Перейти к содержанию
MediaSchool

Единица сопротивления. Расчёт сопротивления

Как определить один ом, установить влияние длины, площади сечения и материала проводника, различить сопротивление и удельное сопротивление и применить формулу R = ρℓ/S.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Перед тобой три провода. Один длиннее, другой толще, третий изготовлен из другого металла. Какой из них сильнее препятствует электрическому току? Одного взгляда недостаточно: нужно менять по одному условию и сравнивать честно.

Безопасность. Реальный опыт выполняют только с исправным учебным источником низкого напряжения. Источник выключают, а ключ размыкают перед каждой заменой проводника. Амперметр включают последовательно. Ключ замыкают кратковременно, чтобы проволока не нагревалась.

Один ом

Из закона Ома для участка цепи

I=URI=\frac{U}{R}

получаем выражение для сопротивления:

R=UI.R=\frac{U}{I}.

Если напряжение на концах проводника равно 1 В1\ \text{В}, а сила тока в нём равна 1 А1\ \text{А}, то сопротивление проводника равно 1 Ом1\ \text{Ом}:

1 Ом=1 ВА.1\ \text{Ом}=1\ \frac{\text{В}}{\text{А}}.

Для больших сопротивлений используют кратные единицы:

1 кОм=103 Ом,1 МОм=106 Ом.1\ \text{кОм}=10^3\ \text{Ом},\qquad 1\ \text{МОм}=10^6\ \text{Ом}.

Сопротивление можно найти по измеренным UU и II или измерить омметром при соблюдении инструкции к прибору.

Почему металл сопротивляется току

Это учебная модель, а не микрофотография. Свободные электроны участвуют в тепловом движении и под действием электрического поля приобретают направленное движение. В металлическом проводнике они взаимодействуют с частицами кристаллической решётки. Эти взаимодействия затрудняют направленное движение и сопровождаются передачей энергии решётке — проводник может нагреваться.

Теперь проверим, какие свойства конкретного проводника определяют его сопротивление RR. Во всех сравнениях считаем температуру постоянной. Для реального измерения к каждому образцу прикладывают одно и то же измеренное напряжение UU, записывают силу тока II и вычисляют R=U/IR=U/I. Если демонстрационного набора нет, используют заранее подготовленную таблицу UU, II и RR; указанные ниже точные отношения относятся к идеализированным данным и затем подтверждаются формулой.

Опыт 1. Меняем только длину

Берём два проводника из одного материала с одинаковой площадью поперечного сечения. Второй проводник в два раза длиннее первого.

Что сохраняемЧто изменяемЧто наблюдаем
материал и SSℓ→2ℓ\ell\to2\ellR→2RR\to2R

При прочих равных сопротивление прямо пропорционально длине:

R∼ℓ.R\sim \ell.

Чем длиннее путь направленного движения электронов, тем больше взаимодействий с решёткой приходится на этот путь.

Опыт 2. Меняем только площадь сечения

Теперь материал и длина одинаковы, а площадь поперечного сечения второго проводника в два раза больше.

Что сохраняемЧто изменяемЧто наблюдаем
материал и ℓ\ellS→2SS\to2SR→R/2R\to R/2

При прочих равных сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения:

R∼1S.R\sim\frac{1}{S}.

Толстый провод имеет больше доступных путей для движения носителей заряда, поэтому его сопротивление меньше, а не больше.

Опыт 3. Меняем только материал

Кадр показывает контролируемое сравнение: длина и диаметр образцов одинаковы. Численные выводы делают по измерениям UU и II с расчётом R=U/IR=U/I или по проверенным табличным данным.

Даже при одинаковых ℓ\ell и SS проводники из разных веществ имеют разные сопротивления. Свойство материала характеризует удельное сопротивление ρ\rho.

Материал при 20 ∘C20\ ^\circ\text{C}ρ\rho, Ом⋅мм2/м\text{Ом}\cdot\text{мм}^2/\text{м}
медь0,017
алюминий0,028
железо0,10
нихром1,1

Удельное сопротивление ρ\rho — свойство материала, а сопротивление RR — характеристика конкретного проводника. Число ρ\rho в таблице равно сопротивлению образца этого материала длиной 1 м1\ \text{м} и площадью сечения 1 мм21\ \text{мм}^2 при указанной температуре. Нельзя заменять одну величину другой.

Формула сопротивления проводника

Объединим три зависимости:

R=ρℓS.R=\rho\frac{\ell}{S}.

Здесь:

  • RR — сопротивление проводника;
  • ρ\rho — удельное сопротивление материала;
  • ℓ\ell — длина проводника;
  • SS — площадь его поперечного сечения.

Если ρ\rho дано в Ом⋅мм2/м\text{Ом}\cdot\text{мм}^2/\text{м}, удобно подставлять ℓ\ell в метрах, а SS — в квадратных миллиметрах. Тогда ответ получится в омах.

Разобранный пример

Нихромовая проволока имеет ρ=1,1 Ом⋅мм2/м\rho=1{,}1\ \text{Ом}\cdot\text{мм}^2/\text{м}, длину ℓ=2,0 м\ell=2{,}0\ \text{м} и площадь сечения S=0,50 мм2S=0{,}50\ \text{мм}^2. Найдём сопротивление.

R=ρℓS=1,1 Ом⋅мм2м⋅2,0 м0,50 мм2=4,4 Ом.R=\rho\frac{\ell}{S} =1{,}1\ \frac{\text{Ом}\cdot\text{мм}^2}{\text{м}} \cdot\frac{2{,}0\ \text{м}}{0{,}50\ \text{мм}^2} =4{,}4\ \text{Ом}.

Проверим результат:

  • единицы м\text{м} и мм2\text{мм}^2 сократились, остался ом;
  • увеличение длины увеличило сопротивление;
  • уменьшение площади сечения увеличило сопротивление.

Частые ошибки

ОшибкаКак исправить рассуждение
«Толстый провод сопротивляется сильнее: материала больше»При большем SS сопротивление меньше: R∼1/SR\sim1/S.
«ρ\rho — сопротивление любого куска вещества»ρ\rho характеризует материал, а RR зависит ещё от ℓ\ell и SS.
«Из R=U/IR=U/I следует, что рост UU обязательно увеличивает RR»Для рассматриваемого металлического проводника при постоянной температуре UU и II меняются согласованно.
«Можно подставить SS в м2\text{м}^2 к таблице в Ом⋅мм2/м\text{Ом}\cdot\text{мм}^2/\text{м}»Перед подстановкой выбирают согласованный набор единиц.

Проверь себя

  1. Как изменится сопротивление, если длину проводника увеличить в три раза, не меняя материал и сечение?
  2. Как изменится сопротивление, если площадь сечения увеличить в четыре раза?
  3. Чем сопротивление RR отличается от удельного сопротивления ρ\rho?
  4. Какое сопротивление имеет медный провод длиной 10 м10\ \text{м} и площадью сечения 1,0 мм21{,}0\ \text{мм}^2, если ρ=0,017 Ом⋅мм2/м\rho=0{,}017\ \text{Ом}\cdot\text{мм}^2/\text{м}?
  5. Длину провода увеличили в два раза, а площадь сечения — в четыре раза. Как изменилось RR?
  6. Почему при сравнении проводников ключ замыкают кратковременно?

Итог

  • Сопротивление измеряют в омах: 1 Ом=1 В/1 А1\ \text{Ом}=1\ \text{В}/1\ \text{А}.
  • Сопротивление конкретного проводника растёт с длиной и уменьшается с площадью сечения.
  • Удельное сопротивление ρ\rho характеризует материал при заданной температуре.
  • Расчётная формула: R=ρℓ/SR=\rho \ell/S.
  • Перед подстановкой обязательно согласуют единицы.

Ответы

  1. Увеличится в три раза, потому что R∼ℓR\sim \ell.
  2. Уменьшится в четыре раза, потому что R∼1/SR\sim1/S.
  3. RR относится к конкретному проводнику и зависит от материала, длины и сечения; ρ\rho характеризует материал при заданной температуре.
R=0,017⋅101,0=0,17 Ом.R=0{,}017\cdot\frac{10}{1{,}0}=0{,}17\ \text{Ом}.
R′=ρ2ℓ4S=R2.R' = \rho\frac{2\ell}{4S}=\frac{R}{2}.

Сопротивление уменьшилось в два раза. 6. Чтобы проводник не успел заметно нагреться: температура влияет на сопротивление и нарушила бы условие честного сравнения.

Самопроверка

Проверь себя

10 вопросов по теме «Единица сопротивления. Расчёт сопротивления». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.

Открыть отдельно

Вопрос 1 из 10

Тренировка
Какое сопротивление равно 1 Ом?

Без отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.

Скачать и открыть

Материалы урока

3 материала

Подготовка к уроку

2 материала

Проверка знаний

1 материал

От сообщества

Материалы сообщества0

Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.

Поделиться материалом

Поделитесь первым материалом

Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!