Сопротивление (что такое резистор)

Что такое сопротивление

Это физическая величина которая характеризуется свойствами данного проводника и на прямую зависит от его состава, равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление тока проводников измеряют в омах. Ом есть сопротивление проводника, на концах которого при токе в 1 а образуется разность потенциалов в 1 в. Применяются также более крупные единицы: килоом (1 ком =10³ ом), мегаом (1 Мом=10⁶ ом).

Сопротивление R проводника прямо пропорционально длине l, обратно пропорционально площади S поперечного сечения и зависит от его природы:

R = ρ(l/S)

где ρ — удельное сопротивление, учитывающее природу проводника.

Величина G, обратная сопротивлению R, называется электропроводностью или проводимостью проводника:

G = 1/R = (1/ρ)(S/l) = γ(S/l)

где γ — удельная проводимость вещества проводника.

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры увеличивается. При повышении температуры повышается интенсивность колебательного движения ионов, образующих пространственную решетку металла, и столкновения электронов с ними учащаются, что в большей «степени затрудняет их движение.

Если обозначить R_t — сопротивление при температуре t, R₀ — при температуре t₀ иα — температурный коэффициент, показывающий, на какую часть исходной величины увеличивается сопротивление данного проводника при повышении его температуры на 1°С, то

R_t = R₀[1 + α (t-t₀)].

Часто бывает необходимо включить в цепь сопротивление той или иной величины. Такие сопротивления называются резисторами и изготовляются из проволоки, угля или специальной проводящей ток массы (рис. ). При этом надо учитывать силу тока или мощность, на которую резистор рассчитан, в противном случае он будет перегреваться.

Регулируемые сопротивления

Регулируемые сопротивления, или реостаты, изготовляются из проволоки, изолированной тонкой оксидной пленкой и намотанной на фарфоровый цилиндр С; по поверхности проволоки передвигается ползунок, под контактами которого изолирующая пленка с проволоки удаляется. Ток проходит от ползунка к виткам проволоки. Реостат имеет три клеммы (1, 2, 3) для присоединения проводников цепи, в которую он включается.

Если в цепь последовательно включено несколько резисторов, то приложенное напряжение распределяется между ними прямо пропорционально их сопротивлениям. В однородном проводнике постоянного сечения приложенное напряжение распределяется равномерно по длине проводника. Это используют при устройстве потенциометра или делителя напряжения. Потенциометр представляет собой реостат Р, который своими концами aи e подключается к источнику напряжения Б (рис. 2, а). 

К одному из концов, например, а и к ползунку b реостата подключается нагрузка Н, напряжение на которой должно регулироваться. Напряженнее U источника распределяется равномерно по всей длине l проволоки реостата. Поэтому между любыми двумя точками а и b реостата действует только часть U ₁ приложенного напряжения U, прямо пропорциональная длине l₁ проволоки между этими точками: 

U ₁/U = l₁/l.

Изменяя положение ползунка, можно регулировать напряжение, приходящееся на нагрузку, от нуля, когда ползунок находится в начале реостата (l₁ =0. следовательно, U ₁ = 0), до максимального, равного напряжению источника питания, когда ползунок находится в конце реостата (l₁ = l, соответственно U ₁ = U).

При этом не принималось во внимание, что по части потенциометра проходит ток нагрузки, в связи с чем падение напряжения в ней увеличивается, поэтому действительное распределение напряжения в потенциометре несколько отличается от рассмотренного. При небольших токах нагрузки этим можно пренебречь. Для учета действительного напряжения, приходящегося на нагрузку, к ней подключается вольтметр V.

Применение потенциометров

Потенциометры применяются для регулировки напряжения на выходе у многих медицинских аппаратов. Потенциометр от аппарата для гальванизации показан на рис. 2, б. Тонкая проволока с большим сопротивлением намотана на изолирующую пластинку О, согнутую в виде кольца. По торцу кольца, где изоляция на проволоке удалена, передвигается ползунок П с рукояткой Р. Для включения в цепь потенциометр имеет три контакта К.

Зависимость напряжения U_p на выходе потенциометра (при определенном сопротивлении нагрузки) от положения ползунка называется регулировочной характеристикой потенциометра. Характеристика близка к прямой линии (рис. 3, кривая Л). Часто для более плавной регулировки в начальной части потенциометра применяется проволока большего сечения т. е. меньшим сопротивлением на единицу длины). В этом случае характеристика потенциометра имеет вид, показанный на рис. 3, кривая Б.

Мост Уитстона

Для измерения сопротивлений часто применяется мост Уитстона, состоящий из четырех сопротивлений r_1, r₂, r₃ и r₄, включенных между собой по схеме в виде ромба (рис. 4, а). К точкам А и Г присоединяют источник напряжения, между точками Б и В включают чувствительный гальванометр. Если подобрать сопротивления так, чтобы выполнялось соотношение

r₁/r₂ = r₃/r4.

то потенциалы точек Б и В делаются равными и ток в гальванометре отсутствует. При этом в схеме имеются только два тока: I ₁, который проходит через сопротивления r₁ и r₂, и I₂ — через сопротивления r₃ и r₄. При нарушении этого соотношения в гальванометре появляется ток, величина которого зависит от степени этого нарушения.

Для того чтобы потенциалы точек Б к В были равны между собой, необходимо, чтобы напряжения на сопротивлениях r₁ и r₃ (от общей точки А до точек Б и В соответственно) были равны между собой: U_АБ = U_АБ. Также должны быть равны между собой и напряжения на сопротивлениях г₂ и г₄ (от точек Б и В до общей точки Г):

U_БГ = U_ВГ. 

Или I₁r₁ = I₂r₃ и I₁r₂= I₂r₄.

Разделив первое из этих равенств на второе и сократив на I₁ (левую часть) и I₂ (правую часть), получим:

r₁/r₂ = r₃/r₄

В мосте Уитстона для измерительных целей сопротивления r₃ и r₄ заменяются реохордом, т. е. прямой однородной проволокой, по которой передвигается контакт, образующий точку В моста (рис. 4, б). Измеряемое сопротивление r_х включают на место r₁, а r₂ подбирают примерно такого же порядка, как и r_х. Затем, передвигая контакт реохорда, добиваются отсутствия тока в гальванометре Г. При этом r_x/r₂ = l₁/(l₀ — l₁), откуда

r_x = r₂(l₁/(l₀ — l₁)),

где l₀—полная длина проволоки реохорда, а l₁ — отрезок ее от начала до контакта В, измеряемый по шкале реохорда.