Почему толщина проволоки влияет на сопротивление?

Учитель объяснил почему, используя аналогию с шоссе. Чем больше дорожек, тем быстрее проезжают машины, где число полос, очевидно, представляет толщину проволоки, а машины - электроны. Достаточно просто.

Но после определенной точки проволока не должна становиться настолько толстой, что любая толщина после этого не влияет на сопротивление? Например, если у вас 100 машин, едущих по шоссе, 4-полосная трасса позволит автомобилям двигаться намного быстрее, чем 1-полосная, потому что на полосу меньше машин. Но шоссе с 1000 полосами движения будет таким же эффективным, как и шоссе с 10000 полосами, потому что на обоих шоссе каждая машина имеет свою полосу движения. После 100 дорожек количество полос не оказывает сопротивления.

Так почему увеличение толщины проволоки всегда уменьшает сопротивление?

Автомобильная аналогия не очень хорошая, так как электроны на самом деле не перетекают с одного конца провода на другой (хорошо, но очень медленно), и это подразумевает, что между автомобилями есть некоторое пространство, тогда как это будет больше похоже на пробку независимо от ширины шоссе.
Это больше похоже на линию бильярдных шаров, и сила прикладывается к первому, а энергия передается последнему через все промежуточные шары (немного похоже на колыбель ньютона, хотя шары на самом деле не отскакивают друг от друга ). Свободные электроны подпрыгивают, иногда им мешают (см. Ниже) с разностью потенциалов, вызывающей средний наклон к направлению тока.

Водная аналогия лучше - труба всегда полна воды, и для того же насоса (батареи) давление (напряжение) всегда ниже, чем шире труба, что соответствует большему потоку и меньшему сопротивлению.

Эта цитата со страницы Wiki по сопротивлению достаточно хорошо объясняет:

В металлах. Металл состоит из решетки атомов, каждая из которых имеет внешнюю оболочку из электронов, которые свободно отделяются от своих родительских атомов и проходят через решетку. Это также известно как положительная ионная решетка. 4
Это «море» диссоциируемых электронов позволяет металлу проводить электрический ток. Когда разность электрических потенциалов (напряжение) прикладывается к металлу, результирующее электрическое поле заставляет электроны перемещаться от одного конца проводника к другому.
Вблизи комнатных температур металлы имеют сопротивление. Основной причиной этого сопротивления является тепловое движение ионов. Это действует для рассеяния электронов (из-за разрушительной интерференции волн свободных электронов на некоррелирующие потенциалы ионов) [цитата необходима]. Также в сопротивлении металлов с примесями вносят свой вклад дефекты в решетке. В чистых металлах этот источник незначителен.
Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем больше электронов на единицу длины доступно для переноса тока. В результате сопротивление ниже в проводниках с большим поперечным сечением. Количество событий рассеяния, с которыми сталкивается электрон, проходящий через материал, пропорционально длине проводника. Следовательно, чем длиннее проводник, тем выше сопротивление. Различные материалы также влияют на сопротивление.

Я подойду к вашему вопросу немного по-другому, чтобы попытаться дать вам немного более интуитивное понимание того, почему сопротивление снижается.

Давайте сначала рассмотрим эквивалентное сопротивление простой цепи:

_{(источник: electronics.dit.ie )}

$\frac{1}{R_{Total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} ... \frac{1}{R_n}$

Вы можете увидеть это уравнение в учебнике, но вам может быть интересно: «Но вы добавили больше резисторов! Как это могло снизить сопротивление?».

$G = \frac{1}{R}$$G$$R$

Теперь эта часть интересна, посмотрите, что происходит, когда мы используем проводимость в уравнении сопротивления параллельной цепи.

$Conductance = G_{Total} = G_1 + G_2 + G_3 .. G_n = \frac{1}{R_{Total}}= \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} ... \frac{1}{R_n}$

Здесь мы видим, что проводимость увеличивается, когда вы добавляете больше резисторов параллельно, а сопротивление уменьшается! Каждый резистор способен проводить определенную величину тока. Когда вы добавляете резистор параллельно, вы добавляете дополнительный путь, по которому может течь ток, и каждый резистор вносит определенную величину проводимости.

Когда у вас более толстый провод, он действует как эта параллельная цепь. Представьте, что у вас есть один провод. У него есть определенная проводимость и определенное сопротивление. Теперь представьте, что у вас есть проволока, состоящая из 20 отдельных нитей, и каждая из них такая же толстая, как и ваша предыдущая отдельная жила.

Если каждая жила имеет определенную проводимость, то наличие провода с 20 жилами означает, что ваша проводимость теперь в 20 раз больше, чем у провода только с 1 жгутом. Я использую нити, потому что это помогает вам увидеть, как более толстый провод - это то же самое, что иметь несколько более мелких проводов. Поскольку проводимость увеличивается, это означает, что сопротивление уменьшается (так как это обратная проводимость).

Забудьте о аналогии с шоссе. Сопротивление проволоки зависит от 3 параметров: проводимости материала, из которого изготовлена ​​проволока, его площади поперечного сечения и его длины. Высокопроводящие материалы, такие как медь и серебро, используются для производства проволоки для достижения низкого сопротивления. Чем длиннее провод, тем большее сопротивление он имеет из-за более длинного пути, по которому электроны должны протекать, чтобы пройти от одного конца к другому. Чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление, поскольку электроны имеют большую площадь для протекания. Это будет применяться независимо от того, насколько толстый провод. Поток электронов будет регулироваться независимо от толщины проволоки.

Электричество - это не что иное, как поток электронов через материал. С одной стороны, это как садовый шланг, уже наполненный водой. Когда вода включается (давление подается) в кране, давление распространяется по шлангу намного быстрее, чем любая конкретная молекула воды, и вода начинает вытекать из дальнего конца почти сразу. Провод переполнен электронами, способными двигаться, когда вы прикладываете немного электродвижущей силы. Подайте напряжение, и вам не нужно ждать, пока первые электроны пройдут через провод, они начнут двигаться на дальнем конце почти сразу.

Теперь подумайте о поперечном сечении провода. , , Представьте себе, что проводите линию вокруг проволоки, перпендикулярно оси проволоки. Теперь представьте, что вы подсчитываете количество электронов, проходящих эту линию, через круг, который является поперечным сечением провода. Это ток, измеренный в амперах. Есть несколько способов получить одинаковый ток. Много электронов медленно дрейфуют, или меньше электронов, тянущих & &, чтобы получить то же число, проходящее через ваше поперечное сечение в секунду, и, следовательно, тот же ток.

Как вы убедите их двигаться быстрее? Приложите большую электродвижущую силу. Таким образом, в проводе с половиной диаметра у вас будет одна четверть площади поперечного сечения, что означает одну четвертую числа электронов, доступных на любой данной длине провода, чтобы пройти вашу линию в секунду. Что ты собираешься делать, чтобы поднять ток с меньшим количеством электронов, доступных для движения? Вам нужно будет перемещать их быстрее, чтобы одно и то же число могло проходить в секунду при подаче более высокого напряжения.

Вот вам и это: более тонкий провод требует более высокого напряжения для передачи того же тока. Это в значительной степени определение сопротивления, так как V/I = R.

Вы знаете, почему автомобильная аналогия не работает нормально? Даже если бы мы игнорировали возможность того, что электроны на самом деле не двигаются, вы бы снова воспринимали их как автомобили, но не по прямой линии! Они двигаются в случайных зигзагообразных дорожках. Следовательно; чем больше линий, тем меньше вероятность того, что машины когда-либо столкнутся даже с зигзагообразным путем.

Таким образом, вы молчаливо предполагали, что электроны движутся в звездных полосах (линиях) точно так же, как автомобили, что в таком случае означает, что толщина провода не повлияет. С другой стороны, учитывая, что автомобили движутся по неровным линиям, ваша предполагаемая гипотеза не будет соответствовать вашему заключению.

Учитель объяснил почему, используя аналогию с шоссе. Чем больше дорожек, тем быстрее проезжают машины, где число полос, очевидно, представляет толщину проволоки, а машины - электроны. Достаточно просто.

Что учитель должен был сказать:

• Предположим, что автомобили движутся с постоянной скоростью и с постоянным интервалом по полосе движения.
• Количество транспортных средств, проезжающих точку, будет пропорционально количеству полос движения.
• Увеличение количества полос движения не увеличивает скорость движения транспортных средств. (Не совсем так, потому что машины водят люди!)

Это большой вопрос! - Шоссе / автомобиль - отличная аналогия

В этой аналогии вы должны учитывать эти факторы.

Ваш дизайн будет иметь требования к напряжению - в нашей модели напряжение - это СКОРОСТЬ, с которой автомобили должны путешествовать.

Проект будет иметь требования к току - это количество автомобилей, необходимых для движения по шоссе. (или объем)

Размер / сопротивление провода - это ЧИСЛО ЛАН.

Мощность или мощность - это комбинация как напряжения * тока, так и количества автомобилей, едущих по шоссе в данный момент времени.

Шоссе должно быть спроектировано так, чтобы соответствовать техническим требованиям как по скорости, так и по объему. Если вы предъявляете очень малые требования к току, скажем, 1 автомобиль, вам понадобится только одна трасса с одной полосой движения, потому что ваша банка может двигаться как можно быстрее (высокое напряжение). Но если у вас высокие требования к току, 10000 автомобилей, вам понадобится шоссе с 100 полосами движения. (в зависимости от требований к питанию)

Но возьмем, к примеру, энергосистему - линию электропередач для города с населением 1 миллион человек. Это примерно 300 000 домашних хозяйств, каждое из которых потребляет 1 кВт электроэнергии. Это означает, что наша линия должна обеспечивать мощность 3 ГВт! Вы можете сделать это с помощью 1 В @ 3 гига, или 3 ГВ @ 1 А, или что-то среднее.

Какое напряжение / ток потребуются для того, чтобы линия электропередачи была как можно меньше?