비선형 전도

“질문에 답하면 발전이 이루어집니다. 발견은 질문에 대한 답변을 통해 이루어집니다.”

—Bernhard Haisch, 천체 물리학자

옴의 법칙은 전기 회로를 분석하는 데 도움이 되는 간단하고 강력한 수학적 도구이지만 한계가 있으며 실제 회로에 올바르게 적용하려면 이러한 한계를 이해해야 합니다. 대부분의 도체에서 저항은 전압이나 전류의 영향을 거의 받지 않는 다소 안정적인 속성입니다.

이러한 이유로 우리는 전압과 전류가 서로 직접적으로 관련되어 있는 많은 회로 구성요소의 저항을 상수로 간주할 수 있습니다.

예를 들어, 3Ω 램프가 있는 이전 회로 예에서 전압을 저항(I=E/R)으로 나누어 회로를 통과하는 전류를 계산했습니다. 18볼트 배터리로 회로의 전류는 6암페어였습니다. 배터리 전압을 36볼트로 두 배로 늘리면 전류가 12암페어로 두 배로 늘어납니다.

물론 램프가 램프를 통과하는 전류 흐름에 정확히 동일한 양의 마찰(저항)을 계속 제공하는 한(3Ω) 이 모든 것이 의미가 있습니다.

저항 변화에 대한 전압-전류 관계

그러나 현실은 항상 이렇게 간단하지 않습니다. 이후 장에서 탐구하는 현상 중 하나는 도체 저항이 변화하는 현상입니다. 온도로. 백열등(가는 필라멘트를 전류가 흐르게 하여 백색으로 빛날 정도로 가열하는 원리를 이용한 램프)에서 필라멘트 선의 저항은 상온에서 동작 온도까지 따뜻해짐에 따라 극적으로 증가합니다. /P>

실제 램프 회로에서 공급 전압을 높이면 결과적으로 전류가 증가하면 필라멘트의 온도가 상승하여 필라멘트의 저항이 증가하여 배터리 전압을 더 이상 증가시키지 않으면서 전류가 더 이상 증가하는 것을 방지할 수 있습니다. .

결과적으로 백열 램프 필라멘트 저항이 다른 전류에 대해 안정적으로 유지되지 않기 때문에 전압과 전류는 간단한 방정식 "I=E/R"(R은 3Ω으로 가정)을 따르지 않습니다.

온도 변화에 따라 저항이 변하는 현상은 거의 모든 금속에서 공통적으로 나타나는 현상으로 대부분의 와이어를 구성합니다. 대부분의 애플리케이션에서 이러한 저항 변화는 무시할 수 있을 만큼 충분히 작습니다. 금속 램프 필라멘트를 적용하면 변화가 꽤 큽니다.

이것은 전기 회로의 "비선형성"의 한 예일 뿐입니다. 이것은 결코 유일한 예가 아닙니다. 수학에서 "선형" 함수는 그래프에 표시될 때 직선을 추적하는 함수입니다. 일정한 필라멘트 저항이 3Ω인 램프 회로의 단순화된 버전은 다음과 같은 플롯을 생성합니다.

전압에 대한 전류의 직선 플롯은 저항이 광범위한 회로 전압 및 전류에 대해 안정적이고 변하지 않는 값임을 나타냅니다. "이상적인" 상황에서는 그렇습니다. 확실하고 안정적인 저항값을 제공하도록 제조된 저항기는 위에서 본 값의 플롯과 매우 유사하게 동작합니다. 수학자는 그들의 행동을 "선형"이라고 부릅니다.

그러나 여러 다른 배터리 전압 값에 대해 램프 회로를 보다 현실적으로 분석하면 다음과 같은 형태의 플롯이 생성됩니다.

플롯은 더 이상 직선이 아닙니다. 전압이 0에서 낮은 수준으로 증가함에 따라 왼쪽에서 급격히 상승합니다. 오른쪽으로 진행함에 따라 라인이 평평해지는 것을 볼 수 있으며, 동일한 전류 증가를 달성하기 위해 더 많은 전압 증가가 필요한 회로입니다.

위에 표시된 전압 및 전류 값으로 이 램프 회로의 저항을 찾기 위해 옴의 법칙을 적용하려고 하면 몇 가지 다른 값에 도달합니다. 여기서 저항은 비선형이라고 말할 수 있습니다. , 전류 및 전압이 증가함에 따라 증가합니다. 비선형성은 램프 필라멘트의 금속선에 고온의 영향으로 인해 발생합니다.

비선형 전류 전도의 또 다른 예는 공기와 같은 가스를 통하는 것입니다. 표준 온도와 압력에서 공기는 효과적인 절연체입니다. 그러나 에어 갭으로 분리된 두 도체 사이의 전압이 충분히 증가하면 갭 사이의 공기 분자가 "이온화"되어 와이어 사이의 높은 전압의 힘에 의해 전자가 벗겨집니다.

일단 이온화되면 공기(및 기타 가스)는 우수한 전기 전도체가 되어 이온화 이전에는 존재할 수 없는 전자 흐름을 허용합니다. 램프 회로에서와 같이 전류 과전압을 그래프에 표시하면 이온화 효과가 비선형으로 명확하게 표시됩니다.

표시된 그래프는 작은 에어 갭(1인치 미만)에 대한 근사치입니다. 더 큰 에어 갭은 더 높은 이온화 포텐셜을 생성하지만 I/E 곡선의 모양은 매우 유사합니다. 이온화 포텐셜에 도달할 때까지 실질적으로 전류가 흐르지 않고 그 후에 상당한 전도가 발생합니다.

덧붙여서 이것이 번개가 전자의 연속적인 흐름이 아니라 순간적인 서지로 존재하는 이유입니다. 지구와 구름 사이(또는 다른 구름 세트 사이)에 축적된 전압은 공기가 상당한 전자 흐름을 지원할 만큼 충분히 이온화되기 전에 공극의 이온화 전위를 극복하는 지점까지 증가해야 합니다.

일단 그렇게 하면 전류는 두 지점 사이의 정전기가 고갈될 때까지 이온화된 공기를 통해 계속 전도됩니다. 전압이 다른 임계점 아래로 떨어질 정도로 전하가 충분히 고갈되면 공기는 탈이온화되고 극도로 높은 저항의 정상 상태로 돌아갑니다.

많은 고체 절연 재료는 유사한 저항 특성을 나타냅니다. 임계 임계값 전압 아래에서 전류 흐름에 대한 매우 높은 저항은 그 임계값을 초과하는 전압에서 훨씬 더 낮은 저항입니다.

고체 절연 재료가 고전압 고장에 의해 손상되면 , 소위 말하는 대부분의 가스와 달리 이전의 절연 상태로 돌아가지 않는 경우가 많습니다. 저전압에서 다시 한번 절연될 수 있지만, 항복 임계 전압이 더 낮은 수준으로 감소하여 향후 항복이 더 쉽게 발생할 수 있습니다.

이것은 고전압 배선의 일반적인 고장 모드인 고장으로 인한 절연 손상입니다. 이러한 고장은 고전압(1000볼트 이상)을 사용하는 특수 저항계를 사용하여 감지할 수 있습니다.

비선형 저항이 있는 구성요소

비선형 저항 곡선을 제공하도록 특별히 설계된 회로 구성요소가 있으며 그 중 하나가 바리스터입니다. . 일반적으로 산화아연 또는 탄화규소와 같은 화합물로 제조되는 이 장치는 특정 "발화" 또는 "파괴" 전압(에어 갭의 "이온화 전위"와 동일)에 도달할 때까지 단자에서 높은 저항을 유지합니다. 저항이 급격히 감소합니다.

절연체의 고장과 달리 바리스터의 고장은 반복 가능합니다. 즉, 반복적인 고장을 고장 없이 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 바리스터의 사진이 여기에 표시됩니다.

번개에 의한 공기 이온화에서 작동하는 것과 동일한 원리를 이용하여 거의 동일한 작업을 수행하도록 설계된 특수 가스 충전 튜브도 있습니다.

다른 전기 부품은 이보다 훨씬 더 이상한 전류/전압 곡선을 보입니다. 일부 기기는 실제로 감소를 경험합니다. 인가 전압이 증가할 때의 전류 . 이 현상에 대한 전류/전압의 기울기는 음(왼쪽에서 오른쪽으로 진행함에 따라 위쪽이 아닌 아래쪽으로 기울어짐)이기 때문에 음의 저항이라고 합니다. .

가장 주목할만한 것은 tetrodes로 알려진 고진공 전자관입니다. 및 Esaki 로 알려진 반도체 다이오드 또는 터널 다이오드는 인가 전압의 특정 범위에 대해 음의 저항을 나타냅니다.

옴의 법칙은 저항이 전압 및 전류에 따라 변하는 이와 같은 구성요소의 동작을 분석하는 데 그다지 유용하지 않습니다. 일각에서는 '옴의 법칙'이 보편적이지 않기 때문에 '법칙'에서 강등돼야 한다고 주장하기도 했다. 방정식(R=E/I)을 저항의 정의라고 부르는 것이 더 정확할 수 있습니다. , 좁은 범위의 조건에서 특정 등급의 재료에 적합합니다.

그러나 학생의 이익을 위해 예제 회로에 지정된 저항은 다음과 같다고 가정합니다. 달리 명시되지 않는 한 광범위한 조건에서 안정적입니다. 전기 현상 전체가 몇 가지 간단한 방정식으로 요약될 수 있다는 잘못된 인상을 주지 않도록 실세계의 복잡성을 조금 알려드리고 싶었습니다.

검토:

<울>

대부분의 전도성 재료의 저항은 광범위한 조건에서 안정적이지만 모든 재료에 해당되는 것은 아닙니다.

그래프에 직선으로 표시할 수 있는 모든 함수를 선형 기능. 저항이 안정적인 회로의 경우 전압에 대한 전류 플롯은 선형(I=E/R)입니다.

저항이 전압이나 전류의 변화에 ​​따라 변하는 회로에서 전압에 대한 전류의 플롯은 비선형이 됩니다. (직선 아님).

바리스터 양단에 가해지는 전압의 양에 따라 저항을 변경하는 구성 요소입니다. 전압이 낮기 때문에 저항이 높습니다. 그런 다음 특정 "고장" 또는 "발화" 전압에서 저항이 급격히 감소합니다.

부정적 저항 구성 요소를 통과하는 전류는 구성 요소에 적용된 전압이 증가함에 따라 실제로 감소합니다. 일부 전자관 및 반도체 다이오드(특히 tetrode 튜브와 Esaki 또는 터널 다이오드)는 특정 전압 범위에서 음의 저항을 나타냅니다.

관련 워크시트:

<울>

네거티브 저항 워크시트

저항 온도 계수 워크시트