Когда происходит замыкание электрической цепи, при наличии на зажимах разности потенциалов, то, в данном случае, возникает действие электрического тока. Сила электрического поля влияет на свободные электроны, заставляя их перемещаться вдоль проводника. Во время движения, электроны сталкиваются с атомами проводника, отдавая имеющуюся кинетическую энергию. Все электроны движутся с непрерывно изменяющейся скоростью.
Уменьшение скорости происходит, когда электроны сталкиваются с другими электронами и атомами, попадающимися на пути. В дальнейшем, под воздействием электрического , скорость движения электронов вновь увеличивается до нового столкновения.
Процесс этот непрерывный, в результате чего, поток электронов в проводнике движется равномерно. При этом, электроны, во время движения, постоянно встречают сопротивление. Это в конечном итоге, приводит к нагреванию проводника.
Что такое сопротивление проводника
Сопротивление - это свойство среды или тела, которое способствует превращению электрической энергии в тепловую, в то время, когда по нему проходит электрический ток. Изменить значение тока в цепи можно при помощи переменного электрического сопротивления, называемого реостатом. Нужное сопротивление вводится при помощи специального ползунка, установленного в определенном положении.
Проводник с большой длиной и малым поперечным сечением, обладает более высоким сопротивлением. И, наоборот, короткий проводник с большим поперечным сечением способен оказать току совсем небольшое сопротивление.
Два проводника, имеющие одинаковое сечение и длину, но изготовленные из разных материалов, совершенно по-разному проводят электрический . Отсюда следует, что материал, напрямую влияет на сопротивление.
Влияние дополнительных факторов
Дополнительные факторы влияют на значение и собственную температуру проводника. При повышении температуры, наблюдается увеличение сопротивления в различных металлах. В жидкостях и угле сопротивление, наоборот, уменьшается. Существуют определенные виды сплавов, у которых, с увеличением температуры сопротивление практически не изменяется.
Таким образом, сопротивление проводника зависит от таких факторов, как его длина и сечение, а также от температуры и материала, из которого он изготовлен. Сопротивление всех проводников измеряется в омах.
При большом сопротивлении, такой проводник обладает, соответственно, меньшей проводимостью и наоборот, малое сопротивление способствует гораздо лучшей проводимости электрического тока. Поэтому, величины проводимости и сопротивления, имеют обратное значение.
Или электрической цепи электрическому току .
Электрическое сопротивление определяется как коэффициент пропорциональности R между напряжением U и силой постоянного тока I в законе Ома для участка цепи .
Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который ввел это понятие в физику. Один ом (1 Ом) — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А .
Удельное сопротивление.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материала проводника, его длины l и поперечного сечения S и может быть определено по формуле:
где ρ - удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.
Удельное сопротивление вещества — это физическая величина , показывающая, каким сопротивлением обладает изготовленный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.
Из формулы следует, что
Величина, обратная ρ , называется удельной проводимостью σ :
Так как в СИ единицей сопротивления является 1 Ом. единицей площади 1 м 2 , а единицей длины 1 м , то единицей удельного сопротивления в СИ будет 1 Ом· м 2 /м, или 1 Ом·м. Единица удельной проводимости в СИ — Ом -1 м -1 .
На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (мм 2) . В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом·мм 2 /м. Так как 1 мм 2 = 0,000001 м 2 , то 1 Ом·мм 2 /м = 10 -6 Ом·м. Металлы обладают очень малым удельным сопротивлением — порядка (1·10 -2) Ом·мм 2 /м, диэлектрики — в 10 15 -10 20 большим.
Зависимость сопротивлений от температуры.
С повышением температуры сопротивление металлов возрастает. Однако существуют сплавы, сопротивление которых почти не меняется при повышении температуры (например, константан, манганин и др.). Сопротивление же электролитов с повышением температуры уменьшается.
Температурным коэффициентом сопротивления проводника называется отношение величины изменения сопротивления проводника при нагревании на 1 °С к величине его сопротивления при 0 ºС:
.
Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры выражается формулой:
.
В общем случае α зависит от температуры, но если интервал температур невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным. Для чистых металлов α = (1/273)К -1 . Для растворов электролитов α < 0 . Например, для 10% раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 . Для константана (сплава меди с никелем) α = 10 -5 К -1 .
Зависимость сопротивления проводника от температуры используется в термометрах сопротивления.
На сегодняшний день одной из важнейших характеристик любого материала является его электрическое сопротивление. Этот факт объясняется беспрецедентным в истории человечества распространением электрических машин, заставившим по-иному взглянуть на свойства окружающих материалов как искусственного, так и естественного происхождения. Понятие «электрическое сопротивление» стало таким же важным, как теплоемкость и пр. Оно применимо абсолютно ко всему, что нас окружает: вода, воздух, металл, даже вакуум.
Каждый современный человек должен иметь представление о данной характеристике материалов. На вопрос «что же такое электрическое сопротивление» можно ответить лишь в том случае, если известен смысл термина «электрический ток». С этого и начнем…
Материальным проявлением энергии является атом. Все состоит из них, соединенных в группы. Существующая в настоящее время физическая модель утверждает, что атом походит на уменьшенную модель звездной системы. В центре находится ядро, включающее в себя частицы двух типов: нейтроны и протоны. Протон несет электрический положительный заряд. На разных расстояниях от ядра по круговым орбитам вращаются другие частицы - электроны, несущие отрицательный заряд. Количество протонов всегда соответствует количеству электронов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Чем удаленнее от ядра находится орбита электрона (валентный), тем слабее сила притяжения, удерживающая его в структуре атоме.
В генерирующей ток машине магнитное поле высвобождает из орбит Так как в утратившего электрон, остается «лишний» протон, то сила притяжения «отрывает» другой валентный электрон из внешней орбиты соседнего атома. В процесс завлекается вся структура материала. В результате появляется движение заряженных частиц (атомов с положительным зарядом и свободных электронов с отрицательным), которое и называется электрическим током.
Материал, в структуре которого электроны внешних орбит могут легко покидать атом, называется проводником. Его электрическое сопротивление мало. Это группа металлов. Например, для производства проводов в основном используют алюминий и медь. По закону Ома электрическое представляет собой отношение созданного генератором напряжения к силе проходящего тока. Кстати, в "Омах".
Легко догадаться, что существуют материалы, в которых валентных электронов очень мало или атомы сильно удалены друг от друга (газ), поэтому их внутренняя структура не может обеспечить прохождение тока. Они носят название диэлектриков и используются для изолирования проводящих линий в электротехнике. Электрическое сопротивление в них очень высоко.
Всем известно, что мокрый диэлектрик начинает проводить электрический ток. В свете этого факта особый интерес приобретает вопрос «существует ли электрическое сопротивление воды». Ответ на него противоречивый: и да, и нет. Как уже указывалось ранее, если в материале валентных электронов практически нет, а сама структура состоит больше из пустоты, чем частиц (вспоминаем таблицу Менделеева и водород с единственным электроном на орбите), то в обычных условиях проводимость существовать не может. Под это описание идеально подходит вода: соединение двух газов, называемое нами жидкостью. И действительно, будучи полностью очищенной от растворенных примесей, она является очень хорошим диэлектриком. Но так как в природе в воде всегда присутствуют растворы солей, то обеспечивается именно ими. На ее уровень влияет насыщенность раствора и температура Вот поэтому однозначного ответа на вопрос быть не может, ведь вода бывает разной.
Закон Ома является основным законом электрических цепей. При этом он позволяет объяснять многие явления природы. Например, можно понять, почему электричество не "бьет" птиц, которые сидят на проводах. Для физики закон Ома является крайне значимым. Без его знания невозможно было бы создавать стабильно работающие электрические цепи или вовсе не было бы электроники.
Зависимость I = I(U) и ее значение
История открытия сопротивления материалов напрямую связана с вольт-амперной характеристикой. Что это такое? Возьмем цепь с постоянным электрическим током и рассмотрим любой ее элемент: лампу, газовую трубку, металлический проводник, колбу электролита и т. д.
Меняя напряжение U (часто обозначается как V), подаваемое на рассматриваемый элемент, будем отслеживать изменение силы тока (I), проходящего через него. Как итог, мы получим зависимость вида I = I (U), которая носит название "вольт-амперная характеристика элемента" и является прямым показателем его электрических свойств.
Вольт-амперная характеристика может выглядеть по-разному для различных элементов. Самый простой ее вид получается при рассмотрении металлического проводника, что и сделал Георг Ом(1789 - 1854).
Вольт-амперная характеристика - это линейная зависимость. Поэтому ее графиком служит прямая линия.
Закон в простой форме
Исследования Ома по изучению вольт-амперных характеристик проводников показали, что сила тока внутри металлического проводника пропорциональна разности потенциалов на его концах (I ~ U) и обратно пропорциональна некоему коэффициенту, то есть I ~ 1/R. Этот коэффициент стал называться "сопротивление проводника", а единица измерения электрического сопротивления - Ом или В/А.
Стоит отметить еще вот что. Закон Ома часто используется для расчета сопротивления в цепях.
Формулировка закона
Закон Ома говорит, что сила тока (I) отдельно взятого участка цепи пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Следует заметить, что в таком виде закон остается верным только для однородного участка цепи. Однородной называется та часть электрической цепи, которая не содержит источника тока. Как пользоваться законом Ома в неоднородной цепи, будет рассмотрено ниже.
Позже опытным путем было установлено, что закон остается справедливым и для растворов электролитов в электрической цепи.
Физический смысл сопротивления
Сопротивление - это свойство материалов, веществ или сред препятствовать прохождению электрического тока. Количественно сопротивление в 1 Ом означает, что в проводнике при напряжении 1 В на его концах способен проходить электрический ток силой 1 А.
Удельное электрическое сопротивление
Экспериментальным методом было установлено, что сопротивление электрического тока проводника зависит от его размеров: длина, ширина, высота. А также от его формы (сфера, цилиндр) и материала, из которого он сделан. Таким образом, формула удельного сопротивления, например, однородного цилиндрического проводника будет: R = р*l/S.
Если в этой формуле положить s = 1 м 2 и l = 1 м, то R численно будет равен р. Отсюда вычисляется единица измерения для коэффициента удельного сопротивления проводника в СИ - это Ом*м.
В формуле удельного сопротивления р - это коэффициент сопротивления, определяемый химическими свойствами материала, из которого изготовлен проводник.
Для рассмотрения дифференциальной формы закона Ома, необходимо рассмотреть еще несколько понятий.
Как известно, электрический ток - это строго упорядоченное движение любых заряженных частиц. Например, в металлах носителями тока выступают электроны, а в проводящих газах - ионы.
Возьмем тривиальный случай, когда все носители тока однородны - металлический проводник. Мысленно выделим в этом проводнике бесконечно малый объем и обозначим через u среднюю (дрейфовую, упорядоченную) скорость электронов во взятом объеме. Далее пусть n обозначает концентрацию носителей тока в единице объема.
Теперь проведем бесконечно малую площадь dS перпендикулярно вектору u и построим вдоль скорости бесконечно малый цилиндр с высотой u*dt, где dt - обозначает время, за которое все носители скорости тока, содержавшиеся в рассматриваемом объеме, пройдут сквозь площадку dS.
При этом электронами сквозь площадку будет перенесен заряд, равный q = n*e*u*dS*dt, где e - заряд электрона. Таким образом, плотность электрического тока - это вектор j = n*e*u, обозначающий количество заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади.
Один из плюсов дифференциального определения закона Ома заключается в том, что часто можно обойтись без расчета сопротивления.
Электрический заряд. Напряженность электрического поля
Напряженность поля наряду с электрическим зарядом является фундаментальным параметром в теории электричества. При этом количественное представление о них можно получить из простых опытов, доступных школьникам.
Для простоты рассуждений будем рассматривать электростатическое поле. Это электрическое поле, которое не изменяется со временем. Такое поле может быть создано неподвижными электрическими зарядами.
Также для наших целей необходим пробный заряд. В его качестве будем использовать заряженное тело - настолько малое, что оно не способно вызывать какие-либо возмущения (перераспределение зарядов) в окружающих объектах.
Рассмотрим поочередно два взятых пробных заряда, последовательно помещенных в одну точку пространства, находящуюся под воздействием электростатического поля. Получается, что заряды будут подвергаться неизменному во времени воздействию с его стороны. Пусть F 1 и F 2 - это силы, воздействующие на заряды.
В результате обобщения опытных данных было установлено, что силы F 1 и F 2 направлены либо в одну, либо в противоположные стороны, а их отношение F 1 /F 2 является независимым от точки пространства, куда были поочередно помещены пробные заряды. Следовательно, отношение F 1 /F 2 является характеристикой исключительно самих зарядов, и никак не зависит от поля.
Открытие данного факта позволило охарактеризовать электризацию тел и в дальнейшем было названо электрическим зарядом. Таким образом, по определению получается q 1 /q 2 = F 1 /F 2 , где q 1 и q 2 - величина зарядов, помещаемых в одну точку поля, а F 1 и F 2 - силы, действующие на заряды со стороны поля.
Из подобных соображений были экспериментально установлены величины зарядов различных частиц. Условно положив в соотношение один из пробных зарядов равным единице, можно вычислить величину другого заряда, измерив соотношение F 1 /F 2 .
Через известный заряд можно охарактеризовать любое электрическое поле. Таким образом, сила, действующая на единичный пробный заряд, находящийся в состоянии покоя, называется напряженностью электрического поля и обозначается E. Из определения заряда получаем, что вектор напряженности имеет следующий вид: E = F/q.
Связь векторов j и E. Другая форма закона Ома
Также отметим, что определение удельного сопротивления цилиндра можно обобщить для проводов, состоящих из одного материала. В таком случае площадь поперечного сечения из формулы удельного сопротивления будет равна сечению провода, а l - его длине.
Электрический ток (I ) - это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики - движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах.
Хочу предостеречь также от сравнения тока с протеканием воды по шлангу. (Хотя при рассмотрении Закона Кирхгофа такая аналогия будет уместна). Если каждая конкретная частица воды проделывает путь от начала до конца, то носитель электрического тока так не поступает. Если уж нужна наглядность, то я бы привел пример переполненного автобуса, когда на остановке некто, втискиваясь в заднюю дверь, становится причиной выпадения из передней менее удачливого пассажира.
Условиями возникновения и существования электрического тока являются:
- Наличие свободных носителей заряда
- Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток.
Электрическое поле - это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы "одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются" можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее. Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика - напряженность электрического поля .
Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Я ограничусь одной, сведенной к примитиву: E=Δφ .
- E - напряженность электрического поля. Вообще это величина векторная, но я упростил все до скаляра.
- Δφ=φ1-φ2 - разность потенциалов (рисунок 1).
Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.
Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них - хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС) , которая обозначается так: ε .
Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.
Напряжение (U ).
Наотрез отказываюсь продолжать заморачивать Вам голову сугубо теоретическими выкладками и даю определение напряжения как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2 , а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε .
Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно.
Сопротивление (R ) - название говорит само за себя - физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома . Этот закон рассматривется на отдельной странице этого раздела. Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ , определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение . Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике. Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S .
Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление.
Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:
Ток - Ампер (А)
Напряжение - Вольт (В)
Сопротивление - Ом (Ом)
.
Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются из производные (милиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле. Так, если Вы, в законе Ома умножите ампер на килоом, то напряжение получите совсем не вольтах.
© 2012-2019 г. Все права защищены.
Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
