Багато хто чув про таке поняття, яке зустрічається і широко використовується у сфері електрики, як електричний опір. Але не всі знають, яка ж його природа. У чому полягає суть, і що взагалі воно є, від чого залежить. Пропоную в цій статті розібратися, що таке опір струму. І так, під електричним опором мають на увазі дві речі. В одному розумінні це фізична величина, А в іншому, це електричний компонент, деталь, елемент.

Тепер про те, в чому полягає суть опору струму. А почнемо ми з основи, будови атома, його кристалічних ґрат, і руху електрики всередині електричного провідника. Нагадаю, що атом є найдрібнішою часткою речовини. Він влаштований так: у центрі знаходиться так зване ядро, що складається з дрібніших частинок, протонів і нейтронів. Навколо цього атомного ядра з величезною швидкістю обертаються ще одні частинки, які називаються електронами (за розмірами вони набагато менші за ядра).

Ядро атома має позитивний електричний заряд (плюс), а електрони відповідно негативний заряд (мінус). Будь-яка речовина представлена ​​безліччю атомів, які мають свою певну структурованість, що називається таким поняттям як кристалічні грати (якщо говорити про твердий стан речовини). Але перед тим як перейти до суті опору струму варто ще додати, що той простір, яким носяться електрони називається орбітою електрона (орбіталями). У різних речовин кількість орбіт може бути різним, і розташовуються вони одна вище за іншу (як цибулина).

На найвіддаленішій електронній орбіті сила тяжіння електрона до ядра атома мінімально, що сприяє легкому відриву електрона від неї та переходу його до сусіднього атома. У цьому полягає суть руху електричних зарядів усередині речовини (провідника струму). Коли ми підключаємо до провідника джерело струму, додаючи до його кінців певну різницю потенціалів (електрична напруга), ми змушуємо електрони впорядковано рухатися з одного полюса джерела енергії до іншого. Виникає електричний струм зарядів усередині провідника, його кристалічних ґрат.

А тепер уже можна перейти до питання про електричний опір струму, його суть. І так, при проходженні електричних зарядів усередині провідника електроном не доводиться рухатися прямою траєкторією, їх рухи швидше нагадує перескоки з одного атома на інший. Природно, що за такого руху витрачатиметься деяка енергія (на подолання перешкод). Крім цього варто врахувати, що атоми не стоять на місці, вони мають свій внутрішній хаотичний рух усередині кристалічних ґрат речовини. А чим більше цей рух (що залежить також від температури, чим вона вище, тим рух атомів інтенсивніший), тим більша перешкода виникає перед переміщенням зарядів. Саме ця перешкода руху струму називається електричним опором.

Також існує таке поняття як надпровідність. Це коли електричний опір струму дорівнює нулю. Електричний струм біжить провідником без втрат. Ідеальний провідник. Цього ефекту можна досягти, якщо певні речовини довести до температури абсолютного нуля(273 градуси за Цельсієм). А як відомо з фізики, при наднизьких температурах руху атома всередині кристалічних ґрат речовини практично припиняється. На шляху руху електронів, електричного струмузаряджених частинок немає перешкод, що дає ефект надпровідності.

Електричний опір залежить від таких фундаментальних електричних величин як сила струму та напруга. Усі ці три електричні характеристикиоб'єднані загальним законом, Який називається закон Ома (сила струму дорівнює напруга поділена на опір). Залежність цієї трійці наступна: що більший опір електричного ланцюга, то меншою буде сила струму, при рівній напрузі живлення. Чим більше напруга ми прилаштовуємо до ланцюга, тим більше сила струму протікатиме, при рівному опорі ланцюга. Тобто чим більше опір, тим менша сила струму і навпаки. У опору струму є своя одиниця виміру, це Ом (1 кілом дорівнює 1000 ом). 1 Ом дорівнює 1 Вольт поділити на 1 ампер.

Це ми розібрали суть електричного опору струму як фізичної величини. Але часто-густо кажучи про опір мається на увазі конкретна матеріальна річ, деталь, функціональний елемент. Тобто, звичайний електричний резистор називають опором, оскільки пряме призначення цієї деталі полягає саме у освіті електричного опору певної частини ланцюга. Електричний опір струму ще буває активним та реактивним. Активний опір існує у всіх резистивних елементах (провідники, що мають нагрівальну здатність). Реактивний опір мають різні котушки і ємності. Але про це вже в іншій темі.

P.S. У новачка може виникнути таке закономірне питання. Навіщо потрібно спеціально ставити опір в електричний ланцюг, адже його суть полягає у перешкоді руху струму? Потрібно, навіть необхідно, так само, як і наявність у машини гальм. Коли виникає необхідність зниження швидкості або зупинки без гальм, просто не обійтися. Приблизно також і у сфері електрики, електроніки. У деяких місцях електричного ланцюга потрібна наявність саме меншої напруги та струму, ніж на вході джерела живлення, що робить резистор (опір).

Терміну опір в деякому відношенні пощастило більше, ніж іншим фізичним термінам: ми з раннього дитинства знайомимося з цією властивістю навколишнього світу, освоюючи середовище проживання, особливо коли тягнемося до іграшки, що сподобалася, в руках іншої дитини, а він пручається цьому. Цей термін нам інтуїтивно зрозумілий, тому у шкільні роки під час уроків фізики, знайомлячись із властивостями електрики, термін електричний опір не викликає у нас здивування та його ідея сприймається досить легко.

Число вироблених у світі технічних реалізацій електричного опору - резисторів - не піддається обчисленню. Досить сказати, що у найпоширеніших сучасних електронних пристроях мобільних телефонах, смартфони, планшети та комп'ютери - кількість елементів може досягати сотень тисяч. За статистикою резистори складають понад 35% елементів електронних схем, а, враховуючи масштаби виробництва подібних пристроїв у світі, ми отримуємо дивовижну цифру в десятки трильйонів одиниць. Поряд з іншими пасивними радіоелементами - конденсаторами та котушками індуктивності, резистори лежать в основі сучасної цивілізації, будучи одним із китів, на яких спочиває наш звичний світ.

Визначення

Електричний опір - це фізична величина, що характеризує деякі електричні властивості матерії перешкоджати вільному без втрат проходженню електричного струму через неї. У термінах електротехніки електричний опір є характеристика електричного ланцюга в цілому або її ділянки перешкоджати протіканню струму і рівна, при постійному струмі, відношенню напруги на кінцях ланцюга до сили струму, що протікає по ній.

Електричний опір пов'язані з передачею чи перетворенням електричної енергії інші види енергії. При незворотному перетворенні електричної енергії на теплову, говорять про активний опір. При оборотному перетворенні електричної енергії в енергію магнітного або електричного поля, якщо в ланцюзі тече змінний струм, говорять про реактивний опір. Якщо в ланцюзі переважає індуктивність, говорять про індуктивний опір, якщо ємність - про ємнісний опір.

Повний опір (активний і реактивний) для ланцюгів змінного струму описується поняттям імпедансу, а змінних електромагнітних полів - хвильовим опором. Опором іноді не зовсім правильно називають його технічну реалізацію – резистор, тобто радіодеталь, призначену для введення в електричні ланцюги активного опору.

Опір позначається буквою Rабо rі вважається, у певних межах, постійною величиною даного провідника; її можна розрахувати як

R – опір, Ом;

U - різницю електричних потенціалів (напруга) на кінцях провідника, В;

I - сила струму, що протікає між кінцями провідника під дією різниці потенціалів, А.

Ця формула називається законом Ома, на ім'я німецького фізика, який відкрив цей закон. Важливу роль розрахунку теплового ефектуактивного опору грає закон про теплоту, що виділяється при проходженні електричного струму через опір - закон Джоуля-Ленца:

Q = I 2 ∙ R ∙ t

Q – кількість виділеної теплоти за проміжок часу t, Дж;

I – сила струму, А;

R – опір, Ом;

t – час протікання струму, сек.

Одиниці виміру

Основною одиницею виміру електричного опору в системі СІ є Ом та його похідні: кілоом (кОм), мегаом (МОм). Співвідношення одиниць опору системи СІ з одиницями інших систем можна знайти в нашому конвертері одиниць вимірювання.

Історична довідка

Першим дослідником явища електричного опору, а згодом і автором знаменитого закону електричного ланцюга, названого потім його ім'ям, став видатний німецький фізик Георг Сімон Ом. Опублікований в 1827 в одній з його робіт, закон Ома зіграв визначальну роль у подальшому дослідженні електричних явищ. На жаль, сучасники не оцінили його дослідження, як і багато інших його робіт у галузі фізики, і, за розпорядженням міністра освіти за опублікування результатів своїх досліджень у газетах він навіть був звільнений з посади викладача математики в Кельні. І тільки в 1841 році, після присвоєння йому Лондонським королівським товариством на засіданні 30 листопада 1841 медалі Коплі, до нього нарешті приходить визнання. Враховуючи заслуги Георга Ома, в 1881 р. на міжнародному конгресі електриків у Парижі було вирішено назвати його ім'ям тепер загальноприйняту одиницю електричного опору («один»).

Фізика явища в металах та її застосування

За своїми властивостями відносної величини опору, всі матеріали поділяються на провідники, напівпровідники та ізолятори. Окремим класом виступають матеріали, що мають нульовий або близький до такого опір, так звані надпровідники. Найбільш характерними представниками провідників є метали, хоч і в них опір може змінюватися в широких межах, залежно від властивостей кристалічних ґрат.

За сучасними уявленнями, атоми металів об'єднуються в кристалічну решітку, причому з валентних електронів атомів металу утворюється так званий «електронний газ».

Відносно малий опір металів пов'язаний саме з тією обставиною, що в них є велика кількістьносіїв струму - електронів провідності - атомів даного зразка металу, що належать всьому ансамблю. Виникає при додатку зовнішнього електричного поля, струм у металі є упорядкованим рухом електронів. Під дією поля електрони прискорюються і набувають певного імпульсу, а потім стикаються з іонами ґрат. При таких зіткненнях електрони змінюють імпульс, частково втрачаючи енергію свого руху, яка перетворюється на внутрішню енергію кристалічної решітки, що і призводить до нагрівання провідника при проходженні по ньому електричного струму. Необхідно зауважити, що опір зразка металу або сплавів металів даного складу залежить від його геометрії і не залежить від напрямку прикладеного зовнішнього електричного поля.

Подальше застосування все більш сильного зовнішнього електричного поля призводить до наростання струму через метал і виділення все більшої кількості тепла, яке, зрештою, може призвести до розплавлення зразка. Ця властивість застосовується у дротяних запобіжниках електричних кіл. Якщо температура перевищила певну норму, то дріт розплавляється, і перериває електричний ланцюг - ним більше не може текти струм. Температурну норму забезпечують, вибираючи матеріал для дроту за його температурою плавлення. Прекрасний приклад того, що відбувається із запобіжниками, дає досвід зйомки перегорання нитки розжарювання у звичайній лампі розжарювання.

Найбільш типовим застосуванням електричного опору є застосування його як тепловиділяючого елемента. Ми користуємося цією властивістю при готуванні та підігріві їжі на електроплитках, випіканні хліба та тортів в електропечах, а також при роботі з електрочайниками, кавоварками, пральними машинамита електропрасками. І зовсім не замислюємося, що своєму комфорту в повсякденному життіми знову ж таки повинні бути вдячні електричному опору: чи включаємо бойлер для душу, чи електричний камін, чи кондиціонер у режим підігріву повітря в приміщенні – у всіх цих пристроях обов'язково присутній нагрівальний елемент на основі електричного опору.

У промисловому застосуванні електричний опір забезпечує приготування харчових напівфабрикатів (сушіння), проведення хімічних реакцій при оптимальній температурідля отримання лікарських форм і навіть при виготовленні абсолютно прозових речей, на кшталт поліетиленових пакетів різного призначення, а також при виробництві виробів із пластмас (процес екструдування).

Фізика явища у напівпровідниках та її застосування

У напівпровідниках, на відміну металів, кристалічна структура утворюється рахунок ковалентних зв'язків між атомами напівпровідника і тому, на відміну металів, у чистому вигляді вони мають значно вищий електричний опір. Причому, якщо говорять про напівпровідники, зазвичай згадують не опір, а власну провідність.

Привнесення до напівпровідника домішок атомів з великою кількістю електронів на зовнішній оболонці створює донорну провідність n-типу. У цьому «зайві» електрони стають надбанням всього ансамблю атомів у цьому зразку напівпровідника та її опір знижується. Аналогічно привнесення до напівпровідника домішок атомів з меншим числом електронів на зовнішній оболонці створює акцепторну провідність р-типу. У цьому «недостаючі» електрони, звані «дірками», стають надбанням всього ансамблю атомів у цьому зразку напівпровідника та її опір також знижується.

Найбільш цікавий випадок з'єднання областей напівпровідника з різними типамипровідності, так званий p-n перехід. Такий перехід має унікальну властивість анізотропії - його опір залежить від напрямку прикладеного зовнішнього електричного поля. При включенні «замикаючої» напруги, прикордонний шар p-nпереходу збіднюється носіями провідності та його опір різко зростає. При подачі "відкриває" напруги в прикордонному шарі відбувається рекомбінація носіїв провідності в прикордонному шарі і опір p-n переходу різко знижується.

У цьому принципі побудовані найважливіші елементи електронної апаратури - выпрямительные діоди. На жаль, при перевищенні певного струму через p-n перехід відбувається так званий тепловий пробій, при якому як донорні, так і акцепторні домішки переміщуються через p-n перехід, тим самим руйнуючи його, і прилад виходить з ладу.

Головний висновок про опір p-n переходівполягає в тому, що їхній опір залежить від напрямку прикладеного електричного поля і носить нелінійний характер, тобто не підкоряється закону Ома.

Дещо інший характер носять процеси, що відбуваються в МОП-транзисторах (Метал-Окісел-Напівпровідник). Вони опором каналу исток-сток управляє електричне полевідповідної полярності для каналів p- та n-типів, створюване затвором. МОП-транзистори майже виключно використовуються в режимі ключа – «відкритий-закритий» – і становлять переважну кількість електронних компонентів сучасної цифрової техніки.

Незалежно від виконання, всі транзистори за своєю фізичною суттю є, у певних межах, безінерційні керовані електричні опори.

Фізика явища в газах та її застосування

У звичайному стані гази є відмінними діелектриками, оскільки в них дуже мало носіїв заряду - позитивних іонів і електронів. Ця властивість газів використовується в контактних вимикачах, повітряних лініях електропередач і в повітряних конденсаторах, оскільки повітря є сумішшю газів і його електричний опір дуже велике.

Так як газ має іонно-електронну провідність, при додатку зовнішнього електричного поля опір газів спочатку повільно падає через іонізацію. більшого числамолекул. При подальшому збільшенні напруги зовнішнього поля виникає розряд, що тліє, і опір переходить на більш круту залежність від напруги. Ця властивість газів використовувалася раніше в газонаповнених лампах – стабісторах – для стабілізації постійної напруги в широкому діапазоні струмів. При подальшому зростанні прикладеної напруги розряд у газі переходить у коронний розряд з подальшим зниженням опору, а потім і в іскровій - виникає маленька блискавка, а опір газу в каналі блискавки падає до мінімуму.

Основним компонентом радіометра-дозиметра Терра-П є лічильник Гейгера-Мюллера. Його робота заснована на ударній іонізації газу, що знаходиться в ньому, при попаданні гамма-кванту, в результаті якої різко знижується його опір, що і реєструється.

Властивість газів світитися при протіканні через них струму в режимі розряду, що тліє, використовується для оформлення неонових реклам, індикації змінного поля і в натрієвих лампах. Та ж властивість, тільки при світінні парів ртуті в ультрафіолетовій частині спектра, забезпечує роботу енергозберігаючих ламп. Вони світловий потік видимого спектра виходить у результаті перетворення ультрафіолетового випромінювання флуоресцентним люмінофором, яким покриті колби ламп. Опір газів точно так, як і в напівпровідниках, носить нелінійний характер залежності від прикладеного зовнішнього поля і так само не підкоряється закону Ома.

Фізика явища в електролітах та її застосування

Опір провідних рідин - електролітів - визначається наявністю та концентрацією іонів різних знаків - атомів або молекул, що втратили або приєднали електрони. Такі іони за нестачі електронів називаються катіонами, при надлишку електронів - аніонами. При додатку зовнішнього електричного поля (приміщенні в електроліт електродів з різницею потенціалів) катіони та аніони починають рухатися; Фізика процесу полягає у розрядці або зарядці іонів на відповідному електроді. При цьому на аноді аніони віддають зайві електрони, а на катоді катіони отримують відсутні.

Істотною відмінністю електролітів від металів, напівпровідників та газів є переміщення речовини в електролітах. Ця властивість широко використовується в сучасної технікита медицині - від очищення металів від домішок (рафінування) до впровадження лікарських засобів у хвору область (електрофорез) Виблискуючої сантехніки наших ванн та кухонь ми зобов'язані процесам гальваностегії – нікелювання та хромування. Зайве згадувати, що якість покриття досягається саме завдяки управлінню опором розчину та його температурою, а також багатьма іншими параметрами процесу осадження металу.

Оскільки людське тіло з точки зору фізики є електролітом, стосовно питань безпеки істотну роль відіграє знання про опір тіла людини протіканню електричного струму. Хоча типове значення опору шкіри становить близько 50 кОм (слабкий електроліт), воно може змінюватись в залежності від психоемоційного стану конкретної людини та умов довкілля, а також площу контакту шкіри з провідником електричного струму. При стресі та хвилюванні або при знаходженні в некомфортних умовах воно може значно знижуватися, тому для розрахунків опору людини у техніці безпеки прийнято значення 1 кОм.

Цікаво, що на основі вимірювання опору різних ділянок шкіри людини, заснований метод роботи поліграфа - «детектора» брехні, який, поряд з оцінкою багатьох фізіологічних параметрів, визначає, зокрема, відхилення опору від поточних значень при випробуванні «незручних» питань. Правда цей метод обмежено застосовний: він дає неадекватні результати при застосуванні до людей з нестійкою психікою, спеціально навчених агентів або людей з аномально високим опором шкіри.

У відомих межах до струму в електролітах застосуємо закон Ома, однак, при перевищенні зовнішнього електричного поля, що додається, деяких характерних для даного електроліту значень, його опір також носить нелінійний характер.

Фізика явища в діелектриках та її застосування

Опір діелектриків дуже високий, і ця якість широко використовується у фізиці та техніці при застосуванні їх як ізолятори. Ідеальним діелектриком є ​​вакуум і, здавалося б, про який опір у вакуумі може йтися? Однак, завдяки одній із робіт Альберта Ейнштейна про роботу виходу електронів з металів, яка незаслужено обійдена увагою журналістів, на відміну від його статей з теорії відносності, людство отримало доступ до технічної реалізації величезного класу електронних приладів, що ознаменували світанку радіоелектроніки, і до цього часу справно службовців людям.

Згідно з Ейнштейном, будь-який матеріал, що проводить, оточений хмарою електронів, і ці електрони, при додатку зовнішнього електричного поля, утворюють електронний промінь. Вакуумні двоелектродні прилади мають різний опір при зміні полярності прикладеної напруги. Раніше вони використовувалися для випрямлення змінного струму. Три- і більше електродні лампи використовувалися для посилення сигналів. Тепер вони витіснені вигіднішими з енергетичної точки зору транзисторами.

Однак залишилася сфера застосування, де прилади на основі електронного променя абсолютно незамінні - це рентгенівські трубки, що використовуються в станціях радіолокації магнетрони та інші електровакуумні прилади. Інженери і донині вдивляються в екрани осцилографів з електронно-променевими трубками, визначаючи характер фізичних процесів, що відбуваються, лікарі не можуть обійтися без рентгенівських знімків, і всі ми щодня користуємося мікрохвильовими печами, в яких стоять НВЧ-випромінювачі - магнетрони.

Оскільки характер провідності у вакуумі має лише електронний характер, опір більшості електровакуумних приладів підпорядковується закону Ома.

Резистори: їх призначення, застосування та вимірювання

Резистор – електронний прилад, необхідний у всіх електронних схемах. За статистикою, 35% будь-якої радіосхеми становлять саме резистори. Звичайно, можна спробувати вигадати схему без резисторів, але це будуть лише ігри розуму. Практичні електричні та електронні схеми без резисторів немислимі. З погляду інженера-електрика будь-який прилад, що має опір, може називатися резистором незалежно від його внутрішнього пристрою та способу виготовлення. Яскравим прикладом цього є історія з крахом дирижабля «Італія» полярного дослідника Нобіле. Радисту експедиції вдалося відремонтувати радіостанцію та подати сигнал лиха, замінивши зламаний резистор грифелем олівця, що, зрештою, і врятувало експедицію.

Резистори є елементами електронної апаратури і можуть застосовуватися як дискретні компоненти або складових частинінтегральних мікросхем. Дискретні резистори класифікуються за призначенням, видом вольтамперної характеристики, за способом захисту та за способом монтажу, характером зміни опору, технологіями виготовлення та теплової енергії, що розсіюється. Позначення резистора у схемах наведено на малюнку нижче:

Резистори можна з'єднувати послідовно та паралельно. При послідовному з'єднанні резисторів загальний опір ланцюга дорівнює сумі опорів усіх резисторів:

R = R 1 + R 2 + … + R n

При паралельному з'єднанні резисторів їх загальний опір ланцюга дорівнює

R = R 1 ∙ R 2 ∙ … ∙ R n /(R 1 + R 2 + … + R n)

За призначенням резистори діляться на:

• резистори загального призначення;
• резистори спеціального призначення.

За характером зміни опору резистори діляться на:

За способом монтажу:

• для друкарського монтажу;
• для навісного монтажу;
• для мікросхем та мікромодулів.

По виду вольт-амперної характеристики:

Колірне маркування резисторів

Залежно від габаритів та призначення резисторів для позначення їх номіналів застосовуються цифро-символьне маркування або маркування кольоровими смужками для резисторів навісного або друкованого монтажу. Символ у маркуванні може відігравати роль коми в позначенні номіналу: для позначення Ом застосовуються символи R і E, для кілом - символ К, для мегаом - символ М. Наприклад: 3R3 означає номінал в 3,3 Ом, 33Е = 33 Ом, 4К7 = 4,7 кОм, М56 = 560 кОм, 1М0 = 1,0 Мом.

Найбільш універсальним та практичним методом визначення номіналу резистора та його справності є безпосередній вимір його опору вимірювальним приладом. Однак при вимірі безпосередньо у схемі слід пам'ятати, що її харчування має бути відключено і що вимір буде неточним.