Transcript: Rezistenţa electrică. Legea Ohm.

În cea de-a cincia lecție despre curentul electric continuu vom discuta despre rezistența electrică și despre legea Ohm.
Rezistența electrică a unui conductor se notează cu R și măsoară proprietatea lui de a se opune trecerii curentului electric.
Unitatea de măsură pentru rezistență este Ohmul și se notează cu omega mare.
În lecția trecută am discutat despre generarea curentului electric și am dezvoltat un model simplu pentru structura metalelor,
în particular am discutat despre metalul zinc, lecția trecută, prin care să-i explicăm această generare.
Și am spus că la temperaturi normale atomii de metale au posed așa numiți electroni de valență, zincul avea două electroni de valență,
care se pot desprinde de atomii de care aparțin și în felul acesta formează așa numitul gaz electronic,
un gaz de electron ce se mișcă liber prin volumul metalului.
Deci avem aceste mișcări haotice ale electronelor de valență prin volumul metalului.
Dacă totuși aplicăm o diferență de potențial la capetele metalului,
spre exemplu dacă conectăm această baterie la capetele metalului, vom obține un pol pozitiv al metalului și un pol negativ
și atunci toți electronii vor începe să se miște în comun, deci o mișcare comună a lor, bineînțeles către polul pozitiv.
Această mișcare ordonată, comună a tuturor electronilor din metal generează curentul electric notat cu ei
și vă reamintesc că prin convenție acesta este sensul de deplasare a sacelor pozitive,
deci nu ale electronelor care sunt încărcați negativ.
Am discutat despre această convenție lecția trecută.
Revenind la rezistența electrică și semnificația ei în cadrul acestui model,
putem spune că ea este proprietatea atomilor din structura metalului care între timp au devenit ioni.
Ei sunt încărcați pozitiv deoarece și-au pierdut 2 electroni.
Și deci este proprietatea acestor ioni de a interacționa cu curentul de electroni
și al devia, al frâna în mișcarea lui către polul pozitiv.
La nivel macroscopic această proprietate se înglobează într-o mărime unică numită rezistența electrică a conductorului.
Experimental, ea depinde de proprietățile conductorului grupate în două tipuri de proprietăți.
Depinde de proprietățile geometrice, lungimea conductorului și area secțiunii transversale,
dar bineînțeles depinde și de structura lui prin rezistivitatea electrică ce va fi discutată imediat.
Deci, experimental se stabilește că rezistența electrică R este rezistivitatea electrică R
îmulțită cu lungimea conductorului și împărțită la area transversală a conductorului.
Rezistivitatea electrică e mărimea ce cuprinde factorii de structură a unui conductor care contribuie la rezistența lui electrică R.
Mai exact ne referim la intensitatea câmpului electromagnetic atomic și la structura rețelei atomice.
Bineînțeles că această proprietate a rețelei de ioni de a se opune trecerii curentului de electroni
depinde de intensitatea câmpului din fiecare nod al rețelei.
Depinde de orientarea în spațiu a acestor atomi.
Putem avea o structură cubică de tetraedru și așa mai departe hexagonală.
Deci putem avea varii geometrii ale structurii atomilor din rețea a conductorului
și în funcție de această structură rezistența la trecerea curentului electric variază.
Un ultim parametru de care depinde rezistivitatea electrică este temperatura.
Deci temperatura conductorului intervine și ea în R.
Și acest lucru se poate înțelege foarte simplu.
Odată cu creșterea temperaturii atomii ce se află în nodurile rețelei vor vibra din ce în ce mai tare.
Pe măsură ce vibrația lor crește crește și gradul de opunere la mișcarea electronilor.
Deci R va fi egal cu R0 care este rezistivitatea electrică la 0 grade Celsius
înmulțită cu 1 plus o constantă și înmulțit cu temperatura.
Deci temperatura intervine în această poziție din ecuație.
Alpha se numește coeficientul termic al rezistivității.
Și pentru toate metalele pure ea această valoare.
Pentru aliaje de metale ea valori mai mici dar pozitivi.
Se introduce și așa numita conductanță electrică și conductivitate electrică care sunt pur și simplu inversul rezistenței și rezistivității.
Ele vor fi legate.
Prin ecuația G.
G este egal cu Sigma înmulțit cu S împărțit la L.
Scuzați.
Iar semnificația lor este cea evidentă.
Cu cât crește conductivitatea electrică a unui conductor cu atât el devine un conductor mai bun.
Izolatorii, materiale izolatoare sunt grupate în această plajă de valori pentru conductivitate.
Deci foarte mici valori pentru Sigma.
Conductorii aflându-se în această plajă de valori pentru conductivitate.
Între ei se află, între conductor și izolator se află materiale semiconductoare.
Care au conductivitate nici foarte mică dar nici foarte mare în mod evident.
Supraconductibilitatea este proprietatea materialelor, conductoarelor de a avea o temperatură critică TC cu o valoare foarte mică.
Sub care ele își pierd rezistența electrică.
Deci, rezistivitatea electrică pentru temperaturi sub TC devine egală cu 0.
Aceasta este o proprietate foarte interesantă a conductoarelor.
Prin care, sub o anumită temperatură, natura interacției electromagnetice dintre atomii substanței și din nodurile rețelei și electronii de conducție se schimbă.
Deci natura acestei interacțiuni se schimbă și devine identică, egală cu 0.
Mult timp după descoperirea ei, ea a fost o proprietate pur teoretică, adică fără aplicabilitate practică, tocmai datorită valorii foarte mici a acestor temperaturi critique.
Spre exemplu, plumbul are o valoare a temperaturii critique de 7 K.
Și, în general, toate metalele și saliajele au temperaturi critique apropiate de 0 absolut.
Aceste temperaturi sunt greu de obținut în situații practice.
Totuși, de curând, au fost descoperite așa numitele supraconductoare de temperatură înaltă.
Și voi pune între ghilimele cuvântul înaltă, veți vedea de ce.
Pentru această descoperire, în 1987, s-a acordat premiul Nobel.
Mai exact, cercetătorii au descoperit substanțe conductoare cu structuri foarte complicate,
dar care au temperaturi critique mult mai înalte decât aceste valori.
În particular, o astfel de substanță are formula complicată următoare,
care are bismut 2, stronțiu 2, calciu 2, cuprul 3, oxigen 10 plus N,
unde N ia valori 1, 2, 3, pentru că avem o clasă de astfel de materiale.
Deci, o structură complicată a moleculei, dar temperatura critică acestui material este în jur de 138 K,
care este încă o temperatură scăzută, în grade Celsius, înseamnă minus 135 de grade Celsius.
Totuși suficient de mare pentru a putea fi folosită în aplicații practice.
Spre exemplu, magneții supraconductori, care generează câmpuri magnetice extrem de intense, folosesc astfel de materiale.
Această imagine vă arată o poză a unei bucăți de astfel de material.
Bineînțeles, la ora actuală, în cercetare, se investesc foarte multe eforturi și bani
pentru descoperirea unor așa numite supraconductoare de temperaturi normale,
adică care să aibă temperatura critică în jur de 0 Celsius,
dacă și când aceste materiale ar fi descoperite,
aplicațiile practice, tehnologiile de zi cu zi ale lor, fiind foarte importante.
Să trecem acum la rezistențe variabile.
Primul instrument ce folosește o rezistență variabilă este reostatul.
Deci, pur și simplu, avem o rezistență, acest dreptunghi,
care are un contact cu restul circuitului ce se poate deplasa.
În felul acesta putem stabili ce porțiune din conductor, din consumator,
participă la curentul electric.
Deci, în felul acesta, obținem foarte simplu o rezistență variabilă.
Mai exact, numai această porțiune va genera o rezistență
și numai prin ea va trece curentul electric.
Un consumator, un bex, spre exemplu, va aseziza această variație de rezistență
care se va transforma într-o variație a curentului.
Dacă rezistența la trecerea curentului scade sau crește,
atunci și curentul general prin circuit va scadea sau va crește.
O altă variantă a acestui instrument se numește potențiometrul,
în care consumatorul bex, un bex, spre exemplu,
este mutat în partea direct conectată la reostat.
Deci avem același reostat, dar becul se află conectat direct la reostat.
Și în acest caz, prin mișcarea contactului C,
se variază direct diferența de potențial.
După cum vă vedea de legea ONG, diferența de potențial U
este egală cu produsul dintre I și R,
iar I este curentul prin rezistență,
deci variind rezistența R prin mișcarea contactului se variază U.
Și în felul acesta variem diferența de potențial de la bornele becului,
o aplicație practică foarte cunoscută fiind întrerupătorul variabil.
Acela folosește un potențiometru.
Să continuăm cu legea ONG.
În această schemă vedeți un circuit cu elementele de bază,
precum l-am prezentat și în lecția trecută,
adică un generator și un consumator cu anumită rezistență R.
În plus, bineînțeles, avem și firele conductoare
care sunt considerate ideale,
deci singura lor proprietate este de a permite trecerea curentului electric
neavând rezistență sau alte efecte colaterale.
Notăm cu U diferența de potențial sau tensiunea electrică
de la bornele sau capetele consumatorului cu rezistența R.
Atunci, prima lege ONG, stabilită experimental,
este pentru o porțiune de circuit
și spune că intensitatea curentului printr-o porțiune de circuit
este egală cu raportul dintre tensiunea sau diferența de potențial
de la capetele acelei porțiuni de circuit
împărțită la rezistența porțiunii de circuit.
În particular când spunem porțiune de circuit
ne referim, bineînțeles, în acest caz
la o porțiune a circuitului ce conține un consumator cu anumită rezistență
și nu sursa.
Există, bineînțeles, o a doua variantă a legii ONG
pentru întreg circuitul, care arată în felul următor.
Deci legia ONG pentru întregul circuit
spune că intensitatea curentului electric,
aceeași curent electric și aceeași intensitate
este egală cu tensiunea electromotoare a sursei
sau generatorului
împărțită la rezistența totală a circuitului
care conține o rezistență externă sursei
în cazul nostru consumatorul
adunată cu o rezistență internă notată cu ermic a sursei.
În general, generatoarele sau sursele
sunt construite în așa fel încât rezistența lor să fie cât mai mică.
Totuși ea este nenulă.
Dar, în general, ermic este semnificativ mai mic decât ermare.
Numim regim de funcționare în scurt circuit a sursei
cazul în care rezistența externă este zero.
Cel mai întâlnit caz este
cazul în care, pur și simplu, scurt circuităm,
adică conectăm direct bornele sursei cu un conductor
care este ideal, deci are rezistență zero.
Putem foarte ușor vedea că, în acest caz,
intensitatea de scurt circuit,
adică, din nou, în care bornele...
scuzați, în care bornele sursei sunt legate direct printr-un fir,
este egală cu tensiunea electromotoare împărțită la rezistența internă.
Deoarece, după cum am spus, R în general este
semnificativ mai mic decât ermare,
prin scurt circuitarea sursei creștem semnificativ
valoarea curentului ce trece prin ea.
Deci este un regim de funcționare
deficitar al sursei în care curentul este mare
și potențial poate duce la defectarea sursei.
Un alt regim particular de funcționare a unui sursei este în gol,
prin care rezistența externă
este infinită. Ce înseamnă asta?
În practică, este că, pur și simplu, consumatorul nostru
de obicei se arde și dispare
din circuit, deci acesta este cazul în care bornele
sursei nu mai sunt legate între ele, prin dispariția
acestui consumator. Putem vedea
că, în acest caz, tensiunea de la bornele
sursei U este egală cu R or I,
deci este egală cu R mulțită cu
e împărțit la R mare plus R mic,
folosind cea de-a doua lege om, care poate
fi rescrisă ca U egal cu e împărțit la
1 plus R mic împărțit la R mare, dar R mare este
infinit, deci acest raport este 0,
deci avem aici egal cu 0, și deci
obținem că tensiunea de la bornele sursei în cazul
funcționării în gol, adică în care nu mai avem
niciun consumator sau conductor între bornele
ei, este egală cu tensiunea electromotoare.