Ми встановили, що дія електричного поля характеризується фізичною величиною «напругою». Але в різних провідниках одна й та сама дія електричного поля (напруги) приводитиме до різної сили струму.
Електричний струм створюється напрямленим рухом електронів, але під час руху електрони зазнають протидію з боку іонів кристалічної ґратки. У різних речовинах ця протидія є різною.
Фізична величина, що характеризує протидію, яку чинить провідник на проходження електричного струму, називається електричним опором (R).
Вимірюють електричний опір в омах. Ця одиниця названа на честь німецького вченого XIX ст. Георга Ома.
величина опору залежить від речовини, з якої виготовлений провідник.
опір провідника прямо пропорційний його довжині.опір провідника обернено пропорційний площі його поперечного перерізу.
Ввівши відповідні позначення р, l, S, записуємо формулу: R=рl/S .
Опір провідника залежить також від температури.
Опір провідника, виготовленого з даної речовини, завдовжки 1 м, який має площу поперечного перерізу 1 м2, називається питомим опором цієї речовини.
Вводиться одиниця питомого опору: [р]=(Омхмм^2)/м або в СІ [р]=Омхм.
 | Це цікаво! Георг Сімон Ом – знаменитий німецький фізик, народився 16 березня 1787 р. в Ерланзі, у сім'ї бідного слюсаря. Коли хлопчикові виповнилося десять років, батько його – Іоганн Вольфганг, вельми розвинена і освічена людина, що з дитинства прщепила синові любов до математики і фізики, віддав його до гімназії, яку куріровав університет; після закінчення курсу в 1806 р. Ом почав вивчати математичні науки в ерланзькому університеті, але вже після 3 семестрів в 1806 р., кинувши університет, зайняв місце вчителя в Готштадті (Швейцарія). У 1809 р. покинув Швейцарію і, поселившись у Нейенбурзі, цілком присвятив себе вивченню математики; у 1811 р. повернувся до Ерлангену, вже в тому ж році зумів закінчити університет, захистити дисертацію і отримати вчений ступінь доктора філософії. Більш того, йому тут же була запропонована в університеті посада приват-доцента кафедри математики, у цій якості він пропрацював до 1813 року, в якому прийняв місце викладача математики у Бамберзі, звідки перейшов потім на таку ж посаду у Кьольні. Протягом перебування свого в Кьольні Ом опублікував знамениті свої роботи по теорії гальванічного кола. Цілий ряд неприємностей змусили його в 1828 р. покинути свою посаду; протягом 6 років, не дивлячись на вельми обмежені обставини, Ом присвячує себе виключно науковим роботам і лише в 1833 р. приймає пропозицію обійняти посаду професора фізики в політехнічній школі в Нюрнберзі. У 1849 р. Ом, вже вельми відомий, запрошений професором фізики до Мюнхена і призначений там же консерватором фізико-математичних колекцій академії наук; він залишається тут до своєї смерті. У Мюнхені в 1892 р. спорудили пам'ятник Ому, а в 1881 р., на міжнародному конгресі електриків в Парижі, вирішено було назвати його ім'ям тепер загальноприйняту одиницю електричного опору („один ом”). Відкриття. Найбільш відомі роботи Ома стосувалися питань про проходження електричного струму і привели до знаменитогозакону Ома, який є основою всього сучасного вчення про електрику. У першій його вченій роботі в 1825 р. Ом досвідчено досліджує електричні кола, але, через неосконалість приладів, приходить до помилкового результату. У 1826 р. Ом формулює свій знаменитий закон, і, потім всі свої роботи з цього питання об'єднує в одній книзі де дає і теоретичне виведення свого закону, виходячи з теорії, аналогічної теорії теплопровідності Фур’є. Не дивлячись на важливість цих робіт вони пройшли непоміченими і були зустрінуті навіть вороже, і лише коли Пул’є у Франції знову прийшов (1837), дослідним шляхом, до тих же результатів, закон Ома був ухвалений ученим світом, і Лондонське королівське суспільство на засіданні 30 листопада 1841 р. нагородило Ома медаллю Коплея. Відкриття Ома, що дало вперше можливість кількісно розглянути явища електричного струму, мало і має величезне значення для науки; всі теоретичні і дослідні перевірки показали повну його точність; закон Ома є дійсний закон природи. Подальші роботи Ома з електрики стосувалися питань провідності і нагрівання проводів струмом. У 1839 р. послідували ряд робіт з акустики, що привели до значних результатів. Г. Ом сформулював ще один закон, вказуючий на те, що людське вухо пізнає лише прості гармонійні коливання, і що всякий складний струм розкладається вухом на складених і пізнається лише як сума їх. І цей закон не був схвалений сучасниками Ома і лише Гельмгольц, через вісім років після смерті Ома, довів його повну справедливість. Помер Георг Сімон Ом 7 липня 1854 р. в Мюнхені. |
Ви вже знаєте, що причиною електричного опору провідника є взаємо-дія вільних електронів з йонами кристалічних ґраток металу. Розглянемо тепер, від чого залежить опір провідника. Для цього проведемо такі досліди.
Дослід I. В електричне коло (мал. 182) вмикатимемо по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, мають однаковий поперечний розріз, але різні довжини. Силу струму вимірюватимемо амперметром, а напругу - вольтметром.
Провівши досліди, доходимо такого висновку: що довший провідник, то більший його електричний опір. Тобто, у довшому провіднику частинки, що рухаються напрямлено, зазнають на своєму шляху більшої протидії.
Дослід 2. Вмикатимемо в електричне коло по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, однакової довжини, але мають різні поперечні перерізи. Вимірявши силу струму в провідниках і напругу на їхніх кінцях, переконаємося: що товщий провідник, то менший його електричний опір. Збільшення товщини провідника рівнозначне «розширенню русла», яким рухаються заряди, тому й опір провідника зменшується.
Дослід 3. Тепер в електричне коло будемо по черзі вмикати провідники однакової довжини та площею поперечного перерізу, але виготовлені з різних речовин. У результаті виявимо, що електричний опір провідника залежить від того, з якої речовини його виготовлено. Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні структури, отже, гальмівна дія зіткнень йонів і вільних електронів виявляється різною.
Вищезгадану залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше встановив дослідним шляхом Георг Ом:
опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу і залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.
Залежність опору провідника від речовини, з якої його виготовлено, характеризують спеціальним параметром - питомим опором речовини.
Питомий опір речовини — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу I M2.
Якщо довжину провідника позначити літерою І, площу його поперечного перерізу - S, питомий опір - р, то опір провідника визначатиметься за такою формулою:
Із цієї формули можна визначити питомий опір речовини:
Оскільки одиницею опору є 1 Ом, одиницею площі поперечного перерізу - 1 м2, одиницею довжини - 1 м, то одиницею питомого опору буде: 1 Ом · 1 м2/1 м-1 Ом · м.
На практиці площу поперечного перерізу провідників зазвичай виражають у квадратних міліметрах, тому одиницею питомого опору речовини в цьому разі є 1 Ом · мм2/м.
У таблиці 11 подано визначені експериментально значення питомого опору широко застосовуваних на практиці речовин.
Питомий електричний опір Таблиця 11
деяких речовин (t = 20 °С)
 |  |  |  |  |  |
 | 0,016 |  | 0,21 |  | 1,1 |
 | 0,017 |  | 0,40 |  | 1,3 |
 | 0,024 |  | 0,43 |  | 13 |
 | 0,028 |  | 0,50 |  | 1019 |
 | 0,050 |  | 0,96 |  | 102С |
 | 0,10 |
Як бачимо з таблиці 11, найкращими провідниками електрики є срібло, мідь, золото. Але для практичних потреб (наприклад, створення електромереж) провідники виготовляють з алюмінію, міді й заліза.
У нагрівальних елементах застосовують ніхромові й фехралеві провідники. Фарфор (порцеляна) та ебоніт є чудовими ізоляторами.
Бачимо, що для різних речовин значення питомого опору змінюються в дуже широких межах. Це пояснюється тим, що вони мають різну внутрішню будову.
На практиці часто доводиться змінювати силу струму в колі, роблячи її то більшою, то меншою. Наприклад, змінюючи силу струму в електроплитці, ми регулюємо температуру її нагрівання. Для регулювання сили струму в електричному колі застосовують спеціальні прилади - реостати. На малюнку 183 показано зовнішній вигляд реостатів (їх умовне позначення подано в таблиці 9, с. 107-108). Такі реостати називають повзунковими. У них
на керамічний циліндр намотано дріт, покритий тонким шаром окалини, тому витки дроту ізольовані один від одного. Над обмоткою розміщено металевий стержень, уздовж якого може переміщуватися повзунок.
Від тертя повзунка об витки шар окалини під контактами повзунка стирається, і електричний струм у колі проходить від витків дроту до повзунка, а крізь нього - у стержень, який має на кінці затискач. Реостат вмикають у коло за допомогою цього затискача й затискача, з’єднаного з одним з кінців обмотки й розміщеного на корпусі реостата. Переміщуючи повзунок по стержню, можна збільшувати або зменшувати опір увімкненого в коло реостата.
На малюнку 184 зображено реостат (а) і магазини опорів (б), за допомогою яких можна змінювати опір у колі не плавно, а стрибкоподібно.
Кожний реостат розрахований на певний опір і на певну допустиму силу струму, перевищувати яку не слід, тому що обмотка реостата може
розжаритися й перегоріти. Опір реостата і найбільше допустиме значення сили струму зазначено на корпусі реостата.
Для вимірювання опору провідників використовують прилади, які називають омметрами. Скористаємося одним з видів омметрів, які бувають різних конструкцій. Щоб виміряти опір провідника, приєднаємо до нього омметр (мал. 185). Цифровий індикатор приладу показує, що опір провідника дорівнює 0,64 Ом.
ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО
1. Що характеризує електричний опір і як його позначають?
2. Від чого залежить опір провідника?
3. За якою формулою визначають опір провідника?
4. Що показує питомий опір? Якою літерою його позначають?
5. Які ви знаєте одиниці питомого опору?
6. Є два провідники. У якого з них більший опір, якщо вони:
а) мають однакову довжину і площу поперечного перерізу, але один з них виготовлено з константану, а другий - з фехрапю;
б) виготовлені з однакової речовини, мають однакову товщину, але один з них удвічі довший;
в) виготовлені з однакової речовини, мають однакову довжину, але один з них удвічі тонший?
7. Провідники, розглянуті у запитанні 6, по черзі приєднують до одного й того самого джерела струму. У якому випадку сила струму буде більшою, а в якому - меншою? Порівняйте кожну пару розглянутих провідників.
8. Які конструкції реостатів ви знаєте? Для чого їх використовують?
Лабораторна робота № З
Вимірювання опору провідника за допомогою амперметра і вольтметра
Мета роботи: навчитися вимірювати опір провідника за допомогою амперметра і вольтметра. Переконатися на дослідах, що опір провідника не залежить від сили струму в ньому і напруги на його кінцях.
Прилади і матеріали: джерело струму, досліджуваний провідник (ніхромова спіраль), амперметр, вольтметр, реостат, ключ, з’єднувальні проводи.
Хід роботи
1. Складіть електричне коло, з’єднавши послідовно джерело струму, амперметр, досліджуваний провідник (спіраль), реостат, ключ. До кінців спіралі приєднайте вольтметр (враховуйте знаки «+» і «-»).
2. Накресліть схему складеного електричного кола.
3. Виміряйте силу струму в колі і напругу на провіднику.
4. За допомогою реостата змініть опір кола й знову виміряйте силу струму в колі та напругу на провіднику.
5. Результати вимірювань запишіть у таблицю.
№ провідника | Сила струму T, А | Напруга TJ4 В | Опір Д, Ом |
1 2 |
6. Користуючися законом Ома, обчисліть опір провідника за даними кожного окремого вимірювання.
7. Результати обчислень запишіть у таблицю. Порівняйте одержані результати.
Для допитливих
За даними роботи накресліть графік залежності сили струму в провіднику від напруги на її кінцях. Проаналізуйте графік. За графіком визначте опір провідника при будь-якому проміжному значенні сили струму.
ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ Розв’язуємо разом
1. Опір котушки мідного дроту дорівнює 1,5 Ом. Опір другої котушки мідного дроту такого самого поперечного перерізу - 6 Ом. У скільки разів довжина дроту однієї котушки менша за іншу?
Відповідь: відомо, що опір провідника прямо пропорційний його довжині. Отже, що коротший мідний дріт, то менший його опір. Звідси випливає, що довжина мідного дроту в першій котушці в 4 рази менша, ніж у другій.
2. Реостат виготовлено з нікелінового дроту завдовжки 40 м і площею поперечного перерізу 0,5 мм2. Напруга на затискачах реостата становить 80 В. Визначте силу струму, що проходить крізь реостат.
Рівень А
Немає коментарів:
Дописати коментар