Електричний опір – приклад

При замиканні ланцюга лампочка починає яскраво світити, а амперметр показує деяке значення сили струму. Розімкніть ключ, підключимо послідовно з лампочкою никелиновую дріт АВ довжиною 1-2 м. Знову замкнемо ланцюг. Бачимо, що лампочка світить більш тьмяно, а сила струму в ланцюзі зменшується. Якщо ж замість никелиновой дроту включити в ланцюг таку ж за розмірами дріт з ніхрому, то лампочка стане світити зовсім тьмяно, а амперметр покаже ще меншу силу струму. Про що ж говорить цей досвід? Як видно, включення послідовно з лампочкою додаткових провідників призводить до зменшення сили струму в ланцюзі. Щоб переконатися в тому, що не тільки ніхромові і никелиновые провідники володіють такою властивістю, послідовно з лампочкою включають котушку з великим числом витків тонкого мідного дроту. Замикають ланцюг і бачать: лампочка світить тьмяно, а сила струму стає менше.

Властивість провідників обмежувати силу струму в ланцюзі, тобто протидіяти електричного струму, називають електричним опором. Електричний опір провідника прийнято позначати буквою R. У чому причина опору? Якщо б електрони в провіднику не відчували ніяких перешкод у русі, то вони, будучи приведені в впорядкований рух, рухалися б по інерції необмежено довго. Насправді електрони взаємодіють з іонами кристалічної решітки металу. При цьому сповільнюється впорядкований рух електронів і крізь поперечний переріз провідника проходить за 1 с меншу їх кількість. Відповідно зменшується і переноситься електронами за 1 с заряд, тобто зменшується сила струму. Таким чином, кожен провідник як би протидіє електричного струму, чинить йому опір. Описані досліди говорять не тільки про те, що провідники мають опором, але і про те, що опір різних провідників різне. З’ясуємо, від чого і як залежить опір провідників.

Розглянемо електричну ланцюг, показану на малюнку. Джерело струму в такій ланцюга (наприклад, акумулятор) підтримує на зовнішній ділянці кола постійна напруга. Широкими чорними лініями умовно зображені сполучні мідні дроти. Лінією з поділками на шкалі 1-2-3-4-5 зображений тонкий дріт з ніхрому, натягнутий на ізолюючої панелі. Амперметр вимірює силу струму в ланцюзі, а вольтметр – напругу на включеної частини ніхромового провідника. Підключають мідний дріт, а з ним і вольтметр до точок 1 і 2. Замикають ланцюг і відзначають показання вольтметра і амперметра. Потім розмикають ланцюг і перемикають мідний дріт (а з ним і вольтметр) від точки 2 до точки 3. Знову замикають ланцюг. Бачать, що напруга не змінюється, а сила струму в 2 рази зменшується. Знову розмикають ланцюг і підключають мідний провід і вольтметр до точки 4. І знову бачать: напруга залишилося колишнім, а сила струму стала в 3 рази менше. І нарешті, підключають мідний провід до точки 5 і виявляють, що напруга знову залишилося постійним, а сила струму зменшилася у 4 рази. Таким чином, приходять до висновку: збільшення довжини провідника в кілька разів при однаковій напрузі призводить до зменшення сили струму в стільки ж разів. Звідси слідує, що опір провідника прямо пропорційний його довжині.

Тепер беремо никелиновый провідник довжиною 1 м і включимо в ланцюг так само, як і в попередньому досвіді. Амперметр показує деяку силу струму. Потім підключимо провідник такої ж довжини з того ж матеріалу, але з площею поперечного перерізу у 2 рази більше. Бачимо: сила струму стала в 2 рази більше. Підключивши точно такий же третій провідник, але з площею поперечного перерізу більше в 3 рази, переконуємося, що і сила струму стала в 3 рази більше. Висновок: чим більше площа поперечного перерізу провідника (при однаковій довжині і однаковому матеріалі), тим слабкіше він обмежує силу струму, тобто його опір стає менше. Отже, з досвіду випливає, що опір провідника назад пропорційно площі його поперечного перерізу.

Нарешті, беруть три провідника однакової довжини. Площі поперечного перерізу теж однакові, але ці провідники виготовлені з різних матеріалів, наприклад заліза, алюмінію і ніхрому. Включаємо їх у ланцюг і бачимо, що вони по-різному обмежує силу струму, тобто в них опору різні. Отже, опір залежить і від матеріалу, з якого зроблений провідник. Об’єднавши результати проведеного експериментального дослідження, можна записати: R=r·l/S. Отже, опір провідника прямо пропорційно довжині провідника, назад пропорційно площі його поперечного перерізу і залежить від матеріалу, з якого він виготовлений. Буквою р ми визначили величину, що характеризує матеріал провідника. Ця величина називається питомим опором. Воно дорівнює опору провідника, виготовленого з даного матеріалу, довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 квадратний метр. З усіх металів найменшою питомою опором володіють срібло і мідь. Отже, срібло і мідь – кращі провідники електрики. При проведенні електричних ланцюгів використовують алюмінієві, мідні і залізні дроти. У багатьох випадках бувають потрібні прилади, що мають великий опір. У них використовують спеціально створені сплави – речовини з великим питомим опором. Наприклад, сплав ніхром має питомий опір майже у 40 разів більше, ніж алюміній. Фарфор і ебоніт мають такий великий питомий опір, що майже зовсім не проводять електричний струм, їх використовують в якості ізоляторів.

Якщо в даній ланцюга нагрівати один з провідників, наприклад залізний, то можна виявити, що з підвищенням температури провідника сила струму на ділянці кола убуває, а отже, зростає його опір. Причина такого явища полягає в наступному. При підвищенні температури провідника посилюються коливання іонів у вузлах кристалічної решітки. У результаті вільні електрони будуть частіше стикатися з іонами, що значно заважає дрейфу електронів і тим самим обмежує силу струму. За одиницю опору приймають 1 Ом – опір такого провідника, в якому при напрузі на кінцях 1 вольт сила струму дорівнює 1 амперу. Коротко це записують так: 1 Ом=1 В / 1 А Застосовують і інші одиниці опору: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм). 1 мОм =0,001 Ом; 1 кОм = 1000 Ом; 1 МОм = 1000 000 Ом. В тій же системі одиниць питомий опір виражається в ом-метрах (Ом • м).

Посилання на основну публікацію