Определение и суть электрического сопротивления проводника

Способность вещества пропускать электроток определяется его электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий им, в электротехнике называют резистором. Зависит значение физической величины от удельного коэффициента и размеров материала, а также строения тела. Для измерения параметра используют устройство, называемое омметром и работающим по принципу закона Ома.

Оглавление:

• Общие сведения
• Удельное сопротивление
• Суть закона Ома
• Решение задач

Общие сведения

Любое вещество состоит из элементарных частиц. Они образуют ядра, которые связаны между собой силами взаимодействия. Вокруг центра по орбиталям вращаются электроны. Это частицы, которые являются носителями элементарного отрицательного заряда. Располагаются они на разных энергетических уровнях. При этом чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее его с ним связь.

В обычном состоянии, то есть когда на тело не оказывается внешнее воздействие, вещество находится в равновесном положении. Атом электрически нейтрален. Количество электронов совпадает с числом протонов (положительно заряженных частиц). Но если внешние условия изменятся, то носитель отрицательного заряда может получить дополнительную энергию и разорвать связь с ядром. Кроме этого, в теле из-за различных примесей или дефектов уже могут существовать частицы, не имеющие электрическую связь.

Независимые электроны получили название «свободные». Они хаотично перемещаются в структуре тела под действием теплового колебания. Их заряд компенсируется энергией ионной решётки. Если же тело внести под действие электрического поля, то происходит перераспределение как положительных, так и отрицательных частиц. Возникают некомпенсированные заряды — электростатическая индукция. Если такое тело подключить к источнику электродвижущей силы и замкнуть цепь, то движение свободных электронов станет упорядоченным — потечёт электроток.

Из-за особенностей строения то или иное вещество обладает различным числом свободных электронов. В зависимости от их количества все материалы разделяют на три больших класса:

• диэлектрики — вещества, в которых нет свободных носителей заряда;
• полупроводники — тела, способные проводить электрический ток только при создании определённых условий, то есть сообщении извне нужной энергии для преодоления частицами потенциального барьера;
• проводники — характеризуются содержанием большого количества свободных электронов, которые могут участвовать в образовании тока.

Проводимость материала определяется не только количеством свободных носителей, но и его сопротивлением. Суть этой величины заключается в способности вещества препятствовать прохождению тока. Природа же этого явления в том, что носители сталкиваются с молекулами, при этом теряя свою энергию, тем самым уменьшая электроток.

Удельное сопротивление

Проводимость принято в физике обозначать буквой G. Эта величина характеризует возможность тела или среды проводить электрический ток. По сути, она определяет возникновение электротока под воздействием электрического поля и является параметром, обратным сопротивлению.

Упорядочено движущиеся отрицательные носители, сталкиваясь с другими частицами, замедляют своё перемещение. Часть их энергии при этом рассеивается в виде тепла, что приводит к нагреванию проводника. Так как электроны для дальнейшего движения преодолевают некое препятствие, то говорят, что проводник, в котором происходит это явление, обладает электрическим сопротивлением.

Именно поэтому, если оно у тела небольшое, то при пропускании по нему электротока происходит слабый нагрев, если же велико — материал может даже раскалиться. Величина температуры, как подсказывает логика, должна зависеть не только от количества столкновений в теле, но и от физических размеров тела. Эксперименты, проводимые в XIX веке, позволили установить зависимость сопротивления проводника от его формы и размеров: R = p * (l / S), где:

• p — удельный коэффициент;
• l — длина проводника;
• S — площадь материала.

Удельный коэффициент является справочной величиной. Он показывает, при каких значениях однородное вещество длиной 1 м и площадью 1 м² имеет сопротивление, равное один ом. Измеряется величина в [Ом * м].

Для сравнения удельную сопротивляемость наиболее распространённых проводников, измеренную при температуре 20⁰С, можно привести в таблице.

Эксперименты также показали зависимость электрического сопротивления от температуры. Объяснить это можно тем, что при её повышении увеличиваются колебания атомов в узлах кристаллической решётки. Это, в свою очередь, затрудняет возможность «просачивания» электронов по структуре без столкновений.

Кстати, это ещё одна особенность, отличающая проводники от диэлектриков. В последних с ростом температуры проводимость увеличивается из-за высвобождения свободных носителей. При достижении определённого значения происходит пробой, то есть резкое снижение сопротивления практически до нуля.

Суть закона Ома

В 1826 году немецкий физик и экспериментатор Георг Симон Ом выступил на собрании Лондонского королевского общества, предоставив результаты своего опыта. На основании его исследований после был сформулирован закон, названный его именем. Открытие физика позволило качественно пересмотреть явление электричества, лучше понять природу протекания тока. По сути, Ом установил зависимость между тремя электрическими величинами: током, напряжением и сопротивлением.

В 1822 году Зеебек обнаружил зависимость силы тока от температуры, а также то, что при контакте двух различных веществ при их нагреве возникает разность потенциалов. Своё открытие он использовал для создания источника электродвижущей силы. Ом, заинтересовавшись устройством, начал проводить свои опыты над различными материалами.

Суть эксперимента учёного заключалась в следующем. Он взял несколько отрезков медной проволоки разной длины и, подключая их к источнику тока, оценивал величину электричества. В качестве измерительного приспособления использовались крутильные весы. Затем медь была заменена на латунь. На основании полученных результатов Ом построил график, где по оси игрек отложил обратную величину закручивания, а по координате икс — длину проволоки.

Как для первого, так и для второго материала график зависимости представлял собой прямую линию. Таким образом, он предположил, что протекающий ток обратно пропорционально зависит от длины тела, то есть от сопротивления проводника.

На то время из-за недостаточности понимания процессов общество не могло оценить важность открытия. Некоторые учёные даже скептически воспринимали полученные результаты. Лишь только в 1835 году авторитетный французский физик Пулье смог подтвердить опытным путём исследования немецкого физика. После этого британское научное общество признало закономерность истинным природным явлением.

Современная же интерпретация закона Ома гласит: электроток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Формула его записи имеет вид: I = U / R. Из этого выражения можно найти сопротивление: R = U / I. В качестве единицы измерения величины взят ом, то есть отношение вольта к амперу: [Ом] = [В] / [А].

Определение Ома дало толчок в развитии электричества. Благодаря его закону появилась возможность управлять параметрами электроцепи, вводя в случае необходимости элементы с известным сопротивлением. В электронике они даже получили своё название — резисторы. Это элементы, обладающие известным постоянным или переменным значением величины обратной проводимости.

Решение задач

Практические навыки позволяют не только закрепить теоретический материал, но и понять возможности его применения. Кроме этого, школьник учится самостоятельно анализировать заданные условия, работать со справочной литературой. Умение находить сопротивление особенно важно для тех, кто собирается работать в области электрики или электроники.

Вот некоторые из типовых заданий, рассчитанные на учащихся восьмых классов средней школы:

1. Каково будет сопротивление платинового провода длиной 0,1 метр и площадью поперечного сечения 2 мм². Из таблицы удельных коэффициентов можно взять значение p для Pt, оно составляет 0,1 Ом * мм² / м. Для вычисления требуемой величины нужно воспользоваться правилом, согласно которому, сопротивление проводника прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. При этом она зависит и от вида материала. Таким образом, R = p * l / S = 0,1 [Ом * мм² / м] * 0,1 [м] / 2 [мм²] = 0,005 Ом = 5 *10^-3 Ом.
2. В схеме последовательно с амперметром включён проводник, имеющий сопротивление, равное 1 кОм. При подключении к источнику тока показания прибора составили 593 мА. Определить напряжение на выводах проводника. Это простая задача на использование закона Ома: I = U / R. Из формулы следует, что напряжение можно найти как U = I * R. Перед тем как подставлять исходные данные в формулу, нужно размерность всех величин привести к стандарту СИ. Так, I = 593 мА = 0,593 A, а 10 кОм = 1 * 10³ Ом. Отсюда: U = 0,593 [А] * 10³[Ом] = 593 [В].
3. Устройство для управления сопротивлением (реостат) изготовлен из цинковой проволоки длиной 50 метров. Её поперечное сечение равно одному квадратному метру. Вычислить напряжение на реостате, если по виткам проволоки проходит ток силой в 2,5 ампера. Для того чтобы определить разность потенциалов, нужно знать сопротивление. Вычислить его можно по формуле: R = p * l / S = (0,6 * 10^-6 * 50) / 10^-6 = 30 Ом. Отсюда: U = 2,5 [А] * 30 [Ом] = 75 [В].

Таким образом, решать задачи, связанные с электрическим сопротивлением, несложно. Нужно лишь знать несколько формул и понимать явления, которые происходят при появлении электротока. При этом нужно внимательно следить за размерностью подставляемых величин, переводя исходные данные в систему СИ.