Waarom verschillende materialen verschillende weerstanden hebben

De hoeveelheid stroom die door een draad vloeit, is recht evenredig met de spanning over de uiteinden. Dit betekent dat hoe groter de spanning aan de uiteinden van een draad, hoe groter de stroom in die draad. Maar voor dezelfde spanning op verschillende draden van verschillende materialen, zal de stroom anders zijn. Dat wil zeggen, als de spanning op verschillende draden op dezelfde manier toeneemt, zal de toename in stroomsterkte op verschillende manieren in verschillende draden optreden, en dit hangt af van de eigenschappen van een bepaalde draad.

Voor elke draad is de afhankelijkheid van de huidige waarde van de aangelegde spanning individueel, en deze afhankelijkheid wordt genoemd elektrische weerstand van de geleider R... Weerstand in algemene vorm kan worden gevonden door de formule R = U / I, dat wil zeggen als de verhouding van de spanning die op een geleider wordt aangelegd en de hoeveelheid stroom die optreedt bij die spanning in die geleider.

Hoe groter de waarde van de stroom in een draad bij een bepaalde spanning, hoe lager de weerstand, en hoe meer spanning er op de draad moet worden aangebracht om een ​​bepaalde stroom te produceren, hoe groter de weerstand van de draad.

Uit de formule voor het vinden van de weerstand kun je de huidige I = U / R uitdrukken, deze uitdrukking wordt genoemd De wet van Ohm… Hieruit blijkt dat hoe groter de weerstand van de draad, hoe kleiner de stroom.

Weerstand verhindert als het ware het vloeien van stroom, verhindert dat de elektrische spanning (elektrisch veld in de draad) een nog grotere stroom opwekt. Weerstand kenmerkt dus een bepaalde geleider en is niet afhankelijk van de spanning die op de geleider wordt toegepast. Wanneer een hogere spanning wordt aangelegd, zal de stroom hoger zijn, maar de verhouding U / I, dat wil zeggen de weerstand R, zal niet veranderen.

In feite hangt de weerstand van een draad af van de lengte van de draad, van de dwarsdoorsnede, van de substantie van de draad en van de huidige temperatuur. De substantie van een geleider is gerelateerd aan zijn elektrische weerstand door de waarde van de zogenaamde weerstand.

Weerstand is wat het materiaal van een geleider kenmerkt en laat zien hoeveel weerstand een geleider gemaakt van een bepaalde stof zal hebben als zo'n geleider een dwarsdoorsnede heeft van 1 vierkante meter en een lengte van 1 meter. Draden van 1 meter lang en 1 vierkante meter in doorsnede, bestaande uit verschillende stoffen, hebben verschillende elektrische weerstanden.

Het komt erop neer dat voor elke stof (meestal zijn er metalen, omdat draden vaak van metaal zijn gemaakt) heeft zijn eigen atomaire en moleculaire structuur. Met betrekking tot metalen kunnen we praten over de structuur van het kristalrooster en het aantal vrije elektronen, het is verschillend voor verschillende metalen. Hoe lager de specifieke weerstand van een bepaalde stof, hoe beter de geleider die ervan is gemaakt elektrische stroom geleidt, dat wil zeggen, hoe beter hij elektronen door zichzelf laat gaan.

Zilver, koper en aluminium hebben een lage soortelijke weerstand. IJzer en wolfraam zijn veel groter, om nog maar te zwijgen van legeringen, waarvan de weerstand van sommige honderden malen groter is dan die van zuivere metalen. De concentratie van vrije ladingsdragers in draden is aanzienlijk hoger dan in diëlektrica, daarom is de weerstand van draden altijd hoger.

Zoals hierboven opgemerkt, is het vermogen van alle stoffen om stroom te geleiden gerelateerd aan de aanwezigheid daarin van stroomdragers (ladingsdragers) - mobiele geladen deeltjes (elektronen, ionen) of quasi-deeltjes (bijvoorbeeld gaten in een halfgeleider) die kunnen in een bepaalde substantie over een lange afstand bewegen, kunnen we eenvoudig zeggen dat we bedoelen dat zo'n deeltje of quasideeltje in staat moet zijn om in een bepaalde substantie een willekeurig grote, althans macroscopische, afstand af te leggen.

Aangezien de stroomdichtheid hoger is, hoe groter de concentratie van vrije ladingsdragers en hoe hoger hun gemiddelde bewegingssnelheid, is de mobiliteit, die afhangt van het type stroomdrager in een bepaalde specifieke omgeving, ook belangrijk. Hoe groter de mobiliteit van ladingsdragers, hoe lager de weerstand van dit medium.

Een langere draad heeft een hogere elektrische weerstand. Immers, hoe langer de draad, hoe meer ionen uit het kristalrooster elkaar ontmoeten in het pad van de elektronen die de stroom vormen. En dit betekent dat hoe meer van dergelijke obstakels de elektronen onderweg tegenkomen, hoe meer ze worden afgeremd, wat betekent dat het afneemt huidige omvang.

Een geleider met een grote doorsnede geeft meer vrijheid aan de elektronen, alsof ze niet in een smalle buis bewegen, maar in een breed pad. Elektronen bewegen gemakkelijker in ruimere omstandigheden en vormen een stroom, omdat ze zelden botsen met de knopen van het kristalrooster. Dit is de reden waarom een ​​dikkere draad minder elektrische weerstand heeft.

Dientengevolge is de weerstand van een geleider recht evenredig met de lengte van de geleider, de specifieke weerstand van de stof waaruit deze is gemaakt, en omgekeerd evenredig met zijn dwarsdoorsnede. De ultieme weerstandsformule omvat deze drie parameters.

Maar er is geen temperatuur in de bovenstaande formule. Inmiddels is bekend dat de weerstand van een geleider sterk afhankelijk is van de temperatuur. Feit is dat de referentiewaarde van de weerstand van stoffen meestal wordt gemeten bij een temperatuur van + 20 ° C. Daarom wordt hier nog steeds rekening gehouden met de temperatuur. Er zijn weerstandsreferentietabellen voor verschillende stoftemperaturen.

Metalen worden gekenmerkt door een toename in weerstand naarmate hun temperatuur stijgt.

Dit komt omdat naarmate de temperatuur stijgt, de ionen van het kristalrooster steeds meer gaan trillen en meer en meer interfereren met de beweging van de elektronen.Maar in elektrolyten dragen ionen een lading, dus als de temperatuur van de elektrolyt toeneemt, neemt de weerstand juist af, omdat de dissociatie van ionen versnelt en ze sneller bewegen.

In halfgeleiders en diëlektrica neemt de elektrische weerstand af bij toenemende temperatuur. Dit komt omdat de concentratie van de meeste ladingsdragers toeneemt met toenemende temperatuur. De waarde die verantwoordelijk is voor de verandering in elektrische weerstand als functie van de temperatuur wordt genoemd temperatuurcoëfficiënt van weerstand.