Электрический ток в проводнике появляется в итоге силового воздействия электрического поля на заряженные частички. Скорость частиц, достигнув определенной, конечной величины, дальше не растет. Способность проводника ограничивать скорость движения электронов именуется электрическим сопротивлением.
Основной механизм сопротивления проводников
Ток в проводнике создается направленным движением свободных электронов. Электроны, ускорившись в электрическом поле, продолжают сразу участвовать в термическом хаотическом движении, сталкиваясь с нейтральными и заряженными атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Избытки полученной кинетической энергии электроны отдают (“тормозятся”) более томным по массе атомам (нейтральным и ионизированным).
Таким макаром появляется сопротивление однонаправленному движению свободных электронов. Отличия в структуре решеток, размерах и массах атомов различных веществ являются причинами того, что электрические сопротивления проводников могут существенно отличаться друг от друга.
Рис. 1. Столкновения электронов с атомами ограничивают электрический ток в проводнике и делают сопротивление.
Как найти величину сопротивления
Эту задачку в 1826 г. решил германский ученый Георг Ом. Он провел огромное число тестов с эталонами различных проводников. При помощи набора источников тока он подавал напряжение U на исследуемые эталоны и, сразу определял c помощью амперметра электрический ток I. Приобретенные результаты дозволили ему вывести формулу, нареченную законом Ома:
Величина R была названа электрическим сопротивлением. Пользуясь формулой (1) можно получить уравнение для вычисления R по результатам измерения напряжения U и тока I:
Рис. 2. Схема измерения напряжения и тока в опытах Георга Ома.
Единица измерения электрического сопротивления
Единицу измерения сопротивления окрестили в честь Георга Ома. В Интернациональной международной системе единиц СИ электрическое сопротивление 1 Ом имеет участок цепи, на котором падает напряжение равное 1 В при силе тока 1 А:
Для определения сопротивления при помощи закона Ома нужна измерить за ранее напряжение и ток. 2-ух измерений реально избежать при помощи устройства, разработанного для конкретного измерения сопротивления. Устройство именуется омметром.
Рис. 3. Приборы для измерения сопротивления – омметры.
На практике большая часть применяемых в электрических схемах и устройствах сопротивлений еще больше, чем 1 Ом. Потому почаще используются кратные единицы измерений : килоом и мегом:
- 1 кОм = 1000 Ом;
- 1 МОм = 1000 000 Ом.
Удельное электрическое сопротивление
Последующие исследования дозволили установить связь величины электрического сопротивления с его основными геометрическими размерами. Оказалось, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника L и назад пропорционально площади поперечного сечения проводника S.
Эта многофункциональная связь отлично описывается следующей формулой:
Неизменная для каждого вещества величина ρ была названа удельным сопротивлением. Значение этого параметра находится в зависимости от плотности вещества, его кристаллической структуры, строения атомов и иных внутренних черт вещества. Из формулы (4) можно получить формулу для расчета удельного сопротивления, если имеются экспериментальные значения для R, L и S:
Для большинства узнаваемых веществ измерения были произведены и внесены в справочные таблицы электрических сопротивлений проводников.
Понятие об активном сопротивлении. Синусоидальный ток в активном сопротивлении
Напомним, что такое активное сопротивление в цепи переменного тока. Сопротивление цепи, которое обуславливает невозвратные утраты электрический энергии на термическое действие тока, именуют активным. Это сопротивление для тока низкой частоты можно считать равным сопротивлению R этого же проводника неизменному току.
В цепи переменного тока, имеющей только активное сопротивление, к примеру, в лампах накаливания, нагревательных устройствах и т. п., сдвиг фаз между напряжением и током равен нулю, т. е. φ = 0. Это значит, что ток и напряжение в таковой цепи меняются в одинаковых фазах, а электрическая энергия вполне расходуется на термическое действие тока.
При протекании электрического тока выделяется энергия в виде тепла либо механической работы. Параметр электрической цепи, характеризующий этот процесс, именуется активным сопротивлением. Количественно он определяется следующим образом. Пусть на некотором участке цепи за время Т, равное периоду переменного тока, действующее значение которого I, необратимо преобразуется в тепло либо механическую работу электрическая энергия WТ. Тогда активное сопротивление рассматриваемого участка цепи по определению равно R=WT/I 2 T (2.12).
На схеме активное сопротивление обозначается точь-в-точь как и сопротивление неизменному току (См. Рис. Обозначение активного сопротивления по току и по напряжению). Последнее, называемое еще омическим, определяется структурой кристаллической решетки проводника и состоянием свободных электронов. Наличие поблизости каких-то проводящих тел и ферромагнитных сердечников на омическое сопротивление не оказывает влияние.
По другому обстоит дело при переменном токе. При низких частотах сопротивление проводника не достаточно отличается от сопротивления неизменному току. Но с увеличением частоты все посильнее и посильнее сказывается поверхностный эффект, заключающийся в вытеснении переменного тока из серединных областей проводника к его поверхности.
Это приводит к уменьшению сечения, занимаемого током, к повышению сопротивления и возрастанию теплопотерь. К аналогичным последствиям приводит и эффект близости, выражающийся в появлении неравномерности рассредотачивания электрического тока по сечению проводника из-за деяния магнитного поля примыкающих проводов.
Если поблизости катушки имеются ферромагнитные сердечники и какие-либо другие проводящие тела, то магнитное поле переменного тока индуцирует в них вихревые токи, что вызывает дополнительные энергопотери на нагрев. Не считая того, в переменном магнитном поле происходит непрерывное периодическое перемагничивание ферромагнитного сердечника, требующее энергетических издержек на изменение направления магнитных моментов доменов. Таким макаром, понятие активного сопротивления является более широким, по сопоставлению с омическим. Числитель в формуле (2.12) при переменном токе всегда больше, чем при неизменном, так как он содержит в себе все перечисленные утраты электромагнитной энергии на тепло. Потому для одной и той же электрической установки активное сопротивление
переменному току всегда оказывается больше чем сопротивление неизменному току.
Секундные значения напряжения и тока в активном сопротивлении связаны законом Ома:
где G — активная проводимость: G=1/R.
При изменении тока по синусоидальному закону
напряжение тоже синусоидально и имеет с током однообразные исходные фазы:
Разделив два последних уравнения на √2, получим:
Четыре последних уравнения представляют собой разные формы записи закона Ома для активного сопротивления. По уравнениям (2.13) и (2.14) можно записать всеохватывающие амплитуды тока и напряжения:
откуда
После деления последних 2-ух уравнений на √2 будем иметь:
Т.е., получили те же самые выражения закона Ома, но в символической форме.
На рис. 1 показаны волновая и векторная диаграммы, построенные по формулам (2.13) и (2.14).
В активном сопротивлении напряжение и ток совпадают по фазе; их исходные фазы одинаковы, угол сдвига фаз равен нулю, векторы на векторной диаграмме ориентированы в одну сторону (параллельны).
