőben, hanem széles úton mozognának. Az elektronok tágasabb körülmények között könnyebben mozognak, áramot képeznek, mert ritkán ütköznek a kristályrács csomópontjaival. Ez az oka annak, hogy a vastagabb vezeték kisebb elektromos ellenállással rendelkezik.
Ennek eredményeként a vezető ellenállása egyenesen arányos a vezető hosszával, annak az anyagnak a fajlagos ellenállásával, amelyből készült, és fordítottan arányos a keresztmetszeti területével. A végső ellenállási képlet ezt a három paramétert tartalmazza.
De a fenti képletben nincs hőmérséklet. Közben ismert, hogy a vezető ellenállása erősen függ a hőmérsékletétől. Az a tény, hogy az anyagok ellenállásának referenciaértékét általában + 20 ° C hőmérsékleten mérik. Ezért itt a hőmérsékletet továbbra is figyelembe veszik. Vannak ellenállási referenciatáblázatok a különböző anyagok hőmérsékletére.
A fémekre jellemző az ellenállás növekedése a hőmérsékletük emelkedésével.
A hőmérséklet emelkedésével ugyanis a kristályrács ionjai egyre jobban rezegni kezdenek, és egyre jobban zavarják az elektronok mozgását.De az elektrolitokban az ionok töltést hordoznak, ezért az elektrolit hőmérsékletének növekedésével az ellenállás éppen ellenkezőleg csökken, mivel az ionok disszociációja felgyorsul és gyorsabban mozognak.
A félvezetőkben és a dielektrikumokban az elektromos ellenállás a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ennek az az oka, hogy a legtöbb töltéshordozó koncentrációja a hőmérséklet emelkedésével nő. Azt az értéket, amely figyelembe veszi az elektromos ellenállás változását a hőmérséklet függvényében, ún hőmérsékleti ellenállási együttható.