В физике электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует способность проводника препятствовать протеканию электрического тока.

Что такое электрическое сопротивление

Каждое тело, каждое вещество имеет электрическое сопротивление. Если приложить одно и то же напряжение к разным телам, ток через них потечёт разный, т.к. у них разное сопротивление. Есть вещества, через которые ток вообще не потечёт. Такие вещества называются диэлектриками, а вещества, пропускающие электрический ток, называются проводниками.

Как известно, ток - это направленное движение электронов. Электроны с отрицательного полюса источника напряжения поступают в проводник, там они выбивают из молекулы проводника другие электроны, занимая их место. Электроны как бы передают эстафету от молекулы к молекуле.

Кроме того, в проводниках есть и собственные свободные электроны, не связанные ни с каким определённым атомом. Все эти частицы движутся по проводнику. Поскольку свободные электроны присутствуют во всём объёме проводника, при приложении напряжения электроны моментально достигают положительного полюса.

Молекулы разных веществ с разной силой удерживают свои электроны. Например, у золота выбить частицы проще, чем у меди, и свободных электронов в нём больше, значит, сопротивление золота меньше. Молекулы диэлектриков свои электроны отдают крайне неохотно, поэтому ток через них не течёт.

Как определить величину сопротивления

Способность проводника сопротивляться прохождению тока называется сопротивлением и обозначается буквой R. Сопротивление жёстко связано с током и напряжением. Если к концам проводника с сопротивлением R приложить напряжение U, через него потечёт ток I. R = U/ I. Это называется законом Ома.

В Омах. 1 Ом - это такое сопротивление, через которое при напряжении в 1 Вольт течёт ток в 1 Ампер.

Любой проводник характеризуется удельным сопротивлением ρ. Для каждого проводника это величина неизменная, она указывается в справочниках. Удельное сопротивление - это такое сопротивление, которым обладает проводник длиной l=1 м и площадью сечения S=1 кв.м. Значит, сопротивление R=ρl/S. Чем длиннее проводник, тем сопротивление больше, а с увеличением площади сечения сопротивление падает.

Следует иметь в виду, что при нагреве проводника сопротивление растёт, а при охлаждении, наоборот, падает. При абсолютном нуле (- 273° С) сопротивление близко к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Удельное сопротивление, которое указывают в справочниках, измеряется в нормальных условиях, т.е. при комнатной температуре.

Внутреннее и внешнее сопротивление

Сопротивлением обладают не только проводники и элементы электрических схем, но и источники напряжения. Собственное сопротивление источника r называется внутренним, а сопротивление нагрузки R - внешним. Ток I через нагрузку от источника течёт от минуса к плюсу, а внутри источника от плюса к минусу, т.е. ток нагрузки равен току внутри источника.

Если на полюсах источника имеется напряжение Е, то его можно определить по формуле Е=IR+Ir. Отсюда можно вычислить и внутреннее, и внешнее сопротивление.

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Электрическое сопротивление проводника. Единица сопротивления

Начнем с того, что расскажем, каким образом пришли к такой физической величине, как электрическое сопротивление. При изучении начал электростатики уже шла речь о том, что различные вещества имеют различные свойства проводимости, т. е. пропускания свободных заряженных частиц: металлы имеют хорошую проводимость, поэтому их называют проводниками, дерево и пластики - крайне плохую, поэтому их называют непроводниками (диэлектриками). Объясняются такие свойства особенностями молекулярного строения вещества.

Первые эксперименты по изучению свойств проводимости веществ проводились несколькими учеными, но в историю вошли опыты немецкого ученого Георга Ома (1789-1854) (рис. 1).

Опыты Ома заключались в следующем. Он использовал источник тока, прибор, который мог регистрировать силу тока, и различные проводники. Подключая в собранную электрическую схему различные проводники, он убедился в общей тенденции: при увеличении напряжения в цепи сила тока тоже увеличивалась. Кроме этого, Ом пронаблюдал очень важное явление: при подключении различных проводников зависимость нарастания силы тока при увеличении напряжения проявляла себя по-разному. Графически такие зависимости можно изобразить, как на рисунке 2.

Рис. 2.

На графике по оси абсцисс отложено напряжение, по оси ординат - сила тока. В системе координат отложено два графика, которые демонстрируют, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью по мере увеличения напряжения.

Вследствие проведенных экспериментов Георг Ом делает вывод о том, что различные проводники обладают различными свойствами проводимости. Из-за этого было введено такое понятие, как электрическое сопротивление.

Определение. Физическая величина, характеризующая свойство проводника влиять на протекающий по нему электрический ток, называется электрическим сопротивлением .

Обозначение : R.

Единица измерения : Ом.

В результате упомянутых экспериментов было выяснено, что взаимосвязь между напряжением и силой тока в цепи зависит не только от вещества проводника, но и от его размеров, о чем пойдет речь в отдельном уроке.

Обсудим более подробно возникновение такого понятия, как электрическое сопротивление. На сегодняшний день его природа достаточно хорошо объяснена. В процессе движения свободных электронов они постоянно взаимодействуют с ионами, которые входят в строение кристаллической решетки. Таким образом, замедление движения электронов в веществе из-за столкновений с узлами кристаллической решетки (атомами) обусловливает проявление электрического сопротивления.

Кроме электрического сопротивления вводится еще связанная с ним величина - электрическая проводимость, которая взаимообратна к сопротивлению.

Опишем зависимости между величинами, которые мы ввели на нескольких последних уроках. Нам уже известно, что при увеличении напряжения растет и сила тока в цепи, т. е. они пропорциональны:

С другой стороны, при увеличении сопротивления проводника наблюдается уменьшение силы тока, т. е. они обратно пропорциональны:

Эксперименты показали, что эти две зависимости приводят к следующей формуле:

Следовательно, из этого можно получить, каким образом выражается 1 Ом:

Определение. 1 Ом - такое сопротивление, при котором на концах проводника напряжение 1 В, а сила тока на нем при этом 1 А.

Сопротивление 1 Ом очень маленькое, поэтому, как правило, на практике используются проводники с гораздо большим сопротивлением 1 кОм, 1 Мом и т. д.

В завершение можно сделать вывод о том, что сила тока, напряжение и сопротивление - это взаимосвязанные величины, которые влияют друг на друга. Подробно об этом мы поговорим на следующем уроке.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Школа для электрика ().
2. Электротехника ().

Домашнее задание

1. Стр. 99: вопросы № 1-4, упражнение № 18. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. Если напряжение на резисторе - 8 В, сила тока равна 0,2 А. При каком напряжении сила тока в резисторе будет равна 0,3 А?
3. Электрическую лампочку подключили к сети 220 В. Каково сопротивление лампочки, если при замкнутом ключе амперметр, включенный в цепь, показывает 0,25 А?
4. Подготовьте доклад о биографии жизни и научных открытиях ученых, положивших начало изучению законов постоянного тока.

Настала очередь узнать, что такое сопротивление. Представьте себе теперь уже обычную кристаллическую решетку. Так вот… Чем плотнее будут кристаллы расположены друг к другу, тем больше в них будет задерживаться зарядов. Значит, говоря простым языком - тем больше сопротивление металла. Кстати, сопротивление любого обычного металла можно на время увеличить, нагрев его. «Почему?», - спросите. Да потому, что при нагревании атомы металла начинают усиленно колебаться возле своего закрепленного связями положения. Поэтому движущиеся заряды будут чаще сталкиваться с атомами, а значит чаще и больше задерживаться в узлах кристаллической решетки. На рис.1 приведена наглядная схема-сборка, так сказать для «непосвященных», где сразу видно, как измерить напряжение на сопротивлении. Точно таким же образом можно измерить напряжение и на лампочке. Кстати, если, как видно из рисунка, наша батарея имеет напряжение, допустим, 15В(Вольт), а сопротивление таково, что на нем «оседает» 10В, то оставшиеся 5В придутся на лампочку.

Так выглядит закон Ома для замкнутой цепи.

Если не вдаваться в подробности, то этот закон говорит о том, что напряжение источника питания равно сумме падений напряжений на всех его участках. Т.е. в нашем случае, 15В = 10В + 5В. Но… если все же немножко вникнуть в подробности, то нужно знать, что то, что мы называли напряжением батареи, есть не что иное как ее значение при подключенном потребител е(в нашем случае - это лампочка + сопротивление). Если лампочку с сопротивлением отсоединить и измерить значение напряжения на батарее, то оно окажется несколько больше 15В. Это будет напряжение холостого хода и «обзывается» оно ЭДС батареи - электродвижущая сила. В действительности схема будет работать как показано на рис.2. В реальности батарею можно представить как некую другую батарею с напряжением, допустим, 16В, которая имеет свое некоторое внутреннее сопротивление Rвн. Значение этого сопротивления очень мало и обусловлено технологическими особеностями изготовления. Из рисунка видно, что при подключеной нагрузке часть напряжения батареи «осядет» на ее внутреннем сопротивлении и на ее выходе будет уже не 16В, а 15В, т.е. 1В «поглотится» ее внутренним сопротивлением. И здесь также сработает закон Ома для замкнутой цепи. Сумма напряжений на всех участках цепи окажется равной ЭДС батареи. 16В = 1В + 10В + 5В. Единицей измерения сопротивления является величина, называемая Ом. Названа она так в честь немецкого физикаГеорга Симона Ом, который этими работами и занимался. 1Ом равен электрическому сопротивлению проводника(им может, например, и лампочка быть) между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе постоянного тока 1 ампер. Для определения сопротивления лампы необходимо замерить на ней напряжение и измерить ток в цепи (см рис.5). А затем полученное значение напряжения разделить на значение тока (R=U/I). Сопротивления в электрических цепях могут соединяться последовательно (конец первого с началом второго - в данном случае их можно обозначить произвольно) и параллельно (начало с началом, конец с концом - и в данном случае их можно обозначить произвольно). Рассмотрим оба случая на примере лампочек - ведь их нити накала состоят их вольфрама, т.е. представляют из себя сопротивления. Случай последовательного соединения показан на рис.3.

Получилась всем известная (а, значит, будем считать и понятная- гирлянда). При таком соединении ток I будет всюду одинаковый независимого от того, что будут ли это одинаковые лампы на одно и то же напряжение или на разные. Надо сразу оговориться, что одинаковыми считаюся лампы, на которых:

1. указаны одно и тоже напряжение и ток(подобно лампочкам от карманного фонаря);
2. указаны одно и тоже напряжение и мощность(подобно лампам освещения).

Напряжение U истотчника питания в этом случае «раскидается» по всем лампам, т.е. U = U1 + U2 +U3. При этом, если лампы одинаковые - на всех них напряжение будет одинаковым. Если лампы не одинаковые, то в зависимости от сопротивления каждой конкретной лампы. В первом случае напряжение на каждой лампе можно легко вычислить, разделив напряжение источника на общее количество ламп. Во втором случае надо покопаться в вычислениях. Все это мы рассмотрим в задачах этого раздела. Итак, мы выяснили, что при последовательном соединении проводников(в данном случае - ламп) напряжение U на концах всей цепи равно сумме напряжений последовательно включенных проводников(ламп) - U = U1 + U2 +U3. По закону Омадля участка цепи: U1 = I*R1, U2 = I*R2, U3 = I*R3,U = I*R где R1 - сопротивление нити первой лампы(проводника), R2 - второй и R3 - третьей, R - полное сопротивление всех ламп. Заменив в выражении «U = U1 + U2 +U» значение U на I*R, U1 на I*R1, U2 на I*R2, U3 на I*R3, получим I*R = I*(R1+R2+R3). Отсюда R = R1+R2+R3.Вывод: при последовательном соединении проводников их общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех проводников. Сделаем вывод: последовательное включение применяется для нескольких потребителей(например, ламп новогодней гирлянды) с напряжением питания меньшим напряжения источника..

Случай параллельного соединения проводников показан на рис.4.

При параллельном соединении проводников их начала и концы имеют общие точки подключения к источнику. При этом напряжения на всех лампах(проводниках) одинаково независимо от того, какая из них и на какое напряжение рассчитана, так они напрямую подключены к источнику. Естественно, если лампа на меньшее напряжение, чем источник напряжения - она перегорит. А вот ток I будет равен сумме токов во всех лампах, т.е. I = I1 + I2 + I3. И лампы могут быть разной мощности - каждая будет брать тот ток, на который рассчитана. Это можно понять, если вместо источника представить розетку с напряжением 220В, а вместо ламп - подключенные к ней, например, утюг, настольная лампа и зарядныое устройство от телефона. Сопротивление каждого прибора в такой цепи определяется делением его напряжения на ток, который оно потребляет… опять-таки по закону Ома для участка цепи, т.е.

Сразу изложим тот факт, что есть величина, обратная сопротивлению и называется она - проводимость. Обозначается она Y. В системе СИ обозначается как См (Сименс). Обратная сопротивлению означает, что

Не вдаваясь в математические выводы, сразу скажем, что при параллельном соединении проводников(будь то лампы, утюги, микроволновки или телевизоры) величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников, т.е.

Учитывая, что

Иногда в задачах пишут Y = Y1 + Y2 + Y3. Это одно и то же. Есть также более удобная формула для нахождения общего сопротивления двух параллельно включенных сопротивлений. Выглядит она так:

Сделаем вывод: параллельный способ включения применяется для подключения ламп освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.

Как мы выяснили, столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное движение… Это противодействие направленному движению свободных электронов, т.е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах. Проводящие свойства материала определяют его объемное удельное сопротивление ρv, равное сопротивлению между противоположными сторонами куба с ребром 1м, изготовленного из данного материала. Величина обратная объемному удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью и равна γ = 1/ρv. Единицей объемного сопротивления служит 1Ом*м, объемной удельной проводимости - 1См/м. Сопротивление проводника постоянному току зависит от температуры. В общем случае наблюдается достаточно сложная зависимость. Но при изменениях температуры в относительно узких пределах (примерно 200°С) ее можно выразить формулой:

где R2 и R1 - сопротивления соответственно при температурах Т1 и Т2; α - температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1°С.

Важные понятия

Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором. Регулируемый резистор (т.е. имеется возможность изменять его сопротивление) называется реостатом.

Резистивными элементами называются идеализированные модели резисторов и любых других электротехнических устройств или их частей, оказывающих сопротивление постоянному току независимо от физической природы этого явления. Они применяются при составлении схем замещения цепей и расчетах их режимов. При идеализации пренебрегают токами через изолирующие покрытия резисторов, каркасы проволочных реостатов и т.п.

Линейный резистивный элемент является схемой замещения любой части электротехнического устройства, в которой ток пропорционален напряжению. Его параметром служит сопротивление R = const. R = const означает, что значение сопротивления неизменно (const значит постоянна).
Если зависимость тока от напряжения нелинейна, то схема замещения содержит нелинейный резистивный элемент, который задается нелинейной ВАХ (вольт-амперной характеристикой) I(U) - читается как «И от У». На рис.5 приведены вольт-амперные характеристики линейного (линия а) и нелинейного (линия б) резистивных элементов, а также их обозначения на схмах замещения.

Как уже отмечалось, сила тока в цепи зависит не только от напряжения на концах участка, но также и от свойств проводника, включенного в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводников объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление R - физическая скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов в проводнике. Обозначается сопротивление буквой R. В СИ единицей сопротивления проводника является ом (Ом).

1 Ом - сопротивление такого проводника, сила тока в котором равна 1 А при напряжении на нем 1 В.

Применяются и другие единицы: килоом (кОм), мегаом (МОм), миллиом (мОм): 1 кОм = 10 3 Ом; 1 МОм = 10 6 Ом; 1 мОм = 10 -3 Ом.

Физическую величину G, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью

Единицей электрической проводимости в СИ является сименс: 1 См - это проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Проводник содержит не только свободные заряженные частицы - электроны, но и нейтральные частицы и связанные заряды. Все они участвуют в хаотическом тепловом движении, равновероятном в любых направлениях. При включении электрического поля под действием электрических сил будет преобладать направленное упорядоченное движение свободных зарядов, которые должны двигаться с ускорением и их скорость должна была бы со временем возрастать. Но в проводниках свободные заряды движутся с некоторой постоянной средней скоростью. Следовательно, проводник оказывает сопротивление упорядоченному движению свободных зарядов, часть энергии этого движения передается проводнику, в результате чего повышается его внутренняя энергия. Из-за движения свободных зарядов искажается даже идеальная кристаллическая решетка проводника, на искажениях кристаллической структуры рассеивается энергия упорядоченного движения свободных зарядов. Проводник оказывает сопротивление прохождению электрического тока.

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, длины проводника и площади поперечного сечения. Для проверки этой зависимости можно воспользоваться той же электрической схемой, что и для проверки закона Ома (рис. 2), включая в участок цепи MN различные по размерам проводники цилиндрической формы, изготовленные из одного и того же материала, а также из разных материалов.

Результаты эксперимента показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине l проводника, обратно пропорционально площади S его поперечного сечения и зависит от рода вещества, из которого изготовлен проводник:

где - удельное сопротивление проводника.

Скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 , или сопротивлению куба с ребром 1 м. Единицей удельного сопротивления в СИ является ом-метр (Ом·м).

Удельное сопротивление металлического проводника зависит от

1. концентрации свободных электронов в проводнике;
2. интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
3. интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры.

Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца - "нихрома". Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Среди прочих показателей, характеризующих электрическую цепь, проводник, стоит выделить электрическое сопротивление. Оно определяет способность атомов материала препятствовать направленному прохождению электронов. Помощь в определении данной величины может оказать как специализированный прибор – омметр, так и математические расчеты на основании знаний о взаимосвязях между величинами и физическими свойствами материала. Измерение показателя производится в Омах (Ом), обозначением служит символ R.

Закон Ома — математический подход при определении сопротивления

Соотношение, установленное Георгом Омом, определяет взаимосвязь между напряжением, силой тока, сопротивлением, основанную на математическом взаимоотношении понятий. Справедливость линейной взаимосвязи – R = U/I (отношение напряжения к силе тока) – отмечается не во всех случаях.
Единица измерения [R] = B/A = Ом. 1 Ом – сопротивление материала, по которому идет ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт.

Эмпирическая формула расчета сопротивления

Объективные данные о проводимости материала следуют из его физических характеристик, определяющих как его собственно свойства, так и реакции на внешние влияния. Исходя из этого проводимость зависит от:

• Размера.
• Геометрии.
• Температуры.

Атомы проводящего материала сталкиваются с направленными электронами, препятствуя их дальнейшему продвижению. При высокой концентрации последних атомы не способны им противостоять и проводимость оказывается высокой. Большие значения сопротивления характерны для диэлектриков, которые отличаются практически нулевой проводимостью.

Одной из определяющих характеристик каждого проводника является его удельное сопротивление – ρ. Оно определяет зависимость сопротивления от материала проводника и воздействий извне. Это фиксированная (в пределах одного материала) величина, которая представляет данные проводника следующих размеров – длина 1 м (ℓ), площадь сечения 1 кв.м. Поэтому взаимосвязь между данными величинами выражается соотношением: R = ρ* ℓ/S:

• Проводимость материала падает по мере увеличения его длины.
• Увеличение площади сечения проводника влечет за собой снижение его сопротивления. Такая закономерность обусловлена уменьшением плотности электронов, а, следовательно, и контакт частиц материала с ними становится более редким.
• Рост температуры материала стимулирует рост сопротивления, в то время как падение температуры влечет за собой его снижение.

Расчет площади сечения целесообразно производить согласно формуле S = πd 2 / 4. В определении длины поможет рулетка.

Взаимосвязь c мощностью (P)

Исходя из формулы закона Ома, U = I*R и P = I*U. Следовательно, P = I 2 *R и P = U 2 /R.
Зная величину силы тока и мощность, сопротивление можно определить как: R = P/I 2 .
Зная величину напряжения и мощности, сопротивление легко вычислить по формуле: R = U 2 /P.

Сопротивление материала и величины других сопутствующих характеристик могут быть получены с применением специальных измерительных приборов или на основании установленных математических закономерностей.