مقاومت الکتریکی: سد راه جریان برق
مقاومت الکتریکی چیست و چرا به وجود میآید؟
تصور کنید میخواهید با دوچرخه از یک جادهی آسفالت صاف و یک جادهی شنی حرکت کنید. حرکت در جادهی شنی سختتر است زیرا شنها مانند موانعی عمل میکنند. در دنیای برق، الکترونها (بارهای الکتریکی) هنگام حرکت در یک مادهی رسانا مانند سیم مسی، با اتمها و ناخالصیهای داخل ماده برخورد میکنند. این برخوردها باعث میشود حرکت الکترونها با مشکل مواجه شود و بخشی از انرژی حرکتی آنها به انرژی گرمایی تبدیل گردد. به این ویژگی ماده که با حرکت جریان الکتریکی مخالفت میکند، مقاومت الکتریکی میگویند.
هر وسیلهی الکتریکی که روشن میکنید، مانند سشوار، بخاری برقی یا حتی شارژر موبایل، دارای مقاومت است. این مقاومت مفید است! زیرا اگر نبود، جریان به راحتی و بدون کنترل از سیمها عبور میکرد و باعث داغ شدن بیش از حد، آتشسوزی یا سوختن وسایل میشد. پس مقاومت هم یک مانع است و هم یک ابزار کنترل.
چه عواملی مقدار مقاومت را تعیین میکنند؟
مقدار مقاومت یک جسم به چهار عامل اصلی بستگی دارد. برای درک بهتر، سیم برق را مانند یک تونل در نظر بگیرید که الکترونها باید از آن عبور کنند.
| عامل | تأثیر بر مقاومت | مثال ملموس |
|---|---|---|
| جنس ماده (مقاومت ویژه6) | مهمترین عامل. موادی مانند لاستیک و چوب مقاومت بسیار بالا (نارسانا) و موادی مانند مس و نقره مقاومت بسیار پایینی دارند. | روکش پلاستیکی سیم (عایق) در مقابل رشتهی مسی داخل آن (رسانا). |
| طول جسم | مقاومت با افزایش طول، افزایش مییابد. (رابطه مستقیم) | عبور از یک تونل 100 متری سختتر از یک تونل 10 متری است. |
| سطح مقطع (ضخامت) | مقاومت با افزایش سطح مقطع، کاهش مییابد. (رابطه معکوس) | عبور از یک بزرگراه ۶ بانچه آسانتر از یک کوچهی باریک است. |
| دما | در بیشتر رساناها (مانند فلزات)، با افزایش دما، مقاومت افزایش مییابد. | وقتی فیلامان لامپ رشتهای داغ میشود، مقاومت آن بالا رفته و نور تولید میکند. |
مقاومت در خدمت ما: از لامپ تا تنظیم دما
مهندسان با کنترل عوامل مؤثر بر مقاومت، وسایل کاربردی بسیاری میسازند. در اینجا به دو مثال مهم اشاره میکنیم:
۱. لامپ رشتهای (معمولی): رشتهی نازک تنگستن داخل لامپ، مقاومت بسیار بالایی دارد. وقتی جریان از آن عبور میکند، این مقاومت باعث میشود رشته به شدت داغ (2500 درجه سانتیگراد!) شده و نور سفید از خود ساطع کند. این یک مثال عالی از تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نورانی و گرمایی توسط مقاومت است.
۲. ترموستات برقی سماور یا اتو: در بسیاری از این وسایل یک قطعه به نام «آلومین» وجود دارد. این قطعه از دو فلز مختلف به هم چسبیده ساخته شده که هر کدام ضریب انبساط و مقاومت متفاوتی دارند. با گرم شدن، یکی از فلزات بیشتر منبسط میشود و باعث خم شدن نوار دو فلزی میشود. این خم شدن مانند یک کلید عمل کرده، جریان را قطع یا وصل میکند و دمای وسیله را در حد معینی ثابت نگه میدارد. اینجا هم مقاومت و تغییرات آن با دما نقش اصلی را بازی میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، اما فقط در دمای بسیار پایین (صدها درجه زیر صفر). در این حالت الکترونها بدون هیچ برخوردی حرکت میکنند. استفاده از آنها در زندگی عادی فعلا بسیار پرهزینه است، ولی در دستگاههای پیشرفته مانند MRI بیمارستانها کاربرد دارند.
پاسخ: این سیمها بسیار طولانی هستند. طبق جدول عوامل، افزایش طول باعث زیاد شدن مقاومت میشود. برای جبران این افزایش مقاومت و جلوگیری از اتلاف انرژی، مهندسان سطح مقطع سیمها را بسیار بزرگ (ضخیم) میسازند تا مقاومت کل پایین بماند و برق با تلفات کمتری منتقل شود.
پاسخ: با وصل کردن چند وسیله، تقاضا برای جریان الکتریکی افزایش مییابد. از آنجایی که ولتاژ ثابت است، طبق قانون اهم، جریان بیشتری باید از همان سیم با مقاومت ثابت عبور کند. عبور جریان بیشتر از سیم، باعث تولید گرمای بیشتر ($حرارت \propto I^2 \times R$) میشود. این کار خطرناک است و ممکن است به آتشسوزی منجر شود.
پاورقی
1 مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance)
2 اهم (Ohm) - واحد اندازهگیری مقاومت، با نماد $\Omega$.
3 قانون اهم (Ohm's Law)
4 ولتاژ (Voltage) - نیروی محرکهی الکتریکی که باعث حرکت بارها میشود.
5 جریان (Current) - مقدار بار الکتریکی که در واحد زمان از مقطع جسم میگذرد.
6 مقاومت ویژه (Resistivity) - مقدار مقاومت ذاتی یک مادهی خالص.
7 ابررسانا (Superconductor) - مادهای که در دمای خاصی مقاومت الکتریکی آن صفر میشود.
