Care este diferenţa dintre un bec cu puterea de 100 W şi unul de 200 W? Ambele sunt alimentate la o tensiune de 110 V, deci conform ecuaţiei P = U•I singura explicaţie ar fi că pentru o putere de două ori mai mare, becul de 200 W trebuie să “absoarbă” de două ori mai mult curent.
Prin analogie, un furtun pentru incendii şi altul pentru grădină sunt deservite de pompe care dau aceeaşi presiune (tensiune), dar prin furtunul de incendiu va curge mai multă apă, simplul motiv fiind că acesta este mai gros, prin urmare lasă să treacă mai multă apă. De asemenea, un râu mare şi adânc poate curge în acelaşi sens cu un altul mai mic, dar numărul de litri debitat de primul râu va fi mult mai mare.
Vei observa că filamentul unui bec de 200 W este mai gros decât cel al unuia de 100 W. Ne aşteptam deci ca filamentul cel gros să conţină mai multe sarcini electrice disponibile. Spunem că rezistenţa filamentului gros este mai mică decât rezistenţa celui subţire.
O ţeavă groasă are rezistenţă mai mică decât una subţire
Deşi este mai greu să pompezi apă cu viteză mare printr-un furtun de grădină decât printr-unul de incendiu, putem compensa asta prin folosirea unei pompe de presiune mai mare. Analog, curentul care trece prin bec depinde nu numai de rezistenţa acestuia, ci şi de tensiunea aplicată. Pentru multe substanţe, inclusiv tungstenul, metal din care sunt fabricate filamentele becurilor, curentul care trece prin acesta este proporţional cu variaţia de tensiune aplicată la borne, astfel că raportul tensiune-curent rămâne constant. Folosim acest raport ca o definiţie numerică a rezistenţei, R = U/I, formulă cunoscută şi ca legea lui Ohm.
Unitatea de măsură pentru rezistenţă este ohm, simbolizată cu ajutorul literei greceşti omega: Ω. Din punct de vedere fizic, când un curent electric trece printr-o rezistență, obiectivul este de a transforma energia electrică în căldură. În cazul unui filament de bec, căldura este cea care face becul să lumineze.
Legea lui Ohm spune că multe substanţe, printre care şi multe solide şi câteva lichide, au acest tip de comportament, cel puţin pentru tensiuni mai mici. Faptul că legea lui Ohm se numeşte "lege" nu trebuie înţeles că toate substanţele şi materialele i se supun sau că are aceeaşi importanță fundamentală ca, de exemplu, legile conservării.
Substanţele sunt ohmice sau ne-ohmice, adică se supun sau nu legii lui Ohm.
Dacă obiecte de aceeaşi formă şi mărime, făcute din material ohmice, au rezistenţe diferite, spunem că un material este mai rezistiv decât celălalt sau că este mai puţin conductiv. Materialele, cum sunt metalele, care au o rezistenţă scăzută, mai sunt cunoscute şi ca bune conductoare. Acele materiale care au conductivitate scăzută, cum ar fi lemnul sau cauciucul, sunt clasificate ca izolatoare. Între cele două clase de materiale nu există o linie de demarcaţie foarte precisă. Unele, cum ar fi siliciul, sunt undeva între cele două extreme, şi poartă denumirea de semiconductoare.
Supraconductori
Toate materialele dispun de o anumită variaţie a rezistenţei în funcţie de temperatură (lucru folosit în termostate pentru a crea termometre care pot fi uşor integrate într-un circuit electric). Mai interesant, s-a descoperit că cele mai multe metale îşi reduc brusc rezistenţa la zero atunci când ating o anumită temperatură critică. În această stare poartă denumirea de supraconductori. La trecerea unui curent printr-un supraconductor, nu se produce deloc căldură.
Teoretic, din supraconductori se pot face multe dispozitive folositoare, cum ar fi magneţii cu înfăşurare folosiţi pentru trenurile care se deplasează cu ajutorul levitaţiei magnetice. Practic însă, temperaturile critice ale metalelor sunt foarte mici şi nevoia de răcire extremă a făcut folosirea lor nerentabilă, aceştia găsindu-şi utilizarea în anumite aplicaţii specializate, cum ar fi acceleratoarele de particule.
Însă fizicienii au descoperit recent că anumite tipuri de ceramică au comportament de supraconductori la temperaturi mai puţin extreme. Problema este găsirea unor metode pentru fabricarea de fire din aceste materiale casante. Wall Street investeşte miliarde de dolari în dezvoltarea de dispozitive supraconductoare pentru releele de telefonie mobilă. În 2001, în Copenhaga s-a înlocuit un mic sector din cablarea cu energie electrică cu cabluri supraconductoare, ce asigură alimentarea cu energie electrică pentru consumatori.
În prezent nu este formulată nicio teorie satisfăcătoare a supraconductivităţii, deşi această proprietate a metalelor este înţeleasă destul de bine. Ce trebuie să facem este să găsim o explicaţie fundamentală a supraconductivităţii metalelor ce poate fi generalizată.
Tensiunea constantă de-a lungul unui conductor
Ideea de supraconductor ne duce la întrebarea: la ce ar trebui să ne aşteptăm de la un obiect care este făcut dintr-un material ce este foarte bun conductor? Supraconductorii sunt un caz extrem de special, dar de obicei un fir de metal este considerat un conductor perfect dacă părţile unui circuit, altele decât firul, sunt fabricate din materiale mult mai puţin conductoare.
Ce se întâmplă dacă rezistenţa este egală cu 0 în ecuaţia R = U/I?
Rezultatul împărţirii a două numere este zero dacă numărătorul este zero. Asta înseamnă că dacă alegem oricare două puncte într-un conductor ideal, variaţia tensiunii dintre ele este zero. Cu alte cuvinte, întregul conductor trebuie să aibă aceeaşi tensiune. Folosind metafora apei, un conductor ideal este ca un lac liniştit, fără unde, a cărui suprafaţă este plată. Dacă laşi să cadă o picătură de apă oriunde pe suprafaţa lacului, picătura nu se deplasează de-a lungul apei, pentru că apa este statică. Din punct de vedere electric, asupra unei sarcini aflate oriunde într-un conductor ideal se va exercita o forţă electrică totală egală cu zero.
Să presupunem, de exemplu, că atunci când mergi pe un covor acumulezi sarcină statică, apoi depozitezi o parte din această sarcină pe clanţă, care este un bun conductor. Cum poate exista acea sarcină în clanţă, fără să creeze nicio forţă electrică în orice punct din interiorul ei? Singurul răspuns este acela că sarcina se mişcă până se stabileşte într-o configuraţie anume. În această configuraţie, forţele exercitate de sarcină totală pe orice particulă încărcată aflată în clanţa se anulează.
Putem explica acest comportament dacă presupunem că particula plasată pe clanţă va ajunge la un echilibru. Din moment ce clanţa este un conductor, sarcina are libertate de mişcare în aceasta. Dacă, având libertate de mişcare, ar “simţi” o forţă totală diferită de zero, atunci ea s-ar mişca, şi nu am mai avea un echilibru.
De asemenea, sarcina plasată într-un conductor, odată ce ajunge la echilibru, se afla în întregime la suprafaţă, nu în interior. Nu putem demonstra acest lucru, însă reprezintă o intuiţie rezonabilă.
Scurtcircuite
Până acum am discutat despre un conductor ideal. Ce se întâmplă însă cu un conductor real? Un curent obişnuit va suferi o mică modificare când îl multiplicăm cu ajutorul unei rezistențe a unui conductor bun, ca de exemplu un fir de metal. Tensiunea de-a lungul firului va fi aproximativ constantă. Dacă, pe de altă parte, curentul este foarte mare, vom observa o variaţie mare de tensiune.
Un scurtcircuit presupune conectarea unei rezistenţe mici la cele două borne ale sursei de tensiune. Această explicaţie ar trebui să fie mai clară decât utilizarea populară a termenului pentru a indica orice defecţiune electrică. Dacă, de exemplu, scurtcircuitezi o baterie de 9 V, probabil că atunci intensitatea curentului va avea mii de amperi, ducând la o valoare mare a puterii, P = IxU. Firul se va încinge!
— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
5.5 Rezistenţa. Supraconductorii
