Тайна сопротивления проводника: что такое, формула

Электричество окружает нас повсюду. Но как оно движется по проводам и почему встречает сопротивление? Давайте разгадаем эту тайну вместе!

История открытия сопротивления проводников

В 1826 году немецкий ученый Георг Ом провел ряд экспериментов с различными проводниками. Он подавал на них напряжение от источников тока и измерял силу тока с помощью амперметра. Эти опыты позволили ему сформулировать закон, устанавливающий прямо пропорциональную зависимость между напряжением и током. Этот закон получил название закона Ома.

На основании своих экспериментов Ом ввел понятие электрического сопротивления - величины, характеризующей способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Эту величину назвали в честь ученого - ом.

Таким образом, Ом в 1826 году открыл явление сопротивления проводников электрическому току и установил количественную зависимость между сопротивлением, напряжением и силой тока.

Что такое электрическое сопротивление и от чего оно зависит

Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Обозначается буквой R.

В соответствии с законом Ома, сопротивление вычисляется по формуле:

R = U / I,

где U - напряжение на участке цепи, В; I - сила тока, А.

Сопротивление зависит от ряда факторов:

• Материала проводника
• Длины проводника
• Площади поперечного сечения
• Температуры

Для каждого материала существует характерная величина - удельное сопротивление , обозначаемая греческой буквой ρ. У разных материалов удельные сопротивления отличаются в сотни и тысячи раз.

Как измерить сопротивление проводника

Сопротивление проводника можно измерить несколькими способами:

1. С помощью закона Ома - измерив напряжение на участке цепи вольтметром и силу тока амперметром.
2. При помощи специального прибора - омметра, который позволяет определить сопротивление напрямую.

Омметр подключается к исследуемому участку цепи и на его шкале сразу отображается значение сопротивления в омах, килоомах или мегаомах. Этот метод измерения очень прост и удобен.

Формулы для расчета сопротивления проводника

Для однородных проводников постоянного сечения сопротивление вычисляется по формуле:

R = ρ·l/S,

где ρ - удельное сопротивление материала, Ом·м; l - длина проводника, м; S - площадь поперечного сечения, м².

Эта формула позволяет рассчитать сопротивление, зная характеристики проводника, без измерения напряжения и тока.

Для участка цепи сопротивление находится по закону Ома:

R = U/I

А для всей цепи с учетом источника тока используется формула:

Rвн + Rвнеш = E/I,

где E - ЭДС источника тока.

Зависимость сопротивления от физических факторов

Сопротивление проводников зависит от температуры. С повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, а полупроводников - уменьшается.

Величина, характеризующая эту зависимость, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается греческой буквой α.

Для металлов α составляет порядка 0,004 1/°C. То есть при нагреве на 1°C сопротивление увеличивается примерно на 0,4%.

Кроме того, на сопротивление могут влиять освещение, давление и другие факторы. Например, сопротивление селена резко падает при освещении. Это свойство используется в оптоэлектронных приборах.

Проводимость - величина, обратная сопротивлению

Помимо сопротивления R, для характеристики проводников используется величина проводимость , обозначаемая G.

Проводимость и сопротивление связаны соотношением:

G = 1/R

Чем больше сопротивление, тем меньше проводимость и наоборот.

Аналогично вводится понятие удельной проводимости (обозначение λ), которая вычисляется как:

λ = 1/ρ

Где ρ - удельное сопротивление.

Удельная проводимость количественно характеризует способность материала проводить электрический ток. У металлов она очень высока, у диэлектриков - низкая.

Как сопротивление помогает в технике и быту

Явление сопротивления широко используется в различных областях:

• Резисторы в электрических цепях
• Реостаты для регулировки силы тока
• Предохранители для защиты от перегрузок
• Обогревательные приборы (электрочайники, плитки, обогреватели)
• Датчики температуры, освещенности, давления и т.д.

Перспективным направлением является применение сопротивления в наноэлектронике для создания элементов микросхем нанометровых размеров.

Открытые вопросы и направления будущих исследований

Несмотря на многолетнюю историю изучения, тема сопротивления проводников не исчерпала себя и по сей день. Остается много открытых вопросов:

• Каковы пределы сопротивления веществ при сверхнизких и сверхвысоких температурах?
• Удастся ли создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре?
• Какие новые явления проявят себя в наномасштабах?

Это лишь некоторые из вопросов, которые еще предстоит решить ученым. Автор приглашает читателей присоединиться к увлекательным исследованиям в этой области и внести свой вклад в разгадку тайн электричества!

Применение зависимости сопротивления от температуры

Зависимость сопротивления проводников от температуры широко используется в различных областях.

Например, на этом принципе работают датчики температуры - терморезисторы. Их сопротивление меняется при нагревании, что позволяет определить текущую температуру. Терморезисторы применяются в системах контроля температуры, в термометрах, утюгах, холодильниках и другой бытовой технике.

Также температурная зависимость используется в защитных устройствах, таких как тепловые реле и предохранители. При нагреве из-за перегрузки их сопротивление резко возрастает, что приводит к срабатыванию защиты.

Сопротивление проводников при сверхнизких температурах

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление многих металлов резко падает. Например, в ртути при температуре 4 К сопротивление составляет менее 10^-5 от начального значения.

При температурах порядка десятков кельвинов у некоторых материалов наступает так называемое сверхпроводящее состояние - сопротивление полностью исчезает. Это явление активно изучается физиками, поскольку открывает широкие перспективы для применения в электроэнергетике и электронике.

Аномальная температурная зависимость сопротивления

У некоторых материалов зависимость сопротивления от температуры имеет аномальный характер. Например, у константана и манганина сопротивление практически не меняется в широком интервале температур.

Это свойство используется при создании прецизионных резисторов для измерительных приборов и эталонов. Такие резисторы называют термостабильными.

Кроме того, у углеродистых материалов наблюдается отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. с ростом температуры сопротивление падает. Это свойство также находит применение в технике.

Влияние других факторов на сопротивление

Помимо температуры, на сопротивление проводников может влиять освещение, давление, магнитное поле и другие факторы. Эти зависимости также используются в различных датчиках физических величин.

Например, фоторезисторы меняют свое сопротивление в зависимости от уровня освещенности. А магниторезистивные датчики - в зависимости от напряженности магнитного поля.

Тензорезисторы реагируют на механическое давление и деформацию. Их сопротивление изменяется при растяжении или сжатии. Это позволяет создавать измерители давления, весовые датчики, акселерометры и другие полезные устройства.