Η ειδική αντίσταση ενός δεδομένου σύρματος χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm
Ο νόμος του Ohm δείχνει τη σχέση μεταξύ διαφοράς δυναμικού και ηλεκτρικού ρεύματος. Εάν το ρεύμα ρέει μέσω ενός αγωγού, το ρεύμα είναι ανάλογο με την τάση που εφαρμόζεται στον αγωγό. Το Ohm είναι η μονάδα SI ηλεκτρικής αντίστασης. Ο διάσημος Γερμανός φυσικός Georg Simon Ohm εργάστηκε για την αντίσταση το 1826 και δημοσίευσε το 1827, στο βιβλίο Die galvanische Kette, μαθηματικός bearbeitet. Ο νόμος του Ohm ονομάστηκε προς τιμήν του φυσικού Georg Simon Ohm. Έτσι, θα συζητήσουμε τι είναι ο νόμος του Ohm, εφαρμογή του νόμου του Ohm, περιορισμοί του νόμου του Ohm, μαγικό τρίγωνο του Ohm, επαλήθευση του νόμου του Ohm, αναλογία σωλήνα νερού για τον νόμο του Ohm.
Τι είναι ο νόμος του Ohm;
Ο νόμος του Ohm προτάθηκε από τον George Ohm το 1789. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, το ρεύμα που ρέει μέσα από το κύκλωμα ποικίλλει αναλογικά με τη διαφορά τάσης στο τερματικό της κυψέλης.
V ∝ I
V =IR
Εδώ, το R είναι η σταθερά γνωστή ως αντίσταση. Είναι το εμπόδιο που δημιουργείται από τη ροή του ρεύματος. Η μονάδα αντίστασης είναι το Ohm. Αυξάνεται με τη θερμοκρασία με το μήκος του σύρματος και μειώνεται με την αύξηση της επιφάνειας του σύρματος.
Σχεδιάζοντας την τάση και το ρεύμα σε ένα γράφημα, παίρνουμε το γράφημα όπως φαίνεται παρακάτω. Παίρνουμε μια θετική και ευθεία κλίση, υποδεικνύοντας έτσι μια σταθερή αύξηση του ρεύματος με την τάση.
Ο νόμος του Ohm είναι ένας από τους πιο σημαντικούς νόμους στον ηλεκτρισμό. Για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, ο νόμος του Ohm είναι ένας από τους πιο ευρέως χρησιμοποιούμενους κανόνες.
Ωστόσο, δεν ακολουθούν όλοι οι αγωγοί αυστηρά το νόμο του Ohm. Διάφοροι αγωγοί παρουσιάζουν παραλλαγές και δεν έχουν ευθεία κλίση για το γράφημα V-I.
Ηλεκτρική αντίσταση
Η ειδική αντίσταση ενός υλικού είναι ένα θεμελιώδες στοιχείο για τον προσδιορισμό της ηλεκτρικής αντίστασης ενός αγωγού και είναι το μέρος της εξίσωσης αντίστασης που εξηγεί τα χαρακτηριστικά των διαφορετικών υλικών.
Για να εξηγήσουμε την ηλεκτρική αντίσταση μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα απλό παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι η ροή των ηλεκτρονίων (τρέχοντες ηλεκτρικοί φορείς) σε ένα καλώδιο αντιπροσωπεύεται από μάρμαρα που ρέουν κάτω από μια ράμπα:Εάν βάλετε εμπόδια στο δρόμο της ράμπας, θα συναντήσετε αντίσταση. Καθώς τα μάρμαρα συγκρούστηκαν με τα εμπόδια, έχασαν μέρος της ενέργειάς τους, με αποτέλεσμα η συνολική ροή των μαρμάρων κάτω από τη ράμπα να επιβραδυνθεί.
Η επίδραση της διέλευσης ενός τροχού με κουπιά στην ταχύτητα ενός ρεύματος νερού είναι μια άλλη σύγκριση που μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε πώς η αντίσταση επηρεάζει τη ροή του ρεύματος. Και πάλι, η ενέργεια μεταφέρεται στον τροχό κουπιών, με αποτέλεσμα το νερό να κινείται πιο αργά.
Η πραγματικότητα της ροής ρεύματος μέσω ενός αγωγού είναι πιο κοντά στο παράδειγμα του μαρμάρου επειδή τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσα από το υλικό αλλά επιβραδύνονται από την δικτυωτή δομή του πυρήνα των ατόμων.
Η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού καλωδίου ορίζεται ως:
R =LA
Όπου είναι η ειδική αντίσταση του υλικού (η οποία ποικίλλει ανάλογα με τη σύνθεσή του), L είναι το μήκος του αγωγού αγωγού και A είναι η περιοχή διατομής του σύρματος (σε τετραγωνικά μέτρα). Σύμφωνα με την εξίσωση, ένας μακρύτερος αγωγός έχει μεγαλύτερη ηλεκτρική αντίσταση, ενώ ένας με μεγαλύτερη επιφάνεια διατομής έχει χαμηλότερη αντίσταση.
Παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση:
- Φύση της ουσίας:
Σύμφωνα με την ειδική αντίστασή τους, τα υλικά ταξινομούνται μεταξύ άλλων ως μονωτές, αγωγοί και ημιαγωγοί.
Οι μονωτές έχουν υψηλή αντίσταση, ενώ οι αγωγοί έχουν πολύ χαμηλή αντίσταση.
- Θερμοκρασία:
Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του υλικού, αυξάνεται και η αντίσταση.
- Περιοχή διατομής :
Η αντίσταση ενός σύρματος R σχετίζεται αντιστρόφως με την περιοχή διατομής του Α, ως εξής:
R α 1/A…. (1)
Σημαίνει ότι ένα παχύτερο σύρμα έχει μικρότερη αντίσταση από ένα λεπτότερο σύρμα. Παίρνουμε το εξής όταν συνδυάζουμε τις εξισώσεις R α L….. και (1)
R α L/A
R=ρL/A
Αυτή η εξίσωση αντιπροσωπεύει τη σχέση μεταξύ της αντίστασης ενός αγώγιμου σύρματος, του μήκους του σύρματος, της περιοχής διατομής του σύρματος και της ειδικής αντίστασης του σύρματος.
Συμπέρασμα
Όπως έχουμε συζητήσει το νόμο του Ohm και την αντίσταση ενός σύρματος. Ο νόμος του Ohm δηλώνει ότι το ρεύμα που ρέει μέσα από το κύκλωμα ποικίλλει αναλογικά με τη διαφορά τάσης στο τερματικό της κυψέλης. Η αντίσταση είναι η αντίθεση της ροής του ρεύματος σε έναν αγωγό. Η αντίσταση ενός σύρματος εξαρτάται από τη φύση της ουσίας, το μήκος του σύρματος, την περιοχή διατομής και τη θερμοκρασία
Η δίοδος Zener περνά από πολλά διαφορετικά στάδια ή ζώνες, τα οποία περιγράφονται εδώ.
(α). Η δίοδος Zener λαμβάνει μπροστινή τάση, η οποία είναι θετική τάση στους ακροδέκτες ανόδου και καθόδου, στο δεξί μισό της καμπύλης χαρακτηριστικών. Σε αυτή την περιοχή, η δίοδος είναι πολωμένη προς τα εμπρός. Το ρεύμα είναι μικρό για λίγο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, έως ότου η τάση φτάσει σε ένα συγκεκριμένο σημείο, γνωστό ως τάση κατωφλίου, οπότε και αυξάνεται εκθετικά.
(β). Όταν πρόκειται για διόδους Zener, το αριστερό μισό της καμπύλης χαρακτηριστικών είναι πιο ουσιαστικό. Η δίοδος Zener δέχεται θετική τάση στους ακροδέκτες καθόδου και ανόδου σε αυτό το σημείο. Σε αυτή την περιοχή, η δίοδος έχει αντίστροφη πόλωση. Κατά τη λήψη αντίστροφης τάσης, το ρεύμα είναι αρχικά αρκετά χαμηλό. Η δίοδος έχει μόνο ένα μικρό ρεύμα που τη διαπερνά, γνωστό ως ρεύμα διαρροής. Όταν φτάσει στην τάση διάσπασης, το ρεύμα εκτοξεύεται στα ύψη. Λόγω των ακραίων κορυφών του, αυτό το ρεύμα είναι γνωστό ως ρεύμα χιονοστιβάδας.
(γ). Το σημείο τάσης διάσπασης είναι πολύ σημαντικό, όχι μόνο λόγω του ρεύματος χιονοστιβάδας, αλλά και επειδή μόλις η τάση της διόδου Zener φτάσει σε αυτό το σημείο, παραμένει σταθερή σε αυτήν την τάση, ακόμα κι αν το ρεύμα διαμέσου της αυξάνεται δραματικά. Αυτό καθιστά τη δίοδο Zener πολύτιμη σε εφαρμογές ρύθμισης τάσης.
(δ). Όταν η τάση σε ένα Zener φτάσει σε αυτήν την τάση διάσπασης, γνωστή και ως τάση Zener μιας διόδου Zener, VZ, η τάση που μειώνει ένα Zener δεν θα αυξηθεί. Εάν μια δίοδος Zener έχει τάση Zener 5,1 V και η τάση που τροφοδοτεί τη δίοδο είναι περίπου 5,1 V, το Zener θα πέσει 5,1 V στους ακροδέκτες του. Ακόμα κι αν η τάση (και το ρεύμα) που την τροφοδοτεί συνεχίσει να αυξάνεται, ας πούμε στα 12 V, η δίοδος Zener θα διατηρήσει την τάση Zener στα 5,1 V.
(ε). Αυτό είναι το μοναδικό πιο σημαντικό χαρακτηριστικό μιας διόδου Zener, που της επιτρέπει να λειτουργεί ως ρυθμιστής τάσης σε ένα κύκλωμα, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ακόμα κι αν η τάση ή το ρεύμα στο κύκλωμα αυξηθεί, η τάση που μειώνεται σε ένα Zener δεν θα ξεπεράσει τη διάσπαση ή την τάση Zener, όπως φαίνεται από την καμπύλη χαρακτηριστικών I-V παραπάνω.
Ανάλυση Zener
Η αστοχία προκαλείται από το φαινόμενο της βλάβης Zener, το οποίο συμβαίνει όταν η τάση πέσει κάτω από τα 5,5 βολτ. Θα μπορούσε επίσης να έχει επίδραση στον ιονισμό που συμβαίνει στα 5,5 Volt. Και οι δύο διαδικασίες παρέχουν τα ίδια αποτελέσματα και επομένως δεν απαιτούν ξεχωριστό κύκλωμα. Ωστόσο, ο συντελεστής θερμοκρασίας για κάθε διαδικασία είναι διαφορετικός. Ο συντελεστής θερμοκρασίας του φαινομένου Zener είναι αρνητικός, ενώ ο συντελεστής θερμοκρασίας του φαινομένου κρούσης είναι θετικός. Δεδομένου ότι τα δύο φαινόμενα θερμοκρασίας είναι σχεδόν ισοδύναμα, ακυρώνουν το ένα το άλλο. Εξαιτίας αυτού, οι δίοδοι Zener είναι οι πιο σταθερές σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασίας.
Ανάλυση χιονοστιβάδων
Το αντίστροφο ρεύμα κορεσμού είναι υπεύθυνο για τον μηχανισμό διάσπασης της χιονοστιβάδας. Η διασταύρωση PN αποτελείται από υλικά τύπου P και N. Στο σημείο όπου συναντώνται τα υλικά τύπου P και N, σχηματίζεται μια περιοχή εξάντλησης.
Τα υλικά τύπου P και N στη διασταύρωση PN δεν είναι ιδανικά και περιέχουν ακαθαρσίες, όπως ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου p και οπές στο υλικό τύπου N. Το πλάτος της περιοχής εξάντλησης ποικίλλει. Το πλάτος τους καθορίζεται από την προκατάληψη που δίνεται στους ακροδέκτες της περιοχής P και N.
Το ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος της ζώνης εξάντλησης αυξάνεται από την αντίστροφη πόλωση. Όταν ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο επικρατεί σε όλη την εξάντληση, η ταχύτητα του μειοψηφικού φορέα φορτίου αυξάνεται καθώς διασχίζει την περιοχή εξάντλησης. Αυτοί οι φορείς συγκρούονται με τα άτομα του κρυστάλλου. Ο φορέας φορτίου τραβά τα ηλεκτρόνια από το άτομο λόγω της ισχυρής σύγκρουσης.
Το ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών αυξάνεται ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών χωρίζονται γρήγορα και συνθλίβονται με τα άλλα άτομα στους κρυστάλλους καθώς προκαλούν το υψηλό ηλεκτρικό πεδίο. Η διαδικασία είναι σε εξέλιξη και καθώς το ηλεκτρικό πεδίο αυξάνεται, αρχίζει να ρέει αντίστροφο ρεύμα στη διασταύρωση PN. Το Avalanche Breakdown είναι το όνομα αυτής της διαδικασίας. Η διασταύρωση δεν μπορεί να επανέλθει στην προηγούμενη θέση της μετά τη βλάβη, επειδή η δίοδος έχει καεί εντελώς.
Συμπέρασμα
Η δίοδος Zener είναι μια συσκευή ημιαγωγών κατασκευασμένη από πυρίτιο που επιτρέπει στο ρεύμα να ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Όταν επιτευχθεί μια συγκεκριμένη τάση, η ειδική, υψηλής πρόσμιξης p-n διασταύρωση της διόδου έχει σχεδιαστεί για να οδηγεί προς την άλλη κατεύθυνση. Η δίοδος Zener έχει μια καλά καθορισμένη τάση αντίστροφης διάσπασης στην οποία αρχίζει να διεξάγει ρεύμα και μπορεί να λειτουργεί σε αντίστροφη πόλωσης λειτουργία επ' αόριστον χωρίς ζημιά. Επιπλέον, η πτώση τάσης στη δίοδο παραμένει σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων, καθιστώντας τις διόδους Zener ιδανικές για ρύθμιση τάσης.
