Различные вещества имеют разную проводимость. Мы уже говорили о существовании проводников, полупроводников и диэлектриках. Среди проводников электричества мы выделили металлы — они имеют лучшую проводимость, так как содержат в себе большое количество свободных электронов. Эти заряженные частицы под действием сил электрического поля приходят в движение. Так возникает такое явление, как электрический ток.
Но даже среди металлов можно выделить те, которые лучше проводят ток. Значит, есть и те металлы, которые проводят ток хуже. Как же сравнивать эту способность веществ? Так мы подходим к введению новой характеристики проводников.
Называется эта характеристика «электрическое сопротивление«. На данном уроке мы рассмотрим ее связь с проводимостью различный веществ, узнаем причины ее возникновения и разберемся, от каких других величин и свойств она зависит.
Зависимость показаний амперметра и вольтметра от используемого проводника в цепи
Для начала проведем интересный опыт. Соберем электрическую цепь из источника тока, ключа, амперметра и вольтметра. Также мы будем включать в эту цепь проводники из различных материалов. Они закреплены на специальной панели. К этим же проводникам мы будем параллельно подключать вольтметр (рисунок 1).
Проводники у нас обозначены следующим образом: AB — железная проволока, CD — никелиновая проволока, EF — медная проволока.
Эти проводники имеют одинаковую длину и сечение.
Сначала подключим в цепь железную проволоку AB. Зафиксируем показания амперметра и вольтметра после замыкания ключа.
Теперь переключимся на никелиновую проволоку CD. Мы заметим, что сила тока в цепи уменьшилась.
Испробуем третий проводник: медную проволоку EF. Теперь сила тока значительно увеличилась.
Вы не забыли, что в нашем опыте был еще и вольтметр? Мы поочередно подключали его к каждому из проводников.
Каждый раз мы получали одинаковое значение напряжения. Оно не изменялось.
Электрическое сопротивление
Электри́ческое сопротивле́ние, 1) скалярная физическая величина, характеризующая противодействие участка электрической цепи электрическому току . Электрическое сопротивление участка цепи при отсутствии на этом участке электродвижущей силы равно R = U / I R = U/I R = U / I , где U U U – электрическое напряжение , I I I – сила тока на этом участке ( Закон Ома ). Сопротивление однородного по составу цилиндрического проводника длиной l и постоянной площадью поперечного сечения S S S равно R = ρ l / S R = ρl/S R = ρl / S , где ρ ρ ρ – удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал проводника. Активное электрическое сопротивление связано с необратимым преобразованием электрической энергии в другие виды энергии, в частности в теплоту. Так, при протекании электрического тока в металлах электрическое сопротивление связано с рассеянием электронов проводимости на тепловых колебаниях кристаллической решётки , а также на её примесях и дефектах . Цепи переменного тока , содержащие ёмкости и индуктивности, характеризуются реактивным электрическим сопротивлением , которое связано с передачей электрической энергии электрическому и магнитному полю (и обратно). При переходе веществ в сверхпроводящее состояние их электрическое сопротивление обращается в нуль. Единица измерения сопротивления в СИ – Ом .
Лабораторная работа №7 Измерение сопротивление проводника при помощи амперметра и вольтметра
2) Радиотехнический элемент цепи, называемый также резистором .
Опубликовано 18 июля 2022 г. в 10:50 (GMT+3). Последнее обновление 18 июля 2022 г. в 10:50 (GMT+3). Связаться с редакцией
#Физические свойства
#Электродинамика
Информация
Области знаний: Электрический ток, Электродинамика
Зависимость силы тока от свойств проводников
Вы уже знаете, что сила тока зависит от напряжения. Ведь напряжение является характеристикой электрического поля.
Но в нашем опыте напряжение оставалось постоянным. Значит, сила тока имеет еще одну зависимость.
Сила тока в цепи зависит от свойств проводников, включенных в электрическую цепь.
Электрическое сопротивление
Что же это за свойства? Их совокупность в электричестве получила свое определение. Принято говорить, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.
Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока.
Обозначается электрическое сопротивление буквой $R$.
Электрическое сопротивление
Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U). Это означает следующее: во сколько раз изменяется напряжение, во столько раз изменяется и сила тока.
Сила тока (I) обратно пропорциональна электрическому сопротивлению (R). Поэтому чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, протекающего в проводнике.
Удельное сопротивление
Причиной электрического сопротивления является тепловое движение образующих материал атомов или молекул. Частицы колеблются около своих мест и мешают перемещению электронов. Это можно сравнить с длинным коридором, в котором одновременно перемещается много людей. И насколько быстро можно двигаться вперед, зависит от различных причин.
Электрическое сопротивление характерно для всех веществ и зависит от:
| Материала проводника тока ρ | Длины проводника (l) | Площади поперечного сечения проводника (S) |
| Для каждого материала характерно его удельное сопротивление, которое обозначают буквой ρ и которое можно найти в таблице удельных сопротивлений. | Чем длиннее проводник электричества, тем больше его электрическое сопротивление. | Чем меньше площадь поперечного сечения проводника электричества, тем больше электрическое сопротивление. |
| Пример с коридором: движение вперёд зависит от того, сколько людей в нём находится, как каждый из них двигается, насколько они полные или худые. | Пример с коридором: чем длиннее коридор, тем дольше и труднее путь. | Пример с коридором: чем уже коридор, тем труднее пробираться сквозь толпу людей. |
Обрати внимание!
Удельное сопротивление металлов небольшое, а изоляторов — очень большое. В цепях, в которых электрический ток должен производить большую теплоту (например, в обогревателях), используют проводники с большим удельным сопротивлением, например, нихром. Току труднее течь, увеличивается тепловое движение частиц, в результате проводник нагревается. У алюминия низкое удельное сопротивление, поэтому его можно использовать для передачи электроэнергии.
Электрическое сопротивление человеческого тела может изменяться от 20000 Ом до 1800 Ом.
Чтобы электрическая цепь обеспечивала необходимую силу тока, в неё включают резисторы.
Резистор — прибор с постоянным сопротивлением.
Резисторы имеются во всех телевизорах, компьютерах, радиоприёмниках и т.д.
Чтобы изменить силу тока в электрической цепи, используют реостаты.
Реостат — прибор с переменным сопротивлением.
В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина участка, включённого в цепь.
Сопротивление, проводимость и закон Ома
Сопротивление часто обозначается через R или r и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах.
В зависимости от среды проводника и носителей зарядов, физическая природа сопротивления может отличаться. Так, например, в металле движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решетки, теряют свой импульс, и энергия их движения преобразуется во внутреннюю энергию кристаллической решетки (то есть становится меньше).
Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он выполнен.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и определяется согласно зависимости
где ρ – удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, мм².
Удельное сопротивление ρ – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (рисунок 1). При расчетах это значение выбирается из таблицы.
Сопротивление проводника R зависит от внешнего фактора – температуры T, но для разных групп веществ эта зависимость имеет различные зависимости. Так, при снижении температуры металлов их сопротивление снижается (то есть способность проводить ток увеличивается). Если температура металла достигает низких значений, он переходит в состояние так называемой свехрпроводимости и его сопротивление R стремится к 0. Поведение полупроводников под воздействием температур обратное – при снижении температуры T сопротивление R растет, а при его росте наоборот падает (рисунок 2).
Закон Ома
В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный в электронике закон, названный впоследствии его фамилией. Закон Ома определяет количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими его способность противостоять электрическому току.
Существует несколько интерпретаций закона Ома.
Закон Ома для участка цепи (рисунок 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжения на концах проводника U и его сопротивления R
Интерпретировать закон Ома для участка цепи можно следующим образом: если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 В, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1 А
На представленном выше простом примере разберем физическую интерпретацию закона Ома, используя аналогию электрического тока и воды. В качестве аналога проводника электрического тока возьмем воронку, сужение в которой возникает из-за наличие в проводнике сопротивления R (рисунок 4). Пусть в воронку из некоторого источника поступает вода, которая просачивается через узкое горлышко. Усилить поток воды на выходе горлышка воронки можно за счет давления на воду, например, силой поршня. В аналогии с электричеством, поршень будет являться аналогом напряжения – чем сильнее на воду давит поршень (то есть чем больше значение напряжения), тем сильнее будет поток воды на выходе из воронки (тем больше будет значение силы тока).
Закон Ома может быть применен не всегда, а лишь в ограниченном числе случаев. Так закон Ома «не работает» при расчете напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборов, содержащих нелинейные элементы. В этом случае зависимость тока и напряжения можно определить только с помощью построение так называемой вольтамперной характеристики (ВАХ). К категории нелинейных элементов относятся все без исключения полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.), а также электронные лампы.
Аналогия с потоком воды
Когда речь идет об электрическом сопротивлении в физике, необходимо различать два случая:
- Электрические сопротивления как элементы электрической цепи (см. пример на рисунке 2). То есть, если вы называете элемент в электротехнике резистором, то вы имеете в виду конкретный элемент, предназначенный для целей ограничения протекания электрического тока в электрической цепи.
- Электрическое сопротивление как физическая величина. Вы также можете спросить, насколько сильно тот или иной элемент препятствует протеканию электрического тока или вообще как можно рассчитать электрическое сопротивление. Здесь вы говорите об электрическом сопротивлении как о физической величине.
Примечание. Резистор — это прибор с постоянным сопротивлением. Если необходимо регулировать силу тока в электрической цепи, то используют для этой цели реостаты — приборы с переменным сопротивлением. В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина участка, включённого в цепь. Реостат используется, например, в регуляторах громкости радиоприёмников.
Вы можете проиллюстрировать работу резистора как элемента (т.е. случай 1) с помощью модели протекания воды в трубе.
Если представить поток электрического тока как поток воды через трубу, то резистор, имеющий электрическое сопротивление R, выполняет функцию сужения трубы. Сужение в трубе препятствует потоку воды, подобно тому, как резистор препятствует потоку электрического тока. Если вы сильнее сузите трубу, то сопротивление потоку воды увеличится. Тем самым труба будет больше препятствовать потоку воды.
Формулы для определения электрического сопротивления
Согласно закона Ома для участка электрической цепи следует, что если вы измеряете напряжение U на проводнике и через него течет ток силой I, то проводник имеет электрическое сопротивление R, равное U, деленное на I, т.е. R = U / I. Единицей измерения электрического сопротивления в СИ является Ом, которая названа в честь немецкого физика Георга Симона Ома. То есть, 1 Ом — это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток силой 1 А. Поэтому, иногда, электрическое сопротивление ещё могут называть «омическим сопротивлением».
Для очень малых или очень больших сопротивлений используются такие дополнения, как милли-, кило- или мегаом. Применяются следующие отношения:
- 1 Миллиом = 1 мОм = 1*10 -3 Ом;
- 1 Килоом = 1 кОм = 1*10 3 Ом;
- 1 Мегаом = 1 МОм = 1*10 6 Ом.
Интересный факт! Электрическое сопротивление человеческого тела может изменяться от 20000 Ом до 1800 Ом.
Также вы можете рассчитать электрическое сопротивление проводников с помощью их геометрических характеристик. Формула для этого следующая (см. также рисунок 3):
- R — электрическое сопротивление проводника;
- l — длина проводника;
- S — площадь поперечного сечения проводника;
- ρ — удельное сопротивление вещества проводника (выбирается по таблицам).
Другими словами, чем тоньше и длиннее проводник, тем больше его сопротивление электрическому току. Весомое значение имеет также материал, из которого изготовлен проводник.
Единица измерения электрического сопротивления
Единицу измерения сопротивления назвали в честь Георга Ома. В Международной интернациональной системе единиц СИ электрическое сопротивление 1 Ом имеет участок цепи, на котором падает напряжение равное 1 В при силе тока 1 А:
Для определения сопротивления с помощью закона Ома требуется измерить предварительно напряжение и ток. Двух измерений можно избежать с помощью прибора, разработанного для непосредственного измерения сопротивления. Прибор называется омметром.
На практике большинство используемых в электрических схемах и приборах сопротивлений гораздо больше, чем 1 Ом. Поэтому чаще применяются кратные единицы измерений : килоом и мегом:
- 1 кОм = 1000 Ом;
- 1 МОм = 1000 000 Ом.
Удельное электрическое сопротивление
Дальнейшие исследования позволили установить связь величины электрического сопротивления с его основными геометрическими размерами. Оказалось, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника L и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S.
Эта функциональная связь хорошо описывается следующей формулой:
Постоянная для каждого вещества величина ρ была названа удельным сопротивлением. Значение этого параметра зависит от плотности вещества, его кристаллической структуры, строения атомов и прочих внутренних характеристик вещества. Из формулы (4) можно получить формулу для расчета удельного сопротивления, если имеются экспериментальные значения для R, L и S:
Для большинства известных веществ измерения были произведены и внесены в справочные таблицы электрических сопротивлений проводников.
Удельное сопротивление металлов, Ом*мм 2 /м
