كل مادة لها مقاومتها الخاصة. علاوة على ذلك، فإن المقاومة تعتمد على درجة حرارة الموصل. دعونا نتحقق من ذلك من خلال إجراء التجربة التالية.
دعونا نمرر التيار من خلال دوامة الصلب. في دائرة حلزونية، نقوم بتوصيل الأميتر على التوالي. وسوف تظهر بعض القيمة. الآن سنقوم بتسخين اللولب في لهب موقد الغاز. ستنخفض القيمة الحالية التي يظهرها مقياس التيار الكهربائي. أي أن القوة الحالية ستعتمد على درجة حرارة الموصل.
تغير المقاومة حسب درجة الحرارة
لنفترض أنه عند درجة حرارة 0 درجة، تكون مقاومة الموصل تساوي R0، وعند درجة حرارة t تكون المقاومة تساوي R، فإن التغير النسبي في المقاومة سيكون متناسبًا بشكل مباشر مع التغير في درجة الحرارة t:
- (R-R0)/R=a*t.
في هذه الصيغة، a هو معامل التناسب، والذي يسمى أيضًا معامل درجة الحرارة. إنه يميز اعتماد المقاومة التي تمتلكها المادة على درجة الحرارة.
معامل درجة الحرارة للمقاومةيساوي عددياً التغير النسبي في مقاومة الموصل عند تسخينه بمقدار 1 كلفن.
لجميع المعادن معامل درجة الحرارة فوق الصفر.سوف يتغير قليلاً مع تغيرات درجة الحرارة. لذلك، إذا كان التغير في درجة الحرارة صغيرًا، فيمكن اعتبار معامل درجة الحرارة ثابتًا ويساوي القيمة المتوسطة من نطاق درجة الحرارة هذا.
تتناقص مقاومة المحاليل الإلكتروليتية مع زيادة درجة الحرارة. أي أن معامل درجة الحرارة سيكون بالنسبة لهم أقل من الصفر.
تعتمد مقاومة الموصل على مقاومة الموصل وحجم الموصل. بما أن أبعاد الموصل تتغير قليلاً عند تسخينه، فإن المكون الرئيسي للتغير في مقاومة الموصل هو المقاومة.
اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة
دعونا نحاول العثور على اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة.
دعونا نستبدل قيم المقاومة R=p*l/S R0=p0*l/S في الصيغة التي تم الحصول عليها أعلاه.
نحصل على الصيغة التالية:
- ع=ص0(1+أ*ر).
ويرد هذا الاعتماد في الشكل التالي.
دعونا نحاول معرفة سبب زيادة المقاومة
عندما نزيد درجة الحرارة، فإن سعة اهتزازات الأيونات عند عقد الشبكة البلورية تزداد. ولذلك، فإن الإلكترونات الحرة سوف تصطدم بها في كثير من الأحيان. في حالة الاصطدام، سوف يفقدون اتجاه حركتهم. ونتيجة لذلك، فإن التيار سوف ينخفض.
في هذه المقالة سوف نلقي نظرة على المقاوم وتفاعله مع الجهد والتيار المار من خلاله. سوف تتعلم كيفية حساب المقاوم باستخدام صيغ خاصة. توضح المقالة أيضًا كيف يمكن استخدام المقاومات الخاصة كمستشعر للضوء ودرجة الحرارة.
فكرة الكهرباء
يجب أن يكون المبتدئ قادرًا على تخيل التيار الكهربائي. حتى لو فهمت أن الكهرباء تتكون من إلكترونات تتحرك عبر موصل، فلا يزال من الصعب جدًا تصورها بوضوح. ولهذا السبب أقدم هذا التشبيه البسيط لنظام المياه الذي يمكن لأي شخص أن يتخيله ويفهمه بسهولة دون الخوض في القوانين.
لاحظ كيف يشبه التيار الكهربائي تدفق الماء من خزان ممتلئ (جهد عالي) إلى خزان فارغ (جهد منخفض). في هذا التشبيه البسيط بين الماء والتيار الكهربائي، يكون الصمام مشابهًا للمقاومة المحددة للتيار.
ومن هذا التشبيه يمكنك استخلاص بعض القواعد التي يجب أن تتذكرها إلى الأبد:
- بقدر ما يتدفق تيار داخل العقدة، يتدفق قدر كبير منها
- لكي يسري التيار يجب أن تكون هناك جهود مختلفة عند طرفي الموصل.
- يمكن مقارنة كمية الماء الموجودة في وعائين بشحنة البطارية. عندما يصبح مستوى الماء في الأوعية المختلفة هو نفسه، سيتوقف عن التدفق، وعندما يتم تفريغ البطارية، لن يكون هناك فرق بين الأقطاب الكهربائية وسيتوقف التيار عن التدفق.
- يزداد التيار الكهربائي مع انخفاض المقاومة، كما يزداد معدل تدفق الماء مع انخفاض مقاومة الصمام.
يمكنني كتابة العديد من الاستنتاجات بناءً على هذا التشبيه البسيط، ولكن تم وصفها في قانون أوم أدناه.
المقاوم
يمكن استخدام المقاومات للتحكم في التيار والحد منه، وبالتالي فإن المعلمة الرئيسية للمقاوم هي مقاومته، والتي يتم قياسها بـ أوماها. لا ينبغي أن ننسى قوة المقاوم، والتي تقاس بالواط (W)، وتظهر مقدار الطاقة التي يمكن للمقاوم أن يتبددها دون ارتفاع درجة الحرارة أو الاحتراق. من المهم أيضًا ملاحظة أن المقاومات لا تُستخدم فقط للحد من التيار، بل يمكن أيضًا استخدامها كمقسم جهد لإنتاج جهد أقل من جهد أعلى. تعتمد بعض الحساسات على أن المقاومة تختلف باختلاف الإضاءة أو درجة الحرارة أو التأثير الميكانيكي، وهذا ما سنكتبه بالتفصيل في نهاية المقال.
قانون أوم
من الواضح أن هذه الصيغ الثلاث مشتقة من الصيغة الأساسية لقانون أوم، ولكن يجب تعلمها لفهم الصيغ والرسوم البيانية الأكثر تعقيدًا. يجب أن تكون قادرًا على فهم وتخيل معنى أي من هذه الصيغ. على سبيل المثال، الصيغة الثانية توضح أن زيادة الجهد دون تغيير المقاومة سيؤدي إلى زيادة التيار. ومع ذلك، فإن زيادة التيار لن تؤدي إلى زيادة الجهد (على الرغم من أن هذا صحيح رياضيًا) لأن الجهد هو فرق الجهد الذي سيولد تيارًا كهربائيًا، وليس العكس (انظر تشبيه خزان المياه). يمكن استخدام الصيغة 3 لحساب مقاومة المقاوم المحدد للتيار عند جهد وتيار معروفين. وهذه مجرد أمثلة لإظهار أهمية هذه القاعدة. سوف تتعلم كيفية استخدامها بنفسك بعد قراءة المقال.
التوصيل التسلسلي والتوازي للمقاومات
يعد فهم الآثار المترتبة على توصيل المقاومات على التوازي أو على التوالي أمرًا مهمًا للغاية وسيساعدك على فهم وتبسيط الدوائر باستخدام هذه الصيغ البسيطة للمقاومة على التوالي والتوازي:
في هذا المثال للدائرة، يتم توصيل R1 وR2 على التوازي، ويمكن استبدالهما بمقاوم واحد R3 وفقًا للصيغة:
في حالة وجود مقاومتين متصلتين على التوازي يمكن كتابة الصيغة كما يلي:
بالإضافة إلى استخدامها لتبسيط الدوائر، يمكن استخدام هذه الصيغة لإنشاء قيم المقاومات التي لا تملكها.
لاحظ أيضًا أن قيمة R3 ستكون دائمًا أقل من قيمة المقاومتين المكافئتين الأخريين، نظرًا لأن إضافة مقاومات متوازية يوفر مسارات إضافية
التيار الكهربائي، مما يقلل من مقاومة الدائرة الشاملة.
يمكن استبدال المقاومات المتصلة على التوالي بمقاوم واحد، تكون قيمته مساوية لمجموع هاتين المقاومتين، نظرًا لأن هذا الاتصال يوفر مقاومة تيار إضافية. وبالتالي، يتم حساب المقاومة المكافئة R3 بكل بساطة: R 3 = R 1 + R 2
توجد آلات حاسبة ملائمة على الإنترنت لحساب المقاومات وتوصيلها.
المقاوم الحد الحالي
إن الدور الأساسي لمقاومات الحد الحالية هو التحكم في التيار الذي سوف يتدفق عبر جهاز أو موصل. لفهم كيفية عملها، دعونا ننظر أولا رسم تخطيطي بسيطحيث يتم توصيل المصباح مباشرة ببطارية 9 فولت. المصباح، مثله مثل أي جهاز آخر يستهلك الكهرباء لأداء مهمة محددة (مثل انبعاث الضوء)، له مقاومة داخلية تحدد استهلاكه الحالي. وبالتالي، من الآن فصاعدا، يمكن استبدال أي جهاز بمقاومة مكافئة.
الآن بعد أن اعتبر المصباح مقاومًا، يمكننا استخدام قانون أوم لحساب شدة التيار المار خلاله. ينص قانون أوم على أن التيار المار عبر المقاومة يساوي فرق الجهد عبرها مقسومًا على مقاومة المقاومة: I=V/R أو بشكل أكثر دقة:
أنا=(الخامس 1 -الخامس 2)/ر
حيث (V 1 -V 2) هو فرق الجهد قبل وبعد المقاومة.
انظر الآن إلى الصورة أعلاه حيث تمت إضافة المقاوم المحدد الحالي. وسوف يحد من التيار الذي يذهب إلى المصباح، كما يوحي الاسم. يمكنك التحكم في مقدار التيار المتدفق عبر المصباح ببساطة عن طريق تحديد قيمة R1 الصحيحة. ستؤدي المقاومة الكبيرة إلى تقليل التيار بشكل كبير، بينما ستؤدي المقاومة الصغيرة إلى تقليل التيار بقوة أقل (كما هو الحال في تشبيهنا بالمياه).
رياضيا سيتم كتابتها على النحو التالي:
يستنتج من الصيغة أن التيار سينخفض إذا زادت قيمة R1. وبالتالي، يمكن استخدام مقاومة إضافية للحد من التيار. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن هذا يؤدي إلى تسخين المقاوم، ويجب عليك حساب قوته بشكل صحيح، وهو ما سيتم مناقشته لاحقًا.
يمكنك استخدام الآلة الحاسبة عبر الإنترنت لـ .
المقاومات كمقسم للجهد
كما يوحي الاسم، يمكن استخدام المقاومات كمقسم للجهد، وبعبارة أخرى، يمكن استخدامها لتقليل الجهد عن طريق تقسيمه. معادلة: 
إذا كانت كلا المقاومتين لهما نفس القيمة (R 1 =R 2 =R)، فيمكن كتابة الصيغة على النحو التالي: 
نوع آخر شائع من المقسم هو عندما يتم توصيل مقاومة واحدة بالأرضي (0V)، كما هو موضح في الشكل 6B.
باستبدال Vb بـ 0 في الصيغة 6A نحصل على: 
التحليل العقدي
الآن، عندما تبدأ العمل مع الدوائر الإلكترونية، من المهم أن تكون قادرًا على تحليلها وحساب جميع الفولتية والتيارات والمقاومات اللازمة. هناك العديد من الطرق لدراسة الدوائر الإلكترونية، وإحدى الطرق الأكثر شيوعًا هي الطريقة العقدية، حيث تقوم ببساطة بتطبيق مجموعة من القواعد وحساب جميع المتغيرات الضرورية خطوة بخطوة.
قواعد مبسطة للتحليل العقدي
تعريف العقدة
العقدة هي أي نقطة اتصال في السلسلة. يتم التعامل مع النقاط المتصلة ببعضها البعض، دون وجود مكونات أخرى بينهما، على أنها عقدة واحدة. وبالتالي، فإن عدد لا حصر له من الموصلات إلى نقطة واحدة يعتبر عقدة واحدة. جميع النقاط المجمعة في عقدة واحدة لها نفس الفولتية.
تعريف الفرع
التفرع عبارة عن مجموعة من مكون واحد أو أكثر متصلين على التوالي، وجميع المكونات المتصلة على التوالي بتلك الدائرة تعتبر فرعًا واحدًا.
عادةً ما يتم قياس جميع الفولتية بالنسبة إلى الأرض، والتي تكون دائمًا 0 فولت.
يتدفق التيار دائمًا من العقدة ذات الجهد العالي إلى العقدة ذات الجهد الأقل.
يمكن حساب الجهد عند العقدة من الجهد بالقرب من العقدة باستخدام الصيغة:
الخامس 1 -الخامس 2 =أنا 1 *(ر 1)
لنتحرك:
الخامس 2 = الخامس 1 -(ط 1 * ر 1)
حيث V 2 هو الجهد المطلوب، V 1 هو الجهد المرجعي المعروف، I 1 هو التيار المتدفق من العقدة 1 إلى العقدة 2 و R 1 هي المقاومة بين العقدتين.
بنفس الطريقة كما في قانون أوم، يمكن تحديد تيار الفرع إذا كان جهد العقدتين المتجاورتين والمقاومة معروفين:
أنا 1 =(الخامس 1 -الخامس 2)/ر 1
تيار الإدخال الحالي للعقدة يساوي تيار الإخراج الحالي، لذلك يمكن كتابته على النحو التالي: I 1 + I 3 = I 2
من المهم أن تكون قادرًا على فهم معنى هذه الصيغ البسيطة. على سبيل المثال، في الشكل أعلاه، يتدفق التيار من V1 إلى V2، وبالتالي يجب أن يكون جهد V2 أقل من V1.
باستخدام القواعد المناسبة في الوقت المناسب، يمكنك تحليل وفهم الدائرة بسرعة وسهولة. يتم تحقيق هذه المهارة من خلال الممارسة والخبرة.
حساب قوة المقاوم المطلوبة
عند شراء المقاوم، قد يُطرح عليك السؤال التالي: "ما هي مقاومات الطاقة التي تريدها؟" أو يمكنهم فقط تقديم مقاومات بقدرة 0.25 واط لأنها الأكثر شيوعًا.
طالما أنك تعمل بمقاومات أكبر من 220 أوم وكان مصدر الطاقة الخاص بك يوفر 9 فولت أو أقل، فيمكنك العمل مع مقاومات 0.125 وات أو 0.25 وات. لكن إذا كان الجهد أكثر من 10 فولت أو كانت قيمة المقاومة أقل من 220 أوم، فيجب عليك حساب قوة المقاوم، وإلا فقد يحترق ويتلف الجهاز. لحساب قدرة المقاومة المطلوبة، يجب معرفة الجهد عبر المقاومة (V) والتيار المتدفق عبرها (I):
ف=أنا*الخامس
حيث يتم قياس التيار بالأمبير (A) والجهد بالفولت (V) و P - تبديد الطاقة بالواط (W)
تظهر الصورة مقاومات ذات قوى مختلفة، وهي تختلف بشكل رئيسي في الحجم.
أنواع المقاومات
يمكن أن تكون المقاومات مختلفة، بدءًا من المقاومات المتغيرة البسيطة (مقاييس الجهد) إلى تلك التي تستجيب لدرجة الحرارة والضوء والضغط. وسيتم مناقشة بعض منهم في هذا القسم.
المقاوم المتغير (الجهد)
يوضح الشكل أعلاه تمثيلاً تخطيطيًا لمقاومة متغيرة. غالبًا ما يشار إليه باسم مقياس الجهد لأنه يمكن استخدامه كمقسم للجهد.
وهي تختلف في الحجم والشكل، ولكنها جميعا تعمل بنفس الطريقة. الأطراف الموجودة على اليمين واليسار تعادل نقطة ثابتة (مثل Va وVb في الشكل أعلاه على اليسار)، والطرف الأوسط هو الجزء المتحرك من مقياس الجهد ويستخدم أيضًا لتغيير نسبة المقاومة لليسار و المحطات الصحيحة. ولذلك، فإن مقياس الجهد هو مقسم جهد يمكن ضبطه على أي جهد من Va إلى Vb.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام مقاومة متغيرة كمقاومة محددة للتيار من خلال توصيل أطراف Vout وVb كما في الشكل أعلاه (على اليمين). تخيل كيف سيتدفق التيار عبر المقاومة من الطرف الأيسر إلى الطرف الأيمن حتى يصل إلى الجزء المتحرك، ويتدفق على طوله، بينما يتدفق تيار قليل جدًا إلى الجزء الثاني. لذلك يمكنك استخدام مقياس الجهد لضبط تيار أي مكونات إلكترونية، مثل المصباح.
LDR (مقاومات استشعار الضوء) والثرمستورات
هناك العديد من أجهزة الاستشعار القائمة على المقاوم والتي تستجيب للضوء أو درجة الحرارة أو الضغط. يتم تضمين معظمها كجزء من مقسم الجهد، والذي يختلف باختلاف مقاومة المقاومات، والتي تتغير تحت تأثير العوامل الخارجية.
المقاوم الضوئي (LDR)
كما ترون في الشكل 11أ، تختلف المقاومات الضوئية في الحجم، ولكنها جميعها مقاومات تقل مقاومتها عند تعرضها للضوء وتزداد في الظلام. لسوء الحظ، تتفاعل المقاومات الضوئية ببطء مع التغيرات في مستويات الضوء وتكون دقتها منخفضة إلى حد ما، ولكنها سهلة الاستخدام وشائعة للغاية. عادة، يمكن أن تتراوح مقاومة المقاومات الضوئية من 50 أوم في الشمس، إلى أكثر من 10 ميغا أوم في الظلام الدامس.
كما قلنا سابقًا، تغيير المقاومة يغير الجهد من المقسم. يمكن حساب جهد الخرج باستخدام الصيغة: 
إذا افترضنا أن مقاومة LDR تتراوح من 10 MΩ إلى 50 Ω، فإن V out سيكون من 0.005V إلى 4.975V على التوالي.
يشبه الثرمستور المقاوم الضوئي، ومع ذلك، تحتوي الثرمستورات على أنواع أكثر بكثير من المقاومات الضوئية، على سبيل المثال، يمكن أن يكون الثرمستور إما ثيرمستورًا بمعامل درجة حرارة سالبة (NTC)، تتناقص مقاومته مع زيادة درجة الحرارة، أو معامل درجة حرارة موجبة (PTC). والتي تزداد مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة. الآن تستجيب الثرمستورات للتغيرات في المعايير البيئية بسرعة ودقة كبيرة.
يمكنك أن تقرأ عن تحديد قيمة المقاوم باستخدام الترميز اللوني.
6.2. المقاومة الكهربائية للموصلات. التغيرات في مقاومة الموصل تبعا لدرجة الحرارة والضغط. الموصلية الفائقة
يتضح من التعبير أن التوصيل الكهربائي للموصلات، وبالتالي المقاومة الكهربائية والمقاومة، يعتمدان على مادة الموصل وحالته. يمكن أن تتغير حالة الموصل اعتمادًا على عوامل الضغط الخارجية المختلفة (الضغوط الميكانيكية، والقوى الخارجية، والضغط، والتوتر، وما إلى ذلك، أي العوامل التي تؤثر على التركيب البلوري للموصلات المعدنية) ودرجة الحرارة.
تعتمد المقاومة الكهربائية للموصلات (المقاومة) على شكل الموصل وحجمه ومادته والضغط ودرجة الحرارة:
. (6.21)
في هذه الحالة، يتم وصف اعتماد المقاومة الكهربائية للموصلات ومقاومة الموصلات على درجة الحرارة، كما تم إثباته تجريبيًا، بالقوانين الخطية:
; (6.22)
, (6.23)
حيث t و o و R t و R o هي، على التوالي، مقاومات محددة ومقاومة موصل عند t = 0 o C؛
أو 
.
(6.24)
من الصيغة (6.23)، يتم تحديد الاعتماد على درجة الحرارة لمقاومة الموصلات من خلال العلاقات:
,
(6.25)
حيث T هي درجة الحرارة الديناميكية الحرارية.
ز 
يظهر الشكل 6.2 اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة. ويرد في الشكل 6.3 رسم بياني لاعتماد المقاومة للمعادن على درجة الحرارة المطلقة T.
مع 
وفقا للنظرية الإلكترونية الكلاسيكية للمعادن، في الشبكة البلورية المثالية (الموصل المثالي)، تتحرك الإلكترونات دون التعرض لمقاومة كهربائية ( = 0). من وجهة نظر المفاهيم الحديثة، فإن الأسباب التي تسبب ظهور المقاومة الكهربائية في المعادن هي الشوائب الأجنبية والعيوب في الشبكة البلورية، وكذلك الحركة الحرارية لذرات المعدن التي يعتمد اتساعها على درجة الحرارة.
تنص قاعدة ماتيسين على أن اعتماد المقاومة الكهربائية على درجة الحرارة (T) هو دالة معقدة تتكون من حدين مستقلين:
,
(6.26)
حيث ost – المقاومة المتبقية؛
id هي المقاومة المثالية للمعدن، والتي تتوافق مع مقاومة المعدن النقي تمامًا ويتم تحديدها فقط من خلال الاهتزازات الحرارية للذرات.
استناداً إلى الصيغ (6.25)، يجب أن تميل مقاومة المعدن المثالي إلى الصفر عندما يكون T 0 (منحنى 1 في الشكل 6.3). ومع ذلك، المقاومة كدالة لدرجة الحرارة هي مجموع الحدود المستقلة id و الراحة. لذلك، وبسبب وجود شوائب وعيوب أخرى في الشبكة البلورية للمعدن، فإن المقاومة (T) مع انخفاض درجة الحرارة تميل إلى بعض القيمة النهائية الثابتة res (المنحنى 2 في الشكل 6.3). في بعض الأحيان، يتجاوز الحد الأدنى، ويزيد قليلاً مع انخفاض إضافي في درجة الحرارة (المنحنى 3 في الشكل 6.3). وتعتمد قيمة المقاومة المتبقية على وجود عيوب في الشبكة ومحتوى الشوائب، وتزداد مع زيادة تركيزها. إذا تم تقليل عدد الشوائب والعيوب في الشبكة البلورية إلى الحد الأدنى، فسيظل هناك عامل آخر يؤثر على المقاومة الكهربائية للمعادن - الاهتزاز الحراري للذرات، والذي، وفقًا لميكانيكا الكم، لا يتوقف حتى عند الصفر المطلق درجة حرارة. ونتيجة لهذه الاهتزازات، تتوقف الشبكة عن أن تكون مثالية، وتنشأ قوى متغيرة في الفضاء، يؤدي عملها إلى تشتت الإلكترونات، أي. ظهور المقاومة.
بعد ذلك، تم اكتشاف أن مقاومة بعض المعادن (Al، Pb، Zn، إلخ) وسبائكها عند درجات حرارة منخفضة T (0.1420 K)، تسمى حرجة، مميزة لكل مادة، تنخفض فجأة إلى الصفر، أي ه. . يصبح المعدن موصلًا مطلقًا. تم اكتشاف هذه الظاهرة، التي تسمى الموصلية الفائقة، لأول مرة في عام 1911 بواسطة ج. كامرلينج أونز للزئبق. لقد وجد أنه عند T = 4.2 K، يبدو أن الزئبق يفقد تمامًا مقاومته للتيار الكهربائي. يحدث الانخفاض في المقاومة بشكل حاد للغاية خلال فترة عدة أجزاء من المئات من الدرجة. وفي وقت لاحق، لوحظ فقدان المقاومة في المواد النقية الأخرى وفي العديد من السبائك. تختلف درجات الحرارة الانتقالية إلى حالة التوصيل الفائق، ولكنها دائمًا منخفضة جدًا.
من خلال إثارة تيار كهربائي في حلقة من مادة فائقة التوصيل (على سبيل المثال، باستخدام الحث الكهرومغناطيسي)، يمكن ملاحظة أن قوتها لا تنخفض لعدة سنوات. وهذا يسمح لنا بإيجاد الحد الأعلى لمقاومة الموصلات الفائقة (أقل من 10 -25 أومم)، وهو أقل بكثير من مقاومة النحاس عند درجات الحرارة المنخفضة (10 -12 أومم). ولذلك، فمن المفترض أن المقاومة الكهربائية للموصلات الفائقة هي صفر. يمكن أن تكون المقاومة قبل الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق مختلفة تمامًا. تتمتع العديد من الموصلات الفائقة بمقاومة عالية إلى حد ما في درجة حرارة الغرفة. يحدث الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق دائمًا بشكل مفاجئ جدًا. في البلورات المفردة النقية تحتل نطاق درجة حرارة أقل من جزء من الألف من الدرجة.
مع 
من بين المواد النقية، يتميز الألومنيوم والكادميوم والزنك والإنديوم والجاليوم بموصلية فائقة. خلال البحث، اتضح أن بنية الشبكة البلورية وتجانس ونقاء المادة لها تأثير كبير على طبيعة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق. يمكن ملاحظة ذلك، على سبيل المثال، في الشكل 6.4، الذي يوضح منحنيات تجريبية للانتقال إلى حالة التوصيل الفائق للقصدير ذي النقاءات المختلفة (المنحنى 1 - قصدير أحادي البلورة؛ 2 - قصدير متعدد البلورات؛ 3 - قصدير متعدد البلورات مع شوائب).
في عام 1914، اكتشف ك. أونز أن حالة التوصيل الفائق يتم تدميرها بواسطة المجال المغناطيسي عندما يتم الحث المغناطيسي بيتجاوز بعض القيمة الحرجة. تعتمد القيمة الحرجة للتحريض على المادة فائقة التوصيل ودرجة الحرارة. يمكن أيضًا إنشاء المجال الحرج الذي يدمر الموصلية الفائقة بواسطة تيار الموصلية الفائقة نفسه. لذلك، هناك قوة تيار حرجة يتم عندها تدمير الموصلية الفائقة.
في عام 1933، اكتشف مايسنر وأوكسنفيلد أنه لا يوجد مجال مغناطيسي داخل جسم فائق التوصيل. عندما يتم تبريد موصل فائق يقع في مجال مغناطيسي ثابت خارجي، في لحظة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق، يتم إزاحة المجال المغناطيسي تمامًا من حجمه. وهذا ما يميز الموصل الفائق عن الموصل المثالي، حيث عندما تنخفض المقاومة إلى الصفر، فإن التحريض حقل مغناطيسييجب أن تظل دون تغيير في الحجم. تسمى ظاهرة إزاحة المجال المغناطيسي من حجم الموصل بتأثير مايسنر. يعد تأثير مايسنر وغياب المقاومة الكهربائية من أهم خصائص الموصل الفائق.
إن عدم وجود مجال مغناطيسي في حجم الموصل يسمح لنا أن نستنتج من القوانين العامة للمجال المغناطيسي أنه لا يوجد سوى تيار سطحي فيه. إنه حقيقي ماديًا، وبالتالي فهو يحتل طبقة رقيقة بالقرب من السطح. المجال المغناطيسي للتيار يدمر المجال المغناطيسي الخارجي داخل الموصل. في هذا الصدد، يتصرف الموصل الفائق بشكل رسمي وكأنه موصل مغناطيسي مثالي. ومع ذلك، فهي ليست مغناطيسية، لأن مغنطتها الداخلية (ناقل المغنطة) تساوي صفرًا.
المواد النقية التي تلاحظ فيها ظاهرة الموصلية الفائقة قليلة العدد. غالبًا ما يتم ملاحظة الموصلية الفائقة في السبائك. في المواد النقية، يحدث تأثير مايسنر فقط، وفي السبائك، لا يتم طرد المجال المغناطيسي بالكامل من الحجم (لوحظ تأثير مايسنر الجزئي).
تسمى المواد التي لوحظ فيها تأثير مايسنر الكامل بالموصلات الفائقة من النوع الأول، وتسمى المواد الجزئية بالموصلات الفائقة من النوع الثاني.
تحتوي الموصلات الفائقة من النوع الثاني على تيارات دائرية في حجمها تخلق مجالًا مغناطيسيًا، ومع ذلك، لا يملأ الحجم بالكامل، ولكنه يتم توزيعه فيه على شكل خيوط فردية. أما المقاومة فهي تساوي الصفر كما هو الحال مع الموصلات الفائقة من النوع الأول.
بحكم طبيعتها الفيزيائية، فإن الموصلية الفائقة هي السيولة الفائقة لسائل يتكون من إلكترونات. تحدث الميوعة الفائقة بسبب توقف تبادل الطاقة بين مكون الميوعة الفائقة في السائل وأجزائه الأخرى، مما يؤدي إلى اختفاء الاحتكاك. من الضروري في هذه الحالة إمكانية "تكثيف" الجزيئات السائلة عند أدنى مستوى طاقة، مفصولة عن المستويات الأخرى بفجوة طاقة واسعة إلى حد ما، والتي لا تستطيع قوى التفاعل التغلب عليها. وهذا هو سبب إيقاف التفاعل. لتتمكن من العثور على العديد من الجسيمات في أدنى مستوى، من الضروري أن تخضع لإحصائيات بوز-آينشتاين، أي. كان عددا صحيحا تدور.
تخضع الإلكترونات لإحصائيات فيرمي-ديراك، وبالتالي لا يمكنها أن "تتكاثف" عند أدنى مستوى طاقة وتشكل سائلًا إلكترونيًا فائق السيولة. يتم تعويض قوى التنافر بين الإلكترونات إلى حد كبير من خلال قوى الجذب للأيونات الموجبة للشبكة البلورية. ومع ذلك، بسبب الاهتزازات الحرارية للذرات في عقد الشبكة البلورية، يمكن أن تنشأ قوة جاذبة بين الإلكترونات، ثم تتحد في أزواج. تتصرف أزواج الإلكترونات مثل الجسيمات ذات الدوران الصحيح، أي. اتبع إحصائيات بوز-آينشتاين. يمكن أن تتكثف وتشكل تيارًا من سائل فائق السيولة من أزواج الإلكترونات، مما يشكل تيارًا كهربائيًا فائق التوصيل. فوق أدنى مستوى للطاقة توجد فجوة طاقة لا يستطيع زوج الإلكترون التغلب عليها بسبب طاقة التفاعل مع الشحنات الأخرى، أي. لا يستطيع تغيير حالة الطاقة الخاصة به. وبالتالي لا توجد مقاومة كهربائية.
يتم تفسير إمكانية تكوين أزواج الإلكترون وسيولتها الفائقة من خلال نظرية الكم.
يعد الاستخدام العملي للمواد فائقة التوصيل (في ملفات المغناطيس فائقة التوصيل، وفي أنظمة ذاكرة الكمبيوتر، وما إلى ذلك) أمرًا صعبًا بسبب درجات الحرارة الحرجة المنخفضة لها. تم اكتشافه حاليًا وبحثه بنشاط مواد السيراميك، تمتلك الموصلية الفائقة عند درجات حرارة أعلى من 100 كلفن (الموصلية الفائقة عند درجة الحرارة العالية). يتم تفسير ظاهرة الموصلية الفائقة من خلال نظرية الكم.
يتم استخدام اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة والضغط في التكنولوجيا لقياس درجة الحرارة (مقاييس حرارة المقاومة) والضغوط الكبيرة سريعة التغير (مقاييس الضغط الكهربائي).
في نظام SI، يتم قياس المقاومة الكهربائية للموصلات بالأوم، وتقاس المقاومة بالأوم. واحد أوم هو مقاومة الموصل الذي يتدفق فيه تيار مباشر قدره 1A عند جهد 1V.
الموصلية الكهربائية هي الكمية التي تحددها الصيغة
. (6.27)
وحدة الموصلية في SI هي سيمنز. واحد سيمنز (1 سم) - موصلية جزء من الدائرة بمقاومة 1 أوم.
ما هذا؟ على ماذا تعتمد؟ كيفية حساب ذلك؟ كل هذا سيتم مناقشته في مقال اليوم!
وقد بدأ كل شيء منذ وقت طويل. في القرن التاسع عشر البعيد والمثير للدهشة، لعب السيد جورج أوم المحترم في مختبره مع الجهد والتيار، ويمرره عبر أشياء مختلفة يمكنها توصيله. كونه شخصًا ملتزمًا، فقد أقام علاقة واحدة مثيرة للاهتمام. وهي أننا إذا أخذنا نفس الموصل، إذن القوة الحالية فيه تتناسب طرديا مع الجهد المطبق. حسنًا، إذا قمت بمضاعفة الجهد المطبق، فسوف تتضاعف القوة الحالية. وبناء على ذلك، لا أحد يكلف نفسه عناء اتخاذ وإدخال بعض معاملات التناسب:
حيث G هو المعامل المسمى التوصيلموصل. في الممارسة العملية، يعمل الناس في كثير من الأحيان مع التوصيلية المتبادلة. يطلق عليه نفس الشيء المقاومة الكهربائيةويشار إليه بالحرف R:
بالنسبة لحالة المقاومة الكهربائية، فإن الاعتماد الذي حصل عليه جورج أوم يبدو كما يلي:
أيها السادة، بكل ثقة، لقد كتبنا للتو قانون أوم. لكن دعونا لا نركز على هذا في الوقت الحالي. لدي تقريبًا مقال منفصل جاهز له، وسنتحدث عنه فيه. الآن دعونا نتناول المزيد من التفاصيل حول المكون الثالث لهذا التعبير - المقاومة.
أولا، هذه هي خصائص الموصل. المقاومة لا تعتمد على التيار مع الجهدباستثناء حالات معينة مثل الأجهزة غير الخطية. سنصل إليهم بالتأكيد، لكن لاحقًا أيها السادة. الآن نحن ننظر إلى المعادن العادية وغيرها من الأشياء اللطيفة والبسيطة والخطية.
يتم قياس المقاومة في أوماها. إنه أمر منطقي تمامًا، فمن اكتشفه أطلق عليه اسمه. حافز كبير للاكتشاف أيها السادة! لكن تذكر أننا بدأنا بالتوصيل؟ ما الذي يرمز له بالحرف G؟ لذا، فهو أيضًا له بُعده الخاص - سيمنز. لكن عادة لا أحد يهتم بهذا الأمر، ولا أحد يعمل معهم تقريبًا.
من المؤكد أن العقل الفضولي سيطرح السؤال - المقاومة بالطبع رائعة، ولكن على ماذا تعتمد في الواقع؟ هناك إجابات. دعنا نذهب نقطة نقطة. التجربة تظهر ذلك المقاومة تعتمد على الأقل على:
- الأبعاد الهندسية وشكل الموصل.
- مادة؛
- درجة حرارة الموصل.
الآن دعونا نلقي نظرة فاحصة على كل نقطة.
أيها السادة، التجربة تظهر ذلك عند درجة حرارة ثابتة تتناسب مقاومة الموصل طرديا مع طوله وعكسيا مع مساحته
له
المقطع العرضي. حسنًا، كلما كان الموصل أكثر سمكًا وأقصر، قلت مقاومته. وعلى العكس من ذلك، تتمتع الموصلات الطويلة والرفيعة بمقاومة عالية نسبيًا.وهذا موضح في الشكل 1.هذا البيان مفهوم أيضًا من خلال القياس المذكور سابقًا للتيار الكهربائي وإمدادات المياه: من الأسهل أن يتدفق الماء عبر أنبوب قصير سميك منه عبر أنبوب رفيع وطويل، كما أن النقل ممكن. ياكميات أكبر من السائل في نفس الوقت.
الشكل 1 - الموصلات السميكة والرفيعة
دعونا نعبر عن ذلك في الصيغ الرياضية:
هنا ر- مقاومة، ل- طول الموصل، س- مساحة مقطعها.
عندما نقول أن شخصًا ما يتناسب مع شخص ما، يمكننا دائمًا إدخال معامل واستبدال رمز التناسب بعلامة يساوي:
كما ترون، لدينا هنا معامل جديد. تسمى مقاومة الموصل.
ما هذا؟ أيها السادة، من الواضح أن هذه هي قيمة المقاومة التي سيحصل عليها موصل بطول 1 متر ومساحة مقطعية تبلغ 1 م 2. وماذا عن حجمها؟ دعنا نعبر عنها من الصيغة:
القيمة جدولية وتعتمد على مادة موصل.
وهكذا، انتقلنا بسلاسة إلى العنصر الثاني في قائمتنا. نعم، موصلان لهما نفس الشكل والحجم، ولكن من مواد مختلفةسيكون لها مقاومة مختلفة. وهذا يرجع فقط إلى حقيقة أنه سيكون لديهم مقاومات موصلة مختلفة. فيما يلي جدول بقيمة المقاومة ρ لبعض المواد المستخدمة على نطاق واسع.
أيها السادة، نرى أن الفضة هي الأقل مقاومة للتيار الكهربائي، بينما المواد العازلة، على العكس، تتمتع بمقاومة عالية جدًا. هذا أمر مفهوم. العوازل هي عوازل لهذا السبب، حتى لا تقوم بتوصيل التيار.
الآن، باستخدام اللوحة التي قدمتها (أو Google، إذا لم تكن المادة المطلوبة موجودة)، يمكنك بسهولة حساب سلك بالمقاومة المطلوبة أو تقدير المقاومة التي سيتمتع بها سلكك بمساحة مقطع عرضي وطول معين.
أتذكر أنه كانت هناك حالة مماثلة في ممارستي الهندسية. كنا نقوم بتركيب قوي لتشغيل مصباح مضخة الليزر. القوة هناك كانت ببساطة مجنونة. ولامتصاص كل هذه القوة في حالة "إذا حدث خطأ ما"، تقرر صنع مقاومة 1 أوم من سلك موثوق. لماذا بالضبط 1 أوم وأين تم تثبيته بالضبط، لن نفكر الآن. هذه محادثة لمقال مختلف تمامًا. ويكفي أن نعرف أن هذا المقاوم كان من المفترض أن يمتص عشرات الميغاواط من الطاقة وعشرات الكيلوجول من الطاقة إذا حدث شيء ما، وسيكون من المرغوب فيه أن يبقى على قيد الحياة. بعد دراسة قوائم المواد المتاحة، اخترت اثنين: نيتشروم وفيشرال. لقد كانت مقاومة للحرارة، ويمكن أن تتحمل درجات الحرارة المرتفعة، بالإضافة إلى أنها كانت تتمتع بمقاومة كهربائية عالية نسبيًا، مما جعل من الممكن، من ناحية، ألا تكون رقيقة جدًا (سوف تحترق على الفور) وليس لفترة طويلة جدًا (كان لديك لتتناسب مع أبعاد معقولة) الأسلاك، ومن ناحية أخرى - احصل على 1 أوم المطلوبة. ونتيجة للحسابات المتكررة وتحليل مقترحات السوق لصناعة الأسلاك الروسية (هذا هو المصطلح)، استقرت أخيرًا على Fechral. اتضح أن السلك يجب أن يبلغ قطره عدة ملليمترات وطوله عدة أمتار. لن أعطي أرقامًا دقيقة، قليل منكم سيكون مهتمًا بها، وأنا كسول جدًا للبحث عن هذه الحسابات في أعماق الأرشيف. تم أيضًا حساب ارتفاع درجة حرارة السلك في حالة مرور عشرات الكيلوجول من الطاقة عبره (باستخدام الصيغ الديناميكية الحرارية). اتضح بضع مئات من الدرجات التي تناسبنا.
في الختام، سأقول أن هذه المقاومات محلية الصنع تم تصنيعها واجتازت الاختبارات بنجاح، مما يؤكد صحة الصيغة المحددة.
ومع ذلك، فقد انجرفنا كثيرًا في الانحرافات الغنائية عن حالات من الحياة، ونسينا تمامًا أننا نحتاج أيضًا إلى مراعاة اعتماد المقاومة الكهربائية على درجة الحرارة.
دعونا نتكهن - كيف يمكن أن يعتمد ذلك من الناحية النظرية مقاومة الموصل مقابل درجة الحرارة؟ ماذا نعرف عن ارتفاع درجات الحرارة؟ حقيقتان على الأقل.
أولاً: مع زيادة درجة الحرارة، تبدأ جميع ذرات المادة في الاهتزاز بشكل أسرع وبسعة أكبر. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن التدفق الموجه للجسيمات المشحونة يصطدم في كثير من الأحيان وبقوة أكبر بالجسيمات الثابتة. إن اجتياز حشد من الناس حيث يقف الجميع شيء، واجتياز حشد حيث يركض الجميع كالمجانين شيء آخر تمامًا. وبسبب هذا، ينخفض متوسط سرعة الحركة الاتجاهية، وهو ما يعادل انخفاضًا في قوة التيار. حسنًا، أي لزيادة مقاومة الموصل للتيار.
ثانية: مع زيادة درجة الحرارة، يزداد عدد الجزيئات المشحونة الحرة لكل وحدة حجم. بسبب السعة الأكبر للاهتزازات الحرارية، تتأين الذرات بسهولة أكبر. المزيد من الجزيئات الحرة - المزيد من التيار. أي أن المقاومة تنخفض.
وفي المجمل هناك عمليتان تتصارعان في المواد ذات درجة الحرارة المتزايدة: الأولى والثانية. السؤال هو من سيفوز. تظهر الممارسة أنه في المعادن، غالبا ما تفوز العملية الأولى، وفي الإلكتروليتات، تفوز العملية الثانية. حسنًا، أي أن مقاومة المعدن تزداد مع زيادة درجة الحرارة. وإذا كنت تأخذ المنحل بالكهرباء (على سبيل المثال، الماء بمحلول كبريتات النحاس)، ثم تقل مقاومتها مع زيادة درجة الحرارة.
قد تكون هناك حالات تتوازن فيها العمليتان الأولى والثانية تمامًا وتكون المقاومة مستقلة عمليًا عن درجة الحرارة.
لذا فإن المقاومة تميل إلى التغير حسب درجة الحرارة. دعها في درجة الحرارة ر 1، كانت هناك مقاومة ص 1. وعند درجة حرارة ر 2أصبح ص 2. ثم بالنسبة للحالتين الأولى والثانية يمكننا كتابة التعبير التالي:
الكمية α، أيها السادة، تسمى معامل درجة الحرارة للمقاومة.يظهر هذا المعامل التغير النسبي في المقاومةعندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة. على سبيل المثال، إذا كانت مقاومة الموصل عند 10 درجات هي 1000 أوم، وعند 11 درجة - 1001 أوم، ففي هذه الحالة
القيمة جدولية. حسنًا، هذا يعتمد على نوع المادة الموجودة أمامنا. بالنسبة للحديد، على سبيل المثال، ستكون هناك قيمة واحدة، وللنحاس - قيمة أخرى. ومن الواضح أنه بالنسبة لحالة المعادن (تزداد المقاومة مع زيادة درجة الحرارة) α>0
و بالنسبة لحالة الإلكتروليتات (تقل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة) α<0.
أيها السادة، في درس اليوم لدينا بالفعل كميتان تؤثران على المقاومة الناتجة للموصل وفي نفس الوقت تعتمدان على نوع المادة التي أمامنا. هذه هي ρ، وهي مقاومة الموصل، و α، وهو معامل درجة الحرارة للمقاومة. من المنطقي محاولة جمعهم معًا. وهكذا فعلوا! ماذا حدث في النهاية؟ وهي كذلك:
قيمة ρ 0 ليست واضحة تمامًا. هذه هي قيمة المقاومة للموصل عند Δt=0. وبما أنها غير مرتبطة بأي أرقام محددة، ولكن يتم تحديدها بالكامل من قبلنا - المستخدمين - فإن ρ هي أيضًا قيمة نسبية. وهي تساوي قيمة مقاومة الموصل عند درجة حرارة معينة، والتي سنعتبرها النقطة المرجعية صفر.
أيها السادة، السؤال الذي يطرح نفسه - أين نستخدم هذا؟ وعلى سبيل المثال، في موازين الحرارة. على سبيل المثال، هناك موازين الحرارة المقاومة البلاتينية. مبدأ التشغيل هو أننا نقيس مقاومة سلك البلاتين (كما اكتشفنا الآن، يعتمد ذلك على درجة الحرارة). هذا السلك عبارة عن مستشعر لدرجة الحرارة. وبناءً على المقاومة المقاسة، يمكننا استنتاج درجة الحرارة المحيطة. تعتبر موازين الحرارة هذه جيدة لأنها تتيح لك العمل في نطاق درجات حرارة واسع جدًا. لنفترض عند درجات حرارة عدة مئات من الدرجات. سيظل عدد قليل من موازين الحرارة قادرة على العمل هناك.
ومثلما هي حقيقة مثيرة للاهتمام - فإن المصباح المتوهج العادي له قيمة مقاومة أقل بكثير عندما يكون مطفأً عنه عندما يكون قيد التشغيل. لنفترض أنه بالنسبة لمصباح عادي بقوة 100 واط، يمكن أن تكون مقاومة الفتيل في الحالة الباردة حوالي 50 - 100 أوم. بينما أثناء التشغيل العادي فإنه ينمو إلى قيم تصل إلى 500 أوم. المقاومة تزيد ما يقرب من 10 مرات! لكن التدفئة هنا حوالي 2000 درجة! بالمناسبة، بناء على الصيغ المذكورة أعلاه وقياس التيار في الشبكة، يمكنك محاولة تقدير درجة حرارة الفتيل بشكل أكثر دقة. كيف؟ فكر بنفسك. أي أنه عند تشغيل المصباح، يتدفق عبره أولاً تيار أعلى بعدة مرات من تيار التشغيل، خاصة إذا كانت لحظة التشغيل تقع على ذروة الموجة الجيبية في المقبس. صحيح أن المقاومة تكون منخفضة لفترة قصيرة فقط حتى يسخن المصباح. ثم يعود كل شيء إلى طبيعته ويصبح التيار طبيعيا. ومع ذلك، فإن مثل هذه الزيادات الحالية هي أحد الأسباب التي تجعل المصابيح تحترق في كثير من الأحيان عند تشغيلها.
أقترح أن أنهي الأمر هنا أيها السادة. تحولت المقالة لفترة أطول قليلا من المعتاد. أتمنى أنك لست متعبا جدا. حظا سعيدا لكم جميعا ونراكم مرة أخرى!
انضم الينا