Įvadas
Elektrinė varža yra esminis dydis, apibūdinantis medžiagos ar elektros grandinės pasipriešinimą elektros srovei. Šiame straipsnyje išsamiai aptarsime elektrinės varžos sąvoką, jos priklausomybę nuo įvairių faktorių, ypač temperatūros, bei pateiksime formules, aprašančias šią priklausomybę. Taip pat panagrinėsime superlaidumo fenomeną ir puslaidininkių savybes.
Elektrinė Varža: Pagrindinės Sąvokos
Elektrinė varža (R) - tai medžiagos (elektros grandinės) pasipriešinimas tekančiai elektros srovei. Nuolatinei elektros srovei elektrinė varža, dar vadinama omine varža, yra lygi laidininko (elektros grandinės dalies) įtampos (U) ir laidininku tekančios srovės (I) santykiui:
R = U / I
Ši formulė yra žinoma kaip Omo dėsnis.
Elektrinės varžos matavimo vienetas SI sistemoje yra omas (Ω).
Taip pat skaitykite: Varžos priklausomybė nuo temperatūros puslaidininkiuose
Elektrinės Varžos Priklausomybė Nuo Faktorių
Elektrinė varža priklauso nuo kelių esminių faktorių:
- Medžiagos: Skirtingos medžiagos pasižymi skirtingu laidumu, todėl ir skirtinga elektrine varža.
- Matmenų: Laidininko ilgis ir skerspjūvio plotas tiesiogiai veikia jo varžą.
- Formos: Laidininko forma taip pat gali turėti įtakos jo varžai, ypač jei forma yra sudėtinga.
- Temperatūros: Temperatūra yra vienas svarbiausių faktorių, veikiančių elektrinę varžą, apie kurį plačiau pakalbėsime toliau.
- Magnetinio lauko stiprio: Kai kurių medžiagų, pvz., bismuto, elektrinė varža priklauso nuo magnetinio lauko stiprio.
- Kintamajai elektros srovei: Elektros grandinės varža kintamajai elektros srovei vadinama kompleksine elektrine varža.
- Elektromagnetinėms bangoms: Elektros linijos pasipriešinimas ja sklindančioms tiesioginėms ir atsispindėjusioms elektromagnetinėms bangoms vadinama bangine varža.
- Elektros šaltinis: Elektros šaltinis turi vidinę varžą. Dėl jos tekant srovei per šaltinį sumažėja jo gnybtų įtampa.
Vienalyčio Laidininko Elektrinė Varža
Vienalyčio laidininko elektrinė varža apskaičiuojama pagal formulę:
R = ρ * l / S
kur:
- R - elektrinė varža (Ω)
- ρ - savitoji varža (Ω·m), nusakanti laidininko medžiagą
- l - laidininko ilgis (m)
- S - laidininko skerspjūvio plotas (m²)
Iš šios formulės matyti, kad laidininko varža tiesiogiai proporcinga jo ilgiui ir atvirkščiai proporcinga jo skerspjūvio plotui.
Taip pat skaitykite: Apie metalų varžą
Savitoji Varža
Savitoji varža (ρ) yra medžiagos savybė, apibūdinanti jos pasipriešinimą elektros srovei. Ji priklauso tik nuo medžiagos tipo ir temperatūros. Savitosios varžos matavimo vienetas SI sistemoje yra omas metras (Ω·m).
Temperatūros Įtaka Elektrinei Varžai
Temperatūra daro didelę įtaką elektrinei varžai, tačiau šis poveikis skiriasi priklausomai nuo medžiagos tipo.
Metalų Elektrinė Varža
Metalų elektrinė varža didėjant temperatūrai didėja. Tai paaiškinama tuo, kad aukštesnėje temperatūroje padidėja metalo kristalinės gardelės atomų šiluminiai virpesiai, kurie trukdo laidumo elektronų judėjimui. Tačiau tam tikroje temperatūroje metalų elektrinė varža nebedidėja, nes metalo kristalo gardelės šiluminiai virpesiai nebesklaido laidumo elektronų.
Puslaidininkių Elektrinė Varža
Puslaidininkių elektrinė varža dėl temperatūros didėjimo mažėja. Tai susiję su tuo, kad aukštesnėje temperatūroje padidėja laisvųjų krūvininkų (elektronų ir skylių) koncentracija puslaidininkiuose, todėl pagerėja jų laidumas.
Formulė, Aprašanti Temperatūrinę Priklausomybę
Daugeliui metalų savitoji varža priklauso nuo temperatūros pagal apytikslę formulę:
Taip pat skaitykite: Potenciometro apkrovos varža
ρ = ρ₀(1 + α(T - T₀))
kur:
- ρ - savitoji varža esant temperatūrai T
- ρ₀ - savitoji varža esant etaloninei temperatūrai T₀ (dažniausiai 20 °C)
- α - temperatūrinis varžos koeficientas (°C⁻¹)
- T - temperatūra (°C)
- T₀ - etaloninė temperatūra (°C)
Temperatūrinis varžos koeficientas (α) apibūdina, kaip stipriai keičiasi medžiagos varža, pakitus temperatūrai vienu laipsniu. Daugeliui metalų α skaitmeninė vertė yra artima 0,00367, t. y., 1/273. Taigi, r užrašoma taip: r= αr0T, kur T - temperatūra pagal absoliutinę skalę. Tačiau šis sąryšis yra apytikrio pobūdžio ir nepasiteisina nei aukštoje, nei labai žemoje temperatūroje. Be to, varža padidėja metalams lydantis. Žemoje temperatūroje α mažėja.
Superlaidumas: Staigus Varžos Sumažėjimas
Šaldant kai kuriuos laidininkus, pvz., šviną, niobio titano nitridą, sudėtingus vario oksidus (pvz., YBa₂Cu₃O₇) ir kitus, elektrinė varža ima staigiai mažėti ir kai temperatūra tampa mažesnė už tam tikrą būdingąją, beveik visai išnyksta. Šis reiškinys vadinamas superlaidumu.
Superlaidumas - tai būsena, kurioje medžiaga netenka bet kokio pasipriešinimo elektros srovei. Superlaidumo būsenoje elektros srovė gali tekėti be nuostolių. Šis reiškinys pirmą kartą buvo atrastas olandų fiziko Kamerling-Oneso 1911m.
Superlaidumo būsena išnyksta esant, veikiant kelių šimtų estedų magnetiniam laukui. Pastaruoju metu superlaidumą teoriniu ir eksperimentiniu požiūriu labai smulkiai ištyrė fizikai L. D. Landau, A. I. Šalnikovas ir kt. Šalnikovas pastebėjo, kad laidininke, kai jis pereina iš superlaidumo būsenos į paprastąją, susidaro atskiri superlaidūs sluoksniai, besikaitaliojantieji su paprastais sluoksniais.
Superlaidumo Panaudojimas
Superlaidumas turi didelį potencialą įvairiose srityse:
- Energijos perdavimas: Superlaidūs laidai galėtų perduoti elektros energiją be nuostolių.
- Magnetinio rezonanso tomografija (MRT): Superlaidūs magnetai naudojami MRT aparatuose.
- Greitieji kompiuteriai: Superlaidūs elementai galėtų būti naudojami kuriant greitesnius ir efektyvesnius kompiuterius.
Puslaidininkiai: Varžos Priklausomybė Nuo Temperatūros
Be metalų, kurie yra labai geri laidininkai, yra kūnų su daug mažesniu laidumu, pvz. selenas, vienvalenčio vario oksidas ir kt. Tie kūnai vadinami puslaidininkiais. Puslaidininkiai skiriasi nuo metalų ne tik žymiai mažesniu laidumu, bet ir kitokia σ priklausomybe nuo temperatūros.
Puslaidininkių laidumas (σ) priklauso nuo temperatūros pagal formulę:
σ = σ₀ * exp(-b/T)
kur:
- σ - laidumas esant temperatūrai T
- σ₀ - konstanta
- b - konstanta, skirtinga įvairiems puslaidininkiams
- T - absoliutinė temperatūra (K)
Ši formulė rodo, kad puslaidininkių laidumas eksponentiškai didėja didėjant temperatūrai.
Kai kurių puslaidininkių susilietimo su metalais vietoje pastebimi ypatingi reiškiniai: susidaro užveriamasis sluoksnis, praleidžiantis srovę tik viena kryptimi. Pvz., vienvalenčio vario oksido atveju elektros srovė yra tūkstančius kartų didesnė, kai ji teka nuo metalo į vario oksidą, negu atvirkščia kryptimi. Šis reiškinys sudaro šiuolaikinių kietųjų kintamosios srovės lygintuvų konstrukcijos pagrindą.
Elektrinės Varžos Matavimas
Laidininko varžą lengvai galima išmatuoti ampermetru ir voltmetru. Standartinės varžos paprastai gaminamos vadinamųjų kištukinių rezistorių pavidalo, t. y. rezistorių sudaro eilė ričių.
Praktinis Varžos Panaudojimas
Grandinės varžai keisti naudojami prietaisai - rezistoriai. Laboratorinėje praktikoje nedidelėms srovėms naudojami stumdomo kontakto rezistoriai - reostatai. Tokį rezistorių sudaro viela, apvyniota ant porcelianinio cilindro. Stumdant kontaktą, galima keisti įjungiamų į grandinę vielelės vijų skaičių, o tuo pačiu ir įjungiamos varžos didumą. Vielelė daroma iš lydinių, turinčių gana aukštą specifinę varžą ir mažą temperatūrinį koeficientą. Silpna varžos priklausomybė nuo temperatūros reikalinga tam, kad nuo srovės kaistančio rezistoriaus varža pastebimai nepakistų. Tokie rezistoriai labai patogūs, tačiau jų konstrukcija negarantuoja pakankamai gero šilumos atidavimo, o dėlto jie stipriai įkaista, ir jais negalima naudotis, kai turime reikalą su stipriomis srovėmis. Didelėms srovėms naudojami rezistoriai, pagaminti iš storų vielų, suvyniotų į spirales.
tags: #varzos #priklausomybe #nuo #temperaturos