Kuidas sõltub elektritakistus temperatuurist? Kuidas sõltub juhi takistus temperatuurist?

2. Kuidas sõltub juhi eritakistus tema temperatuurist? Millistes ühikutes mõõdetakse temperatuuri takistustegurit?

3. Kuidas seletada juhi eritakistuse lineaarset sõltuvust temperatuurist?

4. Miks pooljuhtide eritakistus temperatuuri tõustes väheneb?

5. Kirjeldage pooljuhtide sisejuhtivuse protsessi.

On erinevaid tingimusi, mille korral laengukandjad teatud materjale läbivad. Ja elektrivoolu laengut mõjutab otseselt takistus, mis sõltub keskkonnast. Elektrivoolu voolu muutvate tegurite hulka kuuluvad temperatuur. Käesolevas artiklis vaatleme juhi takistuse sõltuvust temperatuurist.

Metallid

Kuidas temperatuur metalle mõjutab? Selle seose väljaselgitamiseks viidi läbi järgmine katse: aku, ampermeeter, traat ja põleti ühendatakse omavahel juhtmete abil. Seejärel peate mõõtma voolu vooluahelas. Pärast näitude võtmist peate põleti juhtme külge viima ja soojendama. Kui traati kuumutada, on näha, et takistus suureneb ja metalli juhtivus väheneb.

1. Metallist traat
2. Aku
3. Ampermeeter

Sõltuvus on näidatud ja põhjendatud valemitega:

Nendest valemitest järeldub, et juhi R määratakse järgmise valemiga:

Näide metalli takistuse sõltuvusest temperatuurist on toodud videos:

Samuti peate tähelepanu pöörama sellisele omadusele nagu ülijuhtivus. Kui keskkonnatingimused on normaalsed, vähendavad juhid jahtudes oma takistust. Allolev graafik näitab, kuidas elavhõbedas temperatuur ja eritakistus muutuvad.

Ülijuhtivus on nähtus, mis tekib siis, kui materjal saavutab kriitilise temperatuuri (lähemale nullile Kelvinile), mille juures takistus väheneb ootamatult nullini.

Gaasid

Gaasid toimivad dielektrikutena ega suuda elektrivoolu juhtida. Ja selleks, et see tekiks, on vaja laengukandjaid. Nende rolli mängivad ioonid ja need tekivad välistegurite mõjul.

Sõltuvust saab illustreerida näitega. Katse jaoks kasutatakse sama konstruktsiooni, mis eelmises katses, ainult juhtmed asendatakse metallplaatidega. Nende vahele peaks jääma väike ruum. Ampermeeter peaks näitama voolu puudumist. Põleti asetamisel plaatide vahele näitab seade voolu, mis läbib gaasilist keskkonda.

Allpool on gaaslahenduse voolu-pinge karakteristikute graafik, mis näitab, et ionisatsiooni kasv algstaadiumis suureneb, siis jääb voolu sõltuvus pingest muutumatuks (st kui pinge suureneb, siis voolutugevus jääb samaks) ja voolutugevuse järsk tõus, mis viib dielektrilise kihi lagunemiseni.

Vaatleme gaaside juhtivust praktikas. Elektrivoolu läbimist gaasides kasutatakse luminofoorlampides ja -lampides. Sel juhul asetatakse katood ja anood, kaks elektroodi kolbi, mille sees on inertgaas. Kuidas see nähtus gaasist sõltub? Kui lamp on sisse lülitatud, kuumenevad kaks hõõgniiti ja tekib termiline emissioon. Pirni sisemus on kaetud fosforiga, mis kiirgab valgust, mida me näeme. Kuidas elavhõbe sõltub fosforist? Elavhõbeda aur tekitab elektronidega pommitamisel infrapunakiirgust, mis omakorda kiirgab valgust.

Kui katoodi ja anoodi vahele rakendatakse pinge, tekib gaasijuhtivus.

Vedelikud

Voolujuhid vedelikus on anioonid ja katioonid, mis liiguvad välise elektrivälja toimel. Elektronid tagavad vähese juhtivuse. Vaatleme takistuse sõltuvust vedelike temperatuurist.

1. Elektrolüüt
2. Aku
3. Ampermeeter

Elektrolüütide mõju sõltuvus kuumutamisele määratakse järgmise valemiga:

Kus a on negatiivne temperatuuritegur.

Kuidas R sõltub kuumutamisest (t), on näidatud alloleval graafikul:

Seda sõltuvust tuleb akude ja akude laadimisel arvestada.

Pooljuhid

Kuidas sõltub takistus pooljuhtide kuumutamisest? Kõigepealt räägime termistoridest. Need on seadmed, mis muudavad soojuse mõjul oma elektritakistust. Sellel pooljuhil on takistuse temperatuuritegur (TCR), mis on suurusjärgu võrra kõrgem kui metallidel. Nii positiivsetel kui ka negatiivsetel juhtidel on teatud omadused.

kus: 1 on TCS väiksem kui null; 2 – TCS on suurem kui null.

Juhtide, näiteks termistorite töö alustamiseks võetakse aluseks voolu-pinge karakteristiku mis tahes punkt:

• kui elemendi temperatuur on alla nulli, kasutatakse selliseid juhte releedena;
• muutuva voolu, samuti temperatuuri ja pinge juhtimiseks kasutage lineaarset sektsiooni.

Termistoreid kasutatakse elektromagnetkiirguse kontrollimisel ja mõõtmisel, mis viiakse läbi ülikõrgetel sagedustel. Tänu sellele kasutatakse neid juhte sellistes süsteemides nagu tulekahjusignalisatsioonid, kuumuse testimine ning puistekandjate ja vedelike kasutamise kontroll. Neid termistore, mille TCR on alla nulli, kasutatakse jahutussüsteemides.

Nüüd termoelementidest. Kuidas mõjutab Seebecki fenomen termoelemente? Sõltuvus seisneb selles, et sellised juhid toimivad selle nähtuse alusel. Kui ristmiku temperatuur kuumutamisel tõuseb, ilmub suletud ahela ristmikule emf. Seega avaldub nende sõltuvus ja soojusenergia muundatakse elektrienergiaks. Protsessi täielikuks mõistmiseks soovitan lugeda meie juhiseid selle kohta, kuidas seda teha

Metallide takistus tuleneb sellest, et juhis liikuvad elektronid interakteeruvad kristallvõre ioonidega ja kaotavad seeläbi osa energiast, mille nad elektriväljas omandavad.

Kogemused näitavad, et metallide vastupidavus sõltub temperatuurist. Iga ainet saab iseloomustada selle konstantse väärtusega, nn temperatuuri takistustegur α. See koefitsient on võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega, kui seda kuumutatakse 1 K võrra: α =

kus ρ 0 on eritakistus temperatuuril T 0 = 273 K (0°C), ρ on eritakistus antud temperatuuril T. Seega väljendatakse metalljuhi eritakistuse sõltuvust temperatuurist lineaarfunktsiooniga: ρ = ρ 0 (1+ αT).

Takistuse sõltuvust temperatuurist väljendab sama funktsioon:

R = R 0 (1+ aT).

Puhaste metallide terinevad üksteisest suhteliselt vähe ja on ligikaudu võrdsed 0,004 K -1. Juhtide takistuse muutus koos temperatuuri muutumisega toob kaasa asjaolu, et nende voolu-pinge karakteristikud ei ole lineaarsed. See on eriti märgatav juhtudel, kui juhtmete temperatuur muutub oluliselt, näiteks hõõglambi kasutamisel. Joonisel on näidatud selle volt-ampri karakteristik. Nagu jooniselt näha, ei ole antud juhul voolutugevus pingega otseselt võrdeline. Siiski ei tohiks arvata, et see järeldus on Ohmi seadusega vastuolus. Ohmi seaduses sõnastatud sõltuvus kehtib ainult pideva vastupanuga. Metalljuhtide takistuse sõltuvust temperatuurist kasutatakse erinevates mõõte- ja automaatseadmetes. Kõige olulisem neist on takistuse termomeeter. Takistustermomeetri põhiosa moodustab keraamilisele raamile keritud plaatinatraat. Traat asetatakse keskkonda, mille temperatuur tuleb määrata. Mõõtes selle traadi takistust ja teades selle takistust temperatuuril t 0 = 0 °C (st. R 0), arvutage keskkonna temperatuur viimase valemi abil.

Ülijuhtivus. Siiski kuni 19. sajandi lõpuni. Väga madalate temperatuuride piirkonnas ei olnud võimalik kontrollida, kuidas juhtide takistus sõltub temperatuurist. Alles 20. sajandi alguses. Hollandi teadlane G. Kamerlingh Onnes suutis kõige raskemini kondenseeruva gaasi – heeliumi – muuta vedelaks. Vedela heeliumi keemistemperatuur on 4,2 K. See võimaldas mõõta osade puhaste metallide takistust nende jahutamisel väga madalale temperatuurile.

1911. aastal kulmineerus Kamerlingh Onnesi töö suure avastusega. Uurides elavhõbeda takistust selle pideva jahutamise ajal, avastas ta, et temperatuuril 4,12 K langes elavhõbeda takistus järsult nullini. Seejärel suutis ta sama nähtust jälgida ka mitmete teiste metallide puhul, kui need jahutati absoluutse nulli lähedase temperatuurini. Metalli elektritakistuse täieliku kadumise nähtust teatud temperatuuril nimetatakse ülijuhtivuseks.

Kõik materjalid ei saa ülijuhtideks, kuid nende arv on üsna suur. Paljudel neist leiti aga omadus, mis oluliselt takistas nende kasutamist. Selgus, et enamiku puhaste metallide puhul kaob ülijuhtivus, kui need on tugevas magnetväljas. Seetõttu tekitab ülijuhti läbides oluline vool enda ümber magnetvälja ja ülijuhtivus selles kaob. Sellegipoolest osutus see takistus ületatavaks: leiti, et mõned sulamid, näiteks nioobium ja tsirkoonium, nioobium ja titaan jne, omavad omadust säilitada ülijuhtivust kõrgete vooluväärtuste juures. See võimaldas ülijuhtivuse laialdasemat kasutamist.

Peaaegu kõigi materjalide elektritakistus sõltub temperatuurist. Selle sõltuvuse olemus on erinevate materjalide puhul erinev.

Metallides, millel on kristalne struktuur, piirab elektronide kui laengukandjate vaba teekonda nende kokkupõrge kristallvõre sõlmedes paiknevate ioonidega. Kokkupõrgete käigus kandub elektronide kineetiline energia võrele. Pärast iga kokkupõrget koguvad elektronid elektrivälja jõudude mõjul taas kiirust ja järgnevate kokkupõrgete käigus annavad omandatud energia kristallvõre ioonidele, suurendades nende vibratsiooni, mis toob kaasa elektrivälja tugevuse suurenemise. aine temperatuur. Seega võib elektrone pidada vahendajateks elektrienergia muundamisel soojusenergiaks. Temperatuuri tõusuga kaasneb aineosakeste kaootilise soojusliikumise suurenemine, mis toob kaasa elektronide kokkupõrgete arvu suurenemise nendega ja raskendab elektronide korrapärast liikumist.

Enamiku metallide puhul suureneb eritakistus töötemperatuuridel lineaarselt

Kus Ja - eritakistus alg- ja lõpptemperatuuril;

- antud metalli konstantne koefitsient, mida nimetatakse takistuse temperatuuriteguriks (TCR);

T1 ja T2 - alg- ja lõpptemperatuurid.

Teist tüüpi juhtide puhul põhjustab temperatuuri tõus nende ionisatsiooni suurenemist, seetõttu on seda tüüpi juhtmete TCS negatiivne.

Ainete ja nende TCS-i eritakistuse väärtused on toodud teatmeteostes. Tavaliselt antakse eritakistuse väärtused temperatuuril +20 °C.

Juhi takistuse annab

R2 = R1
(2.1.2)

Ülesanne 3 Näide

Määrake kahejuhtmelise ülekandeliini vasktraadi takistus temperatuuril + 20 ° C ja + 40 ° C, kui traadi ristlõige S =

120 mm , ja liini pikkus = 10 km.

Lahendus

Viitetabelite abil leiame takistuse vask + 20 °C juures ja temperatuuritakistustegur :

= 0,0175 oomi mm /m; = 0,004 kraadi .

Määrame traadi takistuse temperatuuril T1 = +20 °C valemiga R = , võttes arvesse liini edasi- ja tagasivoolujuhtme pikkust:

R1 = 0,0175
2 = 2,917 oomi.

Leiame juhtmete takistuse temperatuuril + 40°C, kasutades valemit (2.1.2)

R2 = 2,917 = 3,15 oomi.

Harjutus

Kolmejuhtmeline õhuliin pikkusega L on valmistatud traadist, mille mark on toodud tabelis 2.1. Vajalik on leida märgiga “?” tähistatud väärtus, kasutades antud näidet ja valides tabelist 2.1 selles toodud andmetega valiku.

Tuleb märkida, et erinevalt näitest hõlmab probleem ühe liinijuhtmega seotud arvutusi. Paljasjuhtmete kaubamärkide puhul tähistab täht traadi materjali (A - alumiinium; M - vask) ja number tähistab traadi ristlõiget mm .

Tabel 2.1

Teemamaterjali õppimine lõpeb tööga testidega nr 2 (TOE-

ETM/PM" ja nr 3 (TOE – ETM/IM)

Igal ainel on oma eritakistus. Lisaks sõltub takistus juhi temperatuurist. Kontrollime seda järgmise katsega.

Laseme voolu läbi terasspiraali. Spiraaliga vooluringis ühendame ampermeetri järjestikku. See näitab mingit väärtust. Nüüd soojendame spiraali gaasipõleti leegis. Ampermeetri näidatud vooluväärtus väheneb. See tähendab, et voolutugevus sõltub juhi temperatuurist.

Vastupidavus muutub sõltuvalt temperatuurist

Oletame, et temperatuuril 0 kraadi on juhi takistus võrdne R0-ga ja temperatuuril t on takistus võrdne R-ga, siis on takistuse suhteline muutus otseselt võrdeline temperatuuri muutusega t:

• (R-RO)/R=a*t.

Selles valemis on a proportsionaalsustegur, mida nimetatakse ka temperatuurikoefitsiendiks. See iseloomustab aine takistuse sõltuvust temperatuurist.

Temperatuuri takistustegur arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega, kui seda kuumutatakse 1 Kelvini võrra.

Kõigi metallide temperatuurikoefitsient Üle nulli. Temperatuurimuutustega muutub see veidi. Seega, kui temperatuurimuutus on väike, võib temperatuurikoefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle temperatuurivahemiku keskmise väärtusega.

Elektrolüütide lahuste takistus väheneb temperatuuri tõustes. See tähendab, et nende jaoks on temperatuurikoefitsient vähem kui null.

Juhi takistus sõltub juhi eritakistusest ja juhtme suurusest. Kuna kuumutamisel muutuvad juhi mõõtmed veidi, siis on juhi takistuse muutumise põhikomponendiks eritakistus.

Juhi takistuse sõltuvus temperatuurist

Proovime leida juhi eritakistuse sõltuvust temperatuurist.

Asendame takistuse väärtused R=p*l/S R0=p0*l/S ülaltoodud valemiga.

Saame järgmise valemi:

• p=p0(1+a*t).

See sõltuvus on näidatud järgmisel joonisel.

Proovime välja mõelda, miks takistus suureneb

Temperatuuri tõstmisel suureneb ioonide vibratsiooni amplituud kristallvõre sõlmedes. Seetõttu põrkuvad vabad elektronid nendega sagedamini kokku. Kokkupõrke korral kaotavad nad oma liikumissuuna. Järelikult vool väheneb.