На сегодняшний день одной из важнейших характеристик любого материала является его электрическое сопротивление. Этот факт объясняется беспрецедентным в истории человечества распространением электрических машин, заставившим по-иному взглянуть на свойства окружающих материалов как искусственного, так и естественного происхождения. Понятие «электрическое сопротивление» стало таким же важным, как теплоемкость и пр. Оно применимо абсолютно ко всему, что нас окружает: вода, воздух, металл, даже вакуум.
Каждый современный человек должен иметь представление о данной характеристике материалов. На вопрос «что же такое электрическое сопротивление» можно ответить лишь в том случае, если известен смысл термина «электрический ток». С этого и начнем…
Материальным проявлением энергии является атом. Все состоит из них, соединенных в группы. Существующая в настоящее время физическая модель утверждает, что атом походит на уменьшенную модель звездной системы. В центре находится ядро, включающее в себя частицы двух типов: нейтроны и протоны. Протон несет электрический положительный заряд. На разных расстояниях от ядра по круговым орбитам вращаются другие частицы - электроны, несущие отрицательный заряд. Количество протонов всегда соответствует количеству электронов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Чем удаленнее от ядра находится орбита электрона (валентный), тем слабее сила притяжения, удерживающая его в структуре атоме.
В генерирующей ток машине магнитное поле высвобождает из орбит Так как в утратившего электрон, остается «лишний» протон, то сила притяжения «отрывает» другой валентный электрон из внешней орбиты соседнего атома. В процесс завлекается вся структура материала. В результате появляется движение заряженных частиц (атомов с положительным зарядом и свободных электронов с отрицательным), которое и называется электрическим током.
Материал, в структуре которого электроны внешних орбит могут легко покидать атом, называется проводником. Его электрическое сопротивление мало. Это группа металлов. Например, для производства проводов в основном используют алюминий и медь. По закону Ома электрическое представляет собой отношение созданного генератором напряжения к силе проходящего тока. Кстати, в "Омах".
Легко догадаться, что существуют материалы, в которых валентных электронов очень мало или атомы сильно удалены друг от друга (газ), поэтому их внутренняя структура не может обеспечить прохождение тока. Они носят название диэлектриков и используются для изолирования проводящих линий в электротехнике. Электрическое сопротивление в них очень высоко.
Всем известно, что мокрый диэлектрик начинает проводить электрический ток. В свете этого факта особый интерес приобретает вопрос «существует ли электрическое сопротивление воды». Ответ на него противоречивый: и да, и нет. Как уже указывалось ранее, если в материале валентных электронов практически нет, а сама структура состоит больше из пустоты, чем частиц (вспоминаем таблицу Менделеева и водород с единственным электроном на орбите), то в обычных условиях проводимость существовать не может. Под это описание идеально подходит вода: соединение двух газов, называемое нами жидкостью. И действительно, будучи полностью очищенной от растворенных примесей, она является очень хорошим диэлектриком. Но так как в природе в воде всегда присутствуют растворы солей, то обеспечивается именно ими. На ее уровень влияет насыщенность раствора и температура Вот поэтому однозначного ответа на вопрос быть не может, ведь вода бывает разной.
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.
Под электрическим сопротивлением понимается любое противодействие, которое обнаруживает ток при прохождении через замкнутый контур, ослабление или торможение свободного потока электрических зарядов.
Jpg?x15027" alt="Измерение сопротивления мультиметром" width="600" height="490">
Измерение сопротивления мультиметром
Физическое понятие сопротивления
Электроны при прохождении тока циркулируют в проводнике организованным образом в соответствии с сопротивлением, с которым они сталкиваются на своем пути. Чем меньше эта сопротивляемость, тем больше существующий порядок в микромире электронов. Но когда сопротивляемость высокая, они начинают сталкиваться друг с другом и выделять тепловую энергию. В связи с этим, температура проводника всегда немного повышается, на большую величину, чем выше электроны находят противодействия своему движению.
Используемые материалы
Все известные металлы обладают большей или меньшей устойчивостью к прохождению тока, включая лучшие проводники. Наименьшей сопротивляемостью обладают золото и серебро, но они дорогие, поэтому самый часто используемый материал – медь, имеющая высокую электропроводность. В меньших масштабах применяется алюминий.
Наибольшая устойчивость к прохождению тока у нихромной проволоки (сплав никеля (80%) и хрома (20%)). Она широко применяется в резисторах.
Другим широко используемым резисторным материалом является уголь. Из него фиксированные сопротивления и реостаты изготавливаются для использования в электронных схемах. Фиксированные резисторы и потенциометры применяются для регулирования значений тока и напряжения, например, при контроле громкости и тона аудиоусилителей.
Расчет сопротивлений
Для вычисления величины нагрузочного сопротивления формулу, выведенную из закона Ома, используют, как основную, если известны значения тока и напряжения:
Единицей измерения является Ом.
Для последовательного соединения резисторов общее сопротивление находится путем суммирования отдельных значений:
R = R1 + R2 + R3 + …..
При параллельном соединении используется выражение:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + …
А как найти электрическое сопротивление для провода, учитывая его параметры и материал изготовления? Для этого существует другая формула сопротивления:
R = ρ х l/S, где:
- l – длина провода,
- S – размеры его поперечного сечения,
- ρ – удельное объемное сопротивление материала провода.
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-1-600x417.png?.png 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-1-768x533..png 792w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Формула сопротивления
Геометрические размеры провода можно измерить. Но чтобы рассчитать сопротивление по этой формуле, надо знать коэффициент ρ.
Важно! Значения уд. объемного сопротивления уже рассчитаны для разных материалов и сведены в специальные таблицы.
Значение коэффициента позволяет сравнивать сопротивление разных типов проводников при заданной температуре в соответствии с их физическими свойствами без учета размеров. Это можно проиллюстрировать на примерах.
Пример расчета электросопротивления медного провода, длиной 500 м:
- Если размеры сечения провода неизвестны, можно замерить его диаметр штангенциркулем. Допустим, это 1,6 мм;
- При расчетах площади сечения используется формула:
Тогда S = 3,14 х (1,6/2)² = 2 мм²;
- По таблице нашли значение ρ для меди, равное 0,0172 Ом х м/мм²;
- Теперь электросопротивление рассчитываемого проводника будет:
R = ρ х l/S = 0,0172 х 500/2 = 4,3 Ом.
Другой пример – нихромовая проволока сечением 0,1 мм², длиной 1 м:
- Показатель ρ для нихрома – 1,1 Ом х м/мм²;
- R = ρ х l/S = 1,1 х 1/0,1 = 11 Ом.
На двух примерах наглядно видно, что нихромовая проволока метровой длины и сечением, в 20 раз меньшим, имеет электрическое сопротивление в 2,5 раза больше, чем 500 метров медного провода.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-6-768x381..jpg 960w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Удельное сопротивление некоторых металлов
Важно! На сопротивление оказывает влияние температура, с ростом которой оно увеличивается и, наоборот, уменьшается со снижением.
Импеданс
Импеданс – более общий термин сопротивления, который учитывает реактивную нагрузку. Расчет сопротивления в контуре переменного тока заключается в вычислении импеданса.
В то время, как резистор создает активное сопротивление для решения определенных задач, реактивная составляющая является неудачным побочным продуктом некоторых компонентов электроцепи.
Два типа реактивного сопротивления:
- Индуктивное. Создается катушками. Формула расчета:
X (L) = 2π x f x L, где:
- f – частота тока (Гц),
- L – индуктивность (Гн);
- Емкостное. Создается конденсаторами. Рассчитывается по формуле:
X (C) = 1/(2π x f x C),
где С – емкость (Ф).
Как и активный аналог, реактивное сопротивление выражается в омах и также ограничивает поток тока через контур. Если в цепи присутствует и емкость, и катушка индуктивности, то общее сопротивление равно:
X = X (L) – X (C).
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-3.jpg 622w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Активное, индуктивное и емкостное сопротивление
Важно! Из формул реактивной нагрузки следуют интересные особенности. С увеличением частоты переменного тока и индуктивности растет X (L). И, наоборот, чем выше частоты и емкость, тем меньше X (С).
Нахождение импеданса (Z ) не является простым складыванием активной и реактивной составляющих:
Z = √ (R² + X²).
Пример 1
Катушка в контуре с током промышленной частоты обладает активным сопротивлением 25 Ом и индуктивностью 0,7 Гн. Вычислить импеданс можно:
- X (L) = 2π x f x L = 2 х 3,14 х 50 х 0,7 = 218,45 Ом;
- Z = √ (R² + X (L)²) = √ (25² + 218,45²) = 219,9 Ом.
tg φ = X (L)/R = 218,45/25 = 8,7.
Угол φ примерно равен 83 градуса.
Пример 2
Имеется конденсатор емкостью 100 мкФ и внутренним сопротивлением 12 Ом. Вычислить импеданс можно:
- X (C) =1/(2π x f x C) = 1/ 2 х 3,14 х 50 х 0, 0001 = 31,8 Ом;
- Z = √ (R² + X (С)²) = √ (12² + 31,8²) = 34 Ом.
В интернете можно найти калькулятор онлайн для упрощения вычисления сопротивлений и импеданса всей электроцепи или ее участков. Там нужно просто вести свои расчетные данные и зафиксировать результаты расчета.
Видео
На рисунке 33 изображена электрическая цепь, в которую включена панель с разными проводниками. Эти проводники отличаются друг от друга материалом, а также длиной и площадью поперечного сечения. Подключая по очереди эти проводники и наблюдая за показаниями амперметра, можно заметить, что при одном и том же источнике тока сила тока в разных случаях оказывается различной. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения сила тока в нем становится меньше. Уменьшается она и при замене никелиновой проволоки проволокой такой же длины и сечения, но изготовленной из нихрома. Это означает, что разные проводники оказывают различное противодействие току. Противодействие это возникает из-за столкновений носителей тока со встречными частицами вещества.
Физическая величина, характеризующая противодействие, оказываемое проводником электрическому току, обозначается буквой R и называется электрическим сопротивлением (или просто сопротивлением ) проводника:
R - сопротивление.
Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который впервые ввел это понятие в физику. 1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А. При сопротивлении 2 Ом сила тока при том же напряжении будет в 2 раза меньше, при сопротивлении 3 Ом - в 3 раза меньше и т. д.
На практике встречаются и другие единицы сопротивления, например килоом (кОм) и мегаом (МОм):
1 кОм= 1000 Ом, 1 МОм= 1 000 ООО Ом.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения S и может быть найдено по формуле
R = ρl/S (12.1)
где ρ - удельное сопротивление вещества , из которого изготовлен проводник.
Удельное сопротивление вещества - это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.
Из формулы (12.1) следует, что
Так как в СИ единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади 1 м 2 , а единицей длины 1 м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет
1 Ом · м 2 /м, или 1 Ом · м.
На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (мм 2). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом·мм 2 /м. Так как 1 мм 2 = 0,000001 м 2 , то
1 Ом · мм 2 /м = 0,000001 Ом · м.
У разных веществ удельные сопротивления различны. Некоторые из них приведены в таблице 3.
Приведенные в этой таблице значения соответствуют температуре 20 °С. (С изменением температуры сопротивление вещества изменяется.) Например, удельное сопротивление железа равно 0,1 Ом · мм 2 /м. Это означает, что если изготовить из железа провод с площадью сечения 1 мм 2 и длиной 1 м, то при температуре 20 °С он будет обладать сопротивлением 0,1 Ом.
Из таблицы 3 видно, что наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. Значит, именно эти металлы являются наилучшими проводниками электричества.
Из той же таблицы видно, что, наоборот, такие вещества, как фарфор и эбонит, обладают очень большим удельным сопротивлением. Это и позволяет использовать их в качестве изоляторов.
1. Что характеризует и как обозначается электрическое сопротивление? 2. По какой формуле находится сопротивление проводника? 3. Как называется единица сопротивления? 4. Что показывает удельное сопротивление? Какой буквой оно обозначается? 5. В каких единицах измеряют удельное сопротивление? 6. Имеются два проводника. У какого из них больше сопротивление, если они: а) имеют одинаковую длину и площадь сечения, но один из них сделан из константана, а другой - из фехраля; б) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую толщину, но один из них в 2 раза длиннее другого; в) сделаны из одного и того же вещества, имеют одинаковую длину, но один из них в 2 раза тоньше другого? 7. Проводники, рассматриваемые в предыдущем вопросе, поочередно подключают к одному и тому же источнику тока. В каком случае сила тока будет больше, в каком меньше? Проведите сравнение для каждой пары рассматриваемых проводников.
— электротехническая величина, которая характеризует свойство материала препятствовать протеканию электрического тока. В зависимости от вида материала, сопротивление может стремиться к нулю — быть минимальным (мили/микро омы — проводники, металлы), или быть очень большим (гига омы — изоляция, диэлектрики). Величина обратная электрическому сопротивлению — это .
Единица измерения электрического сопротивления — Ом . Обозначается буквой R. Зависимость сопротивления от тока и в замкнутой цепи определяется .
Омметр — прибор для прямого измерения сопротивления цепи. В зависимости от диапазона измеряемой величины, подразделяются на гигаомметры (для больших сопротивление — при измерении изоляции), и на микро/милиомметры (для маленьких сопротивлений — при измерении переходных сопротивлений контактов, обмоток двигателей и др.).
Существует большое разнообразие омметров по конструктиву разных производителей, от электромеханических до микроэлектронных. Стоит отметить, что классический омметр измеряет активную часть сопротивления (так называемые омики).
Любое сопротивление (металл или полупроводник) в цепи переменного токаимеет активную и реактивную составляющую. Сумма активного и реактивного сопротивления составляют полное сопротивление цепи переменного тока и вычисляется по формуле:
где, Z — полное сопротивление цепи переменного тока;
R — активное сопротивление цепи переменного тока;
Xc — емкостное реактивное сопротивление цепи переменного тока;
(С- емкость, w — угловая скорость переменного тока)
Xl — индуктивное реактивное сопротивление цепи переменного тока; 
(L- индуктивность, w — угловая скорость переменного тока).
Активное сопротивление — это часть полного сопротивления электрической цепи, энергия которого полностью преобразуется в другие виды энергии (механическую, химическую, тепловую). Отличительным свойством активной составляющей — полное потребление всей электроэнергии (в сеть обратно в сеть энергия не возвращается), а реактивное сопротивление возвращает часть энергии обратно в сеть (отрицательное свойство реактивной составляющей).
Физический смысл активного сопротивления
Каждая среда, где проходят электрические заряды, создаёт на их пути препятствия (считается, что это узлы кристаллической решётки), в которые они как-бы ударяются и теряют свою энергию, которая выделяется в виде тепла.
Таким образом, происходит падение (потеря электрической энергии), часть которого теряется из-за внутреннего сопротивления проводящей среды.
Численную величину, характеризующую способность материала препятствовать прохождению зарядов и называют сопротивлением. Измеряется оно в Омах (Ом) и является обратно пропорциональной электропроводности величиной.
Разные элементы периодической системы Менделеева имеют различные удельные электрические сопротивления (р), например, наименьшим уд. сопротивлением обладают серебро (0,016 Ом*мм2/м), медь (0,0175 Ом*мм2/м), золото (0,023) и алюминий (0,029). Именно они применяются в промышленности в качестве основных материалов, на которых строится вся электротехника и энергетика. Диэлектрики, напротив, обладают высоким уд. сопротивлением и используются для изоляции.
Сопротивление проводящей среды может значительно изменяться в зависимости от сечения, температуры, величины и частоты тока. К тому же, разные среды обладают различными носителями зарядов (свободные электроны в металлах, ионы в электролитах, «дырки» в полупроводниках), которые являются определяющими факторами сопротивления.
Физический смысл реактивного сопротивления
В катушках и конденсаторах при подаче происходит накопление энергии в виде магнитных и электрических полей, что требует некоторого времени.
Магнитные поля в сетях переменного тока изменяются вслед за меняющимся направлением движения зарядов, при этом оказывая дополнительное сопротивление.
Кроме того, возникает устойчивый сдвиг фаз и силы тока, а это приводит к дополнительным потерям электроэнергии.
Удельное сопротивление
Как узнать сопротивление материала, если по нему не течет и у нас нет омметра? Для это существует специальная величина —удельное электрическое сопротивление материало в
(это табличные значения, которые определены опытным путем для большинства металлов). С помощью этого значения и физических величин материала, мы можем вычислить сопротивление по формуле:
где,p — удельное сопротивление (единицы измерения ом*м/мм 2);
l — длина проводника (м);
S — поперечное сечение (мм 2).
