Электрическое сопротивление как физическая величина. Закон Ома

Электричество уже давно стало неотъемлемой частью нашей жизни. Мы пользуемся им буквально каждый день – включаем свет, заряжаем телефон, запускаем бытовую технику и многое другое. Но как же работает электричество и что стоит за этим процессом? Чтобы ответить на этот вопрос, нам предстоит познакомиться с таким важным понятием, как электрическое сопротивление, а также с законом, который описывает его взаимодействие с другими электрическими величинами – законом Ома. И, конечно же, мы рассмотрим практические примеры применения этих знаний.

Впервые это понятие было введено в 1820-х годах немецким физиком Георгом Омом. Экспериментируя, он обнаружил, что для создания одинакового электрического тока в разных проводниках требуется различное напряжение, и сформулировал на основе своих опытов закон, который теперь носит его имя.

Рассмотрим более подробно, от чего зависит электрическое сопротивление. Существует несколько факторов, которые определяют величину сопротивления:

1. Материал проводника. 

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Различные материалы обладают разной способностью проводить электрический ток. Например, медь и серебро имеют низкое сопротивление, в то время как константан и нихром, напротив, обладают высоким сопротивлением.

2. Длина проводника.

Чем длиннее проводник, тем больше столкновений электронов с атомами вещества и, соответственно, тем выше его сопротивление. Поэтому длинные провода обладают большим сопротивлением, чем короткие.

3. Площадь поперечного сечения проводника.

Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем ниже его сопротивление. Это связано с тем, что при увеличении сечения растет количество "свободных" электронов, способных переносить ток.

4. Температура проводника.

С ростом температуры сопротивление большинства металлических проводников увеличивается. Это объясняется тем, что при нагревании возрастает хаотичное тепловое движение атомов вещества, что приводит к большему количеству столкновений электронов с ними.

Важно отметить, что электрическое сопротивление – это не то же самое, что электрическая проводимость. Проводимость (G или L) – это величина, обратная сопротивлению, она характеризует способность проводника пропускать электрический ток. Чем меньше сопротивление, тем больше проводимость, и наоборот.

Для расчета сопротивления проводника используется формула:

Где:

– сопротивление проводника, [Ом]

– удельное электрическое сопротивление материала проводника, [Ом * м]

– длина проводника, [м]

– площадь поперечного сечения проводника, []

Основные шаги для расчета сопротивления

1. Определить тип материала проводника и его удельное сопротивление (). Значения удельного сопротивления можно найти в справочниках или таблицах.

2. Измерить или определить длину проводника ().

3. Измерить или рассчитать площадь поперечного сечения проводника (S). Если проводник круглый, то , где r – радиус проводника.

4. Подставить значения в известную формулу и рассчитать сопротивление проводника:

Рассчитаем сопротивление медного проводника длиной 10 м и диаметром 2 мм:

Ом 

Таким образом, сопротивление медного проводника длиной 10 м и диаметром 2 мм составляет Ом.

Итак, что же собой представляет закон Ома?

Закон Ома позволяет рассчитывать параметры электрических цепей. Вот как звучит его формулировка:

Это соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением в электрической цепи записывается таким образом:

Где:

– сила тока, [А]

– напряжение на концах участка цепи, [В]

– сопротивление электрического проводника, [Ом]

Из закона Ома можно вывести несколько важных следствий

1. Последовательное соединение резисторов

Если в цепи последовательно соединены несколько резисторов, то сила тока во всех участках будет одинаковой, а напряжение на каждом резисторе будет пропорционально его сопротивлению. Общее сопротивление такой цепи равно сумме сопротивлений отдельных резисторов. 

2. Параллельное соединение резисторов

При параллельном соединении резисторов напряжение на всех участках одинаково, а общее сопротивление цепи меньше, чем у любого из резисторов. Сила тока в каждом параллельном участке обратно пропорциональна его сопротивлению.

3. Делитель напряжения

Если в цепь последовательно включены два резистора, то напряжение на каждом из них будет пропорционально их сопротивлениям. Это свойство используется в электронных схемах для получения требуемого напряжения.

4. Токораспределение в параллельных ветвях

Если в цепь параллельно включены несколько участков с разными сопротивлениями, то ток будет распределяться между ними обратно пропорционально их сопротивлениям. Больше тока пойдет по участку с меньшим сопротивлением.

Зная эти следствия из закона Ома, можно легко рассчитывать и предсказывать поведение электрических цепей. 

Этот простой закон очень важен для понимания устройства и принципов работы самых разнообразных электрических устройств – от простых батареек до сложных промышленных электрических систем. Зная, как сила тока связана с напряжением и сопротивлением, мы можем прогнозировать поведение электрических цепей и оптимизировать их работу.

Рассмотрим простую электрическую цепь, состоящую из источника напряжения, проводника и амперметра, который измеряет силу тока. Пусть напряжение источника а сопротивление проводника Тогда, согласно закону Ома, сила тока в цепи будет равна:

То есть, при напряжении 12 В и сопротивлении 6 Ом в цепи будет протекать ток силой 2 ампера.

Если же мы захотим найти напряжение или сопротивление, зная два других параметра, можно легко это сделать, переписав формулу закона Ома:

Например, если известно, что ток в цепи равен 3 А, а сопротивление – 4 Ом, то напряжение можно рассчитать по формуле:

Таким образом, закон Ома позволяет легко определять основные электрические величины в простых цепях, что очень важно при расчетах и проектировании различных электрических устройств.

Омические проводники являются часто используемыми элементами в электрических цепях и системах, где требуется точное и предсказуемое управление током. Это обусловлено их постоянным сопротивлением, которое не зависит от приложенного напряжения. Металлические провода, такие как медь и алюминий, являются примерами омических проводников. Они широко используются в электрических схемах, поскольку обеспечивают точное и надежное регулирование протекания тока.

Во многих электрических и электронных устройствах, включая резисторы, вольтметры и амперметры, в качестве ключевых компонентов используются именно омические проводники.

Неомические проводники, также известные как нелинейные проводники, представляют собой материалы, сопротивление которых меняется в зависимости от приложенного напряжения.

Сопротивление неомического проводника зависит от силы и направления приложенного напряжения, температуры и других факторов окружающей среды.

Примерами неомических проводников являются газоразрядные трубки, термисторы и полупроводники. Сопротивление полупроводников, содержащих германий или кремний, меняется в зависимости от температуры, приложенного напряжения и наличия примесей или других материалов. Сопротивление термисторов – особого типа резисторов – изменяется в зависимости от температуры.

Как известно, закон Ома лежит в основе работы огромного количества электрических приборов и устройств. Он используется везде, где есть электрический ток и сопротивление:

1. Расчет электрических цепей

Закон Ома позволяет рассчитывать токи, напряжения и сопротивления в разных участках электрической цепи. Это важно при проектировании и анализе работы электронных схем.

2. Измерительные приборы

Принцип работы многих электроизмерительных приборов, таких как вольтметры, амперметры и омметры, основывается на использовании закона Ома для определения неизвестных электрических величин.

3. Регулирование тока и напряжения

Используя закон Ома, можно регулировать силу тока и напряжение в цепи путем изменения сопротивления. Это применяется, например, в блоках питания, регуляторах освещения и реостатах.

4. Анализ работы электронных компонентов

Многие электронные приборы, такие как диоды, транзисторы, резисторы, работают на основе зависимости тока от напряжения, описываемой законом Ома.

5. Электротехнические расчеты

При проектировании и эксплуатации электрических сетей, линий электропередач, электродвигателей и другого оборудования закон Ома используется для расчета падения напряжения, потерь мощности и выбора сечения проводов.

6. Бытовые применения

Даже в простейших бытовых электроприборах, от лампочек до зарядных устройств, закон Ома задаёт распределение токов и напряжений.

Таким образом, знание и понимание закона Ома является ключевым для успешного изучения электротехники, электроники и физики в целом. Он позволяет решать широкий круг задач, связанных с электрическими явлениями, а также помогает объяснять принцип работы многих устройств, окружающих нас в повседневной жизни.

Электрическое сопротивление находит широчайшее применение в самых разных сферах электроники, электротехники и приборостроения. Рассмотрим несколько примеров:

1. Резисторы в электронных схемах

Как уже упоминалось, резисторы используются для регулирования и ограничения электрического тока, деления напряжения, создания смещения, формирования сигналов и многих других целей. Они применяются практически во всех электронных устройствах – от радиоприемников до компьютеров.

2. Нагревательные элементы

Высокое сопротивление некоторых материалов, таких как нихром или вольфрам, используется для создания нагревательных элементов в электрических печах, утюгах, водонагревателях, электроплитах и других нагревательных приборах.

3. Датчики и измерительные приборы

Различные датчики, применяемые для измерения физических величин (температуры, давления, влажности и т.д.), зачастую основаны на использовании зависимости сопротивления от измеряемого параметра.

4. Регулирование скорости вращения электродвигателей

Изменение сопротивления в цепи электродвигателя позволяет регулировать скорость его вращения. Этот принцип используется, например, в электрических дрелях, перфораторах, лифтах.

5. Защитные устройства

Резисторы применяются для защиты электронных компонентов и устройств от перегрузок по току. Например, в источниках питания резисторы ограничивают ток, предотвращая выход из строя подключенных к ним устройств.

6. Делители напряжения

С помощью последовательно соединенных резисторов можно создавать делители напряжения – устройства, понижающие входное напряжение до необходимого уровня. Они широко используются во многих электронных схемах.

7. Усилители сигналов

Резисторы применяются в усилительных каскадах электронных схем для задания необходимых токов и напряжений, обеспечивающих требуемые режимы работы активных элементов (например, транзисторов). 

Перечисленные примеры – лишь небольшая часть огромного количества применений электрического сопротивления в современной технике. Во многом именно благодаря сопротивлению мы можем пользоваться большинством электрических и электронных устройств, которые окружают нас в повседневной жизни.

Понимание того, как сопротивление проводника влияет на ток и напряжение в цепи, позволяет нам анализировать работу электрических схем, рассчитывать их параметры и эффективно использовать электричество в различных областях.

Знание законов, описывающих электрические процессы, – таких как, например, закон Ома – открывает путь к глубокому пониманию природы электрических явлений. Это знание необходимо не только будущим инженерам и физикам, но и всем, кто интересуется окружающим миром и желает лучше разбираться в современных технологиях. Ведь электричество и электроника прочно вошли в нашу повседневную жизнь, и понимание основ их работы делает нас более осведомлёнными и грамотными пользователями.