Електричний опір: що це?

Electrical4u

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке електричний опір?

Опір (також відомий як омічний опір або електричний опір) — це міра протиходу струму у електричній схемі. Опір вимірюється в омах, символізований грецькою літерою омега (Ω).

Чим більший опір, тим більшою є перешкода для руху струму.

Коли розподіл потенціалу застосовується до провідника, струм починає течі, або вільні електрони починають рухатися. Під час руху вільні електрони зіштовхуються з атомами і молекулами провідника.

Завдяки зіштовхуванню або перешкоді, швидкість руху електронів або електричного струму обмежується. Тому можна сказати, що існує деяке протистояння проти руху електронів або струму. Отже, це протистояння, яке запропоноване речовиною для руху електричного струму, називається опіром.

Опір провідного матеріалу виявляється—

пропорційним довжині матеріалу
обернено пропорційним площі поперечного перерізу матеріалу
залежить від природи матеріалу
Залежить від температури

Математично, опір провідного матеріалу можна виразити як,

$\begin{align*} R \propto \frac{l}{a} \end{align*}$

$\begin{align*} R = \rho \frac{l}{a} \,\, \Omega \end{align*}$

Де R — опір провідника

$l$ — довжина провідника

a — поперечне сечение провідника

$\rho$ — коефіцієнт пропорційності матеріалу, відомий як специфічний опір або резистивність матеріалу

Визначення 1 ома опору

Якщо потенціал 1 вольт прикладено до двох контактів провідника і через нього пройде струм 1 ампер, то опір цього провідника становить 1 ом.

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \end{align*}$

$\begin{align*} 1 \,\, Ом = \frac{1 \,\, Вольт}{1 \,\, Ампер} \end{align*}$

У чому вимірюється електричний опір (одиниці)?

Електричний опір вимірюється в (SI одиниця для резистора) омах, і його позначають символом Ω. Одиниця ом (Ω) названа на честь великого німецького фізика та математика Георга Сімона Ома.

У системі SI, один ом дорівнює одному вольту на ампер. Тобто,

$\begin{align*} 1 \,\, Ом = \frac{1 \,\, Вольт}{1 \,\, Ампер} \end{align*}$

Таким чином, опір також вимірюється у вольтах на ампер.

Резистори виробляються та специфікуються у широкому діапазоні значень. Ом як одиниця використовується для середніх значень опору, але великі та малі значення опору можна виразити в міліомах, кілоомах, мегаомах тощо.

Тому, похідні одиниці резисторів формулюються відповідно до їх значень, як показано в таблиці нижче.

Unit Name	Abbreviation	Values in Ohm $(\Omega)$
Milli Ohm	$m\,\,\Omega$	$10^-^3\,\,\Omega$
Micro Ohm	$\micro\,\,\Omega$	$10^-^6\,\,\Omega$
Nano Ohm	$n\,\,\Omega$	$10^-^9\,\,\Omega$
Kilo Ohm	$K\,\,\Omega$	$10^3\,\,\Omega$
Mega Ohm	$M\,\,\Omega$	$10^6\,\,\Omega$
Giga Ohm	$G\,\,\Omega$	$10^9\,\,\Omega$

Похідна одиниця опору

Символ електричного опору

Існує два основні символи електричного опору, використовувані в схемах.

Найпоширеніший символ опору - це зигзагоподібна лінія, яка широко використовується в Північній Америці. Інший символ опору - це невеликий прямокутник, широко використовується в Європі та Азії, відомий як міжнародний символ опору.

Символ опору показаний на зображенні нижче.

企业微信截图_17099630627029.png 企业微信截图_17099630544755.png

Формула електричного опору

Основна формула опору:

Зв'язок між опором, напругою і струмом (Закон Ома)
Зв'язок між опором, потужністю і напругою
Зв'язок між опором, потужністю і струмом

Ці зв'язки підсумовані на зображенні нижче.

Формула опору 1 (Закон Ома)

Згідно з законом Ома

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Таким чином, опір є відношенням напруги живлення до струму.

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\,\Omega \end{align*}$

Формула опору 2 (потужність та напруга)

Передане електричне питання є добутком напруги живлення та електричного струму.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Тепер, підставивши $I = \frac{V}{R}$ у вищенаведене рівняння, отримаємо,

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \end{align*}$

Отже, ми отримуємо, що опір є відношенням квадрату напруги живлення до потужності. Математично,

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\,\Omega \end{align*}$

Формула опору 3 (потужність та струм)

Ми знаємо, що $P = V * I$

Підставивши $V = I *R$ у вищенаведене рівняння, ми отримуємо

$\begin{align*} P = I^2 * R \end{align*}$

Таким чином, опір є відношенням потужності до квадрату струму. Математично,

$\begin{align*} R = \frac{P}{I^2} \,\, \Omega \end{align*}$

Різниця між опором AC і DC

Існує різниця між опором AC і DC. Розглянемо це коротко.

Опор AC

Загальний опір (включаючи опір, индуктивну реактивну супротивність та емпідну реактивну супротивність) у колах AC називається імпедансом. Тому, опір AC також називають імпедансом.

Опір = Імпеданс, тобто,

$\begin{align*} R = Z \end{align*}$

Наступна формула дає значення опору або імпедансу в AC-мережах,

$\begin{align*} R_A_C = \sqrt{R^2 + (X_L-X_C)^2} \,\, \Omega \end{align*}$

Опор DC

Амплітуда постійного струму (DC) є сталою, тобто у цих мережах відсутній частота; тому реактивний опір конденсатора та індуктивний опір у DC-мережах дорівнюють нулю.

Тому, коли до проводника або дроту прикладається постійне напруга, враховується лише опір провідника або дроту.

Отже, згідно з законом Ома, ми можемо обчислити значення опору DC.

$\begin{align*} R_D_C = \frac{V}{I} \,\, \Omega \end{align*}$

Який більший: опір AC чи DC?

У постійному струмі немає ефекту шкіри, оскільки частота в постійному живленні дорівнює нулю. Тому опір при змінному струмі більший за опір при постійному струмі через ефект шкіри.

$\begin{align*} R_A_C = R_D_C \end{align*}$

Зазвичай, значення опору при змінному струмі становить 1,6 рази значення опору при постійному струмі.

$\begin{align*} R_A_C = 1.6 * R_D_C \end{align*}$

Електричний опір, нагрівання та температура

Електричний опір та нагрівання

Коли електричний струм (тобто потік вільних електронів) проходить через провідник, між рухомими електронами та молекулами провідника виникає певне "тертя". Це тертя називається електричним опором.

Таким чином, електрична енергія, надана провіднику, перетворюється на тепло через тертя або електричний опір. Це відомо як нагрівальний ефект електричного струму, спричинений електричним опором.

Наприклад, якщо струм I амперів протікає через провідник з опором R омів протягом t секунд, електрична енергія, яка підводиться, становить I2Rt джулів. Ця енергія перетворюється на теплову.

Таким чином,

$\begin{align*} Heat \,\, produced \,\,(H) = I^2 * R * t \,\, joules \end{align*}$

$\begin{align*} = \frac{I^2 * R * t}{4.186} \,\, calories \end{align*}$

Цей нагрівальний ефект використовується для виготовлення багатьох електричних приладів для нагріву, таких як електричний нагрівач, електричний тостер, електричний чайник, електричний прасок, паяльник тощо. Основний принцип цих приладів однаковий, тобто коли електричний струм протікає через високий опір (називається нагрівальним елементом), він таким чином виробляє необхідне тепло.

Один з найпоширеніших сплавів нікелю і хрому, називається нихром, має опір, що перевищує мідь більше ніж у 50 разів.

Вплив температури на електричний опір

Опір всіх матеріалів залежить від зміни температури. Вплив зміни температури різний, залежно від матеріалу.

Метали

Електричний опір чистих металів (наприклад, мідь, алюміній, срібло тощо) зростає з підвищенням температури. Це збільшення опору значне для звичайного діапазону температур. Тому, метали мають позитивний температурний коефіцієнт опору.

Сплави

Електричний опір сплавів (наприклад, нихром, манганін тощо) також зростає при підвищенні температури. Це збільшення опору нерегулярне і відносно невелике. Тому, сплави мають невисоке значення позитивного температурного коефіцієнта опору.

Полупровідники, ізолятори та електроліти

Електричний опір полупровідників, ізоляторів та електролітів зменшується при підвищенні температури. Зі збільшенням температури створюється багато вільних електронів. Тому, спостерігається зниження значення електричного опору. Таким чином, такий матеріал має негативний температурний коефіцієнт опору.

Поширені питання щодо опору

Електричний опір людського тіла

Опір шкіри людського тіла високий, але внутрішній опір тіла низький. Коли людське тіло сухе, його середній ефективний опір високий, а коли мокре, опір значно знижується.

При сухих умовах, ефективний опір, який надає людське тіло, становить 100 000 ом, а при мокрих умовах або пораненій шкірі, опір знижується до 1000 ом.

Якщо високовольтажна електроенергія потрапляє на шкіру людини, вона швидко руйнує шкіру, і опір, який надає тіло, знижується до 500 ом.

Електричний опір повітря

Ми знаємо, що електричний опір будь-якого матеріалу залежить від опору або специфічного опору цього матеріалу. Опора або специфічний опір повітря становить близько $10^6$ до $10^1^5$ $\Omega-m$ при 200 C.

Електричний опір повітря є мірою здатності повітря протистояти електричному струму. Опір повітря є результатом зіткнень між передньою поверхнею об'єкта та молекулами повітря. Дві основні фактори, які впливають на кількість опору повітря, — це швидкість об'єкта та площу поперечного перерізу об'єкта.

Розрядна проникнення повітря становить 21.1 кВ/см (СКМ) або 30 кВ/см (пік), що означає, що повітря забезпечує електричний опір до 21.1 кВ/см (СКМ) або 30 кВ/см (пік). Якщо електростатичний напруга в повітрі перевищує 21.1 кВ/см (СКМ), відбувається розряд повітря, отже, можна сказати, що опір повітря стає нульовим.

Електричний опір води

Опор або специфічний опір води є мірою здатності води протистояти електричному струму, що залежить від концентрації розчинених солей в воді.

Чиста вода має більше значення специфічного опору або опору, оскільки не містить іонів. Коли солі розчиняються в чистій воді, виникають вільні іони. Ці іони можуть проводити електричний струм, тому опір зменшується.

Вода з високою концентрацією розчинених солей матиме низький специфічний опір або опір, і навпаки. Таблиця нижче показує значення опору для різних типів води.

Типи води	Омічний опір в Ом-м $(\Omega-m)$
Чиста вода	20 000 000
Морська вода	20-25
Дистилованна вода	500 000
Дощова вода	20 000
Річкова вода	200
Питна вода	2 до 200
Деіонізованна вода	180 000

Електричний опір міді

Мідь є добре провідним матеріалом, тому вона має низьку величину опору. Природний опір, який надає мідь, називають специфічним опором або резистивністю міді.

Значення специфічного опору або резистивності міді становить $1.68 * 10^-^8\,\,\Omega-m$ .

Як називається явище, коли електричний опір дорівнює нулю?

Коли електричний опір дорівнює нулю, це явище називають надпровідністю.

За законом Ома,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \end{align*}$

Якщо електричний опір, тобто R = 0, то,

$\begin{align*} I = \frac{V}{0} = \infty \end{align*}$

Тому, нескінченний струм пройде через провідник, якщо опір цього провідника дорівнює нулю; це явище називають надпровідністю.

Також можна сказати, що якщо електричний опір дорівнює нулю, то провідність становить нескінченість.

$\begin{align*} G = \frac{1}{R} = \frac{1}{0} = \infty \end{align*}$

Як впливає резистивність на опір?

Як відомо, опір провідного матеріалу можна виразити так,

$\begin{align*} R \propto \frac{l}{a} \end{align*}$

$\begin{align*} R = \rho \frac{l}{a} \,\, \Omega \end{align*}$

де R — опір провідника

$l$ — довжина провідника

a = поперечне сечение провідника

$\rho$ = стала пропорційності матеріалу, відома як специфічний опір або резистивність матеріалу

Тепер, якщо $l = 1\,\,m , a = 1\,\,m^2$ то

$\begin{align*} R = \rho \end{align*}$

Отже, специфічний опір або резистивність матеріалу — це опір, який надає одиниця довжини та одиниця поперечного перерізу матеріалу.

Ми знаємо, що кожен провідний матеріал має різну величину специфічного опору або резистивності; отже, величина опору залежить від довжини та площі провідного матеріалу, який використовується.

Джерело: Electrical4u

Заява: Поважайте оригінал, добрих статей варті поширення, якщо є порушення авторських прав зв'яжіться для видалення.