Temperaturowy współczynnik oporu

Opór elektryczny przewodnika zwykle zależy od materiału, z którego wykonany jest przewodnik, od jego długości i przekroju lub, mówiąc krócej, od rezystancji i wymiarów geometrycznych przewodnika. Zależność ta jest dobrze znana i wyraża się wzorem:

Znany wszystkim i Prawo Ohma dla jednorodnego odcinka obwodu elektrycznego, z którego widać, że im większy opór, tym mniejszy prąd. Tak więc, jeśli rezystancja drutu jest stała, to wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia prąd powinien rosnąć liniowo. Ale w rzeczywistości tak nie jest. Rezystancja przewodów nie jest stała.

Nie trzeba daleko szukać przykładów. Jeśli podłączysz żarówkę do regulowanego zasilacza (z woltomierzem i amperomierzem) i stopniowo zwiększysz na nim napięcie, doprowadzając je do wartości nominalnej, łatwo zobaczysz, że prąd nie rośnie liniowo: napięcie zbliża się do nominalnej wartości lampy, prąd płynący przez jej cewkę rośnie coraz wolniej, a światło staje się coraz jaśniejsze.

Nie ma czegoś takiego jak podwojenie napięcia przyłożonego do cewki podwoi prąd. Prawo Ohma wydaje się nie obowiązywać. W rzeczywistości prawo Ohma jest spełnione i dokładnie rezystancja żarnika lampy nie jest stała, zależy od temperatury.

Przypomnijmy, co jest przyczyną wysokiej przewodności elektrycznej metali. Jest to związane z obecnością w metalach dużej liczby nośników ładunku — składników prądu — elektrony przewodzące… Są to elektrony utworzone przez elektrony walencyjne atomów metalu, które są wspólne dla całego przewodnika, nie należą do każdego pojedynczego atomu.

Pod działaniem pola elektrycznego przyłożonego do przewodnika swobodne elektrony przechodzą od ruchu chaotycznego do mniej lub bardziej uporządkowanego - powstaje prąd elektryczny. Ale elektrony napotykają na swojej drodze przeszkody, niejednorodności sieci jonowej, takie jak defekty sieci, niejednorodną strukturę spowodowaną jej termicznymi wibracjami.

Elektrony oddziałują z jonami, tracą pęd, ich energia jest przekazywana do jonów sieciowych, przekształcana w drgania jonów sieciowych, a chaos ruchu termicznego samych elektronów wzrasta, od czego przewodnik nagrzewa się, gdy przepływa przez niego prąd.

W dielektrykach, półprzewodnikach, elektrolitach, gazach, cieczach niepolarnych — przyczyna oporu może być różna, ale prawo Ohma oczywiście nie pozostaje trwale liniowe.

Tak więc w przypadku metali wzrost temperatury prowadzi do jeszcze większego wzrostu drgań termicznych sieci krystalicznej i zwiększa się opór na ruch elektronów przewodzących.Można to zobaczyć w eksperymencie z lampą: jasność blasku wzrasta, ale prąd rośnie mniej. Oznacza to, że zmiana temperatury wpłynęła na rezystancję żarnika lampy.

W rezultacie staje się jasne, że opór druty metalowe zależy prawie liniowo od temperatury. A jeśli weźmiemy pod uwagę, że po podgrzaniu wymiary geometryczne drutu nieznacznie się zmieniają, to opór elektryczny również zależy prawie liniowo od temperatury. Zależności te można wyrazić wzorami:

Zwróćmy uwagę na szanse. Załóżmy, że w temperaturze 0 ° C rezystancja przewodnika wynosi R0, a następnie w temperaturze t ° C przyjmie wartość R (t), a względna zmiana rezystancji będzie równa α * t ° C. Ten współczynnik proporcjonalności α nazywa się temperaturowym współczynnikiem oporu... Charakteryzuje zależność rezystancji elektrycznej substancji od jej aktualnej temperatury.

Współczynnik ten jest liczbowo równy względnej zmianie rezystancji elektrycznej przewodnika, gdy jego temperatura zmienia się o 1 K (jeden stopień Kelvina, co odpowiada zmianie temperatury o jeden stopień Celsjusza).

Dla metali TCR (współczynnik temperaturowy oporu α), choć stosunkowo mały, jest zawsze większy od zera, ponieważ przy przepływie prądu elektrony częściej zderzają się z jonami sieci krystalicznej, im wyższa temperatura, t .is im większy jest ich chaotyczny ruch termiczny i tym większa jest ich prędkość.Zderzając się w chaotycznym ruchu z jonami sieciowymi, elektrony metalu tracą energię, co widzimy w rezultacie — opór wzrasta wraz z nagrzewaniem się drutu. Zjawisko to jest technicznie wykorzystywane w termometry rezystancyjne.

Zatem współczynnik temperaturowy oporu α charakteryzuje zależność oporu elektrycznego substancji od temperatury i jest mierzony w 1 / K — kelwinach do potęgi -1. Wartość o przeciwnym znaku nazywana jest temperaturowym współczynnikiem przewodnictwa.

Jeśli chodzi o czyste półprzewodniki, TCS jest dla nich ujemny, to znaczy rezystancja maleje wraz ze wzrostem temperatury, wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem temperatury coraz więcej elektronów przechodzi do strefy przewodzenia, jednocześnie wzrasta również stężenie dziur . Ten sam mechanizm jest charakterystyczny dla ciekłych niepolarnych i stałych dielektryków.

Ciecze polarne gwałtownie zmniejszają swoją odporność wraz ze wzrostem temperatury z powodu spadku lepkości i wzrostu dysocjacji. Ta właściwość służy do ochrony lamp elektronowych przed niszczącym działaniem wysokich prądów rozruchowych.

W przypadku stopów, domieszkowanych półprzewodników, gazów i elektrolitów zależność termiczna rezystancji jest bardziej złożona niż w przypadku czystych metali. Stopy o bardzo niskim TCS, takie jak mangan i konstantan, są stosowane w elektryczne przyrządy pomiarowe.