Η έννοια της αντίστασης

Ένας φυσικός μεταλλικός αγωγός μπορεί να θεωρηθεί σαν στοιχείο κυκλώματος, διότι όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, εμφανίζεται τάση (διαφορά δυναμικού) στα άκρα του, έστω και μικρή. Πράγματι έχουμε κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας καθώς διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτόν, που εμφανίζεται σαν θερμότητα μέσα στον αγωγό και γι’ αυτό θεωρείται στοιχείο κυκλώματος.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα αγωγό, κατά την κίνηση τους, συναντούν ένα είδος αντίστασης, όπως έχουμε με ανάλογο τρόπο με την μηχανική τριβή. Η ηλεκτρική πηγή σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο μέσα στους αγωγούς, με αποτέλεσμα να ασκείται ηλεκτρική δύναμη στα ελεύθερα ηλεκτρόνια και η ηλεκτρική ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος να μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται στους αγωγούς συγκρούονται με τα άτομα των μεταλλικών αγωγών, με αποτέλεσμα να χάνουν ενέργεια και η κινητική τους ενέργεια (η οποία αναπληρώνεται με την ηλεκτρική ενέργεια του ηλεκτρικού ρεύματος) να μετατρέπεται σε θερμότητα, με την αύξηση του πλάτους των ταλαντώσεων των ατόμων των αγωγών. Την απώλεια ενέργειας λόγω των συγκρούσεων των ελεύθερων ηλεκτρονίων, την περιγράφουμε μακροσκοπικά με την έννοια της αντίστασης του υλικού.

Η τιμή της ηλεκτρικής αντίστασης διαφέρει σημαντικά από υλικό σε υλικό. Τα υλικά που παρουσιάζουν μικρή αντίσταση στη ροή του ρεύματος, ονομάζονται αγωγοί, ενώ αυτά που παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση ονομάζονται μονωτές. Ο διαθέσιμος αριθμός ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου σε ένα υλικό, καθορίζει σε μεγάλο βαθμό και την ηλεκτρική του συμπεριφορά. Καλοί αγωγοί είναι τα μέταλλα, όπως ο χαλκός, ο άργυρος κ.ά. που περιέχουν ένα μεγάλο αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου, σε αντίθεση με τους μονωτές όπως π.χ. το πλαστικό, το ξύλο κ.ά. τα οποία περιέχουν ελάχιστα ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου.

Ο νόμος του Ohm

Ο νόμος του Ohm συνδέει τα τρία βασικά μεγέθη: τάση, ρεύμα και αντίσταση για ένα αντιστάτη. Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, το πηλίκο της διαφοράς δυναμικού (τάσης) προς το ρεύμα που διαρρέει τον αντιστάτη, είναι σταθερό και ίσο με την ωμική αντίσταση του αντιστάτη: R=V/I. Μπορούμε να γράψουμε το νόμο του Ohm και με τη σχέση V=R·I που δηλώνει πως η τάση στα άκρα του αντιστάτη είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα που τον διαρρέει. Μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι το 1Ω .

Στα ηλεκτρονικά, με τον όρο αντίσταση εννοούμε ένα αγωγό συνήθως μικρής διατομής και μεγάλου μήκους του οποίου η ωμική αντίσταση εξαρτάται από το υλικό του και επιπλέον είναι ευθέως ανάλογη του μήκους l του αγωγού και αντιστρόφως ανάλογη της διατομής του S. Δηλαδή η ωμική αντίσταση του αγωγού, σε συνάρτηση με τα φυσικά χαρακτηριστικά του, διατυπώνεται με τη σχέση:

R = ρ·(l / S)

Ορισμός του γραμμικού αντιστάτη

Όταν η εξίσωση του νόμου του Ohm σχεδιαστεί στους άξονες V προς Ι προκύπτει ευθεία γραμμή, που διέρχεται από την αρχή των αξόνων. Η εξίσωση είναι μια γραμμική εξίσωση και θα την θεωρήσουμε σαν τον ορισμό του γραμμικού αντιστάτη. Έτσι αν ο λόγος του ρεύματος και της τάσης που σχετίζονται με οποιαδήποτε στοιχείο ρεύματος είναι μια σταθερά, τότε το στοιχείο είναι ένας γραμμικός αντιστάτης και έχει αντίσταση ίση με το λόγο της τάσης προς την ένταση.

Έμφαση πρέπει να δοθεί πάλι στο ότι ο γραμμικός αντιστάτης είναι ένα εξιδανικευμένο στοιχείο κυκλώματος. Είναι ένα μαθηματικό μοντέλο μιας φυσικής συσκευής. Οι “αντιστάτες” μπορούν εύκολα να αγοραστούν και να κατασκευαστούν, αλλά γρήγορα θα γίνει αντιληπτό ότι ο λόγος της τάσης προς το ρεύμα αυτής της φυσικής συσκευής είναι σταθερός σε λογικό βαθμό μόνο μέσα σε συγκεκριμένες περιοχές έντασης, τάσης ή ισχύος και εξαρτάται από την θερμοκρασία και άλλους περιβαλλοντολογικούς παράγοντες.

Συνήθως θα αναφέρουμε ένα γραμμικό αντιστάτη απλά σαν ένα αντιστάτη χρησιμοποιώντας τον μακρύτερο όρο μόνο όταν πρέπει να δοθεί έμφαση στη γραμμική φύση του στοιχείου. Στα ηλεκτρονικά θα αναφέρουμε τον αντιστάτη με τον όρο «αντίσταση»

Το σχήμα παρουσιάζει το πιο συνηθισμένο σύμβολο κυκλώματος που χρησιμοποιείται για ένα αντιστάτη. Ο νόμος του Ohm γράφεται ικανοποιόντας την σύμβαση του παθητικού προσίμου, σύμφωνα με την οποία η (συμβατική) φορά του ρεύματος και η πολικότητα αναφοράς της τάσης στα άκρα του αντιστάτη, είναι τέτοια ώστε η κατεύθυθυνση του ρεύματος που είσέρχεται στο στοιχείο είναι προς τον θετικά σημειούμενο ακροδέκτη.

Σε αυτή την περίπτωση που ικανοποιείται η σύμβαση παθητικού προσήμου, το γινόμενο του V και του Ι δίνει την ισχύ που απορροφάται από τον αντιστάτη. Η απορροφούμενη ισχύς εμφανίζεται με φυσικό τρόπο σαν θερμότητα και είναι πάντοτε θετική. Ένας αντιστάτης είναι ένα παθητικό στοιχείο το οποίο δεν μπορεί ή να αποδώσει ισχύ ή να αποθηκεύσει ενέργεια. Εναλλακτικές εκφράσεις για την απορροφούμενη ισχύ, είναι:

P = V·I = I²·R = V² / R