Электрическое сопротивление

Проведем простейший эксперимент. К автомобильному аккумулятору с помощью двух коротких проводов подключим лампочку из фары машины. Лампочка светится, и довольно ярко. А теперь ту же лампу подключим гораздо более длинными соединителями. Свет явно стал слабее. В чем дело? В сопротивлении проводов.

Что такое электрическое сопротивление

Существуют разные формулировки описания этого явления. Воспользуемся одной из них:

«Электрическое сопротивление – физическая величина, которое характеризует свойство проводника противодействовать протеканию электротока».

В нашем эксперименте провода, подводящие напряжение от аккумулятора к лампочке, оказывают электросопротивление току, протекающему через замкнутую цепь. От источника напряжения – аккумулятора, через провода – проводники, к нагрузке – лампе.

Физическая сущность явления

При подключении нагрузки к источнику напряжения соединителями, возникает замкнутая цепь, в которой появляется электрическое поле, вызывающее направленное движение электронов металла проводов от отрицательного полюса аккумулятора к положительному. Электроны доставляют электроэнергию от источника к нагрузке, и вызывают свечение спирали лампы. На пути своего движения электроны ударяются об ионы кристаллической решетки проводника, теряют часть энергии, которая идет на нагрев материала соединителей.

Еще одно определение: «Причиной появления электросопротивления является результат взаимодействия потока электронов с молекулами (ионами) из которых состоит проводник».

Важное замечание! Хотя электроны движутся от минуса источника напряжения к плюсу, направление электрического тока исторически считается противоположным — от плюса к минусу.

Ток может протекать не только в твердых материалах, металлах, но и в жидких веществах, растворах солей, кислот, щелочей. Там основным переносчиком энергии являются ионы положительного и отрицательного заряда. Например, в автомобильных аккумуляторах ток проходит через водный раствор серной кислоты.

Измерение сопротивления проводников

За единицу электросопротивления в системе СИ принят 1 Ом. Если воспользоваться законом Ома для участка электрической цепи:

I = U / R,

где:

• I – ток, протекающий в цепи;
• U – напряжение;
• R – электросопротивление.

преобразуя формулу R = U / I, можно сказать, что 1 Ом равен отношению напряжения в 1 Вольт к току в 1 Ампер.

R в данной формуле величина постоянная и не зависит от величин напряжения и тока.

Для более крупных значений применяются единицы:

• 1 кОм = 1 000 Ом;
• 1 МОм = 1 000 000 Ом;
• 1 ГОм = 1 000 000 000 Ом.

От чего зависит электросопротивление проводника

В первую очередь оно зависит от материала, из которого сделан соединитель. Разные металлы по-разному препятствуют прохождению электрического тока.  Известно, что серебро, медь, алюминий хорошо проводят электроток, а сталь значительно хуже.

Существует понятие удельного электросопротивления материала, которое обозначили греческой буквой р (ро).  Эта характеристика зависит только от внутренних свойств вещества, из которого изготовлен проводник. Но его полное сопротивление будет зависть еще и от длины и площади сечения. Вот формула, которая связывает все эти величины:

R = р * L /S,

где:

• р – удельное сопротивление материала;
• L — длина ;
• S – площадь поперечного сечения.

Площадь сечения S в практической электротехнике принято считать в кв.мм., тогда размерность р выражается, как Ом*кв.мм/метр.

Вывод: для уменьшения электросопротивления, а значит и потерь в электроцепи, материал должен иметь минимальное удельное сопротивление, а сам проводник быть, как можно короче и иметь достаточно большое поперечное сечение.

Показатели для твердотельных материалов

Из таблицы видно, что для изготовления соединителей, на которых будет теряться минимальное количество электроэнергии, лучше всего подойдут серебро, медь и алюминий, а вот из фехрали и нихрома изготовят термоэлектронагреватели (ТЭНы).

Следует отметить, что все эти значения справедливы для температуры 20⁰ С. При повышении температуры удельное электросопротивление металлов растет, при понижении падает, исключение составляет Константан, его удельная характеристика меняется незначительно.

При сильном понижении температуры, близком к абсолютному нулю, сопротивление металлов может стать нулевым, наступает явление сверхпроводимости. Объясняется это тем, что ионы кристаллической решетки «замерзают», перестают колебаться, и не оказывают электронам помех в их движении.

Показатели для жидких проводников

Удельные электросопротивления растворов солей, кислот и щелочей зависят не только от их химического состава, но и от концентрации раствора. Зависимость от температуры обратная, чем у металлов. При нагреве удельное сопротивление падает, при охлаждении растет. Жидкость может замерзнуть при низких температурах и перестать проводить ток.

Наглядный пример – поведение автомобильных аккумуляторов в сильный мороз. Электролит — раствор серной кислоты, при значительных минусовых температурах (-20, -30С⁰) увеличивает внутреннее электросопротивление аккумулятора, и полноценная отдача тока стартеру становится невозможной.

Электропроводимость

В некоторых случаях удобнее пользоваться понятием проводимости электротока. Это характеристика измеряется в Сименсах (См):

G = 1/ R,

где:

• G – проводимость;
• R – сопротивление,
• а 1 См = 1/ Ом.

Пример из практики

Получив некоторые сведения об электросопротивлении, стоит провести несложный расчет, и выяснить, как влияют характеристики соединителей на параметры электрических цепей.

Вернемся к простейшей электрической схеме, состоящей из аккумулятора, лампочки и проводов:

• Напряжение аккумулятора 12,5 В.
• Лампа имеет мощность 21 Вт.
• Соединители медные, длина 1 метр х 2 шт., сечение 1,5 кв.мм.

Найдем электросопротивление проводов: R = р* L/S. Подставляем наши данные: R = 0,017*2/1,5 = 0,023 Ом.

Найдем сопротивление лампы. Ее электрическая мощность 21 Вт, при подключении к источнику питания 12,5 В. ток в цепи будет равен:

I = P/U,

где:

• I – искомый ток;
• P – мощность лампы;
• U – напряжение источника.

Подставляем числа: I = 21/12,5 = 1,68 А.

Сопротивление лампы находим по закону Ома для участка цепи. Если I = U/R, то R = U/I. Или: R = 12,5/1,68 = 7,44 Ом.

В расчете мы пренебрегли сопротивлением проводов, оно более чем в 300 раз меньше электросопротивления нагрузки.

Найдем потери мощности на проводах и сравним ее с полезной мощностью нагрузки. Нам известен ток в цепи, известны параметры соединителей, найдем мощность, теряющуюся на проводах:

P = U*I,

заменяем в формуле напряжение согласно закону Ома: U = I*R, подставляем в формулу мощности:

P = I*R*I = I² *R.

После подстановки чисел: P = 1,68² *0,023 = 0,065 Вт.

Результат отличный, соединители отнимают у нагрузки всего 0,3% мощности.

Но если подключить лампу через длинные провода, (20 метров), да еще и тонкие, сечение 0,75 кв.мм., то картина изменится. Не повторяя здесь весь расчет, можно отметить, что при таких соединителях эффективная мощность лампы снизится почти на 11%, а потери энергии на проводниках составят уже 6%.

Запомним правило — для уменьшения потерь в электрических сетях необходимо снижать электросопротивление проводов, применять медь или алюминий, по возможности сокращать длину и увеличивать сечения проводников.

Что такое сопротивление: видео

Читайте также:

• Кто изобрел электричество и в каком году
• Электрическая цепь и ее составные части
• Действие электрического тока на организм человека