Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 38. Розрахунок опору провідника. Питомий опір речовини. Реостати
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. З'ясувати характеристики, від яких залежить опір провідника, можна за допомогою дослідів, що продемонстровано на рис. 38.1 і 38.2. Об'єднайтеся в групи. Уважно розгляньте рисунки, обговоріть і складіть план можливого дослідження. Презентуйте план своєї групи іншим групам. Наприкінці уроку оберіть групу, яка краще за всіх впоралась із завданням.
1. Які параметри провідника необхідно знати, щоб розрахувати його опір?
Коли в металевому провіднику йде струм, вільні електрони, рухаючись напрямлено, зіштовхуються з йонами кристалічної ґратки металу — провідник чинить опір електричному струмові.
Опір провідника залежить від його довжини, площі поперечного перерізу, а також від речовини, з якої виготовлений провідник:
де R — опір провідника; l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; ρ — коефіцієнт пропорційності, що залежить від речовини (матеріалу), з якої виготовлений провідник. Цей коефіцієнт називають питомим опором речовини.
Рис. 38.1. Дослід, який доводить, що опір провідника прямо пропорційний його довжині. На рисунку: 1 — клеми; 2 — лінійка; 3 — ніхромовий дріт (провідник); 4 — повзунок; 5 — джерело струму
2. Що називають питомим опором речовини?
Питомий опір речовини — це фізична величина, яка характеризує електричні властивості даної речовини й чисельно дорівнює опору виготовленого з неї провідника завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.
Одиниця питомого опору в СІ — ом-метр:
[ρ] = Ом • м.
Питомі опори речовин визначають дослідним шляхом і заносять у таблиці (див. табл. 7 Додатка 1). Значення питомого опору істотно залежить від температури речовини, тому в таблицях обов’язково зазначають температуру, за якої подані значення стають дійсними.
• Скориставшись даними табл. 7 Додатка 1, поясніть, чому для виготовлення електропроводки в приміщеннях зазвичай використовують алюміній і мідь, а не значно дешевшу сталь. Чому гуму, склопластик, кераміку застосовують в електротехніці як ізолятори?
Рис. 38.2. Дослід, який доводить, що опір провідника обернено пропорційний площі його поперечного перерізу
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Властивість матеріалів змінювати свій опір під впливом зовнішніх факторів широко застосовують у техніці. Наприклад, фоторезистори, які змінюють опір при зміні освітлення, допомагають автоматично вмикати вуличне освітлення.
Є й інший приклад. Ідеться про детектор брехні, або поліграф. Цей прилад вимірює опір шкіри, який змінюється, коли людина нервує. Поки розробники методу не довели, що оператор може на 100 % ідентифікувати саме брехню. У більшості європейських країн поліграф використовують як допоміжний засіб збирання доказової бази.
3. Для чого використовують реостати?
На тому факті, що опір провідника прямо пропорційний його довжині, базується принцип дії реостатів.
Реостат — це пристрій зі змінним опором, призначений для регулювання сили струму в електричному колі.
З найпростішим реостатом ви вже зустрічалися, коли з’ясовували залежність опору провідника від його довжини (див. рис. 38.1). Звичайно, реостати, які застосовують на практиці, зручніші. Розглянемо двоконтактний повзунковий реостат (рис. 38.3). Металевий дріт (3) намотують на керамічний циліндр (2) і таким чином зменшують габарити реостата. Над обмоткою закріпляють металевий стрижень (5), на якому розташовують повзунок (4). Реостат має дві клеми (два контакти), одна з яких (1) з’єднана з обмоткою, а інша (6) — зі стрижнем. Коли реостат приєднаний до кола, електричний струм проходить від однієї клеми до іншої (у даному випадку — від клеми (1) до клеми (6), тобто спочатку у витках обмотки до повзунка, а потім у стрижні).
Рис. 38.3. Двоконтактний повзунковий реостат: а — загальний вигляд: 1, б — клеми; 2 — керамічний циліндр; 3 — металевий дріт (обмотка); 4 — повзунок; 5 — металевий стрижень; 6 — умовне позначення на схемах
На практиці крім повзункових реостатів використовують й інші типи реостатів, наприклад важільні (секційні) реостати (рис. 38.4). На відміну від повзункових, опір важільних реостатів змінюється стрибками, відповідно стрибками змінюється й сила струму. Важільні реостати застосовують для вмикання і вимикання електродвигунів.
Рис. 38.4. Важільний (секційний) реостат: а — загальний вигляд; б — схема: 1 — металевий дріт; 2 — важіль; 3 — контакт; стрілками показано напрямок струму
• Розгляньте рис. 38.4, б. У скільки разів зменшиться опір секційного реостата, якщо важіль перемкнути з контакту А на контакт Б?
Кожний реостат розрахований на певну напругу. Максимальний опір реостата й найбільша можлива напруга на ньому зазначені в спеціальній таблиці на корпусі пристрою. Обмотки реостатів зазвичай виготовляють із металів (сплавів) із високим питомим опором (константан, манганін, ніхром, фехраль).
А ЯК НАСПРАВДІ?
На презентації свого проєкту восьмикласниця Ірина надала перелік провідників у порядку зростання їхнього питомого електричного опору: срібло, платина, нікелін, порцеляна, ніхром, графіт. А потім запитала: «Чи все правильно я зробила?». Більшість однокласників порівняли перелік з табл. 7 Додатка 1 і відповіли: «Так!».
А яка ваша думка щодо цього?
4. Учимося розв’язувати задачі
Задача 1. Обчисліть силу струму в мідному дроті, який має довжину 10 м і площу поперечного перерізу 0,5 мм2; напруга на кінцях дроту становить 34 мВ.
Задача 2. На рисунку зображено схему електричного кола, яке складається з джерела струму, електричної лампи та реостата. Як зміниться сила струму в лампі, якщо повзунок реостата пересунути праворуч?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Доведіть, що провідник чинить опір електричному струмові. 2. За якою формулою обчислюють опір провідника? 3. Що таке питомий опір речовини? 4. Якими властивостями речовини визначається можливість її використання для виготовлення електропроводки? 5. Що таке реостат? 6. Які типи реостатів ви знаєте? 7. Опишіть будову та принцип дії повзункового реостата. 8. Як позначають повзунковий реостат на схемі?
ВПРАВА № 38
1. На рис. 1 зображено провідники, що мають однакову площу поперечного перерізу, але виготовлені з різних речовин (заліза, міді, свинцю). Визначте, з якої речовини виготовлений кожний провідник, якщо відомо, що їхні опори однакові.
Рис. 1
2. Як зміняться опір реостата і сила струму в колі (рис. 2), якщо повзунок реостата пересунути праворуч?
Рис. 2
3. Обчисліть опір мідного дроту завдовжки 2 м, якщо площа його поперечного перерізу становить 6,8 мм2.
4. Накресліть схему кола, що подано на рис. 3. Як зміняться покази амперметра і яскравість світла від лампочки, якщо повзунок реостата пересунути праворуч?
Рис. 3
5. Яким має бути завдовжки ніхромовий дріт із площею поперечного перерізу 0,2 мм2, щоб за напруги на його кінцях 4,4 В сила струму в ньому становила 0,4 А?
6. Дріт, що має опір 25 Ом, розрізали навпіл і половини звили. Як і в скільки разів змінився опір дроту? Поясніть свою відповідь.
7. Під час проходження електричного струму в алюмінієвому дроті завдовжки 100 м напруга на кінцях дроту становить 7 В. Чому дорівнює маса дроту, якщо сила струму в ньому 10 А?
8. Скориставшись рис. 4, опишіть принцип дії штепсельного реостата.
Рис. 4. Штепсельний реостат (магазин опорів): 1 — затискачі; 2 — мідна пластина; 3 — штепсель; 4 — спіраль
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
Виготовте з металевого дроту резистор, що має опір 0,2 Ом. Опишіть свої дії. Зазначте діаметр і довжину використаного дроту, метал, з якого він виготовлений.
Ключові терміни
Питомий опір речовини • Ом-метр • Реостат
