Hvordan motstand avhenger av temperatur

I sin praksis møter hver elektriker forskjellige forhold for passasje av ladningsbærere i metaller, halvledere, gasser og væsker. Størrelsen på strømmen påvirkes av den elektriske motstanden, som endres på ulike måter under påvirkning av miljøet.

En av disse faktorene er eksponering for temperatur. Siden det endrer forholdene for strømstrømmen betydelig, blir det tatt i betraktning av designere ved produksjon av elektrisk utstyr. Elektrisk personell som er involvert i vedlikehold og drift av elektriske installasjoner, skal ha kompetent bruk av disse funksjonene i praktisk arbeid.

Effekt av temperatur på den elektriske motstanden til metaller

I skolefysikkkurset foreslås det å gjennomføre et slikt eksperiment: ta et amperemeter, et batteri, et stykke ledning, tilkoblingsledninger og en lommelykt. I stedet for et amperemeter med batteri, kan du koble til et ohmmeter eller bruke dets modus i et multimeter.

Deretter må du sette sammen den elektriske kretsen vist på bildet og måle strømmen i kretsen.Verdien er angitt på milliammeterskalaen med en svart pil.

Nå bringer vi brennerens flamme til ledningen og begynner å varme den. Hvis du ser på amperemeteret, vil du se at nålen vil bevege seg til venstre og nå posisjonen merket med rødt.

Resultatet av eksperimentet viser at når metaller varmes opp, reduseres deres ledningsevne og motstanden øker.

Den matematiske begrunnelsen for dette fenomenet er gitt av formlene til høyre i bildet. I det nedre uttrykket ser man tydelig at den elektriske motstanden «R» til metalllederen er direkte proporsjonal med temperaturen «T» og avhenger av flere andre parametere.

Hvordan oppvarming av metaller begrenser elektrisk strøm i praksis

Glødelamper

Hver dag når lysene er slått på, møter vi manifestasjonen av denne egenskapen i glødelamper. La oss utføre enkle målinger på en 60 watts pære.

Med det enkleste ohmmeteret, drevet av et 4,5 V lavspentbatteri, måler vi motstanden mellom kontaktene på basen og ser verdien på 59 ohm. Denne verdien eies av en kald tråd.

Vi vil skru pæren inn i stikkontakten og koble til den gjennom amperemeteret spenningen til hjemmenettverket på 220 volt. Amperemeternålen vil vise 0,273 ampere. Fra Ohms lov for en del av en krets bestemme motstanden til tråden i oppvarmet tilstand. Den vil være på 896 ohm og overskride forrige ohmmeteravlesning med 15,2 ganger.

Dette overskuddet beskytter metallet i den lysende kroppen mot brenning og ødeleggelse, og sikrer langvarig drift under spenning.

Transienter ved oppstart

Når tråden fungerer, skapes det en termisk balanse på den mellom oppvarming av den elektriske strømmen og fjerning av en del av varmen til miljøet. Men i den innledende fasen av å slå på, når spenning påføres, oppstår transienter, noe som skaper en startstrøm, som kan føre til at glødetråden brenner ut.

Forbigående prosesser skjer i kort tid og er forårsaket av det faktum at økningen i elektrisk motstand ved oppvarming av metallet ikke holder tritt med økningen i strømmen. Etter at de er fullført, er driftsmodusen etablert.

Når lampen lyser i lang tid, når tykkelsen på glødetråden gradvis en kritisk tilstand, noe som fører til brenning. Oftest skjer dette øyeblikket ved neste nye slå på.

For å forlenge lampens levetid reduseres denne startstrømmen på forskjellige måter ved å bruke:

1. enheter som gir jevn tilførsel og frigjøring av spenning;

2. kretser for seriekobling til en filament av motstander, halvledere eller termistorer (termistorer).

Et eksempel på en måte å begrense innkoblingsstrømmen for bilbelysningsarmaturer er vist på bildet nedenfor.

Her tilføres strømmen til pæren etter at bryteren SA er slått på gjennom FU-sikringen og begrenses av motstanden R, hvis nominelle verdi er valgt slik at innkoblingsstrømmen under transienter ikke overstiger den nominelle verdien.

Når filamentet varmes opp, øker motstanden, noe som fører til en økning i potensialforskjellen mellom kontaktene og den parallellkoblede spolen til KL1-reléet.Når spenningen når reléinnstillingsverdien, vil den normalt åpne kontakten til KL1 lukke og omgå motstanden. Driftsstrømmen til den allerede etablerte modusen vil begynne å strømme gjennom pæren.

Motstandstermometer

Effekten av metallets temperatur på dets elektriske motstand brukes i driften av måleinstrumenter. De kalles motstandstermometre.

Deres følsomme element er laget med en tynn metalltråd hvis motstand måles nøye ved visse temperaturer. Denne gjengen er montert i et hus med stabile termiske egenskaper og dekket med et beskyttende deksel. Den opprettede strukturen er plassert i et miljø hvis temperatur må overvåkes konstant.

Lederne til den elektriske kretsen er montert på terminalene til det følsomme elementet, som forbinder motstandsmålekretsen. Verdien konverteres til temperaturverdier basert på den tidligere utførte kalibreringen av enheten.

Barretter — strømstabilisator

Dette er navnet på en enhet som består av en glassforseglet sylinder med hydrogengass og en spiral av metalltråd laget av jern, wolfram eller platina. Denne designen ligner en glødepære i utseende, men har en spesifikk ikke-lineær strøm-spenningskarakteristikk.

På I - V-karakteristikken, i et visst område av den, dannes en arbeidssone, som ikke avhenger av svingningene i spenningen som påføres varmeelementet. I dette området kompenserer bareten strømforsyningens krusning godt og fungerer som en strømstabilisator for en last koblet i serie med den.

Funksjonen til spennet er basert på egenskapene til den termiske tregheten til filamentlegemet, som er gitt av det lille tverrsnittet av filamentet og den høye termiske ledningsevnen til hydrogenet som omgir den. Derfor, når spenningen til enheten synker, akselererer fjerningen av varme fra filamentet.

Dette er hovedforskjellen mellom glødelamper og glødelamper, hvor de for å opprettholde lysstyrken til gløden søker å redusere det konvektive varmetapet fra glødetråden.

Superledningsevne

Under normale omgivelsesforhold, når en metallleder avkjøles, reduseres dens elektriske motstand.

Når den kritiske temperaturen er nådd, nær null grader i henhold til Kelvin målesystem, er det et kraftig fall i motstand mot null. Det høyre bildet viser en slik avhengighet av kvikksølv.

Dette fenomenet, kalt superledning, regnes som et lovende forskningsområde for å lage materialer som kan redusere tapet av elektrisitet betydelig under overføringen over lange avstander.

Fortsatte studier av superledning avslører imidlertid en rekke mønstre der andre faktorer påvirker den elektriske motstanden til et metall i det kritiske temperaturområdet. Spesielt når vekselstrøm passerer med en økning i frekvensen av svingningene, oppstår det en motstand, hvis verdi når området til normale verdier for harmoniske med en periode med lysbølger.

Effekt av temperatur på den elektriske motstanden / ledningsevnen til gasser

Gasser og normal luft er dielektriske stoffer og leder ikke elektrisitet.Dens dannelse krever ladningsbærere, som er ioner dannet som et resultat av eksterne faktorer.

Oppvarming kan forårsake ionisering og bevegelse av ioner fra en pol av mediet til en annen. Du kan sjekke dette med eksempelet på et enkelt eksperiment. La oss ta det samme utstyret som ble brukt til å bestemme effekten av oppvarming på motstanden til en metallleder, men i stedet for en leder kobler vi to metallplater adskilt av et luftrom til lederne.

Et amperemeter koblet til kretsen vil ikke vise strøm. Hvis brennerens flamme er plassert mellom platene, vil pilen på enheten avvike fra null og vise verdien av strømmen som går gjennom gassmediet.

Dermed ble det funnet at ionisering skjer i gasser ved oppvarming, noe som fører til bevegelse av elektrisk ladede partikler og en reduksjon i motstanden til mediet.

Verdien av strømmen påvirkes av kraften til den eksterne påførte spenningskilden og potensialforskjellen mellom kontaktene. Den er i stand til å bryte gjennom det isolerende laget av gasser ved høye verdier. En typisk manifestasjon av et slikt tilfelle i naturen er den naturlige utladningen av lyn under et tordenvær.

En omtrentlig oversikt over strøm-spenningskarakteristikken til strømstrømmen i gasser er vist i grafen.

I det innledende stadiet, under påvirkning av temperatur- og potensialforskjell, observeres en økning i ionisering og strømpassasje omtrent lineært. Kurven får da en horisontal retning når en økning i spenning ikke fører til en økning i strøm.

Den tredje fasen av ødeleggelse oppstår når den høye energien til det påførte feltet akselererer ioner slik at de begynner å kollidere med nøytrale molekyler, og danner massivt nye ladningsbærere fra dem. Som et resultat øker strømmen kraftig, og danner en sammenbrudd av det dielektriske laget.

Praktisk bruk av gassledningsevne

Fenomenet med strømstrøm gjennom gasser brukes i radioelektronlamper og lysrør.

For dette formålet er to elektroder plassert i en forseglet glassylinder med en inert gass:

1. anode;

2. katode.

I en fluorescerende lampe er de laget i form av filamenter som varmes opp når de slås på for å skape termionisk stråling. Den indre overflaten av kolben er belagt med et lag av fosfor. Den sender ut det synlige spekteret av lys dannet av infrarød stråling som sendes ut av kvikksølvdamp bombardert av en strøm av elektroner.

Utladningsstrømmen oppstår når en spenning av en viss verdi påføres mellom elektrodene plassert i forskjellige ender av pæren.

Når en av filamentene brenner ut, vil elektronemisjonen til denne elektroden bli forstyrret og lampen vil ikke brenne ut. Men hvis du øker potensialforskjellen mellom katoden og anoden, vil en gassutladning igjen vises inne i pæren og fosforluminescensen vil gjenopptas.

Dette tillater bruk av LED-pærer med skadede filamenter og forlenger levetiden. Det bør bare huskes på at det samtidig er nødvendig å øke spenningen på den flere ganger, og dette øker energiforbruket og risikoen for sikker bruk betydelig.

Effekt av temperatur på den elektriske motstanden til væsker

Passasjen av strøm i væsker skapes hovedsakelig på grunn av bevegelsen av kationer og anioner under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. Bare en liten brøkdel av ledningsevnen leveres av elektroner.

Effekten av temperatur på den elektriske motstanden til en flytende elektrolytt er beskrevet av formelen vist på bildet. Siden verdien av temperaturkoeffisienten α i den alltid er negativ, øker ledningsevnen når oppvarmingen øker og motstanden reduseres, som vist i grafen.

Dette fenomenet bør tas i betraktning når du lader flytende bilbatterier (og ikke bare).

Effekt av temperatur på den elektriske motstanden til halvledere

Endring av egenskapene til halvledermaterialer under påvirkning av temperatur gjorde det mulig å bruke dem som:

• termisk motstand;

• termoelementer;

• kjøleskap;

• varmeovner.

Termistorer

Dette navnet betyr halvlederenheter som endrer deres elektriske motstand under påvirkning av varme. Deres temperaturkoeffisient for motstand (TCR) betydelig høyere enn for metaller.

TCR-verdien for halvledere kan være positiv eller negativ. I henhold til denne parameteren er de delt inn i positive «RTS» og negative «NTC» termistorer. De har forskjellige egenskaper.

For driften av termistoren velges et av punktene i dens strømspenningskarakteristikk:

• lineær seksjon brukes til å kontrollere temperatur eller kompensere for skiftende strømmer eller spenninger;

• den synkende grenen til I - V-karakteristikken for elementer med TCS <0 tillater bruk av en halvleder som et relé.

Bruken av en relétermistor er praktisk for overvåking eller måling av elektromagnetiske strålingsprosesser som skjer ved ultrahøye frekvenser. Dette sikrer deres bruk i systemer:

1. varmekontroll;

2. brannalarm;

3. regulering av strømningshastigheten til bulkmedier og væsker.

Silisiumtermistorer med liten TCR > 0 brukes i kjølesystemer og temperaturstabilisering av transistorer.

Termoelementer

Disse halvlederne fungerer på grunnlag av Seebeck-fenomenet: når loddeforbindelsen til to spredte metaller varmes opp, oppstår en EMF i krysset mellom en lukket krets. På denne måten omdanner de termisk energi til elektrisk energi.

En konstruksjon av to slike elementer kalles et termoelement. Effektiviteten er innenfor 7 ÷ 10 %.

Termoelementer brukes i termometre for digitale dataenheter som krever miniatyrstørrelse og høy lesenøyaktighet, samt strømkilder med lav effekt.

Halvledervarmere og kjøleskap

De fungerer ved å gjenbruke termoelementer som en elektrisk strøm går gjennom. I dette tilfellet, på ett sted i krysset, oppvarmes det, og i det motsatte avkjøles det.

Halvlederforbindelser basert på selen, vismut, antimon, tellur gjør det mulig å sikre en temperaturforskjell i termoelementet opp til 60 grader. Dette gjorde det mulig å lage et design av et kjøleskap fra halvledere med en temperatur i kjølekammeret ned til -16 grader.