Чому товщина дроту впливає на опір?

Вчитель пояснив, чому, використовуючи аналогію шосе. Чим більше смуг у вас є, тим швидше проїжджають машини, де кількість смуг очевидно представляє товщину дроту, а машини представляють електрони. Досить просто.

Але після певного моменту дріт не повинен бути настільки товстим, що будь-яка товщина після цього не впливає на опір? Наприклад, якщо у вас є 100 автомобілів, які рухаються вниз по шосе, 4-смугове шосе дозволить автомобілям рухатися набагато швидше, ніж на 1 смугу руху, оскільки на одну смугу руху є менше автомобілів. Але шосе на 1000 смуг буде таким же ефективним, як і 10000 смуг, тому що на обох шосе кожен автомобіль має свою смугу. Після 100 смуг, кількість смуг не забезпечує опору.

Так чому збільшення товщини дроту завжди зменшує опір?

Аналогія автомобіля не така вже й хороша, оскільки електрони насправді не перетікають з одного кінця дроту на інший (добре, але вони дуже повільно), і це означає, що між автомобілями є деякий простір, тоді як це було б більше схожий на пробки незалежно від ширини шосе.
Це більше схоже на лінію більярдних кульок, і сила застосовується до першої, а енергія передається останній через усі проміжні кулі (трохи схожі на колиску Ньютона, хоча кулі насправді не відскакують одна в одну ). Вільні електрони відскакують навколо, періодично перешкоджаючи (див. Нижче), різниця потенціалів викликає середній нахил до напрямку струму.

Аналогія води краще - труба завжди повна води, а для одного і того ж насоса (акумулятора) тиск (напруга) завжди нижче, чим ширше труба, що прирівнюється до більшої витрати та меншого опору.

Ця цитата зі сторінки Вікі про питомий опір пояснює досить добре:

У металах - Метал складається з решітки атомів, кожен із зовнішньою оболонкою електронів, які вільно відмежовуються від своїх батьківських атомів і проходять через решітку. Це також відоме як позитивна іонна решітка. 4
Це "море" нерозбірних електронів дозволяє металу проводити електричний струм. Коли різниця електричних потенціалів (напруга) подається по металу, отримане електричне поле змушує електрони переміщатися від одного кінця провідника до іншого.
Біля кімнатної температури метали мають стійкість. Основною причиною цього опору є тепловий рух іонів. Це діє на розсіювання електронів (через руйнівну інтерференцію вільних електронних хвиль на некорелюючі потенціали іонів) [необхідне цитування]. Також сприяють стійкості в металах з домішками внаслідок цього недоліки в решітці. У чистих металах це джерело мізерно мало (цитування необхідне).
Чим більша площа поперечного перерізу провідника, тим більше електронів на одиницю довжини доступно для перенесення струму. В результаті опір у більших провідників поперечного перерізу нижче. Кількість подій розсіювання, з якими стикається електрон, що проходить через матеріал, пропорційна довжині провідника. Чим довший провідник, тим вище опір. Різні матеріали також впливають на стійкість.

Я збираюся підійти до вашого питання дещо іншим способом, щоб спробувати дати вам трохи більш інтуїтивне розуміння того, чому опір падає.

Розглянемо спочатку еквівалентний опір простого контуру:

_{(джерело: electronics.dit.ie )}

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

Ви можете побачити це рівняння в підручнику, але вам може бути цікаво "Але ви додали більше резисторів! Як це могло змусити опір знизитися?".

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

Тепер ця частина цікава, подивіться, що відбувається, коли ми будемо використовувати електропровідність у рівнянні опору паралельних ланцюгів.

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

Ми бачимо тут, що електропровідність збільшується, коли паралельно додавати більше резисторів, а опір зменшується! Кожен резистор здатний проводити певну кількість струму. Коли ви додаєте резистор паралельно, ви додаєте додатковий шлях, по якому може протікати струм, і кожен резистор вносить певну кількість провідності.

Коли у вас товстіший провід, він ефективно діє як цей паралельний контур. Уявіть, у вас є одна дріт дроту. Він має певну провідність і певний опір. Тепер уявіть, що у вас є дріт, що складається з 20 окремих дротів, і кожна нитка така ж товста, як і ваша попередня окрема нитка.

Якщо кожна з ниток має певну провідність, наявність дроту з 20 нитками означає, що ваша провідність зараз у 20 разів більша, ніж дріт із лише 1 ланцюгом. Я використовую пасма, тому що це допомагає вам побачити, як товстіший провід такий самий, як у кількох менших проводів. Оскільки провідність збільшується, це означає, що опір зменшується (оскільки це обернена провідність).

Забудьте аналогію шосе. Опір дроту залежить від 3 параметрів: провідності матеріалу, з якого виготовлений дріт, площі його поперечного перерізу та його довжини. Високопровідні матеріали, такі як мідь і срібло, використовуються для виготовлення дроту для досягнення низького опору. Чим довший провід - тим більший опір, який він має через довший шлях, яким повинні пройти електрони, щоб дістатися з одного кінця на інший. Чим більша площа поперечного перерізу, тим менший опір, оскільки велика площа електронів має протікати через них. Це застосовуватиметься незалежно від того, наскільки товстий дріт. Потік електронів налаштовується на будь-яку товщину дроту.

Електроенергія - це не що інше, як потік електронів через матеріал. З одного боку, це як садовий шланг, вже наповнений водою. Коли вода вмикається (тиск застосовується) на крані, тиск проходить через шланг набагато швидше, ніж будь-яка конкретна молекула води, і вода починає витікати з дальнього кінця майже відразу. Дріт - це дроба, повна електронів, здатних рухатися, коли ви прикладете трохи електрорушійної сили. Прикладіть напругу, і вам не доведеться чекати, коли перші електрони пройдуть дріт, вони почнуть рухатися в далекому кінці майже відразу.

Тепер подумайте про переріз дроту. . . уявіть, як намалюйте лінію навколо дроту, перпендикулярну до осі дроту. Тепер уявіть собі підрахунок кількості електронів, які проходять цю лінію, через коло, що є перетином дроту. Це струм, вимірюваний в ампер. Є кілька способів, як можна мати однаковий струм. Багато електронів повільно дрейфує або менше електронів, що тягнуть &&, щоб отримати те саме число, що проходить через ваш перетин за секунду, а значить, той самий струм.

Як ви переконуєте їх рухатися швидше? Прикладіть велику електрорушійну силу. Таким чином, у дроті з половиною діаметра у вас буде одна четверта площа поперечного перерізу, що означає одну четверту кількість електронів, доступних у будь-якій заданій довжині дроту, щоб пройти вашу лінію в секунду. Що робитиму, щоб підняти цей струм із меншою кількістю електронів, доступних для руху? Вам доведеться перемістити їх швидше, щоб те саме число могло проходити за секунду, застосовуючи більш високу напругу.

Ось у вас це є: Для тоншого проводу потрібен більш високий рівень напруги, щоб провести той же струм. Це в значній мірі визначення опору, оскільки V/I = R.

Чи знаєте ви, чому аналогія автомобіля не працює добре? Навіть якби ми нехтували можливістю, що електрони насправді не рухаються, ви б про них знову ставились як до машин, але не рухалися по прямих лініях! Вони рухаються випадковими зигзагоподібними стежками. Тому; чим більше ліній, тим менше можливостей коли-небудь коли-небудь зіткнеться навіть із зігзажкою.

Тож ви мовчки припускаєте, що електрони рухаються по вертикальних смугах (лінії) так само, як і автомобілі, що в такому випадку ваше припущення, що товщина дроту не вплине. З іншого боку, враховуючи, що машини рухаються не прямими лініями, ваша припущена гіпотеза не відповідає вашому висновку.

Вчитель пояснив, чому, використовуючи аналогію шосе. Чим більше смуг у вас є, тим швидше проїжджають машини, де кількість смуг очевидно представляє товщину дроту, а машини представляють електрони. Досить просто.

Що вчитель повинен був сказати:

• Припустимо, що автомобілі їдуть з постійною швидкістю та з постійним інтервалом на смузі шосе.
• Кількість транспортних засобів, які проходять повз точку, буде пропорційною кількості смуг.
• Збільшення кількості смуг руху не збільшує швидкість руху транспортних засобів. (Не зовсім правда, тому що автомобілі їздять люди!)

Це чудове запитання! - Шосе / машина - відмінна аналогія

У цій аналогії ви повинні врахувати ці фактори.

Ваша конструкція матиме вимогу до напруги - у нашій моделі напруга - це ШВИДКІСТЬ, яким потрібно їздити автомобілям.

Конструкція матиме вимогу до струму - це НОМЕРА АВТОМОБІЛІВ, необхідних для просування по шосе. (або обсяг)

Розмір / опір дроту - НОМЕР ЛІЗ.

Напруга, або потужність, - це поєднання як напруги * струму, так і кількості автомобілів, що рухаються вниз по шосе за певний час.

Шосе повинно бути розроблене так, щоб відповідати технічним характеристикам як швидкості, так і обсягу. Якщо у вас дуже невелика потреба в струмі, скажімо, 1 автомобіль, вам знадобиться лише колись одна траса, тому що ваш автомобіль може подорожувати якомога швидше (висока напруга). Але якщо у вас висока вимога струму, 10 000 автомобілів, вам знадобиться шосе на 100 смуг. (залежно від енергетичних потреб)

Але візьмемо для прикладу електромережу - лінію електропередачі для міста з 1 мільйоном людей. Це приблизно приблизно 300 000 домогосподарств, кожне з яких використовує 1 кВт енергії. Це означає, що нашій лінії потрібно забезпечити потужність 3 гігаватт! Ви можете зробити це за допомогою 1 V @ 3 гіга-амперів або 3 GV @ 1 amp, або щось середнє.

Яка напруга / струм знадобиться, щоб лінія електропередачі була якомога меншою?