Tại sao độ dày của dây ảnh hưởng đến điện trở?

Một giáo viên giải thích tại sao bằng cách sử dụng một tương tự đường cao tốc. Bạn càng có nhiều làn đường, ô tô đi qua càng nhanh, trong đó số làn đường rõ ràng đại diện cho độ dày dây và những chiếc xe đại diện cho điện tử. Vừa đủ dễ.

Nhưng sau một thời điểm nhất định, dây có quá dày không, độ dày nào sau đó không ảnh hưởng đến điện trở? Ví dụ: nếu bạn có 100 ô tô đi xuống đường cao tốc, đường cao tốc 4 làn sẽ cho phép ô tô di chuyển nhanh hơn rất nhiều so với làn 1 làn, vì có ít xe hơn trên mỗi làn. Nhưng một đường cao tốc 1000 làn sẽ có hiệu quả tương đương với 10000 làn, bởi vì trên cả hai đường cao tốc, mỗi chiếc xe đều có làn đường riêng. Sau 100 làn, số làn không cung cấp lực cản.

Vậy tại sao không tăng độ dày dây luôn giảm sức đề kháng?

Sự tương tự xe hơi không phải là một điều tốt, vì các điện tử không thực sự chảy từ đầu dây này sang đầu dây khác (chúng cũng làm nhưng cực kỳ chậm) và nó ngụ ý có một khoảng trống giữa các ô tô, trong khi đó sẽ là giống như kẹt xe bất kể chiều rộng của đường cao tốc.
Nó giống như một dòng bóng bi-a và lực được áp dụng cho quả bóng thứ nhất và năng lượng được truyền đến quả bóng cuối cùng thông qua tất cả các quả bóng trung gian (hơi giống cái nôi của newton, mặc dù các quả bóng không thực sự va vào nhau ). Các electron tự do nảy xung quanh, đôi khi bị cản trở (xem bên dưới) với sự khác biệt tiềm năng gây ra độ nghiêng trung bình theo hướng của dòng điện.

Tương tự nước là tốt hơn - đường ống luôn đầy nước, và đối với cùng một bơm (pin), áp suất (điện áp) luôn thấp hơn đường ống rộng hơn, tương đương với lưu lượng lớn hơn và điện trở thấp hơn.

Trích dẫn này từ trang Wiki về điện trở suất giải thích hợp lý:

Trong kim loại - Một kim loại bao gồm một mạng các nguyên tử, mỗi nguyên tử có lớp vỏ điện tử bên ngoài tự do phân tách khỏi các nguyên tử mẹ của chúng và đi qua mạng tinh thể. Đây còn được gọi là một mạng ion dương. 4
"Biển" các electron hòa tan này cho phép kim loại dẫn dòng điện. Khi chênh lệch điện thế (một điện áp) được đặt trên kim loại, điện trường tạo ra sẽ khiến các electron di chuyển từ một đầu của dây dẫn sang đầu kia.
Gần nhiệt độ phòng, kim loại có điện trở. Nguyên nhân chính của điện trở này là chuyển động nhiệt của các ion. Điều này có tác dụng phân tán các electron (do sự giao thoa triệt tiêu của sóng điện tử tự do đối với các tiềm năng không tương quan của các ion) [cần dẫn nguồn]. Cũng góp phần vào tính kháng trong kim loại có tạp chất là sự không hoàn hảo dẫn đến mạng tinh thể. Trong kim loại nguyên chất, nguồn này không đáng kể [cần dẫn nguồn].
Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn càng lớn, càng nhiều electron trên mỗi đơn vị chiều dài có sẵn để mang dòng điện. Kết quả là điện trở thấp hơn trong các dây dẫn có tiết diện lớn hơn. Số lượng các sự kiện tán xạ gặp phải của một electron đi qua vật liệu tỷ lệ thuận với chiều dài của dây dẫn. Dây dẫn càng dài, do đó, điện trở càng cao. Vật liệu khác nhau cũng ảnh hưởng đến sức đề kháng.

Tôi sẽ tiếp cận câu hỏi của bạn theo một cách hơi khác để thử và cung cấp cho bạn một sự hiểu biết trực quan hơn một chút về lý do tại sao sự kháng cự đi xuống.

Trước tiên chúng ta hãy xem xét điện trở tương đương của một mạch đơn giản:

_{(nguồn: Electronics.dit.ie )}

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

Bạn có thể thấy phương trình này trong sách giáo khoa, nhưng bạn có thể tự hỏi "Nhưng bạn đã thêm nhiều điện trở hơn! Làm thế nào điều đó có thể làm cho điện trở đi xuống?".

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

Bây giờ phần này là thú vị, hãy xem điều gì xảy ra khi chúng ta sử dụng độ dẫn trong phương trình điện trở mạch song song.

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

Chúng ta thấy ở đây độ dẫn tăng khi bạn thêm song song nhiều điện trở và điện trở giảm! Mỗi điện trở có thể dẫn một lượng dòng điện nhất định. Khi bạn thêm một điện trở song song, bạn đang thêm một đường dẫn bổ sung mà dòng điện có thể chạy qua và mỗi điện trở đóng góp một lượng dẫn nhất định.

Khi bạn có một dây dày hơn, nó hoạt động hiệu quả như mạch song song này. Hãy tưởng tượng bạn có một sợi dây. Nó có độ dẫn nhất định và điện trở nhất định. Bây giờ hãy tưởng tượng bạn có một sợi dây bao gồm 20 sợi dây riêng lẻ và mỗi sợi dày như sợi dây đơn trước đây của bạn.

Nếu mỗi sợi có độ dẫn nhất định, có một dây có 20 sợi có nghĩa là độ dẫn của bạn bây giờ lớn hơn dây gấp 20 lần chỉ với 1 sợi. Tôi đang sử dụng các sợi vì nó giúp bạn thấy một dây dày hơn giống như có nhiều dây nhỏ hơn. Vì độ dẫn tăng, có nghĩa là điện trở giảm (vì nó là nghịch đảo của độ dẫn).

Quên tương tự đường cao tốc. Điện trở của dây phụ thuộc vào 3 thông số: độ dẫn điện của vật liệu mà dây được chế tạo, diện tích mặt cắt ngang và chiều dài của nó. Các vật liệu dẫn điện cao, chẳng hạn như đồng và bạc, được sử dụng để sản xuất dây để đạt được điện trở thấp. Dây càng dài thì điện trở càng lớn do đường đi dài hơn mà các electron phải chạy dọc để đi từ đầu này sang đầu kia. Diện tích mặt cắt càng lớn, điện trở càng thấp vì các electron có diện tích lớn hơn để chảy qua. Điều này sẽ tiếp tục áp dụng cho dù dây dày đến đâu. Dòng điện tử sẽ tự điều chỉnh theo độ dày của dây.

Điện không là gì ngoài dòng điện tử thông qua một vật liệu. Theo một cách nào đó, nó giống như một cái vòi trong vườn đã đầy nước. Khi nước bật (áp suất) tại vòi, áp suất đi qua vòi nhanh hơn nhiều so với bất kỳ phân tử nước cụ thể nào và nước bắt đầu chảy ra từ đầu xa gần như ngay lập tức. Một sợi dây chứa đầy các electron có thể di chuyển khi bạn áp dụng một chút lực điện động. Áp dụng một điện áp, và bạn không phải đợi các electron đầu tiên đi qua dây, chúng bắt đầu di chuyển ở đầu xa gần như ngay lập tức.

Bây giờ nghĩ về một mặt cắt ngang của dây. . . tưởng tượng vẽ một đường bao quanh dây, vuông góc với trục của dây. Bây giờ hãy tưởng tượng đếm số lượng electron đi qua dòng này, qua vòng tròn là tiết diện của dây. Đây là hiện tại, được đo bằng amps. Có một vài cách bạn có thể có cùng một hiện tại. Rất nhiều electron trôi chậm, hoặc ít electron hơn kéo theo && để có cùng số đi qua mặt cắt ngang của bạn mỗi giây và do đó có cùng dòng điện.

Làm thế nào để bạn thuyết phục họ di chuyển nhanh hơn? Áp dụng một suất điện động lớn hơn. Vì vậy, trong một dây có đường kính bằng một nửa, bạn sẽ có một phần tư diện tích mặt cắt ngang, nghĩa là một phần tư số lượng điện tử có sẵn trong bất kỳ chiều dài dây nào cho trước để truyền dòng của bạn mỗi giây. Bạn sẽ làm gì để có được dòng điện đó với ít electron hơn có sẵn để di chuyển? Bạn sẽ phải di chuyển chúng nhanh hơn để cùng một số có thể vượt qua mỗi giây bằng cách áp một điện áp cao hơn.

Ở đó bạn có nó: Một dây mỏng hơn đòi hỏi một điện áp cao hơn để mang cùng một dòng điện. Đó là khá nhiều định nghĩa của kháng chiến, kể từ đó V/I = R.

Bạn có biết tại sao tương tự xe hơi không hoạt động tốt? Ngay cả khi chúng ta không quan tâm đến khả năng các electron không thực sự di chuyển, bạn sẽ coi chúng là xe hơi nhưng không di chuyển theo đường thẳng! Họ di chuyển trong một con đường ngoằn ngoèo ngẫu nhiên. Vì thế; càng nhiều đường thì càng ít khả năng những chiếc xe sẽ va chạm ngay cả với đường đi ngoằn ngoèo.

Vì vậy, bạn mặc nhiên cho rằng các electron di chuyển theo các đường (sao) giống như ô tô, trong trường hợp đó, giả định của bạn rằng độ dày của dây sẽ không ảnh hưởng. Mặt khác, xem xét những chiếc xe di chuyển theo một đường không thẳng, giả thuyết giả định của bạn sẽ không phù hợp với kết luận của bạn.

Một giáo viên giải thích tại sao bằng cách sử dụng một tương tự đường cao tốc. Bạn càng có nhiều làn đường, ô tô đi qua càng nhanh, trong đó số làn đường rõ ràng đại diện cho độ dày dây và những chiếc xe đại diện cho điện tử. Vừa đủ dễ.

Những gì giáo viên nên nói là:

• Giả sử rằng ô tô đi với tốc độ không đổi và với khoảng cách không đổi trên làn đường cao tốc.
• Lượng phương tiện đi qua một điểm sẽ tỷ lệ thuận với số làn đường.
• Tăng số làn đường không làm tăng tốc độ của các phương tiện. (Không hoàn toàn đúng vì xe hơi được điều khiển bởi mọi người!)

Đây là một câu hỏi hay! - Đường cao tốc / xe hơi là một sự tương tự tuyệt vời

Trong sự tương tự này, bạn phải xem xét các yếu tố này.

Thiết kế của bạn sẽ có một yêu cầu về điện áp - trong mô hình của chúng tôi, điện áp là TỐC ĐỘ những chiếc xe cần đi.

Thiết kế sẽ có một yêu cầu cho hiện tại - đó là SỐ XE cần thiết để đi xuống đường cao tốc. (hoặc âm lượng)

Kích thước / điện trở dây là SỐ LƯỢNG.

Công suất, hoặc công suất, là sự kết hợp của cả hai dòng điện áp * hoặc số lượng ô tô đi trên đường cao tốc trong một thời gian nhất định.

Đường cao tốc phải được thiết kế để đáp ứng các thông số kỹ thuật cho cả tốc độ và âm lượng. Nếu bạn có một yêu cầu hiện tại rất nhỏ, giả sử, 1 ô tô, bạn sẽ chỉ cần một đường cao tốc một làn, bởi vì bạn có thể đi nhanh nhất có thể, (điện áp cao). Nhưng nếu bạn có yêu cầu cao hiện tại, 10.000 xe ô tô, bạn sẽ cần đường cao tốc 100 làn. (tùy thuộc vào yêu cầu năng lượng)

Nhưng lấy ví dụ, lưới điện - đường dây truyền tải cho thành phố 1 triệu dân. Đó là khoảng 300.000 hộ gia đình, mỗi hộ sử dụng 1 kw điện. Điều đó có nghĩa là dây chuyền của chúng tôi cần cung cấp 3 Gigawatt điện! Bạn có thể làm điều này với 1 V @ 3 giga-amps hoặc 3 GV @ 1 amp hoặc một cái gì đó ở giữa.

Điện áp / dòng điện nào sẽ được yêu cầu để làm cho đường truyền càng nhỏ càng tốt?