Konduksi Nonlinier

“Kemajuan dibuat dengan menjawab pertanyaan. Penemuan dibuat dengan mempertanyakan jawaban.”

—Bernhard Haisch, Ahli Astrofisika

Hukum Ohm adalah alat matematika yang sederhana dan kuat untuk membantu kita menganalisis rangkaian listrik, tetapi ia memiliki keterbatasan, dan kita harus memahami keterbatasan ini agar dapat menerapkannya dengan benar ke rangkaian nyata. Untuk sebagian besar konduktor, resistansi adalah properti yang agak stabil, sebagian besar tidak terpengaruh oleh tegangan atau arus.

Untuk alasan ini, kita dapat menganggap resistansi banyak komponen rangkaian sebagai konstanta, dengan tegangan dan arus yang berhubungan langsung satu sama lain.

Misalnya, dari contoh rangkaian sebelumnya dengan lampu 3 , kami menghitung arus yang melalui rangkaian dengan membagi tegangan dengan hambatan (I=E/R). Dengan baterai 18 volt, arus rangkaian kami adalah 6 amp. Menggandakan tegangan baterai menjadi 36 volt menghasilkan arus 12 amp berlipat ganda.

Semua ini masuk akal, tentu saja, selama lampu terus memberikan jumlah gesekan (resistensi) yang sama persis dengan aliran arus yang melaluinya:3 .

Hubungan Tegangan-Arus Selama Perubahan Resistansi

Namun, kenyataannya tidak selalu sesederhana ini. Salah satu fenomena yang dieksplorasi dalam bab selanjutnya adalah resistensi konduktor perubahan dengan suhu. Dalam lampu pijar (jenis yang menggunakan prinsip arus listrik yang memanaskan kawat filamen tipis sampai bersinar putih-panas), hambatan kawat filamen akan meningkat secara dramatis saat memanas dari suhu kamar ke suhu operasi.

Jika kita ingin meningkatkan tegangan suplai dalam rangkaian lampu nyata, peningkatan arus yang dihasilkan akan menyebabkan filamen meningkatkan suhu, yang pada gilirannya akan meningkatkan resistansinya, sehingga mencegah peningkatan arus lebih lanjut tanpa peningkatan tegangan baterai lebih lanjut. .

Akibatnya, tegangan dan arus tidak mengikuti persamaan sederhana “I=E/R” (dengan R diasumsikan sama dengan 3 ) karena resistansi filamen lampu pijar tidak tetap stabil untuk arus yang berbeda.

Fenomena perubahan resistansi dengan variasi suhu adalah fenomena yang dialami oleh hampir semua logam, di mana sebagian besar kawat dibuat. Untuk sebagian besar aplikasi, perubahan resistansi ini cukup kecil untuk diabaikan. Pada aplikasi filamen lampu metal, perubahan yang terjadi cukup besar.

Ini hanyalah salah satu contoh "nonlinier" di sirkuit listrik. Ini sama sekali bukan satu-satunya contoh. Fungsi "linier" dalam matematika adalah fungsi yang melacak garis lurus ketika diplot pada grafik. Versi sederhana dari rangkaian lampu dengan resistansi filamen konstan 3 menghasilkan plot seperti ini:

Plot garis lurus arus lebih tegangan menunjukkan bahwa resistansi adalah nilai yang stabil dan tidak berubah untuk berbagai tegangan dan arus rangkaian. Dalam situasi yang “ideal”, inilah masalahnya. Resistor, yang dibuat untuk memberikan nilai resistansi yang pasti dan stabil, berperilaku sangat mirip dengan plot nilai yang terlihat di atas. Seorang ahli matematika akan menyebut perilaku mereka "linier".

Namun, analisis yang lebih realistis dari rangkaian lampu pada beberapa nilai tegangan baterai yang berbeda akan menghasilkan plot berbentuk ini:

Alurnya tidak lagi berupa garis lurus. Itu naik tajam di sebelah kiri, karena tegangan meningkat dari nol ke level rendah. Saat berjalan ke kanan kita melihat garis mendatar, sirkuit membutuhkan peningkatan tegangan yang lebih besar dan lebih besar untuk mencapai peningkatan arus yang sama.

Jika kita mencoba menerapkan Hukum Ohm untuk mencari hambatan dari rangkaian lampu ini dengan nilai tegangan dan arus yang diplot di atas, kita sampai pada beberapa nilai yang berbeda. Kita dapat mengatakan bahwa resistansi di sini adalah nonlinier , meningkat dengan meningkatnya arus dan tegangan. Nonlinier disebabkan oleh efek suhu tinggi pada kawat logam filamen lampu.

Contoh lain dari konduksi arus nonlinier adalah melalui gas seperti udara. Pada suhu dan tekanan standar, udara merupakan isolator yang efektif. Namun, jika tegangan antara dua konduktor yang dipisahkan oleh celah udara meningkat cukup besar, molekul udara di antara celah akan menjadi "terionisasi", karena elektronnya terlepas oleh gaya tegangan tinggi di antara kabel.

Setelah terionisasi, udara (dan gas lainnya) menjadi konduktor listrik yang baik, memungkinkan aliran elektron di tempat yang tidak ada sebelum ionisasi. Jika kita memplot tegangan lebih arus pada grafik seperti yang kita lakukan dengan rangkaian lampu, efek ionisasi akan terlihat jelas sebagai nonlinier:

Grafik yang ditampilkan adalah perkiraan untuk celah udara kecil (kurang dari satu inci). Celah udara yang lebih besar akan menghasilkan potensial ionisasi yang lebih tinggi, tetapi bentuk kurva I/E akan sangat mirip:praktis tidak ada arus sampai potensial ionisasi tercapai, kemudian konduksi substansial setelah itu.

Kebetulan, inilah alasan mengapa petir ada sebagai lonjakan sesaat daripada aliran elektron yang terus menerus. Tegangan yang terbentuk antara bumi dan awan (atau antara kumpulan awan yang berbeda) harus meningkat ke titik di mana ia mengatasi potensi ionisasi celah udara sebelum udara cukup terionisasi untuk mendukung aliran elektron yang substansial.

Setelah itu, arus akan terus mengalir melalui udara terionisasi sampai muatan statis antara dua titik habis. Setelah muatan cukup habis sehingga tegangan turun di bawah titik ambang lainnya, udara mengalami deionisasi dan kembali ke keadaan normal dengan resistensi yang sangat tinggi.

Banyak bahan isolasi padat menunjukkan sifat resistensi yang serupa:resistensi yang sangat tinggi terhadap aliran arus di bawah beberapa tegangan ambang kritis, kemudian resistensi yang jauh lebih rendah pada tegangan di luar ambang batas itu.

Setelah bahan isolasi padat terganggu oleh kerusakan tegangan tinggi , seperti yang disebut, sering tidak kembali ke keadaan isolasi sebelumnya, tidak seperti kebanyakan gas. Ini dapat mengisolasi sekali lagi pada tegangan rendah, tetapi tegangan ambang kerusakannya akan diturunkan ke tingkat yang lebih rendah, yang memungkinkan kerusakan terjadi lebih mudah di masa mendatang.

Ini adalah mode kegagalan umum pada kabel tegangan tinggi:kerusakan isolasi karena kerusakan. Kegagalan tersebut dapat dideteksi melalui penggunaan meter resistansi khusus yang menggunakan tegangan tinggi (1000 volt atau lebih).

Komponen dengan Resistansi Nonlinier

Ada komponen sirkuit yang dirancang khusus untuk memberikan kurva resistansi nonlinier, salah satunya adalah varistor . Biasanya dibuat dari senyawa seperti seng oksida atau silikon karbida, perangkat ini mempertahankan resistansi tinggi di seluruh terminalnya sampai tegangan "penembakan" atau "penghancuran" tertentu (setara dengan "potensi ionisasi" dari celah udara) tercapai, di mana titik resistensi mereka menurun drastis.

Tidak seperti kerusakan isolator, kerusakan varistor dapat diulang:yaitu, dirancang untuk menahan kerusakan berulang tanpa kegagalan. Gambar varistor ditampilkan di sini:

Ada juga tabung berisi gas khusus yang dirancang untuk melakukan hal yang hampir sama, memanfaatkan prinsip yang sama yang bekerja dalam ionisasi udara oleh sambaran petir.

Komponen listrik lainnya menunjukkan kurva arus/tegangan yang lebih aneh dari ini. Beberapa perangkat benar-benar mengalami penurunan dalam arus saat tegangan yang diberikan meningkat . Karena kemiringan arus/tegangan untuk fenomena ini adalah negatif (mengarah ke bawah bukannya ke atas saat bergerak dari kiri ke kanan), hal ini dikenal sebagai resistensi negatif .

Terutama, tabung elektron vakum tinggi yang dikenal sebagai tetrodes dan dioda semikonduktor yang dikenal sebagai Esaki atau terowongan dioda menunjukkan resistansi negatif untuk rentang tegangan tertentu.

Hukum Ohm tidak terlalu berguna untuk menganalisis perilaku komponen seperti ini di mana resistansi bervariasi dengan tegangan dan arus. Beberapa bahkan menyarankan bahwa "Hukum Ohm" harus diturunkan dari status "Hukum" karena tidak universal. Mungkin lebih akurat untuk menyebut persamaan (R=E/I) sebagai definisi hambatan , cocok untuk kelas material tertentu dalam rentang kondisi yang sempit.

Namun, untuk kepentingan siswa, kita akan mengasumsikan bahwa resistansi yang ditentukan dalam rangkaian contoh adalah stabil pada berbagai kondisi kecuali ditentukan lain. Saya hanya ingin memaparkan Anda pada sedikit kerumitan dunia nyata, agar saya tidak memberi Anda kesan yang salah bahwa seluruh fenomena kelistrikan dapat diringkas dalam beberapa persamaan sederhana.

TINJAUAN:

• Resistensi sebagian besar bahan konduktif stabil pada berbagai kondisi, tetapi ini tidak berlaku untuk semua bahan.
• Segala fungsi yang dapat diplot pada grafik sebagai garis lurus disebut linier fungsi. Untuk rangkaian dengan resistansi stabil, plot arus lebih tegangan adalah linier (I=E/R).
• Dalam rangkaian di mana resistansi bervariasi dengan perubahan tegangan atau arus, plot arus lebih tegangan akan menjadi nonlinier (bukan garis lurus).
• Sebuah varistor adalah komponen yang mengubah resistansi dengan besarnya tegangan yang melewatinya. Dengan sedikit tegangan di atasnya, resistansinya tinggi. Kemudian, pada tegangan “breakdown” atau “api” tertentu, resistansinya menurun drastis.
• Resistensi negatif adalah di mana arus melalui komponen benar-benar berkurang karena tegangan yang diterapkan di atasnya meningkat. Beberapa tabung elektron dan dioda semikonduktor (terutama, tetrode tabung dan Esaki , atau terowongan dioda) menunjukkan resistansi negatif pada rentang tegangan tertentu.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Perlawanan Negatif
• Lembar Kerja Koefisien Suhu Resistansi