Що таке електричний опір?

На сьогоднішній день однією з найважливіших характеристик будь-якого матеріалу є його електричний опір. Цей факт пояснюється безпрецедентним в історії людства поширенням електричних машин, що змусило по-іншому поглянути на властивості навколишніх матеріалів як штучного, так і природного походження. Поняття «електричний опір» стало таким же важливим, як тепломісткість тощо. Воно застосовне абсолютно до всього, що нас оточує: вода, повітря, метал, навіть вакуум.

Кожна сучасна людина повинна мати уявлення про цю характеристику матеріалів. На питання «що ж таке електричний опір» можна відповісти лише в тому випадку, якщо відомий сенс терміну «електричний струм». З цього і почнемо.

Матеріальним проявом енергії є атом. Все складається з них, з’єднаних у групи. Існуюча в даний час фізична модель стверджує, що атом походить на зменшену модель зоряної системи. У центрі знаходиться ядро, що включає частинки двох типів: нейтрони і протони. Протон несе електричний позитивний заряд. На різних відстанях від ядра по кругових орбітах обертаються інші частинки – електрони, що несуть негативний заряд. Кількість протонів завжди відповідає кількості електронів, тому сумарний заряд дорівнює нулю. Чим віддаленіше від ядра знаходиться орбіта електрона (валентний), тим слабша сила тяжіння, що утримує його в структурі атомі.

У машині, що генерує струм, магнітне поле вивільняє з орбіт валентні електрони. Оскільки в ядрі атома, який втратив електрон, залишається «зайвий» протон, то сила тяжіння «відриває» інший валентний електрон із зовнішньої орбіти сусіднього атома. У процес заманюється вся структура матеріалу. У результаті з’являється рух заряджених частинок (атомів з позитивним зарядом і вільних електронів з негативним), який і називається електричним струмом.

Матеріал, у структурі якого електрони зовнішніх орбіт можуть легко залишати атом, називається провідником. Його електричний опір мало. Це група металів. Наприклад, для виробництва проводів в основному використовують алюміній і мідь. За законом Ома електричний опір провідника являє собою відношення створеного генератором напруги до сили струму, що проходить. До речі, опір вимірюється в “Омах” “.

Легко здогадатися, що існують матеріали, в яких валентних електронів дуже мало або атоми сильно віддалені один від одного (газ), тому їх внутрішня структура не може забезпечити проходження струму. Вони носять назву діелектриків і використовуються для ізолювання проводять ліній в електротехніці. Електричний опір у них дуже високий.

Всім відомо, що мокрий діелектрик починає проводити електричний струм. У світлі цього факту особливий інтерес набуває питання «чи існує електричний опір води». Відповідь на нього суперечлива: і так, і ні. Як вже вказувалося раніше, якщо в матеріалі валентних електронів практично немає, а сама структура складається більше з порожнечі, ніж частинок (згадуємо таблицю Менделєєва і водень з єдиним електроном на орбіті), то в звичайних умовах провідність існувати не може. Під цей опис ідеально підходить вода: з’єднання двох газів, зване нами рідиною. І дійсно, будучи повністю очищеною від розчинених домішок, вона є дуже хорошим діелектриком. Але оскільки у природі у воді завжди присутні розчини солей, то електрична провідність забезпечується саме ними. На її рівень впливає насиченість розчину і температура (агрегатний стан). Ось тому однозначної відповіді на питання бути не може, адже вода буває різною.

§ 29. Електричний опір. Закон Ома

Згадайте механічний аналог електричного кола, запропонований у § 26 (див. рис. 26.4). А тепер уявіть, що досить тривалий час саме ви будете «черпальником», тобто маєте підтримувати обертання вертушки. Як це зробити з найменшими зусиллями? Скоріше за все, ви намагатиметеся зробити так, щоб вода з трубки виливалася повільніше, і, очевидно, оберете для цього дуже тонку трубку, а перепад рівнів води в посудинах зробите якомога меншим.

Згадайте, що різниця рівнів води — аналог напруги, а кількість води, що пройшла через трубку за 1 с, — аналог сили струму. Отже, можна припустити, що сила струму в провіднику зменшується в разі зменшення напруги і залежить від провідних властивостей провідника. Перевіримо ці припущення.

1. Переконуємося, що сила струму в провіднику залежить від напруги на його кінцях

Складемо електричне коло, споживачем у якому буде металевий провідник (резистор), а джерелом струму — пристрій, на виході якого можна змінювати напругу. Для вимірювання сили струму в провіднику та напруги на його кінцях використаємо амперметр і вольтметр (рис. 29.1, а).

Дослід покаже, що в разі збільшення напруги на кінцях провідника у 2 рази сила струму в провіднику так само зросте у 2 рази (рис. 29.1, б); збільшення напруги у 2,5 разу приведе до зростання сили струму також у 2,5 разу (рис. 29.1, в) і т. д. Таким чином, у скільки разів збільшується напруга на кінцях провідника, у стільки ж разів зростає в провіднику сила струму. Інакше кажучи, сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на кінцях провідника. Цю залежність першим експериментально встановив німецький учений Г. Ом (рис. 29.2) у 1826 р.

Рис. 29.1. Дослід, який демонструє залежність сили струму в провіднику від поданої на провідник напруги

Рис. 29.2. Георг Сімон Ом (1787-1854) — німецький фізик, у 1826 р. експериментально відкрив закон, який був згодом названий його ім’ям

З курсу математики вам відомо, що таку залежність можна передати формулою I = kU, де k — коефіцієнт пропорційності, а також у вигляді графіка, який являє собою пряму, що проходить через початок координат (рис. 29.3).

Залежність сили струму в провіднику від напруги на його кінцях називають вольт-амперною характеристикою провідника.

Рис. 29.3. Графік залежності сили струму в провіднику від напруги на його кінцях — пряма лінія

2. Дізнаємося про електричний опір

Провівши дослід, описаний у пункті 1, з іншими провідниками, побачимо, що в кожному провіднику сила струму є прямо пропорційною напрузі на його кінцях (I = kU), а от коефіцієнт пропорційності буде різним, про що свідчать різні кути нахилу графіків (рис. 29.4). Отже, сила струму в провіднику залежить не тільки від напруги на його кінцях, але й від властивостей самого провідника.

Сила струму менша в тому провіднику, який має більший опір. Тобто чим більшим є опір провідника, тим сильніше провідник протидіє проходженню струму — створює йому опір. (При цьому частина електричної енергії перетворюється на внутрішню енергію провідника.)

Електричний опір — це фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму.

Одиниця електричного опору в СІ — ом:

[R] = 1 Ом.

1 Ом — це опір такого провідника, в якому за напруги на кінцях 1 В сила струму дорівнює 1 А:

Рис. 29.4. Залежність сили струму від напруги для різних провідників

Рис. 29.5. Різні типи резисторів, які використовують в електротехніці. Опір резистора позначено на його корпусі

Більшість радіоелектронних пристроїв неможливо уявити без резисторів — деталей, що забезпечують певні опори (рис. 29.5).

3. Формулюємо закон Ома для ділянки кола

Усе те, що ви дізналися про залежність сили струму в провіднику від напруги на його кінцях, справджується і для ділянки кола, яка містить будь-яку кількість провідників. Отже, закон Ома для ділянки кола:

Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна електричному опору цієї ділянки кола.

Математичним записом закону Ома є формула:

де R — опір ділянки кола; він залежить тільки від властивостей провідників, що складають ділянку.

Закон Ома — один із найважливіших фізичних законів, і переважна більшість розрахунків електричних кіл ґрунтується саме на ньому.

Скориставшись законом Ома, отримайте формулу для розрахунку опору провідника; для розрахунку напруги на кінцях провідника.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. На рисунку подано вольт-амперну характеристику металевого провідника. Визначте опір цього провідника.

Аналіз фізичної проблеми. Графік залежності сили струму від напруги — пряма, тому для визначення опору скористаємося координатами будь-якої точки графіка та законом Ома.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід, який демонструє, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на його кінцях. 2. Опишіть дослід, який демонструє, що сила струму в провіднику залежить від властивостей провідника. 3. Дайте означення опору провідника. 4. Що таке 1 Ом? 5. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола.

Вправа № 29

1. Користуючись показами приладів (рис. 1), визначте опір електричної лампи.

Рис. 1

2. На рис. 29.4 подано вольт-амперні характеристики кількох провідників. Визначте опори цих провідників.

3. Сила струму, який тече в спіралі кип’ятильника, дорівнює 1,5 А. Визначте напругу на спіралі, якщо її опір становить 150 Ом.

4. Опір провідника дорівнює 2 Ом. Подайте вольт-амперну характеристику цього провідника у вигляді графіка.

5. У провіднику, до кінців якого прикладено напругу 12 В, протягом 5 хв пройшов заряд 60 Кл. Визначте опір провідника.

6. Якщо в електричному колі (рис. 2) замкнути ключ, то стрілка амперметра розміститься так, як показано на рисунку. Визначте ціну поділки шкали амперметра.

Рис. 2

7. Чи залежить опір провідника від сили струму в ньому? від напруги на його кінцях? Поясніть свою відповідь.

8. З мідного дроту, площа поперечного перерізу якого дорівнює 10 мм 2 , виготовлено кільце діаметром 10 см. Визначте масу кільця.

§ 32. Електричний опір. Закон Ома для ділянки кола

1. Нагадаємо, що фізичні величини сила струму I і напруга U характеризують електричний струм і його дію. Встановимо залежність між цими величинами. Для цього скористаємося установкою, зображеною на рисунку 111.

Рис. 111

Як споживач струму в колі використовується резистор — металевий провідник у вигляді спіралі. Паралельно до резистора підключений вольтметр, що вимірює напругу на цій ділянці кола. Інша частина кола складається з джерела струму, ключа і амперметра. Як джерело струму будемо використовувати пристрій, який дозволяє регулювати напругу на кінцях провідника.

2. Спочатку приєднаємо вольтметр до провідника 1. Будемо змінювати напругу на цій ділянці кола і стежити за відповідними змінами сили струму. Результати вимірювань наведені в таблиці 14.

Рис. 112

Як видно з таблиці 14, між силою струму і напругою на кінцях провідника існує пряма пропорційна залежність: I ~ U (рис. 112).

U

I

Приєднаємо вольтметр до провідника 2 і повторимо дослід. При тих самих значеннях напруги, що і в першому випадку, отримаємо інші значення сили струму. Проте і в цьому провіднику сила струму буде прямо пропорційна напрузі.

3. За результатами проведених дослідів обчислимо відношення напруги до сили струму. Воно буде однаковим для кожного з провідників, але буде мати різне значення для провідників 1 і 2. Отже, існує фізична величина, що характеризує властивості провідника, через який протікає електричний струм. Цю величину називають електричним опором провідника або просто опором. Позначають опір літерою R.

За одиницю опору приймають ом (1 Ом). 1 Ом — це опір такого провідника, в якому при напрузі на його кінцях 1 В сила струму дорівнює 1 A.

Одиниця опору отримала свою назву на честь німецького вченого Георга Ома (1787-1854), який відкрив основний закон електричного кола.

У практиці використовують похідні одиниці: кілоом (1 кОм), мегаом (1 МОм).

1 кОм = 1000 Ом,

1 МОм = 1 000 000 Ом.

4. Що ж таке опір 1 Ом? Щоб уявити, наскільки великий цей опір, наведемо такі приклади: опір нитки лампочки кишенькового ліхтаря близько 12 Ом, а нитки електричної лампи розжарювання у включеному стані — 200-400 Ом. З іншого боку, 1 Ом — це опір приблизно 5 км проводів трамвайної лінії, тобто опір маленької тоненької нитки лампочки може виявитися у багато десятків і сотень разів більшим за опір товстого довгого дроту. Справа в тому, що електричний опір провідника залежить від речовини, з якої він виготовлений.

5. Спробуємо тепер пояснити, чому провідник має електричний опір. Згадайте, що електричний струм у металах — це напрямлений рух вільних електронів. Електрони, які рухаються під дією електричного поля, взаємодіють з атомами та йонами кристалічної ґратки металу. Це веде до зменшення швидкості напрямленого руху електронів, а отже, і сили струму в провіднику. Отже, електричний опір характеризує властивість провідника протидіяти напрямленому руху вільних зарядів у ньому.

Опір мають і розчини солей, кислот та лугів, унаслідок того, що відбувається взаємодія йонів, які рухаються в електричному полі, з молекулами і атомами розчинів.

6. З’ясуємо за допомогою зображеної на рисунку 113 установки, як залежить сила струму від опору ділянки кола за умови постійної напруги на цій ділянці.

Рис. 113

Для цього будемо використовувати магазин опорів, що являє собою чотири послідовно з’єднаних провідники, які можуть у різних поєднаннях включатися в коло. При цьому загальний опір провідників буде різним. Включимо в коло провідник із опором 1 Ом, потім 2 Ом і 4 Ом. За допомогою джерела струму будемо підтримувати в кожному випадку постійну напругу, наприклад, 2 В. Результати досліду представлені в таблиці 15.