Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 40 Електричний опір металевих провідників. Питомий опір

Ви дізнаєтесь

- Що таке питомий опір

Пригадайте

- Закон Ома

- Що таке електричний опір

Електричний опір металевих провідників. Опір металів зумовлений взаємодією електронів, що рухаються в провіднику, з йонами кристалічної ґратки. У процесі взаємодії електрони втрачають частину енергії, яку вони отримують в електричному полі. Ця енергія перетворюється у внутрішню енергію. Відповідно, в результаті проходження електричного струму металевий провідник нагрівається. Дослідимо, як залежить електричний опір металевих провідників від їхньої довжини, площі поперечного перерізу, а також від речовини, з якої вони виготовлені.

Для встановлення цієї залежності проведемо низку дослідів.

Складемо електричне коло, у якому послідовно з’єднані джерело струму, амперметр і демонстраційна панель, на якій закріплені провідники (мал. 158). Два з них виготовлені з ніхрому й мають однакову довжину, але різну площу поперечного перерізу. Третій виготовлений зі сталі й має таку саму довжину, як інші провідники, та площу поперечного перерізу, як у другого провідника з ніхрому. Прилад сконструйовано таким чином, що можна включати в електричне коло як увесь провідник (контакти з лівого боку панелі), так і його половину (один контакт із лівого боку панелі, а інший — із правого).

Будемо спочатку включати в електричне коло весь провідник і спостерігати за показаннями амперметра, а потім його половину. Помітимо, що незалежно від речовини, з якої виготовлено провідник, та площі поперечного перерізу струм при включенні всього провідника вдвічі менший, ніж при включенні половини провідника. Тобто опір усього провідника вдвічі більший, ніж його половини. Це пояснюється тим, що чим більшою є довжина провідника (l), тим більше йонів металу, з якими стикаються електрони, що впорядковано рухаються, а отже більшим буде електричний опір.

Мал. 158. Дослід для визначення залежності опору металевого провідника від його довжини, площі поперечного перерізу та від речовини, з якої він виготовлений

Опір провідника прямо пропорційний його довжині: R ~ І.

Повторимо дослід, звертаючи увагу на покази амперметра в разі включення провідників з ніхрому однакової довжини, але різної площі поперечного перерізу. Помітимо, що якщо включено провідник із більшою площею поперечного перерізу, амперметр показує більшу силу струму. Оскільки напруга є однаковою, а сила струму в провіднику з більшою площею поперечного перерізу більша, то опір такого провідника буде меншим.

Пояснюється це тим, що чим більшим є поперечний переріз провідника (S), тим більше проміжків між йонами, через які безперешкодно можуть рухатися впорядковані електрони, а отже меншим буде електричний опір.

Опір провідника обернено пропорційний площі його поперечного перерізу: R ~ .

Проведемо дослід, звертаючи увагу на показання амперметра в разі включення в електричне коло за тієї самої напруги провідників з ніхрому та сталі, які мають однакову довжину й площу поперечного перерізу. Помітимо, що величина сили струму відрізнятиметься.

Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні структури, отже, гальмівна дія, що викликана зіткненнями йонів і вільних електронів, виявляється різною.

Опір провідника залежить від речовини, з якої його виготовлено.

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

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

Позначається літерою р (читається «ро»). Одиницею питомого опору в CI є ом ∙ м.

1 Ом ∙ м — це питомий опір провідника довжиною 1 м та площею поперечного перерізу 1 м2, що має опір 1 Ом:

Оскільки площа поперечного перерізу провідника невелика (наприклад, поперечний переріз провідників електричної мережі у квартирі становить 2,5 мм2), то її найчастіше виражають у мм2 і користуються такою

одиницею питомого опору:

Різні речовини мають різні питомі опори. У таблиці (на форзаці) наведено питомі опори деяких речовин і сплавів за температури 20 °С (оскільки опір провідників залежить від температури).

Під час проходження електричного струму по металевому провіднику він нагрівається. З підвищенням температури розмах коливань йонів зростає і частішими стають їхні співудари з електронами. Тому опір металів збільшується з підвищенням температури.

Як видно з таблиці на форзаці підручника, метали (срібло, мідь, свинець, алюміній) мають порівняно невеликий питомий опір. Для провідників в електричних колах використовують дроти з міді, алюмінію.

В електричних лампах розжарювання, електронагрівальних приладах найчастіше використовують сплави з великим питомим опором (нікелін, ніхром, фехраль).

Формула для визначення опору металевого провідника. Залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше за результатами дослідів установив Георг Ом. Він дійшов висновку, що опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу і залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.

Формулу для розрахунку опору провідника записують у вигляді:

R = p ∙ ,

де R — опір провідника; І — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; р — питомий опір речовини провідника.

Підбиваємо підсумки

- Опір металевого провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу й залежить від

речовини, з якої виготовлено провідник: R = p ∙ , де R — опір провідника; l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; р — питомий опір речовини провідника.

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

Я знаю, вмію й розумію

1. Від чого залежить опір металевого провідника?

2. За якою формулою визначають опір провідника?

3. Що показує питомий опір?

ПОЯСНІТЬ

Один із двох провідників з однаковою площею поперечного перерізу, виготовлених з одного й того самого матеріалу, вдвічі коротший від другого. Який із провідників має більший електричний опір й у скільки разів?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Обмотку реостата виготовлено з нікелінового дроту довжиною 50 м і площею поперечного перерізу 0,5 мм2. Напруга на затискачах реостата становить 40 В. Чому дорівнює сила струму, що проходить крізь реостат?

Розв’язання:

Силу струму визначимо за законом Ома: I = .

Опір нікелінового дроту визначимо за формулою R = р ∙ . Тоді сила струму визначатиметься за формулою: I = .

Підставивши значення, отримаємо:

Відповідь: сила струму в реостаті дорівнює 1 А.

Вправа 18

1. Обчисліть опір залізного дроту завдовжки 1 м, якщо його поперечний переріз 10 мм2.

2. Опір мідного дроту завдовжки 90 м дорівнює 2 Ом. Визначте площу поперечного перерізу дроту.

3. Електричне коло містить дві ділянки з мідного дроту, що мають однакову довжину, але різну площу перерізу: 1,6 мм2 і 0,8 мм2. Яка ділянка має менший опір і в скільки разів?

4. Визначте, скільки метрів нікелінового дроту перерізом 0,1 мм2 потрібно для виготовлення реостата опором 180 Ом.

5. Визначте масу мідного дроту, довжина якого 2 км й опір 8,5 Ом. Густина міді 8,9 г/см3.

6. До будинку прокладено кабель із мідними жилами загальним перерізом 100 мм2. Довжина кабелю дорівнює 80 м. Який його опір?

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

8. Крізь нікеліновий провідник довжиною 5 м і поперечним перерізом 0,12 мм2 протікає струм силою 1,5 А за напруги 24 В. Визначте питомий опір нікеліну.

9. Скільки треба взяти метрів мідного дроту перерізом 3 мм2, щоб його опір був таким самим, як опір алюмінієвого дроту перерізом 4 мм2 і довжиною 15 м?





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