عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی (بررسی مهمترین عوامل)

به طور کلی فلزاتی مانند مس، آلومینیوم، آهن، نقره، طلا و ... از جمله موادی هستند که رسانایی الکتریکی بالایی داشته و متقابلا مقاومت الکتریکی کمتری دارند. در واقع، به دلیل این که فلزات الکترون های آزاد بیشتری دارند، رسانایی الکتریکی بهتری نیز دارند. الکترون های آزاد، پیوند اتمی ضعیفی داشته و به طور کاملا تصادفی در تمام جهات، در حال حرکت هستند. اما زمانی که یک میدانی الکتریکی و اختلاف پتانسیل به دو سر رسانا اعمال می شود، الکترون های آزاد در جهت میدان به حرکت درآمده و بدین صورت جریان الکتریکی برقرار می شود. برای آشنایی بیشتر می توانید ابتدا مقاله مفاهیم اولیه برق را مطالعه کنید

عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی

به طور کلی، مقاومت یک رسانای فلزی در مدارهای الکتریکی، بر اساس قانون اهم و از طریق فرمول زیر محاسبه می شود: 

                                                                                           R=  V/I

که در آن R مقاومت الکتریکی، V ولتاژ و I شدت جریان الکتریکی است. اما چهار عامل بر مقاومت الکتریکی رسانای فلزی تاثیر دارند. این چهار عامل عبارتند از:

• طول رسانا
• سطح مقطع رسانا
• ماهیت و جنس ماده رسانا
• دما

علاوه بر قانون اهم می توان با استفاده از مشخصات رسانای فلزی، مقاومت الکتریکی آن در دمای ثابت را نیز از طریق فرمول زیر محاسبه نمود:

                                                                                           R=  ρL/A

که در آن R مقاومت الکتریکی رسانای فلزی (بر حسب اهم Ω)، ρ مقاومت ویژه (بر حسب اهم متر Ωm)، A سطح مقطع (بر حسب متر مربع m2) و L طول رسانا (بر حسب متر m) هستند. در ادامه به نقش هر یک از این پارامترها بر مقاومت الکتریکی اشاره خواهیم کرد.

 

 

 

 

تاثیر ابعاد هندسی رسانای فلزی بر مقاومت الکتریکی رسانای فلزی 

طول و سطح مقطع رسانا، از جمله مهمترین عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی در دمای ثابت هستند که در اینجا به آنها اشاره خواهیم کرد. 

• طول رسانا : به طور کلی، هر چه طول رسانای فلزی (L) بیشتر باشد، مقاومت الکتریکی آن نیز بیشتر است. همانطور که اشاره کردیم، در یک میدان الکتریکی، الکترون های آزاد در حال جریان، در اثر برخورد با یکدیگر و اتم های رسانا، انرژی شان را از دست می دهند. هر چه طول ماده بیشتر باشد، تعداد برخوردها نیز بیشتر خواهد بود. در نتیجه الکترون های آزاد، انرژی بیشتری را از دست خواهند داد و به عبارت دیگر مقاومت ماده بیشتر خواهد بود. 
• سطح مقطع رسانا : مقاومت الکتریکی در رسانای فلزی با سطح مقطع (A) رابطه عکس دارد. بدین معنا که هر چه سطح مقطع رسانا کوچکتر باشد، الکترون های آزاد فضای کمتری برای تحرک داشته و در نتیجه، تعداد برخورد الکترون های آزاد با یکدیگر و اتم های ماده بیشتر خواهد بود. در این شرایط، جریان الکتریکی محدودتر خواهد بود. به بیانی ساده تر، هر چه سیم نازک تر باشد، مقاومت الکتریکی آن بیشتر خواهد بود.
• تاثیر ماهیت و جنس ماده بر مقاومت الکتریکی رسانای فلزی : همانطور که اشاره شد، یکی دیگر از عوامل موثر بر مقاومت الکتریکی، ماهیت و جنس ماده است. مقاومت ویژه پارامتری است که نقش ماهیت ماده بر مقاومت الکتریکی را نشان می دهد. 

در واقع، مقاومت ویژه یک رسانای فلزی که با علامت ρ مشخص می شود، یکی از پارامترهای اساسی ماده است و به ساختار اتمی آن بستگی دارد. این پارامتر، مقاومت ویژه هر ماده در برابر جریان الکتریکی را نشان می دهد و بر حسب یکای اهم متر (m.Ω) بیان می شود. هر چه ρ کمتر باشد، مقاومت الکتریکی آن ماده در برابر جریان الکترون های آزاد نیز کمتر خواهد بود. 

 

در جدول زیر نیز مقادیر مقاومت ویژه برخی از مواد آورده شده است:

از سوی دیگر، هر چه خلوص فلز رسانا، کمتر تر باشد، مقاومت الکتریکی آن بیشتر خواهد بود. چرا که، ناخالصی های موجود در رسانا، به عنوان سدهایی در برابر حرکت الکترون ها عمل کرده و در نتیجه جریان الکترون ها محدودتر خواهد بود. 

رابطه دما و مقاومت الکتریکی در رسانای فلزی

به طور معمول یک رسانای فلزی، مقاومت کمی دارد. اما با افزایش دما، مقدار عددی این مقاومت افزایش می یابد. افزایش دما در رسانای فلزی موجب افزایش تحرک الکترون های آزاد شده و در نتیجه تعداد برخوردهای آنها با یکدیگر و اتم های ماده افزایش می یابد. در واقع، این افزایش انرژی جنبشی الکترون ها و در نتیجه اتلاف انرژی و محدودیت بیشتر تحرک الکترون های آزاد است که موجب افزایش مقاومت الکتریکی ماده می شود. 

مقاومت ماده در دمای T از رابطه زیر تعیین می شود:

                                                                                  R= R_0  (1+α(T-T_0 ))

که در آن R و R0 به ترتیب مقاومت الکتریکی در دمای T و T0 و α ضریب دمایی مقاومت ویژه هستند.