تأثير الحرارة على المقاومة الكهربائية

مقدمة

تعتبر دراسة العلاقة بين درجة الحرارة والمقاومة الكهربائية ذات أهمية كبيرة في فهم سلوك المواد وتطبيقاتها المختلفة. تتأثر خصائص المواد الكهربائية بشكل كبير بالتغيرات في درجة الحرارة، وهذا التأثير يظهر بوضوح في قيمة المقاومة الكهربائية. في هذا المقال، سنتناول تفصيلاً كيفية تغير المقاومة مع تغير درجة الحرارة، وما هي العوامل التي تؤثر في هذه العلاقة.

تأثير الحرارة على المقاومة في المواد

تعتبر العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة علاقة معقدة تعتمد على نوع المادة. بشكل عام، في المواد الموصلة، تزداد المقاومة مع زيادة درجة الحرارة، بينما في المواد العازلة، تقل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة. يفسر هذا السلوك باستخدام نظريات ميكانيكا الكم. يمكن تصور المادة على أنها مجموعة من الذرات، والضوء على أنه تيار من الفوتونات. وبالمثل، يمكن اعتبار الاهتزازات الحرارية في المواد الصلبة على أنها سرب من الجسيمات تسمى “الفونونات”.

تصطدم هذه الفونونات باستمرار بالإلكترونات التي تحاول التحرك نحو الطرف الموجب للبطارية، مما يعيق حركتها المنظمة ويسبب مقاومة. هذا التشتت أو الانحراف الذي يحدث للإلكترونات بسبب الفونونات يعتبر أحد مصادر المقاومة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد عدد الفونونات، وبالتالي يزداد احتمال تصادمها مع الإلكترونات، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة.

صيغة رياضية لتوضيح العلاقة

تعتمد المقاومة على طبيعة المادة الموصلة وخصائصها، وكذلك على درجة الحرارة. عندما تكون التغيرات في درجة الحرارة صغيرة، تتغير المقاومة بشكل خطي مع درجة الحرارة، ويمكن التعبير عن هذه العلاقة بالمعادلة التالية:

r = ro(1 + α ΔT)

حيث:

• r: المقاومة عند درجة الحرارة الجديدة.
• ro: المقاومة الأصلية عند درجة حرارة مرجعية.
• α: معامل درجة حرارة المقاومة.
• ΔT: التغير في درجة الحرارة.

يمكن إعادة صياغة المعادلة لتصبح المقاومة هي الهدف:

R = Ro (1 + a DT)

مع الأخذ في الاعتبار أن هذه الصيغة تفترض أن الطول والمساحة لا يتغيران مع تغير درجة الحرارة، وأن معامل التمدد الخطي أقل بكثير من معامل درجة الحرارة للمقاومة. هذا الافتراض قد لا يكون دائمًا دقيقًا، ولذلك يفضل العلماء تجنب استخدامه في بعض الحالات.

ما هي المقاومة الكهربائية؟

المقاومة الكهربائية هي مقياس لمقاومة تدفق التيار في دائرة كهربائية، وتقاس بوحدة الأوم (Ω). العالم الألماني جورج سيمون أوم هو من درس العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة، وقام بصياغة قانون أوم. وقد توصل إلى أن جميع المواد لديها مقاومة للتدفق الكهربائي إلى حد ما، وتنقسم هذه المقاومة إلى فئتين رئيسيتين:

• الموصلات (Conductors): هي المواد التي تمتلك مقاومة منخفضة جدًا للتيار الكهربائي، وبالتالي يمكن للإلكترونات أن تتحرك بسهولة فيها، مثل الفضة والنحاس والذهب والألومنيوم.
• العوازل (Insulators): هي المواد ذات المقاومة العالية والتي تتدفق فيها الإلكترونات بشكل محدود جدًا، مثل المطاط والورق والزجاج والخشب والبلاستيك.

بشكل عام، كلما قلت المقاومة زاد التدفق الكهربائي. وفي بعض الأحيان، قد تكون المقاومة منخفضة جدًا في العوازل بسبب تلفها بفعل الرطوبة أو السخونة الزائدة. الشركات المصنعة للمقاومات الكهربائية تقوم بكتابة قيمها على لوحات أسماء المكونات أو في كتيبات كمرجع.

ملاحظة: لا تكون قيمة المقاومة دائماً موجبة، ففي بعض المواد مثل السيليكون يكون معامل درجة الحرارة للمقاومة سالبًا وبالتالي تنخفض قيمة المقاومة بزيادة درجة الحرارة، والزيادة في درجة حرارة هذه المادة يمكن أن يؤدي إلى تحرير المزيد من ناقلات الشحن والذي يترافق مع زيادة التيار، وقد تمت الاستفادة من هذه الخاصية لصنع مقاوم بمقاومة تكاد تكون مستقلة عن درجة الحرارة، حيث يتكون المقاوم من مقاومين موضوعين في سلسلة؛ فيكون أحدها ذو معامل درجة حرارة موجب والآخر سالب، ويتم اختيار قيم المقاومة بطريقة تضمن تعويض الزيادة في المقاومة التي يواجهها أحد المقاومين بفعل انخفاض المقاومة التي يعاني منها المقاوم الآخر عندما تتغير درجة الحرارة.

المصادر

• Electric Resistance,physics.
• Temperature dependence of resistance,physics.bu.
• What is resistance?,fluke.