Зміст:
Опір струму
Як влаштовано всередині тверда речовина, зокрема, метал? Атоми металу являють собою кристалічну решітку з позитивно заряджених іонів, між якими вільно рухаються негативно заряджені електрони.
Електрони практично не пов’язані зі своїми атомами, і, внаслідок цього, можливе існування електричного струму в металі, тобто провіднику. Під дією електричного поля електрони можуть переміщатися уздовж провідника. Це зрозуміло. Але виникає питання – раз електрони не пов’язані з ядрами атомів, чому вони взагалі не вилітають геть з тіла, а продовжують залишатися всередині?
Тяжіння ядер атомів
Очевидно, що їх щось утримує. І утримує їх тяжіння ядер атомів. Воно дозволяє їм майже вільно переміщатися всередині речовини, але обмежує свободу кордонами самого тіла. Це ж тяжіння сковує їх пересування всередині провідника під дією електричного поля. І тяжіння це різниться у різних речовин, внаслідок відмінностей у будові кристалічної решітки.
Відповідно, одні речовини пропускають струм краще, інші гірше. Тому всі речовини поділяються на провідники і непроводнікі струму. Однак, всі без винятку речовини все одно протидіють, як би чинять опір проходженню струму через них. Величина, що характеризує це протидія, називається опором електричному струму.
Опір електричного струму
Опір проходять в курсі фізики восьмого класу. Опір току залежить від структури речовини, а також від його температури. При збільшенні температури опір збільшується. Силу опору у фізиці вимірюють в одиницях, званих Ом. Позначається опір буквою R. Опір провідника в один Ом – це такий опір, при якому при напрузі на кінцях провідника в один вольт сила струму дорівнює одному амперу.
Опір провідників розрізняється. Є провідники, які проводять струм краще, як наприклад, срібло або мідь, або гірше, як наприклад, залізо. Від цього залежать втрати струму при проходженні через провідник. У деяких речовин опір струму настільки сильно, що вони не здатні його проводити в звичайних умовах. Такі речовини називають непроводниками. Їх використовують в якості ізоляторів. Це такі речовини, як фарфор, гума, ебоніт і так далі. Величина, що характеризує опір речовини, називається питомим опором. Питомі опору різних речовин можна знайти зі спеціальних таблиць.
Формула опору в фізиці
Скалярну фізичну величину, (зазвичай позначається R) дорівнює:
називають опором ділянки кола між перетинами 1 і 2. У вираженні (1) маємо – питомий опір провідника, S – площа поперечного перерізу провідника, dl – елемент довжини провідника.
Якщо провідник є однорідним (= const) і має форму циліндра (S = const), то формула (1) може бути представлена як:
де l – довжина ділянки, що розглядається провідника.
Треба відзначити, що питомий опір провідника () – це опір провідника одиничної довжини з поперечним перерізом рівним одиниці. Або інакше говорять, що питомий опір речовини – це опір куба з ребром 1 м виготовленого з даної речовини, яка виражена в Ом, при струмі, який паралельний ребру куба. Величина зворотна питомому опору:
називається питомою провідністю. Вимірюється питомий опір в системі СІ в [] = Ом • м. Ця характеристика провідника залежить від температури, в найпростішому випадку ця залежність може бути лінійна:
де 0 – питомий опір провідника при температурі рівній 0C, t – температура в градусах Цельсія, – температурний коефіцієнт опору, який показує відносне збільшення опору при збільшенні температури на один градус, може бути позитивним і негативним. Для металів> 0.
Обчислення опору при з’єднанні провідників
При послідовному опорі провідників сумарний опір (R) обчислюється як сума окремих опорів (Ri):
Якщо провідники з’єднані паралельно, то складаються величини зворотні до опорам:
Одиниці виміру опору
Основною одиницею вимірювання опору в системі СІ є: [R] = Ом
1 Ом – це опір такого провідника, в якому при напрузі на його кінцях 1В встановлюється струм 1 А.
Приклади розв’язання задач
Завдання. Проводить куля, що має радіус А оточений тонкою проводить оболонкою радіуса B (рис.1). Простір між тілами заповнене однорідним і ізотропним речовиною, питомий опір якого. Яке опір простору між електродами?
Рішення. За основу рішення задачі приймемо формулу:
Інтегрування виразу (1.1) проведемо від A до B:
Завдання. Яка кількість витків дроту (n) (питомий опір її одно = 100 мк Ом • м, діаметр d = 1 см) потрібно накрутити на фарфоровий циліндр, що має радіус A = 1 см, для того щоб отримати опір R = 8 Ом?
Рішення. Основою для вирішення завдання буде формула для опору виду:
Довжину одного витка дроту можна обчислити як:
Отже, довжина всієї дроту (l) дорівнює:
Площа поперечного перерізу дроту (S):
Підставами (2.4), (2.3) в вираз (2.1)
З формули (2.6) отримаємо шукане число витків:
Переведемо одиниці всіх величин з даних завдання в систему СІ, маємо: = 100 мк Ом • м = 100 • 10 -6 Ом • м, d = 1 см = 10 -2 м, A = 1 см = 10 -2 м проведемо обчислення :