Суть электрического сопротивления, что такое сопротивление электрического тока, его природа. « ЭлектроХобби
Многие слышали о таком понятии, встречаемом и широко используемом в сфере электричества, как электрическое сопротивление. Но не все знают, какова же природа его. В чём заключается суть, и что вообще оно собой представляет, от чего зависит. Предлагаю в этой статье разобраться, что же такое сопротивление тока. И так, под электрическим сопротивлением подразумевают две вещи. В одном понимании это физическая величина, в другом же, это электрический компонент, деталь, элемент.
Теперь про то, в чём именно заключается суть сопротивления тока. А начнём мы с основы, строения атома, его кристаллической решетки, и движения электричества внутри электрического проводника. Напомню, что атом является мельчайшей частицей вещества. Он устроен следующим образом: в центре находится так называемое ядро, состоящее из более мелких частиц, протонов и нейтронов. Вокруг этого атомного ядра с огромной скоростью вращаются еще одни частицы, называемые электронами (по размерам они гораздо меньше ядра).
Ядро атома имеет положительный электрический заряд (плюс), а электроны, соответственно, отрицательный заряд (минус). Любое вещество представлено множеством атомов, которые имеют свою определенную структурированность, именуемая таким понятием как кристаллическая решётка (если говорить о твердом состоянии вещества). Но перед тем как перейти к сути сопротивления тока стоит ещё добавить, что то пространство, по которому носятся электроны называется орбитой электрона (орбиталями). У разных веществ количество орбит может быть разным, и располагаются они одна выше другой (как луковица).
На самой отдалённой электронной орбите сила притяжения электрона к ядру атома минимально, что способствует легкому отрыву электрона от неё и перехода его к соседнему атому. В этом заключается суть движения электрических зарядов внутри вещества (проводника тока).
Когда мы подключаем к проводнику источник тока, прилаживая к его концам определенную разность потенциалов (электрическое напряжение), мы заставляем электроны упорядоченно двигаться с одного полюса источника энергии к другому.
Возникает электрический ток зарядов внутри проводника, его кристаллической решетки.
А теперь уж можно перейти к вопросу о электрическом сопротивлении тока, его сути. И так, при прохождении электрических зарядов внутри проводника электроном не приходится двигаться по прямой траектории, их движения скорей напоминает перескоки с одного атома на другой. Естественно, что при таком движении будет расходоваться некоторая энергия (на преодоление препятствий). Кроме этого стоит учесть, что атомы не стоят на месте, они имеют свое внутреннее хаотическое движение внутри кристаллической решетки вещества. А чем больше это движение (зависящие также от температуры, чем она выше, тем движение атомов интенсивнее), тем большее препятствие возникает перед перемещением зарядов. Именно это препятствие движению тока и называется электрическим сопротивлением.
Также существует такое понятие как сверхпроводимость. Это когда электрическое сопротивление тока приравнивается к нулю. Электрический ток бежит по проводнику без потерь.
Так сказать идеальный проводник. Этого эффекта можно достичь если определённые вещества довести до температуры абсолютного нуля (273 градуса по Цельсию). А как известно из физики, при сверхнизких температурах движения атома внутри кристаллической решетки вещества практически прекращается. На пути движения электронов, электрического тока заряженных частиц нет препятствий, что и дает эффект сверхпроводимости.
Электрическое сопротивление зависит от таких фундаментальных электрических величин как сила тока и напряжение. Все эти три электрические характеристики объединены общим законом, который называется закон Ома (сила тока равна напряжение деленное на сопротивление). Зависимость этой троицы следующая: чем больше сопротивление электрической цепи, тем меньше будет сила тока, при равном напряжении питания. Чем больше напряжение мы прилаживаем к цепи, тем больше сила тока будет протекать, при равном сопротивлении цепи. То есть, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, и наоборот.
У сопротивления тока имеется своя единица измерения, это Ом (1 килоом равен 1000 ом). 1 Ом равен 1 Вольт поделить на 1 Ампер.
Это мы разобрали суть электрического сопротивления тока, как физической величины. Но очень часто говоря о сопротивлении подразумевается конкретная материальная вещь, деталь, функциональный элемент. То есть, обычный электрический резистор называют сопротивлением, поскольку прямое назначение этой детали заключается именно в образовании электрического сопротивления в определенной части цепи. Электрическое сопротивление тока ещё бывает активным и реактивным. Активное сопротивление существует у всех резистивных элементах (проводники имеющие нагревательную способность). Реактивным сопротивлением обладают различные катушки и емкости. Но про это уже в другой теме.
P.S. У новичка может возникнуть такой закономерный вопрос. Зачем нужно специально ставить сопротивление в электрическую цепь, ведь его суть заключается в препятствии движению тока? Нужно, даже необходимо, Так же, как и наличие у машины тормозов.
Когда возникает необходимость снижению скорости или остановки без тормозов просто не обойтись. Примерно также, и в сфере электрики, электроники. В некоторых местах электрической цепи нужно наличие именно меньшего напряжения и тока, чем на входе источника питания, что и делает резистор (сопротивление).
определение, суть, единицы измерения и формулы для расчёта
Физика
12.11.21
15 мин.
Способность вещества пропускать электроток определяется его электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий им, в электротехнике называют резистором. Зависит значение физической величины от удельного коэффициента и размеров материала, а также строения тела. Для измерения параметра используют устройство, называемое омметром и работающим по принципу закона Ома.
Оглавление:
- Общие сведения
- Удельное сопротивление
- Суть закона Ома
- Решение задач
Общие сведения
Любое вещество состоит из элементарных частиц.
Они образуют ядра, которые связаны между собой силами взаимодействия. Вокруг центра по орбиталям вращаются электроны. Это частицы, которые являются носителями элементарного отрицательного заряда. Располагаются они на разных энергетических уровнях. При этом чем ближе электрон находится к ядру, тем сильнее его с ним связь.
В обычном состоянии, то есть когда на тело не оказывается внешнее воздействие, вещество находится в равновесном положении. Атом электрически нейтрален. Количество электронов совпадает с числом протонов (положительно заряженных частиц). Но если внешние условия изменятся, то носитель отрицательного заряда может получить дополнительную энергию и разорвать связь с ядром. Кроме этого, в теле из-за различных примесей или дефектов уже могут существовать частицы, не имеющие электрическую связь.
Независимые электроны получили название «свободные». Они хаотично перемещаются в структуре тела под действием теплового колебания. Их заряд компенсируется энергией ионной решётки.
Если же тело внести под действие электрического поля, то происходит перераспределение как положительных, так и отрицательных частиц. Возникают некомпенсированные заряды — электростатическая индукция. Если такое тело подключить к источнику электродвижущей силы и замкнуть цепь, то движение свободных электронов станет упорядоченным — потечёт электроток.
Из-за особенностей строения то или иное вещество обладает различным числом свободных электронов. В зависимости от их количества все материалы разделяют на три больших класса:
- диэлектрики — вещества, в которых нет свободных носителей заряда;
- полупроводники — тела, способные проводить электрический ток только при создании определённых условий, то есть сообщении извне нужной энергии для преодоления частицами потенциального барьера;
- проводники — характеризуются содержанием большого количества свободных электронов, которые могут участвовать в образовании тока.
Проводимость материала определяется не только количеством свободных носителей, но и его сопротивлением.
Суть этой величины заключается в способности вещества препятствовать прохождению тока. Природа же этого явления в том, что носители сталкиваются с молекулами, при этом теряя свою энергию, тем самым уменьшая электроток.
Удельное сопротивление
Проводимость принято в физике обозначать буквой G. Эта величина характеризует возможность тела или среды проводить электрический ток. По сути, она определяет возникновение электротока под воздействием электрического поля и является параметром, обратным сопротивлению.
Упорядочено движущиеся отрицательные носители, сталкиваясь с другими частицами, замедляют своё перемещение. Часть их энергии при этом рассеивается в виде тепла, что приводит к нагреванию проводника. Так как электроны для дальнейшего движения преодолевают некое препятствие, то говорят, что проводник, в котором происходит это явление, обладает электрическим сопротивлением.
Именно поэтому, если оно у тела небольшое, то при пропускании по нему электротока происходит слабый нагрев, если же велико — материал может даже раскалиться. Величина температуры, как подсказывает логика, должна зависеть не только от количества столкновений в теле, но и от физических размеров тела. Эксперименты, проводимые в XIX веке, позволили установить зависимость сопротивления проводника от его формы и размеров: R = p * (l / S), где:
- p — удельный коэффициент;
- l — длина проводника;
- S — площадь материала.
Удельный коэффициент является справочной величиной. Он показывает, при каких значениях однородное вещество длиной 1 м и площадью 1 м2 имеет сопротивление, равное один ом. Измеряется величина в [Ом * м].
Для сравнения удельную сопротивляемость наиболее распространённых проводников, измеренную при температуре 200С, можно привести в таблице.
| Название | Обозначение | Значение (10-8 Ом * м) |
| Алюминий | Al | 2,8 |
| Медь | Cu | 1,7 |
| Серебро | Ag | 1,6 |
| Никель | Ni | 42 |
| Ртуть | Hg | 96 |
| Платина | Pt | 10 |
| Вольфрам | W | 5,5 |
| Цинк | Zn | 0,6 |
Эксперименты также показали зависимость электрического сопротивления от температуры.
Объяснить это можно тем, что при её повышении увеличиваются колебания атомов в узлах кристаллической решётки. Это, в свою очередь, затрудняет возможность «просачивания» электронов по структуре без столкновений.
Кстати, это ещё одна особенность, отличающая проводники от диэлектриков. В последних с ростом температуры проводимость увеличивается из-за высвобождения свободных носителей. При достижении определённого значения происходит пробой, то есть резкое снижение сопротивления практически до нуля.
Суть закона Ома
В 1826 году немецкий физик и экспериментатор Георг Симон Ом выступил на собрании Лондонского королевского общества, предоставив результаты своего опыта. На основании его исследований после был сформулирован закон, названный его именем. Открытие физика позволило качественно пересмотреть явление электричества, лучше понять природу протекания тока.
В 1822 году Зеебек обнаружил зависимость силы тока от температуры, а также то, что при контакте двух различных веществ при их нагреве возникает разность потенциалов. Своё открытие он использовал для создания источника электродвижущей силы. Ом, заинтересовавшись устройством, начал проводить свои опыты над различными материалами.
Суть эксперимента учёного заключалась в следующем. Он взял несколько отрезков медной проволоки разной длины и, подключая их к источнику тока, оценивал величину электричества. В качестве измерительного приспособления использовались крутильные весы. Затем медь была заменена на латунь. На основании полученных результатов Ом построил график, где по оси игрек отложил обратную величину закручивания, а по координате икс — длину проволоки.
Как для первого, так и для второго материала график зависимости представлял собой прямую линию.
Таким образом, он предположил, что протекающий ток обратно пропорционально зависит от длины тела, то есть от сопротивления проводника.
Таким образом, он предположил, что протекающий ток обратно пропорционально зависит от длины тела, то есть от сопротивления проводника.На то время из-за недостаточности понимания процессов общество не могло оценить важность открытия. Некоторые учёные даже скептически воспринимали полученные результаты. Лишь только в 1835 году авторитетный французский физик Пулье смог подтвердить опытным путём исследования немецкого физика. После этого британское научное общество признало закономерность истинным природным явлением.
Современная же интерпретация закона Ома гласит: электроток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Формула его записи имеет вид: I = U / R. Из этого выражения можно найти сопротивление: R = U / I. В качестве единицы измерения величины взят ом, то есть отношение вольта к амперу: [Ом] = [В] / [А].
Определение Ома дало толчок в развитии электричества. Благодаря его закону появилась возможность управлять параметрами электроцепи, вводя в случае необходимости элементы с известным сопротивлением.
В электронике они даже получили своё название — резисторы. Это элементы, обладающие известным постоянным или переменным значением величины обратной проводимости.
Решение задач
Практические навыки позволяют не только закрепить теоретический материал, но и понять возможности его применения. Кроме этого, школьник учится самостоятельно анализировать заданные условия, работать со справочной литературой. Умение находить сопротивление особенно важно для тех, кто собирается работать в области электрики или электроники.
Вот некоторые из типовых заданий, рассчитанные на учащихся восьмых классов средней школы:
- Каково будет сопротивление платинового провода длиной 0,1 метр и площадью поперечного сечения 2 мм2. Из таблицы удельных коэффициентов можно взять значение p для Pt, оно составляет 0,1 Ом * мм2 / м. Для вычисления требуемой величины нужно воспользоваться правилом, согласно которому, сопротивление проводника прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. При этом она зависит и от вида материала. Таким образом, R = p * l / S = 0,1 [Ом * мм2 / м] * 0,1 [м] / 2 [мм2] = 0,005 Ом = 5 *10-3 Ом.
- В схеме последовательно с амперметром включён проводник, имеющий сопротивление, равное 1 кОм. При подключении к источнику тока показания прибора составили 593 мА. Определить напряжение на выводах проводника. Это простая задача на использование закона Ома: I = U / R. Из формулы следует, что напряжение можно найти как U = I * R. Перед тем как подставлять исходные данные в формулу, нужно размерность всех величин привести к стандарту СИ. Так, I = 593 мА = 0,593 A, а 10 кОм = 1 * 10
- Устройство для управления сопротивлением (реостат) изготовлен из цинковой проволоки длиной 50 метров. Её поперечное сечение равно одному квадратному метру. Вычислить напряжение на реостате, если по виткам проволоки проходит ток силой в 2,5 ампера. Для того чтобы определить разность потенциалов, нужно знать сопротивление. Вычислить его можно по формуле: R = p * l / S = (0,6 * 10-6 * 50) / 10-6 = 30 Ом. Отсюда: U = 2,5 [А] * 30 [Ом] = 75 [В].
При этом она зависит и от вида материала. Таким образом, R = p * l / S = 0,1 [Ом * мм2 / м] * 0,1 [м] / 2 [мм2] = 0,005 Ом = 5 *10-3 Ом.
Вычислить его можно по формуле: R = p * l / S = (0,6 * 10-6 * 50) / 10-6 = 30 Ом. Отсюда: U = 2,5 [А] * 30 [Ом] = 75 [В].Таким образом, решать задачи, связанные с электрическим сопротивлением, несложно. Нужно лишь знать несколько формул и понимать явления, которые происходят при появлении электротока. При этом нужно внимательно следить за размерностью подставляемых величин, переводя исходные данные в систему СИ.
БЛАНК ОТЧЁТА О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 9. — FINDOUT.SU
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Имя
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой
Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно — исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое
Нажимая кнопку «Продолжить», я принимаю политику конфиденциальности
«Определение температуры нити накаливания лампы»
Ф.
И.О. студента_____________________________
Группа_____________________________________
Дата_______________________________________
Преподаватель______________________________
Таблица 1. Характеристики лампы накаливания.
| Напряжение на зажимах лампы U, В | Сила тока I, А | Мощность потребляемая лампой Р, Вт | Сопротивление нити накала R, Ом | Температура накала нити t, °С |
Заключение.
Влияние температуры на сопротивление металлического проводника.
Работу выполнил студент Работу принял преподаватель
«_____»_____________20 «_____»______________ 20
______________________ _______________________
номер по журналу и подпись подпись
Лабораторная работа № 10
«Закон Ома для полной цепи. Определение ЭДС и внутреннего
Сопротивления источника тока»
Время на выполнение работы – 2 часа.
Место проведения – лаборатория № 22-04, корпус № 3.
Цель и задачи лабораторной работы № 10.
1.1. Цель работы.
— Научиться измерять ЭДС источника толка, определять внутреннее сопротивление источника тока, пользуясь законом Ома для всей цепи.
1.2. Задачи работы.
— Закрепление навыков сборки электрических цепей.
— Закрепление навыков пользования амперметром и вольтметром.
Содержание лабораторной работы № 10.
2.1. Теоретическая часть.
— Знакомство с расчетом ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока ( 10 мин.)
2.2. Практическая часть.
— Сборка схемы. Снятие показаний амперметра и вольтметра при различных положениях реостата ( 50 мин.)
— Заполнение бланка отчета и защита работы ( 30 мин.)
3. Оснащение лабораторной работы.
3.1. Оборудование.
3.1.1.Аккумулятор.
3.1.2.Миллиамперметр.
3.1.3.Вольтметр.
3.1.4.Реостат.
3.1.5.Ключ.
3.1.6.Соединительные провода.
7. Рекомендации студентам по выполнению лабораторной работы.
7.1. Условия и организация работы.
7.1.1. Выполнение работы предусматривает теоретическую и практическую часть.
Выполнение практической части предполагает наличие у студентов знаний о законе Ома для полной цепи, внешнем и внутреннем сопротивлении, ЭДС источника тока.
7.1.2. В теоретической части студенты проводят расчеты
— внешнего сопротивления цепи при трех положениях реостата по формуле
R = U / I
— внутреннего сопротивления цепи по данным трех измерений по формулам
r1 = (I2 R2 — I1 R1 ) / ( I1 — I2 )
r2 = (I3 R3 — I1 R1 ) / ( I1 — I3 )
r3 = (I3 R3 — I2 R2 ) / ( I2 — I3 )
— ЭДС источника тока по данным трех измерений по формулам
e1 = I1 (R1 + r1)
e2 = I2 (R2 + r2)
e3 = I3 (R3 + r3)
— среднего значения внутреннего сопротивления по формуле
rср = ( r1+ r2 + r3) / 3
— среднего значения ЭДС по формуле
eср = ( e1 + e2 + e3 ) / 3
— относительную погрешность методом среднего арифметического по формулам
D r1 = | rср — r1 | ;
D r2 = | rср — r2 | ;
D r3 = | rср — r3 | ;
D rср = ( D r1 + D r2 + D r3 ) / 3 ;
g = D rср / rср * 100 % ;
De1 = | eср — e1 | ;
De2 = | eср — e2 | ;
De3 = | eср — e3 | ;
Deср = ( De1 + De2 + De3 ) / 3 ;
g = Deср / eср * 100
7.
1.3. В практической части студенты
— Собирают электрическую цепь по схеме, представленной на рис.1.
— После проверки цепи преподавателем замыкают цепь и снимают показания амперметра и вольтметра при трех положениях ползунка реостата.
— Результаты измерений заносят в таблицу 1.
— Заполняют бланк отчета.
7.1.4. После заполнения бланка отчета студенты
— Отвечают на вопросы самоконтроля
— Предъявляют бланк отчета преподавателю.
7.2. Последовательность и технология выполнения работы
7.2.1. Собрать электрическую цепь по схеме, представленной на рис.1.
Рисунок 1.
7.2.2. После проверки цепи преподавателем замкнуть цепь и снять показания амперметра и вольтметра при трех положениях ползунка реостата.
7.2.3. Результаты измерений заносят в таблицу 1.
7.2.4. Рассчитать внешнее сопротивление цепи при трех положениях ползунка реостата.
7.2.5. Рассчитать внутреннее сопротивление цепи по данным трех измерений.
7.2.6. Рассчитать ЭДС источника тока по данным трех измерений.
7.2.7. Рассчитать среднее значение внутреннего сопротивления и ЭДС.
7.2.8. Найти относительные погрешности методом среднего арифметического.
7.2.9. Результаты вычислений занести в таблицу 1.
8. Вопросы для самоконтроля
8.1. Какова физическая сущность электрического сопротивления ?
8.2. Какова роль источника тока в электрической цепи ?
8.3. Каков физический смысл ЭДС ?
БЛАНК ОТЧЁТА О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 10.
«Закон Ома для полной цепи. Определение ЭДС
Учебник по физике: электрическое сопротивление
Электрон, путешествуя по проводам и нагрузкам внешней цепи, встречает сопротивление. Сопротивление — препятствие потоку заряда. Для электрона путешествие от терминала к терминалу не является прямым маршрутом. Скорее, это зигзагообразный путь, возникающий в результате бесчисленных столкновений с неподвижными атомами внутри проводящего материала.
Электроны встречают сопротивление — помеху их движению. В то время как разность электрических потенциалов, установленная между двумя клеммами поощряет движение заряда, это сопротивление, которое препятствует этому. Скорость, с которой заряд течет от клеммы к клемме, является результатом совместного действия этих двух величин.
Поток заряда по проводам часто сравнивают с потоком воды по трубам. Сопротивление потоку заряда в электрической цепи аналогично эффектам трения между водой и поверхностью трубы, а также сопротивлению, оказываемому препятствиями, присутствующими на его пути. Именно это сопротивление препятствует течению воды и снижает как скорость ее течения, так и ее дрейф скорость. Подобно сопротивлению потоку воды, на общее сопротивление потоку заряда внутри провода электрической цепи влияют некоторые четко определяемые переменные.
Во-первых, общая длина проводов влияет на величину сопротивления.
Чем длиннее провод, тем больше будет сопротивление. Существует прямая зависимость между величиной сопротивления, с которым сталкивается заряд, и длиной провода, по которому он должен пройти. Ведь если сопротивление возникает в результате столкновений носителей заряда с атомами провода, то в более длинном проводе столкновений, вероятно, будет больше. Больше столкновений означает большее сопротивление.
Во-вторых, площадь поперечного сечения проводов влияет на величину сопротивления. Более широкие провода имеют большую площадь поперечного сечения. Вода будет течь по более широкой трубе с большей скоростью, чем по узкой. Это может быть связано с меньшим сопротивлением, которое присутствует в более широкой трубе. Таким же образом, чем шире провод, тем меньше сопротивление будет потоку электрического заряда. Когда все остальные переменные одинаковы, заряд будет течь с большей скоростью по более широким проводам с большей площадью поперечного сечения, чем по более тонким проводам.
Третьей переменной, которая, как известно, влияет на сопротивление потоку заряда, является материал, из которого сделан провод.
Не все материалы созданы равными с точки зрения их проводящей способности. Некоторые материалы являются лучшими проводниками, чем другие, и оказывают меньшее сопротивление потоку заряда. Серебро — один из лучших проводников, но в проводах бытовых цепей его никогда не используют из-за его дороговизны. Медь и алюминий относятся к числу наименее дорогих материалов с подходящей электропроводностью, позволяющей использовать их в проводах бытовых цепей. Проводящая способность материала часто определяется его удельное сопротивление . Удельное сопротивление материала зависит от электронной структуры материала и его температуры. Для большинства (но не для всех) материалов удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры. В таблице ниже приведены значения удельного сопротивления для различных материалов при температуре 20 градусов Цельсия.
Материал | |
Серебро | |
Медь | |
Золото | |
Алюминий | |
Вольфрам | |
Железо | |
Платина | |
Свинец | |
Нихром | |
Углерод | |
Полистирол | |
Полиэтилен | |
Стекло | |
Твердая резина |
Как видно из таблицы, существует широкий диапазон значений удельного сопротивления для различных материалов.
Те материалы с более низким удельным сопротивлением оказывают меньшее сопротивление потоку заряда; они лучшие проводники. Материалы, показанные в последних четырех строках вышеприведенной таблицы, обладают таким высоким удельным сопротивлением, что их даже нельзя считать проводниками.
Используйте виджет Удельное сопротивление материала для поиска удельного сопротивления данного материала. Введите название материала и нажмите кнопку Submit , чтобы найти его удельное сопротивление.
Математическая природа сопротивления
Сопротивление — это числовая величина, которую можно измерить и выразить математически. Стандартной метрической единицей сопротивления является ом, обозначаемый греческой буквой омега — . Электрическое устройство, имеющее сопротивление 5 Ом, будет представлено как Р = 5 . Уравнение, представляющее зависимость сопротивления ( R ) проводника цилиндрической формы (например, провода) от переменных, влияющих на него, имеет вид
, где L представляет длину провода (в метрах), представляет собой площадь поперечного сечения провода (в метрах 2 ) и представляет собой удельное сопротивление материала (в ом•метрах).
В соответствии с обсуждением выше, это уравнение показывает, что сопротивление провода прямо пропорционально длине провода и обратно пропорционально площади поперечного сечения провода. Как показывает уравнение, зная длину, площадь поперечного сечения и материал, из которого сделан провод (и, следовательно, его удельное сопротивление), можно определить сопротивление провода.
Расследуй!
Резисторы являются одним из наиболее распространенных компонентов электрических цепей. На большинстве резисторов нарисованы полосы или полосы цветов. Цвета отображают информацию о значении сопротивления. Возможно, вы делаете лабораторную работу и вам нужно знать сопротивление резистора, используемого в лаборатории. Используйте виджет ниже, чтобы определить значение сопротивления по цветным полоскам.
1. Бытовые цепи часто подключаются проводами двух разных размеров: 12-го и 14-го калибра.
Проволока 12-го калибра имеет диаметр 1/12 дюйма, а проволока 14-го калибра имеет диаметр 1/14 дюйма. Таким образом, провод 12-го калибра имеет большее сечение, чем провод 14-го калибра. Цепь на 20 А, используемая для настенных розеток, должна быть подключена с использованием провода калибра 12, а цепь на 15 А, используемая для цепей освещения и вентиляторов, должна быть подключена с помощью провода калибра 14. Объясните физику такого электрического кода.
2. Основываясь на информации, изложенной в предыдущем вопросе, объясните риск, связанный с использованием провода 14-го калибра в цепи, которая будет использоваться для питания 16-амперной пилы.
3. Определите сопротивление 1-мильной медной проволоки 12-го калибра. Дано: 1 миля = 1609 метров и диаметр = 0,2117 см.
4. Два провода — А и В — круглого сечения имеют одинаковую длину и изготовлены из одного материала.
Тем не менее, провод А имеет в четыре раза большее сопротивление, чем провод В. Во сколько раз диаметр провода В больше диаметра провода А?
Следующий раздел:
Перейти к следующему уроку:
Электрическое сопротивление
Эта идея фокуса исследуется через:
- Противопоставление студенческих и научных взглядов
- Критические идеи обучения
- Педагогическая деятельность
Противопоставление студенческих и научных взглядов
Повседневный опыт студентов
Неудивительно, что студенты путают значения слов, используемых для разговоров об электричестве. Когда ученые впервые пытались понять электрические цепи, они использовали слова, уже имеющиеся в нашем языке, для понятий, которые они конструировали в своих объяснениях, т.е. «ток», «мощность». Но, конечно, значения этих слов, когда их использовали ученые, отличались от уже существовавших повседневных значений.
Позже слова, созданные учеными для таких понятий, как «напряжение», медленно перешли в повседневный язык и приобрели в нашей повседневной речи значения, отличные от точных значений, используемых учеными. Итак, как описано в обоих
Электрические цепи и
Что касается напряжения, различия между значениями слов в повседневном употреблении и их научным использованием очень часто являются источником значительной концептуальной путаницы для студентов, когда они изучают электричество.
Основная идея Введение в научный язык также исследует вопросы повседневного и научного использования языка.
С точки зрения языка научная идея «электрического сопротивления» представляет собой несколько иной случай по двум основным причинам.
Во-первых, учащиеся практически не задумываются об «электрическом сопротивлении» до того, как им официально представят ту или иную форму этой идеи. В тех редких случаях, когда учащиеся используют некоторое понятие, которое они называют «сопротивлением», для интерпретации повседневного опыта, это почти всегда будет сопровождаться их размышлениями об «электрическом токе» (и/или очень редко о каком-либо понятии «напряжение»).
Во-вторых, если у них и есть понятие сопротивления, оно обычно в целом согласуется с приемлемой научной точкой зрения — понятие «сопротивление», включающее форму «трения», которое каким-то образом влияет на «ток».
Некоторые студенты пытаются интерпретировать свой ограниченный опыт работы с электрическими цепями только с точки зрения электрического тока. Эти студенты интерпретируют высокий ток в цепи как означающий, что «ток течет легко» по цепи, а не как «низкое электрическое сопротивление» или каким-либо образом учитывают влияние напряжения в цепи.
Другая проблема (описанная в основной идее Электрические цепи), который также важен для понимания учащимися электрического сопротивления, часто называют «локальным рассуждением». То есть их размышления о том, что происходит в электрической цепи (с вопросами электрического сопротивления, а также тока), часто сосредоточены только на одной небольшой части цепи, полностью игнорируя все другие особенности цепи.
Учащиеся также часто думают, что если изменение внесено в одну часть электрической цепи, потребуется некоторое время, чтобы его эффект «переместился» по цепи, а не мгновенно повлиял на каждый компонент в цепи.
Исследования: Чой, Ли и Квон (2004 г.), Коэн, Эйлон и Ганиэль (1983 г.), Льежуа и Маллет (2002 г.), Райнер, Слотте, Чи и Резник (2000 г.), Шипстоун и Ганстоун (1985 г.) и Виар и Хантине-Ланглуа (2001).
Scientific view
Модели играют важную роль, помогая нам понять вещи, которые мы не видим, и поэтому они особенно полезны при попытке понять электрические цепи. Модели ценятся как за их объяснительную способность, так и за их предсказательную способность. Однако модели также имеют ограничения.
Модель, используемая сегодня учеными для электрических цепей, использует идею о том, что все вещества содержат электрически заряженные частицы (см.
Макроскопические и микроскопические свойства). Согласно этой модели электрические проводники, такие как металлы, содержат заряженные частицы, которые относительно легко могут перемещаться от атома к атому, тогда как в плохих проводниках, изоляторах, таких как керамика, заряженные частицы перемещаются гораздо труднее.
В научной модели электрический ток представляет собой общее движение заряженных частиц по непрерывному проводящему пути. Причиной этого движения обычно является источник энергии, такой как батарея, которая обеспечивает силу, необходимую для перемещения заряженных частиц. Электрический ток может возникнуть только тогда, когда существует полная проводящая «цепь», в которой заряженные частицы перемещаются от одного вывода батареи к другому (см. Электрические цепи), как показано стрелками, указывающими путь проводки на схеме ниже.
Заряженные частицы могут относительно легко проходить через материалы, являющиеся хорошими проводниками; относительно небольшая электрическая энергия необходима для создания этого движения заряда (тока) в таких материалах. С другой стороны, изоляторы требуют значительного количества электроэнергии для производства подобных токов. Свойство материалов, которое приводит к разнице в энергии, необходимой для создания одинаковых электрических токов, называется «электрическим сопротивлением» и измеряется в единице, называемой Ом.
Электрическое сопротивление различных материалов может сильно различаться; сопротивление наиболее распространенных проводящих материалов (металлов) изменяется при изменении их температуры.
Научная модель электрического сопротивления представляет собой движущиеся заряженные частицы, сталкивающиеся с частицами, составляющими структуру материала, через который проходит ток. Для поддержания тока необходим ввод энергии, потому что во время этих столкновений частиц энергия непрерывно преобразуется в тепло. Там, где природа материала такова, что столкновения происходят гораздо чаще, выделяется больше тепла и выше электрическое сопротивление.
Существуют некоторые электрические устройства, функционирование которых зависит от этого преобразования энергии, в первую очередь тепловентиляторы и световые шары (где нить накала шара должна раскаляться добела, чтобы в результате преобразования энергии возникал свет, а также тепло). Для этих устройств нам нужен материал со «средним» электрическим сопротивлением — достаточно низким, чтобы через материал проходил электрический ток соответствующего размера, и достаточно высоким, чтобы соответствующее количество энергии преобразовывалось в необходимую форму.
Когда мы подключаем такие устройства к электрическим цепям, мы стремимся к как можно меньшему преобразованию энергии (как можно меньшему сопротивлению) в проводах, по которым ток проходит к устройству и обратно, и чрезвычайно высокому сопротивлению для таких материалов, как пластиковая изоляция вокруг токопроводящих проводов, через которые не проходит ток.
«Сталкивающиеся частицы» или механическая модель сопротивления, описанная выше, полезна при рассмотрении токов в простых проводниках. Это бесполезно пытаться объяснить гораздо более сложное функционирование токов в люминесцентных лампах, светоизлучающих диодах (СИД) и многих сложных электронных компонентах. Все модели/метафоры/аналогии имеют свои ограничения. Для механической модели наиболее очевидным ограничением является то, что она предполагает, что все частицы по существу идентичны и ведут себя так же, как крошечные шарикоподшипники или шарики.
Важные идеи обучения
- Понятия электрического сопротивления и электрического тока тесно переплетены, и их необходимо преподавать одновременно.
- Электрическое сопротивление — это свойство материалов, в результате которого для поддержания электрического тока в материале требуется энергия. Все материалы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обладают электрическим сопротивлением; это сопротивление может сильно варьироваться.
- Различные материалы требуют разного количества энергии для получения эквивалентных токов. Материалы, которые требуют очень мало энергии для обеспечения протекания тока, называются проводниками; они имеют очень низкое электрическое сопротивление. Материалы, которым требуется много энергии для протекания тока, называются изоляторами; они имеют очень высокое электрическое сопротивление.
При проектировании электрических цепей, позволяющих нам использовать электрические устройства для преобразования электрической энергии, нам необходимы:
- материалы с как можно более низким электрическим сопротивлением для токопроводящих проводов
- материалы с как можно более высоким электрическим сопротивлением для частей цепи там, где необходима электрическая изоляция
- материалы с электрическим сопротивлением, которое не является ни очень низким, ни очень высоким для преобразователей энергии частей устройства, для которого предназначена схема.
Предложения в этой основной идее были написаны таким образом, что предполагалось, что сначала было введено понятие «электрический ток» (см. Электрические цепи), Дополнительные концепции и предложения затем тесно переплетаются с этими идеями.
Как и у обоих Электрические цепи и Разбираясь в напряжении, очень важно отметить, что использование количественных подходов для обучения этим идеям (например, с использованием закона Ома) часто будет препятствовать развитию концептуального понимания и развитию способности объяснять электрические явления.
Это связано с тем, что, когда основное внимание уделяется использованию формулы, представляющей закон Ома (V=IR), характер обучения учащихся совершенно не связан с какими-либо концепциями, которые представляют термины в формуле. Подход, который с гораздо большей вероятностью будет способствовать пониманию учащимися, — это качественный подход, основанный на использовании общих вопросов, таких как:
- Каковы здесь основные понятия?
- Как эти концепции могут быть использованы для объяснения некоторых простых электрических явлений?
- Что является подходящим описательным описанием того, как связаны понятия?
Исследуйте отношения между представлениями об электрическом токе, сопротивлении и напряжении в Карты развития концепции – Электричество и магнетизм
Преподавательская деятельность
Сбор фактов/данных для анализа
Предоставьте учащимся ряд готовых материалов для измерения электрического сопротивления с помощью лампочки, батареи и подключенных измерительных проводов, как показано здесь.
Эти предметы должны быть выбраны таким образом, чтобы предоставить учащимся две отдельные группы предметов для изучения: либо очень хорошие изоляторы, либо очень хорошие проводники. Цель состоит в том, чтобы учащиеся проверили каждый материал, используя свою лампочку и батарею, чтобы установить, горит лампочка или нет (т.е. сделать выводы, что материал является хорошим проводником или хорошим изолятором). Цель состоит в том, чтобы учащиеся увидели, что большинство металлов являются очень хорошими проводниками и что пластик и керамика широко используются в конструкции ручных электрических инструментов из-за их очень хороших изоляционных свойств.
Эти предметы могут включать: дерево, керамику, пластик, полистирол, резину, бумагу, стекло, медную проволоку, алюминиевую фольгу, железные/стальные гвозди, угольные/графитовые стержни*, латунные ключи и цинковые накладки.
*Графитовые стержни можно получить, заточив черный графитовый карандаш с обоих концов и подключив его к цепи с помощью зажимов типа «крокодил» (то, что мы называем «грифелем» в черном карандаше, на самом деле является графитом).
Обсудите с учащимися, почему материалы выбираются с учетом их изоляционных свойств. Вопросы для обсуждения могут включать:
- Почему электрики должны использовать деревянные или стеклопластиковые лестницы, а не алюминиевые?
- Почему токопроводящие провода покрыты изоляционным пластиком?
- Каким образом конструкция электрических ручных инструментов и фенов с пластмассовыми корпусами позволит избежать поражения электрическим током при возможной неисправности?
Альтернативный подход к этой задаче описан в виньетке, Выведите практический дизайн из ограниченной информации , которая выступает за использование меньшего количества указаний учителя, поощряя учащихся к более активному принятию решений.
Открытое обсуждение на основе общего опыта
Выберите вторую группу проводников, чтобы обеспечить диапазон электрических сопротивлений от высокого до низкого, чтобы учащиеся могли снова провести тестирование с батареей, лампой и тестовыми проводами (т.
е. яркость тестовой лампы будет варьироваться от от тусклого до яркого). Цель состоит в том, чтобы дать учащимся более сложную задачу сравнения относительного сопротивления каждого материала, чтобы они могли ранжировать их от плохих до очень хороших проводников. Эти элементы следует выбирать с осторожностью, чтобы они имели необходимое сопротивление для изменения яркости лампы и соответствовали напряжению используемой батареи. Не забудьте попробовать каждый из них, прежде чем давать их своим ученикам для тестирования.
Эти предметы могут включать: припой, свинцовую фольгу, нихром (включая различные куски нихромовой проволоки совершенно разной длины; стержневой радиаторный змеевик является отличным источником) и медную проволоку.
Предложите учащимся протестировать каждый образец и попытаться ранжировать их по шкале от высокого сопротивления (плохой проводник, тусклая лампочка) до низкого сопротивления (хороший проводник, яркая лампочка).
Практика использования научных моделей и формирование предполагаемой полезности научных моделей
Создайте простую физическую симуляцию, подобную приведенной ниже, или используйте одну из множества компьютерных симуляций (например, представленных на веб-сайте Interactive Simulations ниже), чтобы помочь учащимся понять модели электрического сопротивления «столкновение частиц».
- University of Colorado at Boulder Interactive Simulations
Простая физическая симуляция может состоять из мяча для настольного тенниса, катящегося по слегка наклонному столу с рядом препятствий (например, латунных гирь весом 50 г), установленных для замедления движения мяча. Ограничьте боковое движение мяча, разместив несколько предметов с каждой стороны стола. (например, измерительные линейки, поднятые на несколько грузов на каждом конце).
Скорость мяча вниз по склону можно изменить, изменив количество препятствующих грузов на пути мяча или наклон стола. Дополнительное размещение большего количества грузов увеличит количество отклонений, с которыми сталкивается мяч, и, следовательно, замедлит движение мяча по мере его скатывания по склону. Увеличенное количество столкновений моделирует материал с высоким сопротивлением и низкой проводимостью. После демонстрации и обсуждения этой симуляции со студентами попросите их подготовить список допущений, прогностических способностей и недостатков модели.
Затем их идеи могут быть представлены с использованием информационной таблицы, подобной приведенной ниже, в которой перечислены сильные и слабые стороны простого механического моделирования в точном моделировании электрического сопротивления.
| Механическая модель — сильные стороны | Механическая модель — слабые стороны |
|---|---|
Движение шара подобно протеканию электрического тока по проводнику. | Мяч и грузы не «нагреваются» больше, когда происходит большее количество «столкновений частиц». |
Чем больше число «столкновений частиц», тем медленнее ток («шар») движется по проводнику. | Все относительные размеры частиц неверны. |
Мы можем придать движущемуся мячу больше энергии и, следовательно, ускорить его движение, увеличив наклон стола. | Если имеется действительно большое количество препятствующих грузов, катящийся шар может застрять и не сможет двигаться. В электрическом токе скорость движущихся частиц в целом постоянна; изменения в токах связаны с изменениями в количестве движущихся частиц, а не в скорости, с которой они движутся. |
В качестве дополнительного задания попросите учащихся поработать в небольших группах над созданием плакатных диаграмм, которые помогут лучше понять работу модели «столкновения частиц». Предложите учащимся обсудить и нарисовать особенности, указанные в их таблице сильных и слабых сторон, которые повлияют на эффективность модели, например. относительный размер движущихся частиц по сравнению с неподвижными частицами, изменение количества движущихся частиц, изменение размеров длины пути или поперечного сечения. Предложите учащимся представить их своим сверстникам в малых группах для обсуждения.
Другую задачу, в которой также обсуждается использование аналогий с понятиями электрических цепей, см. виньетку. Использование бортовых журналов в 10 классе Электричество.
Способствовать осмыслению и уточнению существующих идей
Используя структуру POE (предсказать, наблюдать, объяснить), разбейте учащихся на группы по 2–3 человека (или более, если не хватает оборудования):
а) Соедините электрическую цепь, состоящую из батареи, лампочки и выключателя, так, чтобы ток в цепи протекал только по одному пути. Это называется последовательной цепью. Предложите учащимся наблюдать за горящим земным шаром, когда выключатель замкнут. | |
б) Сформировать прогноз одной группы о том, что произойдет с яркостью земного шара (в качественном отношении – увеличится, уменьшится, останется прежним), когда второй глобус будет соединен также последовательно с другими компонентами, один за другим. | |
в) Согласуйте и запишите наблюдение, что происходит с яркостью глобуса, когда второй глобус включается в цепь. | |
г) Напишите одно групповое объяснение своего наблюдения. | |
Теперь обсудите с классом модель сопротивления как возникающего в результате столкновений между движущимися зарядами и частицами в проводах, по которым движется ток (то есть модель электрического сопротивления «столкновение частиц»). Как введение второй лампочки повлияет на ток и яркость первой лампочки?
Предложите учащимся из их первоначальных групп переписать свои первоначальные объяснения POE, чтобы теперь они были основаны на модели сопротивления частиц.
Помощь учащимся в самостоятельной разработке некоторых «научных» объяснений
Предложите учащимся снова соединить первоначальную цепь батареи и одиночного светового шара и выключить.
Предложите учащимся наблюдать и записывать, что происходит с яркостью шара, когда ряд различных материалов соединяются (по одному за раз) таким образом, что ток имеет два возможных пути – либо через шар, либо через другой объект который добавляется (это называется параллельной схемой).
Например, на схеме показана вторая лампочка, подключенная к цепи с помощью зажимов типа «крокодил».
Возможные варианты материалов:
- еще один световой шар, как показано на схеме выше
- короткий кусок медного провода (который может быть частью цепи только при кратковременном замыкании выключателя!)
- a очень длинная катушка провода (предназначенная для добавления сопротивления в электрическую цепь)
- графит в карандаше (как уже отмечалось, заострите карандаш с обоих концов и используйте зажимы типа «крокодил» для подключения карандаша к цепи)
Для каждого материала учащиеся должны составить групповое объяснение своих наблюдений того, что происходит с яркостью земного шара при добавлении материала, с точки зрения модели сопротивления частиц.
Консолидация идей учащихся посредством обсуждения всем классом ряда полученных объяснений.
Предложите открытую проблему для изучения в игровой форме или путем решения задач
В качестве исследовательского задания в библиотеке/интернете предложите учащимся изучить природу и использование сверхпроводников с помощью структуры обучающей процедуры, называемой Что? И что? Что дальше? Студенты должны найти возможные ответы на следующие вопросы:
- Что? – Какие факты могут найти учащиеся в ответ на вопрос «Что такое сверхпроводники и для чего они нужны?»
- И что? – Для каждого факта, который учащиеся приводят в ответ на вопрос «Что?», они должны написать как можно больше следствий этого факта; серия ответов на вопрос «Ну и что?»
- Что дальше? – Для каждого факта, указанного в ответе на вопрос «Что?», и последствиях, приведенных в ответе на вопрос «И что?», учащиеся пишут, что может произойти или произойти в результате этого.
Предложите учащимся записать свои ответы в таблицу, например такую:
| ЧТО? | И ЧТО? | ЧТО ДАЛЬШЕ? |
|---|---|---|
Что такое сверхпроводники и для чего они? | Что из этого следует? | Что может произойти в результате этого? |
Сверхпроводники — это материалы, которые при достаточном охлаждении проводят электрический ток без какого-либо сопротивления. | Если в сверхпроводнике без сопротивления пустить ток, этот ток будет продолжать течь вечно без каких-либо затрат энергии. | Электрический ток можно было бы сохранить, просто начав ток в сверхпроводнике, а затем оставив его. |
Сопротивление и удельное сопротивление
Сопротивление и удельное сопротивление
Независимо от того, подчиняется ли материал закону Ома, его сопротивление можно описать с помощью объемного удельного сопротивления. Удельное сопротивление и, следовательно, сопротивление зависят от температуры. В значительных диапазонах температур эту температурную зависимость можно предсказать по температурному коэффициенту сопротивления.
| Индекс Цепи постоянного тока | |||||||
| Назад |
Хотя приведенное выше определение включает в себя постоянный ток и напряжение, то же самое определение справедливо и для применения резисторов на переменном токе. Ожидается, что электрическое сопротивление провода будет больше для более длинного провода, меньше для провода с большей площадью поперечного сечения и, как ожидается, будет зависеть от материала, из которого сделан провод. Фактором сопротивления, учитывающим природу материала, является удельное сопротивление. Хотя оно зависит от температуры, его можно использовать при заданной температуре для расчета сопротивления провода заданной геометрии. Следует отметить, что предполагается, что ток является однородным по всему поперечному сечению провода, что верно только для постоянного тока. Для переменного тока существует явление «скин-эффекта», при котором плотность тока максимальна при максимальном радиусе провода и падает для меньших радиусов внутри провода. На радиочастотах это становится основным фактором при проектировании, поскольку по внешней части провода или кабеля проходит большая часть тока. Обратная величина сопротивления называется проводимостью. Есть контексты, в которых использование проводимости более удобно. Электропроводность = σ = 1/ρ
| Индекс | ||||
| Назад |
Экспериментально зависимость от этих свойств является прямой для широкого диапазона условий, и сопротивление провода может быть выражено как
Экспериментально зависимость от этих свойств является прямой для широкого диапазона условий, и сопротивление провода может быть выражено как 9Ом-метры 
