Фізика. 8 клас. Максимович

§ 26. Залежність опору провідника від його довжини, площі поперечного перерізу та матеріалу. Питомий опір. Реостати

Кожен/кожна з вас любить мультфільми та художні фільми. Їх, звичайно, можна дивитися вдома, але значно цікавіше — з друзями в кінотеатрі. Ви запасаєтеся чимось смачненьким, умощуєтеся зручно в м’яких кріслах і очікуєте на позитивні емоції. Ось світло плавно згасає — і починається подорож у світ кінематографа. А чи замислювалися ви, чому світло згасає поступово? Як досягають такого ефекту? З’ясуймо!

Дізнайтеся про...

залежність опору провідника від його геометричних розмірів;
питомий опір провідника;
реостат;
залежність опору провідника від температури.

1. Залежність опору провідника від його геометричних розмірів. Питомий опір

Від чого залежить опір провідника? Проведемо знову аналогію з ярмарком (§ 25). Вам легше було б подолати шлях через майдан, якби людей було менше; якби відстань, яку потрібно пройти, була б меншою, а ширина майдану — більшою з тією самою кількістю людей. Тож опір провідника буде меншим, якщо довжина (l) його менша, а площа поперечного провідника (S) — більша.

Є ще одна величина, від якої залежить опір провідника, — питомий опір.

Питомий опір — фізична величина, що характеризує електричні властивості речовини і чисельно дорівнює опору провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 м², виготовленого з даної речовини.

Отже, опір провідника залежить від геометричних розмірів (довжини провідника, площі поперечного перерізу) і роду речовини провідника (питомого опору провідника) за сталої температури. Математичний запис цієї залежності має вигляд:

Нагадуємо, що опір провідника також можна визначити із закону Ома:

проте ні від напруги, ні від сили струму він не залежить.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Із двох провідників однакової площі поперечного перерізу, виготовлених з однакової речовини, перший удвічі коротший за другий. Який з провідників має більший електричний опір і в скільки разів?
2. Металеву дротину розрізали навпіл по довжині й половинки сплели. Як змінився опір провідника?

2. Реостат

У театрі, кінотеатрі, цирку, на вулиці світло гасне плавно, бо струм зменшують поступово. Трамваї, тролейбуси змінюють швидкість руху поступово завдяки плавній зміні сили струму. А як це роблять? На допомогу приходить прилад — реостат.

Слово «реостат» (у перекладі з грецької — «регулювальний пристрій») запропонував приблизно в 1845 р. Чарльз Вітстон. Принцип дії цього приладу ґрунтується на законі Ома та залежності опору від геометричних розмірів провідника.

Реостат — прилад для регулювання сили струму в електричному колі.

Сила струму в ділянці кола за однакової напруги обернено пропорційна до опору, тому виникла ідея змінювати опір у колі. Оскільки речовину та площу поперечного перерізу провідника змінити складно, а довжину провідника регулювати легко, то в цьому приладі використовують залежність опору від довжини провідника.

Реостати є повзункові та важільні. Важільний реостат складається з провідника з великим питомим опором, натягнутого на раму (мал. 26.1). Дріт проходить через декілька контактів. Приєднуючись до потрібного контакту, отримують необхідний опір, змінюючи його ступенями — стрибками. Такі реостати використовують переважно для запуску та вимкнення електродвигунів.

Мал. 26.1. Важільний реостат

Повзунковий реостат (мал. 26.2) складається з керамічного циліндра (1), на який щільно намотано багато витків провідника з великим питомим опором (обмотка — 2). Провідник покритий шаром окалини, який стирається ковзними контактами. Зверху над циліндром розміщено металевий стрижень (3), по якому може ковзати повзунок (4) з двома ковзними контактами (5). Реостат має дві клеми, одна з яких з’єднана із стрижнем (червона — 6), а друга (чорна — 6) — з обмоткою.

Мал. 26.2. Повзунковий реостат

Під час пересування повзунка стирається шар окалини і електричний струм протікає від клеми до клеми через витки обмотки провідника, ковзний контакт і стрижень. Також змінюється довжина провідника, а отже, його опір.

Важливо пам’ятати, що кожен реостат розрахований на певний опір і невелику допустиму силу струму, яку перевищувати не можна, бо прилад перегорить. Опір реостата і допустиме значення сили струму вказані на ньому.

На електричних схемах реостат має своє умовне позначення (мал. 26.3.)

Мал. 26.3. Умовне позначення реостата на схемах

Принципова відмінність між важільним і повзунковим реостатами полягає в тому, що за допомогою повзункового реостата опір, а відповідно і силу струму в колі, можна змінювати плавно, а за допомогою важільного реостата можна обирати задані значення опору й відповідно створювати певні значення сили струму. Тобто ці величини змінюються стрибкоподібно.

3. Приклад розв’язування задачі

Задача. У коло джерела струму, що дає напругу 6 В, увімкнули шматок нікелінового дроту довжиною 25 см і площею поперечного перерізу 0,1 мм². Визначте силу струму, яка встановилася в колі.

4. Залежність опору провідника від температури

Повернемося на святковий ярмарок. Уявіть, що в натовпі хтось вигукнув: «Артисти уже на сцені!». Люди починають підходити ближче до сцени, виникає штовханина. Вам з товаришем іти через майдан стає важче. А що за аналогією відбувається в електричному провіднику під час його нагрівання? Йони кристалічної ґратки починають рухатися інтенсивніше, отже, температура зростає і вільним електронам проходити через провідник стає важче — опір збільшується. Зі збільшенням температури опір провідника зростає.

Запам'ятайте

Реостат — прилад для регулювання сили струму в електричному колі.

Опір провідника залежить від геометричних розмірів (довжини провідника, площі поперечного перерізу) та роду речовини провідника (питомого опору провідника) за сталої температури.

Перевірте себе

1. Чи зміняться показники амперметра (мал. 26.4), якщо повзунок реостата переміщувати вправо? Якщо зміняться, то як?

Мал. 26.4. Схема електричного кола

2. На скільки більший опір латунного провідника довжиною 1 м і площею поперечного перерізу 1 мм² від алюмінієвого таких самих розмірів?

3. Визначте питомий опір провідника довжиною 0,5 км, якщо його опір становить 22 Ом, а площа поперечного перерізу 10 мм².

4. Визначте площу поперечного перерізу нікелінового дроту довжиною 8 м, необхідного для виготовлення реостата опором 20 Ом.

5. Визначте напругу, яку треба прикласти до кінців сталевого дроту довжиною 8 м і площею поперечного перерізу 4,8 мм², щоб одержати в ньому струм 5 А.

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Реостат

Rheostat