المقاومة ودرجة الحرارة

تأثير الحرارة على المقاومة
سوف نتعرف في هذا الباب على المواد الموجودة في هذا الكون , ونعرف الإختلافات بينها .

يمكن تقسيم أي مادة في الكون إلى أقسام من حيث :

1) الحالة
2) القدرة على توصيل الحرارة
3) القدرة على توصيل الكهرباء

فتقسم المواد من حيث الحالة إلى :

* مادة صلبة * مادة سائلة * مادة غازية

وتقسم المواد من حيث قدرتها على توصيل الحرارة إلى :
• مواد جيدة التوصيل للحرارة ( مثل الحديد والألمونيوم والقصدير والنحاس )
• مواد رديئة التوصيل للحرارة ( مثل الخشب والزجاج والبلاستيك )

أما تقسيم المواد من حيث قدرتها على توصيل الكهرباء فيكون كالآتي.


مادة


وتقسيم المواد من حيث قدرتها على توصيل الكهرباء هو التقسيم الذي يهمنا في علم الكهرباء والإلكترونيات , حيث أنه لا تخلو دائرة كهربية من مواد موصلة , ومواد عازلة .

وتظهر إستخدامات المواد شبة الموصلة في الدوائر الإلكترونية , ولكن قبل الدخول في موضوع الدوائر الكهربية والإلكترونية , أريد أن أوضح الفرق العلمي بين كل نوع من تلك المواد .

يوجد لكل مادة في الطبيعة , خاصيتين :

1) خاصية التوصيلية ( The Conductivity )
2) خاصية الإعاقة أو المقاومة ( The Resistivity )

خاصية التوصيلية : هي مقياس لقدرة المادة على توصيل التيار الكهربي .

خاصية الإعاقة : هي مقياس لقدرة المادة على إعاقة مرور التيار الكهربي فيها .

لذلك :
• المادة الموصلة : لها خاصية التوصيلية أعلى من خاصية المقاومة أو الإعاقة بكثير.
• المادة العازلة : لها خاصية الإعاقة أعلى من خاصية التوصيلية بكثير.
• المادة شبة الموصلة : لها خاصية التوصيلية مساوية تقريبا لخاصية الإعاقة , أي لا نستطيع أن نقول عنها أنها موصل جيد ولا عازل جيد , وسوف نتحدث عن تلك المواد في باب آخر.
• الموصلات الخارقة : هي مواد من صنع البشر , قدرتها على إعاقة التيار الكهربي " صفر " تماما , وبالتالي لها قدرة عالية على توصيل الكهرباء , ولكن لا يستطيع العلماء حتى الآن إنتاج هذه المواد إلا تحت ظروف ضغط وحرارة خاصة جدا , فلن نتعرض لها نهائيا.
• العوازل المثالية : هي مواد من صنع البشر أيضا , وهي بعكس الموصلات الخارقة , حيث أن قدرتها على توصيل الكهرباء " صفر " تماما , أي أنها تمنع مرور التيار الكهربي تماما , وأيضا يتم تصنيع تلك المواد تحت ظروف خاصة جدا من الضغط والحرارة , وكذلك لا تهمنا في دراستنا هذه.

أمثلة على المواد الموصلة ( النحاس و الذهب و الحديد و الألمونيوم و القصدير )
أمثلة على المواد العازلة ( الخشب و السيراميك والورق و الفبر و الزجاج والبلاستيك )
أمثلة على المواد الشبه موصلة ( السيليكون و الجرمانيوم )

س : ما الذي يعطي مادة ما خاصية التوصيل الجيد للكهرباء , ويعطي مادة أخرى خاصية العزل الجيد للكهرباء؟

كما درسنا في الباب السابق , أن أي مادة تحتوي على عدد كبير من الذرات المكونة لجزيئاتها , وتلك الذرات تحتوي على عدد من الإلكترونات في مدارها الخارجي , تلك الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي تسمى مجازا بــ " الإلكترونات الحرة" , نظرا لسهولة طردها من مدارها وجعلها تنتقل بسهوله إلى ذرة أخرى , ثم إلى ذرة أخرى , وهكذا , تسمى عملية مرور الإلكترونات ( أو تدفق الإلكترونات ) بــ " التيار الكهربي " , وسوف يتم شرحه في باب آخربالتفصيل , لذلك نستطيع القول بأن :

• المادة التي تحتوي على عدد كبير " وفرة " من الإلكترونات الحره تصبح " جيدة التوصيل للكهرباء "
• المادة التي تحتوي على عدد قليل " ندرة " من الإلكترونات الحره تصبح " رديئة التوصيل للكهرباء "

والشكل التالي يوضح المادة الموصلة والمادة العازلة :
















تأثير الحرارة على المواد الموصلة والعازلة

1) المواد الموصلة تزيد قيمة مقاومتها للتيار بزيادة درجة الحرارة , لأن الذرات في أي مادة تكون في حالة إهتزاز دائم في مكانها , وإكساب المادة الموصلة طاقة حرارية , يؤدي إلى زيادة هذا الإهتزاز , مما يجعل الذرات تصطدم بإلكترونات التيار الكهربي وتعيقه , مع ملاحظة أن الحرارة تؤدي إلى تحرير عدد من الإلكترونات الحرة والتي تزيد من قدرة المادة على التوصيل , ولكن تكون المحصلة هي زيادة الإعاقة .
2) المواد العازلة تزيد قدرتها على التوصيل الكهربي بزيادة الحرارة , لأن الحرارة تؤدي إلى تحرير عدد من الإلكترونات من ذرات المادة والتي تساعد في توصيل التيار الكهربي , وفي نفس الوقت فإن الحرارة تعمل على زيادة إهتزاز الذرات حول مركزها , ولكن تكون المحصلة النهائية هي زيادة التوصيل


س : كيف يتم تحرير الإلكترونات من مدارها الخارجي؟

عن طريق إكسابها طاقة خارجية إضافية , وهناك طرق لإكساب تلك الإلكترونات تلك الطاقة , ومنها :
1) الحرارة 2) الإحتكاك 3) تأثير مادة كيميائية على المادة
4) تمرير المادة في مجال مغناطيسي



وفي نهاية هذا الباب نستفيد أنه لا يوجد مادة " في الطبيعة " توصل فقط التيار ولا تعيقه , أو تعيق فقط التيار ولا توصله .