Elektrischer Wiederstand
Der elektrische Widerstand ist die Eigenschaft eines Leiters, den Durchgang des elektrischen Stroms zu behindern.
Es wird normalerweise mit dem lateinischen Buchstaben R bezeichnet, und die Einheit des Widerstands im SI-System ist das Ohm.
Resistance Formula
Ein Ohm Widerstand wird von einem Leiter repräsentiert, durch den ein Strom von 1 Ampere fließt, wenn eine Spannung von 1 Volt an seinen Enden angelegt wird.
Diese Maßeinheit ist nach Georg Simon Ohm (1784-1854), einem deutschen Physiker, benannt, der die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand erforschte. Ihm wird die erstmalige Formulierung des Ohm’schen Gesetzes zugeschrieben.
Der Widerstand kann wie folgt berechnet werden:
R = U / I
wobei:
R – Widerstand, Ohm;
U – die Spannungsdifferenz an den Enden des Leiters, Volt;
I – die Stromstärke, die unter dem Einfluss der Spannungsdifferenz zwischen den Enden des Leiters fließt, Ampere.
In der Praxis werden auch Einheiten größer als Ohm verwendet, wie Kilohm (Tausende von Ohm) oder Megohm (eine Million Ohm).
Instruments for measuring resistance
Ohmmeter
Wheatstone-Brücke
Kombinierte Instrumente (Multimeter, Universalvoltmeter usw.)
Amperemeter und Voltmeter (wie durch die Formel gegeben).
Normalerweise wird der Widerstand gemessen, um den Zustand eines Bauteils oder einer Schaltung zu bestimmen.
Je höher der Widerstand, desto geringer ist der Strom. Einer der vielen Gründe für einen sehr hohen Widerstand kann beschädigte oder durch Korrosion beeinträchtigte Leitungen sein. Alle Leitungen erzeugen Wärme, daher ist Überhitzung oft mit Widerstand verbunden.
Je niedriger der Widerstand, desto höher ist der Strom. Die Isolierung kann durch Überhitzung oder Feuchtigkeitseinfluss beschädigt sein.
Der Widerstand eines Leiters
Der Widerstand eines Leiters hängt von seinem Material, seinen Abmessungen und seiner Temperatur ab. Ein langer Leiter mit kleinem Querschnitt erzeugt einen hohen Widerstand für den Strom, während kurze Leiter mit großem Querschnitt einen geringen Widerstand für den Strom erzeugen. Dieser Widerstand wird als spezifischer Widerstand bezeichnet und wird normalerweise mit dem griechischen Buchstaben ρ dargestellt.
Der Widerstand ist gleich dem spezifischen Widerstand des Materials, multipliziert mit der Länge des Leiters und geteilt durch seinen Querschnitt.
l – Länge des Leiters, s – Querschnittsfläche.
Die besten Materialien für Leitungen sind Kupfer und Aluminium.
Kupfer:
Aluminium:
Die Temperatur des Leiters hat ebenfalls einen großen Einfluss auf seinen Widerstand. Mit steigender Temperatur erhöht sich der Widerstand von Leitern, während er bei niedrigen Temperaturen abnimmt. Bei steigender Temperatur werden die Schwingungen der Atome intensiver, und die gerichtete Bewegung der Elektronen wird komplizierter.
Zum Beispiel hat ein 10 Meter langer Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,20 mm bei 20 Grad Celsius einen Widerstand von 5,6 Ohm, bei einer Temperatur von 50 Grad Celsius hingegen 6,8 Ohm. Die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur wird in Widerstandsthermometern verwendet. Ein düner Draht, dessen Widerstand bei verschiedenen Temperaturen gut bekannt ist, wird auf einen Rahmen gewickelt, und durch Messung des Widerstands der Wicklung kann die Temperatur bestimmt werden.
Bei sehr niedrigen Temperaturen tritt ein Phänomen namens Supraleitung auf. Bei Erreichen der kritischen Temperatur fällt der Widerstand des Leiters drastisch auf null. Die kritische Temperatur unterscheidet sich je nach Metall, liegt jedoch bei allen Metallen nahe am absoluten Nullpunkt.
Der Widerstand von Halbleitern
Der Widerstand von Halbleitern hängt stark von Verunreinigungen ab. Das Hinzufügen von Hundertstel Prozent Atomen eines anderen Materials kann den Widerstand eines Halbleiters um das Hunderttausendfache verringern.
Bei Halbleitern steigt der Widerstand bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erheblich an, sie werden zu Isolatoren, während ihre Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen signifikant wird. Bereits im Jahr 1833 bemerkte Faraday selbst, dass der Widerstand von silbernem Schwefel bei Erwärmung abnimmt, obwohl bekannt ist, dass der Widerstand von Metallen bei Erwärmung steigt (diese Eigenschaft wird in Thermistoren – Temperatursensoren in elektrischen Thermometern – verwendet).
Beim Beleuchten eines Halbleiters können Photonen mit Elektronen interagieren, ihnen Energie übertragen und sie in die Leitungsband überführen. Daher kann der Widerstand eines Halbleiters bei Beleuchtung stark abnehmen.
Die von Licht freigesetzten Elektronen verbleiben für eine sehr kurze Zeit im freien Zustand. Während dieser Zeit bewegen sie sich in den Zwischenatomabständen umher und bewegen sich bei Vorhandensein eines Potentialunterschieds zwischen zwei Punkten des Halbleiters hauptsächlich in eine Richtung und erzeugen so einen elektrischen Strom. Halbleitermaterialien erhöhen ihre elektrische Leitfähigkeit erheblich durch Bestrahlung. Jeder andere Teil, der in ein Atom gelangt und dabei einem Elektron seine gesamte Energie abgibt, kann das Elektron im Prinzip in einen freien Zustand überführen.
Die Lichtempfindlichkeit von Halbleitern wurde erstmals 1873 von den englischen Elektroingenieuren W. Smith und J. May bemerkt, die beim Herstellen von hochohmigen Widerständen aus Selen eine Verringerung des Widerstands bei Beleuchtung beobachteten (diese Eigenschaft wird in Fotowiderständern – Komponenten von Geräten zur Messung von Lichtgrößen – verwendet). Die empfindlichsten Fotowiderstände werden aus Cadmiumsulfid (CdS) und Bleisulfid (PbS) hergestellt.