Temperaturkoeffisient for motstand

Den elektriske motstanden til en leder avhenger vanligvis av lederens materiale, av dens lengde og tverrsnitt, eller, kortere, av motstanden og av lederens geometriske dimensjoner. Denne avhengigheten er velkjent og uttrykkes med formelen:

Kjent for alle og Ohms lov for en homogen del av en elektrisk krets, hvorfra det kan sees at jo høyere motstand, jo lavere er strømmen. Således, hvis motstanden til ledningen er konstant, bør strømmen øke lineært når den påførte spenningen øker. Men i virkeligheten er dette ikke tilfelle. Motstanden til ledninger er ikke konstant.

Du trenger ikke gå langt for eksempler. Hvis du kobler en lyspære til en justerbar strømforsyning (med et voltmeter og et amperemeter) og gradvis øker spenningen på den, og bringer den til den nominelle verdien, vil du lett se at strømmen ikke vokser lineært: spenningen nærmer seg lampens nominelle verdi, strømmen gjennom spolen vokser mer og saktere og lyset blir mer og mer skarpt.

Det er ikke noe slikt som å doble spenningen på spolen vil doble strømmen. Ohms lov ser ikke ut til å holde. Faktisk er Ohms lov oppfylt og nøyaktig motstanden til glødetråden til lampen er ikke konstant, det avhenger av temperaturen.

La oss huske hva som er årsaken til den høye elektriske ledningsevnen til metaller. Det er assosiert med tilstedeværelsen i metaller av et stort antall ladningsbærere - strømkomponenter - ledningselektroner… Dette er elektroner dannet av valenselektronene til metallatomene, som er felles for hele lederen, de tilhører ikke hvert enkelt atom.

Under påvirkning av et elektrisk felt påført lederen, går de frie ledningselektronene fra kaotisk til mer eller mindre ordnet bevegelse - det dannes en elektrisk strøm. Men elektronene møter hindringer på vei, inhomogeniteter i ionegitteret, for eksempel gitterdefekter, en inhomogen struktur forårsaket av dets termiske vibrasjoner.

Elektroner samhandler med ioner, mister momentum, energien deres overføres til gitterionene, omdannes til gitterionvibrasjoner, og kaoset av den termiske bevegelsen til elektronene selv øker, hvorfra lederen varmes opp når strømmen passerer gjennom den.

I dielektrika, halvledere, elektrolytter, gasser, ikke-polare væsker - årsaken til motstanden kan være annerledes, men Ohms lov forblir åpenbart ikke permanent lineær.

For metaller fører således en økning i temperaturen til en enda større økning i de termiske vibrasjonene til krystallgitteret, og motstanden mot bevegelsen av ledningselektroner øker.Dette kan sees fra eksperimentet med lampen: lysstyrken på gløden øker, men strømmen øker mindre. Dette betyr at endringen i temperaturen påvirket motstanden til lampens glødetråd.

Som et resultat blir det klart at motstanden metalltråder avhenger nesten lineært av temperaturen. Og hvis vi tar i betraktning at når den varmes opp, endres de geometriske dimensjonene til ledningen litt, så avhenger den elektriske motstanden også nesten lineært av temperaturen. Disse avhengighetene kan uttrykkes med formlene:

La oss ta hensyn til oddsen. Anta at ved 0 ° C er motstanden til lederen R0, så ved en temperatur t ° C vil den ta verdien R (t), og den relative endringen i motstand vil være lik α * t ° C. Denne proporsjonalitetsfaktoren α kalles motstandens temperaturkoeffisient... Den karakteriserer avhengigheten av den elektriske motstanden til stoffet av dets nåværende temperatur.

Denne koeffisienten er numerisk lik den relative endringen i elektrisk motstand til en leder når temperaturen endres med 1K (én grad Kelvin, som tilsvarer en temperaturendring på én grad Celsius).

For metaller er TCR (temperaturkoeffisient for motstand α), selv om den er relativt liten, alltid større enn null, fordi når strømmen passerer, kolliderer elektroner oftere med ioner i krystallgitteret, jo høyere temperatur, t .is jo høyere deres termiske kaotiske bevegelse og høyere hastighet.Ved å kollidere i kaotisk bevegelse med gitterioner, mister elektronene i metallet energi, noe vi ser som et resultat - motstanden øker når ledningen varmes opp. Dette fenomenet brukes teknisk i motstandstermometre.

Således karakteriserer temperaturkoeffisienten for motstand α avhengigheten av den elektriske motstanden til stoffet på temperaturen og måles i 1 / K — kelvin i kraften -1. Verdien med motsatt fortegn kalles temperaturkoeffisienten for konduktivitet.

Når det gjelder rene halvledere, er TCS negativ for dem, det vil si at motstanden avtar med økende temperatur, dette skyldes at når temperaturen øker, passerer flere og flere elektroner inn i ledningssonen, mens konsentrasjonen av hull også øker . Den samme mekanismen er karakteristisk for flytende ikke-polare og faste dielektriske stoffer.

Polare væsker reduserer motstanden kraftig med økende temperatur på grunn av en reduksjon i viskositet og en økning i dissosiasjon. Denne egenskapen brukes til å beskytte elektronrør mot de destruktive effektene av høye innstrømningsstrømmer.

For legeringer, dopede halvledere, gasser og elektrolytter er den termiske avhengigheten av motstand mer kompleks enn for rene metaller. Legeringer med svært lav TCS, som manganin og konstantan, brukes i elektriske måleinstrumenter.