با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده، به مبحث مقاومت الکتریکی بپردازیم. مقاومت الکتریکی موضوعی مشترک برای دانش‌آموزان رشته‌های فنی و حرفه ای نظیر الکترونیک، الکتروتکنیک و کتاب فیزیک ۲ (یازدهم) رشته‌های ریاضی و تجربی است.
فهرست مطالب این نوشته
مقاومت الکتریکی
مقاومت یکی از قطعات الکترونیکی است که در اکثر مدارات کاربرد دارد. شامل ۲ پایه فلزی است و در رنگ‌ها و اندازه‌های مختلف ساخته می‌شود. اما کاربرد مقاومت الکتریکی چیست؟
یکی از کاربرد‌های مقاومت‌ها، کاهش جریان الکتریکی است. یعنی هنگامی که جریانی از مقاومت عبور می‌کند، مقاومت از شدت آن می‌کاهد. حتما تا بحال در مورد قانون اهم مطالعه کرده‌اید، طبق این قانون هنگامی که جریان الکتریکی از مقاومتی عبور می‌کند، اختلاف پتانسیلی بین دو سر مقاومت ایجاد می‌شود:
\(R = \frac{V}{I}\)
از لحاظ عددی، مقدار مقاومت با توجه به قانون اهم، برابر تقسیم عدد اختلاف پتانسیل بر عدد شدت جریان است. اگر بخواهیم از لحاظ فیزیکی مفهوم مقاومت را تعریف کنیم، باید به ساختار فیزیکی مقاومت نگاه کنیم. مقاومت الکتریکی صرفا به ساختار مقاومت ارتباط دارد. یعنی مقدار ولتاژ و جریان، مقدار مقاومت را ایجاد نمی‌کنند.
ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که چه عوامل فیزیکی بر تعیین مقاومت الکتریکی موثر هستند؟
در پاسخ به این سوال می‌توان گفت که تنها پارامترهای طول مقاومت، سطح مقطع و مقاومت ویژه (با توجه به جنس مقاومت) در تعیین مقدار مقاومت الکتریکی موثر هستند.
در سیستم SI، هر کمیتی دارای یکا خاص خودش است. واحد اندازه گیری مقاومت الکتریکی، اهم با نماد (Ω) است. دلیل این نام گذاری به دلیل فعالیت‌های برجسته آقای جرج سیمون اهم است. با توجه به رابطه \(R = \frac{V}{I}\) یک اهم معادل تقسیم یک ولت بر یک آمپر است.
مقاومت معادل
مقاومت معادل، یعنی مقاومتی که می‌توان آن را جایگزین مجموعه مقاومت‌های قرار گرفته در مدار کرد، به طوری که در شدت جریان مدار تغییری ایجاد نشود. یعنی مقاومتی که اگر تمام مقاومت های مدار را باز کنیم و به جای آنها مقاومت معادل را بگذاریم، انگار نه انگار!
مقاومت سری
برای محاسبه مقاومت معادل باید از قوانین KVL استفاده کنیم. ابتدا به سراغ محاسبه مقاومت معادل مدار سری می‌رویم. مدار شکل زیر را در نظر بگیرید که دارای ۳ مقاومت به صورت اتصال سری قرار گرفته‌اند.
می دانیم که در مدار سری، شدت جریان در تمام نقاط مدار یکسان است. حال به نوشتن معادلات مدار می‌پردازیم:
\(VS = V_{1} + V_{2} + V_{3} \)
حال به باز کردن فرمول \(R = \frac{V}{I}\) می‌پردازیم:
نکته: جریان در تمام مدار برابر i است.
\(VS = IR_{1} + IR_{2} + IR_{3} \)
حال به جای ولتاژ منبع، عبارت مقاومت معادل ضرب در جریان منبع را جایگزین می‌کنیم:
\(IR_{T} = IR_{1} + IR_{2} + IR_{3}\)
با خط زدن جریان‌ها از دو طرف معادله، عبارت زیر به عنوان مقاومت معادل مدار سری به وجود می‌آید:
\(R_{T} = R_{1} + R_{2} + R_{3}\)
بدیهی است که هر چقدر مقاومت سری در مدار داشته باشیم، در نهایت برای بدست آوردن مقاومت معادل، باید همه آنها را با هم جمع کنیم.
مقاومت موازی
حال برای به دست آوردن مقاومت معادل در حالت موازی، مدار شکل زیر را در نظر بگیرید:
می‌دانیم که در مدارات موازی، ولتاژ دو سر تمام مقاومت‌ها با یکدیگر برابر است. در واقع منبع تغذیه با مقاومت‌ها به صورت موازی بسته شده است، پس تمام مقاومت‌ها ولتاژی برابر با ولتاژ منبع تغذیه دارند.
از طرفی در مدارات موازی، جریان در شاخع اصلی برابر با مجموع جریان در شاخه‌های دیگر است:
\(\frac{V_{S}}{R_{T}} = \frac{V_{1}}{R_{1}} + \frac{V_{2}}{R_{2}} + \frac{V_{3}}{R_{3}}\)
با توجه به اینکه ولتاژ منبع با ولتاژ تمام مقاومت‌ها برابر است، می‌توانیم ولتاژ‌ها را از طرفین معادله خط زده و به عبارت مقاومت معادل برای حالت موازی برسیم:
\(\frac{1}{R_{T}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}}\)
همانطور که در فرمول بالا مشاهده می کنید، مقاومت معادل در مخرج می‌باشد. پس از آنکه معکوس مقاومت های مدار را با یکدیگر جمع کردیم، برای به دست آوردن مقاومت معادل، باید عدد بدست آمده را معکوس کنیم.
چند نکته در رابطه با مقاومت ها:
در مدار‌های سری، هرچه بر تعداد مقامت ها افزوده شود، عدد مقاومت معادل بیشتر می‌شود و درنتیحه از مقدار جریان مدار کم می‌شود. اما جریان تمام مقاومت‌ها با هم برابر است.
این در حالی است که در مقاومت‌های موازی، هر چه بر تعداد مقاومت‌ها افزوده شود، مقاومت معادل مدار کاهش می‌یابد؛ اما بر خلاف مدار‌های سری که جریان همه آنها با هم برابر است، در مقاومت‌های موازی، جریان عبوری از مقاومت‌ها لزوما یکسان نیست ولی اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت‌ها باهم برابر می باشد.
هدایت(رسانایی) الکتریکی:
هدایت الکتریکی یا رسانایی عبارت است از معکوس مقاومت الکتریکی. از لحاظ فرمول اگر بخواهیم بررسی داشته باشیم:
\(G = \frac{1}{R}\)
واحد هدایت الکتریکی، زیمنس (\(\frac{1}{\Omega }\)) است. بدیهی است که هرچه مقاومت الکتریکی کمتر باشد، هدایت الکتریکی بیشتر می‌شود و هرچه هدایت الکتریکی کمتر باشد، به معنای زیاد بودن مقاومت الکتریکی است
مقاومت متغیر (پتانسیومتر):
برای تقسیم ولتاژ و به دست آوردن ولتاژ دلخواه علاوه بر اینکه می‌توان از مقاومت‌های ثابت استفاده کنیم می توانیم از مقاومت‌های متغیر نیز استفاده کرد. به وسیله مقاومت الکتریکی متغیر می‌توان ولتاژهای متغیری از حداقل تا حداکثر ولتاژ منبع به دست آورد. مقاومت‌های متغیر به صورت رئوستا و پتانسیومتر در مدار بسته می‌شود.
شکل زیر یک نمونه پتانسیومتر را نشان می‌دهد:
با توجه به شکل، گردانه ای وجود دارد که با چرخاندن آن می توان مقاومت پتانسیومتر را تغییر داد. سر لغزنده می‌تواند روی سطح خارجی مقاومت حرکت کند و مقدار مقاومت را نسبت به سرهای ثابت تغییر دهد. اگر از دوسر مقاومت متغیر (یک سر ثابت و یک سر لغزنده) در مدار استفاده شود، در این حالت مقاومت متغیر به صورت رئوستا در مدار قرار می‌گیرد. با حرکت سر لغزنده، مقدار مقاومت رئوستا (مقاومت مدار) تغییر می‌کند. با تغییر مقاومت مدار، می توانیم شدت جریان مدار را تغییر دهیم.
لازم به ذکر است که پتانسیومتر و رئوستا هر دو مقاومت متغیر هستند، با این تفاوت که از پتانسیومتر برای کنترل ولتاژ یا پتانسیل و از رئوستا برای کنترل جریان استفاده می‌شود.
امیدواریم تا این مقاله برای شما عزیزان مورد پسند واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید:
مقاومت الکتریکی و عوامل موثر بر آن – فیزیک (۲)
سلف یا القاگر – فیزیک یازدهم (۲)
جریان متناوب – فیزیک دوازدهم (۳)
دیدگاهتان را بنویسید