Электричество играет важную роль в нашей повседневной жизни. Давайте разберемся, от каких факторов зависит сопротивление проводников электрического тока, чтобы безопасно и эффективно использовать электроприборы.
Закон Ома - основа понимания сопротивления
В 1826 году немецкий ученый Георг Ом экспериментально установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению. Эту зависимость описывает закон Ома:
I = U/R
Здесь I - сила тока в амперах, U - напряжение в вольтах, R - сопротивление проводника в омах. Сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока. Отсюда видно: чем больше сопротивление, тем меньше сила тока при одинаковом напряжении.
Сопротивление является характеристикой конкретного проводника и не зависит от приложенного к нему напряжения. Оно определяется материалом проводника. Для сравнения материалов по этому показателю вводится понятие удельного сопротивления . Это сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 мм2, изготовленного из данного материала. Лучшими проводниками являются металлы с низким удельным сопротивлением, такие как медь, серебро, алюминий.
Три основных фактора, влияющие на сопротивление
От чего зависит сопротивление проводника? Как уже было сказано, первым фактором является материал проводника, а точнее, его удельное сопротивление. Чем оно меньше, тем лучше проводник.
Вторым важным фактором является длина. Чем длиннее проводник, тем выше его сопротивление. При увеличении длины растет вероятность столкновений электронов с атомами материала, что затрудняет их движение.
И наоборот, третьим фактором является площадь поперечного сечения проводника. Чем она больше, тем сопротивление меньше. Увеличение сечения облегчает протекание тока.
Итак, мы видим прямую пропорциональную зависимость сопротивления от длины проводника и обратную пропорциональную - от площади сечения. Эти зависимости отражает формула сопротивления:
R = ρ·l/S
Здесь ρ - удельное сопротивление материала, l - длина, S - площадь поперечного сечения проводника.
Влияние температуры на сопротивление
Удельное сопротивление материала зависит от температуры. У металлов с ростом температуры удельное сопротивление обычно возрастает. Это объясняется увеличением интенсивности теплового движения атомов кристаллической решетки, которые мешают направленному движению электронов.
Однако в жидких проводниках и полупроводниках температурная зависимость удельного сопротивления может быть обратной. Например, в электролитах при нагревании раствора усиливается диссоциация молекул на ионы, которые и переносят ток. Поэтому сопротивление падает.
Для учета температурной зависимости используют понятие температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Он показывает, на сколько процентов изменится сопротивление при нагреве на 1 градус. У разных материалов ТКС различен.
Например, у меди ТКС составляет 0,004% на градус. Это значит, что при нагреве медного провода на 10 градусов его сопротивление вырастет на 0,04%. Такие небольшие изменения обычно не принимают в расчет.
Однако у манганина ТКС гораздо ниже - 0,00002%. Поэтому манганин часто используется там, где нужна высокая стабильность сопротивления - для изготовления прецизионных резисторов в измерительных приборах.
Зависимость от силы тока
Помимо температуры, на сопротивление может влиять и сила тока, протекающего через проводник. Это явление называется эффектом Джоуля — Томсона.
При больших токах из-за джоулева нагрева температура проводника повышается, что влечет рост сопротивления. Этот эффект используется, к примеру, в биметаллических реле защиты от перегрузок.
Сопротивление при переменном токе
При постоянном токе формула Ома выполняется всегда. Однако в цепях переменного тока возникает реактивное сопротивление. Оно связано с накоплением энергии в электрическом или магнитном поле и последующим ее возвратом.
Для описания переменного тока используется комплексная форма закона Ома. Вводится понятие комплексного сопротивления, или импеданса. Он учитывает как активную, так и реактивную составляющие.
Измерение сопротивления на практике
Для измерения сопротивления в цепях постоянного тока используются мультиметры, омметры и другая контрольно-измерительная аппаратура. Существуют также мосты постоянного и переменного тока - для более точных измерений.
При выборе метода и прибора измерения нужно учитывать диапазон значений сопротивления, требуемую точность, наличие постоянного или переменного напряжения в цепи.
