Сопротивление — одна из сложнейших тем из курса школьной физики. Особенно, когда дело доходит до формул, вытекающих из различных правил, их запоминания и понимания материала.
Поэтому давайте все разложим по полочкам, чтобы не путаться в таких понятиях как: электрическое сопротивление, какая единица измерения силы тока, в чем измеряется напряжение.
Что такое сопротивление: единицы и размерности
Первым, кто предложил и доказал гипотезу о том, что имеется зависимость между силой тока от напряжения был физик Георг Ом. Ученый проводил исследования, достаточно тяжелые для понимания «простым смертным». А мы проведем более понятный всем опыт, который докажет прямую зависимость напряжения и силы тока в проводнике.
Для этого используем источник напряжения со встроенными в него приборами, измеряющими электрическое напряжение и силу тока.
При U в 1 Вольт — через катушку течет ток 0,15 А. Увеличим напряжение до 2 В — ток стал в 2 раза больше. Иногда ученые в своих исследованиях хотят повысить силу тока. Самый легкий для этого способ — это увеличить напряжение. Ведь законом Ома называется прямая пропорциональная зависимость между силой тока, протекающей через проводник, и напряжением, приложенным к ее концам. Его единица измерения — Ом. Поэтому, задаваясь вопросом: от чего зависит сопротивление проводника — ответом является сила тока и напряжение.
Обозначается сила тока латинской буквой I, напряжение — U.
Запомните, что эти две величины равны по фазам. Соответственно при построении векторов они будут располагаться прямо пропорционально (в одну сторону по горизонтали). И у одного и у другого фаза равна 0.
Физический смысл активного сопротивления (Z)
Понятие Z цепи немного отличается от понятия Омического R. В цепи тока может происходить преобразование электрической энергии в механическую. Например, при работе электродвигателя или химическую, при заряде аккумулятора.
В цепи переменного тока может иметь место поглощение электромагнитной энергии в сердечнике катушки. Энергия может передаваться из одной цепи в другую.
В случае переменного тока, его плотность в проводах убывает, поэтому рабочее сечение провода оказывается меньше геометрического размера. Действующее активное R возрастает по сравнению со значением сопротивления, определенного по удельному типу. В результате, при использовании переменного тока, проводник нагревается сильнее, чем при постоянном.
Поэтому в радиотехнике высокой частоты, проводники делают рубчатыми, а поверхность покрывают серебром или золотом, что предотвращает окисление.
Формула активного R: Z=U*I.
Физический смысл реактанса
Электрическая цепь характеризуется 3 параметрами:
- Z;
- индуктивностью (L);
- емкостью (C).
Как мы уже разобрали, в активных элементах электрическая энергия преобразуется в теплоту. Но есть также и реактивные элементы, к которым как раз и относятся индуктивность с емкостью, где энергия в виде тепла не выделяется, а периодически накапливается и возвращается обратно в цепь.
В индуктивности U опережает ток на 90 градусов. Значит, если построить векторы — I будет направлен по горизонтали, а вектор U пойдет под углом 90 градусов, т.е. ровно по вертикали.
В емкости же эти 2 величины просто меняются местами.
Любой элемент в электрической цепи будет иметь свое сопротивление. С омическим R мы уже знакомы. Главное отличие активных элементов от реактивных то, что вторые накапливают в себе энергию и через какое-то время отдают ее.
А как уже было сказано: индуктивность, емкость — реактивные элементы и так же имеют свое сопротивление. Это значит, что существует понятие индуктивное (XL) и емкостное (XC) R.
Формула реактивного сопротивления проводника XC = 1/2πfC
Где f -частота тока,
C — емкость
Отсюда появилась и зависимость:
X = XL — XC
Удельное сопротивление
Еще раз проговорим, что сопротивление возникает при взаимодействии электронов с ионами кристаллической решетки. Причем, чем больше проводник, тем и сильнее само сопротивление. Поэтому можно и предположить, что толщина проводника так же влияет на R. А разные вещества по-разному проводят ток.
Исходя из всех этих знаний, можно установить следующие физические законы:
- чем длиннее проводник, тем больше его R;
- чем толще проводник, тем меньше его сопротивление;
- R проводников одинаковой длины и ширины могут быть разными, важен сам материал, по которому проходят электроны и ионы.
Удельное сопротивление (p) — это зависимость площади поперечного сечения, длины и сопротивления проводника из данного вещества. Единица измерения (СИ) = Ом*мм^2/м
Например, удельное сопротивление алюминия 0,28 Ом, ртути 0,96 Ом, удельное сопротивление меди 0,017 Ом.
Формула: p = RS/l
Как найти сопротивление в цепи
Так, R называется отношение напряжения к силе тока: R = U/I.
Эту формулу для закона Ома можно записать еще двумя способами:
Чтобы найти I надо напряжение поделить на сопротивление: I = U/R,
А напряжение, умножив силу тока на сопротивление: U= I*R
Все эти 3 значения Ом объединил в один треугольник, поделив его на 3 части. Вершиной является R, левым боком I, правым — U.
Зная, в чем измеряется сила тока, напряжение, сопротивление, вы всегда сможете сориентироваться в задачах по физике.
