Opór właściwy w odniesieniu do rezystancji i właściwości materiałów

Opór właściwy przewodnika to wielkość niezależną od kształtu i rozmiarów geometrycznych przewodnika. Charakteryzuje ona sam materiał. Czyli czym on właściwie jest? Aby do tego przejść rozpocznę naszą podróż od elektrotechniki. Rezystancję, inaczej opór elektryczny określamy jako stosunek napięcia do natężenia prądu. Jest to niezwykle przydatna wielkość fizyczna, sprawdzająca się w wielu przypadkach. Jakie są czynniki, które na nią wpływają? To oraz inne jej aspekty poruszymy w tym artykule.

Opór właściwy a prawo Ohma

Zacznijmy od prawa Ohma. Była to pierwsza matematyczna zależność opisująca prąd elektryczny. Mimo że nie sprawdza się ono we wszystkich przypadkach, ze względów historycznych nazywamy je tak. Kiedy zatem element obwodu spełnia prawo Ohma? Wtedy, gdy jego opór jest niezależny zarówno od wartości, jak i kierunku przyłożonego napięcia. Dla każdego materiału to prawo jest spełnione w określonym zakresie natężenia pola elektrycznego. Oznacza to więc, że gdy przyłożymy odpowiednio duże pole, to tak czy siak, elementy obwodu przestaną spełniać to prawo.

A dlaczego pewne elementy spełniają prawo Ohma? Tu trzeba odnieść się do budowy substancji. Jak wiadomo, przewodzenie prądu w metalach zachodzi dzięki elektronom swobodnym. Można założyć, że w materiale poruszają się z jednakową prędkością, praktycznie niezależną od temperatury, oraz że zderzają się wyłącznie ze sobą. Pod wpływem pola elektrycznego, elektrony zaczynają się poruszać szybciej, a co za tym idzie -szybciej się zderzać. Jeśli uda nam się zauważyć, że w danym materiale czas między zderzeniami elektronów jest równy, to znaczy, że dany materiał spełnia prawo Ohma. Tak dzieje się w przypadku wcześniej wspomnianych metali oraz elementów ceramicznych.

Opór właściwy – charakterystyka i wpływ na właściwości materiałów

Przyjrzyjmy się teraz tej oporowi właściwemu. Oznaczamy go grecką literą ρ (rho). Jest wartość charakterystyczna dla każdej substancji, w szczególności przewodnika. Co to znaczy? To znaczy, że próbując przyłożyć to samo napięcie do metalowego drucika czy szklanej pałki, przepłynie przez nie prąd o innym natężeniu. Co jeszcze wpłynie na natężenie? Kolejnym istotnym czynnikiem jest temperatura. Wzrost (lub spadek) oporu właściwego jest wprost proporcjonalny do różnicy temperatury otoczenia i temperatury odniesienia, za którą zazwyczaj przyjmujemy 293 K (20 st. Celsiusza).

Ze względu na wartość oporu właściwego mogliśmy podzielić materiały na izolatory, przewodniki oraz półprzewodniki. Te ostatnie stanowią podstawę działania obecnych urządzeń elektronicznych. Jak to się dzieje, że w tych materiałach przewodzony jest prąd? W metalach mieliśmy do dyspozycji słabo związane elektrony, które pod wpływem pola elektrycznego bądź ciepła odrywały się, tworząc elektrony swobodne i zaczynały się poruszać wzdłuż przewodnika.

A co z dielektrykami i półprzewodnikami? Tu również potrzeba dostarczyć energię do oderwania elektronów. Niemniej jednak, w izolatorach wartość potrzebnej energii jest tak duża, że ani nie może być to energia cieplna, ani prąd o umiarkowanym natężeniu. Zatem nie da się w żaden sposób „zmusić” izolatora do przewodzenia elektryczności. Inaczej jest w przypadku półprzewodników. Aby uwolnić z nich elektrony, potrzebna jest mniejsza energia. Należy też zauważyć, że w większości półprzewodnikami nie są materiały czyste, lecz z domieszką innych pierwiastków. Dlaczego? Domieszkowanie obniża bowiem opór właściwy materiału. W ten sposób, z czystego krzemu, który jest izolatorem, otrzymujemy całkiem przydatny półprzewodnik. Poprzez odpowiedni wybór domieszki możemy zdecydować o tym, czy uwalniane będą dodatnie, czy ujemne nośniki ładunków, a także, przy kontrolowanym dodawaniu substancji możemy wybrać, gdzie skoncentrują się ładunki elektryczne.

Czy możliwy jest bezstratny przepływ prądu?

Czy istnieją materiały, przez które przepływ prądu nie powodowałby strat energii? Nadzieja, że odpowiemy twierdząco na to pytanie, tli się od 1911 r., kiedy to odkryto zjawisko nadprzewodnictwa w rtęci schłodzonej do temperatury 4 K (-269,15 st. Celsiusza) Jest to zjawisko, dla którego jak na razie szukamy uniwersalnego wyjaśnienia. Kiedy zachodzi ono w bardzo niskich temperaturach, możemy założyć, że jest wynikiem poruszania się elektronów w parach. Jeden elektron z pary miałby tymczasowo wytwarzać ładunek dodatni, który z kolei przyciągałby drugi elektron. To miałoby zabezpieczać ujemne cząstki przed zderzaniem się ze sobą, czyli redukować opór elektryczny do minimum. Nie sprawdza się to jednak dla znanych od lat 80. ubiegłego wieku materiałów, które wykazują nadprzewodnictwo także w wyższych temperaturach.

Wpływ oporu właściwego na katastrofę Hindenburga

Jak istotny jest opór właściwy substancji, mogliśmy się przekonać w 1937 r., kiedy to doszło do katastrofy sterowca Hindenburg LZ-129 z 97 osobami na pokładzie. Jak do tego doszło? Dzień, w którym odbył się lot, był burzowy. Kiedy maszyna już szykowała się do lądowania, zrzucono na ziemię liny cumownicze, które zmokły, a co za tym idzie, mogły przewodzić prąd. Nie byłoby w tym nic złego, gdyby zarówno podstawa sterowca, jak I jego powłoka zostały uziemione.

Niestety, zewnętrze urządzenia pokryto materiałem o wysokim oporze właściwym, co spowodowało, że miała potencjał elektryczny atmosfery. Z uwagi na burzę, ten potencjał był szczególnie wysoki w porównaniu z ziemią. Podczas poruszania linami cumowniczymi najprawdopodobniej została uszkodzona komora wodorowa, wskutek czego ten gaz zaczął się wydostawać na zewnątrz. Do nieszczęścia brakowało już tylko iskry. Ta rzeczywiście popłynęła, powodując zapalenie się wodoru. Pożar błyskawicznie objął cały sterowiec, powodując jego upadek. Współcześnie mamy już pełną świadomość jak ważną kwestią jest opór właściwy materiałów, z których powstają samoloty czy inne statki powietrzne.