Удельное сопротивление. Реостаты — урок. Физика, 8 класс.

Соберём цепь, изображённую на рисунке. Силу тока в цепи измеряют амперметром, напряжение — вольтметром. Зная напряжение на концах проводника и силу тока в нём, по закону Ома можно определить сопротивление каждого из проводников.

 

 

В цепь источника тока по очереди будем включать различные проводники, например, никелиновые проволоки одинаковой толщины, но разной длины. Выполнив указанные опыты, мы установим, что из двух никелиновых проволок одинаковой толщины более длинная проволока имеет большее сопротивление.
В следующем эксперименте по очереди будем включать никелиновые проволоки одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения). Установим, что из двух никелиновых проволок одинаковой длины большее сопротивление имеет проволока, поперечное сечение которой меньше.
В третьем эксперименте по очереди будем включать никелиновую и нихромовую проволоки одинаковой длины и толщины. Установим, что никелиновая и нихромовая проволоки одинаковых размеров имеют разное сопротивление.
Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества, из которого изготовлен проводник, впервые на опытах изучил Ом. Он установил:

Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

 

Обрати внимание!

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, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт 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.

Причиной наличия сопротивления у проводника является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решётки проводника. Из-за различия в строении кристаллической решётки у проводников, выполненных из различных веществ, сопротивления их отличаются друг от друга. Для характеристики материала вводят величину, которую называют удельным сопротивлением.

Удельное сопротивление — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной \(1\) м и площадью поперечного сечения \(1\) м².

Введём буквенные обозначения: \(ρ\) — удельное сопротивление проводника, \(l\) — длина проводника, \(S\) — площадь его поперечного сечения. Тогда сопротивление проводника \(R\) выразится формулой:

R=ρ⋅lS.

 

Из этой формулы можно выразить и другие величины:

 

l=R⋅Sρ, S=ρ⋅lR, ρ=R⋅Sl.

 

Из последней формулы можно определить единицу удельного сопротивления. Так как единицей сопротивления является \(1\) Ом, единицей площади поперечного сечения — \(1\) м², а единицей длины — \(1\) м, то единицей удельного сопротивления будет:

 

1 Ом ⋅1м21 м=1 Ом ⋅1 м, т.е. Ом⋅м.

 

Удобнее выражать площадь поперечного сечения проводника в квадратных миллиметрах, так как она чаще всего бывает небольшой. Тогда единицей удельного сопротивления будет:

 

1 Ом ⋅1мм21 м, т.е. Ом⋅мм2м.

 

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых веществ при \(20\) °С.

 

 

Обрати внимание!

Удельное сопротивление с изменением температуры меняется.

Опытным путём было установлено, что у металлов, например, удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается.

 

Обрати внимание!

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Следовательно, серебро и медь — лучшие проводники электричества.

При проводке электрических цепей используют алюминиевые, медные и железные провода.
Во многих случаях нужны приборы, имеющие большое сопротивление. Их изготавливают из специально созданных сплавов — веществ с большим удельным сопротивлением. Например, как видно из таблицы, сплав нихром имеет удельное сопротивление почти в \(40\) раз большее, чем алюминий.

 

Обрати внимание!

Стекло и дерево имеют такое большое удельное сопротивление, что почти совсем не проводят электрический ток и являются изоляторами.

 

На практике часто приходится менять силу тока в цепи, делая её то больше, то меньше. Так, изменяя силу тока в динамике радиоприёмника, мы регулируем громкость звука. Изменением силы тока в электродвигателе швейной машины можно регулировать скорость его вращения.
 

Для регулирования силы тока в цепи применяют специальные приборы — реостаты.

Простейшим реостатом может служить проволока из материала с большим удельным сопротивлением, например, никелиновая или нихромовая. Включив такую проволочку в цепь источника электрического тока через контакты А и С и передвигая подвижный контакт С, можно уменьшать или увеличивать длину включённого в цепь участка АС. При этом будет меняться сопротивление цепи, а следовательно, и сила тока в ней, это покажет амперметр.

 

Реостатам, применяемым на практике, придают более удобную и компактную форму. Для этой цели используют проволоку с большим удельным сопротивлением. Один из реостатов (ползунковый реостат) изображён на рисунке.

 

 

В этом реостате никелиновая проволока намотана на керамический цилиндр. Проволока покрыта тонким слоем не проводящей ток окалины, поэтому витки её изолированы друг от друга. Над обмоткой расположен металлический стержень, по которому может перемещаться ползунок. Своими контактами он прижат к виткам обмотки. От трения ползунка о витки слой окалины под его контактами стирается, и электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, а через него в стержень, имеющий на конце зажим \(1\).19) имеют очень большое удельное сопротивление и почти не проводят электрический ток, их  используют для изоляторов.

Реостаты

Реостат — прибор, который используется для регулирования силы тока в цепи.

Самый простой реостат — проволока с большим удельным сопротивлением , такая как никелиновая или нихромовая.

Виды реостатов:

Ползунковый реостат — еще один вид реостатов , в котором  стальная проволока намотана на керамический цилиндр.Проволока покрыта тонким слоем окалины , которая не проводит электрический ток , поэтому ее витки изолированы друг от друга.Над обмоткой — металлический стержень по которому перемещается ползунок .

Он прижат к виткам обмотки.От трения ползунка о витки слой окалины стирается и электрический ток в цепи проходит от витков проволоки к ползунку, потом в стержень.Когда реостат подключили в цепь , можно передвигать ползунок , таким образом увеличивать или уменьшать сопротивление реостата.

Жидкостный реостат — представляет бак с электролитом, в который погружаются металлические пластины. 

Проволочный реостат — cостоит из проволоки из материала в котором высокое удельное сопротивление, натянутый на раму. 

Нельзя превышать силу тока реостата, потому что обмотка реостата может перегореть.

Реостат мы часто применяем в повседневной жизни, например, регулируя громкость телевизора и радио, увеличивая и уменьшая скорость езды на машине. 

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Закон Ома для участка цепи: формулировка и формула, применение
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПоследовательное и параллельное соединение проводников

Электрическое сопротивление | Физика

На рисунке 33 изображена электрическая цепь, в которую включена панель с разными проводниками. Эти проводники отличаются друг от друга материалом, а также длиной и площадью поперечного сечения. Подключая по очереди эти проводники и наблюдая за показаниями амперметра, можно заметить, что при одном и том же источнике тока сила тока в разных случаях оказывается различной. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения сила тока в нем становится меньше. Уменьшается она и при замене никелиновой проволоки проволокой такой же длины и сечения, но изготовленной из нихрома. Это означает, что разные проводники оказывают различное противодействие току. Противодействие это возникает из-за столкновений носителей тока со встречными частицами вещества.

Физическая величина, характеризующая противодействие, оказываемое проводником электрическому току, обозначается буквой R и называется электрическим сопротивлением (или просто сопротивлением

) проводника:

R — сопротивление.

Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который впервые ввел это понятие в физику. 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А. При сопротивлении 2 Ом сила тока при том же напряжении будет в 2 раза меньше, при сопротивлении 3 Ом — в 3 раза меньше и т. д.

На практике встречаются и другие единицы сопротивления, например килоом (кОм) и мегаом (МОм):

1 кОм= 1000 Ом, 1 МОм= 1 000 ООО Ом.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения S и может быть найдено по формуле

R = ρl/S      (12.1)

где ρ — удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Из формулы (12.1) следует, что

ρ = RS/l

Так как в СИ единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади 1 м², а единицей длины 1 м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет

1 Ом · м²/м, или 1 Ом · м.

На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (мм²). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом·мм²/м. Так как 1 мм² = 0,000001 м², то

1 Ом · мм²/м = 0,000001 Ом · м.

У разных веществ удельные сопротивления различны. Некоторые из них приведены в таблице 3.

Приведенные в этой таблице значения соответствуют температуре 20 °С. (С изменением температуры сопротивление вещества изменяется.) Например, удельное сопротивление железа равно 0,1 Ом · мм²/м. Это означает, что если изготовить из железа провод с площадью сечения 1 мм² и длиной 1 м, то при температуре 20 °С он будет обладать сопротивлением 0,1 Ом.

Из таблицы 3 видно, что наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Значит, именно эти металлы являются наилучшими проводниками электричества.

Из той же таблицы видно, что, наоборот, такие вещества, как фарфор и эбонит, обладают очень большим удельным сопротивлением. Это и позволяет использовать их в качестве изоляторов.

??? 1. Что характеризует и как обозначается электрическое сопротивление? 2. По какой формуле находится сопротивление проводника? 3. Как называется единица сопротивления? 4. Что показывает удельное сопротивление? Какой буквой оно обозначается? 5. В каких единицах измеряют удельное сопротивление? 6. Имеются два проводника. У какого из них больше сопротивление, если они: а) имеют одинаковую длину и площадь сечения, но один из них сделан из константана, а другой — из фехраля; б) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую толщину, но один из них в 2 раза длиннее другого; в) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую длину, но один из них в 2 раза тоньше другого? 7. Проводники, рассматриваемые в предыдущем вопросе, поочередно подключают к одному и тому же источнику тока. В каком случае сила тока будет больше, в каком меньше? Проведите сравнение для каждой пары рассматриваемых проводников.

Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление.

Цель: исследовать зависимость сопротивления проводника от его характеристик.

Задачи

обучающие:

• исследовать зависимость сопротивления проводника от его длины, площади поперечного сечения и вещества, из которого он изготовлен;
• сформировать первичные представления знаний о новой физической величине « удельное электрическое сопротивление»;
• продолжить формирование умений решать задачи;

развивающие:

• работать над формированием исследовательских компетенций учащихся путем организации фронтального виртуального мини-исследования с использованием электронных ресурсов;
• работать над формированием умений учащихся воспринимать и представлять информацию в словесной и символической формах через обсуждение результатов демонстрационного эксперимента и самостоятельных виртуальных экспериментов;
• формировать умения делать выводы на основе проведенного анализа;
• работать над формированием коммуникативных компетенций учащихся;

воспитательные:

• знакомить с экспериментальным методом научного познания природы; создать условия для развития самостоятельности учащихся;
• развивать познавательный интерес учащихся к предмету.

Тип урока: комбинированный.

Формы работы учащихся:

• групповая (исследовательская самостоятельная работа с электронными ресурсами)
• коллективное обсуждение результатов виртуальных экспериментов;
• индивидуальная (текущий контроль, самостоятельная работа с ЭОР К-типа)

Методы обучения, используемые на уроке: словесные, наглядные, практические.

Демонстрационное оборудование: источник питания ВС-24М, лампочки на 3В и 12 В, ключ, цифровой амперметр, реохорд, соединительные провода.

Средства ИКТ: ПК (для учителя), видеопроектор, интерактивная доска, нетбук (на индивидуальном рабочем месте каждого учащегося). Презентация SMART Notebook по теме «Расчет сопротивления проводников. Удельное сопротивление».

Структура и ход урока

1.Организационный этап 

Деятельность учителя	Деятельность ученика
Приветствует учащихся. Проверяет готовность учащихся к занятию.	Приветствуют учителя. Проверяют готовность к уроку.

2. Проверка домашнего задания

Деятельность учителя	Деятельность ученика
Проводит проверку домашнего задания. (Приложение 1)	Выполняют тест (варианты разного уровня сложности)

3. Актуализация знаний 

Деятельность учителя	Деятельность ученика
Готовит учащихся к восприятию новых знаний. Предлагает разгадать анаграммы, сопоставить текст – изображение. Давайте вспомним, что является причиной сопротивления проводника? Зависит ли сила тока от сопротивления проводника? Как зависит? Зависит ли сопротивление от силы тока и напряжения?	Выполняют интерактивные задания. Составляют название приборов, правила их подключения для измерения физических величин. Сопоставляют условное обозначение прибора на схеме с его названием. Отвечают на вопросы учителя

4. Создание проблемной ситуации

Деятельность учителя	Деятельность ученика
1.Предлагает вниманию учащихся следующий эксперимент: К источнику тока с напряжением 3 В включают поочерёдно лампочки на 3В и 12 В. Почему лампочка на 12 В не светится. 2. Проверяет исправность лампы, увеличив напряжение источника тока.	Выдвигают предположения: неисправность лампы. большое сопротивление лампы.

5. Постановка цели урока. Изучение новой темы

Деятельность учителя	Деятельность ученика
1.Подводит учащихся к цели урока. Разные потребители тока имеют разное сопротивление, что необходимо знать, чтобы изготовить проводник с необходимым сопротивлением? Зависимость сопротивления от геометрических размеров проводника (длины и площади поперечного сечения) и вещества, из которого он изготовлен, впервые установил Георг Ом.	1.Формулируют с учителем цель урока.
2. Выясните: от чего и зависит сопротивление проводника? Краткие рекомендации по работе над учебным модулем (Расчет сопротивления проводника. Удельное сопротивление. Реостаты). Разделяет учащихся по группам и предлагает самостоятельно решить поставленную задачу, сделать выводы и поделиться выводами со всем классом.	2. Слушают рекомендации учителя для выполнения практического задания. Работают с учебным модулем (1-5 пункты). Проводят исследования и составляют краткий конспект. Делают выводы по результатам выполнения каждого задания в отдельности. Обобщают результаты трех виртуальных экспериментов и формулируют общий вывод.
3.Предлагает проверить результаты исследований на экспериментальной установке.	3.Совместно с учителем проводят эксперимент подтверждающий справедливость сделанных выводов.
4. Предлагает учащимся продолжить работу с учебным модулем. Выясните: какая физическая величина характеризует зависимость сопротивления проводника от материала, из которого изготовлен проводник.	4. Продолжают работу с учебным модулем (6 пункт) и выполняют записи в тетрадях.
5.Предлагает учащимся поработать с таблицей удельного сопротивления некоторых веществ(стр.105 учебник физика 8 класс, автор А.В.Пёрышкин) и ответить на вопросы: В каких единицах измерения представлены значения удельного сопротивления в таблице? Какое вещество имеет наибольшее удельное сопротивление? Какое вещество имеет наименьшее удельное сопротивление? Почему провода линий электропередач не изготовляют из золота и серебра, ведь у них малое значение удельного сопротивления? Какое вещество используется в проводах линий электропередач? Почему? Чему равно удельное сопротивление никелина? Что означает эта запись в таблице?	5. Работают с таблицей удельного сопротивления (учебник) и отвечают на вопросы учителя.
6. Предлагает учащимся обобщить полученные закономерности и составить формулу для нахождения сопротивления проводника. Провести проверку.	6. Анализируют полученные результаты и составляют формулу сопротивления. Используя, учебный модуль (7пункт) проводят проверку полученной формулы.
7. Предлагает получить дополнительные формулы.	7. Сравнивают полученные формулы.

6. Этап первичного освоения знаний

Деятельность учителя	Деятельность ученика
1. Дает задание учащимся по работе с тестом для первичной диагностики уровня освоения знаний. (Удельное электрическое сопротивление веществ) В практический модуль включены 7 интерактивных заданий различных типов с возможностью автоматизированной проверки для закрепления знаний. Модуль относится к II уровню интерактивности Отвечает на вопросы учащихся по разъяснению правил выполнения работы.	1.Слушают рекомендации учителя по выполнению задания. Задают организационные вопросы учителю. Выполняют практическое задание.
2.Определяет успешность выполнения задания. Интересуется возникшими трудностями. Определяет задания, с которыми учащиеся не смогли справиться.	2.Сообщают, какие задания теста вызвали затруднения.
3.Организует работу учащихся по демонстрации верных решений.	3.Объясняют решение заданий.

7. Этап закрепления полученного материала

Деятельность учителя	Деятельность ученика
1. Учитель приглашает ученика к доске записать решение задачи и проверить ответ. Чему равно сопротивление 100 м медного провода сечением 1 мм2? 2.Предлагает учащимся для закрепления нового материала выполнение практического модуля, для решения которого необходимы новые знания. Для сильных учащихся тестирование из 9 вопросов, для слабых учащихся – три расчетных задачи.	1.Учащиеся записывают условие и решение задачи в тетрадь.
2.Определяет успешность выполнения заданий. Фиксирует результаты. Отмечает (для себя) учащихся, которые наиболее (наименее) успешно справились с заданием.	2.Выполняют тест. Сообщают результаты учителю.

8. Рефлексия (Подведение итогов)

Деятельность учителя	Деятельность ученика
Предлагает учащимся вернуться к цели и задачам урока, проанализировать степень их достижения, объяснить результаты эксперимента, поставленного в начале урока с использованием новой терминологии, сделать выводы. Сообщает оценки за урок.	Вспоминают цель урока. Анализируют степень ее достижения. Формулируют выводы. Оценивают успешность своей работы на уроке и уровень усвоения знаний.

9. Домашнее задание

Деятельность учителя	Деятельность ученика
Сообщает домашнее задание: 1.§45, 46; упражнение 20 № 2 (а), 4. 2.Интерактивная лекция для тех, кто плохо разобрался с материалом 3.Тест	Записывают в дневниках домашнее задание.

Удельное сопротивление и электропроводимость: формулы и объяснение

В данной статье мы подробно разберем что такое удельное сопротивление и электропроводность, ясно опишем все формулы с помощью примеров задач, а так же дадим вам таблицу удельных сопротивлений некоторых проводников.

Описание

Закон Ома гласит, что, когда источник напряжения (V) подается между двумя точками в цепи, между ними будет протекать электрический ток (I), вызванный наличием разности потенциалов между этими двумя точками. Количество протекающего электрического тока ограничено величиной присутствующего сопротивления (R). Другими словами, напряжение стимулирует протекание тока (движение заряда), но это сопротивление препятствует этому.

Мы всегда измеряем электрическое сопротивление в Омах, где Ом обозначается греческой буквой Омега, Ω. Так, например: 50 Ом, 10 кОм или 4,7 МОм и т.д. Проводники (например, провода и кабели) обычно имеют очень низкие значения сопротивления (менее 0,1 Ом), и, таким образом, мы можем пренебречь ими, как мы предполагаем в расчетах анализа цепи, что провода имеют ноль сопротивление. С другой стороны, изоляторы (например, пластиковые или воздушные), как правило, имеют очень высокие значения сопротивления (более 50 МОм), поэтому мы можем их игнорировать и для анализа цепи, поскольку их значение слишком велико.

Но электрическое сопротивление между двумя точками может зависеть от многих факторов, таких как длина проводников, площадь их поперечного сечения, температура, а также фактический материал, из которого он изготовлен. Например, давайте предположим, что у нас есть кусок провода (проводник), который имеет длину L, площадь поперечного сечения A и сопротивление R, как показано ниже.

Электрическое сопротивление R этого простого проводника является функцией его длины, L и площади поперечного сечения A. Закон Ома говорит нам, что для данного сопротивления R ток, протекающий через проводник, пропорционален приложенному напряжению, поскольку I = V / R. Теперь предположим, что мы соединяем два одинаковых проводника вместе в последовательной комбинации, как показано на рисунке.

Здесь, соединив два проводника вместе в последовательной комбинации, то есть, к концу, мы фактически удвоили общую длину проводника (2L), в то время как площадь поперечного сечения A остается точно такой же, как и раньше. Но помимо удвоения длины, мы также удвоили общее сопротивление проводника, дав 2R как: 1R + 1R = 2R.

Таким образом , мы можем видеть , что сопротивление проводника пропорционально его длину, то есть: R ∝ L. Другими словами, мы ожидаем, что электрическое сопротивление проводника (или провода) будет пропорционально больше, чем оно длиннее.

Отметим также, что, удваивая длину и, следовательно, сопротивление проводника (2R), чтобы заставить тот же ток I, чтобы течь через проводник, как и раньше, нам нужно удвоить (увеличить) приложенное напряжение I = (2 В) / (2R). Далее предположим, что мы соединяем два идентичных проводника вместе в параллельной комбинации, как показано.

Здесь, соединяя два проводника в параллельную комбинацию, мы фактически удвоили общую площадь, дающую 2А, в то время как длина проводников L остается такой же, как у исходного одиночного проводника. Но помимо удвоения площади, путем параллельного соединения двух проводников мы фактически вдвое сократили общее сопротивление проводника, получив 1 / 2R, поскольку теперь каждая половина тока протекает через каждую ветвь проводника.

Таким образом, сопротивление проводника обратно пропорционально его площади, то есть: R 1 / ∝ A или R ∝ 1 / A. Другими словами, мы ожидаем, что электрическое сопротивление проводника (или провода) будет пропорционально меньше, чем больше его площадь поперечного сечения.

Кроме того, удваивая площадь и, следовательно, вдвое увеличивая суммарное сопротивление ветви проводника (1 / 2R), для того же тока, чтобы I протекал через параллельную ветвь провода, как раньше, нам нужно только наполовину уменьшить приложенное напряжение I = (1 / 2V) / (1 / 2R).

Надеемся, мы увидим, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине (L) проводника, то есть: R ∝ L, и обратно пропорционально его площади (A), R ∝ 1 / A. Таким образом, мы можем правильно сказать, что сопротивление это:

Пропорциональность сопротивления

Но помимо длины и площади проводника, мы также ожидаем, что электрическое сопротивление проводника будет зависеть от фактического материала, из которого он изготовлен, потому что разные проводящие материалы, медь, серебро, алюминий и т.д., имеют разные физические и электрические свойства. Таким образом, мы можем преобразовать знак пропорциональности (∝) вышеприведенного уравнения в знак равенства, просто добавив «пропорциональную константу» в вышеприведенное уравнение, давая:

Уравнение удельного электрического сопротивления

Где: R — сопротивление в омах (Ω), L — длина в метрах (м), A — площадь в квадратных метрах (м ² ), и где известна пропорциональная постоянная ρ (греческая буква «rho») — удельное сопротивление .

Удельное электрическое сопротивление

Удельное электрическое сопротивление конкретного материала проводника является мерой того, насколько сильно материал противостоит потоку электрического тока через него. Этот коэффициент удельного сопротивления, иногда называемый его «удельным электрическим сопротивлением», позволяет сравнивать сопротивление различных типов проводников друг с другом при определенной температуре в соответствии с их физическими свойствами без учета их длины или площади поперечного сечения. Таким образом, чем выше значение удельного сопротивления ρ, тем больше сопротивление, и наоборот.

Например, удельное сопротивление хорошего проводника, такого как медь, составляет порядка 1,72 х 10 ^-8 Ом (или 17,2 нОм), тогда как удельное сопротивление плохого проводника (изолятора), такого как воздух, может быть значительно выше 1,5 х 10 ¹⁴ или 150 трлн.

Такие материалы, как медь и алюминий, известны низким уровнем удельного сопротивления, благодаря чему электрический ток легко проходит через них, что делает эти материалы идеальными для изготовления электрических проводов и кабелей. Серебро и золото имеют очень низкие значения удельного сопротивления, но по понятным причинам дороже делать из них электрические провода.

Тогда факторы, которые влияют на сопротивление (R) проводника в омах, могут быть перечислены как:

• Удельное сопротивление (ρ) материала, из которого сделан проводник.
• Общая длина (L) проводника.
• Площадь поперечного сечения (А) проводника.
• Температура проводника.

Пример удельного сопротивления № 1

Рассчитайте общее сопротивление постоянному току 100-метрового рулона медного провода 2,5 мм ², если удельное сопротивление меди при 20 ^o C составляет 1,72 x 10 ^-8  Ом метр.

Приведенные данные: удельное сопротивление меди при 20 ^o C составляет 1,72 x 10 ^-8 , длина катушки L = 100 м, площадь поперечного сечения проводника составляет 2,5 мм ², что дает площадь: A = 2,5 x 10 ^-6 м ² .

Ответ: 688 МОм или 0,688 Ом.

Удельное электрическое сопротивление материала

Ранее мы говорили, что удельное сопротивление — это электрическое сопротивление на единицу длины и на единицу площади поперечного сечения проводника, таким образом, показывая, что удельное сопротивление ρ имеет размеры в Ом-метрах или Ом · м, как это обычно пишется. Таким образом, для конкретного материала при определенной температуре его удельное электрическое сопротивление определяется как.

Электрическая проводимость

Хотя как электрическое сопротивление (R), так и удельное сопротивление ρ, являются функцией физической природы используемого материала, а также его физической формы и размера, выраженных его длиной (L) и площадью его сечения ( А), Проводимость или удельная проводимость относится к легкости, с которой электрический ток проходит через материал.

Проводимость (G) является обратной величиной сопротивления (1 / R) с единицей проводимости, являющейся сименсом (S), и ей дается перевернутый символ омов mho, ℧. Таким образом, когда проводник имеет проводимость 1 сименс (1S), он имеет сопротивление 1 Ом (1 Ом). Таким образом, если его сопротивление удваивается, проводимость уменьшается вдвое, и наоборот, как: Сименс = 1 / Ом, или Ом = 1 / Ом.

В то время как сопротивление проводников дает степень сопротивления потоку электрического тока, проводимость проводника указывает на легкость, с которой он пропускает электрический ток. Таким образом, металлы, такие как медь, алюминий или серебро, имеют очень большие значения проводимости, что означает, что они являются хорошими проводниками.

Проводимость, σ (греческая буква сигма), является обратной величиной удельного сопротивления. Это 1 / ρ и измеряется в сименах на метр (S / m). Поскольку электропроводность σ = 1 / ρ, предыдущее выражение для электрического сопротивления R можно переписать в виде:

Электрическое сопротивление как функция проводимости

Тогда мы можем сказать, что проводимость — это эффективность, посредством которой проводник пропускает электрический ток или сигнал без потери сопротивления. Поэтому материал или проводник, который имеет высокую проводимость, будет иметь низкое удельное сопротивление, и наоборот, поскольку 1 сименс (S) равен 1 Ом ^-1 . Таким образом, медь, которая является хорошим проводником электрического тока, имеет проводимость 58,14 x 10 ⁶ Симен на метр.

Пример удельного сопротивления №2

Кабель длиной 20 метров имеет площадь поперечного сечения 1 мм ² и сопротивление 5 Ом. Рассчитать проводимость кабеля.

Приведенные данные: сопротивление постоянному току, R = 5 Ом, длина кабеля, L = 20 м, а площадь поперечного сечения проводника составляет 1 мм ^{2, что} дает площадь: A = 1 x 10 ^-6 м ² .

Ответ: 4 мега-симена на метр длины.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Проводник	Удельное сопротивление ρ	Температурный коэффициент α
Алюминий	0,028	4,2
Бронза	0,095 — 0,1	—
Висмут	1,2	—
Вольфрам	0,05	5
Железо	0,1	6
Золото	0,023	4
Иридий	0,0474	—
Константан	0,5	0,05
Латунь	0,025 — 0,108	0,1-0,4
Магний	0,045	3,9
Манганин	0,43 — 0,51	0,01
Медь	0,0175	4,3
Молибден	0,059	—
Нейзильбер	0,2	0,25
Натрий	0,047	—
Никелин	0,42	0,1
Никель	0,087	6,5
Нихром	1,05 — 1,4	0,1
Олово	0,12	4,4
Платина	0.107	3,9
Ртуть	0,94	1,0
Свинец	0,22	3,7
Серебро	0,015	4,1
Сталь	0,103 — 0,137	1-4
Титан	0,6	—
Фехраль	1,15 — 1,35	0,1
Хромаль	1,3 — 1,5	—
Цинк	0,054	4,2
Чугун	0,5-1,0	1,0

Где: удельное сопротивление ρ измеряется в Ом*мм²/м и температурный коэффициент электрического сопротивления металлов α измеряется в 10 ^-3*C^-1(или K ^-1) .

Краткое описание удельного сопротивления

Мы поговорили в этой статье об удельном сопротивлении, что удельное сопротивление — это свойство материала или проводника, которое указывает, насколько хорошо материал проводит электрический ток. Мы также видели, что электрическое сопротивление (R) проводника зависит не только от материала, из которого сделан проводник, меди, серебра, алюминия и т.д., но также от его физических размеров.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине (L) как R ∝ L. Таким образом, удвоение его длины удвоит его сопротивление, в то время как последовательное удвоение проводника уменьшит вдвое его сопротивление. Также сопротивление проводника обратно пропорционально его площади поперечного сечения (A) как R ∝ 1 / A. Таким образом, удвоение его площади поперечного сечения уменьшило бы его сопротивление вдвое, тогда как удвоение его площади поперечного сечения удвоило бы его сопротивление.

Мы также узнали, что удельное сопротивление (символ: ρ) проводника (или материала) связано с физическим свойством, из которого он изготовлен, и варьируется от материала к материалу. Например, удельное сопротивление меди обычно дается как: 1,72 х 10 ^-8 Ом · м. Удельное сопротивление конкретного материала измеряется в единицах Ом-метров (Ом), которое также зависит от температуры.

В зависимости от значения удельного электрического сопротивления конкретного материала его можно классифицировать как «проводник», «изолятор» или «полупроводник». Обратите внимание, что полупроводники — это материалы, в которых их проводимость зависит от примесей, добавляемых в материал.

Удельное сопротивление также важно в системах распределения электроэнергии, так как эффективность системы заземления для системы электропитания и распределения сильно зависит от удельного сопротивления земли и материала почвы в месте расположения системы.

Проводимость — это имя, данное движению свободных электронов в форме электрического тока. Проводимость, σ является обратной величиной удельного сопротивления. Это 1 / ρ и имеет единицу измерения сименс на метр, S / m. Проводимость варьируется от нуля (для идеального изолятора) до бесконечности (для идеального проводника). Таким образом, сверхпроводник имеет бесконечную проводимость и практически нулевое омическое сопротивление.

Электрическое сопротивление проводника

Электрическое сопротивление — физическая величина, которая показывает, какое препятствие создается току при его прохождении по проводнику. Единицами измерения служат Омы, в честь Георга Ома. В своем законе он вывел формулу для нахождения сопротивления, которая приведена ниже. 

Рассмотрим сопротивление проводников на примере металлов. Металлы имеют внутреннее строение в виде кристаллической решетки. Эта решетка имеет строгую упорядоченность, а её узлами являются положительно заряженные ионы. Носителями заряда в металле выступают “свободные” электроны, которые не принадлежат определенному атому, а хаотично перемещаются между узлами решетки. Из квантовой физики известно, что движение электронов в металле это распространение электромагнитной волны в твердом теле. То есть электрон в проводнике движется со скоростью света (практически), и доказано, что он проявляет свойства не только как частица, но еще и как волна. А сопротивление металла возникает в результате рассеяния электромагнитных волн (то есть электронов) на тепловых колебаниях решетки и её дефектах.  При столкновении электронов с узлами кристаллической решетки часть энергии передается узлам, вследствие чего выделяется энергия. Эту энергию можно вычислить при постоянном токе, благодаря закону Джоуля-Ленца – Q=I^₂Rt. Как видите чем больше сопротивление, тем больше энергии выделяется. 

Удельное сопротивление

Существует такое важное понятие как удельное сопротивление, это тоже самое сопротивление, только в единице длины. У каждого металла оно свое, например у меди оно равно 0,0175 Ом*мм2/м, у алюминия 0,0271 Ом*мм2/м .  Это значит, брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 будет иметь сопротивление 0,0175 Ом, а такой же брусок, но из алюминия будет иметь сопротивление 0,0271 Ом. Выходит что электропроводность меди выше чем у алюминия. У каждого металла удельное сопротивление свое, а рассчитать сопротивление всего проводника можно по формуле   

где p – удельное сопротивление металла, l – длина проводника, s – площадь поперечного сечения.

Значения удельных сопротивлений приведены в таблице удельных сопротивлений металлов (20°C)   

Вещество	p, Ом*мм2/2	α,10-3 1/K
Алюминий	0.0271	3.8
Вольфрам	0.055	4.2
Железо	0.098	6
Золото	0.023	4
Латунь	0.025-0.06	1
Манганин	0.42-0.48	0,002-0,05
Медь	0.0175	4.1
Никель	0.1	2.7
Константан	0.44-0.52	0.02
Нихром	1.1	0.15
Серебро	0.016	4
Цинк	0.059	2.7

Кроме удельного сопротивления в таблице есть значения ТКС, об этом коэффициенте чуть позже.

Зависимость удельного сопротивления от деформаций

При холодной обработке металлов давлением, металл испытывает пластическую деформацию. При пластической деформации кристаллическая решетка искажается, количество дефектов становится больше. С увеличением дефектов кристаллической решетки, сопротивление течению электронов по проводнику растет, следовательно, удельное сопротивление металла увеличивается. К примеру, проволоку изготавливают методом протяжки, это значит, что металл испытывает пластическую деформацию, в результате чего, удельное сопротивление растет. На практике для уменьшения сопротивления применяют рекристаллизационный отжиг, это сложный технологический процесс, после которого кристаллическая решетка как бы, “расправляется” и количество дефектов уменьшается, следовательно, и сопротивление металла тоже.

При растяжении или сжатии, металл испытывает упругую деформацию. При упругой деформации вызванной растяжением, амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки увеличиваются, следовательно, электроны испытывают большие затруднения, и в связи с этим, увеличивается удельное сопротивление. При упругой деформации вызванной сжатием, амплитуды тепловых колебаний узлов уменьшаются, следовательно, электронам проще двигаться, и удельное сопротивление уменьшается.

Влияние температуры на удельное сопротивление

Как мы уже выяснили выше, причиной сопротивления в металле являются узлы кристаллической решетки и их колебания. Так вот, при увеличении температуры, тепловые колебания узлов увеличиваются, а значит, удельное сопротивление также увеличивается. Существует такая величина как температурный коэффициент сопротивления (ТКС), который показывает насколько увеличивается, или уменьшается удельное сопротивление металла при нагреве или охлаждении. Например, температурный коэффициент меди при 20 градусах по цельсию равен 4.1 · 10 ^− 3 1/градус. Это означает что при нагреве, к примеру, медной проволоки на 1 градус цельсия, её удельное сопротивление увеличится на 4.1 · 10 ^− 3  Ом. Удельное сопротивление при изменении температуры можно вычислить по формуле 

где r это удельное сопротивление после нагрева, r₀ – удельное сопротивление до нагрева, a – температурный коэффициент сопротивления, t₂ – температура до нагрева, t₁  — температура после нагрева. 

Подставив наши значения, мы получим: r=0,0175*(1+0.0041*(154-20))=0,0271 Ом*мм²/м. Как видите наш брусок из меди длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм², после нагрева до 154 градусов, имел бы сопротивление, как у такого же бруска, только из алюминия и при температуре равной 20 градусов цельсия. 

Свойство изменения сопротивления при изменении температуры, используется в термометрах сопротивления. Эти приборы могут измерять температуру основываясь на показаниях сопротивления. У термометров сопротивления высокая точность измерений, но малые диапазоны температур.

На практике, свойства проводников препятствовать прохождению тока используются очень широко.  Примером может служить лампа накаливания, где нить из вольфрама, нагревается за счет высокого сопротивления металла, большой длины и узкого сечения. Или любой нагревательный прибор, где спираль разогревается благодаря высокому сопротивлению. В электротехнике, элемент главным свойством которого является сопротивление, называется – резистор. Резистор применяется практически в любой электрической схеме. 

Просмотров: 9576

Видео с вопросом: Расчет сопротивления проводника

Стенограмма видеозаписи

Диаметр алюминиевой проволоки 10 миллиметров. Найдите сопротивление такого провода длиной 0,56 км, используемого для передачи энергии. Используйте значение удельного сопротивления алюминия 2,65 умноженное на 10 до отрицательной восьмой омметра.

Мы можем начать с рисования эскиза описываемого провода. Хотя эскиз нарисован не в масштабе, он дает нам представление о размерах алюминиевой проволоки.Наряду с размерами, нам сообщили, что этот провод имеет удельное сопротивление, обозначенное греческой буквой, от 2,65 умноженное на 10 до отрицательной восьмой омметра. Учитывая все это, мы хотим найти сопротивление этого провода.

Для этого необходимо вспомнить математическую связь между сопротивлением и удельным сопротивлением. Сопротивление 𝑟 провода равно его удельному сопротивлению, умноженному на его длину, деленную на его площадь поперечного сечения. И в нашем случае, поскольку наша площадь поперечного сечения круглая, мы также можем вспомнить площадь круга с точки зрения его диаметра, эта площадь равна 𝜋, деленному на четыре раза квадрат его диаметра.

Наша задача состоит в том, чтобы использовать это соотношение и предоставленную информацию для определения 𝑟, где 𝑟 — сопротивление алюминиевой проволоки. Мы можем начать с того, что подставим в это уравнение заданное значение удельного сопротивления 𝜚, а также длину провода в метрах. Обратите внимание, что мы пересчитали километры. Как только эти значения для 𝜚 и 𝐿 входят в наше уравнение, наша последняя задача — ввести выражение для площади поперечного сечения этого провода.

Глядя на наше уравнение для площади круга, мы видим, что оно выражается в диаметре, который мы и даем в формулировке задачи.Но в настоящее время наш диаметр выражается в миллиметрах, и мы хотим преобразовать его в метры, чтобы они соответствовали единицам в остальной части этого выражения для 𝑟. Таким образом, вместо 10 миллиметров, мы запишем диаметр как 10 в отрицательной трети метра. И это количество возводится в квадрат и умножается на на четыре, чтобы найти площадь поперечного сечения.

Прежде чем вычислить значение 𝑟, обратите внимание, что происходит с единицами измерения в этом выражении. В частности, единицы измерения сокращаются от числителя и знаменателя, и мы остаемся с единицами измерения сопротивления — омами.Эта доля составляет 0,19 Ом. Вот сопротивление этого длинного узкого провода.

% PDF-1.7 % 6 0 obj > эндобдж xref 6 74 0000000016 00000 н. 0000002085 00000 н. 0000002198 00000 н. 0000002735 00000 н. 0000002879 00000 п. 0000003472 00000 н. 0000004007 00000 н. 0000004580 00000 н. 0000005063 00000 н. 0000005277 00000 н. 0000006081 00000 н. 0000006221 00000 н. 0000006553 00000 н. 0000006999 00000 н. 0000007767 00000 н. 0000008354 00000 н. 0000008669 00000 н. 0000008882 00000 н. 0000009291 00000 п. 0000009781 00000 п. 0000010448 00000 п. 0000011141 00000 п. 0000134013 00000 н. 0000134041 00000 н. 0000134114 00000 п. 0000134230 00000 н. 0000134498 00000 н. 0000137641 00000 н. 0000137922 00000 н. 0000137991 00000 н. 0000138363 00000 н. 0000138388 00000 п. 0000138885 00000 н. 0000139269 00000 н. 0000139531 00000 н. 0000139600 00000 н. QA @ 4L, X’0`

ЗАКОН О ТОКАХ И ОГРАНИЧЕНИЯХ

ЗАКОН О ТОКАХ И ОГРАНИЧЕНИИ

---

Рисунок 28.1. Электрическое поле в проводе. Когда провод подключен к клеммам аккумулятора, электрическое поле создается внутри провода (см. рисунок 28.1). Свобода электроны в проводе будут двигаться в направлении, противоположном направлению поля линий. Электрический заряд будет пытаться перераспределиться таким образом, чтобы чистое электрическое поле в проводе равно нулю. Однако положительный клемма батареи действует как сток для электронов, а отрицательная клемма действует как источник электронов, и непрерывный поток электронов будет созданный.Этот непрерывный поток электронов называется электрическим током . текущий . Символ тока — I, а его единица СИ — Ампер (А). Сила тока определена как

(28,1)

где dq — количество заряда, которое проходит через некоторую заданную точку на проводе. в течение периода времени dt. Ток 1 А равен 1 Кл / с. В плотность тока Дж определяется как

(28.2)

где I — ток, протекающий по проводнику, а A — площадь поперечного сечения проводника. Хотя электроны чувствуют электрическое поле внутри проводника, они не будут ускоряться. Электроны будет испытывать значительное трение в результате столкновений с положительные ионы в проводнике. В среднем электроны будут двигаться с постоянная скорость от отрицательной клеммы аккумулятора к положительной Терминал. Их средняя скорость, также называемая дрейфовой скоростью v _d , пропорционально электрическому полю E

(28.3)

При заданной плотности электронов в проводнике увеличение дрейфа скорость каждого из электронов увеличит количество проходящих электронов заданной точкой на проводнике в единицу времени. Это показано в Рисунок 28.2. За промежуток времени dt электроны пройдут в среднем около расстояние, равное dx, где

(28.4)

Рисунок 28.2. Движение среднего электрона в проводнике. Все электроны на расстоянии dx от точки P будут поэтому пройти эту точку в течение временного интервала dt.Предположим, что плотность электронов в проводнике n электронов / м ³ . Количество электронов dN, которые пройдут через P за промежуток времени dt, тогда будет равно

(28,5)

Поскольку каждый электрон несет заряд e, полный заряд dQ, который пройдет точка P на временном интервале dt равна

(28,6)

Следовательно, ток через проводник равен

. (28.7)

Уравнение (28.7) показывает, что ток в проводнике пропорционален силе тока. площадь поперечного сечения проводника и пропорциональна скорости дрейфа. Поскольку скорость дрейфа пропорциональна электрическому полю E, следующее соотношение выполняется для тока в проводнике:

(28,8)

Электрическое поле в проводнике определяется его длиной L и величиной разность потенциалов [Дельта] V между двумя его концами (E = [Дельта] V / L).Таким образом, уравнение (28.8) можно переписать как

(28,9)

Уравнение (28.9) можно переписать как

(28.10)

Константа пропорциональности [rho] называется удельным сопротивлением материал. Удельное сопротивление [rho] зависит от характеристик проводник ([rho] маленький для хорошего проводника, и [rho] очень большой для хорошего проводника изолятор). Сопротивление R проводника определяется как

. (28.11)

Единицей измерения сопротивления в системе СИ является ом ([Омега]). Используя сопротивление R, мы можем перепишите уравнение (28.10)

(28.12)

Уравнение (28.12) называется Закон Ома . Уравнение (28.12) показывает что ток через проводник пропорционален потенциалу разница между концами проводника и обратно пропорциональна его сопротивление. Уравнение (28.12) также показывает, что 1 [Омега] равно 1 В / А.

Пример: Задача 28.5

Алюминиевый провод имеет сопротивление 0,10 Ом. Если вы нарисуете это провод через матрицу, сделав ее тоньше и вдвое длиннее, что будет ее новым сопротивление ?

Начальное сопротивление R _и алюминиевого провода длиной L и площадь поперечного сечения A равна

(28,13)

Начальный объем проволоки — ^л. А.После прохождения провода через матрицу ее длина изменилась на L ‘, а площадь поперечного сечения равно A ‘. Таким образом, его конечный объем равен L ‘A’. Поскольку плотность алюминий не меняется, объем провода не меняется, и поэтому начальный и конечный размеры проволоки соотносятся:

(28,14)

или

(28.15)

Проблема заключается в том, что длина провода увеличена вдвое (L ‘= 2 L).В поэтому конечная площадь поперечного сечения A ‘связана с начальным площадь поперечного сечения A следующим образом:

(28,16)

Конечное сопротивление провода R _f равно

. (28,17)

Сопротивление провода увеличилось в четыре раза и теперь составляет 0,40. [Омега].

Единицы измерения удельного сопротивления [rho] — ом-метр ([Omega] ^. м). В удельное сопротивление большинства проводников находится между 10 ^-8 [Омега] ^. м и 10 ^-7 [Omega] ^. г. Удельное сопротивление проводник зависит не только от типа материала, но и от его температура. Удельное сопротивление изолятора колеблется в пределах 10 ¹¹ [Omega] ^. m и 10 ¹⁷ [Omega] ^. м. Во всех материалах удельное сопротивление уменьшается с понижением температуры.В у некоторых материалов, таких как свинец, цинк, олово и ниобий, удельное сопротивление исчезает когда температура приближается к абсолютному нулю. При таких низких температурах эти материалы демонстрируют сверхпроводимость .

Пример: задача 28.17

Кондиционер в доме потребляет ток 12 А. Предположим, что пара проводов, соединяющих кондиционер с блоком предохранителей, №10 медные провода диаметром 0.259 см и длиной по 25 м.

а) Какое падение потенциала на каждом проводе? Предположим, что напряжение доставлено на дом ровно 110 В на блок предохранителей. Какое напряжение поставили кондиционер?

б) В некоторых старых домах используется медный провод № 12 диаметром 0,205. см. Повторите расчет части (а) для этого провода.

Рисунок 28.3. Электросхема кондиционера в проблеме 28.17.

а) Удельное сопротивление меди равно 1.7 x 10 ^-8 [Omega] ^. м (см. Таблицу 28.1). Сопротивление R _Cu каждого медного провода равно на номер

(28.18)

где L — длина проволоки, а d — ее диаметр. Ток I есть протекает по проводам и I = 12 A. Падение напряжения [Delta] V на каждом провод равен

(28,19)

На рисунке 28.3 схематично показана электрическая схема кондиционера. схема.Напряжение на блоке кондиционера 110 — 2 ^. [Дельта] V, где [Дельта] V определяется уравнением (28.19). Длина длина каждого медного кабеля составляет 25 м, а его диаметр равен 0,259 см. Напряжение падение на каждом проводе, таким образом, равно

(28.20)

Таким образом, напряжение на блоке переменного тока равно 108,1 В.

б) Проволока № 12 имеет диаметр 0,205 см. Падение напряжения на этот провод равен

(28.21)

а напряжение на блоке переменного тока равно 106,9 В.

Пример: Задача 28.12

ЛЭП высокого напряжения имеет алюминиевый кабель диаметром 3,0 мм. см, протяженностью 200 км. Какое сопротивление у этого кабеля?

Удельное сопротивление алюминия составляет 2,8 x 10 ^-8 Ом. длина кабель 200 км или 2 х 10 ⁵ м. Диаметр кабеля 3 см. а его площадь поперечного сечения равна π (d / 2) ² или 7.1 х 10 ^-4 м ² . Подставляя эти значения в уравнение (28.11), получаем сопротивление кабеля можно определить

(28.22)

Устройство, специально разработанное для обеспечения высокого сопротивления, называется резистор. Обозначение резистора на принципиальной схеме — зигзагообразная линия (см. Рисунок 28.4).

Рисунок 28.4. Символ резистора. На рисунке 28.5 показаны два резистора с сопротивлением R ₁ . и R ₂ соединены последовательно.Предположим, что ток, протекающий через цепь равна I. Падение напряжения [Дельта] В ₁ на резисторе R ₁ равно

(28,23)

и падение напряжения [Delta] V ₂ на резисторе R ₂ составляет равно

(28,24)

Разность потенциалов [Delta] V в последовательной цепи равна

. (28,25)

Уравнение (28.25) показывает, что два последовательно включенных резистора действуют как один резистор с сопротивлением, равным сумме сопротивлений резистора 1 и сопротивление резистора 2

(28.26)

Рисунок 28.5. Два резистора соединены последовательно. На рисунке 28.6 показаны два параллельно включенных резистора. В В этой схеме ток через каждый резистор будет разным, но падение напряжения [Delta] V на каждом резисторе будет одинаковым. Используя закон Ома ток I ₁ , протекающий через резистор R ₁ , может быть вычислено

(28.27)

а ток I ₂ , протекающий через резистор R ₂ , равен на номер

(28.28)

Полный ток, протекающий по цепи, равен сумме токи через каждый резистор

(28.29)

Таким образом, схема резисторов, показанная на рисунке 28.6, эквивалентна одиночной резистор R, где R можно получить из следующего соотношения

(28.30)

Уравнение (28.30) показывает, что сопротивление параллельной комбинации резисторов всегда меньше сопротивления каждого в отдельности резисторы.

Рисунок 28.6. Два резистора подключены параллельно.

Пример: задача 28.41

Промышленные сверхпроводящие кабели состоят из нитей сверхпроводящего провода, заключенного в матрицу из меди. Пока нити сверхпроводящие, в них течет весь ток, и нет тока течет в медь.Но если сверхпроводимость внезапно выйдет из строя из-за повышение температуры, ток может пролиться на медь; это предотвращает повреждение нитей сверхпроводника. Рассчитайте сопротивление на метр длины медной матрицы. Медная матрица имеет диаметр 0,7 мм, а каждая из 2100 нитей имеет диаметр 0,01 мм.

Рассмотрим 1 метр кабеля. Площадь поперечного сечения каждой нити накала [пи] ^. (г / 2) ² = 7.9 x 10 ^-11 м ² . В площадь поперечного сечения 2100 нитей равна 1,65 x 10 ^-7 м ² . Диаметр медной матрицы равен 0,7 мм, а ее диаметр равен 0,7 мм. площадь поперечного сечения равна 1,54 х 10 ^-6 м ² . В площадь самой меди, таким образом, равна 1,37 x 10 ^-6 м ² . Сопротивление медной матрицы на единицу длины равно на номер

(28.31)

Предположим, что удельное сопротивление нити при комнатной температуре такое же, как у удельное сопротивление меди. Сопротивление каждой сверхпроводящей нити составляет равно

(28.32)

Провод можно рассматривать как параллельную цепь одного резистора, представляющего сопротивление медной матрицы и 2100 резисторов, представляющих 2100 жилы сверхпроводящего провода. Доля тока, протекающего через медная матрица определяется легко.Предположим, что потенциал разность по проводнику равна [Delta] V. Электрический ток I _Cu , протекающая через медную матрицу, равна

(28,33)

Ток I _fil , протекающий через 2100 нитей, равен

. (28,34)

Доля F полного тока, протекающего через медную матрицу, равна на номер

(28.35)

Необходимо рассмотреть два особых случая.

1. Температура ниже критической. На уровне или ниже этого температура сопротивление нитей исчезает (R _fil = 0 [Омега]). Уравнение (28.35) показывает, что в этом случае ток не будет течь. через медную матрицу.

2. Если температура провода выше критической температуры, текущий поток резко изменится. В этом случае доля ток, протекающий через медь, равен

(28.36)

Медная матрица будет пропускать 90% общего тока.

Пример: задача 28.42

Какое сопротивление у комбинации из четырех резисторов, показанной на Рисунок 28.7. Каждый из резисторов имеет номинал R.

Рисунок 28.7. Проблема 28.42.

Чтобы найти сопротивление цепи, показанной на рисунке 28.7, мы начнем расчет чистого сопротивления R ₃₄ параллельной цепи резисторы R ₃ и R ₄ :

(28.37)

или

(28,38)

Таким образом, схема, показанная на рисунке 28.7, эквивалентна показанной схеме. на рисунке 28.8. Резисторы R ₂ и R ₃₄ образуют серию сети и может быть заменен одиночным резистором с сопротивлением R ₂₃₄ где

(28.39)

Рисунок 28.8. Проблема 28.42. Рисунок 28.9. Проблема 28.42. Схема показана на рисунке 28.8 теперь можно заменить на Эквивалентная схема показана на рисунке 28.9. Сопротивление R _до от эта схема может быть получена из следующего соотношения

(28,40)

или

(28.41)

В рассматриваемом частном случае R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R. Таким образом,

(28,42)

(28.43)

(28,44)

Для R = 3 [Омега] полное сопротивление равно 1,8 [Омега].

---

Отправляйте комментарии, вопросы и / или предложения по электронной почте на адрес [email protected] и / или посетите домашнюю страницу Фрэнка Вольфса.

Сопротивление проводника

Хотя можно использовать провод любого размера или значения сопротивления, слово «проводник» обычно относится к материалам, которые обладают низким сопротивлением току, а слово «изолятор» описывает материалы, которые обладают высоким сопротивлением току. .Между проводниками и изоляторами нет четкой разделительной линии; при определенных условиях все типы материалов проводят ток. Материалы, обеспечивающие сопротивление току на полпути между лучшими проводниками и самыми плохими проводниками (изоляторами), иногда называют «полупроводниками» и находят наибольшее применение в области транзисторов.

Лучшие проводники — это материалы, в основном металлы, которые обладают большим количеством свободных электронов; И наоборот, изоляторы — это материалы с небольшим количеством свободных электронов.Лучшие проводники — серебро, медь, золото и алюминий; но некоторые неметаллы, такие как углерод и вода, могут использоваться в качестве проводников. Такие материалы, как резина, стекло, керамика и пластмассы, являются настолько плохими проводниками, что их обычно используют в качестве изоляторов. Ток в некоторых из этих материалов настолько мал, что обычно считается нулевым. Единица измерения сопротивления называется ом. Символ ома — греческая буква омега (Ω). В математических формулах заглавная буква «R» обозначает сопротивление.Сопротивление проводника и приложенное к нему напряжение определяют количество ампер тока, протекающего по проводнику. Таким образом, сопротивление 1 Ом ограничивает ток до 1 ампера в проводнике, к которому приложено напряжение 1 вольт.

Факторы, влияющие на сопротивление

1. Сопротивление металлического проводника зависит от типа материала проводника. Было указано, что некоторые металлы обычно используются в качестве проводников из-за большого количества свободных электронов на их внешних орбитах.Медь обычно считается лучшим доступным материалом для проводников, поскольку медная проволока определенного диаметра обеспечивает меньшее сопротивление току, чем алюминиевая проволока того же диаметра. Однако алюминий намного легче меди, и по этой причине, а также по соображениям стоимости, алюминий часто используется, когда важен весовой коэффициент.
2. Сопротивление металлического проводника прямо пропорционально его длине. Чем больше длина провода данного сечения, тем больше сопротивление.На рисунке 12-41 показаны два проводника разной длины. Если электрическое давление 1 вольт приложено к двум концам проводника длиной 1 фут, а сопротивление движению свободных электронов предполагается равным 1 Ом, ток ограничивается 1 ампер. Если провод того же размера удвоить в длину, те же электроны, приведенные в движение под действием приложенного 1 вольта, теперь обнаруживают удвоенное сопротивление; следовательно, ток уменьшается вдвое. Рисунок 12-41. Сопротивление зависит от длины проводника.
3. Сопротивление металлического проводника обратно пропорционально площади поперечного сечения. Эта область может быть треугольной или даже квадратной, но обычно круглой. Если площадь поперечного сечения проводника увеличивается вдвое, сопротивление току уменьшается вдвое. Это верно из-за увеличенной площади, в которой электрон может перемещаться без столкновения или захвата атомом. Таким образом, сопротивление изменяется обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.
4. Четвертым важным фактором, влияющим на сопротивление проводника, является температура.Хотя некоторые вещества, такие как углерод, демонстрируют снижение сопротивления при повышении температуры окружающей среды, большинство материалов, используемых в качестве проводников, увеличивают сопротивление при повышении температуры. Сопротивление некоторых сплавов, таких как константан и манганин ™, очень мало изменяется при изменении температуры. Величина увеличения сопротивления образца проводника с сопротивлением 1 Ом на один градус повышения температуры выше 0 ° по Цельсию (C), принятого стандарта, называется температурным коэффициентом сопротивления.Для каждого металла это разные значения. Например, для меди это значение составляет примерно 0,00427 Ом. Таким образом, медный провод, имеющий сопротивление 50 Ом при температуре 0 ° C, имеет увеличение сопротивления на 50 × 0,00427 или 0,214 Ом на каждый градус повышения температуры выше 0 ° C. Температурный коэффициент сопротивления необходимо учитывать там, где наблюдается заметное изменение температуры проводника во время работы. Доступны графики с указанием температурного коэффициента сопротивления для различных материалов.На Рис. 12-42 показана таблица «удельного сопротивления» некоторых распространенных электрических проводников.

Рисунок 12-42. Таблица удельного сопротивления.

Сопротивление материала определяется четырьмя свойствами: материалом, длиной, площадью и температурой. Первые три свойства связаны следующим уравнением при T = 20 ° C (комнатная температура):

Сопротивление и связь с размером провода

Круглые проводники (провода / кабели)

Поскольку известно, что Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, и если нам дано сопротивление единичной длины провода, мы можем легко вычислить сопротивление любой длины провода из того же материала, имеющего тот же диаметр.Кроме того, поскольку известно, что сопротивление проводника обратно пропорционально его площади поперечного сечения, и если нам дано сопротивление отрезка провода с единичной площадью поперечного сечения, мы можем вычислить сопротивление такой же длины. из проволоки из того же материала любой площади сечения. Следовательно, если мы знаем сопротивление данного проводника, мы можем рассчитать сопротивление для любого проводника из того же материала при той же температуре. Из отношения:

Можно также записать:

Если у нас есть проводник длиной 1 метр (м) с площадью поперечного сечения 1 (миллиметр) мм ² и сопротивлением 0 .017 Ом, каково сопротивление 50 м провода из того же материала, но с площадью поперечного сечения 0,25 мм ² ?

В то время как единицы СИ обычно используются при анализе электрических цепей, электрические проводники в Северной Америке все еще производятся с использованием стопы в качестве единицы длины и мил (одна тысячная дюйма) в качестве единицы диаметра. Прежде чем использовать уравнение R = (ρ × l) ⁄A для расчета сопротивления проводника данного американского калибра проводов (AWG), площадь поперечного сечения в квадратных метрах должна быть определена с использованием коэффициента преобразования 1 mil = 0. .0254 мм. Самая удобная единица длины проволоки — стопа. Используя эти стандарты, единицей измерения является мил-фут. Таким образом, проволока имеет единичный размер, если она имеет диаметр 1 мил и длину 1 фут.

В случае использования медных проводников мы избавляемся от утомительных вычислений с помощью таблицы, показанной на Рисунке 12-43. Обратите внимание, что размеры поперечного сечения, указанные в таблице, таковы, что каждое уменьшение на один номер датчика равняется 25-процентному увеличению площади поперечного сечения.Из-за этого уменьшение трех калибровочных чисел означает увеличение площади поперечного сечения примерно на 2: 1. Аналогичным образом, изменение десяти калибровочных номеров проводов представляет собой изменение площади поперечного сечения 10: 1 — кроме того, при удвоении площади поперечного сечения проводника сопротивление уменьшается вдвое. Уменьшение числа сечений проводов на три уменьшает сопротивление проводника заданной длины вдвое.

Рисунок 12-43. Таблица преобразования при использовании медных жил.

Прямоугольные проводники (шины)

Для вычисления площади поперечного сечения проводника в квадратных милах длина одной стороны в милах возводится в квадрат.В случае прямоугольного проводника длина одной стороны умножается на длину другой. Например, обычная прямоугольная шина (большой, специальный проводник) имеет толщину 3⁄8 дюйма и ширину 4 дюйма. Толщина 3⁄8 дюйма может быть выражена как 0,375 дюйма. Поскольку 1000 мил равняется 1 дюйму, ширину в дюймах можно преобразовать в 4000 мил. Площадь поперечного сечения прямоугольного проводника находится путем преобразования 0,375 в мил (375 мил × 4000 мил = 1 500 000 квадратных мил).

Летный механик рекомендует

Ток, сопротивление, напряжение и мощность

Текущий
Ток — это мера потока электрического заряда через материал.Материал, который может переносить поток заряда, называется проводником. Ток определяется как количество заряда, которое проходит через проводник за определенное время. Единицей измерения тока является ампер (А), который равен одному кулону в секунду (кулон — единица заряда),

Символ I используется для обозначения тока (хотя J часто используется в инженерные источники). Ток I через проводник зависит от его площади A , концентрации n носителей заряда, величины заряда q каждого носителя и величины их средней (или «дрейфующей») скорости. v _d ,

Плотность тока — это количество тока, протекающего через проводник, деленное на его площадь,

Направление потока тока определяется в терминах потока положительных зарядов (даже если фактические носители заряда отрицательны).Единица измерения плотности тока — Амперы на квадратный метр (А / м ² ).

Удельное сопротивление
Некоторые проводники переносят заряд легче, чем другие. Удельное сопротивление материала описывает, насколько легко может течь заряд. Хорошие проводники имеют небольшое удельное сопротивление, а хорошие изоляторы — большое. Удельное сопротивление ρ (греческая буква «ро») равно величине электрического поля в материале, деленной на плотность тока,

Единица измерения величины электрического поля — вольт на метр (В / м). ), а единицей измерения плотности тока является Ампер на квадратный метр (А / м ² ), поэтому единицей измерения удельного сопротивления является Вольт-метр на Ампер,

Многие проводники подчиняются закону Ома.Материалы, которые подчиняются закону Ома, имеют постоянное удельное сопротивление независимо от значений электрического поля E и плотности тока J. Формулы, относящиеся к цепям, верны для «омических» материалов, а «неомические» материалы в этом курсе не обсуждаются.

Удельное сопротивление омического проводника зависит от температуры материала. Зависящее от температуры удельное сопротивление ρ (T) можно найти по формуле:

Эта формула требует ρ ₀ , удельного сопротивления при эталонной температуре T ₀ .Температурный коэффициент удельного сопротивления α различен для каждого материала. Для температур в градусах Цельсия (℃) температурный коэффициент удельного сопротивления имеет единицы: 1 / ℃ = (℃) ^(-1)

Сопротивление
Удельное сопротивление — это свойство материала, а сопротивление — это свойство определенного куска этого материала. Сопротивление куска проводника зависит от его длины L, площади A и удельного сопротивления ρ,

Единицей измерения сопротивления является Ом, который обозначается греческой буквой Ω («омега»).Один Ом равен одному Вольту на Ампер,

Сопротивление зависит от температуры так же, как и удельное сопротивление,

Для этой формулы требуется R ₀ , сопротивление при эталонной температуре T ₀ . Температурный коэффициент α отличается для каждого материала, как описано в разделе Сопротивление .

Резистор — это устройство, которое используется в электрических цепях и имеет определенное фиксированное сопротивление. Резисторы изготавливаются путем выбора куска материала с определенным удельным сопротивлением, длиной и площадью и обертывания его изолятором с проводами, выходящими из каждого конца.На принципиальных схемах он представлен символом

Напряжение
Напряжение — это разница электрического потенциала между двумя точками. Если электрическое поле однородно через проводник, разность потенциалов будет равна,

Используя уравнения в Ток, Удельное сопротивление, и Сопротивление секций, можно найти другое уравнение для разности потенциалов,

Уравнение V = IR означает, что разность потенциалов или напряжение на резисторе можно найти, умножив его сопротивление на ток, протекающий через него.Единицей измерения разности потенциалов является вольт (В), который равен джоуля на кулон (Дж / Кл).

Источник напряжения — это устройство, используемое в электрических цепях, которое имеет фиксированную разность потенциалов между его концами. Источником напряжения может быть батарея или другой источник постоянного тока с фиксированной разностью потенциалов. На принципиальных схемах он представлен символом

Если концы источника напряжения соединены через цепь с любым количеством резисторов или других компонентов, образуется полная цепь, и ток может течь от одной клеммы к другой. другой.Если ток течет, он будет одинаковым на обоих выводах источника напряжения.

Источник напряжения, который является частью полной схемы, может создавать электродвижущую силу, которая обозначается символом ε («скрипт e»). Единицей измерения электродвижущей силы является вольт (В), который равен джоуля на кулон (Дж / Кл). Для идеального источника электродвижущая сила равна разнице напряжений,

Настоящие источники, такие как батареи, не идеальны, поэтому существует некоторое внутреннее сопротивление.Если внутреннее сопротивление батареи равно r, то разница напряжений на батарее равна

Это также называется напряжением на клеммах батареи. Если полная цепь сделана с использованием резистора с сопротивлением R, ток, протекающий по цепи, можно найти с помощью уравнения V = IR,

Ток равен электродвижущему. сила источника, деленная на полное сопротивление цепи.

Мощность
Мощность (P) — это мера скорости, с которой энергия передается или используется элементом схемы. Источники напряжения обеспечивают питание, а резисторы используют мощность (рассеивая ее в виде тепла). Мощность равна напряжению на элементе схемы, умноженному на ток, протекающий через него,

Единицей измерения мощности является ватт (Вт), который равен джоулям в секунду,

Это соотношение может быть определяется по формуле для мощности:

Мощность, потребляемая или рассеиваемая резистором, может быть найдена по формуле V = IR.Эта формула может использоваться для замены напряжения или тока в формуле мощности,

,

и

Выходная мощность батареи с внутренним сопротивлением может быть найдена по формуле V = ε-Ir и формула мощности,

Skin Depth / Skin Effect and Calculator

Поскольку высокочастотные сигналы плохо проникают в хорошие проводники, сопротивление, связанное с проводником на этих высоких частотах, будет выше, чем сопротивление постоянному току.Этот эффект известен как скин-эффект, поскольку высокочастотный ток течет в тонком слое у поверхности проводника. Формула для определения эффективной глубины скин-слоя для проводника показана ниже.

Уравнение для расчета глубины скин-слоя или скин-эффекта медного проводника

для чистой меди В этом случае d — глубина скин-слоя (в м), f — интересующая частота (в Гц), m — проницаемость материала (м _o или 1,2566E-6 H / м для большинства материалов), s — проводимость материала (в Сименсах / м или 1 / r, где r — удельное сопротивление в Ом-м).

Диаграмма, показывающая эффективное сопротивление круглой проволоки за счет скин-эффекта

Если используется круглый провод с радиусом a, эффективное сопротивление провода можно рассчитать, как показано ниже, где l — длина провода, а другие переменные определены, как указано выше.

Уравнение для расчета эффективного сопротивления провода в зависимости от глубины скин-слоя

при a >> d

Приведенное выше уравнение применимо для тех случаев, когда глубина скин-слоя находится между 0 и радиусом проволоки a.Если глубина скин-слоя больше, чем радиус провода, то эквивалентное сопротивление провода переменному току не отличается от сопротивления постоянному току и просто определяется по стандартной формуле с использованием всей площади поперечного сечения провода. Когда частота приближается к нулю (dc), глубина скин-слоя становится бесконечной, а с увеличением частоты глубина скин-слоя становится все меньше и меньше.

В следующей таблице показано, как толщина скин-слоя изменяется в зависимости от материала проводника в качестве примера (чистая медь и чистый алюминий) для типичных частот импульсной мощности и согласования мощности в диапазоне от 1 кГц до 1 ГГц.

Частота (Гц)	Глубина кожи в меди (см)	Глубина кожи в алюминии (см)
1000	2.09E-1	2,68E-1
10 000	6.61E-2	8,46E-2
100 000	2.09E-2	2,68E-2
1 000 000	6.61E-3	8.46E-3
10 000 000	2.09E-3	2,68E-3
100000000	6.61E-4	8,46E-4
1 000 000 000	2.09E-4	2,68E-4

Калькулятор ниже можно использовать для определения глубины скин-слоя для данного сплава материала и рабочей частоты. Он также будет отображать удельное сопротивление, проводимость и проницаемость, принятые для выбранного материала.Рекомендуется, чтобы пользователи дважды проверяли эту информацию, поскольку удельное сопротивление материала может варьироваться в зависимости от точного состава, отпуска и т. Д. Выбранного сплава материала. Кредит за исходный код Javascript, используемый в калькуляторе, дан Рэю Аллену, у которого есть несколько подобных полезных калькуляторов на своем веб-сайте Pulsed Power Portal.

---

Консультации, комментарии и предложения направляйте по адресу [email protected]

Удельное сопротивление — AP Physics 1

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Ваше заявление: (а) вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

No related posts.