Электрическое сопротивление — расчет, единица измерения и резисторы

Для понимания закона Ома следует начинать с самого определения каждой величины в формуле. Важную роль здесь играет сопротивление, ведь разные материалы по-разному проводят через себя ток и чем больше будет сопротивляться проводник, тем выше будет напряжение. Подробнее об определении и формуле можно узнать в статье.

Что такое электрическое сопротивление

Эксперименты для изучения проводимости различных веществ проводили многие ученые. Исторически именно опыты немецкого ученого Георга Симона Ома (1789–1854 гг.) увенчались успехом и оставили след на дальнейшем развитии физики. С помощью своих экспериментов он смог доказать один из основных законов современной физики в электрической цепи и в 1826 году вывел всем известный закон Ома.

Георг Симон Ом
Георг Симон Ом

В своих опытах ученый использовал источник тока, разные проводники, а также прибор, способный зарегистрировать силу тока. Меняя проводники между собой, он подтвердил свою теорию о том, что если напряжение увеличивалось, то и сила тока вырастала. Помимо этого, он обнаружил, что выбранные проводники при увеличении напряжения проявляли себя по-разному.

Зависимости значений друг от друга можно изобразить на графике:

График зависимости тока и напряжения
График зависимости тока и напряжения

Два графика в системе координат показывают, что в различных цепях сила тока может возрастать с различной скоростью по мере увеличения напряжения.

Главный вывод ученого гласил, что разные проводники имеют разные свойства проводимости. Именно поэтому было введено понятие электрического сопротивления.

Определение:

Электрическое сопротивление — это величина, характеризующая способность электрической цепи или проводника препятствовать прохождению сквозь него электрического тока.

Сопротивление также определяется как коэффициент пропорциональности между напряжением и силой постоянного тока в законе Ома.

Ниже представлена схема, которую Георг Ом использовал в своих экспериментах.

Схема Георга Ома
Схема, использованная Омом в своих экспериментах

Единица измерения, признанная Международной системой единиц, получила обозначение Ом, по имени её первооткрывателя. Сопротивление проводника в 1 Ом дает силу тока в 1 ампер при напряжении в 1 вольт.

От чего зависит сопротивление

Доказано, что сопротивление возрастает с увеличением температуры. Но важно понимать, что есть такие сплавы, сопротивление которых не будет меняться или изменится незначительно с повышением температуры. Если же говорить об электролитах, то их сопротивление уменьшается с повышением температуры.

Проводимость находится в зависимости от материалов проводника, а также от его длины и сечения: чем больше сечение, тем выше будет проводимость, но при этом проводимость снизится при увеличении длины проводника. Сопротивление и проводимость — обратные понятия.

Можно представить это явление как диаметр водопроводной трубы, тогда явно видно, что чем он больше, тем выше будет проводимость и ниже сопротивление:

Зависимость сопротивления от сечения и длины
Зависимость сопротивления от сечения и длины

Также оно будет проявляться в нагреве проводника при протекании в нем тока, при этом чем меньше сечение проводника и выше сила тока — тем сильнее будет нагрев.

Формула сопротивления

Для записи этого явления в физике была выбрана латинская R, как сокращение от англ. resistance. Например, если сопротивление выбранного проводника составит 4 Ом, то в задаче это будет записано как R (или r) = 4 Ом.

Обычно значение в омах очень маленькое, поэтому на практике используют те проводники, которые имеют более высокое сопротивление, например мегаом — единица, равная миллиону Ом.

Для понимания общей формулы важно знать:

  • При увеличении напряжения растет сила тока, эти величины имеют пропорциональную зависимость, т.е. I~U;
  • При увеличении сопротивления происходит уменьшение силы тока, эти величины в обратной зависимости: I~1/R.

Формула, которую вывел Георг Ом, принята в следующем виде:

Формула сопротивления
Формула сопротивления

в которой:

  • R — сопротивление (Ом);
  • U — напряжение (В);
  • I — сила тока (А)

Все величины в данной формуле взаимосвязаны друг с другом и оказывают взаимное влияние.

Удельное сопротивление

Для характеристики сопротивления, присущего разным материалам, в электротехнике давно используют термин удельное сопротивление. Формула расчета учитывает различные свойства материала в токопроводящей среде, например длину и поперечное сечение.

Формула, которую вывели ученые, выглядит как:

Формула удельного сопротивления
Формула удельного сопротивления

где:

  • R — сопротивление проводника, (Ом);
  • l — длина проводника, (м);
  • S — площадь поперечного сечения проводника, (мм2);
  • ρ — удельное сопротивление проводника, (Ом·м).

Чтобы вычислить R для любого произвольного вещества, нужно понимать, что оно будет равняться сопротивлению участка цепи, который выполнен из выбранного вещества и имеет длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2;.

В вычислениях также применяют и старую внесистемную единицу Ом·мм2/м, которая равна 10−6 от 1 Ом·м.

У металлов удельное сопротивление невысокое, а у изоляторов большое. Для обеспечения большей теплоты для обогревателей, например, используют только проводники с большим удельным сопротивлением, такие как нихром: в этой ситуации электричество протекает медленнее, тепловое движение частиц ускоряется, благодаря чему проводник нагревается. Например, алюминий имеет низкое сопротивление, из-за чего его используют для передачи электроэнергии.

В таблице приведены значения, используемые в определении удельного сопротивления, для некоторых веществ при температуре 20 °С:

Проводникρ, Ом·мм2ρ, Ом·м
Серебро0,0161,6 * 10-8
Свинец0,2082,08 * 10-7
Ртуть0,969,6 * 10-7
Медь0,01721,72 * 10-8
Угольные щетки404,0 * 10-5

Для некоторых изоляторов таблица будет выглядеть следующим образом:

Изоляторыρ, (ом·см)
Дерево сухое1010
Алмаз1012
Кварц плавленый2 * 1014
Фарфор2 * 1015
Сургуч5 * 1015

Резисторы

Резистор — это прибор с постоянным сопротивлением, такая радиодеталь помогает контролировать напряжение в цепи, понижая либо увеличивая его. По-другому говоря, это искусственное препятствие для электротока. Трудно представить любое электронное устройство без резисторов — их используют в компьютерах, телевизорах, сигнализациях, радиоприемниках и т. д.

На общих схемах резисторы маркируют следующим образом:

Маркировка резисторов на схеме
Обозначение резистора на схеме

Диагональными линиями обозначают мощность резистора до 1 Вт. Вертикальные линии и знаки V и X (римские цифры) обозначают мощность резистора соответственно значению римской цифры.

Последовательное и параллельное сопротивление

По схеме последовательного соединения резистор может подключиться к другому резистору только в одной точке, но в цепи таких последовательных точек может быть несколько. Как пример примем обозначения R1, R2, R3 для сопротивления и Uц для напряжения источника цепи. Как только включится подача питания, в цепи начнет проходить ток Iц. Таким образом, электричество протекает в каждом резисторе по очереди.

Последовательное соединение резисторов
Схема последовательного соединения резисторов

Учитывая то, что ток проходит через каждый резистор, то значения их сопротивлений и силы тока будут суммироваться, то есть Iц = I1+I2+I3 и Rц = R1 +R2 + R3. В таком случае, чем больше будет каждое отдельное значение, тем тяжелее электронам преодолеть участок цепи. Особенность резисторов в том, что для расчета их мощности для разных типов соединения необходимо использовать разные формулы: для последовательных цепей — складываем, для параллельных — это должна быть обратная величина.

В таком варианте соединения элементы следуют друг за другом, поэтому конец одного будет соединяться с началом другого. Во время подключения этой схемы к сети образуется кольцо.

При параллельном соединении резисторы соединяются двумя контактами: так, к одной точке можно присоединить несколько резисторов.

Общее сопротивление всех элементов на участке цепи станет ниже при таком типе. Высчитывать его необходимо по формуле:

Общее сопротивление всех элементов на участке цепи
Формула общего сопротивления всех элементов на участке цепи

Формула расчета усложняется с увеличением числа элементов, которые соединены параллельно. На практике довольно редко кто-то объединяет больше 3 элементов, поэтому для сложного расчета будет достаточно знать следующие формулы:

Схемы и формулы расчета сопротивления
Схемы и формулы расчета сопротивления

Важно знать, что при подстановке значений итоговый результат сопротивления параллельно присоединенных резисторов будет ниже самого маленького числа.

comments powered by HyperComments
Adblock
detector