Когда происходит замыкание электрической цепи, при наличии на зажимах разности потенциалов, то, в данном случае, возникает действие электрического тока. Сила электрического поля влияет на свободные электроны, заставляя их перемещаться вдоль проводника. Во время движения, электроны сталкиваются с атомами проводника, отдавая имеющуюся кинетическую энергию. Все электроны движутся с непрерывно изменяющейся скоростью.
Уменьшение скорости происходит, когда электроны сталкиваются с другими электронами и атомами, попадающимися на пути. В дальнейшем, под воздействием электрического , скорость движения электронов вновь увеличивается до нового столкновения.
Процесс этот непрерывный, в результате чего, поток электронов в проводнике движется равномерно. При этом, электроны, во время движения, постоянно встречают сопротивление. Это в конечном итоге, приводит к нагреванию проводника.
Что такое сопротивление проводника
Сопротивление - это свойство среды или тела, которое способствует превращению электрической энергии в тепловую, в то время, когда по нему проходит электрический ток. Изменить значение тока в цепи можно при помощи переменного электрического сопротивления, называемого реостатом. Нужное сопротивление вводится при помощи специального ползунка, установленного в определенном положении.
Проводник с большой длиной и малым поперечным сечением, обладает более высоким сопротивлением. И, наоборот, короткий проводник с большим поперечным сечением способен оказать току совсем небольшое сопротивление.
Два проводника, имеющие одинаковое сечение и длину, но изготовленные из разных материалов, совершенно по-разному проводят электрический . Отсюда следует, что материал, напрямую влияет на сопротивление.
Влияние дополнительных факторов
Дополнительные факторы влияют на значение и собственную температуру проводника. При повышении температуры, наблюдается увеличение сопротивления в различных металлах. В жидкостях и угле сопротивление, наоборот, уменьшается. Существуют определенные виды сплавов, у которых, с увеличением температуры сопротивление практически не изменяется.
Таким образом, сопротивление проводника зависит от таких факторов, как его длина и сечение, а также от температуры и материала, из которого он изготовлен. Сопротивление всех проводников измеряется в омах.
При большом сопротивлении, такой проводник обладает, соответственно, меньшей проводимостью и наоборот, малое сопротивление способствует гораздо лучшей проводимости электрического тока. Поэтому, величины проводимости и сопротивления, имеют обратное значение.
На уроке пойдет речь о зависимости силы тока в цепи от напряжения и будет введено такое понятие, как сопротивление проводника и единица измерения сопротивления. Будет рассмотрена различная проводимость веществ и причины ее возникновения и зависимости от строения кристаллической решетки вещества.
Тема: Электромагнитные явления
Урок: Электрическое сопротивление проводника. Единица сопротивления
Начнем с того, что расскажем, каким образом пришли к такой физической величине, как электрическое сопротивление. При изучении начал электростатики уже шла речь о том, что различные вещества имеют различные свойства проводимости, т. е. пропускания свободных заряженных частиц: металлы имеют хорошую проводимость, поэтому их называют проводниками, дерево и пластики - крайне плохую, поэтому их называют непроводниками (диэлектриками). Объясняются такие свойства особенностями молекулярного строения вещества.
Первые эксперименты по изучению свойств проводимости веществ проводились несколькими учеными, но в историю вошли опыты немецкого ученого Георга Ома (1789-1854) (рис. 1).
Опыты Ома заключались в следующем. Он использовал источник тока, прибор, который мог регистрировать силу тока, и различные проводники. Подключая в собранную электрическую схему различные проводники, он убедился в общей тенденции: при увеличении напряжения в цепи сила тока тоже увеличивалась. Кроме этого, Ом пронаблюдал очень важное явление: при подключении различных проводников зависимость нарастания силы тока при увеличении напряжения проявляла себя по-разному. Графически такие зависимости можно изобразить, как на рисунке 2.
Рис. 2.
На графике по оси абсцисс отложено напряжение, по оси ординат - сила тока. В системе координат отложено два графика, которые демонстрируют, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью по мере увеличения напряжения.
Вследствие проведенных экспериментов Георг Ом делает вывод о том, что различные проводники обладают различными свойствами проводимости. Из-за этого было введено такое понятие, как электрическое сопротивление.
Определение. Физическая величина, характеризующая свойство проводника влиять на протекающий по нему электрический ток, называется электрическим сопротивлением .
Обозначение : R.
Единица измерения : Ом.
В результате упомянутых экспериментов было выяснено, что взаимосвязь между напряжением и силой тока в цепи зависит не только от вещества проводника, но и от его размеров, о чем пойдет речь в отдельном уроке.
Обсудим более подробно возникновение такого понятия, как электрическое сопротивление. На сегодняшний день его природа достаточно хорошо объяснена. В процессе движения свободных электронов они постоянно взаимодействуют с ионами, которые входят в строение кристаллической решетки. Таким образом, замедление движения электронов в веществе из-за столкновений с узлами кристаллической решетки (атомами) обусловливает проявление электрического сопротивления.
Кроме электрического сопротивления вводится еще связанная с ним величина - электрическая проводимость, которая взаимообратна к сопротивлению.
Опишем зависимости между величинами, которые мы ввели на нескольких последних уроках. Нам уже известно, что при увеличении напряжения растет и сила тока в цепи, т. е. они пропорциональны:
С другой стороны, при увеличении сопротивления проводника наблюдается уменьшение силы тока, т. е. они обратно пропорциональны:
Эксперименты показали, что эти две зависимости приводят к следующей формуле:
Следовательно, из этого можно получить, каким образом выражается 1 Ом:
Определение. 1 Ом - такое сопротивление, при котором на концах проводника напряжение 1 В, а сила тока на нем при этом 1 А.
Сопротивление 1 Ом очень маленькое, поэтому, как правило, на практике используются проводники с гораздо большим сопротивлением 1 кОм, 1 Мом и т. д.
В завершение можно сделать вывод о том, что сила тока, напряжение и сопротивление - это взаимосвязанные величины, которые влияют друг на друга. Подробно об этом мы поговорим на следующем уроке.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Школа для электрика ().
- Электротехника ().
Домашнее задание
- Стр. 99: вопросы № 1-4, упражнение № 18. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Если напряжение на резисторе - 8 В, сила тока равна 0,2 А. При каком напряжении сила тока в резисторе будет равна 0,3 А?
- Электрическую лампочку подключили к сети 220 В. Каково сопротивление лампочки, если при замкнутом ключе амперметр, включенный в цепь, показывает 0,25 А?
- Подготовьте доклад о биографии жизни и научных открытиях ученых, положивших начало изучению законов постоянного тока.
Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости
Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.
Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .
За единицу электрического сопротивления принят ом.
Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.
Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4ом.
Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.
Один мегом равен одному миллиону ом.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.
Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.
Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R
,обозначается проводимость латинской буквой g.
Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления
Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.
Удельным сопротивлением
называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.
Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа - 0,12, удельное сопротивление константана - 0,48, удельное сопротивление нихрома - 1-1,1.
Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.
Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой - толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.
Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника :
R = р l / S ,
Где - R - сопротивление проводника, ом, l - длина в проводника в м, S - площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .
Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:
S = π d 2 / 4
Где π - постоянная величина, равная 3,14; d - диаметр проводника.
А так определяется длина проводника:
l = S R / p ,
Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.
Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:
S = р l / R
Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:
р = R S / l
Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.
Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .
Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.
Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника. С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление - сверхпроводимость металлов
.
Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре - 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.
На сегодняшний день одной из важнейших характеристик любого материала является его электрическое сопротивление. Этот факт объясняется беспрецедентным в истории человечества распространением электрических машин, заставившим по-иному взглянуть на свойства окружающих материалов как искусственного, так и естественного происхождения. Понятие «электрическое сопротивление» стало таким же важным, как теплоемкость и пр. Оно применимо абсолютно ко всему, что нас окружает: вода, воздух, металл, даже вакуум.
Каждый современный человек должен иметь представление о данной характеристике материалов. На вопрос «что же такое электрическое сопротивление» можно ответить лишь в том случае, если известен смысл термина «электрический ток». С этого и начнем…
Материальным проявлением энергии является атом. Все состоит из них, соединенных в группы. Существующая в настоящее время физическая модель утверждает, что атом походит на уменьшенную модель звездной системы. В центре находится ядро, включающее в себя частицы двух типов: нейтроны и протоны. Протон несет электрический положительный заряд. На разных расстояниях от ядра по круговым орбитам вращаются другие частицы - электроны, несущие отрицательный заряд. Количество протонов всегда соответствует количеству электронов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Чем удаленнее от ядра находится орбита электрона (валентный), тем слабее сила притяжения, удерживающая его в структуре атоме.
В генерирующей ток машине магнитное поле высвобождает из орбит Так как в утратившего электрон, остается «лишний» протон, то сила притяжения «отрывает» другой валентный электрон из внешней орбиты соседнего атома. В процесс завлекается вся структура материала. В результате появляется движение заряженных частиц (атомов с положительным зарядом и свободных электронов с отрицательным), которое и называется электрическим током.
Материал, в структуре которого электроны внешних орбит могут легко покидать атом, называется проводником. Его электрическое сопротивление мало. Это группа металлов. Например, для производства проводов в основном используют алюминий и медь. По закону Ома электрическое представляет собой отношение созданного генератором напряжения к силе проходящего тока. Кстати, в "Омах".
Легко догадаться, что существуют материалы, в которых валентных электронов очень мало или атомы сильно удалены друг от друга (газ), поэтому их внутренняя структура не может обеспечить прохождение тока. Они носят название диэлектриков и используются для изолирования проводящих линий в электротехнике. Электрическое сопротивление в них очень высоко.
Всем известно, что мокрый диэлектрик начинает проводить электрический ток. В свете этого факта особый интерес приобретает вопрос «существует ли электрическое сопротивление воды». Ответ на него противоречивый: и да, и нет. Как уже указывалось ранее, если в материале валентных электронов практически нет, а сама структура состоит больше из пустоты, чем частиц (вспоминаем таблицу Менделеева и водород с единственным электроном на орбите), то в обычных условиях проводимость существовать не может. Под это описание идеально подходит вода: соединение двух газов, называемое нами жидкостью. И действительно, будучи полностью очищенной от растворенных примесей, она является очень хорошим диэлектриком. Но так как в природе в воде всегда присутствуют растворы солей, то обеспечивается именно ими. На ее уровень влияет насыщенность раствора и температура Вот поэтому однозначного ответа на вопрос быть не может, ведь вода бывает разной.
Проведем простейший эксперимент. К автомобильному аккумулятору с помощью двух коротких проводов подключим лампочку из фары машины. Лампочка светится, и довольно ярко. А теперь ту же лампу подключим гораздо более длинными соединителями. Свет явно стал слабее. В чем дело? В сопротивлении проводов.
Что такое электрическое сопротивление
Существуют разные формулировки описания этого явления. Воспользуемся одной из них:
«Электрическое сопротивление – физическая величина, которое характеризует свойство проводника противодействовать протеканию электротока».
В нашем эксперименте провода, подводящие напряжение от аккумулятора к лампочке, оказывают электросопротивление току, протекающему через замкнутую цепь. От источника напряжения – аккумулятора, через провода – проводники, к нагрузке – лампе.
Физическая сущность явления
При подключении нагрузки к источнику напряжения соединителями, возникает замкнутая цепь, в которой появляется электрическое поле, вызывающее направленное движение электронов металла проводов от отрицательного полюса аккумулятора к положительному. Электроны доставляют электроэнергию от источника к нагрузке, и вызывают свечение спирали лампы. На пути своего движения электроны ударяются об ионы кристаллической решетки проводника, теряют часть энергии, которая идет на нагрев материала соединителей.
Еще одно определение: «Причиной появления электросопротивления является результат взаимодействия потока электронов с молекулами (ионами) из которых состоит проводник».
Важное замечание! Хотя электроны движутся от минуса источника напряжения к плюсу, направление электрического тока исторически считается противоположным — от плюса к минусу.
Ток может протекать не только в твердых материалах, металлах, но и в жидких веществах, растворах солей, кислот, щелочей. Там основным переносчиком энергии являются ионы положительного и отрицательного заряда. Например, в автомобильных аккумуляторах ток проходит через водный раствор серной кислоты.
Измерение сопротивления проводников
За единицу электросопротивления в системе СИ принят 1 Ом. Если воспользоваться законом Ома для участка электрической цепи:
I = U / R,
- I – ток, протекающий в цепи;
- U – напряжение;
- R – электросопротивление.
преобразуя формулу R = U / I, можно сказать, что 1 Ом равен отношению напряжения в 1 Вольт к току в 1 Ампер.
R в данной формуле величина постоянная и не зависит от величин напряжения и тока.
Для более крупных значений применяются единицы:
- 1 кОм = 1 000 Ом;
- 1 МОм = 1 000 000 Ом;
- 1 ГОм = 1 000 000 000 Ом.
От чего зависит электросопротивление проводника
В первую очередь оно зависит от материала, из которого сделан соединитель. Разные металлы по-разному препятствуют прохождению электрического тока. Известно, что серебро, медь, алюминий хорошо проводят электроток, а сталь значительно хуже.
Существует понятие удельного электросопротивления материала, которое обозначили греческой буквой р (ро). Эта характеристика зависит только от внутренних свойств вещества, из которого изготовлен проводник. Но его полное сопротивление будет зависть еще и от длины и площади сечения. Вот формула, которая связывает все эти величины:
R = р * L /S,
- р – удельное сопротивление материала;
- L — длина;
- S – площадь поперечного сечения.
Площадь сечения S в практической электротехнике принято считать в кв.мм., тогда размерность р выражается, как Ом*кв.мм/метр.
Вывод: для уменьшения электросопротивления, а значит и потерь в электроцепи, материал должен иметь минимальное удельное сопротивление, а сам проводник быть, как можно короче и иметь достаточно большое поперечное сечение.
Показатели для твердотельных материалов
| Материал | Материал | Удельное электросопротивление (Ом*кв.мм/м) | |
| Серебро | 0,016 | Никелин (сплав) | 0,4 |
| Медь | 0,017 | Манганин (сплав) | 0,43 |
| Золото | 0,024 | Константан (сплав) | 0,5 |
| Алюминий | 0,028 | Ртуть | 0,98 |
| Вольфрам | 0,055 | Нихром (сплав) | 1,1 |
| Сталь | 0,1 | Фехраль(сплав) | 1,3 |
| Свинец | 0,21 | Графит | 13 |
Из таблицы видно, что для изготовления соединителей, на которых будет теряться минимальное количество электроэнергии, лучше всего подойдут серебро, медь и алюминий, а вот из фехрали и нихрома изготовят термоэлектронагреватели (ТЭНы).
Следует отметить, что все эти значения справедливы для температуры 20 0 С. При повышении температуры удельное электросопротивление металлов растет, при понижении падает, исключение составляет Константан, его удельная характеристика меняется незначительно.
При сильном понижении температуры, близком к абсолютному нулю, сопротивление металлов может стать нулевым, наступает явление сверхпроводимости. Объясняется это тем, что ионы кристаллической решетки «замерзают», перестают колебаться, и не оказывают электронам помех в их движении.
Показатели для жидких проводников
Удельные электросопротивления растворов солей, кислот и щелочей зависят не только от их химического состава, но и от концентрации раствора. Зависимость от температуры обратная, чем у металлов. При нагреве удельное сопротивление падает, при охлаждении растет. Жидкость может замерзнуть при низких температурах и перестать проводить ток.
Наглядный пример – поведение автомобильных аккумуляторов в сильный мороз. Электролит — раствор серной кислоты, при значительных минусовых температурах (-20, -30С 0) увеличивает внутреннее электросопротивление аккумулятора, и полноценная отдача тока стартеру становится невозможной.
Электропроводимость
В некоторых случаях удобнее пользоваться понятием проводимости электротока. Это характеристика измеряется в Сименсах (См):
- G – проводимость;
- R – сопротивление,
- а 1 См = 1/ Ом.
Пример из практики
Получив некоторые сведения об электросопротивлении, стоит провести несложный расчет, и выяснить, как влияют характеристики соединителей на параметры электрических цепей.
Вернемся к простейшей электрической схеме, состоящей из аккумулятора, лампочки и проводов:
- Напряжение аккумулятора 12,5 В.
- Лампа имеет мощность 21 Вт.
- Соединители медные, длина 1 метр х 2 шт., сечение 1,5 кв.мм.
Найдем электросопротивление проводов: R = р* L/S. Подставляем наши данные: R = 0,017*2/1,5 = 0,023 Ом.
Найдем сопротивление лампы. Ее электрическая мощность 21 Вт, при подключении к источнику питания 12,5 В. ток в цепи будет равен:
I = P/U,
- I – искомый ток;
- P – мощность лампы;
- U – напряжение источника.
Подставляем числа: I = 21/12,5 = 1,68 А.
Сопротивление лампы находим по закону Ома для участка цепи. Если I = U/R, то R = U/I. Или: R = 12,5/1,68 = 7,44 Ом.
В расчете мы пренебрегли сопротивлением проводов, оно более чем в 300 раз меньше электросопротивления нагрузки.
Найдем потери мощности на проводах и сравним ее с полезной мощностью нагрузки. Нам известен ток в цепи, известны параметры соединителей, найдем мощность, теряющуюся на проводах:
P = U*I,
заменяем в формуле напряжение согласно закону Ома: U = I*R, подставляем в формулу мощности:
P = I*R*I = I 2 *R.
После подстановки чисел: P = 1,68 2 *0,023 = 0,065 Вт.
Результат отличный, соединители отнимают у нагрузки всего 0,3% мощности.
Но если подключить лампу через длинные провода, (20 метров), да еще и тонкие, сечение 0,75 кв.мм., то картина изменится. Не повторяя здесь весь расчет, можно отметить, что при таких соединителях эффективная мощность лампы снизится почти на 11%, а потери энергии на проводниках составят уже 6%.
Запомним правило — для уменьшения потерь в электрических сетях необходимо снижать электросопротивление проводов, применять медь или алюминий, по возможности сокращать длину и увеличивать сечения проводников.
Что такое сопротивление: видео