נגד חשמלי: מה זה?

Electrical4u

שדה: אלקטרוניקה בסיסית

China

מהו התנגדות חשמלית?

התנגדות (ידועה גם כהתנגדות אוהמית או התנגדות חשמלית) היא מדד להתנגדות לזרם במעגל חשמלי. ההתנגדות מודדת באוהמים, מסומנת באות היוונית אומגה (Ω).

чем больше сопротивление, тем больше барьер против тока.

כאשר הבדל פוטנציאל מופעל על מוליך, הזרם מתחיל לזרום, או שהאלקטרונים החופשיים מתחילים להתקדם. במהלך תנועתם, האלקטרונים החופשיים מתנגשים באטומים ובריכוזים של המוליך.

בגלל התנגשות או מכשול, קצב זרימת האלקטרונים או הזרם החשמלי מוגבל. לכן, ניתן לומר שיש התנגדות כלשהי לזרימת האלקטרונים או הזרם. לכן, ההתנגדות המוצגת על ידי חומר לזרימת זרם חשמלי נקראת התנגדות.

התנגדות החומר המוליך נמצא להיות-

פרופורציונלית ישירות לאורך החומר
פרופורציונלית הפוך לשטח החתך של החומר
תלויה בטבע החומר
תלויה בטמפרטורה

מתמטית, ההתנגדות של חומר מוליך יכולה לבוא לידי ביטוי כך,

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

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

כאשר R = התנגדות המוליך

$l$ = אורך המוליך

a = שטח החתך של המוליך

$\rho$ = קבוע הפרופורציה של החומר הידוע כהתנגדות ספציפית או רジסטיביות של החומר

הגדרת התנגדות של 1 אוהם

אם מפעילים פוטנציאל של 1 וולט על שני הקצוות של מוליך ואם זורם דרכו זרם של 1 אמפר, אזי ההתנגדות של המוליך הזה נמצאת ב-1 אוהם.

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

$\begin{align*} 1 \,\, Ohm = \frac{1 \,\, Volt}{1 \,\, Ampere} \end{align*}$

מה היא ההתנגדות החשמלית מודדת ביחידות

ההתנגדות החשמלית מודדת ביחידות (היחידה של SI עבור מגנט) אוהם, ו-Ω מייצגת אותה. היחידה אוהם (Ω) נקראת על שמו של הפיזיקאי והמתמטיקאי הגרמני הגדול גאורג סימון אוהם.

במערכת SI, אוהם שווה ל-1 וולט לאמפר. לכן,

$\begin{align*} 1 \,\, Ohm = \frac{1 \,\, Volt}{1 \,\, Ampere} \end{align*}$

לכן, ההתנגדות מודדת גם בוולט לאמפר.

המגנטים מיוצרים ומוגדרים בטווח רחב של ערכים. היחידה אוהם היא בדרך כלל לשימוש בערכי התנגדות מתונים, אבל ערכי התנגדות גדולים וקטנים יכולים לבוא לידי ביטוי במיליאאוהם, קילאוהם, מגאוהם וכדומה.

לכן, היחידות הנגזרות של המגנטים נוצרות בהתאם לערכיהם, כפי שמוצג בטבלה להלן.

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	$G\,\,\Omega$	$10^9\,\,\Omega$

יחידה נגזרת של נגדים

סמל התנגדות חשמלית

יש שני סמלים עיקריים הנמצאים בשימוש לתיאור התנגדות חשמלית.

הסמל הנפוץ ביותר לנגד הוא קו זיגזג, המוכר בצפון אמריקה. הסמל האחר לנגד הוא מלבן קטן, הנפוץ באירופה ובאסיה, הנקרא הסמל הבינלאומי לנגד.

הסמל החשמלי לנגדים מוצג בתמונה שלהלן.

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

נוסחת התנגדות חשמלית

הנוסחה הבסיסית להתנגדות היא:

היחס בין התנגדות, מתח והזרם (חוק אוהם)
היחס בין התנגדות, כוח ומתח
היחס בין התנגדות, כוח והזרם

היחסים הללו מתארים בתמונה שלהלן.

נוסחת התנגדות 1 (חוק אוהם)

לפי חוק אוהם

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

לכן, ההתנגדות היא היחס בין מתח האספקה והזרם.

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

נוסחת התנגדות 2 (עוצמה ומתח)

העוצמה המועברת היא מכפלת מתח האספקה והזרם החשמלי.

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

כעת, נציב $I = \frac{V}{R}$ בנוסחה למעלה ונקבל,

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

כך, אנחנו מקבלים שההתנגדות היא היחס בין הריבוע של המתח והעוצמה. מתמטית,

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

נוסחת התנגדות 3 (עוצמה והזרם)

אנחנו יודעים ש- $P = V * I$

הצב $V = I *R$ בנוסחה למעלה ונקבל,

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

לכן, מקבלים שההתנגדות היא היחס בין הכוח לבין הריבוע של הזרם. מתמטית,

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

הבדלים בין התנגדות זרם חילופין לתנגדות זרם ישר

יש הבדלים בין התנגדות זרם חילופין לתנגדות זרם ישר. בואו נדון בכך בקצרה.

התנגדות זרם חילופין

התנגדות כללית (כוללת התנגדות, ריאקטנס אינדוקטיבי ו-ריאקטנס קפצייטיבי) במעגלים של זרם חילופין נקראת אימפדנס. לכן, התנגדות זרם חילופין מכונה גם אימפדנס.

התנגדות = אימפדנס כלומר,

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

הנוסחה הבאה מציגה את ערך ההתנגדות או המגמה של מעגלים חילופיים,

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

התנגדות DC

עוצמת ה-DC קבועה, כלומר אין תדירות במעגלי DC; לכן התגובה הקיבולית והתגובה האינדוקטיבית במעגלי DC הם אפס.

לכן, רק ערך ההתנגדות של המוליך או החוט נכנס לתמונה כאשר הוא מושם תחת מתח DC.

לכן, בהתאם לחוק אוהם, ניתן לחשב את ערך ההתנגדות של DC.

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

איזו מהן גדולה יותר: התנגדות AC או התנגדות DC?

אין אפקט עור במעגלים חשמליים ישרים כי תדר המתח החשמלי הישר הוא אפס. לכן, ההתנגדות החילופית גבוהה יותר מההתנגדות הישרה בשל אפקט העור.

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

בדרך כלל, ערך ההתנגדות החילופית הוא 1.6 פעמים ערך ההתנגדות הישרה.

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

התנגדות חשמלית, חימום וטמפרטורה

התנגדות חשמלית וחימום

כאשר זרם חשמלי (כלומר, זרימת אלקטרונים חופשיים) עובר דרך מוליך, יש כמה 'חיכוך' בין האלקטרונים הנעים והמולקולות של המוליך. החיכוך הזה מכונה התנגדות חשמלית.

לכן, האנרגיה החשמלית המסופקת למוליך מתמירה לחום עקב החיכוך או ההתנגדות החשמלית. זה נקרא אפקט החימום של זרם חשמלי שנוצר על ידי התנגדות חשמלית.

לדוגמה, אם זרם של I אמפרים זורם דרך מוליך בעל עמידות R אוהמים למשך t שניות, האנרגיה החשמלית המסופקת היא I2Rt ג'אולים. אנרגיה זו מתמירה לצורה של חום.

לכן,

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

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

האפקט ההתחממותי הזה נוצל לייצור מספר מכשירים חשמליים להתחממות כמו מדיח חשמלי, טוסטר חשמלי, קדרה חשמלית, ברזל לחימום, ברזל לשריפת רכיבים וכדומה. העיקרון הבסיסי של המכשירים הללו הוא אותו דבר, כלומר כאשר זרם חשמלי זורם דרך עמידות גבוהה (נקראת אלמנט התחממות), הוא מייצר את החום הנדרש.

אחד מהлавנים הנפוצים ביותר של ניקל וכרומיום שנקרא ניכרום יש לו עמידות גדולה פי יותר מ-50 מאשר נחושת.

השפעת הטמפרטורה על עמידות חשמלית

העמידות של כל החומרים משפיעה על שינוי הטמפרטורה. השפעת שינוי הטמפרטורה היא שונה בהתאם לחומר.

מתכות

ההתנגדות החשמלית של מתכות טהורות (לדוגמה, נחושת, אלומיניום, כסף וכדומה) עולה עם עליית הטמפרטורה. עלייה זו באופוזיציה היא גדולה עבור טווח הטמפרטורות הנורמלי. לכן, המתכות בעלות מקדם טמפרטורה חיובי של התנגדות.

ברזל

ההתנגדות החשמלית של ברזלים (לדוגמה, ניכרומיום, מנגנין וכדומה) גם היא עולה עם עליית הטמפרטורה. עלייה זו באופוזיציה היא לא סדירה ויחסית קטנה. לכן, לברזלים יש ערך נמוך של מקדם טמפרטורה חיובי של התנגדות.

conductors, insulators & electrolytes

ההתנגדות החשמלית של conductors, insulators & electrolytes יורדת עם עליית הטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה עולה, נוצרות הרבה אלקטרונים חופשיים. לכן, יש ירידה בערך ההתנגדות החשמלית. לכן, חומרים כאלה יש להם מקדם טמפרטורה שלילי של התנגדות.

שאלות נפוצות על התנגדות

התנגדות חשמלית של גוף האדם

ההתנגדות של עור גוף האדם גבוהה, אך ההתנגדות הפנימית של הגוף נמוכה. כאשר גוף האדם יבש, ההתנגדות הממוצעת שלו גבוהה, ובמצב רטוב ההתנגדות מצטמצמת משמעותית.

במצב יבש, ההתנגדות הממוצעת המוצעת על ידי גוף האדם היא 100,000 אוהמים, ובמצב רטוב או עור נגוע, ההתנגדות מצטמצמת ל-1000 אוהמים.

אם אנרגיה חשמלית בעלת מתח גבוה מגיעה לעור גוף האדם, היא מפרכת במהירות את העור, וההתנגדות המוצעת על ידי הגוף מצטמצמת ל-500 אוהמים.

掞猖电顽性

אנחנו יודעים שההתנגדות החשמלית של כל חומר תלויה בניגודיות או בהתנגדות הספציפית של החומר הזה. הניגודיות או ההתנגדות הספציפית של האוויר היא בערך $10^6$ עד $10^1^5$ $\Omega-m$ ב-20 מעלות צלזיוס.

ההתנגדות החשמלית של אוויר היא מדד לתכונה של האוויר להתנגד לזרם חשמלי. ההתנגדות לאוויר היא תוצאה של התנגשויות בין פני השטח המוביל של הגוף מולקולות האוויר. שני הגורמים העיקריים המשפיעים על כמות ההתנגדות לאוויר הם מהירות הגוף והשטח הצולב של הגוף.

הספירה או חוזק הדיאלקטרי של אוויר הוא 21.1 קילוולט/סנטימטר (RMS) או 30 קילוולט/סנטימטר (פסגה), מה שאומר שהאוויר מספק התנגדות חשמלית עד 21.1 קילוולט/סנטימטר (RMS) או 30 קילוולט/סנטימטר (פסגה). אם מתח האלקטרוסטטי באוויר עולה מעל 21.1 קילוולט/סנטימטר (RMS), מתרחש שבירה של האוויר; לכן, ניתן לומר שההתנגדות לאוויר הופכת לאפס.

התנגדות חשמלית של מים

ההתנגדות הספציפית או הניגודיות של מים היא מדד לתכונה של המים להתנגד לזרם חשמלי, שתלוי בריכוז מלחים מומסים במים.

מים טהורים יש להם ערך גבוה יותר של התנגדות ספציפית או ניגודיות כי הם לא מכילים יונים. כאשר מלחים מתמוססים במים טהורים, מייצרים יונים חופשיים. היונים האלו יכולים להוליך זרם חשמלי; לכן ההתנגדות יורדת.

מים בריכוז גבוה של מלחים מומסים יש להם התנגדות ספציפית או ניגודיות נמוכה ובעצם הפוך. הטבלה שלהלן מציגה את ערכי הניגודיות עבור סוגי מים שונים.

etypes of water	התנגדות ב-Ω-m $(\Omega-m)$
מים טהורים	20,000,000
מי ים	20-25
מים מזוקקים	500,000
גשם	20,000
מי נהר	200
מים לשתיה	2 עד 200
מים מינרליים	180,000