Электрическое сопротивление - важнейшая характеристика электрических цепей. От нее зависит сила тока, нагрев проводников, работа приборов. Как же измерить это фундаментальное свойство? Узнайте в нашей статье.
История открытия электрического сопротивления
В 1826 году немецкий ученый Георг Ом экспериментально установил, что сила тока в цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению. Эту зависимость он выразил формулой:
U = RI
где U - напряжение (в вольтах), I - сила тока (в амперах), а R - некоторый коэффициент пропорциональности, названный электрическим сопротивлением.
Единица сопротивления - ом
В честь Ома единицу электрического сопротивления назвали "ом". По определению, единица сопротивления равна:
- сопротивлению проводника, на котором при силе тока 1 А падает напряжение 1 В;
- отношению напряжения 1 В к силе тока 1 А.
То есть формально:
1 Ом = 1 В / 1 А
Единица сопротивления является производной в системе СИ. Через основные единицы ом выражается так:
1 Ом = 1 кг·м2/с3·А-2
Десятичные кратные и дольные ома образуются при помощи стандартных приставок:
| Мегаом (МОм) | 106 Ом |
| Килоом (кОм) | 103 Ом |
| Миллиом (мОм) | 10-3 Ом |
Связь сопротивления, напряжения и тока
Сопротивление R в формуле Ома является константой для данного проводника. Через измеренные напряжение U и ток I можно рассчитать это сопротивление:
R = U / I
Обратной величиной сопротивлению служит электропроводность - способность проводить электрический ток. Единица электропроводности в СИ - сименс (См).
Зависимость сопротивления от размеров и материала
Сопротивление проводника зависит не только от его материала, но и от геометрической формы. Для однородного проводника постоянного сечения справедлива формула:
R = ρ·l/S
Здесь l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения, а ρ - удельное сопротивление материала. Удельное сопротивление является константой для каждого вещества. Оно не зависит от размеров проводника и показывает, какого сопротивления следует ожидать от образца данного материала заданной геометрии.
Практические измерения сопротивления
Для измерения сопротивления резисторов и других электрических цепей используется прибор - омметр. Принцип его работы основан на законе Ома:
- Прибор подает известный ток через измеряемый резистор;
- Измеряет падение напряжение на резисторе;
- Вычисляет сопротивление как отношение напряжения к току.
Температурная зависимость сопротивления
С увеличением температуры сопротивление большинства металлических проводников растет. Это объясняется увеличением интенсивности теплового движения атомов, что мешает упорядоченному движению электронов под действием электрического поля.
Интересные факты о единице измерения сопротивления
Оказывается, сопротивление может достигать как очень больших, так и очень малых значений. Так, при сверхнизких температурах сопротивление некоторых материалов падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. С другой стороны, сопротивление плохих проводников электричества, таких как резина, стекло, керамика, может достигать сотен гигаом!
Выбор резисторов нужного номинала
При проектировании электрических схем часто возникает задача подбора резистора с заданным сопротивлением. Для этого используют ряд стандартных номиналов от единиц ом до десятков мегаом. Номинал выбирают минимально возможным, но не меньше расчетного значения.
Диагностика неисправностей по сопротивлению
Измерение сопротивления - распространенный способ диагностики неисправностей электрооборудования. Например, обрыв цепи проявится как бесконечно большое сопротивление, а короткое замыкание - как нулевое.
Перспективные наноструктуры с отрицательным сопротивлением
В последнее время активно исследуются наноматериалы, демонстрирующие аномальную зависимость тока от напряжения. В некоторых случаях наблюдается даже отрицательное сопротивление. Такие структуры перспективны для создания транзисторов нового типа.
Применение сверхпроводников в электроэнергетике
Из-за нулевого сопротивления сверхпроводящие материалы чрезвычайно эффективны для передачи электроэнергии. Уже разработаны проекты сверхпроводящих кабелей и трансформаторов, которые позволят значительно снизить потери мощности в электросетях.
Сопротивление веществ в экстремальных условиях
Поведение электрического сопротивления в экстремальных условиях высоких давлений и температур до сих пор малоизучено. Эти исследования важны для создания приборов, способных работать, например, внутри планет или звезд.
Особенности измерения малых сопротивлений
Измерение очень малых сопротивлений порядка миллиом или микроом требует специальных методик. В таких случаях применяют мостовые схемы и измерители иммитанса с четырехпроводным подключением.
Особенности измерения больших сопротивлений
Для точного измерения больших сопротивлений порядка мегаом и выше используют мегаомметры. В них для создания измерительного напряжения применяют источники постоянного тока высокого напряжения - до 1000 В.
Калибровка и поверка измерителей сопротивления
Любой омметр и мегаомметр требует периодической калибровки и поверки. Это необходимо для поддержания высокой точности измерений в течение всего срока службы прибора.
Погрешности измерения сопротивлений на практике
На точность измерения сопротивления влияют: погрешность самого прибора, сопротивление соединительных проводов, температура окружающей среды. Учесть эти факторы бывает непросто.
Бесконтактные методы измерения сопротивления
В последнее время разрабатываются технологии бесконтактной диагностики материалов и изделий по их сопротивлению с помощью индуктивных, емкостных или резонансных методов.
Сопротивление композитных и неоднородных материалов
Для композитов, сплавов, полупроводников и других неоднородных материалов понятие удельного сопротивления теряет смысл. В них происходит сложное переплетение токов, поэтому сопротивление зависит от частоты и других факторов.
Частотная и нелинейная зависимость сопротивления
С ростом частоты переменного тока активное сопротивление проводников обычно растет из-за "скин-эффекта". Кроме того, появляется индуктивное и емкостное сопротивление.
Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещения
В полупроводниках сопротивление сильно меняется с температурой и под действием света. Это свойство используется в терморезисторах, фоторезисторах и оптоэлектронных приборах.
Резистивные датчики физических величин
Изменение электрического сопротивления под действием давления, влажности, нагрева и других факторов позволяет создавать простые и надежные датчики для измерения этих величин.
В нелинейных цепях при переменных и импульсных токах вводятся понятия дифференциального, переменного и импульсного сопротивления для количественной оценки нелинейных эффектов.
