Jaký je odpor měděného drátu dlouhého 100 m?

Jsme tak zvyklí na různá technická zařízení, že často ani nepřemýšlíme o tom, jak fungují. Každý z vás například zvýšil hlasitost rádia nebo televize, sledoval, jak postupně zhasínají světla v kině, ale napadlo vás někdy: jak se to děje? Zkusme na to přijít.

1. Zjistěte, na čem závisí odpor vodiče

Když proud protéká kovovým vodičem, směrově se pohybující volné elektrony narážejí na ionty kovové krystalové mřížky – vodič odolává elektrickému proudu.

Odpor vodiče závisí na jeho délce, průřezu a materiálu, ze kterého je vyroben.

Nejprve zjistíme, jak závisí odpor vodiče na jeho délce. K tomu sestavíme elektrický obvod (viz obr. 30.1), který má zdroj proudu, klíč, rezistor a nichromový drát natažený přes dřevěné pravítko se dvěma koncovkami. Délku úseku drátu, ve kterém protéká proud, změníme pomocí jezdce – speciální svorky, kterou lze po vodiči snadno posouvat. Pro měření proudu a napětí připojte k obvodu ampérmetr a voltmetr.

Rýže. 30.1. Experiment dokazující, že odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce. Na obrázku: 1 – svorky; 2 – pravítko; 3 — nichromový drát (vodič); 4 – posuvník

Po provedení příslušného průzkumu se ujistíme, že při změně délky vodiče se změní jeho odpor. Navíc, bez ohledu na to, kolikrát se délka vodiče zvětší (zmenší), jeho odpor se zvýší (sníží) o stejnou hodnotu. Proto je odpor vodiče přímo úměrný jeho délce.

Abychom zjistili, jak odpor vodiče závisí na jeho průřezu, použijeme několik nichromových drátů namontovaných na panelu, stejně dlouhých, ale odlišných v průřezu (obr. 30.2). Zkušenosti ukážou, že zdvojnásobení plochy průřezu vodiče vede k dvojnásobnému snížení jeho odporu, to znamená, že odpor vodiče je nepřímo úměrný jeho průřezové ploše.

Rýže. 30.2. Experiment dokazující, že odpor vodiče je nepřímo úměrný jeho průřezu

Po provedení experimentů s vodiči, které mají stejnou délku a průřez, ale jsou vyrobeny z různých materiálů (například měď, hliník, nichrom), se přesvědčíme, že odpor vodiče závisí na materiálu, ze kterého vodič je vyroben.

Shrneme-li výsledky experimentů, můžeme napsat vzorec:

kde R je odpor vodiče; l je délka vodiče; S je plocha průřezu vodiče; ρ je koeficient úměrnosti, který závisí na látce (materiálu), ze kterého je vodič vyroben. Tento koeficient se nazývá měrný odpor látky.

2. Uvedeme definici měrného odporu látky

Specifická odolnost látky je fyzikální veličina, která charakterizuje elektrické vlastnosti dané látky a číselně se rovná odporu z ní vyrobeného vodiče o délce 1 m a ploše průřezu 1 m2.

Jednotka SI odporu – ohmmetr:

Specifické odpory jsou stanoveny experimentálně a zaneseny do tabulek (viz tabulka 7 v příloze). Hodnota měrného odporu výrazně závisí na teplotě látky, proto v tabulkách musí být uvedena teplota, při které byly dané hodnoty získány.

• Použití údajů v tabulce. 7 Aplikace vysvětlete, proč se pro vnitřní elektrické rozvody běžně používají hliník a měď než mnohem levnější ocel. Proč se kaučuk, porcelán a ebonit používají v elektrotechnice jako izolanty?

3. Seznámení s reostaty

Princip činnosti reostatů je založen na skutečnosti, že odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce.

Reostat je zařízení s proměnným odporem určené k regulaci proudu v elektrickém obvodu.

S nejjednodušším reostatem jste se již setkali, když jste zjišťovali závislost odporu vodiče na jeho délce (viz obr. 30.1). Pohodlnější jsou samozřejmě reostaty, které se v praxi používají. Uvažujme dvoukontaktní posuvný reostat (obr. 30.3). Kovový drát (3) je navinut na keramický válec (2) a zmenšuje tak rozměry reostatu. Nad vinutím je upevněna kovová tyč (5), na které je umístěn jezdec (4).

Rýže. 30.3. Dvoukontaktní posuvný reostat: a – celkový pohled: 1,6 – svorky; 2 – keramický válec; 3 – kovový drát (vinutí); 4 — jezdec; 5 – kovová tyč; 6 – symbol na schématech

Reostat má dvě svorky (dva kontakty), z nichž jedna (1) je připojena k vinutí a druhá (6) k tyči. Když je reostat připojen k obvodu, elektrický proud teče z jedné svorky do druhé (nejprve se vinutí otočí k jezdci a poté v tyči).

V praxi se kromě posuvných používají i další typy reostatů, např. pákové (sekční) reostaty (obr. 30.4). Odpor pákových reostatů (na rozdíl od posuvných reostatů) se mění ve skocích a podle toho se mění i síla proudu ve skocích. Pákové reostaty se používají k zapínání a vypínání elektromotorů.

Rýže. 30.4. Pákový (sekční) reostat: a – celkový pohled; b – schéma: 1 – kovový drát; 2 — páka; 3 – kontakt. Šipky ukazují směr proudu

• Podívejte se na Obr. 30.4, b a zjistěte, kolikrát se sníží odpor sekčního reostatu při přepnutí páky z kontaktu A na kontakt B.

Každý reostat je navržen pro určité napětí. Maximální odpor reostatu a nejvyšší možné napětí na něm jsou uvedeny ve speciální tabulce na těle zařízení. Vinutí reostatu se obvykle vyrábí z kovů (slitin) s vysokým měrným odporem (konstantan, manganin, nichrom, fechral).

4. Naučit se řešit problémy

1 výzva. Měděný drát má délku 10 m a plochu průřezu 0,5 mm2. Vypočítejte proud v tomto vodiči, pokud je napětí na jeho koncích 34 mV.

Analýza fyzikálního problému. Sílu proudu lze určit pomocí Ohmova zákona a k tomu je nutné vypočítat odpor vodiče. K tomu použijeme vzorec pro výpočet odporu. Odpor mědi najdeme v příslušné tabulce.

2 výzva. Na obrázku je schéma elektrického obvodu sestávajícího ze zdroje proudu, elektrické lampy a reostatu. Jak se změní proud v lampě, když se posuvník reostatu posune doprava?

Sčítání

Kontrolní otázky

1. Dokažte, že vodič odolává elektrickému proudu. 2. Jak dokázat, že odpor vodiče je přímo úměrný jeho délce? 3. Závisí odpor vodiče na jeho průřezu? Pokud záleží, tak jak? 4. Jaký vzorec se používá pro výpočet odporu vodiče? 5. Jaký je měrný odpor látky? 6. Co je to reostat? 7. Jaké znáte typy reostatů? Jak se od sebe liší? 8. Popište konstrukci a princip činnosti posuvného reostatu.

Cvičení č. 30

1. Na Obr. 1 znázorňuje vodiče se stejnou plochou průřezu, ale vyrobené z různých látek (železo, měď, olovo). Určete, z jaké látky je každý vodič vyroben, je-li známo, že jejich odpory jsou stejné.

Obr. 1

2. Vypočítejte odpor měděného drátu dlouhého 2 m, pokud je jeho průřez 6,8 mm 2.

3. Jak se změní odpor reostatu a proud v obvodu (obr. 2), pokud se jezdec reostatu posune doprava?

Obr. 2

4. Jak dlouhý by měl být nichromový drát o průřezu 0,2 mm 2, aby při napětí na jeho koncích 4,4 V byl v něm proud 0,4 A?

5. Drát s odporem 25 ohmů byl přeříznut na polovinu a poloviny byly zkrouceny. Jak a kolikrát se změnil odpor drátu? Vysvětlete svou odpověď.

6. Napětí na koncích hliníkového drátu o délce 100 m je 7 V. Určete hmotnost drátu, pokud je v něm proud 10 A.

7. Podle Obr. 3 popisují princip činnosti zátkového reostatu.

Rýže. 3. Zástrčkový reostat (odporový zásobník): 1 – svorky; 2 – měděná deska; 3 – zástrčka; 4 – spirála

Experimentální úkol

Z ocelového drátu vyrobte rezistor s odporem 0,2 ohmu. Popište své činy. Nezapomeňte uvést průměr a délku použitého drátu.