مقاومت الکتریکی: این چیست؟

Electrical4u

فیلد: مقدماتی برق

China

برقی مقاومت چیست؟

مقاومت (که به آن مقاومت اهمی یا مقاومت برقی نیز می‌گویند) معیاری است برای اندازه‌گیری مخالفت در جریان جریان در یک مدار برقی. مقاومت با واحد اهم اندازه‌گیری می‌شود که با حرف یونانی امگا (Ω) نماد داده می‌شود.

مقاومت بزرگتر، موانع بیشتری برای جریان جریان ایجاد می‌کند.

وقتی تفاوت پتانسیل به یک رسانا اعمال می‌شود، جریان شروع به جریان می‌کند یا الکترون‌های آزاد شروع به حرکت می‌کنند. در هنگام حرکت، الکترون‌های آزاد با اتم‌ها و مولکول‌های رسانا برخورد می‌کنند.

به دلیل برخورد یا مانع، نرخ جریان الکترون‌ها یا جریان برق محدود می‌شود. بنابراین می‌توانیم بگوییم که مخالفتی وجود دارد علیه جریان الکترون‌ها یا جریان. بنابراین، این مخالفت که توسط یک ماده علیه جریان برق ارائه می‌شود، مقاومت نامیده می‌شود.

مقاومت ماده رسانا یافت می‌شود—

با طول ماده نسبت مستقیم دارد
با سطح مقطع ماده نسبت معکوس دارد
وابسته به ماهیت ماده است
وابسته به دما است

از لحاظ ریاضی، مقاومت یک ماده رسانا می‌تواند به صورت زیر بیان شود،

$\begin{align*} R \propto \frac{l}{a} \end{align*}$

$\begin{align*} R = \rho \frac{l}{a} \,\, \Omega \end{align*}$

که در آن R مقاومت رسانه است

$l$ = طول رسانه

a = مساحت مقطعی رسانه

$\rho$ = ثابت تناسب ماده که به عنوان مقاومت ویژه یا مقاومت الکتریکی ماده شناخته می‌شود

تعریف یک اهم مقاومت

اگر پتانسیل یک ولت بین دو سر رسانه اعمال شود و جریان یک آمپر از آن عبور کند، مقاومت آن رسانه یک اهم خواهد بود.

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \end{align*}$

$\begin{align*} ۱ \,\, اهم = \frac{۱ \,\, ولت}{۱ \,\, آمپر} \end{align*}$

مقاومت الکتریکی با چه واحدی اندازه‌گیری می‌شود؟

مقاومت الکتریکی با واحد (واحد SI برای یک مقاومت) اهم اندازه‌گیری می‌شود و با Ω نمایش داده می‌شود. واحد اهم (Ω) به افتخار فیزیکدان و ریاضیدان بزرگ آلمانی گئورگ سیمون اهم نامگذاری شده است.

در سیستم SI، یک اهم برابر با یک ولت بر آمپر است. بنابراین،

$\begin{align*} ۱ \,\, اهم = \frac{۱ \,\, ولت}{۱ \,\, آمپر} \end{align*}$

بنابراین، مقاومت نیز با واحد ولت بر آمپر اندازه‌گیری می‌شود.

مقاومت‌ها در محدوده وسیعی از مقادیر تولید و مشخص می‌شوند. واحد اهم برای مقاومت‌های متوسط استفاده می‌شود، اما مقاومت‌های بزرگ و کوچک می‌توانند به میلی‌اهم، کیلو‌اهم، مگا‌اهم و غیره بیان شوند.

بنابراین، واحدهای مشتق شده مقاومت‌ها بر اساس مقادیر آنها ساخته می‌شوند، همان‌طور که در جدول زیر نشان داده شده است.

Unit Name	Abbreviation	Values in Ohm $(\Omega)$
Milli Ohm	$m\,\,\Omega$	$10^-^3\,\,\Omega$
Micro Ohm	$\micro\,\,\Omega$	$10^-^6\,\,\Omega$
Nano Ohm	$n\,\,\Omega$	$10^-^9\,\,\Omega$
Kilo Ohm	$K\,\,\Omega$	$10^3\,\,\Omega$
Mega Ohm	$M\,\,\Omega$	$10^6\,\,\Omega$
Giga Ohm	$G\,\,\Omega$	$10^9\,\,\Omega$

واحد مشتق مقاومت‌ها

نماد مقاومت الکتریکی

دو نماد اصلی برای مقاومت الکتریکی استفاده می‌شود.

نماد رایج‌تر برای مقاومت، خط زیگزاگی است که در آمریکای شمالی به طور گسترده استفاده می‌شود. نماد دیگر مقاومت، مستطیل کوچکی است که در اروپا و آسیا به طور گسترده استفاده می‌شود و به نماد بین‌المللی مقاومت معروف است.

نماد‌های مداری مقاومت‌ها در تصویر زیر نشان داده شده است.

企业微信截图_17099630627029.png 企业微信截图_17099630544755.png

فرمول مقاومت الکتریکی

فرمول اساسی مقاومت عبارت است از:

رابطه بین مقاومت، ولتاژ و جریان (قانون اهم)
رابطه بین مقاومت، توان و ولتاژ
رابطه بین مقاومت، توان و جریان

این روابط در تصویر زیر خلاصه شده‌اند.

فرمول مقاومت ۱ (قانون اهم)

بر اساس قانون اهم

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

بنابراین، مقاومت نسبت ولتاژ تغذیه و جریان است.

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\,\Omega \end{align*}$

فرمول مقاومت دوم (توان و ولتاژ)

توان انتقال‌یافته حاصل ضرب ولتاژ تغذیه و جریان الکتریکی است.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

حالا، با قرار دادن $I = \frac{V}{R}$ در معادله بالا به دست می‌آوریم،

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \end{align*}$

بنابراین، مقاومت نسبت مربع ولتاژ تغذیه به قدرت است. ریاضیا،

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\,\Omega \end{align*}$

فرمول مقاومت ۳ (قدرت و جریان)

می‌دانیم که، $P = V * I$

عبارت $V = I *R$ را در معادله بالا جایگزین می‌کنیم،

$\begin{align*} P = I^2 * R \end{align*}$

بنابراین، مقاومت نسبت قدرت به مجذور جریان است. ریاضیاً،

$\begin{align*} R = \frac{P}{I^2} \,\, \Omega \end{align*}$

تفاوت بین مقاومت AC و DC

تفاوتی بین مقاومت AC و DC وجود دارد. اجازه دهید در مورد این موضوع کوتاه بگوییم.

مقاومت AC

مقاومت کل (شامل مقاومت، پاسخ‌داری القایی، و پاسخ‌داری خازنی) در مدارهای AC را امپدانس می‌نامند. بنابراین، مقاومت AC نیز امپدانس نامیده می‌شود.

مقاومت = امپدانس یعنی،

$\begin{align*} R = Z \end{align*}$

فرمول زیر مقدار مقاومت متناوب یا امپدانس مدارهای متناوب را مشخص می‌کند

$\begin{align*} R_A_C = \sqrt{R^2 + (X_L-X_C)^2} \,\, \Omega \end{align*}$

مقاومت مستقیم

اندازه DC ثابت است، یعنی در مدارهای DC فرکانس وجود ندارد؛ بنابراین واکنش سازگار و واکنش القایی در مدارهای DC صفر است.

بنابراین، فقط مقادیر مقاومت رسانه یا سیم هنگام تغذیه با DC مورد نظر قرار می‌گیرد.

بنابراین، طبق قانون اهم، می‌توانیم مقدار مقاومت مستقیم را محاسبه کنیم.

$\begin{align*} R_D_C = \frac{V}{I} \,\, \Omega \end{align*}$

چه کدام بیشتر است: مقاومت متناوب یا مقاومت مستقیم؟

در مدارهای مستقیم (DC) اثر پوست وجود ندارد زیرا فرکانس در تامین DC صفر است. بنابراین، مقاومت AC به دلیل اثر پوست بیشتر از مقاومت DC است.

$\begin{align*} R_A_C = R_D_C \end{align*}$

معمولاً، مقدار مقاومت AC ۱.۶ برابر مقدار مقاومت DC است.

$\begin{align*} R_A_C = 1.6 * R_D_C \end{align*}$

مقاومت الکتریکی، گرمایش و دما

مقاومت الکتریکی و گرمایش

وقتی جریان الکتریکی (یعنی جریان الکترون‌های آزاد) از طریق رسانا عبور می‌کند، برخوردی بین الکترون‌های متحرک و مولکول‌های رسانا وجود دارد. این برخورد به عنوان مقاومت الکتریکی شناخته می‌شود.

بنابراین، انرژی الکتریکی که به رسانا تأمین می‌شود به دلیل برخورد یا مقاومت الکتریکی به گرما تبدیل می‌شود. این امر به عنوان اثر گرمایشی جریان الکتریکی که توسط مقاومت الکتریکی ایجاد می‌شود شناخته می‌شود.

به عنوان مثال، اگر جریان I آمپر در طول یک رسانا با مقاومت R اهم برای t ثانیه جریان داشته باشد، انرژی الکتریکی تأمین شده برابر با I2Rt جول خواهد بود. این انرژی به صورت گرما تبدیل می‌شود.

بنابراین،

$\begin{align*} Heat \,\, produced \,\,(H) = I^2 * R * t \,\, joules \end{align*}$

$\begin{align*} = \frac{I^2 * R * t}{4.186} \,\, calories \end{align*}$

این اثر گرمایی برای ساخت بسیاری از وسایل الکتریکی گرم کننده مانند یک بخاری الکتریکی، توستر الکتریکی، قوری الکتریکی، آهن پرس الکتریکی، آهن لحیم کاری و غیره استفاده می‌شود. اصل کار این وسایل یکسان است، یعنی وقتی جریان الکتریکی از یک مقاومت بالا (که به عنوان عنصر گرم کننده شناخته می‌شود) عبور می‌کند، گرما مورد نیاز تولید می‌شود.

یکی از آلیاژهای معمولاً استفاده شده مس و کروم به نام نیکرومات مقاومت بیش از ۵۰ برابر مس دارد.

تأثیر دمایی بر مقاومت الکتریکی

مقاومت تمام مواد تحت تأثیر تغییرات دما قرار می‌گیرد. تأثیر تغییرات دما بر اساس نوع ماده متفاوت است.

فلزات

مقاومت الکتریکی فلزات خالص (مانند مس، آلومینیوم، نقره و غیره) با افزایش دما افزایش می‌یابد. این افزایش مقاومت در محدوده طبیعی دما بسیار زیاد است. بنابراین، فلزات ضریب دمایی مثبت مقاومت دارند.ضریب دمایی مقاومت.

آلیاژها

مقاومت الکتریکی آلیاژها (مانند نیکرومولیبون، منگانین و غیره) نیز با افزایش دما افزایش می‌یابد. این افزایش مقاومت نامنظم و نسبتاً کم است. بنابراین، آلیاژها ضریب دمایی مثبت مقاومت کمی دارند.

halb‌رساناها، عایق‌ها و الکترولیت‌ها

مقاومت الکتریکی halb‌رساناها، عایق‌ها و الکترولیت‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد. با افزایش دما، الکترون‌های آزاد زیادی ایجاد می‌شوند. بنابراین، مقاومت الکتریکی کاهش می‌یابد. بنابراین، این مواد ضریب دمایی منفی مقاومت دارند.

سوالات رایج درباره مقاومت

مقاومت الکتریکی بدن انسان

مقاومت پوست بدن انسان بالاست، اما مقاومت داخلی بدن کم است. وقتی بدن انسان خشک است، مقاومت مؤثر متوسط آن بالاست و وقتی مرطوب است، مقاومت به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

در شرایط خشک، مقاومت مؤثر ارائه شده توسط بدن انسان ۱۰۰۰۰۰ اهم است و در شرایط مرطوب یا پوست شکسته، مقاومت به ۱۰۰۰ اهم کاهش می‌یابد.

اگر انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا وارد پوست انسان شود، پوست انسان به سرعت تخریب می‌شود و مقاومت ارائه شده توسط بدن به ۵۰۰ اهم کاهش می‌یابد.

مقاومت الکتریکی هوا

می‌دانیم که مقاومت الکتریکی هر ماده به مقاومت ویژه یا رسانایی آن ماده بستگی دارد. مقاومت ویژه یا رسانایی هوا حدود $10^6$ تا $10^1^5$ $\Omega-m$ در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد است.

مقاومت الکتریکی هوا اندازه‌گیری قابلیت هوا برای مقاومت در برابر جریان الکتریکی است. مقاومت هوا نتیجه برخورد سطح پیشرو شیء با مولکول‌های هوا است. دو عامل اصلی که مقدار مقاومت هوا را تحت تأثیر قرار می‌دهند، سرعت شیء و مساحت مقطع شیء هستند.

شکست یا مقاومت دی الکتریک هوا ۲۱.۱ کیلوولت بر سانتی‌متر (RMS) یا ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر (پیک) است، که به این معناست که هوا مقاومت الکتریکی تا ۲۱.۱ کیلوولت بر سانتی‌متر (RMS) یا ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر (پیک) فراهم می‌کند. اگر تنش الکترواستاتیک در هوا از ۲۱.۱ کیلوولت بر سانتی‌متر (RMS) فراتر رود، شکست هوا رخ می‌دهد؛ بنابراین می‌توانیم بگوییم که مقاومت هوا صفر می‌شود.

مقاومت الکتریکی آب

مقاومت ویژه یا رسانایی آب اندازه‌گیری قابلیت آب برای مقاومت در برابر جریان الکتریکی است که به غلظت نمک‌های محلول در آب بستگی دارد.

آب خالص دارای مقدار بالاتری از مقاومت ویژه یا رسانایی است زیرا شامل یون‌های آزاد نیست. وقتی نمک‌ها در آب خالص حل می‌شوند، یون‌های آزاد تولید می‌شوند. این یون‌ها می‌توانند جریان الکتریکی را رسانند؛ بنابراین مقاومت کاهش می‌یابد.

آب با غلظت بالای نمک‌های محلول دارای مقاومت ویژه یا رسانایی پایین‌تری خواهد بود و برعکس. جدول زیر مقادیر رسانایی برای انواع مختلف آب را نشان می‌دهد.

نوع آب	مقاومت در اهم-متر $(\Omega-m)$
آب خالص	۲۰۰۰۰۰۰۰
آب دریا	۲۰-۲۵
آب destilled	۵۰۰۰۰۰
باران	۲۰۰۰۰
آب رودخانه	۲۰۰
آب آشامیدنی	۲ تا ۲۰۰
آب دئیونیزه شده	۱۸۰۰۰۰