Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника

Постоянный электрический ток

Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

План урока

  • Вольтамперная характеристика проводника
  • Закон Ома для участка цепи
  • Сопротивление проводника
  • Зависимость сопротивления проводника от температуры
  • Сверхпроводимость

Цели урока

  • Знать, что такое вольтамперная характеристика и сверхпроводимость
  • Уметь применять закон Ома для участка цепи
  • Знать, от чего зависит сопротивление проводников
  • Знать зависимость сопротивления проводника от температуры

Разминка

  • Какие тела называют проводниками?
  • Что такое электрический ток?
  • Какие условия должны быть соблюдены для протекания тока?

Вольтамперная характеристика проводника

 

В предыдущих параграфах мы упоминали, что для протекания электрического тока в проводнике необходимо электрическое поле. Действие поля характеризуется физической величиной – напряжением, тогда чтобы ток в проводнике был постоянным, надо приложить постоянное напряжение между его концами. Зададимся вопросом как связана сила тока в проводнике I и напряжение U на его концах. Зависимость I(U) называют вольтамперной характеристикой проводника. Для удобства часто используется сокращенная аббревиатура «ВАХ».


Напряжение – это физическая величина, которая показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещение единичного положительного заряда из одной точки в другую. 

 

U=Aq.
 

Единица измерения в СИ: [U]=В (Вольт).


Закон Ома для участка цепи

Рис. 1. Вольтамперная характеристика проводника Рис. 1. Вольтамперная характеристика проводника

В 1827 г. Георг Ом определил первую зависимость ВАХ проводника. При постоянной температуре металлического проводника сила тока I в этом проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами. Любая линейная зависимость имеет коэффициент пропорциональности. В данном случае в роли коэффициента пропорциональности зависимости I(U) выступает сопротивление R, которое характеризует свойства проводника.


Электрическое сопротивление R – это физическая величина, характеризующая зависимость силы тока от свойств проводника, равная отношению напряжения U между его концами к силе тока I:

 

R=UI.
 

Единица измерения сопротивления в СИ: [R]=Ом.

Закон Ома для участка цепи справедлив для всех металлов и сплавов. Математическая запись закона выглядит следующим образом:

 

I=URU=I·R.


Пример 1

 

Чему равна сила тока нагревательного элемента электрического чайника, подключенного в розетку городской квартиры, если сопротивление чайника равно 25 Ом?


Решение
 

1. Сетевое питание городских квартир рассчитано на выходное напряжение в 220 В.
 

2. Воспользуемся законом Ома для участка цепи:

 

I=UR=22025=8,8 А.

 

Ответ: I=8,8 А.


Упражнение 1

 

1. Напряжение на зажимах электрического утюга 220 В. Чему равно сопротивление нагревательного элемента, если сила тока в нагревательном элементе равна 4,4 А.
 

2. Каким сопротивлением обладает вольтметр, рассчитанный на 100 В, если сила тока в нем не должна превышать 0,02 А?
 

3. На рисунке представлены вольтамперные характеристики двух различных проводников. У какого из них сопротивление больше?


Сопротивление проводника

Рис. 2. а) реостат б) схематическое изображение реостата Рис. 2. а) реостат б) схематическое изображение реостата

Какие же свойства проводника влияют на его сопротивление? Представим себе провод, по которому течет ток. Ток подобен жидкости в трубе. Понятно, что чем длиннее провод, тем дольше ток (или жидкость) будет протекать через него. Сопротивление зависит от длины проводника. Если мы будем менять поперечное сечение провода, например увеличивать, то току будет легче пробежать через него, так же, как и жидкости. Значит сопротивление зависит и от площади поперечного сечения проводника. Ну и конечно, различные материала совершенно по-разному проводят ток. Соответственно, сопротивление зависит от вещества, из которого сделан проводник. Зависимость сопротивления от длины проводника применяется в реостатах, резисторах с регулируемым сопротивлением (см. рис. 2), чтобы плавно изменять ток в цепи.

Связав все зависимости воедино, получим выражение для сопротивления однородного проводника:

 

R=ρ·lS

 

[ρ]=1 Ом·мм2м − удельное сопротивление;

[S]=мм2 − площадь поперечного сечения;

[l]=м − длина проводника.

 

Информация об удельных сопротивлениях различных веществ приведена обычно в справочниках или задачниках по физике. Так, например, удельное сопротивление меди при комнатной температуре равно 0,017 Ом·мм2м.


Удельное сопротивление вещества – это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длинной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.


Стоит заметить, что размерность удельного сопротивления в СИ: 1 Ом·м. Но поскольку площадь поперечного сечения обычно даётся в мм2, то удобно измерять удельное сопротивление в 1 Ом·мм2м.


Пример 2

 

Медная проволока длиной 100 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм2 включена в цепь с напряжением 80 В. Определите силу тока в проводнике.


Решение
 

1. Перечислим известные величины:

 

l=100 мS=0,5 мм2U=80 В

 

Площадь умышленно оставим в миллиметрах, поскольку удельное сопротивление будет измеряться в Ом·мм2м.

 

2. Чтобы рассчитать сопротивление проводника, нам потребуется удельное сопротивление меди:

 

ρ=0,017 Ом·мм2м;

 

R=ρ·lS=0,017·1000,5=3,4 Ом.

 

3. Рассчитаем силу тока, используя закон Ома для участка цепи:

 

I=UR=803,4=23,5 А.

 

Ответ: I=23,5 А.


Упражнение 2

 

1. Рассчитайте сопротивление следующих проводников, изготовленных:

 

a) из серебряной проволоки длинной 400 см и площадью поперечного сечения 0,7 мм2;
b) из алюминиевой проволоки длинной 160 см и площадью поперечного сечения 0,4 мм2;
c) из никелиновой проволоки длинной 120 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм2.
 

2. Сила тока в железном проводе длинной 10 м и площадью поперечного сечения 0,8 мм2 равна 400 мА. Каково напряжение на концах провода?


Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

 

Обратим внимание, что удельное сопротивление вещества зависит от температуры. Так, с ростом температуры удельные сопротивления металлов и их сплавов увеличиваются, а удельные сопротивления электролитов, напротив, уменьшаются. С молекулярно-кинетической точки зрения при увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, она в свою очередь передается атомам вещества, в результате чего их тепловая скорость возрастает. Вероятность столкновения атомов со свободными электронами увеличивается, соответственно возрастает сопротивление проводника.


С понижением температуры происходит обратный эффект, и свободные электроны реже сталкиваются с атомами. Сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется необычное явление – сверхпроводимость металлов.


Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры такова: 

 

ρ=ρ0·(1+α·T),
 

где ρ0 – удельное сопротивление проводника при температуре 273 К; α – термический коэффициент сопротивления; T=T-T0 – изменение температуры проводника.
У электролитов температурный коэффициент α – отрицательный.

Проводники, сопротивление которых равно нулю, при определенных обстоятельствах, называют сверхпроводниками . А температура, при которой удельное сопротивление вещества падает до нуля, называют критической.


Контрольные вопросы

 

1. Как зависит сопротивление проводника от площади поперечного сечения?
2. Какой вид имеет вольтамперная характеристика металлического проводника при неизменной температуре?
3. Как выглядит математическая запись закона Ома?
4. Что называют сверхпроводниками?
5. Как выразить сопротивление проводника, зная силу тока в нем и напряжение на его концах?
6. Что такое удельно сопротивление вещества?
7. В чем измеряется сопротивление?


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. 50 Ом. 

 

2. 5 кОм. 

 

3. У второго.

 

Упражнение 2

 

1. a) ≈ 0,1 Ом; b) ≈ 0,11 Ом; c) 96 Ом. 

 

2. 0,5 В.


Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля — Ленца

Постоянный электрический ток
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Век демократизации. «Великие идеологии»

    История