Фізика. Повторне видання. 8 клас. Сиротюк

§ 30. Залежність опору провідника від його довжини, площі поперечного перерізу та матеріалу. Реостати

Ви вже знаєте, що причиною електричного опору провідника є взаємодія вільних електронів з йонами кристалічних ґраток металу. Розглянемо тепер, від чого залежить опір провідника. Для цього проведемо такі досліди.

Дослід 1. В електричне коло (мал. 182) вмикатимемо по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, мають однаковий поперечний розріз, але різні довжини. Силу струму вимірюватимемо амперметром, а напругу - вольтметром.

Мал. 182

Провівши досліди, доходимо такого висновку: що довший провідник, то більший його електричний опір. Тобто, у довшому провіднику частинки, що рухаються напрямлено, зазнають на своєму шляху більшої протидії.

Дослід 2. Вмикатимемо в електричне коло по черзі провідники, які виготовлені з однакового матеріалу, однакової довжини, але мають різні поперечні перерізи. Вимірявши силу струму в провідниках і напругу на їхніх кінцях, переконаємося: що товщий провідник, то менший його електричний опір. Збільшення товщини провідника рівнозначне «розширенню русла», яким рухаються заряди, тому й опір провідника зменшується.

Дослід 3. Тепер в електричне коло будемо по черзі вмикати провідники однакової довжини та площею поперечного перерізу, але виготовлені з різних речовин. У результаті виявимо, що електричний опір провідника залежить від того, з якої речовини його виготовлено. Це пояснюється тим, що провідники з різних металів мають різні кристалічні структури, отже, гальмівна дія зіткнень йонів і вільних електронів виявляється різною.

Вищезгадану залежність опору провідника від його розмірів і речовини, з якої виготовлено провідник, уперше встановив дослідним шляхом Георг Ом:

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

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

Питомий опір речовини — це фізична величина, що показує, який опір має виготовлений із цієї речовини провідник завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу 1 м2.

Якщо довжину провідника позначити літерою l, площу його поперечного перерізу - S, питомий опір - p, то опір провідника визначатиметься за такою формулою:

Із цієї формули можна визначити питомий опір речовини:

Оскільки одиницею опору є 1 Ом, одиницею площі поперечного перерізу - 1 м2, одиницею довжини - 1 м, то одиницею питомого опору буде: 1 Ом • 1 м2/1 м = 1 Ом • м.

На практиці площу поперечного перерізу провідників зазвичай виражають у квадратних міліметрах, тому одиницею питомого опору речовини в цьому разі є 1 Ом • мм2/м.

У таблиці 11 подано визначені експериментально значення питомого опору широко застосовуваних на практиці речовин.

Таблиця 11

Питомий електричний опір деяких речовин (t = 20 °С)

Речовина

p, Ом • мм2

Речовина

p, Ом • мм2

Речовина

p, Ом • мм2

Срібло

0,016

Свинець

0,21

Ніхром (сплав)

1,1

Мідь

0,017

Нікелін (сплав)

0,40

Фехраль (сплав)

1,3

Золото

0,024

Манганін (сплав)

0,43

Графіт

13

Алюміній

0,028

Константан (сплав)

0,50

Фарфор (порцеляна)

1019

Вольфрам

0,050

Ртуть

0,96

Ебоніт

1020

Залізо

0,10

Як бачимо з таблиці 11, найкращими провідниками електрики є срібло, мідь, золото. Але для практичних потреб (наприклад, створення електромереж) провідники виготовляють з алюмінію, міді й заліза.

У нагрівальних елементах застосовують ніхромові й фехралеві провідники. Фарфор (порцеляна) та ебоніт є чудовими ізоляторами.

Бачимо, що для різних речовин значення питомого опору змінюються в дуже широких межах. Це пояснюється тим, що вони мають різну внутрішню будову.

На практиці часто доводиться змінювати силу струму в колі, роблячи її то більшою, то меншою. Наприклад, змінюючи силу струму в електроплитці, ми регулюємо температуру її нагрівання. Для регулювання сили струму в електричному колі застосовують спеціальні прилади - реостати. На малюнку 183 показано зовнішній вигляд реостатів (їх умовне позначення подано в таблиці 9, с. 107-108). Такі реостати називають повзунковими. У них на керамічний циліндр намотано дріт, покритий тонким шаром окалини, тому витки дроту ізольовані один від одного. Над обмоткою розміщено металевий стержень, уздовж якого може переміщуватися повзунок.

Мал. 183

Від тертя повзунка об витки шар окалини під контактами повзунка стирається, і електричний струм у колі проходить від витків дроту до повзунка, а крізь нього - у стержень, який має на кінці затискач. Реостат вмикають у коло за допомогою цього затискача й затискача, з’єднаного з одним з кінців обмотки й розміщеного на корпусі реостата. Переміщуючи повзунок по стержню, можна збільшувати або зменшувати опір увімкненого в коло реостата.

На малюнку 184 зображено реостат (а) і магазини опорів (б), за допомогою яких можна змінювати опір у колі не плавно, а стрибкоподібно.

Кожний реостат розрахований на певний опір і на певну допустиму силу струму, перевищувати яку не слід, тому що обмотка реостата може розжаритися й перегоріти. Опір реостата і найбільше допустиме значення сили струму зазначено на корпусі реостата.

Мал. 184

Мал. 185

Для вимірювання опору провідників використовують прилади, які називають омметрами. Скористаємося одним з видів омметрів, які бувають різних конструкцій. Щоб виміряти опір провідника, приєднаємо до нього омметр (мал. 185). Цифровий індикатор приладу показує, що опір провідника дорівнює 0,64 Ом.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що характеризує електричний опір і як його позначають?
  • 2. Від чого залежить опір провідника?
  • 3. За якою формулою визначають опір провідника?
  • 4. Що показує питомий опір? Якою літерою його позначають?
  • 5. Які ви знаєте одиниці питомого опору?
  • 6. Є два провідники. У якого з них більший опір, якщо вони: а) мають однакову довжину і площу поперечного перерізу, але один з них виготовлено з константану, а другий - з фехралю; б) виготовлені з однакової речовини, мають однакову товщину, але один з них удвічі довший; в) виготовлені з однакової речовини, мають однакову довжину, але один з них удвічі тонший?
  • 7. Провідники, розглянуті у запитанні 6, по черзі приєднують до одного й того самого джерела струму. У якому випадку сила струму буде більшою, а в якому - меншою? Порівняйте кожну пару розглянутих провідників.
  • 8. Які конструкції реостатів ви знаєте? Для чого їх використовують?