Elektriksel direnç ve iletkenlik - Electrical resistance and conductance

Elektrik direnci , bir nesnenin akışına muhalefet bir ölçüsüdür elektrik akımı . Onun karşılıklı miktarı elektriksel iletkenlik , bir elektrik akımının geçiş kolaylığının ölçülmesi. Elektrik direnci, mekaniksürtünmeile bazı kavramsal paralellikleri paylaşır. SIelektrik direnci birimidirohm( Ω elektrik iletkenlik ölçülür ise,)siemens(S) (daha önce "MH +" nın denilen ve ardından ile temsil edilen).

Bir cismin direnci büyük ölçüde yapıldığı malzemeye bağlıdır. Kauçuk gibi elektrik yalıtkanlarından yapılan nesneler çok yüksek direnç ve düşük iletkenliğe sahipken, metal gibi elektrik iletkenlerinden yapılmış nesneler çok düşük dirençli ve yüksek iletkenliğe sahip olma eğilimindedir. Bu ilişki özdirenç veya iletkenlik ile ölçülür . Bununla birlikte, bir malzemenin doğası, direnç ve iletkenlikte tek faktör değildir; aynı zamanda bir nesnenin boyutuna ve şekline de bağlıdır çünkü bu özellikler yoğun olmaktan çok kapsamlıdır . Örneğin, bir telin direnci uzun ve inceyse daha yüksek, kısa ve kalınsa daha düşüktür. Direnci sıfır olan süper iletkenler hariç tüm nesneler elektrik akımına direnir .

Bir nesnenin direnci R , üzerindeki V geriliminin , içinden geçen I akımına oranı olarak tanımlanırken , G iletkenliği karşılıklıdır:

Malzeme ve koşulların, geniş bir çeşitliliği için V ve I birbirine doğru orantılıdır ve bu nedenle R ' ve G olan sabit boyutu ve nesnenin şekline, bunun yapıldığı malzeme, ve diğer faktörlere bağlı olacaktır, ancak ( sıcaklık veya zorlanma gibi ). Bu orantıya Ohm yasası denir ve bunu sağlayan malzemelere omik malzemeler denir .

Bu tür bir diğer durumlarda, transformatör , diyot veya akü , V ve I ile doğrudan orantılı değildir. Oran V/benbazen hala yararlıdır ve bir kirişin orijin ile bir I-V eğrisi arasındaki ters eğimine karşılık geldiği için kiriş direnci veya statik direnç olarak adlandırılır . Diğer durumlarda, türev en faydalı olabilir; buna diferansiyel direnç denir .

Tanıtım

direniş benzetmesi
Hidrolik analoji boru içinden akan suya devreler üzerinden akan elektrik akımı karşılaştırır. Bir boru (solda) saçla (sağda) dolduğunda, aynı su akışını elde etmek için daha büyük bir basınç gerekir. Elektrik akımını büyük bir dirençten geçirmek, kıllarla tıkanmış bir borudan suyu itmek gibidir: Aynı akışı ( elektrik akımı ) sağlamak için daha büyük bir itme ( elektromotor kuvvet ) gerektirir .

Olarak hidrolik benzer şekilde , akım bir tel (ya da akan direnci ) bir boru içinden akan su gibidir, ve gerilim düşüşü tel üzerinden gibi basınç düşüşü iter su bu boru içinden. İletkenlik, belirli bir basınç için ne kadar akışın meydana geldiği ile orantılıdır ve direnç, belirli bir akışı elde etmek için ne kadar basınç gerektiği ile orantılıdır.

Voltaj düşüşü (yani, bir direncin yanı ve diğer üzerindeki gerilimler arasındaki fark) değil, voltaj kendisi bir rezıstoru aracılığıyla akımı itme itici güç sağlar. Hidrolikte buna benzer: Bir borunun iki tarafı arasındaki basınç farkı, basıncın kendisi değil, içinden geçen akışı belirler. Örneğin, borunun üzerinde suyu borudan aşağı itmeye çalışan büyük bir su basıncı olabilir. Ancak borunun altında, suyu borudan yukarı itmeye çalışan eşit derecede büyük bir su basıncı olabilir. Bu basınçlar eşitse, su akmaz. (Sağdaki resimde borunun altındaki su basıncı sıfırdır.)

Bir telin, direncin veya başka bir elemanın direnci ve iletkenliği çoğunlukla iki özellik tarafından belirlenir:

  • geometri (şekil) ve
  • malzeme

Geometri önemlidir çünkü suyu uzun ve dar bir borudan geçirmek geniş ve kısa bir borudan daha zordur. Aynı şekilde, uzun, ince bir bakır tel, kısa, kalın bir bakır telden daha yüksek dirence (daha düşük iletkenliğe) sahiptir.

Malzemeler de önemlidir. Saçla dolu bir boru, suyun akışını aynı şekil ve büyüklükteki temiz bir borudan daha fazla kısıtlar. Benzer şekilde, elektronlar bir bakır telden serbestçe ve kolayca akabilirler , ancak aynı şekil ve büyüklükteki bir çelik telden o kadar kolay akamazlar ve esasen şekli ne olursa olsun kauçuk gibi bir yalıtkandan hiç akamazlar. Bakır, çelik ve kauçuk arasındaki fark, mikroskobik yapıları ve elektron konfigürasyonlarıyla ilgilidir ve özdirenç adı verilen bir özellik ile ölçülür .

Geometri ve malzemeye ek olarak, sıcaklık gibi direnci ve iletkenliği etkileyen çeşitli başka faktörler de vardır; aşağıya bakın .

İletkenler ve dirençler

Elektronik renk koduyla (mor-yeşil-siyah-altın-kırmızı) tanımlandığı gibi 75 Ω'luk bir direnç . Bu değeri doğrulamak için bir ohmmetre kullanılabilir.

Elektriğin içinden akabildiği maddelere iletken denir . Bir devrede kullanıma yönelik belirli bir direnç iletken malzemeden bir parça bir adlandırılır direnci . İletkenler, metaller, özellikle bakır ve alüminyum gibi yüksek iletkenliğe sahip malzemelerden yapılır . Dirençler ise istenen direnç, dağıtması gereken enerji miktarı, hassasiyet ve maliyet gibi faktörlere bağlı olarak çok çeşitli malzemelerden yapılır.

Ohm yasası

Akım-gerilim İki: dört cihazların dirençler , bir diyot ve pil . Yatay eksen voltaj düşüşü , dikey eksen akımdır . Grafik orijinden geçen düz bir çizgi olduğunda Ohm yasası sağlanır. Bu nedenle, iki direnç ohmiktir , ancak diyot ve pil değildir.

Birçok malzeme için, malzeme üzerinden geçen I akımı , malzemeye uygulanan V gerilimi ile orantılıdır :

geniş bir voltaj ve akım aralığında. Bu nedenle, bu malzemelerden yapılmış nesnelerin veya elektronik bileşenlerin direnci ve iletkenliği sabittir. Bu ilişkiye Ohm yasası denir ve buna uyan malzemelere omik malzemeler denir . Ohmik bileşenlerin örnekleri teller ve dirençlerdir . Akım-voltaj grafiği bir ohm cihazının pozitif olan orijinden geçen bir düz çizgi oluşur eğimi .

Elektronikte kullanılan diğer bileşenler ve malzemeler Ohm yasasına uymaz; akım, voltajla orantılı değildir, bu nedenle direnç, voltaj ve bunların içinden geçen akımla değişir. Bunlara doğrusal olmayan veya omik olmayan denir . Örnekler diyotları ve floresan lambaları içerir . Ohmik olmayan bir cihazın akım-voltaj eğrisi eğri bir çizgidir.

Direnç ve iletkenlik ilişkisi

Her iki ucunda elektrik kontakları olan dirençli bir malzeme parçası.

Belirli bir nesnenin direnci öncelikle iki faktöre bağlıdır: Hangi malzemeden yapıldığı ve şekli. Belirli bir malzeme için direnç, kesit alanıyla ters orantılıdır; örneğin, kalın bir bakır tel, normalde aynı olan ince bir bakır telden daha düşük dirence sahiptir. Ayrıca, belirli bir malzeme için direnç uzunlukla orantılıdır; örneğin, uzun bir bakır tel, aksi takdirde aynı olan bir kısa bakır telden daha yüksek dirence sahiptir. Bu nedenle, düzgün kesitli bir iletkenin direnci R ve iletkenliği G , şu şekilde hesaplanabilir:

nerede iletkenin uzunluğu, metre (m) cinsinden ölçülür , A iletkenin metre kare cinsinden ölçülen kesit alanıdır (m 2 ), σ ( sigma ) metre başına siemens cinsinden ölçülen elektrik iletkenliğidir (S· m -1 ) ve ρ ( rho ) olan elektriksel direnç (ayrıca özel elektrik direnci ohm-metre ölçülen malzemenin) (Ω · m). Direnç ve iletkenlik orantı sabitleridir ve bu nedenle telin geometrisine değil, yalnızca telin yapıldığı malzemeye bağlıdır. Direnç ve iletkenlik karşılıklıdır : . Özdirenç, malzemenin elektrik akımına karşı koyma yeteneğinin bir ölçüsüdür.

Pratik durumlarda her zaman doğru olmayan iletkendeki akım yoğunluğunun tamamen tekdüze olduğunu varsaydığından bu formül kesin değildir. Bununla birlikte, bu formül, teller gibi uzun ince iletkenler için hala iyi bir yaklaşım sağlar.

Bu formülün kesin olmadığı bir başka durum da alternatif akım (AC) ile ilgilidir, çünkü deri etkisi iletkenin merkezine yakın akım akışını engeller. Bu nedenle geometrik kesit, akımın fiilen aktığı etkin kesitten farklıdır , dolayısıyla direnç beklenenden daha yüksektir. Benzer şekilde, birbirine yakın iki iletken AC akım taşıyorsa, yakınlık etkisinden dolayı dirençleri artar . En ticari güç frekansında , bu etkiler gibi büyük akımları taşıyan büyük iletkenler için önemli olan bara bir in elektrik trafo birkaç yüz amper daha taşıyan, ya da büyük güç kabloları.

Farklı malzemelerin özdirenci çok büyük oranda değişir: Örneğin, teflonun iletkenliği bakırın iletkenliğinden yaklaşık 10 30 kat daha düşüktür. Açıkça söylemek gerekirse, bunun nedeni metallerin herhangi bir yerde sıkışmayan çok sayıda "yerinden ayrılmış" elektrona sahip olmalarıdır, bu nedenle büyük mesafeler boyunca hareket etmekte serbesttirler. Teflon gibi bir yalıtkanda, her elektron tek bir moleküle sıkıca bağlıdır, bu nedenle onu çekmek için büyük bir kuvvet gerekir. Yarı iletkenler bu iki uç arasında yer alır. Daha fazla ayrıntı şu makalede bulunabilir: Elektriksel özdirenç ve iletkenlik . Durum için elektrolit : solüsyonlar, makaleye bakın İletkenlik (elektrolitik) .

Direnç sıcaklığa göre değişir. Yarı iletkenlerde direnç, ışığa maruz kaldığında da değişir. Aşağıya bakın .

Ölçüm

bir ohmmetre fotoğrafı
bir ohmmetre

Direnci ölçen alete ohmmetre denir . Basit ohmmetreler, düşük dirençleri doğru bir şekilde ölçemezler çünkü ölçüm uçlarının direnci, ölçüme müdahale eden bir voltaj düşüşüne neden olur, bu nedenle daha doğru cihazlar dört terminalli algılama kullanır .

Tipik değerler

Bileşen Direnç (Ω)
1 mm çapında 1 metre bakır tel 0.02
1 km havai enerji hattı ( tipik ) 0.03
AA pil ( tipik dahili direnç ) 0.1
Akkor ampul filamanı ( tipik ) 200–1000
İnsan vücudu 1000–100.000

Statik ve diferansiyel direnç

Diferansiyel ve kordal direnci
Akım-gerilim eğrisi olmayan bir omik cihaz (mor) arasında. Statik direnç noktasında A olan ters eğim hattı B başlangıç noktasından. Diferansiyel direnci de A ters eğimi teğet çizgi C .
Negatif diferansiyel direnç
Akım-gerilim eğrisi ile bir bileşenin negatif diferansiyel direnci , akım-gerilim eğrisi olmayan bir alışılmadık bir olgudur monotonik .

Gibi birçok elektrikli elementler, diyot ve piller do not tatmin Ohm kanunu . Bu denir ohmik olmayan ya da doğrusal olmayan , ve bunların akım-gerilim eğrileri vardır değil başlangıç noktasından düz çizgiler.

Ohmik olmayan elemanlar için direnç ve iletkenlik hala tanımlanabilir. Bununla birlikte, ohmik direncin aksine, doğrusal olmayan direnç sabit değildir ancak cihazdan geçen voltaj veya akıma göre değişir; yani, çalışma noktası . İki tür direnç vardır:

Statik direnç ( kordal veya DC direnci olarak da adlandırılır )
Bu, direncin olağan tanımına karşılık gelir; gerilim bölü akım
.
Orijinden eğri üzerindeki noktaya kadar olan doğrunun ( kord ) eğimidir . Statik direnç, bir elektrikli bileşendeki güç kaybını belirler. Akım-voltaj eğrisi üzerinde, 2. veya 4. çeyreklerde bulunan ve kiriş çizgisinin eğimi negatif olan noktalar, negatif statik dirence sahiptir . Enerji kaynağı olmayan pasif cihazlar negatif statik dirence sahip olamaz. Ancak transistörler veya op- amp'ler gibi aktif cihazlar geri besleme ile negatif statik direnci sentezleyebilir ve jiratörler gibi bazı devrelerde kullanılır .
Diferansiyel direnç ( dinamik , artımlı veya küçük sinyal direnci olarak da adlandırılır )
Diferansiyel direnç , gerilimin akıma göre türevidir; eğim noktasında akım-gerilim eğrisi
.
Akım-voltaj eğrisi monoton değilse (tepeler ve dipler ile), eğri bazı bölgelerde negatif eğime sahiptir, dolayısıyla bu bölgelerde cihaz negatif diferansiyel dirence sahiptir . Negatif diferansiyel dirençli cihazlar, kendilerine uygulanan bir sinyali yükseltebilir ve amplifikatörler ve osilatörler yapmak için kullanılır. Bunlara tünel diyotları , Gunn diyotları , IMPATT diyotları , magnetron tüpleri ve tek bağlantı transistörleri dahildir .

AC devreleri

Empedans ve kabul

Bir devreden alternatif bir akım geçtiğinde, bir devre elemanı boyunca akım ve gerilim arasındaki ilişki, yalnızca büyüklüklerinin oranıyla değil, aynı zamanda fazlarındaki farkla da karakterize edilir . Örneğin ideal bir dirençte gerilimin maksimum değerine ulaştığı an, akım da maksimum değerine ulaşır (akım ve gerilim aynı fazda salınım yapar). Ancak bir kapasitör veya indüktör için , maksimum akım akışı, voltaj sıfırdan geçerken meydana gelir ve bunun tersi de geçerlidir (akım ve voltaj, faz dışında 90° salınır, aşağıdaki resme bakın). Akım ve voltajın hem fazını hem de büyüklüğünü takip etmek için karmaşık sayılar kullanılır:

Bir kapasitör (üst) ve indüktör (alt) için zamana (yatay eksen) karşı voltaj (kırmızı) ve akım (mavi ). Yana genlik akım ve voltajı sinüzoidler aynıdır, mutlak değer bir empedans kapasitör ve endüktör (herhangi birimler grafik kullanarak) her ikisi için de 1'dir. Öte yandan, kondansatör için akım ile gerilim arasındaki faz farkı −90°'dir; Bu nedenle, karmaşık faz arasında empedans kondansatör -90 ° 'dir. Benzer şekilde, indüktör için akım ve gerilim arasındaki faz farkı +90°'dir; bu nedenle, indüktörün empedansının karmaşık fazı +90°'dir.

nerede:

  • t zaman,
  • u(t) ve i(t) sırasıyla zamanın bir fonksiyonu olarak voltaj ve akımdır,
  • U 0 ve I 0 , ilgili akımın voltaj genliğini gösterir,
  • olan açısal frekans AC akımı,
  • yer değiştirme açısıdır,
  • U , I , Z ve Y karmaşık sayılardır,
  • Z empedans olarak adlandırılır,
  • Y , kabul olarak adlandırılır,
  • Re gerçek kısmı gösterir ,
  • olan hayali birim .

Empedans ve kabul, gerçek ve sanal parçalara bölünebilen karmaşık sayılar olarak ifade edilebilir:

burada R, ve G, direnç ve iletkenlik, sırasıyla, X, bir reaktans ve B olan suseptansı . İdeal dirençleri için, Z ve Y, azaltmak R ve G sırasıyla içeren fakat AC ağlar için kapasitörler ve indüktörler , X ve B sıfırdan farklı.

AC devreleri için, DC devrelerinde olduğu gibi .

Frekans bağımlılığı

AC devrelerinin önemli bir özelliği, direnç ve iletkenliğin, evrensel dielektrik yanıt olarak bilinen bir fenomen olan frekansa bağlı olabilmesidir . Yukarıda bahsedilen bir neden, cilt etkisidir (ve ilgili yakınlık etkisi ). Diğer bir neden ise direncin kendisinin frekansa bağlı olabilmesidir (bkz. Drude modeli , derin seviye tuzakları , rezonans frekansı , Kramers-Kronig ilişkileri , vb.)

Enerji dağılımı ve Joule ısıtma

Dirençli bir malzemeden geçen akım, Joule ısıtması adı verilen bir olguda ısı oluşturur . Bu resimde, Joule ısıtmasıyla ısıtılan bir kartuş ısıtıcısı kırmızı renkte parlıyor .

Dirençler (ve dirençli diğer elemanlar) elektrik akımının akışına karşı çıkar; bu nedenle, akımı dirençten geçirmek için elektrik enerjisi gereklidir. Bu elektrik enerjisi dağıtılır, işlem sırasında rezistör ısıtılır. Buna Joule ısıtması ( James Prescott Joule'den sonra ), ohmik ısıtma veya dirençli ısıtma da denir .

Elektrik enerjisi dağılımı çoğu zaman, özellikle halinde, arzu edilmeyen bir husus iletim kayıpları olarak güç hatları . Yüksek voltaj iletimi , belirli bir güç için akımı azaltarak kayıpları azaltmaya yardımcı olur.

Öte yandan, Joule ısıtması bazen yararlıdır, örneğin elektrikli sobalarda ve diğer elektrikli ısıtıcılarda ( dirençli ısıtıcılar olarak da adlandırılır ). Başka bir örnek olarak, akkor lambalar Joule ısıtmasına dayanır: filaman o kadar yüksek bir sıcaklığa ısıtılır ki, termal radyasyonla ( akkorluk olarak da adlandırılır ) "beyaz sıcak" yanar .

Joule ısıtma formülü:

burada P , elektrik enerjisinden termal enerjiye dönüştürülen güçtür (birim zaman başına enerji), R dirençtir ve I dirençten geçen akımdır.

Diğer koşullara bağımlılık

Sıcaklık bağımlılığı

Oda sıcaklığına yakın, metallerin direnci sıcaklık arttıkça tipik olarak artarken, yarı iletkenlerin direnci sıcaklık arttıkça tipik olarak azalır. İzolatörlerin ve elektrolitlerin direnci sisteme bağlı olarak artabilir veya azalabilir. Ayrıntılı davranış ve açıklama için Elektrik direnci ve iletkenliği bölümüne bakın .

Sonuç olarak, tellerin, dirençlerin ve diğer bileşenlerin direnci genellikle sıcaklıkla değişir. Bu etki istenmeyen bir durum olabilir ve aşırı sıcaklıklarda elektronik devrenin arızalanmasına neden olabilir. Bununla birlikte, bazı durumlarda, etki iyi bir şekilde kullanılır. Bir bileşenin sıcaklığa bağlı direnci bilerek kullanıldığında, bileşene direnç termometresi veya termistör denir . (Bir direnç termometresi metalden, genellikle platinden yapılırken, bir termistör seramik veya polimerden yapılır.)

Direnç termometreleri ve termistörler genellikle iki şekilde kullanılır. İlk olarak, termometre olarak kullanılabilirler : Direnç ölçülerek ortamın sıcaklığı çıkarılabilir. İkincisi, Joule ısıtması (kendiliğinden ısıtma olarak da adlandırılır) ile birlikte kullanılabilirler : Dirençten büyük bir akım geçiyorsa, direncin sıcaklığı yükselir ve bu nedenle direnci değişir. Bu nedenle, bu bileşenler sigortalara benzer bir devre koruma rolünde veya devrelerde geri besleme için veya başka birçok amaç için kullanılabilir. Genel olarak, kendi kendine ısınma, bir rezistörü doğrusal olmayan ve histeretik bir devre elemanına dönüştürebilir. Daha fazla ayrıntı için bkz. Termistör#Kendiliğinden ısınma efektleri .

T sıcaklığı çok fazla değişmiyorsa , tipik olarak doğrusal bir yaklaşım kullanılır:

burada adı direncinin sıcaklık katsayısı , önceden belirlenmiş bir hedef sıcaklığı (genellikle oda sıcaklığı) ve sıcaklıkta dirençtir . Parametre , ölçüm verilerinden oluşturulan ampirik bir parametredir. Doğrusal yaklaşım yalnızca bir yaklaşım olduğundan , farklı referans sıcaklıkları için farklıdır. Bu nedenle, ' de ölçülen sıcaklığın gibi bir son ek ile belirtilmesi olağandır ve ilişki yalnızca referans etrafındaki bir sıcaklık aralığında geçerlidir.

Sıcaklık katsayısı , oda sıcaklığına yakın metaller için tipik olarak +3×10 −3 K -1 ila +6×10 −3 K -1'dir . Büyüklüğü oldukça değişken olan yarı iletkenler ve yalıtkanlar için genellikle negatiftir.

gerinim bağımlılığı

Bir iletkenin direnci sıcaklığa bağlı olduğu gibi, bir iletkenin direnci de gerilime bağlıdır . Bir iletkeni gerilim altına sokarak ( iletkenin gerilmesi şeklinde gerilmeye neden olan bir stres şekli), iletkenin gerilim altındaki bölümünün uzunluğu artar ve kesit alanı azalır. Bu etkilerin her ikisi de iletkenin gerilen bölümünün direncinin artmasına katkıda bulunur. Sıkıştırma altında (ters yönde gerilme), iletkenin gerilen bölümünün direnci azalır. Bu etkiden yararlanmak için oluşturulmuş cihazlarla ilgili ayrıntılar için gerinim ölçerlerle ilgili tartışmaya bakın .

Işık aydınlatma bağımlılığı

Bazı dirençler, özellikle yarı iletkenlerden yapılanlar , fotoiletkenlik sergilerler , yani üzerlerine ışık parladığında dirençleri değişir. Bu nedenle, fotodirençler (veya ışığa bağımlı dirençler ) olarak adlandırılırlar . Bunlar yaygın bir ışık dedektörü türüdür .

süper iletkenlik

Süperiletkenler tam olarak sıfır dirence ve sonsuz iletkenliğe sahip malzemelerdir çünkü V = 0 ve I ≠ 0 olabilir. Bu aynı zamanda joule ısınması olmadığı veya başka bir deyişle elektrik enerjisi kaybı olmadığı anlamına gelir . Bu nedenle, süper iletken tel kapalı bir döngü haline getirilirse, akım döngünün etrafında sonsuza kadar akar. Süperiletkenler, niyobyum-kalay alaşımları gibi çoğu metalik süperiletken için sıvı helyum  ile 4 K'ye yakın sıcaklıklara veya pahalı, kırılgan ve hassas seramik yüksek sıcaklık süper iletkenleri için sıvı nitrojen ile 77 K'ye yakın sıcaklıklara soğutma gerektirir . Bununla birlikte, süper iletken mıknatıslar da dahil olmak üzere , süperiletkenliğin birçok teknolojik uygulaması vardır .  

Ayrıca bakınız

Dipnotlar

Referanslar

Dış bağlantılar