Сопротивление проводника вычисляется по формуле: Удельное сопротивление. Реостаты — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Формула сопротивления тока. Как найти электрическое сопротивление по закону Ома. « ЭлектроХобби

В сфере электрики и электроники такая вещь (и понятие) как сопротивление встречается повсеместно. Хоть может и показаться, что электрическое сопротивление это плохо, так как она препятствует свободному течению электрических зарядов по проводникам, но это не совсем так. Возможно вы уже сталкивались с тем, что во всем нужна своя мера. Любой вид энергии (в нашем случае электрической, электромагнитной) в той или иной системе нуждается в своем определенном количестве. Если энергии становится больше или меньше нужной меры, то как правило возникают различные нарушения правильной ее работы. Так что сопротивление в определенных случаях это даже очень хорошо.

Ну, а какая есть формула сопротивления тока? Основополагающей формулой, по которой можно найти электрическое сопротивление является та, которая исходит из обычного закона Ома.

Сама формула электрического сопротивления выражается так — сопротивление это отношение напряжения к силе тока. То есть, чтобы найти электрическое сопротивление нужно напряжение (разность потенциалов) разделить на силу тока. Все очень просто. Единицей измерения электрического сопротивления является «Ом» (названная в честь своего ученого открывателя). Напряжение измеряется в вольтах, а сила тока в амперах. В итоге мы имеем, 1 Ом равен 1 вольт деленный на 1 ампер. Используется и другие более крупные единицы измерения сопротивления — это килоомы (1 кОм = 1000 Ом), мегаомы (1 мОм = 1000 кОм = 1000 000 Ом).

Но всеже есть одно НО! Формулу нахождения сопротивления по закону Ома можно применять для постоянного и переменного тока лишь при наличии именно активного сопротивления (обычные резисторы, нагреватели, лампы накаливания и т.д.). Для случая реактивного сопротивления используется немного другая формула сопротивления тока. Она учитывает кроме напряжения и силы тока еще частоту, индуктивность, ёмкость.

Помимо этих формул еще можно привести такую, которая показывает зависимость сопротивления от вида и размеров проводника. Формула сопротивления тока уже будет содержать такие понятия как сечение проводника, его длина, удельное сопротивления (зависящее от конкретного материала).

А что собственно представляет собой это самое электрическое сопротивление? Думаю не лишним будет пояснить это. Итак, из физики нам известно, что любой проводник имеет так называемую кристаллическую решетку, состоящую из атомов и молекул, соединенных достаточно жесткими связями, что формирует устойчивую, фиксированную структуру. Атомы имеют ядро (состоящее из протонов и нейтронов), у которого положительный заряд. Вокруг ядра вращаются более мелкие частицы, называемые электронами, имеющими отрицательный электрический заряд.

Так вот, те электроны, что удалены от ядра дальше всего могут достаточно легко отрываться от своего атома и переходить к соседнему. При определенных условиях, а именно при подключении внешнего источника питания (а конкретнее внешнего электромагнитного поля) эти свободные электроны могут уже перемещаться упорядоченно в одном направлении. что порождает электрический ток. Но при своем движении электроны постоянно сталкиваются с другими атомами, что находятся на их пути. Вот именно это и является фактором электрического сопротивления. Следовательно предположить, что чем длиннее и тоньше будет проводник, тем больше препятствий будет на пути движения электронов, тем больше будет электрическое сопротивление. Ну, а еще одни проводники, в силу особенностей своей кристаллической решетки, будут иметь большее сопротивление, а другие — меньшее.

Напряжение можно еще сравнить с давлением (по аналогии с водой в трубах, к примеру), электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц, то есть в прямом смысле «поток зарядов (их количество, которое движется в одном направлении)». Вот и получается, что чем больше мы имеем (видим) напряжение на определенном участке электрической цепи (давление воды в водопроводе), при определенном потоке электронов, тем значит больше будет электрическое сопротивление, которое оказывается на движение этого самого потока электрических зарядов, внутри проводника. Все логично.

P.S. Если хорошо уметь представлять те физические процессы, что происходят внутри электрических схем, цепей, будет намного проще понять их изначальную суть. После этого любая формула становится более понятной, с точки зрения зависимости определенных физических величин. Это уже не просто набор каких-то знаков, это конкретная зависимость единиц измерения, что строго отображают в теории то, что работает на практике (в схемах, электрических устройствах и т.д.).

Формула индуктивного сопротивления катушки индуктивности: что это такое и от чего зависит?

Что зовется индуктивным сопротивлением

Когда на катушку подают переменное напряжение, ток, проходящий по ней, меняется согласно поданному напряжению. Это служит причиной изменения магнитного поля, создающего электродвижущую силу, препятствующую происходящему.

Схема для измерения

В такой цепи имеется зависимость электрических параметров от двух видов: обычного и индуктивного. Они обозначаются, соответственно, как R и XL.

На обычном происходит выделение мощности. Однако на реактивных элементах она является нулевой. Это связано с постоянным изменением направления переменного тока.

В течение одного периода колебаний энергия дважды закачивается в катушку и столько же раз возвращается в источник.

Определение индуктивности

От чего зависит индуктивное сопротивление

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока, под действием непрерывно изменяющегося напряжения происходят изменения этого тока. В свою очередь, эти изменения вызывают генерацию магнитного поля, которое периодический возрастает или убывает. Под его влиянием в катушке индуцируется встречное напряжение, препятствующее изменениям тока. Таким образом, протекание тока происходит под непрерывным противодействием, получившим название индуктивного сопротивления.

Данная величина связана напрямую с частотой приложенного напряжения (f) и значением индуктивности (L). Формула индуктивного сопротивления будет выглядеть следующим образом: XL = 2πfL. Прямая пропорциональная зависимость, в случае необходимости, позволяет путем преобразования основной формулы вычислить частоту или значение индуктивности.

Под действием переменного тока, проходящего по проводнику, вокруг этого проводника образуется переменное магнитное поле. Действие этого поля приводит к наведению в проводнике электродвижущей силы обратного направления, известной еще как ЭДС самоиндукции. Противодействие или сопротивление ЭДС переменному току получило название реактивного индуктивного сопротивления.

Данная величина зависит от многих факторов. В первую очередь на нее оказывает влияние как значение тока не только в собственном проводнике, но и в соседних проводах. То есть увеличение сопротивления и потока рассеяния происходит по мере увеличения расстояния между фазными проводами. Одновременно снижается воздействие соседних проводов.

Существует такое понятие, как погонное индуктивное сопротивление, которое вычисляется по формуле: X0 = ω x (4,61g x (Dср/Rпр) + 0,5μ) x 10-4 = X0’ + X0’’, в которой ω является угловой частотой, μ – магнитной проницаемостью, Dср – среднегеометрическим расстоянием между фазами ЛЭП, а Rпр – радиусом провода.

Величины X0’ и X0’’ представляют собой две составные части погонного индуктивного сопротивления. Первая из них X0’ представляет собой внешнее индуктивное сопротивление, зависящее только от внешнего магнитного поля и размеров ЛЭП. Другая величина – X0’’ является внутренним сопротивлением, зависящим от внутреннего магнитного поля и магнитной проницаемости μ.

На линиях электропередачи высокого напряжения от 330 кВ и более, проходящие фазы расщепляются на несколько отдельных проводов. Например, при напряжении 330 кВ фаза разделяется на два провода, что позволяет снизить индуктивное сопротивление примерно на 19%. Три провода используются при напряжении 500 кВ – индуктивное сопротивление удается снизить на 28%. Напряжение 750 кВ допускает разделение фаз на 4-6 проводников, что способствует снижению сопротивления примерно на 33%.

Погонное индуктивное сопротивление имеет величину в зависимости от радиуса провода и совершенно не зависит от сечения. Если радиус проводника будет увеличиваться, то значение погонного индуктивного сопротивления будет соответственно уменьшаться. Существенное влияние оказывают проводники, расположенные рядом.

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Одной из основных характеристик электрических цепей является сопротивление, которое может быть активным и реактивным. Типичными представителями активного сопротивления считаются обычные потребители – лампы, накаливания, резисторы, нагревательные спирали и другие элементы, в которых электрический ток совершает полезную работу.

К реактивному относятся индуктивное и емкостное сопротивления, находящиеся в промежуточных преобразователях электроэнергии – индуктивных катушках и конденсаторах. Эти параметры в обязательном порядке учитываются при выполнении различных расчетов. Например, для определения общего сопротивления участка цепи, складываются активная и реактивная составляющие. Сложение осуществляется геометрическим, то есть, векторным способом, путем построения прямоугольного треугольника. В нем оба катета являются обоими сопротивлениями, а гипотенуза – полным. Длина каждого катета соответствует действующему значению того или иного сопротивления.

В качестве примера можно рассмотреть характер индуктивного сопротивления в простейшей цепи переменного тока. В нее входит источник питания, обладающий ЭДС (Е), резистор, как активная составляющая (R) и катушка, обладающая индуктивностью (L). Возникновение индуктивного сопротивления происходит под действием ЭДС самоиндукции (Еси) в катушечных витках. Индуктивное сопротивление увеличивается в соответствии с ростом индуктивности цепи и значения тока, протекающего по контуру.

Таким образом, закон Ома для такой цепи переменного тока будет выглядеть в виде формулы: Е + Еси = I x R. Далее с помощью этой же формулы можно определить значение самоиндукции: Еси = -L x Iпр, где Iпр является производной тока от времени. Знак «минус» означает противоположное направление Еси по отношению к изменяющемуся значению тока. Поскольку в цепи переменного тока подобные изменения происходят постоянно, наблюдается существенное противодействие или сопротивление со стороны Еси. При постоянном токе данная зависимость отсутствует и все попытки подключения катушки в такую цепь привели бы к обычному короткому замыканию.

Для преодоления ЭДС самоиндукции, на выводах катушки источником питания должна создаваться такая разность потенциалов, чтобы она могла хотя-бы минимально компенсировать сопротивление Еси (Uкат = -Еси). Поскольку увеличение переменного тока в цепи приводит к возрастанию магнитного поля, происходит генерация вихревого поля, которое и вызывает рост противоположного тока в индуктивности. В результате, между током и напряжением происходит смещение фаз.

Виды сопротивления в электрической цепи

Если используется постоянный ток, то рассматривается только обычное сопротивление, которое также называется активным или омическим. При переменном существует не только активное, но и реактивное сопротивление. Последнее бывает индуктивным и емкостным. Его величина определяется по соответствующим формулам. Сопротивление называется реактивным потому что не вызывает безвозвратных потерь энергии.

В цепях переменного тока полное сопротивление представляет собой сумму омического, индуктивного и емкостного сопротивлений. Определить его можно по правилам векторного сложения слагаемых. Если рассматривать цепь, которая не содержит конденсаторов, то основную роль будет играть реактивное сопротивление катушки индуктивности.

Катушка индуктивности

Эта деталь обычно имеет сердечник цилиндрической или тороидальной формы, на который многократно намотан провод. Основной характеристикой катушки является индуктивность.

Как известно, магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами. Даже если постоянный ток идёт по проводу, вокруг него создаётся магнитное поле. Оно создаёт препятствия для изменения тока в те моменты, когда меняется само, чему можно не удивляться, зная о существовании индуктивного сопротивления. Для постоянного тока это происходит в моменты включения и выключения.

Если питающее напряжение переменное, то изменения происходят непрерывно. Основная задача катушки индуктивности — увеличивать напряженность магнитного поля. Она имеет не только индуктивное, но и обычное сопротивление. Однако при расчётах его считают пренебрежимо малым.

Формула индуктивного сопротивления

Рассматриваемое сопротивление тем больше, чем выше частота тока и индуктивность. Эту зависимость легко объяснить. Большая частота подразумевает высокую скорость изменения магнитного поля, которая усиливает эффект самоиндукции. Увеличение индуктивности соответствует более сильному магнитному полю.

Индуктивное сопротивление обозначается как XL. Обозначение буквой Х используется для любого реактивного сопротивления. То, что оно индуктивное подтверждает буква L. Его единица измерения — Ом. Чтобы рассчитать значение, понадобится формула индуктивного сопротивления:

В этой формуле буквами F и L обозначаются частота переменного тока и индуктивность катушки соответственно. Индуктивность измеряется в Генри, сокращенно Гн.

Чтобы найти полное сопротивление в контуре, состоящем из резисторов и катушки, необходимо сложить активную и реактивную составляющую, воспользовавшись правилом прямоугольного треугольника. Один катет такого треугольника соответствует активному сопротивлению, а второй — реактивному. Гипотенуза — это полное сопротивление или импеданс. Его значение рассчитывается по теореме Пифагора.

  • XL — это индуктивное сопротивление, которое определяется формулой, приведённой выше.
  • R — активное сопротивление. Для его вычисления следует воспользоваться законом Ома.

Произведение 2πF в формуле сопротивления называют также круговой частотой. Ее обозначают буквой ω. С учетом этого формулу для определения индуктивного сопротивления можно записать так: XL = ω×L.

В каких элементах возникает

Поскольку индуктивность – составляющая электрического тока, то она возникает в любых проводниках, по которым проходит переменный электрический ток. Особо выражено это в замкнутых контурах с сердечником из магнитопровода. Некоторая паразитная индуктивность присутствует в печатных платах и даже в микросхемах.

В каких единицах измеряется

Впервые индуктивность была вычислена американским ученым-физиком Джоном Генри и была названа в его честь – Генри, сокращенно Гн. Диапазон индуктивности очень широк, в приведенной ниже таблице видно, какие производные существуют:

КратныеДольные
ВеличинаНазваниеОбозначениеВеличинаНазваниеОбозначение
101декагенридаГнdaH10-1децигенридГнdГн
102гектогенригГнhH10-2сантигенрисГнcГн
103килогенрикГнkH10-3миллигенримГнmГн
106мегагенриМГнMH10-6микрогенримкГнµГн
109гигагенриГГнGH10-9наногенринГнnГн
1012терагенриТГнTH10-12пикогенрипГнpГн
1015петагенриПГнPH10-15фемтогенрифГнfГн
1018эксагенриЭГнEH10-18аттогенриаГнaГн
1021зеттагенриЗГнZH10-21зептогенризГнzГн
1024иоттагенриИГнYH10-24иоктогенрииГнyГн

Первые две строчки производных в каждой части таблицы применять не рекомендуют, указывают либо в десятых или сотых долях генри, либо десятках и сотнях. В СИ используется указанное обозначение в других системах, таких как СГМС обозначение может отсутствовать, либо применяется статгенри ≈ 8,987552⋅1011 или абгенри.

Индуктивность, L — измеряется в Генри (Гн). Индуктивное сопротивление XL — измеряется в Омах (Ом)

Где применяется катушка (дроссель, индуктивность)

Дроссели имеют примитивную конструкцию: просто намотанный витками на каком-либо сердечнике проводник. В то же время в таком приборе нечему ломаться. Также у дросселей широчайший функционал и десятки применений. Из всего этого следует, что в какой бы точке города ни находился человек, в радиусе 1 км от него всегда будут тысячи катушек индуктивности, настолько они распространены.

Катушка как электромагнит

Самое простое применение катушки – это электромагнит. С подобным применением каждый сталкивается, заходя в подъезд. Сила, удерживающая дверь на месте и препятствующая несанкционированному доступу чужака, берётся из электромагнита. Он находится сверху.

Электрический ток, проходя по виткам катушки, создаёт вокруг неё переменное электромагнитное поле. Оно возбуждает в металлическом «бруске», расположенном на двери, вихревые токи, которые так же создают магнитное поле. В результате получаются два управляемых магнита. Они притягиваются друг к другу. Тем самым дверь надёжно удерживается на месте.

Другое применение электромагнитов в быту – индукционные плиты. Катушка наводит в металлической посуде переменный высокочастотный ток. Он, в свою очередь, своим тепловым действием разогревает кастрюлю. В промышленности нечто подобное используется для разогрева и плавки металлов. Только в таком случае применяются на порядки более высокие мощности и другие частоты тока.

Индуктивность как фильтр

Импульсные блоки питания, электрические двигатели и диммеры для регулировки яркости ламп накаливания выбрасывают в сеть большое количество искажений и помех. Вызвано это неравномерностью потребляемого тока. Для борьбы с подобными сетевыми шумами применяются специальные фильтры на основе конденсаторов и дросселей.

Данный узел представляет собой небольшую катушку из медного эмалированного провода диаметром 0,2-2 мм. Обмотка наматывается на ферритовый сердечник. Чаще всего он изготовлен в форме кольца, немного реже встречаются так называемые «гантельки».

Подобные фильтры имеются в компьютерных блоках питания, компактных люминесцентных лампах (иногда не ставят, экономят), на выходах сварочных инверторов.

Также фильтр может быть звуковым. Его задача – срезать определённый диапазон частот. Индуктивные свойства этого прибора таковы, что он хорошо проводит низкие частоты, а высокие – приглушает. Поэтому дроссели используют для того, чтобы до динамиков дошёл только бас. По факту ослаблено будут слышны и другие частоты. Для более эффективной работы фильтра нужны дополнительные детали: конденсаторы и операционные усилители.

Самодельный звуковой фильтр

Катушка как источник ЭДС

Китайская промышленность удивила школьников 2000-х новой игрушкой – вечным фонариком. Его не нужно было заряжать. Фонарик работал от катушки индуктивности, около которой под действием движения рук перемещался магнит. Он наводил в обмотке переменную ЭДС, которая питала осветительный прибор.

Подобное явление объясняется законом электромагнитной индукции.  Если проводник (рамка) находится в переменном электромагнитном поле, то в нём начинает наводиться электродвижущая сила. Иными словами, появляется напряжение.

Закон этот совсем неигрушечный, ведь он используется в работе генераторов на подавляющем большинстве электростанций, в том числе любые ТЭЦ, ГЭС, АЭС и ветряки. По подобному принципу работают динамомашины, питающие фары велотранспорта.

Принцип работы генератора

Две катушки – трансформатор

Ещё одно распространённое применение – это электрический трансформатор. Конструктивно он состоит из двух и более катушек, расположенных на одном железном или ферритовом сердечнике. Подобный агрегат работает только с переменным напряжением. Если на первичную обмотку подать ток, то он создаст в сердечнике магнитный поток. Он, в свою очередь, наведёт ЭДС во вторичной обмотке. Напряжения во входной и выходной катушках прямо зависят от количества их витков.

Таким образом, можно трансформировать 220 В из розетки в 12 В, необходимых для питания небольшой стереосистемы, или преобразовать 10 000 вольт в 220 для передачи от подстанции к жилым домам. Подобным методом можно добиться и повышения напряжения, т.е. превратить 12 В обратно в 220.

Устройство трансформатора

Катушка индуктивности — элемент колебательного контура

Сейчас это уже редкость, но раньше для подстройки нужной радиостанции использовали колебательный контур. Он состоит из двух элементов, включенных параллельно: катушки индуктивности и переменного конденсатора. Работая в паре, они способны выделить из множества окружающих сигналов именно тот, который требуется. При попадании на антенну приёмника нужной частоты электромагнитных волн колебательный контур входит в резонанс. Процесс сопровождается лавинообразным увеличением ЭДС. Частота, на которой это происходит, зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора.

Катушка индуктивности – дроссель ДРЛ ламп

Несмотря на то, что освещение улиц и промышленных предприятий стремительно переходит на LED светильники, по СНГ всё ещё осталось огромное количество мест, где используются устаревшие дуговые ртутные люминесцентные лампы типа ДРЛ. Более всего они распространены в мелких городах и на второстепенных улицах. Их можно узнать по характерному холодно-белому свету и долгому розжигу.

ДРЛ лампы не способны работать без пускорегулирующего дросселя. Он обладает высоким индуктивным сопротивлением и призван ограничить пусковой ток осветительного прибора. Дроссели для ламп подбираются, исходя из их мощности. Наиболее распространённые номиналы – 250, 400 и 1000 Вт. Информация о мощности указывается на самом дросселе. Там же можно найти схемы включения.

Из вышесказанного можно подчеркнуть, что катушка индуктивности является консервативным и давно освоенным на практике электронным компонентом. Однако спрос на его применение по-прежнему не спадает. Поэтому знания, необходимые для расчета катушек и их правильного включения, необходимы каждому специалисту, имеющему дело с электроникой.

Активное сопротивление

Активное сопротивление – это сопротивление элемента или участка цепи электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие формы, например, механическую в электродвигателях или тепловую, когда речь идёт о нагреве чего-либо или просто потерях или другие виды энергии. Выражается в Омах и в формулах обозначается буквой R.

Активное сопротивление характерно для проводников, а его величина зависит от свойств этих самых проводников:

  • Материал — обычно проводники выполняются из металла (или из графита, как щетки электрических машин) и у каждого проводника есть удельное сопротивление, оно измеряется в Ом·мм²/м.
  • Длина и площадь поперечного сечения. Следует из предыдущего. Чем больше площадь поперечного сечения (мм²) – тем меньше сопротивление, или чем длиннее проводник – тем оно больше.
  • Температура. Чем больше температура – тем больше сопротивление проводника.

Согласно закону Ома, сопротивление участка электрической цепи можно рассчитать, если известны ток и напряжение по формуле: R=U/I.

Таблица 1. Удельные электрические сопротивления некоторых веществ Таблица 1. Удельные электрические сопротивления некоторых веществ

Сопротивление проводника, определенной длины и сечения определяется по формуле: R=p*l/S,

где p (ро) – удельное сопротивление, l – длина, S – площадь поперечного сечения.

При протекании тока через активное сопротивление в любом случае происходят потери в виде тепла. По этой причине греются провода и кабельные линии под нагрузкой, трансформаторы, электродвигатели и так далее… Величина этих потерь определяется по формуле: P=U²/R. Кроме потерь в виде тепла на линии, а вернее сказать, на активном сопротивлении линии происходит падение напряжения (просадки), величина которых также рассчитывается по закону Ома: Uпад=I*Rл,

где Uпад – падение напряжение на линии, Rл – сопротивление линии.

Рисунок 1 — ток и напряжение в активном сопротивлении: а) схема условного с идеальным резистором, б) Синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма. Рисунок 1 — ток и напряжение в активном сопротивлении: а) схема условного с идеальным резистором, б) Синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма.

Напряжение и ток в активном сопротивлении совпадают по фазе, соответственно коэффициент мощности у активной нагрузки в идеальном случае равен 1. Это можно пронаблюдать на иллюстрации выше, как и то, что векторы U и I также совпадают по направлению, и между ними нет угла.

Под «идеальным случаем» понимается используемое в физике понятие «идеальный», то есть, когда объекту характерен какой-то единый набор свойств. Например, когда говорят «идеальный резистор» — это значит, такой резистор в котором есть только активное сопротивление, а реактивные составляющие отсутствуют. А «идеальная индуктивность» — это такая индуктивность, у которой нет активного сопротивления проводника, которым она намотана, а также паразитной ёмкости. То есть идеальная катушка, обладает только индуктивностью.

Подведем итоги — активное сопротивление характерно для нагрузки ток и напряжение в которой совпадают по фазе, это могут быть: провода, резисторы, ТЭНы и другие нагревательные элементы, лампы накаливания…

Реактивное сопротивление

Согласно энциклопедическому определению, реактивное сопротивление — это сопротивление элемента схемы, вызванное изменением тока или напряжения из-за индуктивности или ёмкости этого элемента. Отсюда следует, что реактивное сопротивление присуще только индуктивной или емкостной нагрузке. Измеряется оно также в Омах, но обозначается буквой X.

Также следует вспомнить законы коммутации:

  • Ток на индуктивности не может изменяться скачком.
  • Напряжение на ёмкости не может измениться мгновенно.

Другими словами, в индуктивности ток отстаёт от напряжения по фазе, а в ёмкости наоборот — ток опережает напряжение.

Реактивное сопротивление индуктивности

В цепи постоянного тока это вносит влияние в работу системы преимущественно при её коммутации (включении или отключении), а также при резком изменении режима работы и потребления тока и такого понятия как реактивное сопротивление для постоянного тока нет.

Но в цепи переменного тока реактивное сопротивление оказывает значительное влияние. При протекании переменного тока I в катушке, возникает магнитное поле. Оно создаёт в витках катушки ЭДС, которое в свою очередь препятствует изменению тока.

При увеличении тока, ЭДС отрицательна и препятствует нарастанию тока, при уменьшении — положительна и препятствует его убыванию, оказывая таким образом сопротивление изменению тока на протяжении всего периода.

Выше мы рассматривали график тока и напряжения в активном сопротивлении, и они совпадали по фазе, ниже приведен график тока и напряжения для катушки индуктивности.

Рисунок 2 — ток и напряжение в индуктивности: а) схема условного участка цепи с идеальной индуктивностью, б) синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма. Рисунок 2 — ток и напряжение в индуктивности: а) схема условного участка цепи с идеальной индуктивностью, б) синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма.

На рисунке 2.б видно, что ток и напряжение в индуктивности не совпадают по фазе. В идеальной индуктивности ток отстаёт от напряжения на 90 градусов, что более наглядно иллюстрирует векторная диаграмма на рисунке 2.в.

Сопротивление, которое индуктивность оказывает переменному току вычисляется по формуле: X­L=ω*L=2*pi*f*L,

где ω — угловая частота (рад/с), L — индуктивность (Гн), pi – число пи (3.14), f — частота (Гц).

То есть чем больше частота переменного тока, тем большее сопротивление ему оказывает индуктивность.

Реактивное сопротивление ёмкости

В ёмкостной нагрузке дело обстоит также, но наоборот. На рисунке 3.б видно, что ток опережает напряжение, а на 3.в видно, что опережает на угол в 90˚.

Рисунок 3 — ток и напряжение в ёмкости: а) схема условного участка цепи с идеальным конденсатором (ёмкостью), б) синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма. Рисунок 3 — ток и напряжение в ёмкости: а) схема условного участка цепи с идеальным конденсатором (ёмкостью), б) синусоиды тока и напряжения, в) векторная диаграмма.

При протекании переменного тока в конденсаторе циклически происходят процессы заряда и разряда, или накопления и отдачи энергии электрическим полем между его обкладками. Конденсатор будет заряжаться до определённого максимального значения, пока ток не сменит направление на противоположное.

В момент когда напряжение достигнет амплитудного значения, ток будет равен нулю. Таким образом, напряжение на идеальном конденсаторе и ток всегда будут иметь расхождение во времени в четверть периода.

То есть емкостное сопротивление — это сопротивление изменению напряжения. Оно определяется по формуле: Xс=1/(ω*C)=1/(2*pi*f*c),

где ω — угловая частота (рад/с), C — ёмкость (Ф), pi – число пи (3.14), f — частота (Гц).

То есть чем меньше частота переменного тока, тем большее сопротивление оказывает ему ёмкость.

Но отклонение напряжения от тока по фазе на 90 градусов только в цепях с идеальной индуктивностью, на практике же такого нет.

Полное сопротивление

Так как и активное сопротивление, и индуктивность, и ёмкость влияют на токи и напряжения в электрической цепи по-своему, то при их соединении их сопротивления также складываются. Так, например полное реактивное сопротивление равно: X=XL-Xс

Таким образом реактивные сопротивления ёмкости и индуктивности приводятся к общему значению, то есть какое из них больше, такой характер и будет у цепи (индуктивный или емкостной).

В любой реальной цепи присутствуют все три составляющие: активная, емкостная и индуктивная. Тогда говорят о полном сопротивление цепи. Оно обозначается буквой Z и вычисляется по формуле:

где Z – полное сопротивление, r – активное, XL – индуктивное, Xc – емкостное.

Эта формула должна была вам напомнить теорему Пифагора, где квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. И это неспроста. Дело в том, что если на векторной диаграмме изобразить активное и полное реактивное сопротивление, то мы получим т.н. треугольник сопротивлений, где гипотенузой будет полное сопротивление цепи.

Угол Фи — это и есть угол, на который ток отстаёт от напряжения, а косинус этого угла (cosФ) называют коэффициентом мощности. Это опережение или отставание тока и напряжение приводит к тому, что этот ток возвращается обратно к источнику питания, а не выполняет какую-то работу в потребителе. Это приводит к излишней нагрузке на электросеть, то есть ток протекает полный, а работу выполняет только активная его часть.

Большая часть электрооборудования (электродвигатели, электромагниты и прочее) носит индуктивный характер, что приводит к значительному повышению нагрузки на электросеть и потребления реактивной мощности.

Чтобы бороться с этим явлением используются компенсаторы реактивной мощности — конденсаторные установки, синхронные двигатели, синхронные компенсаторы. То есть подключают какую-то нагрузку с емкостным характером, она нужна, чтобы уменьшить угол между током и напряжением и в итоге повысить коэффициент мощности.

Ну и напоследок ознакомьтесь с подборкой советских плакатов, которые иллюстрируют параметры электрических цепей со смешанной нагрузкой, а также их векторные диаграммы (треугольники сопротивлений, напряжения и мощности).

Последовательное соединение активного и индуктивного сопротивлений

Последовательное соединение активного и емкостного сопротивлений

Последовательное соединение индуктивности и ёмкости

Как определить полное сопротивление?

Полное сопротивление будет равно корню квадратному из суммы квадратов активного и реактивного сопротивлений, т. е.

Как влияет частота на индуктивное и емкостное сопротивление?

ЭДС самоиндукции — причина индуктивного сопротивления. В отличие от активного сопротивления, индуктивное не является характеристикой проводника, т. к. зависит от параметров цепи (частоты): чем больше частота переменного тока, тем больше сопротивление, которое ему оказывает катушка.

Источники

  • https://ElectroInfo.net/raznoe/induktivnoe-soprotivlenie-osobennosti-induktivnogo-soprotivlenija.html
  • https://electric-220.ru/news/formula_induktivnogo_soprotivlenija/2017-05-03-1254
  • https://ProFazu.ru/knowledge/electrical/induktivnoe-soprotivlenie.html
  • https://electricvdome.ru/osnovy-elektrotehniki/induktivnoe-soprotivlenie-katushki.html
  • https://amperof.ru/teoriya/induktivnoe-soprotivlenie.html
  • https://dzen.ru/a/Xvsq-VUfz2hUQAsy
  • https://kmd-mk. ru/kak-vychislit-induktivnoe-soprotivlenie-katushki/
  • https://kmd-mk.ru/chto-takoe-induktivnoe-i-emkostnoe-soprotivlenie/

 

Как вам статья?

Павел

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

15.3 Сопротивление и удельное сопротивление – Физика Колледжа Дугласа 1104 Индивидуальный учебник – зима и лето 2020

Глава 15 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

  • Объясните понятие удельного сопротивления.
  • Используйте удельное сопротивление для расчета сопротивления определенных конфигураций материала.
  • Используйте термический коэффициент удельного сопротивления для расчета изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он состоит. Цилиндрический резистор на рис. 1 легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] прямо пропорционально его длине [латекс]\жирный символ{L}[/латекс], аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. . Чем длиннее цилиндр, тем больше столкновений зарядов с его атомами произойдет. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же аналогично потоку жидкости по трубе). На самом деле, [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] обратно пропорциональна площади поперечного сечения цилиндра [латекс]\жирный символ{А}[/латекс].

Рисунок 1. Однородный цилиндр длиной L и площадью поперечного сечения A . Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше его площадь поперечного сечения A , тем меньше его сопротивление.

Для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект. Различные материалы оказывают различное сопротивление потоку заряда. Мы определяем удельное сопротивление

 [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] вещества, так что сопротивление  [латекс]\жирныйсимвол{R}[/латекс] объекта прямо пропорционально [латекс]\жирныйсимвол{ \ро}[/латекс]. Удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] — это внутреннее свойство материала, не зависящее от его формы или размера. Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] однородного цилиндра длиной [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс], площадью поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс] , и изготовлен из материала с удельным сопротивлением [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс], составляет

[латекс]\boldsymbol{R =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\rho L}{A}}[/латекс].

В таблице 1 приведены репрезентативные значения [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс]. Материалы, перечисленные в таблице, разделены на категории проводников, полупроводников и изоляторов на основе широких групп удельного сопротивления. Проводники имеют наименьшее удельное сопротивление, а изоляторы — наибольшее; полупроводники имеют промежуточное сопротивление. Проводники имеют разную, но большую плотность свободного заряда, в то время как большинство зарядов в изоляторах связаны с атомами и не могут свободно перемещаться. Полупроводники занимают промежуточное положение, имея гораздо меньше свободных зарядов, чем проводники, но обладая свойствами, из-за которых количество свободных зарядов сильно зависит от типа и количества примесей в полупроводнике. Эти уникальные свойства полупроводников используются в современной электронике, что будет рассмотрено в последующих главах. 9{11}}[/латекс]

Таблица 1. Удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] различных материалов при 20ºC

Пример 1.

Расчет диаметра резистора: нить накала фары

Нить накала автомобильной фары изготовлена ​​из вольфрама и имеет морозостойкость [латекс]\boldsymbol{0,350 \;\Omega}[/латекс]. Если нить представляет собой цилиндр длиной 4,00 см (можно свернуть в спираль для экономии места), то каков ее диаметр?

Стратегия

Мы можем преобразовать уравнение [латекс]\boldsymbol{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex], чтобы найти площадь поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/latex] нить из предоставленной информации. Тогда его диаметр можно найти, предполагая, что он имеет круглое поперечное сечение.

Решение

Площадь поперечного сечения, полученная перестановкой выражения сопротивления цилиндра, приведенного в [латекс]\жирный символ{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex],

[латекс]\boldsymbol{A =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{\rho L}{R}}[/латекс] 9{-5} \;\textbf{m}} \end{array}.[/latex]

Обсуждение

Диаметр чуть меньше одной десятой миллиметра.

Он заключен в кавычки только до двух цифр, потому что [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс] известен только до двух цифр.

Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые даже становятся сверхпроводниками (нулевое сопротивление) при очень низких температурах. (См. рис. 2.) И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы вибрируют быстрее и преодолевают большие расстояния при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, совершают больше столкновений, что фактически увеличивает удельное сопротивление. При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC или меньше) удельное сопротивление [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] зависит от изменения температуры [латекс]\жирныйсимвол{\Delta T}[/латекс], как это выражается в следующем уравнении

[латекс]\boldsymbol{ \rho = \rho_{0} (1 + \alpha \Delta T)},[/latex]

, где [latex]\boldsymbol{\rho_0}[/latex] — исходное удельное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{\alpha}[/latex] — температурный коэффициент удельного сопротивления . (См. значения [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] в таблице 2 ниже.) Для больших изменений температуры [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] может меняться, или нелинейное уравнение может быть нужно найти [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс]. Обратите внимание, что [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] положителен для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. Манганин (состоящий из меди, марганца и никеля), например, имеет [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] близок к нулю (до трех цифр по шкале в таблице 2), поэтому его удельное сопротивление лишь незначительно зависит от температуры. Это полезно, например, для создания эталона сопротивления, не зависящего от температуры.

Рис. 2. Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — это сверхпроводник примерно до 4,2 К. Выше этой критической температуры его сопротивление делает резкий скачок, а затем увеличивается почти линейно с температурой. 9{-3}}[/латекс]
Таблица 2: Температурные коэффициенты удельного сопротивления [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс]

Отметим также, что [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс] имеет отрицательное значение для полупроводников, перечисленных в таблице 2, что означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высокой температуре, потому что повышенное тепловое возбуждение увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения [латекса] \boldsymbol{\rho}[/латекса] с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.

Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как [латекс]\boldsymbol{R_0}[/латекс] прямо пропорционально [латекс]\жирныйсимвол{\ро}[/латекс]. Для цилиндра мы знаем [латекс]\boldsymbol{R = \rho L/A}[/latex], и поэтому, если [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{A}[ /латекс] не сильно меняются с температурой, [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] будет иметь ту же температурную зависимость, что и [латекс]\жирныйсимвол{\rho}[/латекс]. (Изучение коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, поэтому влияние температуры на [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol {A}[/latex] примерно на два порядка меньше, чем на [latex]\boldsymbol{\rho}[/latex].) Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/латекс]

— зависимость сопротивления объекта от температуры, где [latex]\boldsymbol{R_0}[/latex] — исходное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{R}[/latex] — сопротивление после изменения температуры [ латекс]\boldsymbol{\Delta T}[/латекс]. Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление. (См. рис. 3.) Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для получения его температуры. Устройство маленькое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью человека, к которой прикасается.

Рисунок 3. Эти известные термометры основаны на автоматизированном измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры. (кредит: Biol, Wikimedia Commons)

Пример 2: Расчет сопротивления: сопротивление горячей нити

Хотя следует соблюдать осторожность при применении [латекс]\boldsymbol{ \rho = \rho_0(1 + \alpha \Delta T)}[ /latex] и [latex]\boldsymbol{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/latex] для изменений температуры более 100ºC, для вольфрама уравнения работают достаточно хорошо при очень больших изменениях температуры. Каково же тогда сопротивление вольфрамовой нити в предыдущем примере, если ее температуру повысить с комнатной (20°С) до типичной рабочей температуры 2850°С? 9{\circ}C)]} \\[1em] & \boldsymbol{4.8 \;\Omega} \end{array}.[/latex]

Обсуждение

Это значение согласуется с примером сопротивления фары в Пример 1 Глава 20.2 Закон Ома: сопротивление и простые цепи.

Исследования PhET: сопротивление в проводе

Узнайте о физике сопротивления в проводе. Измените его удельное сопротивление, длину и площадь, чтобы увидеть, как они влияют на сопротивление провода. Размеры символов в уравнении меняются вместе со схемой провода.

Рис. 4. Сопротивление в проводе
  • Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] цилиндра длиной [латекс]\boldsymbol{L}[/латекс] и площадью поперечного сечения [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{R = \frac{\rho L}{A}}[/latex], где [латекс]\boldsymbol{\rho}[/латекс] — удельное сопротивление материала.
  • Значения [латекс]\жирныйсимвол{\rho}[/латекс] в таблице 1 показывают, что материалы делятся на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы .
  • Температура влияет на удельное сопротивление; для относительно небольших изменений температуры [латекс]\boldsymbol{\Delta T}[/latex], удельное сопротивление равно [латекс]\boldsymbol{\rho = \rho_0(1 + \alpha \Delta T)}[/latex], где [ латекс]\boldsymbol{\rho_0}[/латекс] — исходное удельное сопротивление, а αα — температурный коэффициент удельного сопротивления.
  • В таблице 2 приведены значения [латекс]\жирныйсимвол{\альфа}[/латекс], температурный коэффициент удельного сопротивления.
  • Сопротивление [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс] объекта также зависит от температуры: [латекс]\жирный символ{R = R_0(1 + \alpha \Delta T)}[/латекс], где [латекс ]\boldsymbol{R_0}[/latex] — исходное сопротивление, а [latex]\boldsymbol{R}[/latex] — сопротивление после изменения температуры.

Задачи и упражнения

1: Чему равно сопротивление отрезка медной проволоки 12-го калибра диаметром 2,053 мм длиной 20,0 м?

2: Диаметр медной проволоки 0-го калибра 8,252 мм. Найти сопротивление такого провода длиной 1,00 км, по которому осуществляется передача электроэнергии.

3: Если вольфрамовая нить диаметром 0,100 мм в лампочке должна иметь сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,200 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºC, какой длины она должна быть? 93 \;\textbf{V}}[/latex] применяется к нему? (Такой стержень можно использовать, например, для изготовления детекторов ядерных частиц). в габаритах? (б) Происходит ли это в бытовой электропроводке при обычных обстоятельствах?

7: Резистор из нихромовой проволоки используется в тех случаях, когда его сопротивление не может измениться более чем на 1,00% от его значения при 20,0ºC. В каком диапазоне температур его можно использовать?

8: Из какого материала изготовлен резистор, если его сопротивление при 100°С на 40,0% больше, чем при 20,0°С?

9: Электронное устройство, предназначенное для работы при любой температуре в диапазоне от –10,0ºC до 55,0ºC, содержит чисто углеродные резисторы. Во сколько раз увеличивается их сопротивление в этом диапазоне?

10: (а) Из какого материала изготовлена ​​проволока, если она имеет длину 25,0 м, диаметр 0,100 мм и сопротивление [латекс]\boldsymbol{77,7 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºС? б) Каково его сопротивление при 150°С?

11: При постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления, каково максимальное уменьшение сопротивления константановой проволоки в процентах, начиная с 20,0ºC?

12: Проволоку протягивают через матрицу, растягивая ее в четыре раза по сравнению с первоначальной длиной. Во сколько раз увеличивается его сопротивление?

13: Медная проволока имеет сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,500 \;\Омега}[/латекс] при 20,0ºC, а железная проволока имеет сопротивление [латекс]\boldsymbol{0,525 \; \Omega}[/latex] при той же температуре. При какой температуре их сопротивления равны? 9{\circ} \textbf{C}}[/latex]), когда он имеет ту же температуру, что и пациент. Какова температура тела пациента, если сопротивление термистора при этой температуре составляет 82,0% от его значения при 37,0°С (нормальная температура тела)? (b) Отрицательное значение для [латекс]\boldsymbol{\alpha}[/латекс] может не поддерживаться при очень низких температурах. Обсудите, почему и так ли это, здесь. (Подсказка: сопротивление не может стать отрицательным.)

15: Комплексные концепции

(a) Повторите упражнение 2 с учетом теплового расширения вольфрамовой нити. Вы можете принять коэффициент теплового расширения [латекс]\boldsymbol{12 \times 10^{-6}/^{\circ} \textbf{C}}[/латекс]. б) На сколько процентов ваш ответ отличается от ответа в примере?

16: Необоснованные результаты

(a) До какой температуры нужно нагреть резистор, сделанный из константана, чтобы удвоить его сопротивление при постоянном температурном коэффициенте удельного сопротивления? б) Разрезать пополам? в) Что неразумного в этих результатах? (d) Какие предположения неразумны, а какие предпосылки противоречивы?

Сноски

  1. 1 Значения сильно зависят от количества и типов примесей
  2. 2 Значения при 20°C.

Глоссарий

Удельное сопротивление
внутреннее свойство материала, независимое от его формы или размера, прямо пропорциональное сопротивлению, обозначаемому ρ
температурный коэффициент удельного сопротивления
эмпирическая величина, обозначаемая α , которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала при изменении температуры

Значение сопротивления проводника и как его рассчитать

В этой части серии «Практикующий техник» мы рассмотрим расчеты, необходимые для определения сопротивления данного проводника. Этот часто упускаемый из виду параметр может быть важен при попытке определить подходящий диаметр проволоки для данного применения. Также важно учитывать сопротивление проводника при оценке эффективности применения. Меньшее сопротивление означает меньшее рассеивание мощности проводником. Оптимизация этих двух аспектов сопротивления проводника для вашего конкретного приложения может привести к значительному снижению затрат на внедрение и эксплуатацию. Важно знать сопротивление, предлагаемое данным проводником, а также понимать, в какой степени это сопротивление влияет на приложение и его работу. По этой причине мы рассмотрим некоторые важные аспекты сопротивления проводника, кратко опишем и обсудим их.

Какие факторы определяют сопротивление данного проводника?

Есть три фактора, которые определяют величину сопротивления данного проводника. Они проиллюстрированы здесь в соотношении, используемом для расчета сопротивления проводника.

Мы начнем с признания того очевидного факта, что длина проводника влияет на его общее сопротивление. Чем больше длина данного проводника, тем большее сопротивление будет иметь этот проводник. Это хорошо видно из соотношения, приведенного выше.

Удельное сопротивление материала проводника играет важную роль в общем сопротивлении. Это связано с тем, что разные материалы, например золото или медь, обладают разным сопротивлением постоянному току. Материалы проводников, как правило, выбираются на основе рентабельности и пригодности. Удельное сопротивление материала некоторых из наиболее распространенных проводников, используемых сегодня, указано ниже.

Последним важным фактором, определяющим сопротивление проводника, является площадь поперечного сечения данного проводника. Важно отметить обратную зависимость между площадью поперечного сечения проводника и сопротивлением проводника. Как видно из приведенного примера, чем меньше площадь поперечного сечения проводника, тем больше становится значение сопротивления проводника. Это означает, что, хотя использование меньших размеров проводника может быть дешевле, существует компромисс с сопротивлением.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *