와이어의 두께가 저항에 영향을 미치는 이유는 무엇입니까?

교사는 고속도로 비유를 사용하여 이유를 설명했습니다. 차선이 많을수록 차가 더 빨리 통과합니다. 차선 수는 분명히 전선 두께를 나타내고 차는 전자를 나타냅니다. 충분히 쉽다.

그러나 특정 지점 후에 와이어가 너무 두꺼워 져서는 안되며 그 이후의 두께는 저항에 영향을 미치지 않습니까? 예를 들어, 고속도로를 내려가는 100 대의 자동차가있는 경우, 4 차선 고속도로는 차선 당 차수가 적기 때문에 자동차가 1 차선 고속도로보다 훨씬 빠르게 이동할 수 있습니다. 그러나 두 차선에는 모든 차에 자체 차선이 있기 때문에 1000 차선 고속도로 고속도로는 10000 차선 고속도로만큼 효율적입니다. 100 레인 후, 레인 수는 저항을 제공하지 않습니다.

그렇다면 와이어 두께를 늘리면 항상 저항이 감소 하는 이유는 무엇입니까?

전자가 실제로 전선의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 흐르지 않기 때문에 (차가 굉장히 느리게 진행됨) 자동차 사이에 약간의 공간이 있음을 의미하기 때문에 자동차 유추는 그리 좋지 않습니다. 고속도로 폭에 관계없이 교통 체증과 비슷합니다.
그것은 당구 공의 선과 같으며 첫 번째 공에 힘이 가해지며 모든 중간 공을 통해 에너지가 마지막 공으로 전달됩니다 (공은 서로 튕겨 나지 않지만 뉴턴 요람과 약간 비슷합니다) ). 자유 전자는 주변으로 튀어 오며 때때로 전류 방향에 대한 평균 경사를 유발하는 전위차로 방해를받습니다 (아래 참조).

물의 비유가 더 좋습니다. 파이프는 항상 물로 가득 차고 동일한 펌프 (배터리)의 경우 압력 (전압)이 항상 파이프보다 넓을수록 더 많은 유량과 더 낮은 저항과 같습니다.

저항력 에 관한 Wiki 페이지의 인용문은 다음과 같이 합리적으로 잘 설명되어 있습니다.

금속에서-금속은 원자 격자로 구성되며, 각 원자는 부모 원자와 자유롭게 분리되어 격자를 통과하는 외부 전자 껍질을 갖습니다. 이것은 또한 양이온 격자로도 알려져 있습니다. 4
해리 가능한 전자의이 '바다'는 금속이 전류를 전도하게합니다. 전위차 (전압)가 금속을 가로 질러 가해지면, 결과적인 전기장은 전자가 도체의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하게합니다.
실온 근처에서 금속은 저항이 있습니다. 이 저항의 주요 원인은 이온의 열 운동입니다. 이것은 전자를 산란시키는 역할을한다 (비 상관 된 이온 전위에서 자유 전자파의 파괴적인 간섭으로 인해) [인용 필요]. 또한 불순물을 갖는 금속의 저항에 기여하는 것은 격자의 결함을 초래한다. 순수한 금속에서이 공급원은 무시할 만하다 [인용 필요].
도체의 단면적이 클수록 단위 길이 당 더 많은 전자가 전류를 전달할 수 있습니다. 결과적으로, 저항이 더 큰 단면 도체에서 낮아집니다. 물질을 통과하는 전자가 만나는 산란 사건의 수는 도체의 길이에 비례합니다. 따라서 도체가 길수록 저항이 높아집니다. 다른 재료도 저항에 영향을줍니다.

나는 저항이 무너지는 이유를 조금 더 직관적으로 이해하려고 시도하는 약간 다른 방법으로 귀하의 질문에 접근 할 것입니다.

먼저 간단한 회로의 등가 저항을 고려해 보겠습니다.

_{(출처 : electronics.dit.ie )}

저항이 병렬 일 때 (그림의 하단 회로) 총 저항은 다음과 같습니다.$\frac{1}{R_{Total}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} ... \frac{1}{R_n}$

교과서에서이 방정식을 볼 수 있지만 "하지만 더 많은 저항을 추가했습니다! 어떻게 저항이 떨어질 수 있습니까?"

이유를 이해하기 위해 전기 컨덕턴스를 살펴 보겠습니다. 컨덕턴스는 저항의 역수입니다. 즉, 재료의 저항이 적을수록 전도성이 높아집니다. 컨덕턴스는 로 정의됩니다. 여기서 는 컨덕턴스이고 은 저항입니다.$G = \frac{1}{R}$$G$$R$

이제이 부분은 흥미 롭습니다. 병렬 회로 저항 방정식에서 컨덕턴스를 사용할 때 어떤 일이 발생하는지보십시오.

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

여기서 더 많은 저항을 병렬로 추가할수록 컨덕턴스가 증가하고 저항이 감소합니다. 각 저항은 일정량의 전류를 전도 할 수 있습니다. 병렬로 저항을 추가하면 전류가 흐를 수있는 경로가 추가되고 각 저항이 일정량의 컨덕턴스에 기여합니다.

더 두꺼운 와이어가 있으면 효과적으로이 병렬 회로처럼 작동합니다. 단일 와이어 가닥이 있다고 상상해보십시오. 그것은 특정한 컨덕턴스와 저항을 가지고 있습니다. 이제 20 개의 개별 스트랜드로 구성된 와이어가 있고 각 스트랜드가 이전 단일 스트랜드만큼 두껍습니다.

각 스트랜드에 특정 컨덕턴스가있는 경우 20 스트랜드의 와이어를 갖는 것은 컨덕턴스가 이제 1 스트랜드의 와이어보다 20 배 더 크다는 것을 의미합니다. 스트랜드를 사용하면 두꺼운 와이어가 여러 개의 작은 와이어를 갖는 것과 동일한 지 확인할 수 있습니다. 컨덕턴스가 증가하기 때문에 저항이 감소한다는 것을 의미합니다 (컨덕턴스의 반대이므로).

고속도로 비유를 잊어 버리십시오. 와이어의 저항은 와이어를 만드는 재료의 전도성, 단면적 및 길이의 3 가지 매개 변수에 따라 다릅니다. 구리 및은과 같은 전도성이 높은 재료는 낮은 저항을 달성하기 위해 와이어를 제조하는 데 사용됩니다. 와이어가 길수록 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전자가 흐르도록 길어야하기 때문에 저항이 커집니다. 단면적이 클수록 전자는 더 큰 면적을 통과하기 때문에 저항이 낮아진다. 이것은 와이어의 두께에 관계없이 계속 적용됩니다. 전자 흐름은 와이어 두께에 상관없이 스스로 조정됩니다.

전기는 물질을 통한 전자의 흐름에 지나지 않습니다. 한 가지 방법으로, 그것은 이미 물이 가득한 정원 호스와 같습니다 . 수도꼭지에서 물이 켜지면 (압력이 가해 짐) 압력이 특정 물 분자보다 훨씬 빠르게 호스를 통과하여 물이 원단에서 거의 즉시 흘러 나오기 시작합니다. 약간의 기전력을 가하면 와이어가 움직일 수있는 전자들로 가득 차 있습니다. 전압을 적용하면 와이어를 가로 지르는 첫 번째 전자를 기다릴 필요가 없습니다.

이제 와이어의 단면을 생각하십시오. . . 와이어 축에 수직으로 와이어 주위에 선을 그리는 것을 상상해보십시오. 이제이 선을 통과하는 전자의 수를 와이어의 단면 인 원을 통해 세는 것을 상상해보십시오. 전류는 암페어 단위로 측정됩니다. 동일한 전류를 가질 수있는 몇 가지 방법이 있습니다. 많은 전자가 느리게 표류하며, 전자가 a &&를 운반하면 초당 동일한 수의 단면을 통과하여 동일한 전류를 얻습니다.

그들이 더 빨리 움직 이도록 어떻게 확신합니까? 더 큰 기전력을가하십시오. 따라서 지름이 절반 인 와이어에서는 단면적의 1/4이됩니다. 즉, 주어진 와이어 길이에서 초당 전자를 통과 할 수있는 전자 수의 1/4을 의미합니다. 이동할 수있는 전자 수가 적어 전류를 높이려면 어떻게해야합니까? 더 높은 전압을 적용하여 동일한 숫자가 초당 통과 할 수 있도록 더 빠르게 이동해야합니다.

배선이 얇을수록 동일한 전류를 전달하기 위해 더 높은 전압이 필요합니다. 그것은 저항의 정의와 거의 같습니다 V/I = R.

왜 자동차 비유가 잘 작동하지 않는지 아십니까? 우리가 전자가 실제로 움직이지 않을 가능성을 무시하더라도, 당신은 다시는 자동차가 아니라 직선으로 움직이지 않을 것입니다! 그들은 임의의 지그재그 경로로 움직입니다. 따라서; 라인이 많을수록 자동차가 지그재그 경로와 충돌 할 가능성이 줄어 듭니다.

그래서 당신은 전자가 자동차처럼 별이 빛나는 차선 (선)으로 움직이는 것을 암묵적으로 가정했습니다.이 경우 와이어의 두께는 영향을 미치지 않을 것이라는 가정입니다. 반면에, 직선이 아닌 선으로 이동하는 자동차를 고려하면, 가정이 가정에 맞지 않을 것입니다.

교사는 고속도로 비유를 사용하여 이유를 설명했습니다. 차선이 많을수록 차가 더 빨리 통과합니다. 차선 수는 분명히 전선 두께를 나타내고 차는 전자를 나타냅니다. 충분히 쉽다.

교사가 말해야 할 것은 :

• 자동차가 일정한 차선으로 고속도로 차선에서 일정한 간격으로 주행한다고 가정합니다.
• 한 지점을 지나는 차량의 양은 차선 수에 비례합니다.
• 차선 수를 늘려도 차량 속도는 증가하지 않습니다. (자동차는 사람들이 운전하기 때문에 사실이 아닙니다!)

이것은 좋은 질문입니다! -고속도로 / 자동차는 훌륭한 비유입니다

이 비유에서 이러한 요소를 고려해야합니다.

귀하의 설계에는 전압이 필요합니다. 모델에서 전압은 자동차가 주행하는 데 필요한 속도입니다.

이 설계에는 전류 요구 사항이 있습니다. 고속도로를 주행하는 데 필요한 차량 수는 NUMBER입니다. (또는 볼륨)

와이어 크기 / 저항은 LAN의 수입니다.

와트 수 또는 전력은 전압 * 전류 또는 주어진 시간에 고속도로를 주행하는 차량 수의 조합입니다.

고속도로는 속도와 부피에 대한 사양을 충족하도록 설계되어야합니다. 자동차 1 대와 같이 매우 작은 전류 요구 사항이있는 경우 가능한 한 빨리 이동할 수 있기 때문에 1 차선 고속도로 만 있으면됩니다 (고전압). 그러나 높은 전류 요구 사항, 10,000 대의 자동차가 있다면 100 차선 고속도로가 필요합니다. (전원 요구 사항에 따라 다름)

그러나 전력망은 백만 명의 도시를위한 송전선입니다. 그것은 각각 대략 1kw의 전력을 사용하는 대략 300,000 가구입니다. 그것은 우리의 라인이 3 기가 와트의 전력을 공급해야한다는 것을 의미합니다! 1 V @ 3 기가-암페어, 또는 3 GV @ 1 amp 또는 그 사이의 무언가로이를 수행 할 수 있습니다.

전송 라인을 최대한 작게하려면 어떤 전압 / 전류가 필요합니까?