§ 30. Електричним опір металевих провідників. Питомий опір

Ви дізнаєтесь Електричним опір металевих провідників. Питомий опір

Електричний опір металевих провідників. Опір металів зумовлений взаємодією електронів, що рухаються в провіднику, з йонами кристалічної ґратки. У процесі взаємодії електрони втрачають частину енергії, яку вони отримують в електричному полі.

Ця енергія перетворюється у внутрішню енергію. Відповідно, під час проходження по металевому провіднику електричного струму він нагрівається. Дослідимо, як залежить електричний опір металевих провідників від їхньої довжини, площі поперечного перерізу, а також від речовини, з якої вони виготовлені.

Для встановлення цієї залежності проведемо низку дослідів.

Складемо електричне коло, в якому послідовно з’єднані джерело струму, амперметр і демонстраційна панель, на якій закріплені провідники (мал. 134), Два з них виготовлені з ніхрому й мають однакову довжину, але різну площу поперечного перерізу. Третій виготовлений зі сталі й має таку саму довжину, як інші провідники, та площу поперечного перерізу, як у другого провідника з ніхрому. Прилад сконструйовано таким чином, що можна включати в електричне коло як увесь провідник (контакти з лівого боку панелі), так і його половину (один контакт із лівого боку панелі, а інший — із правого).

Будемо спочатку включати в електричне коло весь провідник і спостерігати за показами амперметра, а потім його половину. Помітимо, що незалежно від речовини, з якої виготовлено провідник, та

площі поперечного перерізу струм при включенні всього провідника вдвічі менший, ніж при включенні половини провідника. Тобто опір усього провідника вдвічі більший, ніж його половини.

Це пояснюється тим, що чим більшою є довжина провідника (/), тим більше електрони, що впорядковано рухаються, стикатимуться з йонами металу, а отже, більшим буде електричний опір.

I    I₁

Опір провідника прямо пропорційний його довжині:

R-L

Повторимо дослід, звертаючи увагу на покази амперметра в разі включення провідників з ніхрому однакової довжини, але різної площі поперечного перерізу. Помітимо, що якщо включено провідник із більшою площею поперечного перерізу, амперметр показує більший струм. Оскільки напруга є однаковою, а струм у провіднику з більшою площею поперечного перерізу більший, то опір такого провідника буде меншим.

Пояснюється це тим, що чим більшим є поперечний переріз провідника (S), тим із меншими перешкодами рухатимуться впорядковані електрони і тим меншим буде електричний опір.

Проведемо дослід, звертаючи увагу на показання амперметра в разі включення в електричне коло за тієї самої напруги провідників з ніхрому та сталі, які мають однакову довжину й площу поперечного перерізу. Помітимо, що величина струму відрізнятиметься.

Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні структури, отже, гальмівна дія зіткнень йонів і вільних електронів виявляється різною.

Опір провідника залежить від речовини, з якої його виготовлено.

Питомий опір речовини провідника. Залежність опору провідника від речовини, з якої його виготовлено, характеризують спеціальним параметром: питомим опором речовини.

Питомий опір речовини провідника — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу I M².

Позначається літерою р (читається «ро»). Одиницею питомого опору в CI є ом · Al.

1 Ом -м — це питомий опір провідника довжиною 1 м та площею поперечного перерізу 1 м², що має опір 1 Ом:

На практиці найчастіше площу поперечного перерізу провідника виражають у мм². Оскільки вона невелика (наприклад, поперечний переріз провідників електричної мережі в квартирі становить 2,5 мм²), то користуються такою одиницею питомого опору:

Різні речовини мають різні питомі опори. У таблиці (на форзаці) наведено питомі опори деяких речовин і сплавів за температури 20 °С (оскільки опір провідників залежить від температури).

Під час проходження по металевому провіднику електричного струму він нагрівається. З підвищенням температури розмах коливань йонів зростає і частішими стають їхні співудари з електронами. Тому опір металів залежить від температури.

Як видно з таблиці, метали (срібло, мідь, свинець, алюміній) мають порівняно невеликий питомий опір. Для провідників в електричних колах використовують дроти з міді, алюмінію.

В електричних лампах, електронагрівальних приладах найчастіше використовують сплави з великим питомим опором (нікелін, ніхром, фехраль).

Формула для визначення опору металевого провідника. Залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше за результатами дослідів установив Георг Ом. Він дійшов висновку, що

опір провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу і залежить від речовини, з якої виготовлено провідник.

Формулу для розрахунку опору провідника записують у вигляді:

де R — опір провідника; Z — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; р — питомий опір речовини провідника.

Підбиваємо підсумки

Опір металевого провідника прямо пропорційний його довжині, обернено пропорційний площі його поперечного перерізу й залежить від речовини, з якої виготовлено провідник: R = p — , де R — опір провідника;

S

І — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; р — питомий опір речовини провідника.

Питомий опір речовини провідника — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник довжиною 1 м і площею поперечного перерізу I M².

А знаю, вмію та можу полонити

1.    Від чого залежить опір металевого провідника?

2.    За якою формулою визначають опір провідника?

3.    Що показує питомий опір?

ПОЯСНІТЬ

Один із двох провідників з однаковою площею поперечного перерізу, виготовлених з одного й того самого матеріалу, вдвічі коротший за другий. Який із провідників має більший електричний опір й у скільки разів?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Обмотку реостата виготовлено з нікелінового дроту довжиною 50 м і площею поперечного перерізу 0,5 мм². Напруга на затискачах реостата становить 40 В. Чому дорівнює сила струму, що проходить крізь реостат?

1.    Обчисліть опір залізного дроту завдовжки 1 м, якщо його поперечний переріз 10 MM².

2.    Опір мідного дроту довжиною 90 м дорівнює 2 Ом. Визначте площу поперечного перерізу дроту.

3.    Електричне коло містить дві ділянки з мідного дроту, що мають однакову довжину, але різну площу перерізу: 1,6 мм² і 0,8 мм². Яка ділянка має менший опір і в скільки разів?

4.    Визначте, скільки метрів нікелінового дроту перерізом 0,1 мм² потрібно для виготовлення реостата опором 180 Ом.

5.    Визначте масу мідного дроту, довжина якого 2 км й опір 8,5 Ом. Густина міді 8,9 г/см³.

6.    До будинку підведено кабель із мідними жилами загальним перерізом 100 мм². Довжина кабелю дорівнює 80 м. Який його опір?

7.    Визначте опір кожного кілометра мідного трамвайного проводу, поперечний переріз якого дорівнює 51 MM².

8.    Крізь нікеліновий провідник довжиною 5 м і поперечним перерізом 0,12 мм² протікає струм силою 1,5 А за напруги 24 В. Визначте питомий опір нікеліну.

9.    Скільки треба взяти метрів мідного дроту перерізом З мм², щоб його опір був таким самим, як опір алюмінієвого дроту перерізом 4 мм² і довжиною 15 м?

1.    Що відбуватиметься з підвішеною на шовковій нитці неза-рядженою легкою кулькою, якщо до неї піднести заряджене тіло?

А кулька притягнеться до зарядженого тіла Б кулька відштовхнеться від зарядженого тіла В кулька спочатку притягнеться до зарядженого тіла, а після контакту з ним — відштовхнеться Г оскільки кулька незаряджена, то вона не взаємодіятиме із зарядженим тілом

2.    Для чого легкі гільзи або кульки, з якими демонструють досліди із взаємодії зарядів, підвішують на шовкових нитках?

А шовкові нитки легкі й гнучкі Б шовкові нитки тонкі й міцні

В шовкові нитки не проводять електричних зарядів Г шовкові нитки добре електризуються

3.    Сила струму в колі електричної лампи дорівнює 0,3 А. Скільки електронів проходить крізь поперечний переріз спіралі за 5 хв?

А 56 · IO²⁰ електронів    В 5600 електронів

Б 5,6 · IO²⁰ електронів Г 56 електронів

4.    Сила струму в залізному провіднику завдовжки 2 м і площею поперечного перерізу 0,2 MM² дорівнює 200 мА. Яка напруга на кінцях провідника?

А 2 В    Б 20 В    В 0,2 В Г 200 В

5.    Які частинки є вільними носіями заряду в металевих провідниках?

А негативно заряджені йони Б позитивно заряджені йони В йони обох знаків Г електрони

6.    Оберіть схему електричного кола {мал. 135), у якому при замиканні ключа 2 дзвінок не працює, а лампочка світиться.

А 1 і 2    Б З    В 2    Г 1, 2 і 4

1.    Маємо три однакові металеві кульки, підвішені на шовкових нитках. Заряд однієї дорівнює 2 нКл, другої -(-12 нКл), а третьої — 4 нКл. Кульки зіткнули та розвели. Який заряд матимуть кульки після цього?

А 8 нКл    Б 2 нКл    В -8 нКл    Г -2 нКл

2.    Укажіть напругу на реостаті, якщо під час проходження по ньому електричного заряду 12 Кл електричне поле виконало роботу 720 Дж.

А 20 В    Б 60 В    В 0,2 В    Г 8,64 кВ

3.    Опір мідного дроту завдовжки 1 км, якщо його поперечний переріз 10 MM^{14 15}1 дорівнює...

А 17 0м    В    170 Ом

Б 1,7 0м    Г    0,017 Ом

Рівень C (достатній)

1. Поясніть процеси, зображені на малюнку 137.

1.    Оберіть графік залежності сили струму в металевому провіднику від напруги, який відповідає провіднику з найменшим опором (мал. 136).

Al    В    З

Б 2    Г    4

2.    У спіралі електронагрівача, виготовленого з нікелінового дроту площею поперечного перерізу 0,1 mm¹⁴ за напруги 220 В сила струму 4 А. Визначте довжину дроту.

3.    Два негативні заряди перебувають на відстані 20 мм один від одного. Заряди взаємодіють із силою 8,1 · 10 ¹⁶ Н. Визначте величину кожного з двох зарядів.

Рівень D (високий)

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна