Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 4. Електричний струм

ЧАСТИНА II. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

§ 33. Електричний опір. Залежність опору провідника від його довжини, площі поперечного перерізу та матеріалу

Думки вголос

Я вивчу нову для мене фізичну величину опір провідника, знатиму формулу для його розрахунку. Зможу пояснювати досліди і розв’язувати задачі.

На практиці в електричне коло вмикають різні споживачі електрики, виготовлені з різних металів і які можуть відрізнятися геометричними розмірами, тобто довжиною і площею поперечного перерізу. Досліди вказують, що в таких випадках за рівних напруг сила струму буде різною. Розглянемо один із таких дослідів.

Дослід 1. Приєднаємо лампу і амперметр до джерела струму (мал. 120). Переконаємось, що лампа світить яскраво.

Будемо послідовно з лампою включати металеві спіралі однакових розмірів: спершу залізну, потім — ніхромову (мал. 121). Яскравість лампи буде зменшуватись, сила струму теж зменшуватиметься.

Мал. 120. Лампу і амперметр приєднано до джерела струму

Мал. 121. Послідовне включення металевих пластин: а — лампа; б — лампа та залізна спіраль; в — лампа та ніхромова спіраль

У цьому досліді різні провідники по-різному впливають на силу струму. Іншими словами, різні провідники створюють струму різний опір (тобто ніхромовий провідник чинить проходженню електрики більший опір).

Дослід 2. Будемо вмикати в електричне коло провідники з одного металу, але різної довжини. Напругу в досліді підводимо однакову, вимірюємо її вольтметром. Але силу струму амперметр показує різну. Чим довший провідник, тим менша сила струму. Довший провідник чинить більший опір проходженню струму.

Дослід 3. Будемо вмикати в електричне коло провідники з одного металу, однакової довжини, але різної площі поперечного перерізу (один — тонкий провід, а другий — товщий). Напругу в досліді підводимо однакову, на що вказує вольтметр. Амперметр показує різну силу струму. Тонкий провідник чинить більший опір струму, ніж товщий.

Висновок із дослідів. За однакової напруги сила струму залежить від властивостей провідників, увімкнених в електричне коло. Різні провідники мають різний електричний опір.

Опір — це властивість провідника протидіяти опір струму, який ним проходить.

Електричний опір — фізична величина, яку позначають літерою R.

Об’єднуючи результати дослідів, маємо таку залежність: опір провідника прямо пропорційно залежить від його довжини і обернено пропорційно — від площі поперечного перерізу. Щоб врахувати залежність опору від матеріалу, треба знати питомий опір речовини (позначають р (ро)).

Питомий опір речовини — опір провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

Введемо позначення І — довжина провідника, S — площа поперечного перерізу.

Тоді опір провідника буде виражений формулою: R =p .

Таку залежність вперше на дослідах встановив німецький фізик Георг Ом. Із формули опору можна визначити довжину провідника І і площу поперечного перерізу S, через інші відомі величини:

Георг Симон Ом (1787-1854) — німецький фізик. Найвідоміші праці Ома стосувались питань проходження електричного струму через провідники й привели до формулювання закону Ома (зв’язок опору кола із силою струму в колі та електрорушійною силою джерела), який став основою всього сучасного вчення про електрику. Відкриття Ома, що дало можливість вперше кількісно розглянути явища електричного струму, мало і має величезне значення для науки. Ім’ям Ома названо одиницю електричного опору ом.

Опір провідника вимірюють в омах.

Георг Симон Ом

Із формули опору знайдемо питомий опір: р = і визначимо одиницю питомого опору в СІ:

= 1Ом ∙ м.

Практично площу поперечного перерізу зручно визначати в мм2, тоді одиницю питомого опору буде 1.

Значення питомого опору речовини заносять до таблиці (табл. 14), якою користуються при розв’язуванні задач, обов’язково вказуючи, за якої температури здійснювалось вимірювання.

Таблиця 14

Питомий опір деяких речовин, , (при t= 20 °С)

Речовина

р

Речовина

р

Речовина

р

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

1019

Вольфрам

0,055

Ртуть

0,96

Ебоніт

1020

Залізо

0,100

Наприклад, речовина алюміній за таблицею 14 має питомий опір: р = 0,028 .

Фізичний зміст цієї величини такий:

якщо у нас є алюмінієвий провід довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм2, то його опір буде 0,028 Ом.

Із всіх металів найменший питомий опір мають срібло і мідь, які і є найкращими провідниками електрики. Срібло і мідь — дорогі метали, тому для мережі електричних кіл використовують алюміній, залізо, іноді мідь. Коли необхідно мати прилади з великим опором, то виготовляють сплави, які мають питомий опір, набагато більший за опір чистих металів. Наприклад, ніхром — це сплав, який має питомий опір майже в 40 разів більший за алюміній.

Ізолятори (фарфор, ебоніт) мають дуже великий питомий опір, тому майже зовсім не проводять електрику.

Чому існує електричний опір?

Пояснення дає внутрішня будова речовини. У кристалічних ґратах металів йони коливаються і заважають спрямованому руху електронів. У різних речовинах електрони всі однакові, а атоми і йони — їх розмір, порядок і густина розміщення — різні. Тому різні речовини мають різний електричний опір.

Приклад розв’язування задач

Довжина мідного дроту, який використовують в освітлювальній мережі, — 100 м. Площа його поперечного перерізу — 2 мм2. Який електричний опір дроту?

Розв'язання

Питомий опір міді знаходимо в таблиці 14, тоді R = p.

Відповідь: R = 0,85 Ом.

Задача 2. Які площа поперечного перерізу та діаметр алюмінієвого провідника довжиною 0,5 км, якщо він має опір 7 Ом?

Розв'язання

Відомо, що опір провідника R = p.

Звідси отримуємо формулу для визначення площі поперечного перерізу провідника S = р .

З умови задачі

З математики відомо, що площа круга

звідки d =

Підставляємо знайдене значення S і визначаємо діаметр d провідника:

Відповідь: S = 2 мм2; d ≈ 1,6 мм.

Підсумки

• Властивість провідника протидіяти струму, який проходить ним, характеризується фізичною величиною, що називають електричний опір провідника (опір провідника).

• Опір провідника позначають літерою R, одиниця опору в СІ Ом (1 Ом).

• Опір металевого провідника залежить від його розмірів, матеріалу і температури:

R = p.

• р — питомий опір провідника — це величина, яка чисельно дорівнює опору провідника довжиною 1 м і поперечним перерізом 1 м2. Одиниця питомого опору в СІ є 1 Ом ∙ м.

Завдання

1. Довжина одного дроту 20 см, іншого — 1,6 м. Площа перерізу і матеріал дротів однакові. У якого дроту опір більший і у скільки разів?

2. Розрахуй опір провідників, виготовлених із: а) алюмінієвого дроту довжиною 80 см і площею поперечного перерізу 0,2 мм2; б) нікелінового дроту довжиною 400 см і площею поперечного перерізу 0,5 мм2; в) константанового дроту довжиною 50 см і площею поперечного перерізу 0,005 см2.

3. Якої довжини провідник із ніхрома треба взяти для виготовлення електричного нагрівача опором 30 Ом, якщо площа поперечного перерізу дроту 1 мм2? (Значення питомого опору ніхрому взяти з таблиці.)

4. В освітлювальній мережі будинку використали 100 м мідного дроту, опір якого 850 мОм. Яка площа поперечного перерізу цього дроту? (Значення питомого опору міді взяти з таблиці.)

5. В електронагрівачі нікеліновий дріт площею поперечного перерізу 1 мм2 замінюють ніхромовим дротом такої самої довжини. Якою має бути площа поперечного перерізу, щоб сила струму в нагрівачі залишилася попередньою?

6. Опір мідного дроту R = 1 Ом, його маса m = 1 кг. Яка довжина цього дроту? Яка площа його поперечного перерізу?





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