Jak rezystancja zależy od temperatury

W swojej praktyce każdy elektryk spotyka się z różnymi warunkami przejścia nośników ładunku w metalach, półprzewodnikach, gazach i cieczach. Na wielkość prądu wpływa opór elektryczny, który zmienia się w różny sposób pod wpływem środowiska.

Jednym z tych czynników jest ekspozycja na temperaturę. Ponieważ znacząco zmienia warunki przepływu prądu, jest brany pod uwagę przez projektantów przy produkcji sprzętu elektrycznego. Personel elektryczny zajmujący się konserwacją i obsługą instalacji elektrycznych musi umiejętnie wykorzystywać te funkcje w praktycznej pracy.

Wpływ temperatury na opór elektryczny metali

Na szkolnym kursie fizyki proponuje się przeprowadzenie takiego eksperymentu: weź amperomierz, baterię, kawałek drutu, przewody łączące i latarkę. Zamiast amperomierza z baterią można podłączyć omomierz lub użyć jego trybu w multimetrze.

Następnie musisz złożyć pokazany na rysunku obwód elektryczny i zmierzyć prąd w obwodzie.Jego wartość jest wskazywana na skali miliamperomierza czarną strzałką.

Teraz doprowadzamy płomień palnika do drutu i zaczynamy go podgrzewać. Jeśli spojrzysz na amperomierz, zobaczysz, że wskazówka przesunie się w lewo i osiągnie pozycję zaznaczoną na czerwono.

Wynik eksperymentu pokazuje, że gdy metale są ogrzewane, ich przewodnictwo maleje, a rezystancja wzrasta.

Matematyczne uzasadnienie tego zjawiska jest podane przez wzory bezpośrednio na obrazku. W dolnym wyrażeniu wyraźnie widać, że rezystancja elektryczna „R” metalowego przewodnika jest wprost proporcjonalna do jego temperatury „T” i zależy od kilku innych parametrów.

Jak nagrzewanie metali ogranicza prąd elektryczny w praktyce

Żarówki

Każdego dnia, gdy włączane są światła, spotykamy się z przejawem tej właściwości w lampach żarowych. Wykonajmy proste pomiary na 60-watowej żarówce.

Za pomocą najprostszego omomierza, zasilanego baterią niskonapięciową 4,5 V, mierzymy rezystancję między stykami podstawy i widzimy wartość 59 omów. Ta wartość jest własnością zimnego wątku.

Wkręcimy żarówkę w gniazdo i podłączymy do niej przez amperomierz napięcie sieci domowej 220 woltów. Igła amperomierza wskaże 0,273 ampera. Z Prawo Ohma dla odcinka obwodu określić rezystancję nici w stanie nagrzanym. Będzie to 896 omów i przekroczy poprzedni odczyt omomierza o 15,2 razy.

Ten nadmiar chroni metal korpusu świecącego przed spaleniem i zniszczeniem, zapewniając jego długotrwałą pracę pod napięciem.

Stany przejściowe przy włączaniu

Podczas pracy nitki powstaje na niej równowaga cieplna pomiędzy nagrzewaniem przez przepływający prąd elektryczny a oddawaniem części ciepła do otoczenia. Ale w początkowej fazie włączania, po przyłożeniu napięcia, pojawiają się stany przejściowe, tworząc prąd rozruchowy, który może spowodować spalenie żarnika.

Procesy przejściowe zachodzą przez krótki czas i są spowodowane tym, że tempo wzrostu oporu elektrycznego podczas nagrzewania metalu nie nadąża za wzrostem prądu. Po ich zakończeniu ustalany jest tryb działania.

Kiedy lampa świeci przez długi czas grubość jej żarnika stopniowo osiąga stan krytyczny, co prowadzi do przepalenia, najczęściej przy kolejnym ponownym włączeniu.

Aby wydłużyć żywotność lampy, ten prąd rozruchowy jest redukowany na różne sposoby za pomocą:

1. urządzenia zapewniające płynne dostarczanie i zwalnianie napięcia;

2. obwody do szeregowego łączenia z żarnikiem rezystorów, półprzewodników lub termistorów (termistorów).

Przykład jednego ze sposobów ograniczenia prądu rozruchowego dla samochodowych opraw oświetleniowych pokazano na poniższym zdjęciu.

Tutaj prąd jest dostarczany do żarówki po włączeniu przełącznika SA przez bezpiecznik FU i jest ograniczony przez rezystor R, którego wartość nominalna jest dobrana tak, aby prąd rozruchowy podczas stanów nieustalonych nie przekraczał wartości nominalnej.

Podczas podgrzewania żarnika wzrasta jego rezystancja, co prowadzi do wzrostu różnicy potencjałów między jego stykami a połączoną równolegle cewką przekaźnika KL1.Gdy napięcie osiągnie wartość nastawy przekaźnika, normalnie otwarty styk KL1 zamknie się i ominie rezystor. Prąd roboczy już ustalonego trybu zacznie płynąć przez żarówkę.

Termometr oporowy

Wpływ temperatury metalu na jego opór elektryczny jest wykorzystywany w działaniu przyrządów pomiarowych. Nazywają się termometry rezystancyjne.

Ich czuły element jest wykonany z cienkiego metalowego drutu, którego rezystancja jest dokładnie mierzona w określonych temperaturach. Gwint ten osadzony jest w obudowie o stabilnych właściwościach termicznych i osłonięty nakładką ochronną. Stworzona struktura umieszczona jest w środowisku, którego temperatura musi być stale monitorowana.

Przewody obwodu elektrycznego są zamontowane na zaciskach elementu czułego, które łączą obwód pomiaru rezystancji. Jej wartość jest przeliczana na wartości temperatury na podstawie wcześniej przeprowadzonej kalibracji urządzenia.

Barretter — stabilizator prądu

Tak nazywa się urządzenie składające się ze szklanej uszczelnionej butli z gazowym wodorem i spirali z metalowego drutu wykonanego z żelaza, wolframu lub platyny. Ta konstrukcja przypomina wyglądem żarówkę, ale ma specyficzną nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową.

Na charakterystyce I — V w pewnym jej zakresie tworzy się strefa robocza, która nie zależy od wahań napięcia przyłożonego do elementu grzejnego. W tym obszarze baret dobrze kompensuje tętnienia zasilania i działa jako stabilizator prądu dla obciążenia połączonego z nim szeregowo.

Działanie wsuwki opiera się na właściwościach bezwładności cieplnej korpusu żarnika, którą zapewnia mały przekrój poprzeczny żarnika oraz wysoka przewodność cieplna otaczającego go wodoru. Dlatego, gdy napięcie urządzenia spada, usuwanie ciepła z jego żarnika przyspiesza.

Jest to główna różnica między lampami żarowymi a lampami żarowymi, gdzie w celu utrzymania jasności blasku starają się zmniejszyć konwekcyjne straty ciepła z żarnika.

Nadprzewodnictwo

W normalnych warunkach otoczenia, gdy metalowy przewodnik stygnie, jego opór elektryczny spada.

Po osiągnięciu temperatury krytycznej, bliskiej zeru według systemu pomiaru Kelvina, następuje gwałtowny spadek rezystancji do zera. Prawy rysunek pokazuje taką zależność dla rtęci.

Zjawisko to, zwane nadprzewodnictwem, uważane jest za obiecujący obszar badań w celu stworzenia materiałów, które mogą znacznie ograniczyć straty energii elektrycznej podczas jej przesyłania na duże odległości.

Jednak ciągłe badania nadprzewodnictwa ujawniają szereg wzorców, w których inne czynniki wpływają na opór elektryczny metalu w krytycznym obszarze temperatur. W szczególności, gdy prąd przemienny przepływa wraz ze wzrostem częstotliwości jego oscylacji, powstaje rezystancja, której wartość osiąga zakres wartości normalnych dla harmonicznych z okresem fal świetlnych.

Wpływ temperatury na opór elektryczny / przewodnictwo elektryczne gazów

Gazy i zwykłe powietrze są dielektrykami i nie przewodzą prądu.Do jej powstania potrzebne są nośniki ładunku, którymi są jony powstające w wyniku działania czynników zewnętrznych.

Ogrzewanie może powodować jonizację i ruch jonów z jednego bieguna medium do drugiego. Możesz to sprawdzić na przykładzie prostego eksperymentu. Weźmy ten sam sprzęt, którego użyto do określenia wpływu ogrzewania na rezystancję metalowego przewodnika, ale zamiast przewodnika łączymy z przewodnikami dwie metalowe płytki oddzielone przestrzenią powietrzną.

Amperomierz podłączony do obwodu nie pokaże prądu. Jeśli płomień palnika zostanie umieszczony między płytami, strzałka urządzenia odchyli się od zera i pokaże wartość prądu przepływającego przez medium gazowe.

Stwierdzono zatem, że w gazach po podgrzaniu zachodzi jonizacja, co prowadzi do ruchu cząstek naładowanych elektrycznie i zmniejszenia oporu ośrodka.

Na wartość prądu ma wpływ moc przyłożonego zewnętrznego źródła napięcia oraz różnica potencjałów między jego stykami. Jest w stanie przebić się przez warstwę izolacyjną gazów przy wysokich wartościach. Typowym przejawem takiego przypadku w przyrodzie jest naturalne wyładowanie atmosferyczne podczas burzy.

Przybliżony widok charakterystyki prądowo-napięciowej przepływu prądu w gazach przedstawiono na wykresie.

W początkowej fazie, pod wpływem temperatury i różnicy potencjałów, obserwuje się w przybliżeniu liniowy wzrost jonizacji i przepływu prądu. Krzywa przyjmuje wówczas kierunek poziomy, gdy wzrost napięcia nie prowadzi do wzrostu prądu.

Trzeci etap destrukcji następuje, gdy wysoka energia przyłożonego pola przyspiesza jony do tego stopnia, że ​​zaczynają one zderzać się z obojętnymi cząsteczkami, masowo tworząc z nich nowe nośniki ładunku. W rezultacie prąd gwałtownie wzrasta, powodując uszkodzenie warstwy dielektrycznej.

Praktyczne wykorzystanie przewodnictwa gazów

Zjawisko przepływu prądu przez gazy jest wykorzystywane w lampach radioelektronowych i świetlówkach.

W tym celu dwie elektrody umieszcza się w zamkniętym szklanym cylindrze z gazem obojętnym:

1. anoda;

2. katoda.

W lampie fluorescencyjnej są one wykonane w postaci włókien, które nagrzewają się po włączeniu, tworząc promieniowanie termionowe. Wewnętrzna powierzchnia kolby jest pokryta warstwą fosforu. Emituje widzialne widmo światła utworzone przez promieniowanie podczerwone emitowane przez pary rtęci bombardowane strumieniem elektronów.

Prąd rozładowania występuje, gdy napięcie o określonej wartości zostanie przyłożone między elektrodami znajdującymi się na różnych końcach żarówki.

Kiedy jeden z żarników przepali się, wówczas emisja elektronów tej elektrody zostanie zakłócona i lampa nie wypali się. Jeśli jednak zwiększysz różnicę potencjałów między katodą a anodą, wewnątrz żarówki ponownie pojawi się wyładowanie gazowe i wznowiona zostanie luminescencja luminoforu.

Pozwala to na zastosowanie żarówek LED z uszkodzonym żarnikiem i wydłużenie ich żywotności. Należy tylko pamiętać, że jednocześnie konieczne jest kilkukrotne zwiększenie napięcia na nim, a to znacznie zwiększa zużycie energii i ryzyko bezpiecznego użytkowania.

Wpływ temperatury na opór elektryczny cieczy

Przepływ prądu w cieczach powstaje głównie w wyniku ruchu kationów i anionów pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. Tylko niewielka część przewodności jest dostarczana przez elektrony.

Wpływ temperatury na opór elektryczny ciekłego elektrolitu opisuje wzór pokazany na rysunku. Ponieważ wartość współczynnika temperaturowego α w nim jest zawsze ujemna, to wraz ze wzrostem ogrzewania przewodność wzrasta, a rezystancja maleje, jak pokazano na wykresie.

Zjawisko to należy wziąć pod uwagę podczas ładowania płynnych akumulatorów samochodowych (i nie tylko).

Wpływ temperatury na opór elektryczny półprzewodników

Zmiana właściwości materiałów półprzewodnikowych pod wpływem temperatury umożliwiła zastosowanie ich jako:

• odporność termiczna;

• termopary;

• lodówki;

• grzejniki.

termistory

Nazwa ta oznacza urządzenia półprzewodnikowe, które pod wpływem ciepła zmieniają swoją rezystancję elektryczną. Ich współczynnik temperaturowy rezystancji (TCR) znacznie wyższy niż metali.

Wartość TCR dla półprzewodników może być dodatnia lub ujemna. Zgodnie z tym parametrem są one podzielone na dodatnie termistory „RTS” i ujemne „NTC”. Mają różne cechy.

Do działania termistora wybiera się jeden z punktów jego charakterystyki prądowo-napięciowej:

• przekrój liniowy służy do regulacji temperatury lub kompensacji zmieniających się prądów lub napięć;

• gałąź zstępująca charakterystyki I — V elementów z TCS <0 pozwala na zastosowanie półprzewodnika jako przekaźnika.

Zastosowanie termistora przekaźnikowego jest wygodne do monitorowania lub pomiaru procesów promieniowania elektromagnetycznego zachodzących przy ultrawysokich częstotliwościach. Zapewnia to ich zastosowanie w systemach:

1. kontrola ciepła;

2. alarm przeciwpożarowy;

3. regulacja natężenia przepływu mediów sypkich i cieczy.

Termistory krzemowe o małym TCR > 0 znajdują zastosowanie w układach chłodzenia i stabilizacji temperaturowej tranzystorów.

termopary

Półprzewodniki te działają w oparciu o zjawisko Seebecka: gdy złącze lutowane dwóch rozproszonych metali jest podgrzewane, na styku obwodu zamkniętego pojawia się pole elektromagnetyczne. W ten sposób zamieniają energię cieplną na energię elektryczną.

Konstrukcja dwóch takich elementów nazywana jest termoparą. Jego sprawność mieści się w granicach 7 ÷ 10%.

Termopary są stosowane w termometrach do cyfrowych urządzeń obliczeniowych wymagających miniaturowych rozmiarów i dużej dokładności odczytu, a także źródeł prądu o małej mocy.

Grzejniki i lodówki półprzewodnikowe

Działają poprzez ponowne wykorzystanie termopar, przez które przepływa prąd elektryczny. W tym przypadku w jednym miejscu złącza jest nagrzewany, aw przeciwnym chłodzony.

Połączenia półprzewodnikowe na bazie selenu, bizmutu, antymonu, telluru pozwalają zapewnić różnicę temperatur w termoparze do 60 stopni. Umożliwiło to stworzenie konstrukcji lodówki z półprzewodników o temperaturze w komorze chłodniczej do -16 stopni.