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 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.
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.
В физике электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует способность проводника препятствовать протеканию электрического тока.
Что такое электрическое сопротивление
Каждое тело, каждое вещество имеет электрическое сопротивление. Если приложить одно и то же напряжение к разным телам, ток через них потечёт разный, т.к. у них разное сопротивление. Есть вещества, через которые ток вообще не потечёт. Такие вещества называются диэлектриками, а вещества, пропускающие электрический ток, называются проводниками.
Как известно, ток - это направленное движение электронов. Электроны с отрицательного полюса источника напряжения поступают в проводник, там они выбивают из молекулы проводника другие электроны, занимая их место. Электроны как бы передают эстафету от молекулы к молекуле.
Кроме того, в проводниках есть и собственные свободные электроны, не связанные ни с каким определённым атомом. Все эти частицы движутся по проводнику. Поскольку свободные электроны присутствуют во всём объёме проводника, при приложении напряжения электроны моментально достигают положительного полюса.
Молекулы разных веществ с разной силой удерживают свои электроны. Например, у золота выбить частицы проще, чем у меди, и свободных электронов в нём больше, значит, сопротивление золота меньше. Молекулы диэлектриков свои электроны отдают крайне неохотно, поэтому ток через них не течёт.
Как определить величину сопротивления
Способность проводника сопротивляться прохождению тока называется сопротивлением и обозначается буквой R. Сопротивление жёстко связано с током и напряжением. Если к концам проводника с сопротивлением R приложить напряжение U, через него потечёт ток I. R = U/ I. Это называется законом Ома.
В Омах. 1 Ом - это такое сопротивление, через которое при напряжении в 1 Вольт течёт ток в 1 Ампер.
Любой проводник характеризуется удельным сопротивлением ρ. Для каждого проводника это величина неизменная, она указывается в справочниках. Удельное сопротивление - это такое сопротивление, которым обладает проводник длиной l=1 м и площадью сечения S=1 кв.м. Значит, сопротивление R=ρl/S. Чем длиннее проводник, тем сопротивление больше, а с увеличением площади сечения сопротивление падает.
Следует иметь в виду, что при нагреве проводника сопротивление растёт, а при охлаждении, наоборот, падает. При абсолютном нуле (- 273° С) сопротивление близко к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Удельное сопротивление, которое указывают в справочниках, измеряется в нормальных условиях, т.е. при комнатной температуре.
Внутреннее и внешнее сопротивление
Сопротивлением обладают не только проводники и элементы электрических схем, но и источники напряжения. Собственное сопротивление источника r называется внутренним, а сопротивление нагрузки R - внешним. Ток I через нагрузку от источника течёт от минуса к плюсу, а внутри источника от плюса к минусу, т.е. ток нагрузки равен току внутри источника.
Если на полюсах источника имеется напряжение Е, то его можно определить по формуле Е=IR+Ir. Отсюда можно вычислить и внутреннее, и внешнее сопротивление.
Закон Ома является основным законом электрических цепей. При этом он позволяет объяснять многие явления природы. Например, можно понять, почему электричество не "бьет" птиц, которые сидят на проводах. Для физики закон Ома является крайне значимым. Без его знания невозможно было бы создавать стабильно работающие электрические цепи или вовсе не было бы электроники.
Зависимость I = I(U) и ее значение
История открытия сопротивления материалов напрямую связана с вольт-амперной характеристикой. Что это такое? Возьмем цепь с постоянным электрическим током и рассмотрим любой ее элемент: лампу, газовую трубку, металлический проводник, колбу электролита и т. д.
Меняя напряжение U (часто обозначается как V), подаваемое на рассматриваемый элемент, будем отслеживать изменение силы тока (I), проходящего через него. Как итог, мы получим зависимость вида I = I (U), которая носит название "вольт-амперная характеристика элемента" и является прямым показателем его электрических свойств.
Вольт-амперная характеристика может выглядеть по-разному для различных элементов. Самый простой ее вид получается при рассмотрении металлического проводника, что и сделал Георг Ом(1789 - 1854).
Вольт-амперная характеристика - это линейная зависимость. Поэтому ее графиком служит прямая линия.
Закон в простой форме
Исследования Ома по изучению вольт-амперных характеристик проводников показали, что сила тока внутри металлического проводника пропорциональна разности потенциалов на его концах (I ~ U) и обратно пропорциональна некоему коэффициенту, то есть I ~ 1/R. Этот коэффициент стал называться "сопротивление проводника", а единица измерения электрического сопротивления - Ом или В/А.
Стоит отметить еще вот что. Закон Ома часто используется для расчета сопротивления в цепях.
Формулировка закона
Закон Ома говорит, что сила тока (I) отдельно взятого участка цепи пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Следует заметить, что в таком виде закон остается верным только для однородного участка цепи. Однородной называется та часть электрической цепи, которая не содержит источника тока. Как пользоваться законом Ома в неоднородной цепи, будет рассмотрено ниже.
Позже опытным путем было установлено, что закон остается справедливым и для растворов электролитов в электрической цепи.
Физический смысл сопротивления
Сопротивление - это свойство материалов, веществ или сред препятствовать прохождению электрического тока. Количественно сопротивление в 1 Ом означает, что в проводнике при напряжении 1 В на его концах способен проходить электрический ток силой 1 А.
Удельное электрическое сопротивление
Экспериментальным методом было установлено, что сопротивление электрического тока проводника зависит от его размеров: длина, ширина, высота. А также от его формы (сфера, цилиндр) и материала, из которого он сделан. Таким образом, формула удельного сопротивления, например, однородного цилиндрического проводника будет: R = р*l/S.
Если в этой формуле положить s = 1 м 2 и l = 1 м, то R численно будет равен р. Отсюда вычисляется единица измерения для коэффициента удельного сопротивления проводника в СИ - это Ом*м.
В формуле удельного сопротивления р - это коэффициент сопротивления, определяемый химическими свойствами материала, из которого изготовлен проводник.
Для рассмотрения дифференциальной формы закона Ома, необходимо рассмотреть еще несколько понятий.
Как известно, электрический ток - это строго упорядоченное движение любых заряженных частиц. Например, в металлах носителями тока выступают электроны, а в проводящих газах - ионы.
Возьмем тривиальный случай, когда все носители тока однородны - металлический проводник. Мысленно выделим в этом проводнике бесконечно малый объем и обозначим через u среднюю (дрейфовую, упорядоченную) скорость электронов во взятом объеме. Далее пусть n обозначает концентрацию носителей тока в единице объема.
Теперь проведем бесконечно малую площадь dS перпендикулярно вектору u и построим вдоль скорости бесконечно малый цилиндр с высотой u*dt, где dt - обозначает время, за которое все носители скорости тока, содержавшиеся в рассматриваемом объеме, пройдут сквозь площадку dS.
При этом электронами сквозь площадку будет перенесен заряд, равный q = n*e*u*dS*dt, где e - заряд электрона. Таким образом, плотность электрического тока - это вектор j = n*e*u, обозначающий количество заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади.
Один из плюсов дифференциального определения закона Ома заключается в том, что часто можно обойтись без расчета сопротивления.
Электрический заряд. Напряженность электрического поля
Напряженность поля наряду с электрическим зарядом является фундаментальным параметром в теории электричества. При этом количественное представление о них можно получить из простых опытов, доступных школьникам.
Для простоты рассуждений будем рассматривать электростатическое поле. Это электрическое поле, которое не изменяется со временем. Такое поле может быть создано неподвижными электрическими зарядами.
Также для наших целей необходим пробный заряд. В его качестве будем использовать заряженное тело - настолько малое, что оно не способно вызывать какие-либо возмущения (перераспределение зарядов) в окружающих объектах.
Рассмотрим поочередно два взятых пробных заряда, последовательно помещенных в одну точку пространства, находящуюся под воздействием электростатического поля. Получается, что заряды будут подвергаться неизменному во времени воздействию с его стороны. Пусть F 1 и F 2 - это силы, воздействующие на заряды.
В результате обобщения опытных данных было установлено, что силы F 1 и F 2 направлены либо в одну, либо в противоположные стороны, а их отношение F 1 /F 2 является независимым от точки пространства, куда были поочередно помещены пробные заряды. Следовательно, отношение F 1 /F 2 является характеристикой исключительно самих зарядов, и никак не зависит от поля.
Открытие данного факта позволило охарактеризовать электризацию тел и в дальнейшем было названо электрическим зарядом. Таким образом, по определению получается q 1 /q 2 = F 1 /F 2 , где q 1 и q 2 - величина зарядов, помещаемых в одну точку поля, а F 1 и F 2 - силы, действующие на заряды со стороны поля.
Из подобных соображений были экспериментально установлены величины зарядов различных частиц. Условно положив в соотношение один из пробных зарядов равным единице, можно вычислить величину другого заряда, измерив соотношение F 1 /F 2 .
Через известный заряд можно охарактеризовать любое электрическое поле. Таким образом, сила, действующая на единичный пробный заряд, находящийся в состоянии покоя, называется напряженностью электрического поля и обозначается E. Из определения заряда получаем, что вектор напряженности имеет следующий вид: E = F/q.
Связь векторов j и E. Другая форма закона Ома
Также отметим, что определение удельного сопротивления цилиндра можно обобщить для проводов, состоящих из одного материала. В таком случае площадь поперечного сечения из формулы удельного сопротивления будет равна сечению провода, а l - его длине.