Краткое содержание & опорный конспект • ФГОС

§ 41. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление

Учебник: Физика. 8 класс
Авторы: И. М. Перышкин, А. И. Иванов
Иллюстрация к § 41. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление 🔍 Нажмите для зума

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

При протекании постоянного тока по металлическому проводнику свободные электроны совершают направленное движение под действием сил электрического поля. Однако их путь не является свободным: электроны непрерывно сталкиваются с положительными ионами кристаллической решётки. Каждое такое столкновение замедляет упорядоченный дрейф зарядов и передаёт часть кинетической энергии электрона решётке проводника, что макроскопически проявляется как электрическое сопротивление.

Ионы кристаллической решётки у разных металлов имеют неодинаковые электрические заряды, различные размеры и упакованы на разных расстояниях друг от друга. По этой причине свободные электроны взаимодействуют с решёткой в каждом веществе совершенно по-разному. Немецкий физик Георг Ом экспериментально исследовал, от каких конкретных параметров зависит сопротивление проводника, и установил три ключевых фактора:


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ЗАВИСИМОСТЕЙ

Для наглядного подтверждения теоретических выводов Ома в лабораторных условиях собирают электрическую цепь с демонстрационной панелью проводников (рис. 102). В цепь последовательно включают источник тока, амперметр, ключ и исследуемый проводник, а параллельно проводнику подсоединяют вольтметр. По показаниям приборов и закону Ома ($R = U / I$) сравнивают сопротивления различных образцов:

  1. Зависимость от длины: берут два проводника из одного и того же металла (никелина) одинаковой толщины, но разной длины. Измерения показывают: проводник вдвое большей длины обладает ровно вдвое большим сопротивлением. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине: $R \sim l$.
  2. Зависимость от толщины (сечения): исследуют два никелиновых проводника равной длины, но с разной площадью поперечного сечения. Опыт подтверждает: у более толстого провода сопротивление оказывается пропорционально меньше. Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения: $R \sim 1 / S$.
  3. Зависимость от материала: подключают два проводника абсолютно одинаковой длины и одинакового сечения, но изготовленные из разных сплавов (никелина и нихрома). Сила тока в нихроме оказывается значительно меньше, а рассчитанное сопротивление — в несколько раз выше, что доказывает зависимость сопротивления от рода вещества.

УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Чтобы количественно охарактеризовать способность конкретного вещества препятствовать прохождению электрического тока, в физику введена специальная величина:

Удельное сопротивление является внутренней характеристикой самого материала (при заданной температуре) и не зависит от длины или формы изготовленной из него детали.

Формула для расчёта удельного сопротивления:

$$\rho = \frac{R \cdot S}{l}$$

Единицы измерения удельного сопротивления:

$$[\rho] = \frac{1 \text{ Ом} \cdot 1 \text{ м}^2}{1 \text{ м}} = 1 \text{ Ом} \cdot \text{м}$$
$$[\rho] = \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$$
$$1 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}} = 10^{-6} \text{ Ом} \cdot \text{м} \qquad 1 \text{ Ом} \cdot \text{м} = 10^6 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$$

Физический смысл табличного значения:

Если в справочнике указано, что удельное сопротивление меди равно $0{,}017 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$, это означает: медный провод длиной ровно 1 метр и площадью поперечного сечения 1 $мм^2$ обладает электрическим сопротивлением $0{,}017$ Ом (при температуре $20\ ^\circ\text{C}$).


ФОРМУЛА РАСЧЁТА СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА

Зная материал проводника ($\rho$), его длину ($l$) и площадь поперечного сечения ($S$), электрическое сопротивление рассчитывают по базовой формуле:

$$R = \frac{\rho \cdot l}{S}$$

где:

Производные формулы для практических расчётов:

  1. Длина проводника через его сопротивление:
$$l = \frac{R \cdot S}{\rho}$$
  1. Требуемая площадь поперечного сечения:
$$S = \frac{\rho \cdot l}{R}$$

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ С РАЗНЫМ $\rho$

В электротехнике вещества подбирают строго под функциональное назначение прибора:

  1. Проводники с минимальным удельным сопротивлением:
    • Серебро ($0{,}016$), медь ($0{,}017$), золото ($0{,}024$), алюминий ($0{,}028$): обладают наилучшей проводимостью. Они обеспечивают минимальные потери энергии на нагревание. Медь и алюминий служат главными промышленными материалами для силовых кабелей, воздушных линий электропередач (ЛЭП) и обмоток трансформаторов. Серебро и золото применяют в высоконадёжных контактах микроэлектроники, где недопустимо окисление.
  2. Конструкционные металлы со средним сопротивлением:
    • Железо ($0{,}10$), свинец ($0{,}21$): применяются в каркасных конструкциях, контактных рельсах метрополитена и плавких предохранителях.
  3. Специальные сплавы с высоким удельным сопротивлением:
    • Никелин ($0{,}40$), манганин ($0{,}43$), константан ($0{,}50$), нихром ($1{,}1$), фехраль ($1{,}3$): благодаря высокому сопротивлению и тугоплавкости эти сплавы сильно разогреваются при прохождении тока и не окисляются на воздухе при высоких температурах. Их используют для нагревательных спиралей в электрических плитках, чайниках, утюгах, муфельных печах, а также для изготовления регулировочных реостатов и точных измерительных магазинов сопротивлений.
  4. Диэлектрики и изоляторы:
    • Графит ($13$), фарфор ($10^{17}$), эбонит ($10^{20}$): вещества с колоссальным сопротивлением, практически не содержащие свободных зарядов при нормальных условиях. Фарфор и эбонит защищают человека от поражения током и используются для изоляторов высоковольтных линий и корпусов электроприборов.

⭐ Шпаргалка к ответу у доски

📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ

  • Главная формула сопротивления проводника:
$$R = \frac{\rho \cdot l}{S}$$

(Сопротивление прямо пропорционально длине $l$, обратно пропорционально площади сечения $S$ и зависит от рода материала $\rho$).

  • Выводные расчётные формулы:
$$\rho = \frac{R \cdot S}{l} \qquad l = \frac{R \cdot S}{\rho} \qquad S = \frac{\rho \cdot l}{R}$$
  • Единицы удельного сопротивления:
    • Системная: $1 \text{ Ом} \cdot \text{м}$;
    • Практическая: $1 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}} = 10^{-6} \text{ Ом} \cdot \text{м}$.
  • Физический смысл $\rho$: Сопротивление образца из данного вещества длиной 1 м и сечением 1 $мм^2$ (или 1 $м^2$).
  • Материалы для проводов: Медь и алюминий (минимальное $\rho$, минимум тепловых потерь).
  • Материалы для нагревательных приборов и реостатов: Нихром и фехраль (высокое $\rho$, выдерживают накал без разрушения).
  • Микроскопическая причина: Соударения движущихся свободных электронов с колеблющимися положительными ионами кристаллической решётки металла.
🎬 Интерактивное обучение

Посмотрите видеоурок к параграфу § 41

Полноразмерное видео, кликабельные таймкоды к ключевым моментам урока и проверочный экспресс-тест на усвоение знаний.

Открыть видеоурок →