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, проходження 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 на 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 в 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 навколишнього середовища, 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 застосовуються 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.

Як уже зазначалося, сила струму в ланцюзі залежить не тільки від напруги на кінцях ділянки, але також від властивостей провідника, включеного в ланцюг. Залежність сили струму від властивостей провідників пояснюється тим, що різні провідники мають різний електричний опір.

Електричний опір R – фізична скалярна величина, що характеризує властивість провідника зменшувати швидкість упорядкованого руху вільних носіїв зарядів у провіднику. Позначається опір літерою R. У СІ одиницею опору провідника є Ом (Ом).

1 Ом - опір такого провідника, сила струму в якому дорівнює 1 А при напрузі на ньому 1 Ст.

Застосовуються та інші одиниці: кілоом (кОм), мегаом (МОм), міліом (мОм): 1 кОм = 10 3 Ом; 1 МОм = 10 6 Ом; 1 мОм = 10 -3 Ом.

Фізичну величину G, зворотну опору, називають електричною провідністю

Одиницею електричної провідності СІ є сименс: 1 См - це провідність провідника опором 1 Ом.

Провідник містить як вільні заряджені частинки - електрони, а й нейтральні частки і пов'язані заряди. Всі вони беруть участь у хаотичному тепловому русі, рівноймовірному у будь-яких напрямках. При включенні електричного поля під дією електричних сил переважатиме спрямований упорядкований рух вільних зарядів, які повинні рухатися з прискоренням та їх швидкість мала б з часом зростати. Але у провідниках вільні заряди рухаються із деякою постійною середньою швидкістю. Отже, провідник чинить опір упорядкованому руху вільних зарядів, частина енергії цього руху передається провіднику, у результаті підвищується його внутрішня енергія. Через рух вільних зарядів спотворюється навіть ідеальні кристалічні грати провідника, на спотвореннях кристалічної структури розсіюється енергія впорядкованого руху вільних зарядів. Провідник чинить опір проходженню електричного струму.

Опір провідника залежить від матеріалу, з якого він виготовлений, довжини провідника та площі поперечного перерізу. Для перевірки цієї залежності можна скористатися тією ж електричною схемою, що і для перевірки закону Ома (рис. 2), включаючи в ділянку ланцюга MN різні за розмірами провідники циліндричної форми, виготовлені з того самого матеріалу, а також з різних матеріалів.

Результати експерименту показали, що опір провідника прямо пропорційно довжині l провідника, обернено пропорційно площі S його поперечного перерізу і залежить від роду речовини, з якої виготовлений провідник:

де – питомий опір провідника.

Скалярна фізична величина, чисельно рівна опору однорідного циліндричного провідника, виготовленого з даної речовини і має довжину 1 м і площу поперечного перерізу 1 м 2 або опору куба з ребром 1 м. Одиницею питомого опору в СІ є ом-метр (Ом·м) .

Питомий опір металевого провідника залежить від

1. концентрації вільних електронів у провіднику;
2. інтенсивності розсіювання вільних електронів на іонах кристалічних ґрат, що здійснюють теплові коливання;
3. інтенсивності розсіювання вільних електронів на дефектах та домішках кристалічної структури.

Найменший питомий опір має срібло та мідь. Дуже великий питомий опір у сплаву нікелю, заліза, хрому та марганцю - "ніхрому". Питомий опір кристалів металів значною мірою залежить від наявності у них домішок. Наприклад, введення 1% домішки марганцю збільшує питомий опір міді втричі.

Настала черга дізнатися, що таке опір. Уявіть собі тепер уже звичайні кристалічні грати. Так ось ... Чим щільнішими будуть кристали розташовані один до одного, тим більше в них затримуватиметься зарядів. Значить, говорячи простою мовою- тим більше опір металу. До речі, опір будь-якого звичайного металу можна на якийсь час збільшити, нагріваючи його. «Чому?», - Запитайте. Та тому, що при нагріванні атоми металу починають посилено коливатися біля свого закріпленого зв'язками положення. Тому заряди, що рухаються, частіше стикатимуться з атомами, а значить частіше і більше затримуватимуться у вузлах кристалічної решітки. На рис.1 наведена наочна схема-складання, так би мовити для «непосвячених», де відразу видно, як виміряти напругу на опорі. Так само можна виміряти напругу і на лампочці. До речі, якщо, як видно з малюнка, наша батарея має напругу, припустимо, 15В(Вольт), а опір такий, що на ньому «осідає» 10В, то 5В, що залишилися, припадуть на лампочку.

Так виглядає закон Ома для замкненого ланцюга.

Якщо не вдаватися до подробиць, то цей закон говорить про те, що напруга джерела живлення дорівнює сумі падінь напруги на всіх його ділянках. Тобто. у разі, 15В = 10В + 5В. Але ... якщо все ж таки трошки вникнути в подробиці, то потрібно знати, що те, що ми називали напругою батареї, є не що інше як її значення при підключеному споживачі (у нашому випадку - це лампочка + опір). Якщо лампочку з опором від'єднати і виміряти значення напруги на батареї, воно виявиться дещо більше 15В. Це буде напруга холостого ходуі «обзивається» воно ЕРС батареї – електрорушійна сила. Насправді схема працюватиме як показано на рис.2. Насправді батарею можна як якусь іншу батарею з напругою, припустимо, 16В, що має деякий внутрішній опір Rвн. Значення цього опору обмаль і обумовлено технологічними особливостями виготовлення. З малюнка видно, що з підключеному навантаженні частина напруги батареї «осяде» з її внутрішньому опорі і її виході вже не 16В, а 15В, тобто. 1В «поглинеться» її внутрішнім опором. І тут також спрацює закон Ома для замкненого ланцюга. Сума напруги на всіх ділянках ланцюга виявиться рівною ЕРС батареї. 16В = 1В + 10В + 5В. Одиницею виміру опору є величина, звана Ом. Названо її так на честь німецького фізика Георга Симона Ом, який цими роботами і займався. 1Ом дорівнює електричному опору провідника (їм може, наприклад, і лампочка бути) між кінцями якого виникає напруга 1 вольт при силі постійного струму 1 ампер. Для визначення опору лампи необхідно заміряти на ній напругу та виміряти струм у ланцюгу (див. рис.5). Потім отримане значення напруги розділити на значення струму (R=U/I). Опори в електричних ланцюгах можуть з'єднуватися послідовно (кінець першого з початком другого - даному випадкуїх можна позначити довільно) та паралельно (початок з початком, кінець з кінцем - і в даному випадку їх можна позначити довільно). Розглянемо обидва випадки з прикладу лампочек - їх нитки розжарення складаються їх вольфраму, тобто. являють собою опір. Випадок послідовного з'єднання показано на рис.3.

Вийшла всім відома (а, отже, вважатимемо і зрозуміла-гірлянда). При такому з'єднанні струм I буде всюди однаковий незалежного від того, що це однакові лампи на одну і ту ж напругу або на різні. Треба відразу обмовитися, що однаковими вважаюсь лампи, на яких:

1. вказані одна напруга і струм (подібно лампочкам від кишенькового ліхтаря);
2. вказані одна напруга і потужність (подібно лампам освітлення).

Напруга U джерела живлення у разі «розкидається» за всіма лампами, тобто. U = U1 + U2 + U3. При цьому, якщо лампи однакові - на них напруга буде однаковою. Якщо лампи не однакові, то залежно від опору кожної лампи. У першому випадку напруга кожної лампі можна легко обчислити, розділивши напругу джерела загальну кількість ламп. У другому випадку треба покопатись у обчисленнях. Усе це ми розглянемо завдання цього розділу. Отже, ми з'ясували, що при послідовному з'єднанні провідників (в даному випадку - ламп) напруга U на кінцях всього ланцюга дорівнює сумі напруг послідовно включених провідників (ламп) - U = U1 + U2 + U3. За законом Омадля ділянки ланцюга: U1 = I * R1, U2 = I * R2, U3 = I * R3, U = I * R де R1 - опір нитки першої лампи (провідника), R2 - другий і R3 - третьої, R - повний опір всіх ламп. Замінивши у виразі U = U1 + U2 + U значення U на I * R, U1 на I * R1, U2 на I * R2, U3 на I * R3, отримаємо I * R = I * (R1 + R2 + R3 ). Звідси R = R1+R2+R3. Висновок: при послідовному з'єднанні провідників їх загальний опір дорівнює сумі опорів усіх провідників. Зробимо висновок: послідовне включення застосовується для кількох споживачів (наприклад, ламп новорічної гірлянди) з напругою живлення меншим за напругу джерела.

Випадок паралельного з'єднання провідників показано на рис.4.

При паралельному з'єднанні провідників їх початку та кінці мають загальні точки підключення до джерела. При цьому напруги на всіх лампах (провідниках) однаково незалежно від того, яка з них і на яку напругу розрахована, вони безпосередньо підключені до джерела. Звичайно, якщо лампа на меншу напругу, ніж джерело напруги - вона перегорить. А ось струм I дорівнюватиме сумі струмів у всіх лампах, тобто. I = I1 + I2 + I3. І лампи можуть бути різної потужності - кожна братиме той струм, на який розрахована. Це можна зрозуміти, якщо замість джерела уявити розетку з напругою 220В, а замість ламп - підключені до неї, наприклад, праска, настільна лампа та зарядний пристрій від телефону. Опір кожного приладу у такому ланцюзі визначається розподілом його напруги струм, що його споживає… знов-таки за законом Ома для ділянки ланцюга, тобто.

Відразу викладемо те що, що є величина, зворотна опору і називається вона - провідність. Позначається вона Y. У системі СІ позначається як См (Сіменс). Зворотний опір означає, що

Не вдаючись у математичні висновки, відразу скажемо, що з паралельному з'єднанні провідників(чи лампи, праски, мікрохвильові печі чи телевізори) величина, зворотна загальному опору, дорівнює сумі величин, зворотних опорам всіх паралельно включених провідників, тобто.

Враховуючи, що

Іноді у завданнях пишуть Y = Y1 + Y2 + Y3. Це одне й те саме. Є також зручніша формула для знаходження загального опору двох паралельно включених опорів. Виглядає вона так:

Зробимо висновок: паралельний спосіб увімкнення застосовується для підключення ламп освітлення та побутових електроприладів до електричної мережі.

Як з'ясували, зіткнення вільних електронів у провідниках з атомами кристалічних ґрат гальмують їх поступальний рух… Це протидія спрямованому руху вільних електронів, тобто. постійному струму становить фізичну сутність опору провідника. Аналогічний механізм опору постійному струму в електролітах та газах. Провідні властивості матеріалу визначають його об'ємний питомий опір ρv, що дорівнює опору між протилежними сторонамикуба з ребром 1м, виготовленого з цього матеріалу. Величина зворотна об'ємному питому опору, називається об'ємною питомою провідністю і дорівнює γ = 1/ρv. Одиницею об'ємного опору служить 1Ом*м, об'ємної питомої провідності – 1См/м. Опір провідника постійному струму залежить від температури. У випадку спостерігається досить складна залежність. Але при змінах температури відносно вузьких межах (приблизно 200°С) її можна виразити формулою:

де R2 та R1 - опори відповідно при температурах Т1 та Т2; α - температурний коефіцієнт опору, що дорівнює відносної зміни опору при зміні температури на 1°С.

Важливі поняття

Електротехнічний пристрій, що має опір і застосовується для обмеження струму, називається резистором. Регульований резистор (тобто є можливість змінювати його опір) називається реостатом.

p align="justify"> Резистивними елементами називаються ідеалізовані моделі резисторів і будь-яких інших електротехнічних пристроїв або їх частин, що чинять опір постійному струму незалежно від фізичної природи цього явища. Вони застосовуються при складанні схем заміщення ланцюгів та розрахунках їх режимів. При ідеалізації нехтують струмами через ізолюючі покриття резисторів, каркаси дротяних реостатів тощо.

Лінійний резистивний елемент є схемою заміщення будь-якої частини електротехнічного пристрою, в якій пропорційний струм напрузі. Його параметром є опір R = const. R = const означає, що значення опору незмінно (const означає постійна).
Якщо залежність струму від напруги нелінійна, то схема заміщення містить нелінійний резистивний елемент, який визначається нелінійною ВАХ (вольт-амперною характеристикою) I(U) - читається як «І від У». На рис.5 наведено вольт-амперні характеристики лінійного (лінія а) та нелінійного (лінія б) резистивних елементів, а також їх позначення на схмах заміщення.

Серед інших показників, що характеризують електричний ланцюг, провідник варто виділити електричний опір. Воно визначає здатність атомів матеріалу перешкоджати спрямованому проходженню електронів. Допомога у визначенні цієї величини може як спеціалізований прилад – омметр, і математичні розрахунки виходячи з знання взаємозв'язки між величинами і фізичними властивостями матеріалу. Вимірювання показника проводиться в омах (Ом), позначенням служить символ R.

Закон Ома — математичний підхід щодо опору

Співвідношення, встановлене Георгом Омом, визначає взаємозв'язок між напругою, силою струму, опором, що ґрунтується на математичному взаємовідношенні понять. Справедливість лінійного взаємозв'язку – R = U/I (ставлення напруги до сили струму) – відзначається в усіх випадках.
Одиниця виміру [R] = B/A = Ом. 1 Ом – опір матеріалу, яким йде струм в 1 ампер при напрузі в 1 вольт.

Емпірична формула розрахунку опору

Об'єктивні дані про провідність матеріалу випливають з його фізичних характеристик, що визначають як його властивості, так і реакції на зовнішні впливи. Тому провідність залежить від:

• Розміру.
• Геометрія.
• Температура.

Атоми провідного матеріалу стикаються із спрямованими електронами, перешкоджаючи їх подальшому просуванню. При високій концентрації останніх атоми не здатні їм протистояти і провідність виявляється високою. Великі значення опору характерні для діелектриків, які відрізняються практично нульовою провідністю.

Однією з визначальних характеристик кожного провідника є питомий опір – ρ. Воно визначає залежність опору від матеріалу провідника та впливів ззовні. Це фіксована (в межах одного матеріалу) величина, яка представляє дані провідника таких розмірів – довжина 1 м (ℓ), площа перерізу 1 кв. Тому взаємозв'язок між цими величинами виражається співвідношенням: R = ρ* ℓ/S:

• Провідність матеріалу падає зі збільшенням його довжини.
• Збільшення площі перерізу провідника спричиняє зниження його опору. Така закономірність обумовлена ​​зменшенням щільності електронів, отже, і контакт частинок матеріалу із нею стає більш рідкісним.
• Зростання температури матеріалу стимулює зростання опору, тоді як падіння температури тягне його зниження.

Розрахунок площі перерізу доцільно проводити згідно з формулою S = πd 2/4. У визначенні довжини допоможе рулетка.

Взаємозв'язок з потужністю (P)

З формули закону Ома, U = I*R і P = I*U. Отже, P = I 2 * R та P = U 2 /R.
Знаючи величину сили струму та потужність, опір можна визначити як: R = P/I 2 .
Знаючи величину напруги та потужності, опір легко обчислити за формулою: R = U 2 /P.

Опір матеріалу та величини інших супутніх характеристик можуть бути отримані із застосуванням спеціальних вимірювальних приладів або на підставі встановлених математичних закономірностей.

Відразу обмовимося, що мова підепро вимір опору електричного струму. Що воно є, і в чому вимірюється опір?

Три кити

Звідки взагалі береться такий опір? Всі матеріали в природі, з точки зору електропровідності, поділяються на 3 категорії – ізолятори, напівпровідники та провідники. Перші не проводять електричний струм взагалі (наприклад, скло, пластик, повітря), другі – пропускають струм лише за певних умов (кремній, германій), і основі побудована вся сучасна електроніка. Але цікавлять нас останні – всім знайомі провідники. Звичайний мідний дріт, провід, яким підключено ваш комп'ютер до розетки – все це провідники.

Які ж провідники можуть чинити опір електричному струму? Справа в тому, що ідеального провідника у природі не існує. У будь-якому, навіть "чистому" провіднику завжди є деяка частина домішок, які чинять опір електронам, що рухаються в тілі провідника. Зіткнення електронів з цими домішками викликає нагрівання, інколи ж (якщо щільність потоку занадто велика, тобто занадто великий струм) і руйнування провідника (на цьому заснована дія нагрівальних елементів і плавких запобіжників).

Трохи математики

У чому вимірюється опір провідника, чи вірніше сказати – електричного кола? Одиниця виміру цієї величини названа на честь фізика Георга Симона Ома. Так, того самого Ома, чий Закон ми всі навчали у школі. У технічній літературі позначається літерою "омега". Сам опір у розрахунках записують як "R" (U – напруга, I – струм, P – потужність тощо). Що означає ця величина? Розглянемо приклад. Відповідно до закону, того самого Ома, якщо наш провідник має опір 1 Ом, приклавши до його кінців напругу в 220 вольт, ми отримаємо струм (струм = напруга поділена на опір) 220 ампер. Помноживши струм на напругу, ми дізнаємося потужність: 220 вольт * 220 ампер = 48 400 ват, або 48 кіловат. Це дуже велика потужність, яку не витримає ніяка побутова проводка. По суті такий струм буде струмом короткого замикання. Це показує, наскільки важливо точно знати опір ланцюга перед подачею напруги! На щастя, дізнатися його не так складно, і навіть не обов'язково проводити якісь розрахунки. Існують спеціальні вимірювальні прилади – омметри, які показують величину опору постійному струму. Їх різновид мегомметри – призначені для вимірювання великих величин опорів, і використовуються переважно для перевірки ізоляції. Наразі зустріти омметри як окремі прилади складно. Здебільшого вони входять до складу комбінованих приладів – авометрів, або мультиметрів, які продаються в кожному кіоску китайських товарів.

Отже, вдалих вимірів!