Rezistența electrică a unui conductor electric este o măsură a dificultății de a transmite un curent electric prin acel conductor. Cantitatea inversă este conductanța electrică și este ușurința cu care trece un curent electric. Rezistența electrică împărtășește unele paralele conceptuale cu noțiunea de frecare mecanică. Unitatea SI a rezistenței electrice este ohm (Ω), în timp ce conductanța electrică este măsurată în siemens (S).
Un obiect cu secțiune transversală uniformă are o rezistență proporțională cu rezistivitatea și lungimea sa și invers proporțională cu aria secțiunii transversale. Toate materialele prezintă o anumită rezistență, cu excepția supraconductorilor, care au o rezistență zero.
Rezistența (R) a unui obiect este definită ca raportul tensiunii prin el (V) și curentul prin el (I), în timp ce conductanța (G) este relația inversă:
R = V/I, G = I/V = 1/R
Pentru o mare varietate de materiale și condiții, V și I sunt direct proporționale unul cu celălalt și prin urmare R și G sunt constante (deși pot depinde de alți factori cum ar fi temperatura sau tensiunea internă). Această proporționalitate se numește legea lui Ohm, iar materialele care o satisfac sunt numite materiale ohmice.
În alte cazuri, cum ar fi transformatorul, dioda sau bateria, V și I nu sunt direct proporționale. Raportul V/I este uneori util și este denumit „rezistență de coardă” sau „rezistență statică„, deoarece corespunde pantei inverse a unei corzi între origine și o curbă I-V. În alte situații, derivata dV/dI poate fi mai utilă; aceasta se numește „rezistența diferențială„.
Conductori
(Conductoarele de deasupra transportă electricitate de la stațiile de generare către clienți.)
În fizică și în inginerie electrică, un conductor este un obiect sau tip de material care permite fluxul unui curent electric în una sau amble direcții. Materialele metalice sunt conductori electrici obișnuiți. Curentul electric este generat de fluxul de electroni încărcați negativ, găuri încărcate pozitiv și ioni pozitivi sau negativi în unele cazuri.
Pentru a exista un curent, nu este necesar ca o particulă încărcată să se deplaseze de la mașina care produce curentul la consumator. Este suficient ca particula încărcată să cede vecinilor o cantitate finită de impuls care va fi apoi cedată vecinilor acestora și așa mai departe până când o particulă ajunge la consumator. În esență, ceea ce se întâmplă aici este un lanț lung de transfer de impulsuri între purtătorii de sarcini mobile; modelul Drude de conducție descrie acest proces mai riguros. Acest model de transfer de impulsuri face ca metalul să fie o alegere ideală pentru un conductor, deoarece metalele, în mod caracteristic, posedă o mare delocalizare a electronilor, ceea ce le conferă suficientă mobilitate pentru a se ciocni și, astfel, a realiza un transfer de impulsuri.
Electronii sunt cei mai mobili în metale; totuși, alte dispozitive, cum ar fi electrolitul cationic al unei baterii sau protonii mobili ai conductorului protonic al unei celule de combustie, se bazează pe purtătoare de sarcină pozitivă. Izolatoarele sunt materiale neconductoare cu puține sarcini mobile care susțin numai curenți electrici nesemnificativi.
Rezistența și conductanța
Rezistența unui conductor dat depinde de materialul din care este fabricat și de dimensiunile acestuia. Pentru un material dat, rezistența este invers proporțională cu aria secțiunii transversale. De exemplu, o sârmă de cupru groasă are o rezistență mai mică decât un fir de cupru subțire din același material. De asemenea, pentru un material dat, rezistența este proporțională cu lungimea; de exemplu, un fir de cupru lung are o rezistență mai mare decât un fir de cupru scurt. Rezistența R și conductanța G a unui conductor cu secțiune uniformă, prin urmare, pot fi calculate ca
R = ρℓ/A, G = σA/ℓ,
unde ℓ este lungimea conductorului, măsurată în metri [m], A este suprafața secțiunii transversale a conductorului măsurată în metri pătrați [m²], σ (sigma) este conductivitatea electrică măsurată în siemens per metru (S·m-1) și ρ (ro) este rezistivitatea electrică (numită și rezistența electrică specifică) a materialului, măsurată în ohm-metri (Ω·m). Rezistența și conductivitatea sunt constante de proporționalitate și, prin urmare, depind numai de materialul de care este fabricat sârmă, nu de geometria firului. Rezistența și conductivitatea sunt reciproce: ρ = 1/σ. Rezistența este o măsură a capacității materialului de a se opune curentului electric.
Această formulă nu este exactă: presupune că densitatea curentului este total uniformă în conductor, ceea ce nu este întotdeauna adevărat în situații practice. Cu toate acestea, această formulă oferă în continuare o bună aproximare pentru conductorii subțiri subțiri, cum ar fi firele.
O altă situație în care această formulă nu este exactă este curentul alternativ, deoarece efectul de suprafață inhibă fluxul de curent în apropierea centrului conductorului. Apoi, secțiunea transversală geometrică este diferită de secțiunea transversală efectivă prin care curge curentul, deci rezistența este mai mare decât cea așteptată. În mod similar, dacă doi conductori care poartă curent alternativ sunt aproape unul de celălalt, rezistențele lor cresc datorită efectului de proximitate. La frecvența comercială, aceste efecte sunt semnificative pentru conductorii mari care transportă curenți mari, cum ar fi barele de legătură într-o stație electrică sau cablurile de mare putere care transportă mai mult de câteva sute de amperi.
În afară de geometria firului, temperatura are, de asemenea, un efect semnificativ asupra eficacității conductorilor. Temperatura afectează conductoarele în două moduri principale, prima fiind aceea că materialele se pot extinde sub efectul căldurii. Cantitatea cu care materialul se va extinde este guvernată de coeficientul de dilatare termică specific materialului. O astfel de expansiune (sau contracție) va schimba geometria conductorului și, prin urmare, rezistența sa caracteristică. Cu toate acestea, acest efect este în general, mic, de ordinul 10-6. O creștere a temperaturii va crește, de asemenea, numărul de fononi generați în interiorul materialului. Un fonon este, în esență, o vibrație de tip rețea sau mai degrabă o mișcare cinetică armonică mică a atomilor din material. La fel ca scuturarea unei mașini de tip pinball, fononii servesc la întreruperea căii electronilor, făcându-i să se împrăștie. Această împrăștiere a electronilor va reduce numărul de coliziuni de electroni și, prin urmare, va scădea cantitatea totală de curent transferat.
Materiale pentru conductori
(O bucată de material rezistiv cu contacte electrice la ambele capete.)
Conductoarele includ metale, electroliți, supraconductori, semiconductori, plasme și câțiva conductori nemetalici, cum ar fi grafitul și polimerii conductivi.
Cuprul are o conductivitate ridicată. Cuprul răcit este standardul internațional la care se compară toți ceilalți conductori electrici; Conductivitatea standard a cuprului internațional este 58 MS/m, deși cuprul ultra-pur poate depăși cu ușurință 101% IACS. Cuprul utilizat pentru aplicații electrice, cum ar fi sârma, înfășurări ale motorului, cabluri și bare de colectori, este cuprul de tip electrolitic-dur (ETP) (CW004A sau ASTM C100140). Dacă cuprul de înaltă conductivitate trebuie să fie sudat sau lipit sau utilizat într-o atmosferă reducătoare, poate fi utilizat cupru de conductivitate ridicată fără oxigen (CW008A sau ASTM C10100). Datorită ușurinței de conectare prin lipire sau prindere, cuprul este încă cea mai comună alegere pentru cele mai multe fire de legătură între dispozitive electrice și electronice.
Argintul este cu 6% mai conductiv decât cuprul, dar din cauza costului nu este practic în majoritatea cazurilor. Cu toate acestea, este utilizat în echipamente specializate, cum ar fi sateliții, și ca o placare subțire pentru a atenua pierderea prin efectului de suprafață la frecvențe înalte.
Sârma de aluminiu este cea mai obișnuită în transmiterea și distribuția energiei electrice. Deși are numai 61% din conductivitatea cuprului prin aria secțiunii transversale, densitatea redusă a aluminiului îl face de două ori mai conductiv în funcție de masă. Deoarece aluminiul este aproximativ o treime din costul cuprului în funcție de greutate, avantajele economice sunt considerabile atunci când sunt necesari conductori mari.
Dezavantajele cablului de aluminiu se datorează proprietăților sale mecanice și chimice. Se formează ușor un oxid izolant, făcând conexiunile să se încălzească. Coeficientul său de expansiune termică mai mare decât materialele din alamă utilizate pentru conectori determină slăbirea conexiunilor. Aluminiu poate, de asemenea, să se alungească, se deformează lent sub sarcină, deteriorând conexiunile. Aceste efecte pot fi atenuate cu conectori proiectați corespunzător și cu o îngrijire suplimentară în instalare, dar au făcut cablajul din aluminiu nepopular datorită problemelor create în trecut.
Compuși organici, cum ar fi octanul, care are 8 atomi de carbon și 18 atomi de hidrogen, nu pot conduce electricitate. Uleiurile sunt hidrocarburi, deoarece carbonul are proprietatea tetracovalenței și formează legături covalente cu alte elemente cum ar fi hidrogenul, deoarece nu pierde sau câștigă electroni, deci nu formează ioni. Legăturile covalente reprezintă pur și simplu o partajare a electronilor. Prin urmare, nu există nicio separare a ionilor atunci când electricitatea trece prin material. Astfel, lichidul (ulei sau orice compus organic) nu poate conduce electricitatea.
Deși apa pură nu este un conductor electric, chiar și o mică parte a impurităților ionice, cum ar fi sarea, îl poate transforma rapid într-un conductor.
Izolatori
(Izolator ceramic utilizat pe căile ferate electrificate.)
Un izolator electric este un material ale cărui sarcini electrice interne nu curg liber; foarte puțin curent electric va curge prin el sub influența unui câmp electric. Acest lucru contrastează cu alte materiale, semiconductori și conductori, care conduc curentul electric mai ușor. Proprietatea care distinge un izolator este rezistența sa; izolatorii au o rezistivitate mai mare decât semiconductorii sau conductorii.
Un izolator perfect nu există, deoarece chiar și izolatorii conțin un număr mic de sarcini mobile (purtători de sarcină) care pot transporta curent. În plus, toți izolatorii devin conducători electrici atunci când se aplică o tensiune suficient de mare încât câmpul electric să distrugă electronii de atomi. Aceasta este cunoscută sub denumirea de tensiune de străpungere a unui izolator. Unele materiale cum ar fi sticla, hârtia și teflonul, care au o rezistivitate ridicată, sunt izolatori electrici foarte buni. O clasă mult mai mare de materiale, chiar dacă acestea pot avea o rezistivitate mai mică în masă, sunt încă destul de bune pentru a împiedica scurgerea curentului semnificativ la tensiunile utilizate în mod obișnuit și, prin urmare, sunt utilizate ca izolatori pentru cablarea electrică și cabluri. Exemplele includ polimeri de tip cauciuc și majoritatea materialelor plastice care pot fi termorezistente sau termoplastice în natură.
Izolatorii sunt utilizați în echipamente electrice pentru a susține și separa conductorii electrici fără a permite să treacă curentul prin ele însele. Un material izolator folositpentru a înfășura cabluri electrice sau alte echipamente se numește izolație. Termenul izolator este, de asemenea, folosit mai specific pentru a se referi la suporturile izolatoare utilizate pentru a plasa liniile de distribuție sau de transmisie a energiei electrice la stâlpii de utilitate și la turnurile de transmisie. Acestea suportă greutatea firelor suspendate fără a permite ca curentul să curgă prin turn spre pământ.
Fizica conducției în solide
(Cablu de alimentare din 3 conductoare din cupru, fiecare miez cu teci izolatoare cu coduri de culori individuale conținute în interiorul unei mantale de protecție exterioare.)
Izolația electrică este absența conducerii electrice. Teoria benzilor electronice (o ramură a fizicii) spune că o sarcină curge dacă stările sunt disponibile în care electronii pot fi excitați. Aceasta permite electronilor să câștige energie și astfel să treacă printr-un conductor, cum ar fi un metal. Dacă nu există astfel de stări, materialul este un izolator.
Cele mai multe (dar nu toate, de ex. insulatorul Mott) au un decalaj mare de bandă. Acest lucru se întâmplă deoarece banda de „valență” care conține electronii cu cea mai mare energie este plină, iar un spațiu mare de energie separă această bandă de banda următoare deasupra ei. Există întotdeauna o anumită tensiune (numită tensiunea de străpungere) care oferă electronilor suficientă energie pentru a fi excitați în această bandă. Odată ce această tensiune este depășită, materialul încetează să mai fie un izolator, iar sarcina începe să treacă prin el. Dar este însoțită, de obicei, de modificări fizice sau chimice care degradează permanent proprietățile izolatoare ale materialului.
Materialele care nu au conducție de electroni sunt izolatoare dacă le lipsesc și alte sarcini mobile. De exemplu, dacă un lichid sau un gaz conține ioni, atunci ionii pot fi făcuți să curgă ca un curent electric, iar materialul este un conductor. Electroliții și plasmele conțin ioni și acționează ca conductori, indiferent dacă sunt implicați sau nu fluxuri de electroni.
Străpungerea
Când sunt supuși unei tensiuni destul de ridicate, izolatorii suferă de fenomenul de străpungere electrică. Atunci când câmpul electric aplicat pe o substanță izolatoare depășește în orice loc câmpul pragului de străpungre pentru substanța respectivă, izolatorul devine brusc conductor, provocând o creștere mare a curentului, un arc electric prin substanță. Străpungerea electrică apare atunci când câmpul electric din material este suficient de puternic pentru a accelera purtătorii de sarcină liberi (electroni și ioni, care sunt întotdeauna prezenți la concentrații scăzute) la o viteză suficient de mare pentru a ciocni electronii din atomi, ionizând atomii. Acești electroni și ioni liberi sunt, la rândul lor, accelerați și lovesc alți atomi, creând mai mulți purtători de sarcină, într-o reacție în lanț. Rapid, izolatorul se umple cu purtători mobili de sarcină, iar rezistența acestuia scade la un nivel mic. Într-un solid, tensiunea de străpungere este proporțională cu energia de decalaj a benzii. Când se produce descărcarea corona, aerul dintr-o zonă în jurul unui conductor de înaltă tensiune se poate descompune și se poate ioniza fără o creștere catastrofică a curentului. Cu toate acestea, în cazul în care zona de străpungere a aerului se extinde la un alt conductor la o altă tensiune, acesta creează o cale conductivă între ele și un curent mare curge prin aer, creând un arc electric. Chiar și un vid poate suferi un fel de străpungere, dar în acest caz arcul de străpungere sau de vid implică sarcini extrase din suprafața electrozilor metalici, și nu produși de vidul însuși.
În plus, toți izolatorii devin conductori la temperaturi foarte ridicate, deoarece energia termică a electronilor de valență este suficientă pentru a ajunge în banda de conducție.
În anumite condensatoare, scurtcircuitele dintre electrozii formați din cauza defecțiunilor dielectrice pot dispărea atunci când câmpul electric aplicat este redus.
Utilizări
O acoperire foarte flexibilă cu un strat izolator este adesea aplicată la sârma electrică și la cablu, aceasta se numește sârmă izolată. Firele, uneori, nu utilizează un strat izolator, doar aer, deoarece o acoperire solidă (de exemplu, din material plastic) poate fi impracticabilă. Cu toate acestea, firele care se ating reciproc produc conexiuni încrucișate, scurtcircuite și pericole de incendiu. În cablul coaxial, conductorul central trebuie să fie plasat exact în mijlocul scutului gol pentru a preveni reflexiile undei electromagnetice. În cele din urmă, firele care suportă tensiuni mai mari de 60 V pot provoca șocuri umane și pericole de electrocutare. Acoperirile izolatoare ajută la prevenirea tuturor acestor probleme.
Unele fire au o acoperire mecanică fără a suporta o tensiune mare – de exemplu: sudura, soneria, cablu termostat. Un fir sau cablu izolat are o tensiune nominală și o valoare maximă a temperaturii conductorului. Poate să nu aibă o capacitate nominală de amperaj (capacitate de încărcare curentă), deoarece aceasta depinde de mediul înconjurător (de exemplu temperatura ambiantă).
În sistemele electronice, plăcile cu circuite imprimate sunt fabricate din plastic epoxidic și din fibră de sticlă. Plăcile neconductoare suportă straturile conductorilor din folie de cupru. În dispozitivele electronice, componentele minuscule și delicate active sunt înglobate în materiale plastice epoxidice sau fenolice neconductoare sau în acoperiri din sticlă sau ceramică.
În componentele microelectronice, cum ar fi tranzistoarele și circuitele integrate, materialul de siliciu este în mod normal un conductor din cauza dopajului, dar poate fi ușor transformat selectiv într-un bun izolator prin aplicarea căldurii și a oxigenului. Oxidul de siliciu este cuarț, adică dioxid de siliciu, componenta primară a sticlei.
În sistemele de înaltă tensiune care conțin transformatoare și condensatoare, uleiul izolator lichid este metoda tipică utilizată pentru prevenirea arcurilor. Uleiul înlocuiește aerul în spații care trebuie să susțină tensiuni semnificative fără străpungeri electrice. Alte materiale de izolație ale sistemelor de înaltă tensiune includ suporturi de sârmă din ceramică sau de sticlă, gaz, vid și plasarea directă a firelor suficient de îndepărtate pentru a folosi aerul ca izolație.
Lasă un răspuns