Опыты с нарисованными резисторами
Резистор - самый, казалось бы, незамысловатый прибор, обычно применяемый для регулирования или ограничения тока. Что в нем интересного? Оказывается - многое.
Раньше резисторы называли «сопротивлениями» потому что они, как известно, обладают сопротивлением (R) (измеряемым в Омах). Сопротивление показывает нам во сколько раз ток, идущий на участке цепи меньше приложенного к ее концам напряжения. Это и есть закон Ома:
I=U/R
Надо сказать, что закон Ома начинает действовать в цепи (даже идеальной, не имеющей емкостей и индуктивностей, а одни резисторы) при включении питания не мгновенно. Электрическое поле не мгновенно распространяется по проводникам и резисторам, а со скоростью света, и пока этот процесс идет, ток в цепи зависит от напряжения не так однозначно.
Большинство физических формул, относящихся к резистору, и их взаимосвязи, отражены на этой схеме:
Сопротивление связано с тем, что электроны при своем движении натыкаются на ионы металла, отскакивая, отклоняясь от своего пути и передавая им часть энергии (что внешне проявляется как нагрев резистора). У сверхпроводника сопротивление нулевое, потому что там существуют условия, при которых электроны не испытывают сопротивления своему движению.
Вообще, сопротивление - не слишком интуитивно понятная величина. Исторически она прижилась, но уже намечается тенденция к ее вытеснению обратной величиной - проводимостью (G), особенно в квантовой физике и нанотехнологии. Проводимость измеряется в сименсах (1 См = 1/Ом), а в некоторых странах в Мо (это Ом наоборот :)
G=1/R
Проводимость и сопротивление - это свойства не вещества, а конкретного изделия, зависящие от его формы и материала следующим образом:
G=σS/L R=ρL/S
S (м2)- это площадь поперечного сечения проводника. Естественно, чем тоще проводник, тем меньше сопротивление и выше проводимость. L (м) - длина проводника. Чем он длиннее, тем труднее электронам пробираться сквозь него. Эти два геометрических параметра характеризуют вклад формы проводника в его сопротивление.
Из этого логично следует, что при последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются (так как растет длина), а при параллельном общее сопротивление падает, так как увеличивается площадь сечения такого составного из двух резистора.
А другие две буковки характеризуют вклад материала. Это, соответственно, удельная проводимость (σ, См/м) и удельное сопротивление (ρ, Ом*м). Те, кто дружит с математикой, сообразили уже, что:
σ=1/ρ
Эти параметры хороши тем, чтопозволяют сравнить проводимость проводников одинаковой формы, сделанных из разных материалов.
Удельная проводимость зависит в первую очередь от наличия свободных электронов, жестко не привязанных к конкретным атомам, а способных бегать туда-сюда. Их иногда так и называют - электроны проводимости. Но не только от этого.
Проводимостью, хотя и малой, обладают и диэлектрики. Дело в том, что они не идеальны, а имеют в себе свободные заряженные частицы, например ионы. Эти ионы могут появляться в таких диэлектриках, как стекло, вследствие диссоциации их молекул, а в материалах не склонных к диссоциации на ионы (полимерах) - благодаря присутствию загрязнений - примесей воды, солей, кислот, щелочей и т.п.
Конструкция резисторов бывает разной. Очень распространены проволочные резисторы, представляющие собой керамическую трубочку с намотанной проволокой из сплава с высоким сопротивлением.
Популярным сплавом такого рода является нихром. Нихром есть в кипятильниках, паяльниках, утюгах, электроплитках и тому подобных устройствах, где нужно большое сопротивление и стойкость к высоким температурам.
Кстати, поэтому резисторы и нагреватели в каком-то смысле взаимозаменяемы. Один советский дедушка-изобретатель поделился с нами простым лабораторным методом подогрева газов и жидкостей в стеклянных трубках: трубка пропускается через отверстие в большом керамическом резисторе (обычно они зелененькие):
Кроме того, мне доводилось видеть изготовленный из такого же резистора паяльник. Вместо стеклянной трубки там было установлено короткое медное жало. С другой стороны, бытовые нагревательные приборы иногда используются в радиолюбительской практике как мощные резисторы с хорошим теплоотводом.
Не всегда, кстати, резисторам нужен хороший теплоотвод. Существуют специальные резисторы-воспламенители, представляющие собой пластинки тончайшей резистивной фольги. Они специально проектируются так, чтобы при включении они очень быстро нагреться до высокой температуры, что позволяет быстро воспламенять пиротехнические и взрывчатые материалы. Необязательно это связано с боевыми действиями, подобные устройства широко применяются в ответственной мирной технике для предотвращения крупных аварий. Активированные резисторами-воспламенителями пиропатроны почти мгновенно разъединяют электрические кабели и линии подачи горючего, разрывают страхующие ремни в транспортных средствах.
Наматывая нихром на изолятор, или просто отрезая кусочек нужной длины, можно изготавливать резисторы самому. А промышленность уходит от проволоки. В современных миниатюрных резисторах для поверхностного монтажа применяются тонкие пленки материалов с высоким сопротивлением.
Резисторы сопротивлением в десятки мегаом не всегда можно найти даже в крупных торговых точках. Для их изготовления советские радиолюбители прошлого века оставили нам такой метод:
"...Берем резистор ВС-0,25 или ВС-1 сопротивлением 0,5-2 Мом, и тряпочкой, смоченной в спирте или ацетоне, смыть краску с его проводящей поверхности. После того, как высохнет спирт, подключаем резистор к омметру и, стирая проводящий слой мягкой резинкой, подгоняем его сопротивление до нужной величины. Это надо делать осторожно, стремясь более равномерно стирать проводящий слой со всей поверхности резистора. После окончательной подгонки резистор покрывают изолирующим лаком..."
Если к резистору добавить еще один контакт, скользящим по длине резистивного материала, то получится переменный резистор, который используется в ручках настройки самых разных приборов.
Они могут иметь самый диковинный вид. Вот, например, экземплярчик из прошлого (как минимум) века:
Часто бывает так, что сопротивление резистора нужно настроить только один раз, при изготовлении прибора, а потом лучше не трогать. Для этого выпускаются подстроечные резисторы, обычно регулируемые отверткой и с некоторым усилием (чтобы настройка случайно не сбилась).
Далеко не все виды подстроечных резисторов герметичны, поэтому при пайке их на печатную плату стоит остерегаться попадания внутрь их корпуса паяльного флюса или промывочных жидкостей. И вообще, процесс настройки электронных узлов с помощью подстроечных резисторов - неблагодарное занятие. Для уменьшения затрат его пытаются автоматизировать, применяя программируемые резисторы, представляющие собой специальные микросхемы.
Так же большое распространение приобрела автоматизированная подгонка резисторов на заводе - она заключается в том, что пленка резистивного материала делается с запасом, а потом, при непрерывном измерении сопротивления, при помощи лазера или электроискровой установки удаляется лишний материал.
При нагреве полупроводников, тепловая энергия выгоняет из атомов дополнительные электроны в зону проводимости (т.е. состояние с энергией достаточной, чтобы перемещаться между атомами от атома к атому, что-то вроде преодоления космической скорости, нужного чтобы перемещаться между планетами). Проводимость полупроводника растет, и это позволяет измерять температуру. Для этого и предназначены терморезисторы или сокращенно - термисторы.
Выгонять электроны в зону проводимости в полупроводниках может не только тепловая, но и световая энергия. Прибор, эксплуатирующий это явление чтобы менять сопротивление в зависимости от света, называется фоторезистором (некоторые ошибочно называют этим словом фоторезист - материал, разрушаемый светом, применяемый в производстве печатных плат и микросхем).
Существуют также пьезорезисторы, используемые в сенсорах, измеряющих усилия и давления. Их сопротивление зависит от давления на материал. Также их называют тензорезисторами. С их можно измерять деформации механически связанных с ними элементов, силу, давление, вес, механические напряжения, крутящие моменты и пр. В реальности изменения сопротивления весьма малы и требуют прецизионных усилителей или АЦП.
Один из материалов применяемых в этих приборах представляет собой наночастицы, разделенные тончайшими (тоньше наночастиц!) стеклянными оболочками. Проводимость его определяется множеством параллельно и последовательно соединенных туннельных переходов между наночастицами. А ток в туннельном переходе экспоненциально зависит от расстояния между электродами (т.е. наночастицами), что позволяет делать пьезорезисторы очень чувствительными.
Еще бывают магниторезисторы, основанные на эффекте магнитосопротивления, т.е. зависимости сопротивления от силы и направления магнитного поля, присущей в той или иной мере всем без исключения веществам. Эти приборы служат датчиками магнитного поля. Даже сверхпроводники при определенном критическом значении магнитного поля обретают сопротивление и перестают быть сверхпроводниками. В металлах магнитосопротивление выражено слабо, а в полупроводниках - весьма ощутимо. В многослойных наноструктурах наблюдались различные интересные модификации этого эффекта, например так называемое гигантское магнитосопротивление, благодаря открытию и использованию которого человечество смогло хранить свою информацию на компьютерных жестких магнитных дисках.
Из таблицы проводимости мы видим, что графит обладает проводимостью близкой к нихрому. Это означает ,что резисторы можно рисовать простым карандашом - и они будут работать :)
Провод и светодиод просто втыкаются сквозь бумагу, но так чтобы контактировать с графитом. Светодиод горит - сопротивление нашего резистора составило 10,89 кОм.
Конечно, не обязательно было рисовать прямо символ резистора - можно было бы обойтись и просто линией (или любой другой фигурой). Кстати, по этой линии можно перемещать контакт - получится не что иное, как переменный резистор:
Такой способ включения переменного резистора позволяет установить в цепи заданный ток. Если же подключить полоску концами к плюсу и минусу, то перемещая средний контакт можно установить заданное напряжение.
Такая схема представляет собой делитель напряжения. А на сколько делить, как раз и устанавливается отношением сопротивления между минусом и подвижным контактом к сопротивлению всего резистора. Когда же надо делить напряжение на фиксированное число, часто используют просто два постоянных резистора, безо всяких подвижных контактов:
Надо сказать, что вообще далеко не все резисторы состоят из твердых тел. Существуют и жидкостные резисторы, где ток идет по жидкости. Такие резисторы, в частности применяются в высоковольтных системах, поскольку при пробое их искрой, тотчас же самовосстанавливаются, в отличие от своих твердотельных собратьев. Среди жидкостных резисторов есть и переменные - перемещение одного из электродов внутри жидкости обеспечивает постоянный хороший контакт, а значит отсутствие искрения и дребезга, которыми грешат твердотельные переменные резисторы с подвижным ползунком. Первый жидкостный переменный резистор на основе ртути построил для высокоточных измерений русский ученый Борис Якоби в середине XIX века. Интересно, что к этому он пришел постепенно, сначала для надежности контакта заменив ртутью только контактное колесико подвижного электрода, катившееся по неподвижному. А потом стал использовать ртуть и вместо всего неподвижного электрода.
Человеческое тело тоже имеет сопротивление, которое в зависимости от влажности кожи, состояния нервной системы, усталости и т.п. может изменяться в сотни раз, колеблясь от единиц до сотен тысяч Ом. На фото видно, что автор, хоть и устал и нервничает, но сопротивляется из последних Ом:
Поэтому напряжение, малочувствительное для одного, может убить другого. Опытами доказано, что ток около 0,01 А уже вызывает легкое раздражение нервной системы и даже судороги. При увеличении тока до 0,03 А мышцы могут потерять способность сокращаться, а при 0,06 А наступает паралич дыхательных органов. Смертельным считается ток около 0,1 А. Отсюда ясно почему максимальным безопасным для всех и каждого напряжением считается всего 36 вольт.
О газовых, плазменных и вакуумных резисторах мне ничего не известно. Но тенденция дробления рабочего тела на все более мелкие и несвязанные частицы, как то: твердое тело -> жидкость -> газ -> плазма -> свет практически в любой сфере техники приносила свои плоды: будь то ракетные двигатели, оружие, дисплеи, резка металлов, передача сообщений или энергии, хоть и не всегда сразу, но уверенно. Будет странно, если резистор избежит подобной участи. Возможно, следует присмотреться к таким явлениям, как коронный и тлеющий разряды в разряженных газах. У нас они обычно ассоциируются с высокими напряжениями, но это не совсем верно. Для разряда важно не напряжение а напряженность поля, то есть напряжение, деленное на расстояние между электродами. А оно, если постараться, может быть вообще «нано». Например, сегодня многие ученые проводят опыты с эмиссионными дисплеями на нанотрубках - там за счет того что нанотрубки имеют острейшие кончики, на них образуется высокая напряженность и электроны покидают нанотрубку при намного более низком напряжении, чем если бы это был металлический «просто электрод».
Кстати, о нанотрубках. К ним, как и к другим наноразмерным объектам не применима привычная нам формула R=ρL/S. Сопротивление нанорезистора вообще не особенно зависит от его длины, площади поперечного сечения и даже того, из каких именно атомов нанорезистор состоит. Оно у всех нанорезисторов равно одному и тому же значению: 12,9 кОм. Эту величину называют квантом сопротивления и получают по формуле R0=h/(2e2), где e - заряд электрона (1,6х10-19 Кл), а h - постоянная Планка (6,6х10-34 Дж*с). Более, того, при прохождении тока, нанорезистор не нагревается.
Это, казалось бы, антинаучное поведение, возникает по очень простой причине. Когда электроны текут сквозь обычный резистор, сопротивление обусловлено тем, что они то и дело врезаются в атомы кристаллической решетки. При этом есть некоторое среднее расстояние которое электрон успевает пролететь между столкновениями - длина свободного пробега электрона. Если резистор будет короче этой длины, то логично представить, что многие электроны, проходящие через него ни во что так и не успеют врезаться. А стало быть нет причин для нагрева и соблюдения традиционных «макроскопических» формул. Кроме того, согласно соотношению де Бройля, электроны проводимости представляют собой не только частицы, но и волны длиной около 6,2 нм. Поскольку диаметр нанотрубок и других нанообъектов меньше этого значения, электрон уже ведет там себя не как частица, а как волна, по свойствам чем-то похожая на световую или звуковую волну.
Чтобы проверить этот все-таки удивительный факт, ученые брали нанотрубки самой разной длины и диаметра и меряли их сопротивление, которое для всех нанотрубок в данном опыте оказалось равным 12,9 кОм. Ученые попытались сделать из нанотрубок переменный резистор остроумным способом - окуная нанотрубку в ртуть на заданную глубину - но из этого ничего не вышло - график показывает нам, что проводимость практически не зависит от длины участка нанотрубки, соединяющего поверхность ртути и электрод.
Источник рисунка: http://kbogdanov5.narod.ru/13.htm
Это объяснили тем, что нанорезисторы действительно лишены сопротивление (и нагрева), а сопротивляются греются только места их соединений с «макроскопическим миром». Из-за отсутствия нагрева нанотрубки способны пропускать через себя громадные плотности токов - провод сечением 1 мм2 из нанотрубок способен пропустить через себя ток в 100 000 ампер. Это вселяет большую надежду в конструкторов вычислительной техники, где как раз нужны маленькие и не греющиеся проводники.
Кто знает, может быть, нанотрубки или что-то в этом роде - и есть недостающее звено для создания новейших типов резисторов с невиданными свойствами. Этими свойствами могут быть рассеиваемая мощность, точность соответствия реального сопротивления заявленному, температурная стабильность, плавность и линейность регулировки (для переменных резисторов). Именно слабость твердотельных переменных резисторов по последнему пункту не позволяет применять их как самую дешевую и простую конструкцию датчика положения в точном машиностроении, например станках с ЧПУ и роботах. Ну не ртуть же в них заливать? Кстати, скорее всего нанотехнологии позволят создать «искусственную ртуть» из органических молекул - такую же жидкую и проводящую, но не столь вредную как привычная нам. Вот вам и еще одно направление развития резисторов будущего. Да какое там одно! Тут ведь целый букет направлений!
Комментируйте, пожалуйста, оказалась ли эта статья Вам интересной и полезной, нужны ли еще статьи в таком стиле?