II.4.1. Măsurarea rezistenței electrice.

Constanta de proporționalitate dintre tensiunea aplicată (U) și intensitatea curentului (I) este cunoscută sub numele de rezistența electrică a conductorului.

Rezistenţa electrică este mărimea fizică ce ne arată cât de mult se opune un conductor la trecerea curentului electric prin el.

Rezistența electrică a unui conductor (R) este mărimea scalară egală cu raportul dintre tensiunea aplicată (U) la capetele conductorului și intensitatea curentului (I) stabilit prin el, când temperatura conductorului rămâne constantă.

Caracterizarea rezistenței electrice ca mărime fizică:

👀 Experiment: Determinarea rezistenței electrice a unui rezistor

Materiale necesare:
Sursă de tensiune variabilă (baterii electrice de diferite tensiuni electromotoare), rezistor de 50 Ω (poți folosi un beculeț), fire de legătură, ampermetru, voltmetru (multimetru).

Descrierea experimentului:

• Leagă rezistorul în serie cu bateria de 1,5 V și cu ampermetrul.

• Măsoară intensitatea curentului electric ce trece prin rezistor.
• Leagă rezistorul în serie cu bateria de 1,5 V și măsoară tensiunea la bornele rezistorului, legând în paralel voltmetrul la rezistor.

• Repetă măsurătorile, schimbând bateria de 1,5 V cu una de 3 V, respectiv de 9 V.
• Trece datele în următorul tabel:

• Reprezintă graficul tensiunii în funcție de intensitate.

• Ce observi ?

  Raportul dintre tensiunea la bornele rezistorului și intensitatea curentului ce trece prin acesta este constant.

Concluzia experimentului:
Constanta de proporționalitate dintre tensiune și intensitate este rezistența electrică a conductorului respectiv.

Graficul I = f(U) se numește caracteristica curent-tensiune a rezistorului respectiv.

Din grafic, calculând tgα, unde α este unghiul dintre axa tensiunii și grafic, putem afla rezistența rezistorului respectiv:

👀 Experiment: De cine depinde rezistența unui conductor

Materiale necesare:
Baterie electrică, fire de legătură, beculeț, 2 mine de grafit una subțire și una mai groasă, conductor de cupru, conductor de fier, voltmetru.

Descrierea experimentului:

• Leagă beculețul la baterie și intercalează la capetele acestui circuit un conductor de cupru.
• Măsoară tensiunea la bornele conductorului.
• Repetă și pentru alte conductoare din alte materiale (fier, grafit) care să aibă aceeași lungime și grosime cu cel de cupru.
• Ce observi ?

  Tensiunea la bornele conductoarelor a crescut de la cupru, la fier, fiind cea mai mare la grafit. Cum intensitatea curentului este aceeași în toate aceste trei cazuri, înseamnă că rezistența acestor conductoare a crescut, cea mai mică fiind a cuprului și cea mai mare a grafitului.

• Leagă beculețul la baterie și intercalează la capetele acestui circuit un conductor de grafit, cu o lungime mică. Măsoară tensiunea la bornele conductorului.
• Repetă și pentru alte lungimi mai mari ale minei de grafit.
• Ce observi ?

  Tensiunea la bornele conductoarelor a crescut de la mina de grafit cu cea mai mică lungime până mina de grafit cu cea mai mare lungime. Cum intensitatea curentului este aceeași în toate aceste trei cazuri, înseamnă că rezistența acestor conductoare a crescut odată cu lungimea conductorului de grafitului.

• Leagă beculețul la baterie și intercalează la capetele acestui circuit un conductor de grafit subțire. Măsoară tensiunea la bornele conductorului.
• Repetă și pentru alte grosimi mai mari ale minei de grafit.
• Ce observi ?

  Tensiunea la bornele conductoarelor a scăzut de la mina de grafit cu cea mai mică grosime până la mina de grafit cu cea mai mare grosime. Cum intensitatea curentului este aceeași în toate aceste trei cazuri, înseamnă că rezistența acestor conductoare a crescut odată cu scăderea ariei secțiunii transversale (grosimii) conductorului de grafitului.
  Când rezistența conductorului din circuit crește, scade luminozitatea becului, deoarece crește căderea de tensiune la capetele conductorului și scade căderea de tensiune la bornele becului.

Concluzia experimentului:
Rezistenţa unui conductor depinde de:
a) materialul din care este confecţionat. Astfel, conductoarele sunt de două categorii:

• Bune conductoare (exemple: argintul, cuprul, aurul, aluminiul), care au rezistenţa mică.

• Slab (greu) conductoare (exemple: fierul, wolframul, nichelina, manganina, grafitul etc.), care au rezistenţa mare.

b) de lungimea lui (cu cât lungimea conductorului e mai mare, cu atât şi rezistenţa lui e mai mare).

c) de aria secțiunii transversale (cu cât aria secțiunii transversale a conductorului este mai mare, cu atât el are rezistenţa mai mică).

Dependența rezistenței electrice de natura și de dimensiunile conductorului este:

unde
l este lungimea conductorului
S este aria secțiunii transversale a conductorului
ρ este rezistivitatea electrică a materialului conductor:

🔦 Observații:

- Rezistența electrică a conductoarelor (metale) crește atunci când temperatura crește.

- Rezistivitatea electrică a materialului conductor depinde numai de natura materialului din care este confecționat rezistorul. Astfel conductoarele au rezistivitatea cuprinsă în intervalul 10^-8 – 10^-5 Ωm, semiconductorii între 10^-3 – 10⁷ Ωm, iar izolatoarele între 10⁸ – 10²⁰ Ωm.

- Cu cât rezistivitatea unui material este mai mică, cu atât el are rezistența mai mică și se opune mai puțin la trecerea curentului electric prin el.

Rezistivitatea electrică a conductorului depinde și ea de temperatură după următoarea relație:
ρ = ρ₀ (1 + αt)

unde:
ρ₀ este rezistivitatea conductorului la temperatura de 0 °C.

Constanta α se numește coeficient de temperatură al rezistivității și este specifică fiecărei substanțe (se măsoară în grad^-1).

Iată câteva exemple de rezistivități electrice la temperatura de 20 °C și coeficienți de temperatură:

- Rezistența electrică a unor materiale precum nemetalele (grafitul și semiconductorii germaniul și siliciul) scade atunci când temperatura crește.

- Supraconductibilitatea este un fenomen în care rezistența electrică a unui material conductor devine zero, dacă temperatura sa este mai mică decât o anumită valoare specifică materialului, numită temperatură critică.

De exemplu: rezistența electrice a mercurului sub o temperatură, apropiată de temperatura heliului lichid (4,2 K = - 267°C) este zero.

Aplicațiile supraconductibilității:

• Magneți supraconductori și cabluri supraconductoare în acceleratoarele de particule.

• Bobine realizate din materiale supraconductoare, care pot genera câmpuri magnetice foarte mari.

• Transport de energie - Trenurile MAGLEV de mare viteză.

• Biomagnetism: aparatură de rezonanță magnetică (computer tomograf)

• Domeniul informaticii: se speculează apariția unor microprocesoare cu o frecvență de 4000 de ori mai mare decât o au procesoarele actuale

👀 Experiment: Cât este rezistența corpului omenesc

Materiale necesare:
Multimetru (ohmmetru).

Descrierea experimentului:

• Comută butonul multimetrului pe scala ohm ( Ω ) la 2000 k.
• Strânge vârful conectorilor ohmmetrului în fiecare mână.
• Citește valoarea rezistenței electrice a corpului tău

  Rezistența electrică se poate măsura direct cu ohmmetrul.

Concluzia experimentului:
Valoarea rezistenţei electrice a corpului uman are valori diferite şi depinde de ţesutul muscular, sistemul osos, aparatul circulator, organele interne, de sistemul nervos şi de procesele biofizice şi biochimice care au loc în organism.
Rezistenţa electrică totală a corpului uman depinde de rezistenţa electrică a stratului din piele.

🔦 Observație

Mărimea inversă rezistenței electrice se numește conductanță, notată cu G:

🔓 Problemă rezolvată

1. Printr-un conductor trece un curent electric de 0,3 A, având la capete o tensiune de 24 V. Află rezistența conductorului.

Rezolvare:

Scriem datele problemei:
U = 24 V
I = 0,3 A
R = ?

Scriem formula rezistenței electrice: