مقاومت ویژه: راز مواد در برابر جریان برق
مقاومت ویژه چیست؟
همه مواد در برابر عبور جریان الکتریکی مقداری مقاومت از خود نشان می‌دهند. اما این مقاومت فقط به شکل و اندازه جسم بستگی ندارد، بلکه به جنس ماده نیز وابسته است. این خاصیت ذاتی ماده است که مقاومت ویژه نامیده می‌شود. تصور کنید می‌خواهید آب را از داخل دو لوله با طول و قطر یکسان، اما یکی پلاستیکی و دیگری فلزی عبور دهید. قطعاً عبور آب از لوله فلزی راحت‌تر است زیرا سطح داخلی آن صاف‌تر و اصطکاک کمتری دارد. در دنیای الکتریسیته، الکترون‌ها نقش مولکول‌های آب را دارند و ماده، نقش جنس لوله را بازی می‌کند.
$R = \rho \frac{L}{A}$
که در آن: $L$ طول ماده و $A$ سطح مقطع آن است.
دسته‌بندی مواد بر اساس مقاومت ویژه
مواد را می‌توان بر اساس مقدار مقاومت ویژه‌شان به سه دسته اصلی تقسیم کرد: رساناها، نیمه‌رساناها و نارساناها (عایق‌ها). این دسته‌بندی به ما کمک می‌کند تا بدانیم از هر ماده در کجا استفاده کنیم.
| دسته ماده | مقاومت ویژه تقریبی (Ω.m) | مثال‌ها | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|
| رسانا | ۱۰-۸ تا ۱۰-۶ | مس، نقره، آلومینیوم | سیم‌کشی، انتقال برق |
| نیمه‌رسانا | ۱۰-۵ تا ۱۰۶ | سیلیسیم، ژرمانیم | ترانزیستور، رایانه، سلول خورشیدی |
| نارسانا (عایق) | ۱۰۸ تا ۱۰۱۶ | شیشه، لاستیک، پلاستیک | غلاف سیم، دسته عایق ابزار |
عوامل مؤثر بر مقاومت ویژه
مقاومت ویژه یک ماده ثابت مطلق نیست و تحت تأثیر عواملی تغییر می‌کند. دو عامل بسیار مهم، دما و ناخالصی هستند.
تأثیر دما: برای بیشتر رساناها، با افزایش دما، مقاومت ویژه افزایش می‌یابد. دلیل این است که اتم‌های ماده با انرژی بیشتر نوسان می‌کنند و مسیر حرکت الکترون‌ها را سد می‌کنند. برعکس، برای نیمه‌رساناها و عایق‌ها، افزایش دما معمولاً باعث کاهش مقاومت ویژه می‌شود، زیرا الکترون‌های بیشتری انرژی کافی برای شرکت در جریان برق پیدا می‌کنند.
تأثیر ناخالصی: افزودن مقدار کمی ناخالصی به یک ماده (مثلاً افزودن عناصر دیگر به فلزات) می‌تواند مقاومت ویژه آن را به شدت تغییر دهد. این اصل پایه ساخت آلیاژهاست. برای مثال، مس خالص رسانای بسیار خوبی است، اما وقتی با کمی قلع مخلوط می‌شود و برنز را می‌سازد، مقاومت ویژه آن افزایش می‌یابد و در عوض محکم‌تر می‌شود.
مقاومت ویژه در عمل: از فیوز تا صفحه‌لمس
مفهوم مقاومت ویژه تنها یک موضوع تئوری نیست، بلکه در بسیاری از وسایل اطراف ما به کار رفته است.
فیوز محافظ: فیوز یک سیم نازک با جنس خاص (مانند سرب-قلع) است که مقاومت ویژه نسبتاً بالایی دارد. وقتی جریان برق از حد مجاز بیشتر شود، این سیم بر اساس رابطه $P = I^2 R$ (توان برابر است با مجذور جریان ضربدر مقاومت) گرم شده و ذوب می‌شود. این کار مدار را قطع و از وسایل برقی در برابر آسیب محافظت می‌کند.
ترموستات و دماسنج: در بسیاری از ترموستات‌ها از یک نوار دوفلزی استفاده می‌شود. این نوار از دو فلز با ضرایب انبساط و مقاومت‌های ویژه مختلف به هم چسبیده تشکیل شده است. وقتی دما تغییر می‌کند، دو فلز به میزان متفاوتی منبسط یا منقبض می‌شوند و نوار خمیده می‌شود. این خمش یک کلید الکتریکی را روشن یا خاموش می‌کند تا دما را کنترل کند.
صفحه‌های لمسی مقاومتی: صفحه‌های لمسی ساده (مثلاً در برخی دستگاه‌های صنعتی یا کیوسک‌ها) از دو لایه شفاف با پوشش مقاومتی ساخته شده‌اند. وقتی شما صفحه را لمس می‌کنید، این دو لایه به هم وصل می‌شوند. مدار، مکان لمس را با اندازه‌گیری تغییر در مقاومت در نقاط مختلف صفحه تشخیص می‌دهد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. مقاومت الکتریکی ($R$) یک خاصیت برای یک شیء کامل است (مانند یک سیم مسی خاص) و به طول و سطح مقطع آن بستگی دارد. اما مقاومت ویژه ($\rho$) یک خاصیت ذاتی برای جنس ماده است و مستقل از شکل و ابعاد جسم می‌باشد.
اگرچه طلا رسانای بهتری است، اما بسیار گران‌قیمت و نرم است. استحکام مکانیکی آن برای استفاده در سیم‌های بلند و تحت کشش کافی نیست. بنابراین مس و آلومینیوم به دلیل ترکیب خوبی از رسانایی، استحکام و قیمت مناسب، گزینه‌های بهتری هستند.
خیر. ابررساناها مواد خاصی هستند که در دماهای بسیار پایین (نزدیک به -273 درجه سانتی‌گراد) مقاومت ویژه آنها دقیقاً صفر می‌شود. این یعنی جریان الکتریکی می‌تواند برای همیشه و بدون از دست دادن انرژی در آنها جریان یابد.
پاورقی
۱ مقاومت ویژه (Resistivity) - ۲ قانون اهم (Ohm's Law) - ۳ رسانا (Conductor) - ۴ نارسانا (Insulator) - ۵ فیوز (Fuse) - ۶ آلیاژ (Alloy)