Фізика сповнена понять, які важко уявити. Яскравий приклад цього — тема про електрику. Майже всі зустрічаються там явища і терміни складно побачити або уявити.
Що таке електричний опір? Звідки воно з’являється? Чому виникає напруга? І чому струму є сила? Питань безліч. Варто розібратися у всьому по порядку. І почати добре б з опору.
Що відбувається в провіднику, коли з нього йде струм?
Бувають ситуації, коли матеріал, який володіє проводить здатністю, опиняється між двома полюсами електричного поля: позитивним і негативним. І тоді за нею йде електричний струм. Це проявляється в тому, що вільні електрони починають спрямований рух. Оскільки вони мають негативний заряд, то їх переміщення здійснюється в одну сторону – до плюса. Цікаво, що за напрям електричного струму прийнято вказувати інше – від плюса до мінуса.
Під час руху електрони вдаряються про атоми речовини і передають їм частину своєї енергії. Цим пояснюється те, що включений в мережу провідник нагрівається. А самі електрони уповільнюють свій рух. Але електричне поле їх знову прискорює, тому вони знову спрямовуються до плюса. Цей процес відбувається нескінченно, поки навколо провідника є електричне поле. Виходить, що саме електрони зазнають опір електричного струму. Тобто чим більше перешкод вони зустрічають, тим вище значення цієї величини.
Що таке електричний опір?
Їй можна дати визначення, виходячи з двох позицій. Перша пов’язана з формулою для закону Ома. І звучить воно так: електричне опір — це фізична величина, яка визначається як відношення напруги в провіднику до сили струму, що протікає в ньому. Математична запис наведена трохи нижче.
Друга ґрунтується на властивості тіла. Електричний опір провідника — це фізична величина, яка вказує на властивість тіла перетворювати енергію електрики в тепло. Обидва ці твердження вірні. Тільки в шкільному курсі найчастіше зупиняються на запам’ятовуванні першого. Позначається вивчається величина буквою R. Одиниці, в яких вимірюється електричний опір, Ом.
За якими формулами його можна знайти?
Найвідоміша випливає із закону Ома для ділянки ланцюга. Вона об’єднує електричний струм, напруга, опір. Виглядає так:
Це формула під номером 1.
Друга враховує те, що опір залежить від параметрів провідника:
Ця формула має номер 2. В ній введені такі позначення:
ВеличинаБукваЕдиницы измеренияУдельное опір
?
Ом * м
Довжина проводникаlмПлощадь, яку має поперечний сечениеSм2
Питомий електричний опір — це фізична величина, яка дорівнює опору матеріалу довжиною 1 м і площею перерізу 1 м2.
В таблиці вказана системна одиниця вимірювання питомого опору. У реальних ситуаціях не буває такого, щоб перетин вимірювалося у квадратних метрах. Майже завжди це квадратні міліметри. Тому і питомий електричний опір зручніше брати в Ом * мм2 / м, а площа підставляти в мм2.
Від чого і як залежить опір?
По-перше, від речовини, з якої виготовлено провідник. Чим більше значення, яке має питомий електричний опір, тим гірше він буде проводити струм.
По-друге, від довжини проводу. І тут залежність пряма. Із збільшенням довжини опір зростає.
По-третє, від товщини. Чим товще провідник, тим менше у нього опір.
І нарешті, по-четверте, від температури провідника. І тут все не так однозначно. Якщо мова йде про метали, їх електричний опір зростає по мірі нагрівання. Виняток становлять деякі спеціальні сплави – їх опір практично не змінюється при нагріванні. До них відносяться: константан, нікелін і манганін. Коли ж нагріваються рідини, то їх опір зменшується.
Які існують резистори?
Це елемент, який включається в електричний ланцюг. Він має цілком конкретне опір. Саме це і використовується в схемах. Прийнято розділяти резистори на два види: постійні і змінні. Їх назва пов’язана з тим, чи можна змінити їх опір. Перші — постійні — не дозволяють яким-небудь чином змінити номінальне значення опору. Воно залишається незмінним. Другі — змінні — дають можливість виробляти регулювання, змінюючи опір залежно від потреб конкретної схеми. В радіоелектроніці виділяють ще один вид — підстроювальні. Їх опір змінюється тільки в той момент, коли потрібно налаштувати прилад, а потім залишається постійним.
Як на схемах виглядає резистор?
Прямокутник з двома виходами з вузьких його сторін. Це постійний резистор. Якщо з третьої сторони до нього пририсована стрілка, то він вже змінний. До того ж на схемах ще підписується та електричне опір резистора. Прямо всередині цього прямокутника. Зазвичай просто цифри або з найменуванням, якщо вони дуже великі.
Для чого існує ізоляція і навіщо її потрібно вимірювати?
Її призначення – забезпечення електричної безпеки. Електричне опір ізоляції є головною характеристикою. Воно не дозволяє протікати через тіло людини небезпечного значенням струму.
Виділяють чотири види ізоляції:
- робоча – її призначення в тому, щоб забезпечити нормальне функціонування устаткування, тому вона не завжди володіє достатнім рівнем захисту людини;
- додаткова є доповненням до першого виду і захищає людей;
- подвійна об’єднує два перших види ізоляції;
- посилена, яка являє собою вдосконалений вид робочого, вона так само надійна, як додаткова.
Всі пристрої, які мають побутове призначення, зобов’язані бути обладнані подвійною або посиленою ізоляцією. Причому вона повинна володіти такими характеристиками, щоб витримувати будь-які механічні, електричні і теплові навантаження.
З плином часу ізоляція старіє, і її параметри погіршуються. Цим пояснюється те, що вона вимагає регулярного профілактичного огляду. Його метою є усунення дефектів, а також вимірювання активного опору. Для цього використовується спеціальний прилад — мегаомметр.
Приклади завдань з рішеннями
Умова 1: вимагається визначити електричний опір залізної дроту, який має довжину, рівну 200 м, площа поперечного перерізу в 5 мм2.
Рішення. Потрібно скористатися другою формулою. В ній невідомо тільки питомий опір. Але його можна подивитися в таблиці. Воно одно 0,098 Ом * мм / м2. Тепер потрібно тільки підставити значення у формулу і порахувати:
R = 0,098 * 200 / 5 = 3,92 Ом.
Відповідь: опір приблизно дорівнює 4 Ом.
Умова 2: обчислити електричний опір провідника, виготовленого з алюмінію, якщо його довжина дорівнює 2 км, а площа перерізу — 2,5 мм2.
Рішення. Аналогічно першої задачі, питомий опір — 0,028 Ом * мм / м2. Щоб отримати вірну відповідь, потрібно перевести кілометри в метри: 2 км = 2000 м. Тепер можна вважати:
R = 0,028 * 2000 / 2,5 = 22,4 Ом.
Відповідь: R = 22,4 Ом.
Умова 3: якої довжини потрібно дріт, якщо її опір повинне бути дорівнює 30 Ом? Відома площа її перерізу — 0,2 мм2, і матеріал — нікелін.
Рішення. З тієї ж формули опору можна отримати вираз для довжини дроту:
l = (R * S) / ?. Відомо все, крім питомої опору, який потрібно взяти з таблиці: 0,45 Ом * мм2 / м. Після підстановки і розрахунків виходить, що l = 13,33 м.
Відповідь: приблизне значення довжини дорівнює 13 м.
Умова 4: визначити матеріал, з якого виготовлений резистор, якщо його довжина дорівнює 40 м, опір — 16 Ом, перетин — 0,5 мм2.
Рішення. Аналогічно третьої задачі, виражається формула для питомого опору:
? = (R * S) / l. Підстановка значень і розрахунки дають такий результат: ? = 0,2 Ом * мм2 / м. Дане значення питомого опору характерно для свинцю.
Відповідь: свинець.
