Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 30. ЗАЛЕЖНІСТЬ ОПОРУ ПРОВІДНИКА ВІД ЙОГО ДОВЖИНИ, ПЛОЩІ ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ ТА МАТЕРІАЛУ. РЕОСТАТИ

Ви вже знаєте, що причиною електричного опору провідника є взаємодія вільних електронів з йонами кристалічних ґраток металу. Розглянемо тепер, від чого залежить опір провідника. Для цього проведемо такі досліди.

Дослід 1. В електричне коло (мал. 182) вмикатимемо по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, мають однаковий поперечний розріз, але різні довжини. Силу струму вимірюватимемо амперметром, а напругу - вольтметром.

Мал. 182

Провівши досліди, доходимо такого висновку: що довший провідник, то більший його електричний опір. Тобто, у довшому провіднику частинки, що рухаються напрямлено, зазнають на своєму шляху більшої протидії.

Дослід 2. Вмикатимемо в електричне коло по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, однакової довжини, але мають різні поперечні перерізи. Вимірявши силу струму в провідниках і напругу на їхніх кінцях, переконаємося: що товщий провідник, то менший його електричний опір. Збільшення товщини провідника рівнозначне «розширенню русла», яким рухаються заряди, тому й опір провідника зменшується.

Дослід 3. Тепер в електричне коло будемо по черзі вмикати провідники однакової довжини та площею поперечного перерізу, але виготовлені з різних речовин. У результаті виявимо, що електричний опір провідника залежить від того, з якої речовини його виготовлено. Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні структури, отже, гальмівна дія зіткнень йонів і вільних електронів виявляється різною.

Вищезгадану залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше встановив дослідним шляхом Георг Ом: опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу і залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.

Залежність опору провідника від речовини, з якої його виготовлено, характеризують спеціальним параметром - питомим опором речовини.

Питомий опір речовини — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

Якщо довжину провідника позначити літерою І, площу його поперечного перерізу - S, питомий опір - р, то опір провідника визначатиметься за такою формулою:

R = p.

Із цієї формули можна визначити питомий опір речовини:

p = .

Оскільки одиницею опору є 1 Ом, одиницею площі поперечного перерізу - 1 м2, одиницею довжини - 1 м, то одиницею питомого опору буде: 1 Ом ∙ 1 м2/1 м = 1 Ом ∙ м.

На практиці площу поперечного перерізу провідників зазвичай виражають у квадратних міліметрах, тому одиницею питомого опору речовини в цьому разі є 1 Ом ∙ мм2/м.

У таблиці 11 подано визначені експериментально значення питомого опору широко застосовуваних на практиці речовин.

Питомий електричний опір деяких речовин (t = 20 °С)

Таблиця 11

Речовина

р, Ом ∙ мм2

Речовина

р, Ом ∙ мм2

Речовина

р, Ом ∙ мм2

Срібло

0,016

Свинець

0,21

Ніхром

(сплав)

1,1

Мідь

0,017

Нікелін

(сплав)

0,40

Фехраль

(сплав)

1,3

Золото

0,024

Манганін

(сплав)

0,43

Графіт

13

Алюміній

0,028

Константан

(сплав)

0,50

Фарфор

(порцеляна)

1019

Вольфрам

0,050

Ртуть

0,96

Ебоніт

1020

Залізо

0,10

Як бачимо з таблиці 11, найкращими провідниками електрики є срібло, мідь, золото. Але для практичних потреб (наприклад, створення електромереж) провідники виготовляють з алюмінію, міді й заліза.

У нагрівальних елементах застосовують ніхромові й фехралеві провідники. Фарфор (порцеляна) та ебоніт є чудовими ізоляторами.

Бачимо, що для різних речовин значення питомого опору змінюються в дуже широких межах. Це пояснюється тим, що вони мають різну внутрішню будову.

На практиці часто доводиться змінювати силу струму в колі, роблячи її то більшою, то меншою. Наприклад, змінюючи силу струму в електроплитці, ми регулюємо температуру її нагрівання. Для регулювання сили струму в електричному колі застосовують спеціальні прилади - реостати. На малюнку 183 показано зовнішній вигляд реостатів (їх умовне позначення подано в таблиці 9, с. 107-108). Такі реостати називають повзунковими. У них на керамічний циліндр намотано дріт, покритий тонким шаром окалини, тому витки дроту ізольовані один від одного. Над обмоткою розміщено металевий стержень, уздовж якого може переміщуватися повзунок.

Мал. 183

Від тертя повзунка об витки шар окалини під контактами повзунка стирається, і електричний струм у колі проходить від витків дроту до повзунка, а крізь нього - у стержень, який має на кінці затискач. Реостат вмикають у коло за допомогою цього затискача й затискача, з’єднаного з одним з кінців обмотки й розміщеного на корпусі реостата. Переміщуючи повзунок по стержню, можна збільшувати або зменшувати опір увімкненого в коло реостата.

На малюнку 184 зображено реостат (а) і магазини опорів (б), за допомогою яких можна змінювати опір у колі не плавно, а стрибкоподібно.

Кожний реостат розрахований на певний опір і на певну допустиму силу струму, перевищувати яку не слід, тому що обмотка реостата можерозжаритися й перегоріти. Опір реостата і найбільше допустиме значення сили струму зазначено на корпусі реостата.

Мал. 184

Мал. 185

Для вимірювання опору провідників використовують прилади, які називають омметрами. Скористаємося одним з видів омметрів, які бувають різних конструкцій. Щоб виміряти опір провідника, приєднаємо до нього омметр (мал. 185). Цифровий індикатор приладу показує, що опір провідника дорівнює 0,64 Ом.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що характеризує електричний опір і як його позначають?

2. Від чого залежить опір провідника?

3. За якою формулою визначають опір провідника?

4. Що показує питомий опір? Якою літерою його позначають?

5. Які ви знаєте одиниці питомого опору?

6. Є два провідники. У якого з них більший опір, якщо вони:

а) мають однакову довжину і площу поперечного перерізу, але один з них виготовлено з константану, а другий - з фехралю;

б) виготовлені з однакової речовини, мають однакову товщину, але один з них удвічі довший;

в) виготовлені з однакової речовини, мають однакову довжину, але один з них удвічі тонший?

7. Провідники, розглянуті у запитанні 6, по черзі приєднують до одного й того самого джерела струму. У якому випадку сила струму буде більшою, а в якому - меншою? Порівняйте кожну пару розглянутих провідників.

8. Які конструкції реостатів ви знаєте? Для чого їх використовують?

Лабораторна робота № 3

Вимірювання опору провідника за допомогою амперметра і вольтметра

Мета роботи: навчитися вимірювати опір провідника за допомогою амперметра і вольтметра. Переконатися на дослідах, що опір провідника не залежить від сили струму в ньому і напруги на його кінцях.

Прилади і матеріали: джерело струму, досліджуваний провідник (ніхромова спіраль), амперметр, вольтметр, реостат, ключ, з’єднувальні проводи.

Xід роботи

1. Складіть електричне коло, з’єднавши послідовно джерело струму, амперметр, досліджуваний провідник (спіраль), реостат, ключ. До кінців спіралі приєднайте вольтметр (враховуйте знаки «+» і «-»).

2. Накресліть схему складеного електричного кола.

3. Виміряйте силу струму в колі і напругу на провіднику.

4. За допомогою реостата змініть опір кола й знову виміряйте силу струму в колі та напругу на провіднику.

5. Результати вимірювань запишіть у таблицю.

№ провідника

Сила струму І, А

Напруга U, B

Опір R, Ом

1

2

6. Користуючися законом Ома, обчисліть опір провідника за даними кожного окремого вимірювання.

7. Результати обчислень запишіть у таблицю. Порівняйте одержані результати.

Для допитливих

За даними роботи накресліть графік залежності сили струму в провіднику від напруги на її кінцях. Проаналізуйте графік. За графіком визначте опір провідника при будь-якому проміжному значенні сили струму.

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Опір котушки мідного дроту дорівнює 1,5 Ом. Опір другої котушки мідного дроту такого самого поперечного перерізу - 6 Ом. У скільки разів довжина дроту однієї котушки менша за іншу?

Відповідь: відомо, що опір провідника прямо пропорційний його довжині. Отже, що коротший мідний дріт, то менший його опір. Звідси випливає, що довжина мідного дроту в першій котушці в 4 рази менша, ніж у другій.

2. Реостат виготовлено з нікелінового дроту завдовжки 40 м і площею поперечного перерізу 0,5 мм2. Напруга на затискачах реостата становить 80 В. Визначте силу струму, що проходить крізь реостат.

Розв’язання

Силу струму визначимо за законом Ома:

I = .

Але нам невідомий опір нікелінового дроту.

Його визначимо за формулою R = p.

Питомий опір р дізнаємося з таблиці 11. Тоді сила струму визначати меться за формулою:

I = .

Підставивши значення, отримаємо:

І = 80 В ∙ 0,05 мм2 : (0,40 Ом ∙ мм2/м ∙ 40 м) = 0,25 А.

Відповідь: сила струму в реостаті дорівнює 0,25 А.

Рівень А

239. У скільки разів і як зміниться опір провідника, якщо його довжину збільшити в 5 разів?

240. Провід розрізали на три частини і сплели в один. У скільки разів змінився опір проводу? Збільшився він чи зменшився?

241. До будинку підведено кабель з мідними жилами загальним поперечним перерізом 100 мм2. Довжина кабеля дорівнює 80 м. Визначте його опір.

242. Визначте опір кожного кілометра мідного трамвайного проводу, поперечний переріз якого дорівнює 51 мм2.

243. Розгляньте будь-який реостат. Укажіть, на який опір і на яку допустиму силу струму він розрахований.

244. На реостаті написано «50 Ом; 0,2 А». Що це означає?

245. Потрібно виготовити реостат на 5 Ом з нікелінового дроту площею поперечного перерізу 0,2 мм2. Якої довжини дріт потрібен для цього?

246. Крізь моток ізольованого мідного дроту проходить струм 0,05 А при напрузі 8,5 В. Яка довжина дроту в мотку, якщо його поперечний переріз дорівнює 0,5 мм2?

Рівень Б

247. Учень установив на столі лампу від кишенькового ліхтарика. Батарею гальванічних елементів він розмістив на підлозі п ід столом і з’єднав її з лампою за допомогою двох тоненьких алюмінієвих провідників. Незважаючи на те, що батарея була новою, лампа світилася погано. Поясніть чому.

248. Крізь нікеліновий провідник завдовжки 5 м, поперечний переріз якого 0,12 мм2, проходить струм силою 1,5 А при напрузі 24 В. Визначте питомий опір нікеліну.

249. Опір провідника дорівнює 20 Ом. На скільки рівних частин треба його розрізати, щоб опір сплетених в один провід частин становив 5 Ом?

250. Реостат опором 30 Ом має 50 витків. На скільки збільшується опір у колі, якщо ввімкнути послідовно 15 витків реостата?

251. Для виготовлення спіралі електричного нагрівника, розрахованого на напругу 120 В і силу струму 5 А, використовується ніхромовий провідник поперечним перерізом 0,3 мм2. Визначте довжину цього провідника.

252. Скільки треба взяти метрів мідного дроту, поперечний переріз якого 2 мм2, щоб його опір був таким самим, як опір алюмінієвого дроту з поперечним перерізом 5 мм2 і завдовжки 17 м?

253. Який опір спіралі лампи в розжареному стані, якщо при напрузі 220 В сила струму в ній дорівнює 0,44 А?

254. Визначте масу мідного проводу, який потрібний для проведення повітряної лінії завдовжки 2 км, якщо її опір має дорівнювати 1,36 Ом.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити