Proč mají různé materiály různou odolnost
Množství proudu procházejícího drátem je přímo úměrné napětí na jeho koncích. To znamená, že čím větší je napětí na koncích vodiče, tím větší je proud v tomto vodiči. Ale pro stejné napětí na různých drátech vyrobených z různých materiálů bude proud jiný. To znamená, že pokud se napětí na různých vodičích zvyšuje stejným způsobem, pak ke zvýšení síly proudu dojde v různých vodičích různými způsoby, a to závisí na vlastnostech konkrétního vodiče.
Pro každý vodič je závislost hodnoty proudu na přiloženém napětí individuální a tato závislost se nazývá elektrický odpor vodiče R… Odpor v obecné formě lze nalézt podle vzorce R = U / I, to znamená jako poměr napětí aplikovaného na vodič k množství proudu, který se vyskytuje při tomto napětí v tomto vodiči.
Čím větší je hodnota proudu v drátu při daném napětí, tím nižší je jeho odpor, a čím větší napětí musí být na drát přivedeno k vytvoření daného proudu, tím větší je odpor drátu.
Ze vzorce pro zjištění odporu můžete vyjádřit proud I = U / R, tento výraz se nazývá Ohmův zákon… Z toho je vidět, že čím větší odpor drátu, tím menší proud.
Odpor jakoby brání toku proudu, brání elektrickému napětí (elektrickému poli v drátu) vytvářet ještě větší proud. Odpor tedy charakterizuje konkrétní vodič a nezávisí na napětí aplikovaném na vodič. Při použití vyššího napětí bude proud vyšší, ale poměr U / I, tedy odpor R, se nezmění.
Ve skutečnosti odpor drátu závisí na délce drátu, na jeho průřezu, na látce drátu a na jeho aktuální teplotě. Hmota vodiče souvisí s jeho elektrickým odporem přes hodnotu tkzv odpor.
Odpor je to, co charakterizuje materiál vodiče a ukazuje, jaký odpor bude mít vodič vyrobený z dané látky, pokud má takový vodič plochu průřezu 1 metr čtvereční a délku 1 metr. Dráty o délce 1 metr a průřezu 1 metr čtvereční, sestávající z různých látek, budou mít různé elektrické odpory.
Pointa je, že pro jakoukoli látku (obvykle existují kovy, protože dráty jsou často vyrobeny z kovů) má svou vlastní atomovou a molekulární strukturu. U kovů můžeme hovořit o struktuře krystalové mřížky a počtu volných elektronů, u různých kovů je to různé. Čím nižší je měrný odpor dané látky, tím lépe vodič z ní vede elektrický proud, tedy tím lépe propouští elektrony přes sebe.
Stříbro, měď a hliník mají nízký měrný odpor. Železo a wolfram jsou mnohem větší, nemluvě o slitinách, z nichž odolnost některých stokrát převyšuje čisté kovy. Koncentrace volných nosičů náboje ve vodičích je výrazně vyšší než v dielektriku, proto je odpor vodičů vždy vyšší.
Jak bylo uvedeno výše, schopnost všech látek vést proud souvisí s přítomností proudových nosičů (nosičů náboje) – mobilních nabitých částic (elektrony, ionty) nebo kvazičástic (například díry v polovodiči), které mohou pohybovat v dané látce na velkou vzdálenost, můžeme zjednodušeně říci, že máme na mysli, že taková částice nebo kvazičástice musí být schopna urazit v dané látce libovolně velkou, alespoň makroskopickou vzdálenost.
Protože je proudová hustota vyšší, čím větší je koncentrace volných nosičů náboje a čím vyšší je jejich průměrná rychlost pohybu, je důležitá i mobilita, která závisí na typu proudového nosiče v daném konkrétním prostředí. Čím větší je pohyblivost nosičů náboje, tím nižší je odpor tohoto média.
Delší drát má vyšší elektrický odpor. Ostatně, čím je drát delší, tím více iontů z krystalové mřížky se setkává v dráze elektronů, které tvoří proud. A to znamená, že čím více takových překážek elektrony na cestě narazí, tím více jsou zpomaleny, což znamená, že se snižuje aktuální velikost.
Vodič s velkým průřezem dává elektronům větší volnost, jako by se nepohybovaly v úzké trubici, ale po široké dráze. Elektrony se snadněji pohybují v prostornějších podmínkách a tvoří proud, protože se zřídka srazí s uzly krystalové mřížky. To je důvod, proč má silnější drát menší elektrický odpor.
V důsledku toho je odpor vodiče přímo úměrný délce vodiče, specifickému odporu látky, ze které je vyroben, a nepřímo úměrný jeho průřezové ploše. Vzorec konečného odporu zahrnuje tyto tři parametry.
Ale ve výše uvedeném vzorci není žádná teplota. Mezitím je známo, že odpor vodiče silně závisí na jeho teplotě. Faktem je, že referenční hodnota odporu látek se obvykle měří při teplotě + 20 ° C. Proto se zde teplota stále bere v úvahu. Existují referenční tabulky odporu pro různé teploty látek.
Kovy se vyznačují zvýšením odporu při zvýšení jejich teploty.
S rostoucí teplotou totiž začnou ionty krystalové mřížky více a více vibrovat a stále více zasahovat do pohybu elektronů.V elektrolytech však ionty nesou náboj, takže se zvyšující se teplotou elektrolytu odpor naopak klesá, protože disociace iontů se zrychluje a pohybují se rychleji.
V polovodičích a dielektrikách elektrický odpor klesá s rostoucí teplotou. S rostoucí teplotou totiž roste koncentrace většiny nosičů náboje. Hodnota, která zohledňuje změnu elektrického odporu v závislosti na teplotě, se nazývá teplotní koeficient odporu.