Elektrisk motstand

Alle vanlege material som leiar elektrisitet, oppviser fenomenet elektrisk motstand. Dette inneber at elektrisk straum som passerer gjennom materialet, taper energi. Vi kallar gjerne dette for dissipasjon. Energitransporten er dissipativ, dvs forbunden med tap av energi. Kva er så årsaka til dette ?

For å forstå dette fysiske fenomenet, må vi ta utgangspunkt i at materialet, vanlegvis metall eller halvleiar, er bygd opp av atom, eller ionar. Vanlegvis tenker vi på straumtransport ved vanlege inne- eller ute- temperaturar. Desse temperaturane vil vanlegvis vere i området frå minus 30 til pluss 30 grader celsius. Men denne variasjonen gjer ikkje så stor skilnad. Motstanden i tråden varierer lite mellom desse temperaturane, men tapet den medfører er betydeleg. Det er denne motstanden som bestemmer kva dimensjonar vi må ha på leidningane i huset vi bur i, og elles. Og det totale overføringstapet av på det norske kraftnettet utgjer over 8% av all kraft vi produserer. Dette er formidable energimengder. Noko av det går tapt i transformatorar, men mesteparten er tap på grunn av motstand i metalltråden. Kva er så årsaka ?

Kjøler vi ned metallet, til dømes aluminium som vi brukar så mykje til kraftoverføring, vil vi finne at motstanden minkar, og at den minkar raskare pr grad avkjøling jo lågare temperaturen blir. Når vi veit at alle stoff er bygde opp av atom, eller ionar, så er spranget ikkje så langt til å innsjå at det er rørsla i nettopp desse, og defektar i materialet, som er årsaka til energitapet.

Det vil naturleg nok vere slik at jo sterkare rørsle der er i atoma, di oftare kollidere leiingselektrona som fører straumen, og for kvar slik kollisjon vil elektrona gje frå seg energi til atoma dei støyter mot. Dette er illustrert i figur a) og b).

Figur a): Her ser vi situasjonen i ein viss augneblink ved relativt høg temperatur, med store atomære utsving i atom(fjern i atom) frå likevekt.

Figur b): Vi ser situasjonen ved låg temperatur der atomære svingingar er sterkt reduserte. Nå vil elektrona kollidere mykje sjeldnare, og tapet er sterkt redusert. Likevel vil motstanden aldri bli null fordi der alltid vil vere defektar, dvs feil i gitteret som gir ei viss spreiing av eletrona, og dermed tap.

Under desse tilhøva gjeld alltid Ohms lov, som seier at spenning er like motstand gonger straum, eller enklare: For å drive ein viss straum, I, gjennom materialet, må vi bruke ein spenning V som er proporsjonal med straumen. Proporsjonalitetskonstanten er det vi kallar motstand, eller resistans R. Vi har altså:

V=RI

Alt dette gjeld i normalt metall, slik vi er van med i vanlege metall som kopar, aluminium, sølv, gull, bly, tinn osv. Men når nokre av desse blir kjølde ned til temperaturar berre få grader over det absolutte nullpunkt, -273,15 C, skjer altså det spennande og overraskande at dei blir superleiande, og all motstand forsvinn, stikk i strid med det vi nettopp lærde ovanfor. Av dei som vart nemnde ovanfor er aluminium, bly og tinn superleiande ved låge temperaturar, medan gull, sølv og kopar ikkje er det.