Resistencia eléctrica

Electromagnetismo
Electricidad Magnetismo
Electrostática Carga eléctrica Electricidad estática Campo eléctrico Conductor Aislante Triboelectricidad La descarga electrostática Inducción La ley de Coulomb La ley de Gauss Flujo eléctrico / energía potencial Momento dipolar eléctrico Polarización eléctrica
Magnetoestática La ley de Ampère Campo magnético Magnetización Flujo magnético Ley de Biot-Savart Momento dipolar magnético La ley de Gauss para el magnetismo
Electrodinámica Ley de la fuerza de Lorentz Inducción electromagnética La ley de Faraday La ley de Lenz Corriente de desplazamiento Las ecuaciones de Maxwell Campo electromagnético Radiación electromagnética Maxwell tensor Vector de Poynting Potencial Liénard-Wiechert Ecuaciones de Jefimenko Corrientes de Foucault
Red eléctrica Corriente eléctrica Potencial eléctrico Voltaje Resistencia La ley de Ohm Circuito en serie Circuito paralelo Corriente continua Corriente alterna Fuerza electromotriz Capacidad Inductancia Impedancia Cavidades resonantes Las guías de onda
Formulación covariante Tensor electromagnético ( tensor de tensión-energía) Cuadricorriente Electromagnética de cuatro potencial
Los científicos Ampère Culombio Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

La resistencia eléctrica de un objeto mide su oposición al paso de una corriente eléctrica. Un objeto de sección transversal uniforme tiene una resistencia proporcional a su la resistividad y la longitud e inversamente proporcional a su área de sección transversal. Todos los materiales muestran cierta resistencia.

Descubierto por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica comparte algunas similitudes conceptuales con la noción mecánica de fricción. La Unidad del SI de resistencia eléctrica es el ohm ( Ω). Resistencia del cantidad recíproca es la conductancia eléctrica mide en siemens.

La resistencia de un objeto puede ser definido como la relación entre la tensión a la corriente:

Para una amplia variedad de materiales y condiciones, la resistencia eléctrica R es constante para una temperatura dada; no depende de la cantidad de corriente a través de o la diferencia de potencial ( voltaje) a través del objeto. Tales materiales se denominan materiales óhmico. Para los objetos hechos de materiales óhmicos la definición de la resistencia, siendo R una constante para que la resistencia, que se conoce como La ley de Ohm.

En el caso de un conductor no lineal (no obedecer la ley de Ohm), esta relación puede cambiar a medida que los cambios de corriente o voltaje; la pendiente inversa de un acorde a una Curva de I-V se refiere a veces como una "resistencia cordal" o "resistencia estática".

Conductores y resistencias

A 65 Ω- resistor, como se identifica por su Codificación de colores (azul, verde y negro). Una ohmímetro podría ser utilizado para verificar este valor.

Los objetos tales como cables que se diseñan para tener una baja resistencia para que de transferencia de corriente con la menor pérdida de energía eléctrica se llaman conductores. Los objetos que están diseñados para tener una resistencia específica de modo que puedan disipar la energía eléctrica o de otra manera modificar la forma se llaman un circuito se comporta resistores. Los conductores están hechos de materiales altamente conductores tales como metales, en particular cobre y aluminio. Resistencias, por otra parte, están hechos de una amplia variedad de materiales dependiendo de factores tales como la resistencia a la deseada, la cantidad de energía que necesita para disipar, precisión, y el costo.

Resistencia DC

La resistencia de un resistor o conductor dado crece con la longitud del conductor y disminuye para ampliar la zona de sección transversal. La resistencia R de un conductor de sección transversal uniforme, por lo tanto, se puede calcular como

donde es la longitud del conductor, medido en metros [M], A es el área de sección transversal del conductor medido en metros cuadrados [m²], y ρ (griego: rho) es la eléctrica resistividad (también llamada resistencia eléctrica específica) del material, medida en ohmios-metros (Ω m). La resistividad es una medida de la capacidad del material para oponerse a la corriente eléctrica.

Por razones prácticas, cualquier conexión a un conductor verdadero es casi seguro que significan la densidad de corriente no es totalmente uniforme. Sin embargo, esta fórmula todavía proporciona una buena aproximación para conductores largos y delgados, tales como cables.

Resistencia AC

Si un cable conduce la corriente alterna de alta frecuencia, entonces el área efectiva de la sección transversal del alambre se reduce debido a la efecto de la piel. Si varios conductores están juntos, entonces debido a el efecto de proximidad, la resistencia efectiva de cada uno es más alto que si ese conductor estuviera solo. Estos efectos son tan pequeñas de baja frecuencia de AC hogar común que normalmente deben ser tratados como si se tratara de la resistencia DC.

Medida de resistencia

Un instrumento para medir la resistencia se denomina óhmetro. Ohmímetros simple no puede medir resistencias bajas con precisión porque la resistencia de sus cables de medida provoca una caída de tensión que interfiere con la medición, lo que los dispositivos más precisos utilizan detección de cuatro terminales.

Las causas de la resistencia

En los metales

Una de metal consiste en un entramado de átomos , cada uno con una corteza de electrones. Esto también se conoce como una red iónica positiva. Los electrones externos son libres de disociarse de sus átomos de padres y viajan a través de la red, la creación de un "mar" de electrones, por lo que el metal de un conductor. Cuando una diferencia de potencial eléctrico (a tensión) se aplica a través del metal, los electrones deriva de un extremo del conductor a la otra bajo la influencia de la del campo eléctrico .

Cerca de la temperatura ambiente, el movimiento térmico de iones es la principal fuente de dispersión de electrones (debido a la interferencia destructiva de las ondas de electrones libres en los potenciales de iones no correlacionando), y por lo tanto la causa principal de la resistencia del metal. Las imperfecciones de celosía también contribuyen a la resistencia, a pesar de su contribución en los metales puros es insignificante.

Cuanto mayor sea el área de sección transversal del conductor, los más electrones están disponibles para llevar la corriente, por lo que el menor es la resistencia. Cuanto mayor sea el conductor, los eventos de dispersión más se producen en el camino de cada electrón a través del material, por lo que la mayor es la resistencia. Diferentes materiales también afectan a la resistencia.

En los semiconductores y aislantes

En los metales, la Nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción (véase Teoría Band, abajo) dando lugar a los electrones de conducción libres. Sin embargo, en los semiconductores de la posición del nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda prohibida, aproximadamente a medio camino entre el mínimo de la banda de conducción y máximo de la banda de valencia para los semiconductores intrínsecos (sin dopar). Esto significa que en 0 grados Kelvin, no hay electrones de conducción libres y la resistencia es infinito. Sin embargo, la resistencia continuará disminuyendo a medida que la densidad de portadores de carga en los aumentos de banda de conducción. En extrínsecos (dopados) semiconductores, átomos dopantes aumentan la concentración de portadores de carga mayoritarios mediante la donación de electrones de la banda de conducción o aceptar agujeros en la banda de valencia. Para ambos tipos de átomos donadores o aceptores, el aumento de la densidad de dopante conduce a una reducción en la resistencia. Semiconductores altamente dopados, por tanto, se comportan metálico. A temperaturas muy altas, la contribución de los portadores generados térmicamente dominará sobre la contribución de los átomos de dopante y la resistencia disminuirá exponencialmente con la temperatura.

En los líquidos iónicos / electrolitos

En electrolitos, conducción eléctrica no pasa por los electrones de la banda o agujeros, sino por especies atómicas completas ( iones ) de viaje, cada uno con una carga eléctrica. La resistividad de los líquidos iónicos varía enormemente por la concentración - mientras que el agua destilada es casi un aislante, el agua salada es un conductor eléctrico muy eficiente. En membranas biológicas, las corrientes son transportadas por sales iónicas. Los pequeños agujeros en las membranas, llamadas canales iónicos, son selectivos a iones específicos y determinar la resistencia de la membrana.

Resistividad de diversos materiales

Material	Resistividad, ohm-metro
Metales	10 -8
Semiconductores	variable
Los electrolitos	variable
Aislantes	10 16
Los superconductores	0 (exactamente)

Teoría de bandas simplificado

Los niveles de energía de electrones en un aislante

La mecánica cuántica establece que la energía de un electrón en un átomo no puede ser cualquier valor arbitrario. Niveles Más bien, están fijados de energía que los electrones pueden ocupar, y valores en entre estos niveles son imposibles. Los niveles de energía se agrupan en dos bandas: la banda de valencia y la banda de conducción (este último es generalmente por encima de la primera). Los electrones en la banda de conducción pueden circular libremente por toda la sustancia en presencia de un campo eléctrico.

En aislantes y semiconductores, los átomos en la influencia de sustancias entre sí de modo que entre la banda de valencia y la banda de conducción no existe una banda prohibida de los niveles de energía, que los electrones no pueden ocupar. Para que una corriente fluya, una cantidad relativamente grande de energía debe ser suministrado a un electrón para que saltar a través de este hueco prohibido y en la banda de conducción. Así, incluso las grandes tensiones pueden producir corrientes relativamente pequeñas.

Resistencia diferencial

Cuando el dependencia de corriente-voltaje no es lineal, la diferencia de la resistencia, la resistencia incremental o resistencia a la pendiente se define como la pendiente de la gráfica VI en un punto particular, de este modo:

Esta cantidad es a veces llamado simplemente la resistencia, aunque las dos definiciones son equivalentes sólo para un componente óhmica tales como una resistencia ideal. Por ejemplo, una diodo es un elemento de circuito para los que la resistencia depende de la tensión o la corriente aplicada.

Si el gráfico VI no es monotónica (es decir, tiene un pico o un valle), la resistencia diferencial será negativo para algunos valores de tensión y corriente. Esta propiedad se conoce a menudo como resistencia negativa, aunque se denomina más correctamente resistencia diferencial negativa, ya que la resistencia absoluta V / I todavía es positiva. Un ejemplo de tal elemento es el diodo túnel.

Resistencia diferencial sólo es útil para comparar un dispositivo no lineal con una fuente / carga lineal en algún pequeño intervalo; por ejemplo, si es necesario para evaluar una estabilidad de la tensión Zener del diodo bajo diferentes valores de corriente.

Dependencia de la temperatura

Cerca de la temperatura ambiente, la resistencia eléctrica de un típico metal aumenta linealmente con el aumento de la temperatura , mientras que la resistencia eléctrica de un semiconductor típico disminuye con el aumento de la temperatura. La cantidad de ese cambio en la resistencia se puede calcular utilizando la coeficiente de temperatura de resistividad del material mediante la siguiente fórmula:

donde T es la temperatura, T ₀ es una temperatura de referencia (normalmente temperatura ambiente), R es la resistencia de ₀ a T _0, y α es el porcentaje de cambio en la resistividad por unidad de temperatura. La α constante depende sólo de ser considerado el material. La relación establecida es en realidad sólo sea aproximada, la física verdaderos siendo algo no lineal, o mirarlo de otra manera, α vez varía con la temperatura. Por esta razón, es habitual para especificar la temperatura que α se midió a con un sufijo, tales como α ₁₅ y la relación sólo tiene en una gama de temperaturas de alrededor de la referencia.

A temperaturas más bajas (menos de la Temperatura de Debye), la resistencia de un metal disminuye a medida que T ⁵ debido a la dispersión de los electrones fuera de fonones. A temperaturas aún más bajas, el mecanismo de dispersión de electrones es dominante para otros electrones, y la resistencia disminuye a medida que T ^2. En algún momento, las impurezas en el metal dominarán el comportamiento de la resistencia eléctrica que provoca que se sature a un valor constante. Regla de Matthiessen (primero formulado por Augusto Matthiessen en la década de 1860; la siguiente ecuación da su forma moderna) dice que todos estos diferentes comportamientos se puede resumir para obtener la resistencia total en función de la temperatura,

donde R _imp es la temperatura de la resistividad eléctrica independiente debido a las impurezas, y a, b, y c son coeficientes que dependen de las propiedades del metal. Esta regla puede ser visto como la motivación para Experimentos de Heike Kamerlingh Onnes que llevaron en 1911 con el descubrimiento de la superconductividad . Para más detalles ver Historia de la superconductividad.

Semiconductores intrínsecos a convertirse en mejores conductores al aumentar la temperatura; los electrones se mudan su banda de energía de conducción por la energía térmica, en el que fluyen libremente y, al hacerlo dejar atrás agujeros en el banda de valencia que también fluya libremente. La resistencia eléctrica de un típico intrínsecas (no dopado) semiconductores disminuye exponencialmente con la temperatura:

Extrínseca (dopado) semiconductores tienen un perfil de temperatura mucho más complicado. A medida que aumenta la temperatura a partir de cero absoluto que primero disminuyen abruptamente en la resistencia como los transportistas dejan los donantes o aceptantes. Después de la mayoría de los donantes o aceptores han perdido sus portadores la resistencia comienza a aumentar de nuevo ligeramente debido a la reducción de la movilidad de los portadores (tanto como en un metal). A temperaturas más altas se comportará como semiconductores intrínsecos como los transportistas de los donantes / aceptantes se vuelven insignificantes en comparación con los portadores generados térmicamente.

La resistencia eléctrica de electrolitos y aislantes es altamente no lineal, y caso por caso depende, por lo tanto, no se dan las ecuaciones generalizadas.

Dependencia Strain

Así como la resistencia de un conductor depende de la temperatura, la resistencia de un conductor depende cepa. Al colocar un conductor bajo tensión (una forma de estrés que conduce a la deformación en la forma de estiramiento del conductor), la longitud de la sección del conductor bajo tensión aumenta y su área de sección transversal disminuye. Ambos efectos contribuyen a aumentar la resistencia de la sección tensa de conductor. Bajo compresión (deformación en la dirección opuesta), la resistencia de la sección tensa de conductor disminuye. Véase la discusión sobre medidores de tensión para obtener más detalles acerca de los dispositivos construidos para aprovechar este efecto.