Čo je elektrický odpor?

Skús piť hustý mliečny kokteil cez tenkú slamku. Saješ zo všetkých síl, ale hore vyjde len troška. Slamka kokteil brzdí.

Aj elektrinu niečo brzdí, keď tečie drôtmi, žiarovkami či hriankovačmi. Tomuto brzdeniu hovoríme odpor. Poďme zistiť, odkiaľ sa berie a prečo sa pri ňom veci zohrievajú.

Čo brzdí elektrinu?

Elektrina v drôte je tok drobných čiastočiek, ktoré sa volajú elektróny. Tlačenie, ktorému hovoríme napätie, ich spoločne posúva po drôte. Tomuto toku hovoríme elektrický prúd.

Lenže drôt nie je prázdna rúrka. Je plný kovových atómov, ktoré sedia v úhľadných radoch. Atómy nikdy nie sú v pokoji: neustále sa chvejú, aj v studenom drôte.

Ako sa elektróny posúvajú, stále narážajú do chvejúcich sa atómov. Každý náraz ich spomalí. Tomu, ako silno niečo brzdí tok elektriny, hovoríme odpor.

Elektróny kľučkujú pomedzi atómy kovu a stále do nich narážajú. Každý náraz ich spomalí a atómy sa rozochvejú ešte viac – a tak sa drôt zohrieva.

Ako úzka rúrka

Rovnaké tlačenie pretlačí širokou rúrkou veľa vody, no úzkou len tenký pramienok. Úzka rúrka je ako cesta s veľkým odporom.

S elektrinou je to rovnaké. Pri rovnakom tlačení tečie cez malý odpor veľký prúd. Cez veľký odpor tečie len malý prúd.

Čo robí odpor väčším alebo menším?

O tom, ako veľmi drôt brzdí elektrinu, rozhodujú štyri veci:

Materiál. Meď a striebro púšťajú elektróny veľmi ľahko, preto sa elektrické káble robia z medi. Iné kovy, napríklad železo, brzdia elektróny viac. Plast a guma ich brzdia tak veľmi, že nimi netečie takmer nič: sú to izolanty.
Dĺžka. V dlhom drôte musia elektróny prejsť popri väčšom počte atómov. Dvakrát dlhší drôt má dvakrát väčší odpor.
Hrúbka. Hrubý drôt má viac miesta – ako široká chodba, kde môže ísť veľa ľudí vedľa seba. Čím je drôt hrubší, tým má menší odpor.
Teplota. Keď sa kov zohreje, jeho atómy sa chvejú divokejšie. Elektróny do nich narážajú častejšie, a tak odpor stúpne.

Dlhý tenký drôt brzdí elektróny oveľa viac ako krátky hrubý drôt.

Ako meriame odpor?

Odpor meriame v ohmoch. Značka ohmu je Ω – grécke písmeno omega. Jednotka dostala meno podľa Georga Ohma, nemeckého vedca. Objavil pravidlo, ktoré spája napätie, prúd a odpor: Ohmov zákon.

Čo	Odpor
1 meter medeného drôtu v kábli v dome	asi 0,01 Ω
Ohrevné teleso kanvice s výkonom 2 000 W	asi 26 Ω
Klasická 60-wattová žiarovka, keď svieti	asi 900 Ω
Kúsok plastu veľký ako kocka cukru	viac ako milión miliónov ohmov

Malej súčiastke, ktorej jedinou úlohou je mať určitý odpor, hovoríme rezistor. Rezistory nájdeš takmer v každom elektronickom zariadení.

Odpor zohrieva

Pri každom náraze elektrónu sa atóm rozochveje o kúsok viac. A čím rýchlejšie sa atómy chvejú, tým je látka teplejšia. Odpor teda mení elektrickú energiu na teplo.

Niekedy je to teplo presne to, čo chceme. Hriankovač, rýchlovarná kanvica aj fén majú v sebe drôty s veľkým odporom. Keď nimi tečie prúd, rozpália sa – dosť na to, aby sa dal opiecť chlieb alebo uvariť voda.

Klasická žiarovka funguje rovnako. Jej veľmi tenký drôtik, ktorý sa volá vlákno, sa rozpáli na viac ako 2 000 °C – tak veľmi, že svieti na bielo. Na svetlo sa však zmení len maličká časť energie. Takmer všetko sa zmení na teplo, a preto takéto žiarovky plytvajú elektrinou.

Inokedy je teplo zbytočné. Káble, nabíjačky aj notebooky sa pri práci zohrievajú. Aby sa takto strácalo čo najmenej energie, káble sa robia z medi. Káble pre spotrebiče, ktoré berú veľa elektriny, napríklad pre elektrický sporák, sú extra hrubé.

Tomu, ako rýchlo niečo míňa elektrickú energiu, hovoríme výkon.

Poďme hlbšie: Vzorec pre odpor drôtu pre dospelých a extra zvedavých

Odpor drôtu závisí od jeho materiálu, dĺžky a hrúbky:

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

$R$ je odpor v ohmoch (Ω).
$\rho$ (grécke písmeno ró) je merný elektrický odpor (rezistivita) látky: ako silno brzdí elektróny samotný materiál. Meď má asi $1{,}7 \cdot 10^{-8}\ \Omega \cdot \text{m}$ . Nichróm, zliatina niklu a chrómu, z ktorej sa robia ohrevné telesá, má asi 65-krát viac.
$l$ je dĺžka drôtu v metroch (m).
$S$ je obsah prierezu drôtu (veľkosť jeho odrezaného konca) v štvorcových metroch (m²).

Napríklad 1 meter medeného drôtu s prierezom 1,5 mm² ( $1{,}5 \cdot 10^{-6}\ \text{m}^2$ ), aký býva v kábloch v domoch, má odpor:

R = 1{,}7 \cdot 10^{-8}\ \Omega \cdot \text{m} \cdot \frac{1\ \text{m}}{1{,}5 \cdot 10^{-6}\ \text{m}^2} \doteq 0{,}011\ \Omega

Dvakrát dlhší drôt má dvakrát väčší odpor. Drôt s dvakrát väčším priemerom má štyrikrát väčší prierez, a preto má len štvrtinový odpor.

Poďme hlbšie: Čo elektróny naozaj brzdí pre dospelých a extra zvedavých

V kove každý atóm pustí jeden či dva svoje vonkajšie elektróny. Tieto voľné elektróny sa túlajú celým kovom. Atómy, ktorým teraz hovoríme ióny, zostávajú v pravidelnom usporiadaní – v kryštálovej mriežke.
Obrázok elektrónov, ktoré sa odrážajú od atómov ako loptičky, je zjednodušený. Kvantová fyzika ukazuje, že dokonale pravidelný kryštál, ktorého atómy by stáli úplne bez pohybu, by elektróny takmer vôbec nebrzdil. Elektróny rozptyľujú kmity atómov, ktoré s teplotou rastú, a chyby v kryštáli: chýbajúce atómy, atómy iných prvkov a hranice medzi drobnými kryštálikmi.
Preto odpor medi stúpne asi o 0,4 % s každým stupňom Celzia a zliatiny kovov, napríklad nichróm, majú oveľa väčší odpor ako čisté kovy.
Nie každá látka sa správa ako kov. Mnohým termistorom (malým súčiastkam v elektronických teplomeroch) sa pri zohriatí odpor zmenšuje.

Poďme hlbšie: Kde obrázok s rúrkou nesedí pre dospelých a extra zvedavých

Voda sa trie o steny rúrky, takže ju brzdia hlavne steny. V drôte brzdí elektróny celý kov, v celej jeho hrúbke. Obrázok s rúrkou dáva správny výsledok – dlhší a tenší drôt má väčší odpor –, ale nie správny dôvod.
Odpor nespotrebúva elektróny. Z ohrevného drôtu hriankovača každú sekundu vytečie toľko elektrónov, koľko doň vtečie. Elektróny cestou strácajú energiu a tá sa mení na teplo.

Over sa

Ktorý drôt má najmenší odpor?

Ukáž odpoveď

Krátky hrubý medený drôt — Meď brzdí elektróny menej ako železo a krátky hrubý drôt im ponúka najľahšiu cestu zo všetkých.