Электрическое сопротивление. Удельное сопротивление — Класс!ная физика

Подробности

Просмотров: 439

Электрическое сопротивление (R) — это физическая величина, численно равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, проходящего через проводник.
Величину сопротивления для участка цепи можно определить из формулы закона Ома для участка цепи.

Однако, сопротивление проводника не зависит от силы тока в цепи и напряжения, а определяется только формой, размерами и материалом проводника.

где l — длина проводника ( м ), S — площадь поперечного сечения (кв.м ), r ( ро) — удельное сопротивление (Ом м ).

Удельное сопротивление

— показывает, чему равно сопротивление проводника, выполненного из данного вещества, длиной в 1м и с поперечным сечением 1 м кв.

Единица измерения удельного сопротивления в системе СИ: 1 Ом м

Однако, на практике толщина проводов значительно меньше 1 м кв, поэтому чаще используют внесистемную единицу измерения удельного сопротивления:

Единица измерения сопротивления в системе в СИ:

[R] = 1 Ом

Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при разности потенциалов на его концах в 1 В, по нему протекает ток силой 1 А.

___

Причиной наличия сопротивления у проводника является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристалической решетки проводника. Из-за различия в строении криталической решетки у проводников, выполненных из различных веществ, сопротивления их отличаются друг от друга.

ЗАПОМНИ

Существует физическая величина обратная сопротивлению — электрическая проводимость.

R — это сопротивление проводника,
1/R — это электрическая проводимость проводника

___

Величины проводимости проводников и изоляторов различаются в большое число раз, измеряемое единицей с двадцатью двумя нулями!

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ

… что сопротивления кожи человека обычно изменяется от 1 кОм ( для влажной кожи ) до 500 кОм ( для сухой кожи ). Сопротивление других тканей тела равно от 100 до 500 Ом.
___

… что соединительные провода, из которых собираются электрические цепи, обладают сопротивлением. Согласно закону Ома на проводах теряется часть напряжения, поэтому выгодно ставить провода с наименьшим удельным сопротивлением.

___

… что сопротивление проводника зависит от температуры.

ИНТЕРЕСНО

При повышении температуры металлического проводника его сопротивление увеличивается.

При увеличении температуры электролита (жидкого проводника) его сопротивление уменьшается.

Если взять в качестве проводника уголь (обычную таблетку активированногоугля из аптечки), то его сопротивление при надавливании на уголь уменьшается!

ДУМАЕМ НАД ЗАДАЧКАМИ

Если длину проволоки вытягиванием увеличить вдвое то, как изменится её сопротивление?
___

Две квадратные металлические пластины из одного металла разной толщины включены в электрическую цепь. Одинаковое ли сопротивление они оказывают току?

___

Какой проводник представляет большее сопротивление для постоянного тока: медный сплошной стержень или медная трубка, имеющая внешний диаметр, равный диаметру стержня? ( длину обоих проводников считать одинаковой)

Не сопротивляйся, иди скорее решать задачи!

Следующая страница «Занимательные фишки для 8 класса»

Назад в раздел «8 класс»

Воздушное сопротивление.

Физика на каждом шагу

Воздушное сопротивление

Первоклассный бегун, состязающийся на скорость, вовсе не стремится в начале бега быть впереди соперников. Напротив, он старается держаться позади них; только приблизившись к финишу, он проскальзывает мимо других бегунов и приходит к конечному пункту первым. Для чего избирает он такой маневр? Почему ему выгоднее бежать позади других?

Причина та, что при быстром беге приходится затрачивать немало работы для преодоления сопротивления воздуха. Обыкновенно мы не думаем о том, что воздух может служить помехой нашему движению: расхаживая по комнате или прогуливаясь по улице, мы не замечаем, чтобы воздух стеснял наши движения. Но это только потому, что скорость нашей ходьбы невелика. При быстром движении воздух уже заметно мешает нам двигаться. Кто ездит на велосипеде, тот хорошо знает, что воздух мешает быстрой езде. Недаром гонщик пригибается к рулю своей машины: он этим уменьшает величину той поверхности, на которую напирает воздух.

Вычислено, что при скорости 10 км в час велосипедист тратит седьмую часть своих усилий на то, чтобы бороться с воздухом; при скорости 20 км на борьбу с воздухом уходит уже четвертая доля усилий ездока. При еще большей скорости приходится расходовать на преодоление воздушного сопротивления третью долю работы и т. д.

Теперь вам станет понятно загадочное поведение искусного бегуна. Помещаясь позади других, менее опытных бегунов, он освобождает себя от работы по преодолению воздушного сопротивления, так как эту работу выполняет за него бегущий впереди. Он сберегает свои силы, пока не приблизится к цели настолько, что станет наконец выгодно обогнать соперников.

Маленький опыт разъяснит вам сказанное. Вырежьте из бумаги кружок величиной с пятикопеечную монету. Уроните монету и кружок порознь с одинаковой высоты. Вы уже знаете, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. В нашем случае правило не оправдается: бумажный кружок упадет на пол заметно позднее монеты. Причина та, что монета лучше одолевает сопротивление воздуха, чем бумажка. Повторите опыт на иной лад: положите бумажный кружок поверх монеты и тогда уроните их. Вы увидите, что и кружок и монета достигнут пола в одно время. Почему? Потому что на этот раз бумажному кружку не приходится бороться с воздухом: эту работу выполняет за него монета, движущаяся впереди. Точно так же и бегуну, движущемуся позади другого, легче бежать: он освобожден от борьбы с воздухом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Сопротивление воздуха

Сопротивление воздуха И это еще не все, что ожидает пассажиров в течение того краткого мига, который они проведут в канале пушки. Если бы каким-нибудь чудом они остались живы в момент взрыва, гибель ожидала бы их у выхода из орудия.

Вспомним о сопротивлении воздуха! При

ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Связь между прикладными задачами и теоретическими обобщениями в русской механике второй половины XIX — начала XX в. получила также яркое выражение в работах по теории упругости и сопротивлению материалов.Задачи теории

41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии

41. Полное сопротивление ((импеданс) тканей организма. Физические основы реографии Ткани организма проводят не только постоянный, но и пе ременный ток. В организме нет таких систем, которые бы ли бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индук тивность его близка к

Сопротивление — GCSE Physics AQA Revision — Study Rocket

Сопротивление

Сопротивление — это сопротивление течению тока. Высокое сопротивление означает, что через него труднее протекать ток. Низкое сопротивление означает, что ток будет проходить легче.

Сопротивление измеряется в Ом (Ом).

Закон Ома

Закон Ома гласит, что ток прямо пропорционален разности потенциалов (при условии, что температура остается постоянной).

Его можно суммировать в уравнении (вам DO нужно запомнить это уравнение для экзамена):

Напряжение = Ток x Сопротивление

В = I x R

В = Напряжение (В)

__I __= Ток (Ампер)

R = Сопротивление (Ом)

Измерение сопротивления

Для измерения сопротивления компонента используется стандартная тестовая схема для измерения тока, протекающего через компонент, и разности потенциалов на нем. Вышеупомянутое уравнение затем можно использовать для расчета сопротивления

Требуемое практическое значение — Сопротивление провода

Вы должны быть знакомы с практической процедурой исследования факторов, влияющих на сопротивление провода.

Факторы, влияющие на сопротивление провода:

1. Длина
2. Площадь поперечного сечения (толщина)
3. Материал
4. Температура

Их можно исследовать с помощью стандартной тестовой схемы:

При исследовании длины:

1. Измерить и записать ток и разность потенциалов на проводе
2. Рассчитать сопротивление, используя V=IR
3. Повторить для проводов разной длины (сохраняя неизменными материал, толщину и температуру)

Тот же метод можно использовать для исследования других переменных.

При анализе результатов следует соблюдать следующие закономерности:

1. Длина — Чем длиннее провод, тем выше сопротивление. Это должны быть прямо пропорциональные отношения. По мере увеличения длины провода одна и та же разность потенциалов пропускает ток через большую длину, и поэтому по нему будет течь меньше электронов.
2. Крестовина -площадь сечения – Чем тоньше провод, тем больше сопротивление. В более тонком проводе меньше электронов, доступных для движения, поэтому при той же разности потенциалов будет течь меньший ток.
3. Температура – Чем выше температура провода, тем больше сопротивление. По мере повышения температуры атомы в проводе обладают большей кинетической энергией и вибрируют быстрее, что затрудняет прохождение электронов через
.
4. Материал — разные материалы имеют разное удельное сопротивление. Это не непрерывная переменная, поэтому, в отличие от трех предыдущих, ее можно изобразить только на гистограмме.

Возможные причины ошибки в этом расследовании включают:

1. Неточное измерение провода – зажимы типа «крокодил», используемые для соединения провода в цепи, имеют ширину в несколько миллиметров, что может привести к тому, что длина провода, проводящего электричество, будет немного короче, чем предполагалось. Это можно улучшить, используя более тонкие контакты.
2. Температура – трудно контролировать температуру провода и, по мере проведения расследования, он может нагреваться, что влияет на сопротивление провода. Это можно улучшить, дав проволоке остыть до комнатной температуры между каждым измерением.

Резисторы последовательно и параллельно

Резисторы серии

Общее сопротивление увеличивается по мере последовательного добавления резисторов​. То же напряжение используется для проталкивания тока через более жесткую цепь, поэтому проходит меньший ток.

Сопротивление можно рассчитать по уравнению (вы делаете , НЕ нужно запомнить это уравнение):

Резисторы параллельно 

Общее сопротивление уменьшается по мере последовательного добавления резисторов​. Каждая ветвь параллельной цепи получает одинаковое напряжение, поэтому в целом по цепи проходит больший ток.

Сопротивление можно рассчитать по уравнению (вы делаете , НЕ нужно запомнить это уравнение):

IV Графики

График ток-напряжение (или IV) показывает, как изменяется сопротивление компонента. Отрицательная часть графика показывает, что произойдет, если направление тока изменится на противоположное.

Постоянный резистор подчиняется закону Ома и дает прямо пропорциональную ВАХ. График симметричен, так как такое же соотношение существует, когда ток течет в противоположном направлении через резистор.

Лампа накаливания нагревается, когда через нее проходит ток. Это приводит к увеличению сопротивления и искривлению графика IV. График симметричен, так как такая же зависимость существует, когда ток течет в противоположном направлении через лампочку.

Диод пропускает ток только в одном направлении. На графике IV ток не течет в обратном направлении.

Компоненты

Вы должны быть знакомы со следующими компонентами – их символами цепи и их функциями.

1. LDR — Светозависимый резистор​. Сопротивление уменьшается при увеличении интенсивности света

1. Термистор — Сопротивление уменьшается по мере повышения температуры

1. Светодиод — Светоизлучающий диод​. Светится, когда через него протекает ток в прямом направлении

Каково сопротивление нагревательного элемента в электрическом чайнике, использующем сетевое напряжение (230 В) и силу тока 10 А?

23

Лампа накаливания 12 В имеет сопротивление 60 Ом. Какой ток протекает через лампочку?

2

Фен, работающий от сети (230 В), имеет ток 5 А, протекающий через двигатель. Каково сопротивление двигателя?

46

Автомобиль с дистанционным управлением использует три батареи по 1,5 В. Какой ток протекает через него, если его сопротивление равно 15 Ом?

3

Батарея 6 В используется для питания портативного динамика с сопротивлением 4 Ом. Какой ток протекает через динамик?

1,5

20.3 Сопротивление и удельное сопротивление — Колледж физики 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните понятие удельного сопротивления.
• Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления определенных конфигураций материала.
• Используйте термический коэффициент удельного сопротивления для расчета изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Зависимость сопротивления от материала и формы

Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он состоит. Цилиндрический резистор на рис. 20.10 легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра RR прямо пропорционально его длине LL, аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше столкновений зарядов с его атомами произойдет. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же аналогично потоку жидкости по трубе). На самом деле RR обратно пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра AA.

Рисунок 20.10 Однородный цилиндр длиной LL и площадью поперечного сечения AA. Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше его площадь поперечного сечения АА, тем меньше его сопротивление.

Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы оказывают различное сопротивление потоку заряда. Определим удельное сопротивление ρρ вещества так, чтобы сопротивление RR объекта прямо пропорционально ρρ. Удельное сопротивление ρρ — это внутреннее свойство материала, не зависящее от его формы или размера. Сопротивление RR однородного цилиндра длиной LL и площадью поперечного сечения AA, изготовленного из материала с удельным сопротивлением ρρ, равно

Ом.

R=ρLA.R=ρLA.

20,18

В таблице 20.1 приведены репрезентативные значения ρρ. Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельного сопротивления. Проводники имеют наименьшее удельное сопротивление, а изоляторы — наибольшее; полупроводники имеют промежуточное сопротивление. Проводники имеют разную, но большую плотность свободного заряда, в то время как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут свободно перемещаться. Полупроводники занимают промежуточное положение, имея гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладая свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников используются в современной электронике, что будет рассмотрено в последующих главах.

Материал	Удельное сопротивление ρρ ( Ом⋅мОм⋅м )
Проводники
Серебро	1,59×10−81,59×10−8
Медь	1,72×10−81,72×10−8
Золото	2,44×10−82,44×10−8
Алюминий	2,65×10−82,65×10−8
Вольфрам	5,6×10−85,6×10−8
Железо	9,71×10−89,71×10−8
Платина	10,6×10−810,6×10−8
Сталь	20×10−820×10−8
Свинец	22×10−822×10−8
Манганин (сплав Cu, Mn, Ni)	44×10−844×10−8
Константан (сплав Cu, Ni)	49×10−849×10−8
Меркурий	96×10−896×10−8
Нихром (сплав Ni, Fe, Cr)	100×10−8100×10−8
Полупроводники 1
Углерод (чистый)	3,5×10–53,5×10–5
Углерод	(3,5−60)×10–5(3,5−60)×10–5
Германий (чистый)	600×10−3600×10−3
Германий	(1-600)×10-3(1-600)×10-3
Кремний (чистый)	23002300
Кремний	0,1–23000,1–2300
Изоляторы
Янтарный	5×10145×1014
Стекло	109−1014109−1014
Люцит	>1013>1013
Слюда	1011−10151011−1015
Кварц (плавленый)	75×101675×1016
Резина (твердая)	1013−10161013−1016
Сера	10151015
Тефлон	>1013>1013
Дерево	108−1011108−1011

Стол 20. 1 Удельное сопротивление ρρ различных материалов при 20ºC20ºC

Пример 20,5

Расчет диаметра резистора: нить накаливания фары A

Нить накала автомобильной фары изготовлена ​​из вольфрама и имеет холодное сопротивление 0,350 Ом 0,350 Ом. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (можно свернуть в спираль для экономии места), то каков ее диаметр?

Стратегия

Мы можем преобразовать уравнение R=ρLAR=ρLA, чтобы найти площадь поперечного сечения AA нити на основе данной информации. Тогда его диаметр можно найти, предполагая, что он имеет круглое поперечное сечение.

Решение

Площадь поперечного сечения, полученная перестановкой выражения для сопротивления цилиндра, данного в R=ρLAR=ρLA, равна

A=ρLR.A=ρLR.

20,19

Подставив данные значения и взяв ρρ из таблицы 20.1, получаем =(5,6×10–8 Ом⋅м)(4,00×10–2 м)0,350 Ом= 6,40×10–9 м2.

20,20

Площадь круга связана с его диаметром DD соотношением

A=πD24.A=πD24.

20,21

Решение для диаметра DD и подстановка найденного значения для AA дает

D= 2Ap12= 26,40×10–9 м23,1412= 9,0×10–5 м.D= 2Ap12= 26,40×10–9 м23 .1412= 9,0×10–5 м.

20.22

Обсуждение

Диаметр чуть меньше десятой доли миллиметра. Он указан только с двумя цифрами, потому что ρρ известен только с двумя цифрами.

Температурное изменение сопротивления

Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые даже становятся сверхпроводниками (нулевое сопротивление) при очень низких температурах. (См. рис. 20.11.) И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы вибрируют быстрее и преодолевают большие расстояния при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, что фактически увеличивает удельное сопротивление. При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC100ºC или менее) удельное сопротивление ρρ изменяется с изменением температуры ΔTΔT, как выражается в следующем уравнении 9.0005

ρ=ρ0(1 +αΔT),ρ=ρ0(1 +αΔT),

20,23

где ρ0ρ0 – исходное удельное сопротивление, αα – температурный коэффициент удельного сопротивления. (См. значения αα в Таблице 20.2 ниже.) При больших изменениях температуры αα может изменяться или может потребоваться нелинейное уравнение для определения ρρ. Обратите внимание, что αα положительно для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. Манганин (состоящий из меди, марганца и никеля), например, имеет αα, близкую к нулю (трем цифрам по шкале в таблице 20.2), и поэтому его удельное сопротивление мало зависит от температуры. Это полезно, например, для создания эталона сопротивления, не зависящего от температуры.

Рисунок 20.11 Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — она является сверхпроводником примерно до 4,2 К. Выше этой критической температуры ее сопротивление делает резкий скачок, а затем возрастает почти линейно с температурой.

Материал	Коэффициент αα(1/°C) 2
Проводники
Серебро	3,8×10−33,8×10−3
Медь	3,9×10−33,9×10−3
Золото	3,4×10−33,4×10−3
Алюминий	3,9×10−33,9×10−3
Вольфрам	4,5×10−34,5×10−3
Железо	5,0×10−35,0×10−3
Платина	3,93×10−33,93×10−3
Свинец	3,9×10−33,9×10−3
Манганин (сплав Cu, Mn, Ni)	0,000×10-30,000×10-3
Константан (сплав Cu, Ni)	0,002×10-30,002×10-3
Меркурий	0,89×10−30,89×10−3
Нихром (сплав Ni, Fe, Cr)	0,4×10−30,4×10−3
Полупроводники
Углерод (чистый)	−0,5×10−3−0,5×10−3
Германий (чистый)	−50×10−3−50×10−3
Кремний (чистый)	−70×10−3−70×10−3

Стол 20,2 Температурные коэффициенты удельного сопротивления αα

Отметим также, что αα имеет отрицательное значение для полупроводников, перечисленных в таблице 20. 2, а это означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высокой температуре, потому что повышенное тепловое возбуждение увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения ρρ с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.

Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как R0R0 прямо пропорционально ρρ. Для цилиндра мы знаем, что R=ρL/AR=ρL/A, поэтому, если LL и AA не сильно меняются с температурой, RR будет иметь такую ​​же температурную зависимость, как и ρρ. (Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на LL и AA примерно на два порядка меньше, чем на ρρ.) Таким образом,

R=R0(1 +αΔT)R=R0(1 +αΔT)

20,24

— температурная зависимость сопротивления объекта, где R0R0 — исходное сопротивление, RR — сопротивление после изменения температуры ΔTΔT. Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление. (См. рис. 20.12.) Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для получения его температуры. Устройство маленькое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

Рисунок 20.12 Эти знакомые термометры основаны на автоматизированном измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры. (кредит: Биол, Викисклад)

Пример 20,6

Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити накала

Хотя следует соблюдать осторожность при применении ρ=ρ0(1 +αΔT)ρ=ρ0(1 +αΔT) и R=R0(1 +αΔT)R=R0(1 +αΔT ) для температурных изменений, превышающих 100ºC100ºC, для вольфрама уравнения работают достаточно хорошо при очень больших изменениях температуры. Каково же тогда сопротивление вольфрамовой нити в предыдущем примере, если ее температуру повысить с комнатной (20°С20°С) до типичной рабочей температуры 2850°С2850°С?

Стратегия

Это прямое применение R=R0(1 +αΔT)R=R0(1 +αΔT), поскольку исходное сопротивление нити было задано равным R0=0,350 Ом R0=0,350 Ом, а температура изменение составляет ΔT=2830ºC, ΔT=2830ºC.