ما هي المقاومة الكهربائية ؟

عند تطبيق فرق جهد على سلك أو دائرة بسيطة ينتج عنه تدفق تيار عبر السلك أو الدائرة. ويبقى السؤال، مع ذلك، ما الذي يحدد قيمة التيار الذي ينتج عند تطبيق جهد معين؟ لماذا يكون التيار أكبر في بعض الدوائر وأقل في دوائر أخرى؟ تكمن الإجابة في الحقيقة أن هناك معارضة لمرور الشحنات (التيار) في الدوائر الكهربائية تعتمد على مكونات الدائرة. هذه المعارضة لتدفق الشحنة عبر دائرة كهربائية، تسمى بالمقاومة.

تعريف المقاومة الكهربائية

يتم تعريف المقاومة الكهربائية بأنها المعارضة أو الممانعة التي يلقاها التيار الكهربائي عند تدفقه في الدائرة الكهربائية. حيث أن مرور التيار في سلك موصل ينتج عنه اصطدام الإلكترونات بذرات هذا السلك مما يسبب فقدان بعض طاقته ويعمل على تقييد مرور الإلكترونات الحرة. وكلما زادت الاصطدامات كلما كان مرور الإلكترونات أكثر صعوبة.

هذه الممانعة، بسبب الاصطدامات والاحتكاك بين الإلكترونات الحرة والإلكترونات الأخرى والأيونات والذرات في مسار الحركة، تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة، ترفع من درجة حرارة العنصر الكهربائي والوسط المحيط. فمثلًا الحرارة التي تشعر بها من السخان الكهربائي هي ببساطة بسبب مرور التيار عبر مادة عالية المقاومة.

وتعتبر المقاومة من العناصر الرئيسية المكونة للدائرة الكهربائية حيث تعتمد عليها قيمة بقية العناصر الأخرى مثل التيار والجهد وكذلك القدرة الكهربائية المستهلكة في الدائرة الكهربائية،

والمقاومة تمثل النسبة بين الجهد والتيار هذا التناسب أثبته العالم أوم. ومن قانون أوم نحصل على العلاقة التالية:
المقاومة = الجهد / التيار، R=V/I
التيار = الجهد / المقاومة، I=V/R

حيث إنه كلما ازدادت قيمة المقاومة تقل كمية التيار المار فيها والعكس صحيح فمثلا بعض المواد مثل البلاستيك والمطاط والخشب لها مقاومة كبيرة جدًا، وبالتالي تمنع مرور التيار خلالها بعكس النحاس والذهب والفضة التي لها مقاومة صغيرة جدًا وبالتالي تسمح بمرور التيار فيها.

رمز و وحدة قياس المقاومة

يُرمز للمقاومة في المعادلات بالحرف الإنجليزي R ويتخذ رمزها شكل حافة قطعة المنشار كما في الصورة التالية

أما وحدة قياس المقاومة فهي وحدة الأوم Ohm نسبة إلى العالم أوم ويتم التعبير عنه بالحرف اللاتيني أوميجا (omega (Ω

العوامل المؤثرة على المقاومة

تعتمد المقاومة الكهربائية على العوامل التالية:

1. طول الموصل Length

حيث كلما كان المسار الذي يجب أن تمر فيه الإلكترونات أكثر طولًا كلما كانت المقاومة أعلى.

2. مساحة المقطع Cross-section Area

كلما زادت مساحة المقطع للموصل كان مرور الإلكترونات أسهل فيها وبالتالي تنخفض معها قيمة المقاومة.

3. نوع المادة وتتمثل بالمقاومة النوعية ρ

لكل موصل مقاومة تعتمد على مادة الموصل ومقدار الشوائب الموجودة فيها وتسمى بالمقاومة النوعية ويرمز لها بالرمز ρ. وتعتمد مقاومة الموصل على هذه المقاومة النوعيـة

4. درجة الحرارة ,Temperature

كلما ارتفعت درجة حرارة المواد الموصلة، زاد الاهتزاز الداخلي وحركة المكونات التي تشكل التركيب الذري للسلك، وزادت صعوبة إيجاد الإلكترونات الحرة لمسار عبر المادة.

قانون المقاومة

ترتبط العوامل المؤثرة على المقاومة السابقة بالمعادلة الأساسية للمقاومة وتعطينا قانون المقاومة التالي:

R=ρ×l/A

حيث أن
ρ المقاومة النوعية وتعطى عند درجة حرارة ثابتة
l طول السلك الموصل
A مساحة المقطع للموصل

قانون أوم

ينص قانون أوم على أن التيار الكهربائي عبر الموصل يتناسب طرديًا مع فرق الجهد عبره. وتكون المقاومة الكهربائية للموصل ثابتة طالما أن درجة حرارة الموصل ثابتة. هذا يؤدي إلى المعادلة الرياضية: التالية

المقاومة = الجهد / التيار، R = V / I

حيث أن I هو التيار بالأمبير ، V الجهد بالفولت و R المقاومة بالأوم. للتوضيح: مقاومة قيمتها أوم واحد يتدفق فيها تيار قدره واحد أمبير 1A ولها فرق جهد قدره واحد فولت 1V عبر أطرافها.

تمت تسمية المعادلة السابقة باسم جورج أوم. في عام 1827 نشر النتائج التي توصل إليها والتي تشكل أساس الصيغة المستخدمة اليوم. أجرى سلسلة كبيرة من التجارب التي أظهرت العلاقة بين الجهد المطبق والتيار في موصل. ويعد قانون أوم أحد أساسيات الكهرباء.

المقاومة الكهربائية وقانون أوم

المقاومات هي عناصر سلبية (passive) تعمل على مقاومة تدفق التيار الكهربائي في الدائرة. المقاومة التي تعمل وفقًا لقانون أوم تسمى بالمقاومة الأومية. عندما يمر التيار عبر المقاومة الأومية، فإن انخفاض الجهد عبر أطرافها يتناسب مع قيمة المقاومة. تظل صيغة أوم صالحة أيضًا للدوائر ذات الجهد أو التيار المتردد، لذلك يمكن استخدامها لدوائر التيار المتردد أيضًا. بالنسبة للمحاثات (الملفات) والمكثفات، لا يمكن بالطبع استخدام القانون، لأن منحنى التيار والفولتية I-V الخاص بهم ليس بطبيعته خطي (وليس أومي).

قانون أوم صالح للدوائر ذات المقاومات المتعددة التي يمكن توصيلها على التوالي أو التوازي أو كليهما. يمكن تبسيط مجموعة المقاومات المتتالية أو المتوازية بمقاومة واحدة مكافئة.

العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة

تتغير المقاومة الكهربائية مع تغير درجة الحرارة. في الواقع، بالنسبة للأنواع المختلفة من المواد، يختلف مقدار التغيير في المقاومة بسبب التغير في درجة الحرارة على النحو التالي.

الموصلات أو المعادن النقية

تزداد مقاومة جميع المعادن النقية مثل التنجستن والنحاس والألمنيوم بشكل خطي مع ارتفاع درجة الحرارة على مدى درجة الحرارة الطبيعي. وفي درجات الحرارة المنخفضة، تكون الأيونات ثابتة الحركة تقريبًا. ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب الأيونات الموجودة داخل المعدن طاقة وتبدأ في التذبذب حول أماكنها الاعتيادية. وتصطدم هذه الأيونات المهتزة بالإلكترونات ومن ثم تزداد المقاومة مع زيادة درجات الحرارة. ويكون لها معامل حراري موجب

وعلى سبيل المثال مقاومة النحاس 100 أوم عند 0 درجة مئوية ثم تزداد خطيًا حتى 100 درجة مئوية. ‏وعند درجة حرارة -234.5 درجة مئوية، تصبح مقاومة النحاس صفر تقريبًا

الشوائب أو السبائك Alloy

تزداد مقاومة جميع السبائك تقريبًا مع زيادة درجة الحرارة ولكن معدل تغير المقاومة أقل من معدل تغير المعادن. وهذه الزيادة في المقاومة غير منتظمة وصغيرة نسبيًا.

أشباه الموصلات والعوازل

تتزايد مقاومة أشباه الموصلات والعوازل مع انخفاض درجة الحرارة، وعند درجة حرارة الصفر، تتصرف أشباه الموصلات كعازل مثالي. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب بعض الإلكترونات الطاقة وتزداد عدد حاملات الشحنة الحرة في المادة. وتصبح قابلة للتوصيل. وبالتالي تزداد الموصلية وتنخفض المقاومة مع زيادة درجة الحرارة.‌‌ ونتيجة لذلك فإن معامل درجة الحرارة لأشباه الموصلات سالب.

المواصفات الفنية للمقاومات

وهي المواصفات التي يجب أن تراعى عند استخدام أو استبدال أي مقاومة في دارة كهربائية:

• قيمة المقاومة: حيث تعبر عن القيمة المطلوبة بالأوم، أو الكيلو أوم، أو الميجا أوم.
• معامل درجة الحرارة: حيث تعبر عن التغير في قيمة المقاومة نتيجة تغير ارتفاع درجة حرارتها.
• الاستقرار: ويقصد به التقلب في قيمة المقاومة الذي يحصل تحت ظروف معينة وخلال فترة زمنية محددة، وهو يعد من الأعطال صعبة الاكتشاف.
• القدرة: حيث تعبر عن القدرة القصوى للمقاومة التي تستطع أن تبددها، وتصنع المقاومات الكربونية مثلا بمقررات قدرة تتراوح ما بين (W 2 ،1 ،0.5 ،0.25)، أو أعلى إذا كانت سلكية حرارية

أنواع المقاومة

• المقاومة الثابتة هي مقاومة لها قيمة محددة وثابتة لا يمكنك تغييرها يدويًا، مثل المقاومة الكربونية.
• المقاومة المتغيرة يتم صنعها بطريقة يمكن تغيير قيمتها يدويًا أو اتوماتيكي بفعل عامل مؤثر كالضوء أو الحرارة. مثل المقاومة المتغيرة والمقاومة الحرارية والمقاومة الضوئية.
• المقاومة الخطية هي مقاومة كهربائية يتغير فيها التيار والجهد وفقًا لقانون أوم، بمعنى أن أي تغير في قيمة الجهد ينتج عنه تغير في قيمة التيار يتناسب مع مقدار تغير الجهد. مثل المقاومة الكربونية والفلمية.
• المقاومة غير الخطية هي المقاومة التي يتغير الجهد والتيار فيها بطريقة لا تتوافق مع قانون أوم، بمعنى أن التغير في الجهد لا يتناسب مع التغير في التيار ولا يمكن استخدام قانون أوم مع هذا النوع من المقاومات، مثل المقاومة الضوئية.

دور المقاومة الكهربائية واستخداماتها

من أهم الاستخدامات المتكررة للمقاومات هي تحقيق القيمة المناسبة لجهد الدائرة، والحد من قيمة التيار المار في الدائرة وهناك تطبيقات كثيرة جدًا لها حيث توجد الكثير من أنواع المقاومات ولكل نوع استخدام معين تعرف عليها في مقال أنواع المقاومات الكهربائية الذي يشرحها بالتفصيل.‌‌