1 2.4 Παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η αντίσταση ενός αγωγού Λέξεις κλειδιά: ειδική αντίσταση, μικροσκοπική ερμηνεία, μεταβλητός αντισ ροοστάτης, ποτενσιόμετρο 2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτρική αντίσταση μεταλλικών υλικών Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτρική αντίσταση μεταλλικών υλικών των υλικών είναι πολύ σημαντικοί για τις διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές. Για την κατανόηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς ενός υλικού θα πρέπει να εξεταστεί η ηλεκτρονική δομή των υλικών. Παρακάτω θα χρησιμοποιήσουμε το κλασικό μοντέλο αγωγιμότητας, που θεωρεί τα ηλεκτρόνια σθένους σαν κλασικά σωματίδια, ελεύθερα να κινηθούν υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. 2.4.1 Ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταλλικών υλικών Στα μεταλλικά στερεά τα άτομα βρίσκονται διατεταγμένα στα κρυσταλλικά πλέγματα και συνδέονται μεταξύ τους με μεταλλικό δεσμό μέσω των ηλεκτρονίων σθένους. Ο μεταλλικός δεσμός επιτρέπει την ελεύθερη κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους, αφού αυτά μοιράζονται μεταξύ πολλών ατόμων και δεν είναι συνδεδεμένα με κάποιο συγκεκριμένο άτομο. Σύμφωνα με το κλασικό μοντέλο για την ηλεκτρική αγωγιμότητα στα μέταλλα, τα ηλεκτρόνια σθένους είναι ελεύθερα να κινούνται μεταξύ των θετικών ιόντων στο κρυσταλλικό πλέγμα. 1
2 Στη θερμοκρασία περιβάλλοντος τα θετικά ιόντα λόγω της κινητικής ενέργειας που έχουν πάλλονται γύρω από τις πλεγματικές θέσεις ισορροπίας τους. Με αύξηση της θερμοκρασίας το εύρος της κίνησης των ιόντων γύρω από τη θέση ισορροπίας τους αυξάνεται και παρατηρείται μια συνεχής ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των ιόντων και των ηλεκτρονίων σθένους. Απουσία ηλεκτρικού δυναμικού η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι τυχαία και περιορισμένη και έτσι δεν παρατηρείται κάποια καθαρή προσανατολισμένη ροή ηλεκτρονίων μέσα στο υλικό, επομένως ούτε και ηλεκτρικό ρεύμα. Παρουσία ηλεκτρικού δυναμικού τα ηλεκτρόνια αποκτούν μια προσανατολισμένη κίνηση με ταχύτητα η οποία είναι ανάλογη του εφαρμοζόμενου πεδίου. 2.4.2 Παράγοντες α. Επίδραση της θερμοκρασίας στην ειδική ηλεκτρική αντίσταση Αναφέρεται στον αγωγό Η ηλεκτρική αντίσταση R ενός μεταλλικού αγωγού είναι ανάλογη του μήκους του, l, και αντιστρόφως ανάλογη του εμβαδού της εγκάρσιας διατομής του, S, ενώ εξαρτάται και από το είδος του υλικού, του οποίου η ηλεκτρική συμπεριφορά καθορίζεται από μια σταθερά του υλικού που ονομάζεται ειδική ηλεκτρική αντίσταση (ρ) : R = ρ Αναφέρεται στο υλικό Mονάδες της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (ρ) που είναι χαρακτηριστική του υλικού για συγκεκριμένη θερμοκρασία είναι το Ω. m. Όσα υλικά έχουν μικρή ειδική αντίσταση ρ, χαρακτηρίζονται ως αγωγοί, ενώ όσα έχουν μεγάλη ειδική αντίσταση ρ, χαρακτηρίζονται ως μονωτές. 2
3 Η ηλεκτρική αντίσταση ενός καθαρού μετάλλου, μειώνεται γραμμικά με μείωση της θερμοκρασίας, χωρίς όμως σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες να μηδενίζεται, αλλά αντίθετα διατηρεί μια ορισμένη παραμένουσα τιμή. H σχέση που συνδέει την ειδική αντίσταση ενός αγωγού με τη θερμοκρασία είναι: R θ = R ο ( 1 + αθ ) Όπου α ο θερμικός συντελεστής αντίστασης και R ο η τιμή της αντίστασης σε 0 ο C Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει το εύρος της ταλάντωσης των ατόμων αυξάνοντας έτσι τις συγκρούσεις των ηλεκτρονίων και μειώνοντας το χρόνο ηρεμίας και τη μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Έτσι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία αυξάνεται και η ειδική ηλεκτρική αντίσταση των καθαρών μετάλλων. Για τα περισσότερα καθαρά μέταλλα και για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 200 o C, η ειδική ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία. β. Εξάρτιση από το υλικό - επίδραση των προσμείξεων στην ειδική ηλεκτρική αντίσταση Γενικά η ειδική ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου αυξάνεται με την προσθήκη πρόσμειξης άλλου στοιχείου. Τα άτομα της πρόσμειξης, έχοντας διαφορετικό μέγεθος από τα άτομα του βασικού μετάλλου, αντικαθιστούν άτομα στο κρυσταλλικό πλέγμα ή παρεμβάλλονται σε παραπλεγματικές θέσεις δημιουργώντας σημειακές ατέλειες και παρεμποδίζοντας την κίνηση των ηλεκτρονίων. 3
4 Επίσης εάν τα άτομα έχουν και διαφορετικό σθένος εισάγουν μια τοπική διαφορά στο φορτίο που και πάλι αυξάνει την πιθανότητα σκέδασης των ηλεκτρονίων. Τέλος εάν το στοιχείο της πρόσμειξης έχει διαφορετική πυκνότητα ηλεκτρονίων συγκρινόμενο με το βασικό μέταλλο επηρεάζει τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου στο υλικό και έτσι την ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα. γ. Εξάρτηση της αντίστασης από το μήκος του αγωγού Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος ενός αγωγού, τόσο περισσότερες είναι οι συγκρούσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα, άρα και η αντίσταση αυξάνεται. δ. Εξάρτηση της αντίστασης από το εμβαδόν του αγωγού Όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν ενός αγωγού, τόσο λιγότερες είναι οι συγκρούσεις των ελεύθερων ηλεκτρονίων με τα θετικά ιόντα, άρα και η αντίσταση μειώνεται. 2.4.3 Μεταβλητός αντιστάτης Ο μεταβλητός αντιστάτης είναι ένας αντιστάτης του οποίου μπορούμε να μεταβάλλουμε την αντίσταση ρυθμίζοντας το μήκος του. Τον συνδέουμε κατάλληλα στο κύκλωμα για να ρυθμίσουμε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα (ροοστάτης) ή για να ρυθμίσουμε τη τάση που εφαρμόζεται στα άκρα μιας συσκευής (ποτενσιόμετρο). 4
5 ΡΟΟΣΤΑΤΗΣ Ρυθμίζει την ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα κύκλωμα. Αποτελείται από ένα δρομέα που μετακινείται πάνω στον αγωγό του ροοστάτη και ανάλογα με τη θέση του μεταβάλλει την αντίσταση του αγωγού του ροοστάτη που συμμετέχει στο κύκλωμα. ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΟ Ρυθμίζει τη ηλεκτρική τάση στα άκρα μιας συσκευής. Σε συνδυασμό με μια ηλεκτρική πηγή, το ποτενσιόμετρο παρέχει μια επιθυμητή τάση στα άκρα μιας συσκευής. 5