Как рассчитать сопротивление металла
Сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и характеристик материала, из которого он изготовлен. Зависимость сопротивления от длины проводника прямо пропорциональная, а от площади его сечения — обратно пропорциональная.
Удельное сопротивление
Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, характеризующая вещество, из которого состоит проводник, способность материала противостоять прохождению электрического тока.
Удельное сопротивление обозначается греческой буквой ρ (ро) и является табличной величиной.
Единицей измерения удельного сопротивления является Ом·м или О м · м м 2 м . 1 Ом·м равен такому удельному сопротивлению вещества, при котором проводник длиной 1 м и площадью сечения 1 м 2 имеет сопротивление 1 Ом. Соответственно, указанная в таблице величина удельного сопротивления материала — это сопротивление проводника из данного материала длиной 1 м и с площадью поперечного сечения 1 м 2 .
Удельное сопротивление вещества зависит также от температуры проводника. В следующих таблицах даны значения удельного сопротивления некоторых материалов при t=20 °С.
Удельное сопротивление металлов
| Металл | ρ , О м · м м 2 м |
| серебро | 0,016 |
| медь | 0,0175 |
| золото | 0,023 |
| алюминий | 0,026-0,029 |
| вольфрам | 0,054 |
| цинк | 0,059 |
| железо | 0,099 |
| олово | 0,12 |
| свинец | 0,22 |
Удельное сопротивление сплавов
| Сплав металлов | ρ , О м · м м 2 м |
| сталь | 0,103-0,137 |
| латунь | 0,025-0,108 |
| бронза | 0,095-0,1 |
Расчет сопротивления проводника
где R — сопротивление проводника,
ρ — удельное сопротивление материала, из которого состоит проводник,
S — площадь поперечного сечения проводника,
l — длина проводника.
Расчет удельного сопротивления
Зная сопротивление проводника и его размеры, можно вычислить удельное сопротивление материала, из которого изготовлен проводник:
Расчет длины и площади сечения проводника
Из этой же формулы выводим формулы для нахождения длины и площади сечения проводника.
Закон Ома
Сопротивление можно узнать, если известны напряжение и сила тока в проводнике.
В соответствии с законом Ома для участка цепи сила тока имеет прямую зависимость от напряжения и обратную от сопротивления. Следовательно, сопротивление равно отношению напряжения к силе тока.
U — напряжение,
I — сила тока.
Примеры решения задач
Дано: по алюминиевому кабелю длиной 1500 м пущен ток. Площадь поперечного сечения кабеля равна 8 м м 2 .
Найти: сопротивление кабеля.
Решение:
Удельное сопротивление алюминия равно 0 , 028 О м · м м 2 м . R = ρ l S = 0 , 028 О м · м м 2 м · 1500 м 8 м м 2 = 5 , 25 О м .
Ответ: сопротивление кабеля 5 , 25 О м .
Дано: площадь поперечного сечения провода из меди — 1 , 7 м м 2 , сопротивление проводника — 8 Ом.
Найти: длину медного провода.
Удельное сопротивление меди равно 0 , 017 О м · м м 2 м .
Длина провода l = R S ρ = 8 О м · 1 , 7 м м 2 0 , 017 О м · м м 2 м = 800 м .
2. Удельное сопротивление. Реостаты
Эксперимент \(3\). Материал проводника, физическая величина — удельное сопротивление проводника (прямая пропорциональность).
Примечание: «эксперимент» следует понимать как включение в электрическую цепь проводников с конкретными одинаковыми и различающимися физическими параметрами и сравнение значений сопротивлений данных проводников.
Впервые зависимость сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, и от длины проводника обнаружил немецкий физик Георг Ом. Он установил:
Сопротивление проводника напрямую зависит от его длины и материала, но обратным образом зависит от площади поперечного сечения проводника.
Из этого можно сделать вывод: чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т.е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.
Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причём у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход её в другой сосуд по толстой трубке произойдёт гораздо быстрее, чем по тонкой, т.е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т.е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.
Удельное сопротивление проводника зависит от строения вещества. Электроны при движении внутри металлов взаимодействуют с атомами (ионами), находящимися в узлах кристаллической решётки. Чем выше температура вещества, тем сильнее колеблются атомы и тем больше удельное сопротивление проводников.
Удельное электрическое сопротивление — физическая величина \(\rho\), характеризующая свойство материала оказывать сопротивление прохождению электрического тока:
ρ = R ⋅ S l , где удельное сопротивление проводника обозначается греческой буквой \(\rho\) (ро), \(l\) — длина проводника, \(S\) — площадь его поперечного сечения.
Как известно, единицей электрического сопротивления является \(1\) Ом, единицей площади поперечного сечения проводника — \(1\) м², а единицей длины проводника — \(1\) м. Подставляя в формулу, получаем:
На практике (например, в магазине при продаже проводов) площадь поперечного сечения проводника измеряют в квадратных миллиметрах, В этом случае единицей удельного сопротивления будет:
При нагревании колебания ионов металлов в узлах металлической решётки увеличиваются, поэтому свободного пространства для передвижения электронов становится меньше. Электроны чаще отбрасываются назад, поэтому значение тока уменьшается, а значение сопротивления увеличивается.
Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро и медь. А это значит, что медь и серебро лучше остальных проводят электрический ток.
При проводке электрических цепей, например, в квартирах не используют серебро, т.к. это дорого. Зато используют медь и алюминий, так как эти вещества обладают малым удельным сопротивлением.
Порой необходимы приборы, сопротивление которых должно быть большим. В этом случаем необходимо использовать вещество или сплав с большим удельным сопротивлением. Например, нихром.
Полиэтилен, дерево, стекло и многие другие материалы отличаются очень большим удельным сопротивлением. Поэтому они не проводят электрический ток. Такие материалы называют диэлектриками или изоляторами .
Очень часто нам приходится изменять силу тока в цепи. Иногда мы ее увеличиваем, иногда уменьшаем. Водитель трамвая или троллейбуса изменяет силу тока в электродвигателе, тем самым увеличивая или уменьшая скорость транспорта.
Реостат на рисунке состоит из провода с большим удельным сопротивлением (никелин, нихром), по которому передвигается подвижный контакт \(C\) по длине провода, плавно изменяя сопротивление реостата. Сопротивление такого реостата пропорционально длине провода между подвижным контактом \(C\) и неподвижным \(A\). Чем длиннее провод, тем больше сопротивление участка цепи и меньше сила тока. С помощью вольтметра и амперметра можно проследить эту зависимость.
Он состоит из изолирующего керамического цилиндра, на который намотан провод с большим удельным сопротивлением. Витки проволоки должны быть изолированы друг от друга, поэтому либо проволоку обрабатывают графитом, либо оставляют на проволоке слой окалины. Сверху над проволочной обмоткой закреплен металлический стержень, по которому перемещается ползунок. Контакты ползунка плотно прижаты в виткам и при движении изолирующий слой графиты или окалины стирается, и тогда электрический ток может проходить от витков проволоки к ползунку, через него подводиться к стержню, имеющему на конце зажим \(1\).
Для соединения реостата в цепь используют зажим \(1\) и зажим \(2\). Ток, поступая через зажим \(2\), идёт по никелиновой проволоке и через ползунок подаётся на зажим \(1\). Перемещая ползунок от \(2\) к \(1\), можно увеличивать длину провода, в котором течёт ток, а значит, и сопротивление реостата.
Как и любой электрический прибор, реостат имеет допустимое значение силы тока, свыше которого прибор может перегореть. Маркировка реостата содержит диапазон его сопротивления и максимальное допустимое значение силы тока.
Сопротивление реостата нужно учитывать в параметрах электрической цепи. При минимальных значениях сопротивления ток в цепи может вывести из строя амперметр.
Существуют реостаты, в которых переключатель подключается на проводники заданной длины и сопротивления: каждая спираль реостата имеет определённое сопротивление. Поэтому плавно изменять силу тока с помощью такого прибора не получится.
Что такое электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление – величина электротехническая, характеризующая степень препятствования свободному протеканию электронов по проводнику. Некоторые материалы могут иметь нулевое сопротивление, а некоторые наоборот, имеют высокое, такие материалы называются диэлектриками. Есть другая противоположность – сверхпроводники.
Измеряется сопротивление в Омах, в честь своего первооткрывателя. Есть производные единицы – килоОмы, мегаОмы и даже гигаОмы. Проводимость – величина обратная сопротивлению. В данной статье рассказано все о таком физическом явлении, как сопротивление, как его измерять и рассчитать. В качестве дополнения, материал содержит два ролика и один скачиваемый файл.
Что такое сопротивление проводника.
Электрическое сопротивление проводников
Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников.
Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении. Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r. За единицу электрического сопротивления принят ом.
Удельное сопротивление проволоки.
Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С. Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4ом. Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом. Один мегом равен одному миллиону ом.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник. Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.
Физический принцип сопротивления
Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.
В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:
где V — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое сопротивление участка цепи.
Сопротивление в проводнике
Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.
Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = IR была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение.
[stextbox это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.[/stextbox]
Роль проводника тока
Если к веществу или материалу обладающему проводящей способностью, подключить источник ЭДС, то по нему начинает протекать электрический ток. Свободные электроны вещества при этом начинают направленное движение от отрицательного полюса к положительному, т.к они являются носителями отрицательного заряда.
Во время направленного движения электроны ударяются об атомы материала и передают им некоторую часть своей энергии, из-за этого происходит нагрев проводника по которому проходит ток. А электроны после столкновения замедляют свое движение. Но электрическое поле их опять ускоряет, поэтому они продолжают свое направленное движение к плюсу.
Этот процесс может идти практически бесконечно, пока вокруг проводника имеется электрическое поле созданное источником электродвижущей силы. Получается, что чем больше препятствий попадется на пути следования электронов, тем выше значение сопротивления.
В различных веществах имеется разное количество свободных электронов, а атомы, между которыми свободные носители заряда перемещаются, обладают различным местом расположения. Поэтому сопр. проводников току зависит, в первую очередь от материала, из которого они сделаны, от площади и длины поперечного сечения.
Если сравнить два проводника сделанные из одинакового материала, то более длинный имеет большее R при равных площадях поперечных сечений, а с большим поперечным сечением имеет более низкое сопр. при равных длинах. Рассмотрим практический пример: Подключим лампочку накаливания на 60Вт в розетку с сетевым напряжением. Спираль лампочки начинает создавать потоку электронов с потенциалом в 220В некоторое препятствие.
Если эта преграда на пути электронов окажется слишком маленькой лампочка перегорит. Если слишком большое – накальная нить будет гореть очень слабо. А вот если оно будет “оптимальное, тогда лампочка будет гореть нормально, выделяя при этом и тепло. Вырабатываемое тепло называют “потерянной” энергией, так как часть энергию затрагивается на никому ненужный нагрев.
Что такое электрическое удельное сопротивление? Из формулы закона Ома можно записать, что электрическое сопротивление является физической величиной, которую можно вычислить как отношение напряжения в проводнике к силе протекающего в нем тока.
Итак, исходя из опыта с лампочкой чуть выше можно сделать вывод, что электрическое сопротивление проводника является физической величиной, которая указывает на свойство вещества преобразовывать электрическую энергию в тепловую. (R= ρ × l)/S ρ — удельное сопротивление материала проводника, Ом·м, l — длина, м, и S — площадь сечения, м2. Удельное электрическое сопротивление является также физической величиной, которая равна сопротивлению метрового проводника с площадью сечения в один метр квадратный. На практике, сечение измеряют в квадратных миллиметрах.
Сопротивление различных металлов
Поэтому и удельное электрическое сопротивление проще считать в Ом × мм2 / м, а площадь подставлять в мм2. Формула выше говорит о том, что удельное сопр. прямо пропорционально удельному сопр. материала, из которого он сделан, а также его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника.
Сопр. проводников зависит также от температуры. Так у элементов из металла с повышением температуры R увеличивается. Зависимость эта сложная, но в относительно узких пределах температурного изменения (примерно до 200° Цельсия) можно условно считать, что для каждого металла существует определенный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления (альфа), который выражает определенный прирост сопротивления дельта r при изменении температуры на один градус цельсия, отнесенный к 1 ом начального значения сопротивления. Таким образом, температурный коэффициент удельного сопротивления будет равен α = r2-r1/r1(T2-T1) и прирост сопр. будет равен Δr=r2-r1=αr2(T2-T1)
[stextbox у медного линейного провода при температуре T1 = 15° r1 = 50 ом, а при температуре T2 = 75° — r2 — 62 ом. Поэтому, дельта при изменении температуры на 75 — 15 = 60° будет равно 62 — 50 = 12 ом. Т.е, дельта, соответствующий изменению температуры на 1°, равен: 12/60=0,2 От чего зависит удельное сопротивление.[/stextbox]
Во-первых, от материала проводника. Чем больше значение ρ, тем хуже будет пропускная токовая способность. Во-вторых, от длины провода – с увеличением длины сопротивление увеличивается. В-третьих, от толщины. У более толстого проводника, более низкое сопротивление. И в-четвертых, от температуры проводника.
Если он из металла, то их удельное сопротивление возрастает с ростом температуры. В исключение можно поместить специальные сплавы – их электрическое удельное сопр. практически не изменяется при нагревании. Например: никелин, константан и манганин. А вот у жидкостей с нагревом, удельное сопротивление уменьшается.
Связь с удельной проводимостью в изотропных материалах, выражется формулой: ρ = 1 / σ Где σ – удельная проводимость. Явление сверхпроводимости Предположим температуру материала будем уменьшать, то удельное сопротивление при этом будет также снижаться. Есть предел, до которого можно снизить температуру – абсолютный нуль.
Проводник в разрезе
В численном выражении равен —273°С. Ниже этого значения температур просто не существует. При этом значении удельное сопротивление любого проводника будет равно нулю. так как при абсолютном нуле атомы кристаллической решетки полностью перестают колебаться. В результате электронное облако проходит между узлами решетки, не соударяясь с ними. Удельное сопр. материала становится равным нулю, что открывает возможности для получения бесконечно огромных токовых уровней в проводниках малого сечения. Явление сверхпроводимости открывает фантастические перспективы для развития электротехники и электронной техники. Но пока еще имеются некоторые сложности, связанные с получением в быту сверхмалых температурных значений, требуемых для создания нужного эффекта. Когда эти проблемы смогут преодалеть, электротехника шагнет на принципиально новый уровень развития.
Зависимость сопротивления от температуры
Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.
В природе, однако, имеются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и др., у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Подобные сплавы применяют в технике для изготовления различных резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.
О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по так называемому температурному коэффициенту сопротивления а. Этот коэффициент представляет собой относительное приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В табл. 1 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.
Сопротивление металлического проводника Rt при любой температуре t
Rt = R [ 1 + ? (t — t ) ] (6)
где R — сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t (обычно при + 20 °С), которое может быть подсчитано по формуле (5);
t— t — изменение температуры.
Свойство металлических проводников увеличивать свое сопротивление при нагревании часто используют в современной технике для измерения температуры. Например, при испытаниях тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмоток определяют измерением их сопротивления в холодном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного периода (обычно в течение 1 ч).
Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, ученые обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля (— 273,16 °С) некоторые металлы почти полностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся идеальными проводниками, способными длительное время пропускать ток по замкнутой цепи без всякого воздействия источника электрической энергии.
Это явление названо сверхпроводимостью. В настоящее время созданы опытные образцы линий электропередачи и электрических машин, в которых используется явление сверхпроводимости. Такие машины имеют значительно меньшие массу и габаритные размеры по сравнению с машинами общего назначения и работают с очень высоким коэффициентом полезного действия.
[stextbox электропередачи в этом случае можно выполнить из проводов с очень малой площадью поперечного сечения. В перспективе в электротехнике будет все больше и больше использоваться это явление.[/stextbox]
Калькулятор сопротивления провода
Какая-то неудачная единица измерения мОм. Надо хотя бы кнопочку сделать для выбора нужной единицы измерения.
1. Игорь, смотри внимательно! Не выбирается, если использовать "Расчет сопротивления", если расчет длины, то да.
2. Если не очевидно, значит плохое с юзабилити, а значит есть хороший повод доработать.
Не могу рассчитать длину провода,провод медь, диаметр 1,25, сопротивление должно составлять 1 Ом.
Пишет 73 метра, но это очень много, на катушке намотано(1мм) примерно 15-17 метров не больше, я понимаю что примерно должно быть где то 13 метров, но почему то не получается.
Сопротивление: R=pl/S, площадь через диаметр: S = n(d^2)/4, подставляем в ее в первую формулу и считаем!
Ну так и выходит, 73 метра. При таком то диаметре! Думаете почему медь предпочтительно используется в электропроводке? Потому что сопротивление маленькое на длинные расстояние, а это - минимальные потери + минимальный нагрев.
Зачем в таблице цинк, титан и тем более литий? А вот манганин (0,42—0,43 ом*мм2/м), фехраль (1,2 ом*мм2/м), хромаль (1,3—1,4ом*мм2/м)
Спасибо! Помогло в приблизительном расчете шунта из манганина. Брал марганец из низспадающего списка для расчета. На 99% сошлось с практикой. Да и в принципе особой точности мне не требовалось от шунта (±5%), для бытовых нужд нормально.
Криво считает.
Медь диаметром 0.15 мм длина 1000 мм выдает примерно 1 Ом
А диаметр 0.2 мм при той же длине 585 мОм
Как рассчитать сопротивление нагревательного провода? Известна длина - 8 метров и 3 жилы по 04 мм из нихрома.
Зачем в расчете и площадь поперечного сечения провода и его диаметр? Оставьте или площадь или диаметр.
Хороший калькулятор. А в виде приложения для винды, да и андроида тоже, он будет? Если существует, может в составе какой программы - подскажите название.
Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление. Примеры расчетов
Если говорить простым языком, то под сопротивлением принято понимать свойство среды, по которой протекает электрический ток, снижающее его величину.
Так работают провода и изоляторы высоковольтной линии электропередач, показанные на верхней картинке, да и любое вещество.
Изоляторы обладают очень высокими диэлектрическими свойствами, изолируют высоковольтное напряжение, присутствующее на токоведущих шинах от контура земли. Это их основное назначение.
Провода же должны максимально эффективно передавать транслируемые по ним мощности. Их создают так, чтобы они обладали минимальным электрическим сопротивлением, работали с наименьшими потерями энергии на нагрев.
В этом случае передача электричества от источника напряжения к потребителю на любое расстояние будет проходить эффективно.
Приведу для примера картинку из предыдущей моей статьи.
Ее, как и верхнюю, можно представить таким обобщенным видом.
На внешнем участке цепи токоведущие жилы отделены друг от друга воздушной средой и слоем изоляции с высокими диэлектрическими свойствами.
Хорошей проводимостью обладают токоведущие жилы. Подключенный к ним электрический прибор функционирует оптимально.
Как работает резистор
Ток в металлах проходит под действием приложенного напряжения за счет направленного движения электронов. При этом они соударяются, встречаются с положительно и отрицательно заряженными ионами.
Такие столкновения повышают температуру среды, уменьшают силу тока.
За направление электрического тока в электротехнике принято движение заряженных частиц от плюса к минусу. Электроны же движутся от катода к аноду.
Электрическое сопротивление металла зависит от его структуры и геометрических размеров.
Аналогичные процессы протекают в любой другой токопроводящей среде, включая газы или жидкости.
Какие существуют виды сопротивлений
В домашних электрических приборах используется большое разнообразие резисторов с постоянной или регулируемой величиной.
Они ограничивают величину тока всех бытовых устройств, а в наиболее сложных модулях их количество может достигать тысячи или более. Резисторы работают практически во всех схемах.
При использовании в цепях переменного тока они обладают активным сопротивлением, а конденсаторы и дроссели — реактивным.
Причем, на конденсаторах создается емкостное сопротивление, а у дросселей — индуктивное.
Реактивная составляющая на конденсаторах и дросселях сильно зависит от частоты электромагнитного колебания.
2 Шутки электриков о токах через конденсатор и дроссель
Их я привожу потому, что они позволяют запомнить характер прохождения тока через реактивные элементы.
Шутка №1 о емкости
В домашней сети и внутри многих приборов работают переменный и постоянный токи. Они по-разному ведут себя, если встречают на своем пути конденсатор.
Поскольку он состоит из двух токопроводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика, то его обозначают на схемах двумя жирными черточками, расположенными параллельно. К их серединам подключены провода, нарисованные перпендикулярными линиями.
Переменный ток имеет форму гармоничной синусоиды, состоящей из двух симметричных половинок.
Такая гармоника движется от начала координат, встречает на своем пути обкладки, переваливается через них и, скатившись, начинает обгонять приложенное напряжение.
Постоянный ток таким свойством не обладает. Его тупой конец просто упирается в обкладку и останавливается. Пройти через конденсатор он не может. Это для него непреодолимое препятствие.
Шутка №2 о дросселе
Индуктивность выполнена витками изолированного провода. Любой ток проходит по нему. Но синусоида своими волнами путается в витках катушки, начинает отставать от напряжения.
Постоянка же спокойно перемещается внутри провода дросселя без ощущения какого-либо значительного противодействия. Поэтому постоянное напряжение может своим током спалить дроссель, созданный для работы на переменке.
Что же это за зверь: сверхпроводимость
Сто лет назад выявлена способность определенных металлов полностью терять свое сопротивление электрическому току при сверхнизких температурах. Выглядит этот процесс следующим образом.
Со сверхпроводниками домашний мастер не работает. Но на верхнюю часть приведенного графика рекомендую обратить внимание: нагрев металла повышает его электрическое сопротивление.
При электротехнических расчетах, требующих получения точного результата, необходимо учитывать температурный коэффициент, взятый из справочников.
От чего зависит сопротивление металла
Электрический ток по классическому определению – это направленное движение заряженных частиц. В металлах перемещаются электроны, если создать между двумя точками подключения источника питания разницу потенциалов. Этому процессу препятствуют примеси, поэтому проводимость лучше в однородном материале.
К сведению. Качественные проводники тока выпускают из электротехнической меди, которая содержит не более 0,01% сторонних примесей. Незначительная добавка алюминия (0,02-0,03%) уменьшает проводимость на 10-11%. При большой длине трассы существенно увеличиваются потери на передачу энергии.
Советуем изучить Переполюсовка автомобильного аккумулятора
Отрицательное влияние оказывают колебательные процессы атомов кристаллической решетки. При повышении температуры увеличивается амплитуда этих движений, что создает дополнительные препятствия перемещению зарядов. Для компенсации этого явления резисторы создают из специальных сплавов. Правильно подобранные пропорции материалов обеспечивают стабильность электрического сопротивления в расчетном температурном диапазоне.
Как просто вычислить сопротивление по закону Ома из электрических величин
Шутки и их разъяснения закончились, хотя они приведены для объяснения поведения токов внутри индуктивностей и емкостей. Пора переходить к расчетам.
Его позволяет выполнить одна из формул, приведенных в шпаргалке электрика. Для этого достаточно знать два из трех электрических параметров: ток I, мощность P или напряжение U.
Если же вам лениво вычислять цифры, то можете спокойно использовать онлайн калькулятор закона Ома. Он избавит вас от сложных арифметических действий.
Формула электрического сопротивления по свойствам среды: научный подход
Электротехника давно использует термин: удельное сопротивление. Он учитывает свойства материала токопроводящей среды с ее размерами: длиной и поперечным сечением, через которое протекает электрический ток.
Все данные для него получены в результате многочисленных исследований и сведены в таблицы. Для бытовых вычислений достаточно следующих сведений.
Таблица характеристик металлов, используемых в быту
| Металл провода | Удельное сопротивление (Ом∙мм.кв/м) |
| Медь техническая | 0,017 |
| Алюминий | 0,028 |
| Стальные сплавы | 0,11 |
| Свинец | 0,21 |
| Сплавы нихрома | 1,11 |
На основе этих данных удобно подбирать провода, детали, вычислять их сопротивление R либо определять другие параметры.
Например, нас интересует сопротивление проволоки нихрома диаметром 1 мм, при температуре 20 градусов.
Определяем площадь поперечного сечения через площадь круга.
S = 3.14 x 1 x 1 / 4 = 0,785 мм кв.
Делаем расчет на основе приведенной формулы.
R = 1,1 х 5 / 0,785 = 7 Ом
Простой онлайн калькулятор сопротивления проводов
Его назначение — облегчить работу с формулами и арифметическими действиями. Он позволяет решать одну из двух часто встречающихся задач:
- Определение сопротивления провода.
- Расчет его длины.
Достаточно заполнить исходные данные в соответствующей размерности и нажать кнопку “Рассчитать”.
Удельное сопротивление – это табличная величина, для каждого металла она своя. Она нужна для расчета и зависит от кристаллической решетки металла и структуры атомов.
Из таблицы видно, что самое меньшее сопротивление у серебра, для медного кабеля оно равняется 1,68*10-8 Ом*мм2/м. Такая размерность говорит нам, сколько приходится Ом при сечении в 1 миллиметр квадратный и длине в 1 метр.
Кстати, серебряное покрытие используется в контактах коммутационных аппаратов, автоматических выключателей, реле и прочего. Это снижает переходное контактное сопротивление, повышает срок службы и уменьшает нагрев контактов. При этом в контактах измерительной и точной аппаратуры используют позолоченные контакты из-за того, что они слабо окисляются или вообще не окисляются.
У алюминия, который часто использовался в электропроводке раньше, сопротивление в 1,8 раза больше чем у меди, равняется 2,82*10-8 Ом*мм2/м. Чем больше сопротивление проводника, тем сильнее он греется. Поэтому при одинаковом сечении алюминиевый кабель может передать меньший ток, чем медный, это и стало основной причиной почему все современные электрики используют медную электропроводку. У нихрома, который используется в нагревательных приборах оно в 100 раз больше чем у меди 1,1*10-6 Ом*мм2/м.
Формулы расчета электрического сопротивления для переменного тока простыми словами
Переменное напряжение наводится вращением рамки (ротора генератора) в магнитном поле (создается обмоткой или магнитами статора).
Ток потребителя, подключенного к выводам генератора, по-разному ведет себя на резисторе, индуктивности и конденсаторе.
Формула активного сопротивления
Резисторы изготавливают из металлов с повышенными удельными характеристиками для ограничения силы тока без изменения его направления.
Синусоиды токов и напряжений на резисторе совпадают по времени. В векторном выражении они обладают одинаковым направлением.
Активное сопротивление переменному току вычисляется по закону Ома так же, как и при постоянной форме напряжения.
Формула индуктивного сопротивления
В обмотках катушек электромагнитов, дросселей, трансформаторов наводится электродвижущая сила индукции. Она взаимодействует с приложенным переменным напряжением. В результате происходит сдвиг фазы тока относительно направления вращения электромагнитного поля (ротора генератора).
Формула индуктивного сопротивления XL сильно зависит от частоты тока f и индуктивности L.
Ток в такой цепи сдвигается от напряжения и отстает от него на 90 угловых градусов.
Число ∏ в формуле отображает отношение длины окружности к ее диаметру (3,14).
Формула емкостного сопротивления ХС
Конденсатор состоит из двух токопроводящих пластин, отделенных слоем диэлектрика. При появлении на них напряжения они накапливают электрический заряд.
Его энергия постоянно взаимодействует с приложенным переменным напряжением. Поэтому в цепи создается ток, зависящий от частоты электромагнитного сигнала и емкости конденсатора.
Он сдвигается вперед от вектора напряжения по направлению вращения поля.
Формула полного сопротивления
Электротехника, как и сама жизнь, описывает явления, переплетенные между собой, а не в чистом виде.
Электрическая энергия, поступающая к нам в квартиру по проводам и кабелям от трансформаторной подстанции, преодолевает:
- активное сопротивление токоведущих шин;
- емкость кабельных линий;
- индуктивное противодействие обмоток трансформаторов.
Поэтому для расчетов применяют метод полного сопротивления, выражаемый законом прямоугольного треугольника.
Каждая его сторона отображает определенную характеристику сопротивления:
- гипотенуза — суммарную, полную величину Z:
- прилегающий катет — активную составляющую R;
- противолежащий — реактивную X, представленную геометрической суммой емкостного XL и индуктивного сопротивления XC.
Точно так же каждая сторона этого треугольника создает определенную величину затраченной мощности электрической энергии.
На активном участке создается мощность, совершающая полезную для нас работу, обеспечивающую вращение роторов электродвигателей, свечение осветительных приборов, нагрев обогревателей и другие нужные действия.
Полная мощность, расходуемая всеми видами потребителей, состоит из полезной активной и потерь, создающих индуктивными и емкостными составляющими. Они снижают эффективность работы электрической системы. Поэтому с ними борются.
Запомнить роль реактивной мощности помогает простая и наглядная картинка, естественно, выраженная в шутливой форме.
Однако стоит понимать, что угол φ, образованный между гипотенузой и прилегающим к нему катетом, характеризует величину реактивной части, создающей бесполезные потери энергии. Ее всегда стремятся снизить.
Что такое вольтамперная характеристика
Металлы в обычном состоянии формируют электрический ток строго по прямолинейной характеристике в зависимости от величины приложенного напряжения.
У других сложных веществ и индуктивностей этот принцип не соблюдается. Зависимость выражается кривыми линиями и называется вольтамперной характеристикой.
ВАХ индуктивностей
Характер протекания тока зависит от величины индуктивности. Если в рабочей обмотке возникает пробой изоляции, приводящий к образованию короткозамкнутого витка, то вольтамперная характеристика резко изменяет свой вид: падает.
За счет уменьшения индуктивного сопротивления при меньшем значении величины приложенного напряжения в обмотке начинают протекать бОльшие токи.
Они свидетельствуют о возникновении неисправности, требующей немедленного устранения. Поэтому снятие ВАХ является обязательным элементом проверки исправности обмоток всех видов трансформаторов или дросселей.
Она выполняется различными методами с определением состояния точки перегиба характеристики.
ВАХ полупроводникового прибора
На правой картинке показан один из примеров работы нелинейного элемента — диода.
В первой четверти квадранта проходит прямой участок характеристики, а у третьей — обратный.
На прямом участке повышение напряжения выше точки перегиба ведет к открытию переходного полупроводникового слоя и пропусканию через него тока практически по прямой линейной характеристике.
Такие же действия на обратном участке ведут к потере диодом своих свойств.
Расчет
Основную формулу нахождения показания проводника можно вычислить или представить как R=U/I, где U является разностью напряжения на проводниковых концах, а I считается силой тока, которая протекает под разностью напряжения. Получается значение, представленное в Омах.
Вам это будет интересно Расцветка шин по фазам
Обратите внимание! В дополнение к теме, как определить сопротивление резистора по формуле, правильно вычислять необходимые показания также можно при помощи специального измерительного прибора под названием омметр или мультиметр.
Формула, используемая повсеместно для расчета
Закон Шварцнегера или как надо обеспечивать надежную работу резистора под нагрузкой
Знаменитый на весь мир атлет Арнольд постоянно тренировался по методике нашего советского силача Юрия Власова. Он брал его опыт за основу и даже приезжал в Россию погостить к своему кумиру.
В основе метода постоянных результативных тренировок положен принцип не столько полноценного питания и отдыха, сколько подбор правильных нагрузок, которые должен преодолевать организм.
Все это полностью соответствует законам электротехники, применяется в работе любого электрического сопротивления. Рассмотрим его на примере резистора: так проще для понимания.
Его металл не только пропускает электрический ток, но и нагревается, выделяя тепло. Нагрев увеличивается с повышением тока. При этом температура может снижаться за счет теплоотвода в окружающую среду или увеличиваться в герметичном, не теплопроводящем объеме.
Так работает электропроводка, выполненная одним и тем же кабелем, проложенным открыто по стенам или спрятанным в штробах.
В первом случае от нагревающегося током кабеля тепло отводится в окружающий воздух за счет его естественной циркуляции, а во втором нагрев идет более интенсивно.
Однако повышать температуру жил можно только до определенной величины. За ее рабочим диапазоном вначале происходит разрушение слоя изоляции, а потом — простое перегорание металла, когда проводка сгорает.
На этом примере я попытался показать, что любой резистор обладает запасом тепловой мощности, за который его нельзя переводить.
Для облегчения работы электриков всем видам резисторов введен термин мощности теплового рассеивания. Она указывается в технической документации или прямо на корпусе, измеряется ваттами. Ее же показывают на электрических схемах.
Как выбрать резистор по тепловой нагрузке за 2 шага
Действуют по следующему алгоритму:
- Вначале определяют мощность, которая будет проходить через искомый резистор. Достаточно перемножить величину номинального тока на напряжение, выразить полученное значение в ваттах.
- Под эту величину из всего многообразия элементов подбирают тот, который соответствует по значению сопротивления и обладает мощностью теплового рассеивания не меньшего номинала.
Желательно брать его с небольшим резервом. Он не будет лишним для работы в критических ситуациях электрической схемы, но повлияет на габариты устройства.
Изменения проводника при увеличении длины
Во время испытаний замечено, что при увеличении длины проводника его электрическое сопротивление увеличивается. Для проведения эксперимента, необходимо выбрать заготовки из одинакового материала. К примеру, это может быть проволока из никелина. Для считывания параметров используется амперметр, который подключен к зажимам.
Советуем изучить Температура плавления цветных и черных металлов
Устанавливая заготовки меньшей длины, отмечено, что ток в цепи увеличивается. Даже на одном изделии можно поиграться с амперметром. Поставив щуп на середину заготовки, к примеру, может отображаться значение 50 ампер.
Интересно! Если отводить его в сторону, к краю, чтобы увеличить дальность держателя, показатель тока будет снижаться. Тоже самое, касается проводников из других материалов.
Полезные примеры из жизни
Как продлить ресурс лампы накаливания
Читайте также: