ทำไมความหนาของเส้นลวดจึงมีผลต่อความต้านทาน

ครูอธิบายว่าทำไมโดยใช้การเปรียบเทียบทางหลวง ยิ่งคุณมีช่องทางมากเท่าไหร่รถก็จะยิ่งแล่นเร็วขึ้นเท่านั้นซึ่งจำนวนช่องทางที่แน่นอนแสดงถึงความหนาของเส้นลวดและรถยนต์เป็นตัวแทนของอิเล็กตรอน ง่ายพอสมควร

แต่หลังจากจุดหนึ่งเส้นลวดไม่ควรหนาจนความหนาหลังจากนั้นไม่ส่งผลต่อความต้านทาน ตัวอย่างเช่นหากคุณมีรถยนต์ 100 คันที่ลงทางหลวงทางหลวง 4 เลนจะอนุญาตให้รถเคลื่อนที่เร็วกว่าเลนเดียว 1 เลนเนื่องจากมีรถยนต์ต่อเลนน้อยกว่า แต่ทางหลวงทางหลวง 1,000 เลนจะมีประสิทธิภาพเท่ากับ 10,000 เลนเพราะทั้งสองทางหลวงทุกคันมีเลนของตัวเอง หลังจาก 100 เลนจำนวนเลนไม่ได้ให้ความต้านทาน

เหตุใดการเพิ่มความหนาของเส้นลวดจึงลดความต้านทานเสมอ

การเปรียบเทียบรถยนต์ไม่ใช่สิ่งที่ดีนักเนื่องจากอิเล็กตรอนไม่ได้ไหลจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง (ดีมาก แต่ช้ามาก) และมันบอกว่ามีช่องว่างระหว่างรถในขณะที่มันจะเป็น เหมือนรถติดอะไรก็ตามที่ความกว้างของทางหลวง
มันเหมือนกับแนวลูกบิลเลียดและแรงถูกนำไปใช้กับลูกบอลแรกและพลังงานจะถูกส่งผ่านไปยังลูกบอลสุดท้ายผ่านลูกบอลกลางทั้งหมด (เล็กน้อยเหมือนเปลนิวตัน) แม้ว่าลูกบอลจะไม่กระโจนเข้าหากัน ) อิเล็กตรอนอิสระเด้งไปรอบ ๆ บางครั้งถูกกีดขวาง (ดูด้านล่าง) ด้วยความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นทำให้เกิดความโน้มเอียงโดยเฉลี่ยต่อทิศทางของกระแส

การเปรียบเทียบน้ำจะดีกว่า - ท่อเต็มไปด้วยน้ำเสมอและสำหรับปั๊มเดียวกัน (แบตเตอรี่) ความดัน (แรงดันไฟฟ้า) จะต่ำกว่าท่อที่กว้างกว่าเสมอซึ่งเท่ากับการไหลที่มากขึ้นและความต้านทานที่ลดลง

ข้อความนี้จากหน้า Wiki เกี่ยวกับสภาพต้านทานอธิบายได้ดี:

In Metals - โลหะประกอบไปด้วยอะตอมของอะตอมแต่ละอันมีเปลือกนอกของอิเล็กตรอนซึ่งแยกตัวออกจากอะตอมของตัวเองอย่างอิสระและเดินทางผ่านตาข่าย นี่เป็นที่รู้จักกันในชื่อไอออนิกตาข่าย 4
'ทะเล' ของอิเล็กตรอนที่ไม่สามารถแยกออกได้นี้ช่วยให้โลหะสามารถนำกระแสไฟฟ้า เมื่อความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) ถูกนำไปใช้กับโลหะสนามไฟฟ้าผลลัพธ์จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากปลายด้านหนึ่งของตัวนำไปยังอีกด้านหนึ่ง
ใกล้อุณหภูมิห้องโลหะมีความต้านทาน สาเหตุหลักของความต้านทานนี้คือการเคลื่อนที่ของไอออน สิ่งนี้ทำหน้าที่กระจายอิเล็กตรอน (เนื่องจากการรบกวนการทำลายของคลื่นอิเล็กตรอนอิสระในศักยภาพของไอออนที่ไม่มีสหสัมพันธ์) นอกจากนี้ยังมีส่วนช่วยในการต้านทานโลหะที่มีสิ่งสกปรกซึ่งเป็นผลมาจากความไม่สมบูรณ์ของตาข่าย ในโลหะบริสุทธิ์แหล่งที่มานี้มีขนาดเล็กมาก
ยิ่งพื้นที่หน้าตัดของตัวนำมีขนาดใหญ่เท่าไรอิเล็กตรอนจะมีความยาวมากขึ้นต่อความยาวหน่วย เป็นผลให้ความต้านทานต่ำกว่าในตัวนำที่มีขนาดใหญ่กว่าหน้าตัด จำนวนการกระเจิงของอิเล็กตรอนที่ผ่านวัตถุนั้นจะแปรผันตามความยาวของตัวนำ ตัวนำยิ่งยาวขึ้นเท่าใดความต้านทานก็จะสูงขึ้น วัสดุที่แตกต่างกันยังส่งผลกระทบต่อความต้านทาน

ฉันจะถามคำถามของคุณด้วยวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อลองและให้ความเข้าใจที่เข้าใจได้ง่ายขึ้นว่าทำไมความต้านทานลดลง

ก่อนอื่นมาพิจารณาความต้านทานเทียบเท่าของวงจรง่ายๆ:

_{(ที่มา: electronics.dit.ie )}

$\frac{1}{R_{Total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} ... \frac{1}{R_n}$

คุณสามารถเห็นสมการนี้ในตำราเรียน แต่คุณอาจสงสัยว่า "แต่คุณเพิ่มตัวต้านทานมากขึ้น! มันจะทำให้ความต้านทานลดลงได้อย่างไร"

$G = \frac{1}{R}$$G$$R$

ตอนนี้ส่วนนี้น่าสนใจดูว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราใช้สื่อกระแสไฟฟ้าในสมการความต้านทานวงจรขนาน

$Conductance = G_{Total} = G_1 + G_2 + G_3 .. G_n = \frac{1}{R_{Total}}= \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} ... \frac{1}{R_n}$

เราเห็นที่นี่ว่าค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเมื่อคุณเพิ่มตัวต้านทานแบบขนานและความต้านทานลดลง! ตัวต้านทานแต่ละตัวสามารถทำกระแสได้จำนวนหนึ่ง เมื่อคุณเพิ่มตัวต้านทานแบบขนานคุณกำลังเพิ่มเส้นทางเพิ่มเติมที่กระแสสามารถไหลได้และตัวต้านทานแต่ละตัวจะช่วยนำกระแสไฟฟ้าจำนวนหนึ่ง

เมื่อคุณมีลวดที่หนาขึ้นมันจะทำหน้าที่เหมือนวงจรขนานนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลองนึกภาพคุณมีสายลวดเส้นเดียว มันมีสื่อกระแสไฟฟ้าบางอย่างและความต้านทานบางอย่าง ทีนี้ลองนึกว่าคุณมีสายที่ประกอบด้วยเส้นแต่ละเส้น 20 เส้นและแต่ละเส้นมีความหนาเท่ากับเส้นเดี่ยวเส้นก่อนหน้าของคุณ

หากแต่ละเส้นมีค่านำไฟฟ้าที่แน่นอนการมีเส้นลวดที่มี 20 เส้นหมายความว่าค่านำไฟฟ้าของคุณตอนนี้มีขนาดใหญ่กว่าเส้นลวด 20 เท่าโดยมีเพียง 1 เส้นเท่านั้น ฉันกำลังใช้เส้นเพราะมันช่วยให้คุณเห็นว่าเส้นลวดที่หนากว่านั้นเหมือนกับสายที่เล็กกว่าหลายเส้นอย่างไร เมื่อสื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นก็หมายถึงความต้านทานลดลง (เนื่องจากเป็นค่าอินเวอร์สของตัวนำ)

ลืมการเปรียบเทียบทางหลวง ความต้านทานของเส้นลวดขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ 3 ตัวคือค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุที่เกิดขึ้นในพื้นที่หน้าตัดและความยาว วัสดุที่นำไฟฟ้าสูงเช่นทองแดงและเงินถูกนำมาใช้ในการผลิตลวดเพื่อให้ได้ความต้านทานต่ำ ลวดที่ยาวกว่าคือความต้านทานที่มากขึ้นเนื่องจากมีเส้นทางที่ยาวกว่าที่อิเล็กตรอนจะต้องไหลไปตามเพื่อรับจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง พื้นที่หน้าตัดที่ใหญ่กว่าความต้านทานต่ำลงเนื่องจากอิเล็กตรอนมีพื้นที่ใหญ่กว่าที่จะไหลผ่าน สิ่งนี้จะใช้งานต่อไปไม่ว่าลวดจะหนาแค่ไหน การไหลของอิเล็กตรอนจะปรับตัวเองตามความหนาของเส้นลวด

ไฟฟ้าไม่ได้เป็นอะไรนอกจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านวัสดุ ในทางเดียวมันเหมือนสายสวนที่เต็มไปด้วยน้ำแล้ว เมื่อน้ำเปิด (กดใช้แรงดัน) ที่ก๊อกน้ำแรงดันจะไหลผ่านท่อเร็วกว่าโมเลกุลน้ำใด ๆ และน้ำจะเริ่มไหลจากปลายสุดไปเกือบจะในทันที ลวดนั้นจะเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้เมื่อคุณใช้แรงเคลื่อนไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ใช้แรงดันไฟฟ้าและคุณไม่ต้องรออิเล็กตรอนตัวแรกในการเคลื่อนที่ของลวดพวกมันจะเริ่มเคลื่อนที่ที่ปลายสุดไปเกือบจะในทันที

ทีนี้ลองนึกถึงภาพตัดขวางของเส้นลวด . . ลองนึกภาพการลากเส้นรอบ ๆ เส้นลวดตั้งฉากกับแนวของเส้นลวด ทีนี้ลองนึกภาพการนับจำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านเส้นนี้ผ่านวงกลมที่เป็นส่วนตัดของลวด นี่คือกระแสที่วัดได้เป็นแอมป์ มีสองวิธีที่คุณสามารถมีกระแสเดียวกัน อิเล็กตรอนจำนวนมากลอยอย่างช้าๆโดยมีอิเล็กตรอนน้อยลงลาก && เพื่อให้ได้ตัวเลขเท่ากันผ่านส่วนตัดขวางของคุณต่อวินาทีและด้วยเหตุนี้กระแสเดียวกัน

คุณจะโน้มน้าวให้พวกเขาเคลื่อนไหวเร็วขึ้นได้อย่างไร? ใช้แรงเคลื่อนไฟฟ้ามากขึ้น ดังนั้นในเส้นลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่งคุณจะมีพื้นที่ตัดขวางหนึ่งในสี่ซึ่งหมายความว่าหนึ่งในสี่ของจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในความยาวของเส้นลวดใด ๆ ที่กำหนดให้ผ่านเส้นต่อวินาทีของคุณ จะทำอย่างไรเพื่อให้กระแสมีอิเลคตรอนที่พร้อมเคลื่อนไหวน้อยลง? คุณจะต้องเคลื่อนที่เร็วขึ้นเพื่อให้หมายเลขเดียวกันสามารถผ่านต่อวินาทีโดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น

ที่นั่นคุณมี: เส้นลวดทินเนอร์ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเพื่อดำเนินการกระแสเดียวกัน V/I = Rที่สวยมากความหมายของความต้านทานตั้งแต่

คุณรู้หรือไม่ว่าทำไมการเปรียบเทียบรถยนต์จึงใช้งานไม่ได้ แม้ว่าเราจะไม่สนใจความเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนจะไม่เคลื่อนไหวจริง ๆ แต่คุณก็จะได้สิ่งเหล่านั้นเป็นรถยนต์อีกครั้ง แต่ไม่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรง! พวกมันเคลื่อนที่ในเส้นทางซิกแซกแบบสุ่ม ดังนั้น; ความเป็นไปได้ที่น้อยลงที่รถจะชนกันมากขึ้นแม้จะเป็นเส้นทางซิกแซก

ดังนั้นคุณจึงสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในเลนสตาร์ไลท์ (เส้น) เช่นเดียวกับรถยนต์ซึ่งในกรณีนี้สมมติฐานของคุณว่าความหนาของเส้นลวดจะไม่ส่งผลกระทบ ในทางกลับกันเมื่อพิจารณาว่ารถยนต์เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงสมมุติฐานที่คุณสันนิษฐานไว้จะไม่ตรงกับข้อสรุปของคุณ

ครูอธิบายว่าทำไมโดยใช้การเปรียบเทียบทางหลวง ยิ่งคุณมีช่องทางมากเท่าไหร่รถก็จะยิ่งแล่นเร็วขึ้นเท่านั้นซึ่งจำนวนช่องทางที่แน่นอนแสดงถึงความหนาของเส้นลวดและรถยนต์เป็นตัวแทนของอิเล็กตรอน ง่ายพอสมควร

สิ่งที่ครูควรพูดคือ:

• สมมติว่ารถยนต์เดินทางด้วยความเร็วคงที่และมีระยะห่างคงที่บนเลนทางหลวง
• ปริมาณของยานพาหนะที่ผ่านจุดหนึ่งจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนเลน
• การเพิ่มจำนวนเลนไม่เพิ่มความเร็วของยานพาหนะ (ไม่จริงเลยเพราะรถยนต์ขับเคลื่อนโดยผู้คน!)

นี่เป็นคำถามที่ยอดเยี่ยม! - ทางหลวง / รถเปรียบได้ดี

ในการเปรียบเทียบนี้คุณต้องพิจารณาปัจจัยเหล่านี้

การออกแบบของคุณจะมีข้อกำหนดสำหรับแรงดันไฟฟ้า - ในรุ่นของเราแรงดันไฟฟ้าคือความเร็วที่รถยนต์จำเป็นต้องเดินทาง

การออกแบบจะมีข้อกำหนดสำหรับกระแส - คือจำนวนรถยนต์ที่จำเป็นในการเดินทางลงทางหลวง (หรือระดับเสียง)

ขนาด / ความต้านทานของสายไฟคือ NUMBER OF LANES

วัตต์หรือกำลังไฟเป็นการรวมกันของแรงดันไฟฟ้า * ทั้งสองหรือจำนวนรถยนต์ที่เดินทางไปตามทางหลวงในเวลาที่กำหนด

ทางหลวงต้องได้รับการออกแบบให้ตรงตามข้อกำหนดสำหรับทั้งความเร็วและปริมาณ หากคุณมีความต้องการกระแสไฟฟ้าน้อยมากเช่นรถยนต์ 1 คันคุณจะต้องใช้ทางหลวงเลนเดียวเพราะคุณสามารถเดินทางได้เร็วที่สุด (แรงดันสูง) แต่ถ้าคุณมีความต้องการกระแสสูง 10,000 คันคุณจะต้องใช้ทางหลวง 100 เลน (ขึ้นอยู่กับความต้องการพลังงาน)

แต่ยกตัวอย่างเช่นกริดไฟฟ้า - สายส่งสำหรับเมืองที่มีประชากร 1 ล้านคน นั่นคือประมาณ 300,000 ครัวเรือนแต่ละแห่งใช้พลังงาน 1 กิโลวัตต์ นั่นหมายความว่าสายการผลิตของเราจำเป็นต้องส่งมอบพลังงาน 3 กิกะวัตต์! คุณสามารถทำได้ด้วย 1 V @ 3 giga-amps หรือ 3 GV @ 1 แอมป์หรืออะไรทำนองนั้น

แรงดันไฟฟ้า / กระแสไฟฟ้าใดที่จำเป็นในการทำให้สายส่งมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้?