Перейти до основного вмісту
Каталог

Опір провідника і питомий опір

~15 хв · 8 розділів · 8 тестових запитань

Електродинаміка
Фізика НМТ

Опір провідника залежить від матеріалу, довжини та площі поперечного перерізу. Ти опануєш формулу R = ρl/S, навчишся перетворювати одиниці питомого опору та передбачати, як змінюється опір під час розтягування, розрізання або зміни діаметра дроту.

Опір провідника

Коли в металевому провіднику тече електричний струм, вільні електрони рухаються напрямлено під дією електричного поля. На своєму шляху вони постійно зіштовхуються з йонами кристалічної ґратки. Саме ці зіткнення створюють перешкоду для впорядкованого руху зарядів — це явище називають електричним опором. Що частіше електрони стикаються з ґраткою, то більший опір має провідник.

Величина опору залежить від трьох чинників: матеріалу, з якого виготовлено провідник, його довжини та площі поперечного перерізу. Цю залежність описує формула:

$$R = \rho \frac{l}{S}$$

де — опір провідника (в Ом), — довжина провідника (в м), — площа поперечного перерізу (в м²), а (грецька літера «ро») — питомий опір матеріалу. Опір прямо пропорційний довжині: що довший провідник, то більше зіткнень зазнають електрони. Водночас опір обернено пропорційний площі перерізу: що товщий провідник, то більше «вільних коридорів» мають електрони й то менший опір.

Площа перерізу круглого дроту

Більшість провідників у задачах мають форму циліндричного дроту. Площу його поперечного перерізу обчислюють через діаметр:

$$S = \frac{\pi d^2}{4}$$

Зверни увагу: площа пропорційна квадрату діаметра. Якщо діаметр дроту збільшити вдвічі, площа перерізу зросте в рази, а отже опір зменшиться в рази. Це треба враховувати в задачах на зміну діаметра дроту.

Реостат

Реостат — це прилад, опір якого можна плавно змінювати. Його основна частина — дріт із матеріалу з великим питомим опором (наприклад, ніхромовий), намотаний на каркас. Пересуваючи повзунок, змінюють довжину тієї частини дроту, яка ввімкнена в коло. Оскільки , то зі збільшенням довжини опір зростає, а зі зменшенням — спадає. Реостати застосовують для регулювання сили струму в колі.

Питомий опір

Питомий опір — це фізична величина, яка характеризує здатність матеріалу чинити опір електричному струму. Чисельно він дорівнює опору провідника довжиною м і площею поперечного перерізу м². У СІ питомий опір вимірюють в Ом·м.

На практиці й у шкільних задачах питомий опір часто подають в Ом·мм²/м. Це зручно, бо площу перерізу дроту зазвичай задають у мм². Співвідношення між одиницями:

$$1 \; \text{Ом·мм}^2/\text{м} = 10^{-6} \; \text{Ом·м}$$

Іншими словами, щоб перевести Ом·мм²/м в Ом·м, треба помножити на (або поділити на ).

Значення питомого опору різних матеріалів

Умова задачі завжди дає потрібне значення , але корисно знати орієнтовні величини:

Матеріал

ρ, Ом·мм²/м

Використання

Мідь

0,017

Електричні дроти, кабелі

Залізо

0,10

Лінії електропередач

Нікелін

0,40

Реостати, резистори

Ніхром

1,1

Нагрівальні елементи

Чим менший питомий опір, тим краще матеріал проводить струм. Саме тому мідь — найпоширеніший матеріал для електропроводки. Навпаки, ніхром має великий питомий опір, тому його використовують у нагрівальних елементах (праски, плитки, обігрівачі): на ньому виділяється багато теплоти.

Важливі зауваження

Питомий опір залежить від матеріалу й температури, але не залежить від розмірів провідника. Тобто для мідного дроту завдовжки м і м питомий опір однаковий — він є властивістю саме міді як речовини.

Не плутай питомий опір із густиною! В фізиці обидві величини позначають однією грецькою літерою «ро», але це зовсім різні поняття. Густина — це маса одиниці об'єму (кг/м³), а питомий опір — електрична характеристика матеріалу (Ом·м).

Приклади обчислень

Приклад 1. Мідний дріт має довжину м, площу перерізу мм², питомий опір міді Ом·мм²/м. Знайдемо опір:

$$R = \rho \frac{l}{S} = 0{,}017 \cdot \frac{100}{1{,}7} = 1 \; \text{Ом}$$

Приклад 2. Якої довжини треба взяти нікеліновий дріт площею перерізу мм², щоб отримати опір Ом? Питомий опір нікеліну Ом·мм²/м.

З формули виражаємо довжину: .

$$l = \frac{20 \cdot 0{,}5}{0{,}4} = 25 \; \text{м}$$

Зміна розмірів дроту

Коли дріт деформують — розтягують, розрізають або скручують — змінюються його довжина та площа поперечного перерізу, а отже й опір. У всіх таких задачах об'єм металу залишається сталим: .

Розтягування дроту

Уяви, що дріт рівномірно розтягнули вдвічі. Об'єм не змінюється: . Якщо довжина збільшилась у рази (), то площа перерізу зменшилась у рази ().

Підставимо в формулу опору:

$$R_2 = \rho \frac{l_2}{S_2} = \rho \frac{2l_1}{S_1/2} = \rho \frac{4l_1}{S_1} = 4R_1$$

Отже, опір збільшився в рази. Якщо дріт розтягнути в разів, опір зросте в разів.

Розрізання дроту на частини

Дріт опором розрізали на рівних частин. Кожна частина має довжину в разів меншу, тому її опір становить .

Якщо ці частини з'єднати паралельно, загальний опір буде в разів меншим, ніж опір однієї частини, тобто .

Якщо ж з'єднати послідовно, загальний опір дорівнюватиме початковому .

Складання дроту вдвічі

Дріт склали вдвічі й скрутили. Довжина зменшилась у рази, а площа перерізу збільшилась у рази (дві половини поруч). Тому:

$$R_2 = \rho \frac{l/2}{2S} = \frac{1}{4} \rho \frac{l}{S} = \frac{R_1}{4}$$

Опір зменшився в рази.

Порівняння двох дротів з одного матеріалу

Для двох дротів з однакового матеріалу (однакове ) відношення опорів:

$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{l_1}{l_2} \cdot \frac{S_2}{S_1} = \frac{l_1}{l_2} \cdot \left(\frac{d_2}{d_1}\right)^2$$

Це зручно, коли треба порівняти опори без обчислення кожного окремо.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Нікелінова дротина

Завдання. Нікелінова дротина має довжину 25 м, площу поперечного перерізу 0,5 мм². Питомий опір нікеліну 0,4 Ом·мм²/м. Визнач опір дротини в Ом.

Розв'язання. Запишемо формулу: . Підставимо значення: Ом.

Відповідь: 20 Ом.

Типові помилки: переплутати місцями довжину й площу (тоді отримаєш Ом — неправильно); забути, що ρ дано в Ом·мм²/м, і намагатися переводити в СІ без потреби (якщо S у мм², а ρ в Ом·мм²/м, перерахунок не потрібен).

Приклад 2. Розтягування дроту

Завдання. Мідний дріт рівномірно розтягнули вдвічі за сталого об'єму. Як змінився його електричний опір?

Розв'язання. Об'єм дроту не змінюється: . Якщо , то . Початковий опір: . Новий опір: .

Відповідь: опір збільшився в 4 рази.

Чому інші варіанти неправильні: «збільшився вдвічі» — забувають, що площа теж змінюється; «не змінився» — ігнорують зміну геометрії; «зменшився вдвічі» — плутають залежність.

Приклад 3. Ніхромовий дріт

Завдання. Ніхромовий дріт має довжину 2 м, площу поперечного перерізу 0,55 мм². Питомий опір ніхрому 1,1 Ом·мм²/м. Визнач опір дроту в Ом.

Розв'язання. Ом.

Відповідь: 4 Ом.

Зверни увагу: 2,2 / 0,55 = 4, тому що 0,55 · 4 = 2,2. Можна також помітити, що 1,1 / 0,55 = 2, а 2 · 2 = 4.

Приклад 4. Зміна діаметра

Завдання. Діаметр мідного дроту збільшили вдвічі, а довжину залишили незмінною. Як змінився опір дроту?

Розв'язання. Площа перерізу круглого дроту: . Якщо діаметр збільшили вдвічі (), то площа зросла в рази: . Опір обернено пропорційний площі: .

Відповідь: опір зменшився в 4 рази.

Поширена помилка: вважати, що опір зменшився вдвічі (забувають про квадратичну залежність площі від діаметра).

Типові помилки й пастки

  • Плутати питомий опір із густиною. Обидві величини позначають грецькою літерою («ро»), але густина — це маса одиниці об'єму (кг/м³), а питомий опір — електрична характеристика (Ом·м або Ом·мм²/м). Уважно читай умову: якщо йдеться про опір провідника, то — це питомий опір.

  • Не переводити мм² у м², коли ρ дано в Ом·м. Якщо в задачі питомий опір подано в Ом·м, а площу перерізу — у мм², обов'язково переведи мм² у м²: мм² = м². Інакше отримаєш хибний результат. Найбезпечніший спосіб — працювати в одній системі одиниць (СІ).

  • Під час розтягування дроту вважати, що площа перерізу не змінюється. Це найпоширеніша пастка в задачах на зміну розмірів. Запам'ятай: об'єм дроту залишається сталим, тому збільшення довжини веде до зменшення площі. Якщо дріт розтягли вдвічі, площа зменшилась удвічі, а опір зріс у рази.

  • Брати діаметр замість площі перерізу. У формулу входить площа , а не діаметр . Якщо дано діаметр, спочатку обчисли площу: . Пам'ятай, що площа пропорційна квадрату діаметра.

  • Вважати, що опір залежить від сили струму чи напруги. Опір провідника — це його властивість, яка залежить від матеріалу, довжини, площі перерізу та температури. Сила струму й напруга впливають на те, який струм потече через провідник (за законом Ома), але не змінюють сам опір.

Як це перевіряють на НМТ

У демоваріанті НМТ 2026 завдання на опір провідника й теплову дію струму за сталої ЕРС трапляється під номером 8 (тема 3.2) у форматі вибору однієї відповіді з чотирьох. За правильну відповідь нараховують 1 бал.

У довідкових матеріалах, які додають до тесту, наведено формулу опору через питомий опір: . Однак таблиці зі значеннями там немає — питомий опір завжди дають в умові задачі. Тому важливо вміти швидко підставляти числа й виконувати обчислення.

Стратегія для задач «як зміниться»

Коли в завданні питають, як зміниться опір після зміни розмірів дроту, дій за таким алгоритмом:

  1. Запиши початковий опір: .

  2. Визнач, як змінилися довжина і площа . Познач нові величини через множники: , .

  3. Підстав у формулу: .

  4. Для дроту зі сталим об'ємом урахуй зв'язок: якщо , то (оскільки ). Тоді .

Ця стратегія працює для будь-яких змін геометрії дроту: розтягування, стискання, зміни діаметра, розрізання на частини тощо.

Питання й відповіді

Чому опір довшого дроту більший?

Електрони, рухаючись уздовж провідника, постійно зіштовхуються з йонами кристалічної ґратки. Що довший провідник, то більше таких зіткнень зазнає кожен електрон на своєму шляху. Це створює більшу перешкоду для струму, тобто більший опір. Формально це виражає пряма пропорційність у формулі .

Чому нагрівальні елементи роблять із ніхрому, а не з міді?

Ніхром має великий питомий опір (близько 1,1 Ом·мм²/м), тоді як мідь — дуже малий (0,017 Ом·мм²/м). За однакових розмірів ніхромовий дріт має значно більший опір, тому на ньому виділяється більше теплоти згідно із законом Джоуля-Ленца. Крім того, ніхром стійкий до високих температур і не окиснюється так швидко, як мідь. Тому ніхром ідеально підходить для нагрівальних елементів прасок, плиток та обігрівачів.

Що станеться з опором дроту, коли його розтягнути?

Коли дріт розтягують, його об'єм залишається сталим (). Довжина збільшується, а площа поперечного перерізу зменшується. Оскільки опір прямо пропорційний довжині й обернено пропорційний площі, обидві зміни діють в один бік — опір зростає. Якщо дріт розтягнути вдвічі, опір збільшиться в рази. Якщо в разів — опір зросте в разів.

Як перевести Ом·мм²/м в Ом·м?

Один Ом·мм²/м дорівнює Ом·м. Щоб перевести, помнож значення на (або поділи на ). Наприклад, питомий опір міді Ом·мм²/м = Ом·м. У задачах НМТ зручно залишати ρ в Ом·мм²/м, якщо площу перерізу дано в мм², — тоді опір одразу отримаєш в Омах.

Коротко: головне

  • Опір провідника: , де — питомий опір матеріалу.

  • Питомий опір — характеристика матеріалу, не плутай із густиною.

  • Ом·мм²/м = Ом·м.

  • Розтягли дріт удвічі (об'єм сталий) — опір зріс у рази.

  • Діаметр збільшили вдвічі — опір зменшився в рази.

  • Дріт розрізали на частин і з'єднали паралельно — опір .

  • Реостат змінює опір через зміну довжини ввімкненої частини дроту.