Artık metallerin neden direnç gösterdiğini anlayabiliriz elektrik akımı yani uzun bir akımı sürdürmek için metal iletkenin uçlarında her zaman potansiyel bir farkın korunması gerekir. Eğer elektronlar hareketlerinde herhangi bir müdahaleyle karşılaşmasaydı, düzenli harekete getirildiklerinde eylemsiz olarak ataletle hareket edeceklerdi. Elektrik alanı, süresiz olarak. Ancak gerçekte elektronlar iyonlarla çarpışma yaşar. Bu durumda çarpışma öncesinde belirli bir düzenli hareket hızına sahip olan elektronlar, çarpışma sonrasında keyfi, rastgele yönlerde geri dönecek ve elektronların düzenli hareketi (elektrik akımı) düzensiz (termal) harekete dönüşecektir: Elektrik alanı ortadan kaldırıldıktan sonra akım çok geçmeden kaybolacaktır. Uzun süreli bir akım elde etmek için, her çarpışmadan sonra elektronları tekrar tekrar belli bir yöne doğru sürmek gerekir ve bunun için de elektronlara sürekli bir kuvvetin etki etmesi yani mevcut olması gerekir. metalin içindeki bir elektrik alanıdır.
Bir metal iletkenin uçlarındaki potansiyel farkı ne kadar büyük olursa, içindeki elektrik alanı o kadar güçlü olur ve iletkendeki akım da o kadar büyük olur. Sunmadığımız hesaplama, potansiyel farkın ve akım gücünün birbiriyle tam olarak orantılı olması gerektiğini göstermektedir (Ohm yasası).
Bir elektrik alanının etkisi altında hareket eden elektronlar, bir miktar kinetik enerji. Çarpışma sırasında bu enerji kısmen kafes iyonlarına aktarılarak onların daha yoğun termal harekete maruz kalmasına neden olur. Böylece, akımın varlığında, elektronların düzenli hareketinin enerjisi (akım), sürekli olarak vücudun iç enerjisini temsil eden iyonların ve elektronların kaotik hareket enerjisine dönüşür; bu şu anlama geliyor içsel enerji metal artar. Bu Joule ısısının salınımını açıklıyor.
Özetlemek gerekirse elektriksel direncin nedeninin elektronların hareketleri sırasında metal iyonlarıyla çarpışması olduğunu söyleyebiliriz. Bu çarpışmalar bazı cisimlerin hareketi ile aynı sonucu üretir. sabit kuvvet Elektronların hareketini yavaşlatma eğiliminde olan sürtünme.
İletkenlik farkı farklı metaller sayıdaki bazı farklılıklar nedeniyle serbest elektronlar birim metal hacmi başına ve elektron hareketi koşulları altında, bu da farka iner orta uzunlukta serbest yol, yani bir elektronun metal iyonlarıyla iki çarpışması arasında kat ettiği ortalama yol. Ancak bu farklılıklar çok önemli değildir, bunun sonucunda bazı metallerin iletkenliği tabloda da görüldüğü gibi farklılık gösterir. 2 (§ 47), başkalarının iletkenliğinden yalnızca birkaç on kat daha fazla; aynı zamanda en kötü metal iletkenlerin bile iletkenliği iletkenlikten yüzbinlerce kat daha fazladır. iyi elektrolitler ve yarı iletkenlerin iletkenliğinden milyarlarca kat daha yüksektir.
Süper iletkenlik olgusu (§ 49), metalde elektronların hareketlerine karşı direnç yaşamadığı koşulların ortaya çıktığı anlamına gelir. Bu nedenle bir süperiletkende uzun süreli akım sağlamak için potansiyel farkına gerek yoktur. Elektronları bir çeşit itme ile harekete geçirmek yeterlidir ve süperiletkendeki akım, potansiyel fark ortadan kaldırıldıktan sonra bile mevcut olacaktır. Bu deneyimden zaten § 49'da bahsetmiştik.
Artık metallerin neden elektrik akımına direnç gösterdiğini, yani uzun süreli bir akımı sürdürmek için metal iletkenin uçlarındaki potansiyel farkının neden her zaman korunması gerektiğini anlayabiliriz. Eğer elektronlar hareketlerinde herhangi bir müdahaleyle karşılaşmasaydı, düzenli harekete getirildikleri takdirde, sınırsız bir süre boyunca, bir elektrik alanının etkisi olmadan, eylemsizlikle hareket edeceklerdi. Ancak gerçekte elektronlar iyonlarla çarpışma yaşar. Bu durumda çarpışma öncesinde belirli bir düzenli hareket hızına sahip olan elektronlar, çarpışma sonrasında keyfi, rastgele yönlerde geri dönecek ve elektronların düzenli hareketi (elektrik akımı) düzensiz (termal) harekete dönüşecektir: Elektrik alanı ortadan kaldırıldıktan sonra akım çok geçmeden kaybolacaktır. Uzun süreli bir akım elde etmek için, her çarpışmadan sonra elektronları tekrar tekrar belli bir yöne doğru sürmek gerekir ve bunun için de elektronlara sürekli bir kuvvetin etki etmesi yani mevcut olması gerekir. metalin içindeki bir elektrik alanıdır.
Bir metal iletkenin uçlarındaki potansiyel farkı ne kadar büyük olursa, içindeki elektrik alanı o kadar güçlü olur ve iletkendeki akım da o kadar büyük olur. Sunmadığımız bir hesaplama, potansiyel fark ile akım gücünün birbiriyle tam olarak orantılı olması gerektiğini göstermektedir (Ohm kanunu).
Bir elektrik alanının etkisi altında hareket eden elektronlar bir miktar kinetik enerji kazanır. Çarpışma sırasında bu enerji kısmen kafes iyonlarına aktarılarak onların daha yoğun termal harekete maruz kalmasına neden olur. Böylece, akımın varlığında, elektronların düzenli hareketinin enerjisi (akım), sürekli olarak vücudun iç enerjisini temsil eden iyonların ve elektronların kaotik hareket enerjisine dönüşür; bu da metalin iç enerjisinin arttığı anlamına gelir. Bu Joule ısısının salınımını açıklıyor.
Özetlemek gerekirse elektriksel direncin nedeninin elektronların hareketleri sırasında metal iyonlarıyla çarpışması olduğunu söyleyebiliriz. Bu çarpışmalar, elektronların hareketini yavaşlatma eğiliminde olan sabit bir sürtünme kuvvetinin etkisi ile aynı sonucu üretir.
Farklı metallerin iletkenliğindeki fark, metalin birim hacmi başına serbest elektron sayısındaki ve elektron hareketi koşullarındaki bazı farklılıklardan kaynaklanmaktadır; bu da ortalama serbest yoldaki, yani kat edilen yoldaki bir farka varmaktadır. ortalama olarak metal iyonlarıyla iki çarpışma arasındaki bir elektron tarafından. Ancak bu farklılıklar çok önemli değildir, bunun sonucunda bazı metallerin iletkenliği tabloda da görüldüğü gibi farklılık gösterir. 2 (§ 47), başkalarının iletkenliğinden yalnızca birkaç on kat; aynı zamanda en kötü metal iletkenlerin bile iletkenliği iyi elektrolitlerin iletkenliğinden yüzbinlerce kat, yarı iletkenlerin iletkenliğinden ise milyarlarca kat daha fazladır.
Süperiletkenlik olgusu (§ 49), metalde elektronların hareketlerine karşı direnç yaşamadığı koşulların ortaya çıktığı anlamına gelir. Bu nedenle bir süperiletkende uzun süreli akım sağlamak için potansiyel farkına gerek yoktur. Elektronları bir tür itme ile harekete geçirmek yeterlidir ve süperiletkendeki akım, potansiyel fark ortadan kaldırıldıktan sonra bile mevcut olacaktır. Bu deneyimden zaten § 49'da bahsetmiştik.
İçermek elektrik devresi herhangi bir akım kaynağı, farklı iletkenler ve bir ampermetre, farklı iletkenler için ampermetre okumalarının farklı olduğunu, yani belirli bir devredeki akım gücünün farklı olduğunu fark edebilirsiniz. Yani, örneğin, AB demir teli yerine (Şekil 70), aynı uzunlukta ve kesitte bir devreye nikel tel CD eklerseniz, devredeki akım gücü azalacaktır ve bakır EF'yi dahil ederseniz, mevcut güç önemli ölçüde artacaktır.
Pirinç. 70. Akım gücünün iletkenlerin özelliklerine bağımlılığı
Bu iletkenlerin uçlarına dönüşümlü olarak bağlanan bir voltmetre aynı voltajı gösterir. Bu, devredeki akım gücünün yalnızca voltaja değil aynı zamanda devrede bulunan iletkenlerin özelliklerine de bağlı olduğu anlamına gelir. Akım gücünün iletkenin özelliklerine bağımlılığı, farklı iletkenlerin farklı özelliklere sahip olmasıyla açıklanmaktadır. elektrik direnci.
Elektrik direnci - fiziksel miktar. R harfi ile gösterilir.
Direnç birimi 1 ohm olarak alınır - 1 voltun uçlarındaki voltajda akım gücü 1 amper olan bir iletkenin direnci.. Kısaca şu şekilde yazılmıştır:
1 Ohm = 1 V / 1 A
Diğer direnç birimleri de kullanılır: miliohm (mOhm), kiloohm (kOhm), megaohm (MOhm).
1 mOhm = 0,001 Ohm;
1 kOhm = 1000 Ohm;
1MOhm = 1000.000 Ohm.
Direnişin nedeni nedir? İletkendeki elektronlar hareketlerinde herhangi bir girişimle karşılaşmasaydı, düzenli harekete getirilerek sınırsız bir süre boyunca ataletle hareket edeceklerdi. Gerçekte elektronlar iyonlarla etkileşime girer kristal kafes metal Aynı zamanda elektronların düzenli hareketi yavaşlar ve enine kesit iletken kendi sayısından 1 s daha az sürede geçer. Buna göre elektronların 1 s'de aktardığı yük azalır, yani akım gücü azalır. Böylece her iletken elektrik akımına karşı koyar ve ona direnç sağlar.
Direncin nedeni, hareketli elektronların kristal kafesin iyonlarıyla etkileşimidir.
Farklı iletkenler, farklı uzunluklar ve kesit alanları nedeniyle kristal kafeslerinin yapısındaki farklılıklar nedeniyle farklı dirençlere sahiptir.
Sorular
- Bir devredeki akım gücünün iletkenin özelliklerine bağlı olduğunu deneysel olarak nasıl gösterebilirsiniz?
- İletken direncinin birimi nedir? Onun adı ne?
- Ohm dışında hangi direnç birimleri kullanılıyor?
- Direnişin nedeni nedir?
Egzersiz 28
- Şekil 70'deki devrenin diyagramını çiziniz ve yapılan deneyi bu çizim üzerinde açıklayınız.
- Aşağıdaki dirençlerin değerlerini ohm cinsinden ifade edin: 100 mOhm; 0,7 kOhm; 20 MOhm.
- Bir elektrik lambasının uçlarındaki gerilim 1 V iken spiralindeki akım 0,5 A'dır. Spiralin direncini belirleyiniz.
