Ток, напряжение, сопротивление. Электрическое сопротивление и проводимость

На рисунке 33 изображена электрическая цепь, в которую включена панель с разными проводниками. Эти проводники отличаются друг от друга материалом, а также длиной и площадью поперечного сечения. Подключая по очереди эти проводники и наблюдая за показаниями амперметра, можно заметить, что при одном и том же источнике тока сила тока в разных случаях оказывается различной. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения сила тока в нем становится меньше. Уменьшается она и при замене никелиновой проволоки проволокой такой же длины и сечения, но изготовленной из нихрома. Это означает, что разные проводники оказывают различное противодействие току. Противодействие это возникает из-за столкновений носителей тока со встречными частицами вещества.

Физическая величина, характеризующая противодействие, оказываемое проводником электрическому току, обозначается буквой R и называется электрическим сопротивлением (или просто сопротивлением ) проводника:

R - сопротивление.

Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который впервые ввел это понятие в физику. 1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А. При сопротивлении 2 Ом сила тока при том же напряжении будет в 2 раза меньше, при сопротивлении 3 Ом - в 3 раза меньше и т. д.

На практике встречаются и другие единицы сопротивления, например килоом (кОм) и мегаом (МОм):

1 кОм= 1000 Ом, 1 МОм= 1 000 ООО Ом.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения S и может быть найдено по формуле

R = ρl/S (12.1)

где ρ - удельное сопротивление вещества , из которого изготовлен проводник.

Удельное сопротивление вещества - это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Из формулы (12.1) следует, что

Так как в СИ единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади 1 м 2 , а единицей длины 1 м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет

1 Ом · м 2 /м, или 1 Ом · м.

На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (мм 2). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом·мм 2 /м. Так как 1 мм 2 = 0,000001 м 2 , то

1 Ом · мм 2 /м = 0,000001 Ом · м.

У разных веществ удельные сопротивления различны. Некоторые из них приведены в таблице 3.

Приведенные в этой таблице значения соответствуют температуре 20 °С. (С изменением температуры сопротивление вещества изменяется.) Например, удельное сопротивление железа равно 0,1 Ом · мм 2 /м. Это означает, что если изготовить из железа провод с площадью сечения 1 мм 2 и длиной 1 м, то при температуре 20 °С он будет обладать сопротивлением 0,1 Ом.

Из таблицы 3 видно, что наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Значит, именно эти металлы являются наилучшими проводниками электричества.

Из той же таблицы видно, что, наоборот, такие вещества, как фарфор и эбонит, обладают очень большим удельным сопротивлением. Это и позволяет использовать их в качестве изоляторов.

1. Что характеризует и как обозначается электрическое сопротивление? 2. По какой формуле находится сопротивление проводника? 3. Как называется единица сопротивления? 4. Что показывает удельное сопротивление? Какой буквой оно обозначается? 5. В каких единицах измеряют удельное сопротивление? 6. Имеются два проводника. У какого из них больше сопротивление, если они: а) имеют одинаковую длину и площадь сечения, но один из них сделан из константана, а другой - из фехраля; б) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую толщину, но один из них в 2 раза длиннее другого; в) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую длину, но один из них в 2 раза тоньше другого? 7. Проводники, рассматриваемые в предыдущем вопросе, поочередно подключают к одному и тому же источнику тока. В каком случае сила тока будет больше, в каком меньше? Проведите сравнение для каждой пары рассматриваемых проводников.

Физика полна понятий, которые сложно представить. Яркий пример этого — тема про электричество. Почти все встречающиеся там явления и термины сложно увидеть или представить.

Что такое электрическое сопротивление? Откуда оно появляется? Почему возникает напряжение? И почему у тока есть сила? Вопросов бесконечное количество. Стоит разобраться во всем по порядку. И начать хорошо бы с сопротивления.

Что происходит в проводнике, когда по нему идет ток?

Бывают ситуации, когда материал, который обладает проводящей способностью, оказывается между двумя полюсами электрического поля: положительным и отрицательным. И тогда по нему идет электрический ток. Это проявляется в том, что свободные электроны начинают направленное движение. Поскольку они имеют отрицательный заряд, то их перемещение осуществляется в одну сторону - к плюсу. Интересно, что за направление электрического тока принято указывать другое - от плюса к минусу.

Во время движения электроны ударяются об атомы вещества и передают им часть своей энергии. Этим объясняется то, что включенный в сеть проводник нагревается. А сами электроны замедляют свое движение. Но электрическое поле их снова ускоряет, поэтому они вновь устремляются к плюсу. Этот процесс происходит бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле. Получается, что именно электроны испытывают сопротивление электрического тока. То есть чем больше препятствий они встречают, тем выше значение этой величины.

Что такое электрическое сопротивление?

Ему можно дать определение исходя из двух позиций. Первая связана с формулой для закона Ома. И звучит оно так: электрическое сопротивление — это физическая величина, которая определяется как отношение напряжения в проводнике к силе тока, протекающего в нем. Математическая запись приведена немного ниже.

Вторая основывается на свойствах тела. Электрическое сопротивление проводника — это физическая величина, которая указывает на свойство тела преобразовывать энергию электричества в тепло. Оба этих утверждения верны. Только в школьном курсе чаще всего останавливаются на запоминании первого. Обозначается изучаемая величина буквой R. Единицы, в которых измеряется электрическое сопротивление, — Ом.

По каким формулам его можно найти?

Самая известная вытекает из закона Ома для участка цепи. Она объединяет электрический ток, напряжение, сопротивление. Выглядит так:

Удельное электрическое сопротивление — это физическая величина, которая равна сопротивлению материала длиной в 1 м и с площадью сечения в 1 м 2 .

В таблице указана системная единица измерения удельного сопротивления. В реальных ситуациях не бывает такого, чтобы сечение измерялось в квадратных метрах. Почти всегда это квадратные миллиметры. Поэтому и удельное электрическое сопротивление удобнее брать в Ом * мм 2 / м, а площадь подставлять в мм 2 .

От чего и как зависит сопротивление?

Во-первых, от вещества, из которого изготовлен проводник. Чем больше значение, которое имеет удельное электрическое сопротивление, тем хуже он будет проводить ток.

Во-вторых, от длины провода. И здесь зависимость прямая. С увеличением длины сопротивление возрастает.

В-третьих, от толщины. Чем толще проводник, тем меньше у него сопротивление.

И наконец, в-четвертых, от температуры проводника. И здесь все не так однозначно. Если речь идет о металлах, то их электрическое сопротивление возрастает по мере нагревания. Исключение составляют некоторые специальные сплавы - их сопротивление практически не изменяется при нагревании. К ним относятся: константан, никелин и манганин. Когда же нагреваются жидкости, то их сопротивление уменьшается.

Какие существуют резисторы?

Это элемент, который включается в электрическую цепь. Он имеет вполне конкретное сопротивление. Именно это и используется в схемах. Принято разделять резисторы на два вида: постоянные и переменные. Их название связано с тем, можно ли изменить их сопротивление. Первые — постоянные — не позволяют каким-либо образом изменить номинальное значение сопротивления. Оно остается неизменным. Вторые — переменные — дают возможность производить регулировку, изменяя сопротивление в зависимости от потребностей конкретной схемы. В радиоэлектронике выделяют еще один вид — подстроечные. Их сопротивление изменяется только в тот момент, когда нужно настроить прибор, а потом остается постоянным.

Как на схемах выглядит резистор?

Прямоугольник с двумя выходами из узких его сторон. Это постоянный резистор. Если с третьей стороны к нему пририсована стрелка, то он уже переменный. К тому же на схемах еще подписывается и электрическое сопротивление резистора. Прямо внутри этого прямоугольника. Обычно просто цифры или с наименованием, если они очень большие.

Для чего существует изоляция и зачем ее нужно измерять?

Ее назначение - обеспечение электрической безопасности. Электрическое сопротивление изоляции является главной характеристикой. Оно не позволяет протекать через тело человека опасному значению тока.

• рабочая - ее назначение в том, чтобы обеспечить нормальное функционирование оборудования, поэтому она не всегда обладает достаточным уровнем защиты человека;
• дополнительная является дополнением к первому виду и защищает людей;
• двойная объединяет два первых вида изоляции;
• усиленная, которая представляет собой усовершенствованный вид рабочей, она так же надежна, как дополнительная.

Все устройства, которые имеют бытовое назначение, обязаны быть оборудованы двойной или усиленной изоляцией. Причем она должна обладать такими характеристиками, чтобы выдерживать любые механические, электрические и тепловые нагрузки.

С течением времени изоляция стареет, и ее параметры ухудшаются. Этим объясняется то, что она требует регулярного профилактического осмотра. Его целью является устранение дефектов, а также измерение ее активного сопротивления. Для этого используется специальный прибор — мегаомметр.

Примеры задач с решениями

Условие 1: требуется определить электрическое сопротивление железной проволоки, которая имеет длину, равную 200 м, и площадь поперечного сечения в 5 мм².

Решение. Нужно воспользоваться второй формулой. В ней неизвестно только удельное сопротивление. Но его можно посмотреть в таблице. Оно равно 0,098 Ом * мм / м 2 . Теперь нужно только подставить значения в формулу и сосчитать:

R = 0,098 * 200 / 5 = 3,92 Ом.

Ответ: сопротивление приблизительно равно 4 Ом.

Условие 2: вычислить электрическое сопротивление проводника, изготовленного из алюминия, если его длина равна 2 км, а площадь сечения — 2,5 мм².

Решение. Аналогично первой задаче, удельное сопротивление — 0,028 Ом * мм / м 2 . Чтобы получить верный ответ, потребуется перевести километры в метры: 2 км = 2000 м. Теперь можно считать:

R = 0,028 * 2000 / 2,5 = 22,4 Ом.

Ответ : R = 22,4 Ом.

Условие 3: какой длины потребуется проволока, если ее сопротивление должно быть равно 30 Ом? Известна площадь ее сечения — 0,2 мм², и материал — никелин.

Решение. Из той же формулы сопротивления можно получить выражение для длины проволоки:

l = (R * S) / ρ. Известно все, кроме удельного сопротивления, которое нужно взять из таблицы: 0,45 Ом * мм 2 / м. После подстановки и расчетов получается, что l = 13,33 м.

Ответ: приблизительное значение длины равно 13 м.

Условие 4: определить материал, из которого изготовлен резистор, если его длина равна 40 м, сопротивление — 16 Ом, сечение — 0,5 мм².

Решение. Аналогично третьей задаче, выражается формула для удельного сопротивления:

ρ = (R * S) / l. Подстановка значений и расчеты дают такой результат: ρ = 0,2 Ом * мм 2 / м. Данное значение удельного сопротивления характерно для свинца.

Ответ : свинец.

Этот сайт никак не мог обойтись без статьи про сопротивление. Ну никак! Есть в электронике самое фундаментальное понятие, которое является к тому же физическим свойством. Ты наверно уже знаком с вот этими друзьями:

Сопротивление -- это свойство материала мешать потоку электронов. Материал как бы сопротивляется, препятствует этому потоку, как паруса фрегата сильному ветру!

В мире практически всё имеет свойство сопротивляться: воздух сопротивляется потоку электронов, вода тоже сопротивляется потоку электронов, но они всё равно проскальзывают. Медные провода тоже сопротивляются потоку электронов, но лениво. Так что они очень хорошо пропускают такой поток.

Не имеют сопротивления только сверхпроводники, но это уже другая история, так как раз у них нет сопротивления, то сегодня они нам не интересны.

Кстати, поток электронов -- это и есть электрический ток. Формальное определение более педантичное, так что ищи его сам в такой же сухой книге.

И да, электроны между собой взаимодействуют. Сила такого взаимодействия измеряется в Вольтах и называется напряжением. Скажешь, что странно звучит? Да ничего странного. Электроны напрягаются и двигают другие электроны с усилием. Несколько по-деревенски, зато понятен основной принцип.

Осталось упомянуть про мощность. Мощность - это когда ток, напряжение и сопротивление собираются за одним столом и начинают работать. Тогда и появляется мощность -- энергия, которую теряют электроны, проходя через сопротивление. Кстати:

I = U/R P = U * I

Есть у тебя, к примеру, лампочка на 60Вт с проводом. Втыкаешь её в розетку на 220В. Что дальше? Лампочка оказывает потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое сопротивление. Если сопротивление слишком мало -- бум, сгорела. Если слишком большое -- нить накала будет светиться очень слабо, если вообще будет. А вот если оно будет "в самый раз", тогда лампочка скушает 60Вт и превратит эту энергию в свет и тепло.

Тепло при этом побочный эффект и называется "потерей" энергии, так как вместо того, что бы светить ярче лампочка тратит энергию на нагрев. Пользуйтесь энергосберегающими лампами! Кстати, провод тоже обладает сопротивлением и если поток электронов будет слишком большим, то он также нагреется до заметной температуры. Тут можно предложить почитать заметку про то, зачем спользуются высоковольтные линии

Уверен, теперь ты понимаешь о сопротивлении больше. При этом мы не свалились в детали подобные удельному сопротивлению материала и формулы типа

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м².

Немного анимашек для полноты картины

И наглядно о том, как поток электронов меняется от в зависимости от температуры проводника и его толщины

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.

Под электрическим сопротивлением понимается любое противодействие, которое обнаруживает ток при прохождении через замкнутый контур, ослабление или торможение свободного потока электрических зарядов.

Jpg?x15027" alt="Измерение сопротивления мультиметром" width="600" height="490">

Измерение сопротивления мультиметром

Физическое понятие сопротивления

Электроны при прохождении тока циркулируют в проводнике организованным образом в соответствии с сопротивлением, с которым они сталкиваются на своем пути. Чем меньше эта сопротивляемость, тем больше существующий порядок в микромире электронов. Но когда сопротивляемость высокая, они начинают сталкиваться друг с другом и выделять тепловую энергию. В связи с этим, температура проводника всегда немного повышается, на большую величину, чем выше электроны находят противодействия своему движению.

Используемые материалы

Все известные металлы обладают большей или меньшей устойчивостью к прохождению тока, включая лучшие проводники. Наименьшей сопротивляемостью обладают золото и серебро, но они дорогие, поэтому самый часто используемый материал – медь, имеющая высокую электропроводность. В меньших масштабах применяется алюминий.

Наибольшая устойчивость к прохождению тока у нихромной проволоки (сплав никеля (80%) и хрома (20%)). Она широко применяется в резисторах.

Другим широко используемым резисторным материалом является уголь. Из него фиксированные сопротивления и реостаты изготавливаются для использования в электронных схемах. Фиксированные резисторы и потенциометры применяются для регулирования значений тока и напряжения, например, при контроле громкости и тона аудиоусилителей.

Расчет сопротивлений

Для вычисления величины нагрузочного сопротивления формулу, выведенную из закона Ома, используют, как основную, если известны значения тока и напряжения:

Единицей измерения является Ом.

Для последовательного соединения резисторов общее сопротивление находится путем суммирования отдельных значений:

R = R1 + R2 + R3 + …..

При параллельном соединении используется выражение:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + …

А как найти электрическое сопротивление для провода, учитывая его параметры и материал изготовления? Для этого существует другая формула сопротивления:

R = ρ х l/S, где:

• l – длина провода,
• S – размеры его поперечного сечения,
• ρ – удельное объемное сопротивление материала провода.

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-1-600x417.png?.png 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-1-768x533..png 792w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Формула сопротивления

Геометрические размеры провода можно измерить. Но чтобы рассчитать сопротивление по этой формуле, надо знать коэффициент ρ.

Важно! Значения уд. объемного сопротивления уже рассчитаны для разных материалов и сведены в специальные таблицы.

Значение коэффициента позволяет сравнивать сопротивление разных типов проводников при заданной температуре в соответствии с их физическими свойствами без учета размеров. Это можно проиллюстрировать на примерах.

Пример расчета электросопротивления медного провода, длиной 500 м:

1. Если размеры сечения провода неизвестны, можно замерить его диаметр штангенциркулем. Допустим, это 1,6 мм;
2. При расчетах площади сечения используется формула:

Тогда S = 3,14 х (1,6/2)² = 2 мм²;

1. По таблице нашли значение ρ для меди, равное 0,0172 Ом х м/мм²;
2. Теперь электросопротивление рассчитываемого проводника будет:

R = ρ х l/S = 0,0172 х 500/2 = 4,3 Ом.

Другой пример – нихромовая проволока сечением 0,1 мм², длиной 1 м:

1. Показатель ρ для нихрома – 1,1 Ом х м/мм²;
2. R = ρ х l/S = 1,1 х 1/0,1 = 11 Ом.

На двух примерах наглядно видно, что нихромовая проволока метровой длины и сечением, в 20 раз меньшим, имеет электрическое сопротивление в 2,5 раза больше, чем 500 метров медного провода.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-6-768x381..jpg 960w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Удельное сопротивление некоторых металлов

Важно! На сопротивление оказывает влияние температура, с ростом которой оно увеличивается и, наоборот, уменьшается со снижением.

Импеданс

Импеданс – более общий термин сопротивления, который учитывает реактивную нагрузку. Расчет сопротивления в контуре переменного тока заключается в вычислении импеданса.

В то время, как резистор создает активное сопротивление для решения определенных задач, реактивная составляющая является неудачным побочным продуктом некоторых компонентов электроцепи.

Два типа реактивного сопротивления:

1. Индуктивное. Создается катушками. Формула расчета:

X (L) = 2π x f x L, где:

• f – частота тока (Гц),
• L – индуктивность (Гн);

1. Емкостное. Создается конденсаторами. Рассчитывается по формуле:

X (C) = 1/(2π x f x C),

где С – емкость (Ф).

Как и активный аналог, реактивное сопротивление выражается в омах и также ограничивает поток тока через контур. Если в цепи присутствует и емкость, и катушка индуктивности, то общее сопротивление равно:

X = X (L) – X (C).

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-3.jpg 622w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Активное, индуктивное и емкостное сопротивление

Важно! Из формул реактивной нагрузки следуют интересные особенности. С увеличением частоты переменного тока и индуктивности растет X (L). И, наоборот, чем выше частоты и емкость, тем меньше X (С).

Нахождение импеданса (Z ) не является простым складыванием активной и реактивной составляющих:

Z = √ (R² + X²).

Пример 1

Катушка в контуре с током промышленной частоты обладает активным сопротивлением 25 Ом и индуктивностью 0,7 Гн. Вычислить импеданс можно:

1. X (L) = 2π x f x L = 2 х 3,14 х 50 х 0,7 = 218,45 Ом;
2. Z = √ (R² + X (L)²) = √ (25² + 218,45²) = 219,9 Ом.

tg φ = X (L)/R = 218,45/25 = 8,7.

Угол φ примерно равен 83 градуса.

Пример 2

Имеется конденсатор емкостью 100 мкФ и внутренним сопротивлением 12 Ом. Вычислить импеданс можно:

1. X (C) =1/(2π x f x C) = 1/ 2 х 3,14 х 50 х 0, 0001 = 31,8 Ом;
2. Z = √ (R² + X (С)²) = √ (12² + 31,8²) = 34 Ом.

В интернете можно найти калькулятор онлайн для упрощения вычисления сопротивлений и импеданса всей электроцепи или ее участков. Там нужно просто вести свои расчетные данные и зафиксировать результаты расчета.

Видео