Miten sähkövastus vaihtelee lämpötilan mukaan? Miten johtimen resistanssi riippuu lämpötilasta?

2. Miten johtimen ominaisvastus riippuu sen lämpötilasta? Millä yksiköillä resistanssin lämpötilakerroin mitataan?

3. Miten voidaan selittää johtimen resistiivisyyden lineaarinen riippuvuus lämpötilasta?

4. Miksi puolijohteiden ominaisvastus pienenee lämpötilan noustessa?

5. Kuvaile puolijohteiden sisäisen johtavuuden prosessia.

On olemassa erilaisia ​​olosuhteita, joissa varauksenkantajat kulkevat tiettyjen materiaalien läpi. Ja sähkövirran varaukseen vaikuttaa suoraan vastus, joka on riippuvainen ympäristöstä. Sähkövirran kulkua muuttavia tekijöitä ovat muun muassa lämpötila. Tässä artikkelissa tarkastelemme johtimen resistanssin riippuvuutta lämpötilasta.

Metallit

Miten lämpötila vaikuttaa metalleihin? Tämän riippuvuuden selvittämiseksi suoritettiin seuraava koe: akku, ampeerimittari, lanka ja poltin on kytketty toisiinsa johtojen avulla. Sitten sinun on mitattava virta piirissä. Kun lukemat on otettu, sinun on tuotava poltin langalle ja lämmitettävä se. Kun lankaa kuumennetaan, voidaan nähdä, että vastus kasvaa ja metallin johtavuus pienenee.

1. metallilanka
2. Akku
3. Ampeerimittari

Riippuvuus osoitetaan ja perustellaan kaavoilla:

Näistä kaavoista seuraa, että R-johdin määritetään kaavalla:

Videossa on esimerkki metallien kestävyyden riippuvuudesta lämpötilasta:

Sinun on myös kiinnitettävä huomiota sellaiseen ominaisuuteen kuin suprajohtavuus. Jos ympäristöolosuhteet ovat normaalit, johtimet vähentävät vastustaan ​​jäähtyessään. Alla oleva kaavio näyttää, kuinka elohopean lämpötila ja ominaisvastus riippuvat.

Suprajohtavuus on ilmiö, joka ilmenee, kun materiaali saavuttaa kriittisen lämpötilan (lähempänä nollaa kelviniä), jossa vastus putoaa jyrkästi nollaan.

kaasut

Kaasut toimivat dielektrisenä eivätkä voi johtaa sähköä. Ja jotta se muodostuisi, tarvitaan varauksenkuljettajia. Ionit hoitavat tehtävänsä, ja ne syntyvät ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta.

Riippuvuus voidaan nähdä esimerkillä. Kokeessa käytetään samaa mallia kuin edellisessä kokeessa, vain johtimet korvataan metallilevyillä. Niiden välissä tulee olla pieni tila. Ampeerimittarin pitäisi osoittaa, että virtaa ei ole. Kun poltin asetetaan levyjen väliin, laite näyttää virran, joka kulkee kaasumaisen väliaineen läpi.

Alla on kaavio kaasupurkauksen virta-jännite ominaisuudesta, joka osoittaa, että ionisaation kasvu alkuvaiheessa kasvaa, sitten virran riippuvuus jännitteestä pysyy muuttumattomana (eli jännitteen kasvaessa virta pysyy samana ) ja virran voimakkuuden jyrkkä nousu, mikä johtaa dielektrisen kerroksen hajoamiseen.

Harkitse kaasujen johtavuutta käytännössä. Sähkövirran kulkua kaasuissa käytetään loistelampuissa ja lampuissa. Tässä tapauksessa katodi ja anodi, kaksi elektrodia asetetaan pulloon, jonka sisällä on inerttiä kaasua. Miten tämä ilmiö riippuu kaasusta? Kun lamppu sytytetään, molemmat hehkulangat kuumenevat ja syntyy lämpösäteilyä. Lampun sisäpuoli on päällystetty fosforilla, joka lähettää näkemämme valon. Miten elohopea riippuu fosforista? Kun elohopeahöyryä pommitetaan elektroneilla, se tuottaa infrapunasäteilyä, joka puolestaan ​​lähettää valoa.

Jos katodin ja anodin väliin syötetään jännite, tapahtuu kaasun johtuminen.

Nesteet

Nesteen virranjohtimet ovat anioneja ja kationeja, jotka liikkuvat ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Elektronit johtavat vain vähän. Harkitse vastuksen riippuvuutta nesteiden lämpötilasta.

1. Elektrolyytti
2. Akku
3. Ampeerimittari

Elektrolyyttien vaikutuksen riippuvuus lämmityksestä on määritelty kaavalla:

Missä a on negatiivinen lämpötilakerroin.

Kuinka R riippuu lämmityksestä (t), näkyy alla olevassa kaaviossa:

Tämä riippuvuus on otettava huomioon akkuja ja paristoja ladattaessa.

Puolijohteet

Ja kuinka resistanssi riippuu puolijohteiden kuumenemisesta? Ensinnäkin puhutaan termistoreista. Nämä ovat laitteita, jotka muuttavat sähkövastustaan ​​altistuessaan lämmölle. Tämän puolijohteen lämpötilakerroin (TCR) on suuruusluokkaa suurempi kuin metallien. Sekä positiivisilla että negatiivisilla johtimilla on tiettyjä ominaisuuksia.

jossa: 1 on TKS pienempi kuin nolla; 2 - TKS on suurempi kuin nolla.

Jotta johtimet, kuten termistorit, alkaisivat toimia, mikä tahansa I–V-ominaiskäyrän piste otetaan perustaksi:

• jos elementin lämpötila on alle nolla, tällaisia ​​johtimia käytetään releenä;
• Käytä lineaarista käyrää säätämään muuttuvaa virtaa sekä lämpötilaa ja jännitettä.

Termistoreja käytetään sähkömagneettisen säteilyn tarkistukseen ja mittaukseen, joka suoritetaan mikroaaltotaajuuksilla. Tästä johtuen näitä johtimia käytetään järjestelmissä, kuten palovaroittimissa, lämpötestauksessa ja bulkkimateriaalien ja nesteiden käytön ohjauksessa. Jäähdytysjärjestelmissä käytetään termistoreita, joiden TCR on alle nolla.

Nyt lämpöelementeistä. Miten Seebeck-ilmiö vaikuttaa lämpöelementteihin? Riippuvuus on siinä, että tällaiset johtimet toimivat tämän ilmiön perusteella. Kun liitoksen lämpötila kohoaa kuumennettaessa, suljetun piirin liitoskohtaan ilmestyy emf. Siten niiden riippuvuus ilmenee ja lämpöenergia muunnetaan sähköksi. Ymmärtääksesi prosessin täysin, suosittelen, että tutustut ohjeisiimme

Metallien vastus johtuu siitä, että johtimessa liikkuvat elektronit ovat vuorovaikutuksessa kidehilan ionien kanssa ja menettävät osan sähkökentässä saamastaan ​​energiasta.

Kokemus osoittaa, että metallien kestävyys riippuu lämpötilasta. Jokaiselle aineelle voidaan määrittää vakioarvo, ns resistanssin lämpötilakerroin α. Tämä kerroin on yhtä suuri kuin johtimen resistiivisyyden suhteellinen muutos, kun sitä kuumennetaan 1 K:lla: α =

missä ρ 0 on resistiivisyys lämpötilassa T 0 = 273 K (0 °C), ρ on ominaisvastus tietyssä lämpötilassa T. Näin ollen metallijohtimen resistiivisyyden riippuvuus lämpötilasta ilmaistaan ​​lineaarifunktiona: ρ = ρ 0 (1+ αT).

Resistanssin riippuvuus lämpötilasta ilmaistaan ​​samalla funktiolla:

R = R0 (1+aT).

Puhtaiden metallien lämpötilavastuskertoimet eroavat suhteellisen vähän toisistaan ​​ja ovat suunnilleen 0,004 K -1 . Muutos johtimien resistanssissa lämpötilan muutoksella johtaa siihen, että niiden virta-jännite-ominaisuus ei ole lineaarinen. Tämä on erityisen havaittavissa tapauksissa, joissa johtimien lämpötila muuttuu merkittävästi, esimerkiksi hehkulampun ollessa toiminnassa. Kuvassa näkyy sen voltti-ampeeriominaisuus. Kuten kuvasta voidaan nähdä, virran voimakkuus ei tässä tapauksessa ole suoraan verrannollinen jännitteeseen. Ei kuitenkaan pidä ajatella, että tämä päätelmä on ristiriidassa Ohmin lain kanssa. Ohmin laissa muotoiltu riippuvuus on voimassa vain jatkuvalla vastuksella. Metallijohtimien resistanssin riippuvuutta lämpötilasta käytetään erilaisissa mittaus- ja automaattilaitteissa. Näistä tärkein on vastuslämpömittari. Vastuslämpömittarin pääosa on keraamiseen runkoon kierretty platinalanka. Lanka asetetaan ympäristöön, jonka lämpötila on määritettävä. Mittaamalla tämän langan resistanssi ja tuntemalla sen resistanssi t 0 \u003d 0 ° С (ts. R0), laske väliaineen lämpötila käyttämällä viimeistä kaavaa.

Suprajohtavuus. Kuitenkin XIX vuosisadan loppuun asti. oli mahdotonta tarkistaa, kuinka johtimien resistanssi riippuu lämpötilasta erittäin alhaisten lämpötilojen alueella. Vasta XX vuosisadan alussa. Hollantilainen tiedemies G. Kamerling-Onnes onnistui muuttamaan vaikeimmin kondensoituneen kaasun, heliumin, nestemäiseksi. Nestemäisen heliumin kiehumispiste on 4,2 K. Tämä mahdollisti joidenkin puhtaiden metallien resistanssin mittaamisen, kun ne jäähdytetään hyvin alhaiseen lämpötilaan.

Vuonna 1911 Kamerling-Onnesin työ päättyi suureen löydöön. Tutkiessaan elohopean vastusta sen jatkuvan jäähtymisen aikana, hän havaitsi, että 4,12 K:n lämpötilassa elohopean vastus putosi äkillisesti nollaan. Myöhemmin hän onnistui havaitsemaan saman ilmiön useissa muissa metalleissa, kun ne jäähdytettiin lämpötilaan, joka oli lähellä absoluuttista nollaa. Ilmiötä, jossa metallin sähkövastus häviää kokonaan tietyssä lämpötilassa, kutsutaan suprajohtavuudeksi.

Kaikista materiaaleista ei voi tulla suprajohtimia, mutta niiden määrä on melko suuri. Monilla niistä kuitenkin havaittiin ominaisuus, joka esti suuresti niiden käyttöä. Kävi ilmi, että useimpien puhtaiden metallien suprajohtavuus katoaa, kun ne ovat voimakkaassa magneettikentässä. Siksi, kun suprajohteen läpi kulkee merkittävä virta, se luo magneettikentän ympärilleen ja suprajohtavuus siitä katoaa. Tästä huolimatta tämä este osoittautui ylitettäväksi: havaittiin, että joillakin seoksilla, kuten niobiumilla ja zirkoniumilla, niobiumilla ja titaanilla jne., on ominaisuus säilyttää suprajohtavuutensa suurilla virranvoimakkuuksilla. Tämä mahdollisti suprajohtavuuden laajemman käytön.

Lähes kaikkien materiaalien sähkövastus riippuu lämpötilasta. Tämän riippuvuuden luonne on erilainen eri materiaaleille.

Kiderakenteen omaavissa metalleissa elektronien vapaata polkua varauksenkantajina rajoittavat niiden törmäykset kidehilan solmukohdissa sijaitseviin ioneihin. Törmäyksissä elektronien liike-energia siirtyy hilaan. Jokaisen törmäyksen jälkeen elektronit nostavat sähkökenttävoimien vaikutuksesta vauhtia uudelleen ja antavat seuraavissa törmäyksissä hankitun energian kidehilan ioneille, mikä lisää niiden värähtelyä, mikä lisää aineen lämpötila. Siten elektroneja voidaan pitää välittäjinä sähköenergian muuntamisessa lämpöenergiaksi. Lämpötilan nousuun liittyy ainehiukkasten kaoottisen lämpöliikkeen lisääntyminen, mikä johtaa elektronien törmäysten määrän lisääntymiseen niiden kanssa ja vaikeuttaa elektronien säännöllistä liikettä.

Useimpien metallien ominaisvastus kasvaa lineaarisesti käyttölämpötiloissa

missä ja - ominaisvastus alku- ja loppulämpötiloissa;

- kerroinvakio tietylle metallille, jota kutsutaan lämpövastuskertoimeksi (TCS);

T1 ja T2 - alku- ja loppulämpötilat.

Toisen tyypin johtimien tapauksessa lämpötilan nousu johtaa niiden ionisaatioon, joten tämän tyyppisten johtimien TCR on negatiivinen.

Aineiden ja niiden TCS:n ominaisvastusarvot on annettu hakuteoksissa. Resistanssiarvot on tapana antaa +20 °C lämpötilassa.

Johtimen resistanssi määräytyy lausekkeen mukaan

R2 = R1
(2.1.2)

Tehtävä 3 Esimerkki

Määritä kaksijohtimisen siirtojohdon kuparilangan resistanssi + 20 °C ja + 40 °C, jos johtimen poikkileikkaus S =

120 mm , ja linjan pituus on l = 10 km.

Ratkaisu

Viitetaulukoiden mukaan löydämme resistiivisyyden kupari + 20 °C:ssa ja lämpötilavastuskerroin :

= 0,0175 ohm mm /m; = 0,004 astetta .

Määritetään langan resistanssi kohdassa T1 = +20 ° С kaavan R = mukaan , kun otetaan huomioon linjan etu- ja takajohtojen pituus:

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

Johtojen resistanssi + 40 °C:n lämpötilassa saadaan kaavasta (2.1.2)

R2 \u003d 2,917 \u003d 3,15 ohmia.

Harjoittele

Kolmilankainen ilmajohto, jonka pituus on L, tehdään langalla, jonka merkki on annettu taulukossa 2.1. On tarpeen löytää merkillä "?" osoittama arvo käyttämällä annettua esimerkkiä ja valitsemalla vaihtoehto taulukosta 2.1 siinä ilmoitetuilla tiedoilla.

On huomattava, että tehtävä, toisin kuin esimerkki, sisältää laskelmia, jotka liittyvät linjan yhteen johtoon. Paljaiden johtojen merkeissä kirjain osoittaa langan materiaalin (A - alumiini; M - kupari) ja numero - langan poikkileikkauksen mm .

Taulukko 2.1

Aiheen materiaalin tutkiminen päättyy työhön kokeilla nro 2 (TOE-

ETM/PM” ja nro 3 (TOE – ETM/IM)

Jokaisella aineella on oma resistanssinsa. Lisäksi vastus riippuu johtimen lämpötilasta. Varmistamme tämän suorittamalla seuraavan kokeen.

Ohjataan virta terässpiraalin läpi. Kierteellä varustetussa piirissä kytkemme sarjaan ampeerimittarin. Se näyttää jonkin verran arvoa. Nyt lämmitetään spiraali kaasupolttimen liekissä. Ampeerimittarin näyttämän virran arvo pienenee. Eli virran voimakkuus riippuu johtimen lämpötilasta.

Resistanssin muutos lämpötilan myötä

Olkoon 0 asteen lämpötilassa johtimen resistanssi yhtä suuri kuin R0 ja lämpötilassa t resistanssi on yhtä suuri kuin R, niin resistanssin suhteellinen muutos on suoraan verrannollinen lämpötilan muutokseen t:

• (R-RO)/R=a*t.

Tässä kaavassa a on suhteellisuuskerroin, jota kutsutaan myös lämpötilakertoimeksi. Se luonnehtii aineen vastuksen riippuvuutta lämpötilasta.

Lämpötilavastuskerroin Numeerisesti yhtä suuri kuin johtimen resistanssin suhteellinen muutos, kun sitä kuumennetaan 1 Kelvinillä.

Kaikille metalleille lämpötilakerroin Nollan yläpuolella. Lämpötilan muutosten myötä se muuttuu hieman. Siksi, jos lämpötilan muutos on pieni, lämpötilakerrointa voidaan pitää vakiona ja yhtä suurena kuin tämän lämpötila-alueen keskiarvo.

Elektrolyyttiliuokset lämpötilan noustessa, vastus pienenee. Eli heille lämpötilakerroin on alle nolla.

Johtimen resistanssi riippuu johtimen resistanssista ja johtimen mitoista. Koska johtimen mitat muuttuvat hieman kuumennettaessa, on johtimen resistanssin muutoksen pääkomponentti resistanssi.

Johtimen resistiivisyyden riippuvuus lämpötilasta

Yritetään löytää johtimen resistiivisyyden riippuvuus lämpötilasta.

Korvaa yllä saatuun kaavaan resistanssiarvot R=p*l/S R0=p0*l/S.

Saamme seuraavan kaavan:

• p = p0(1+a*t).

Tämä riippuvuus on esitetty seuraavassa kuvassa.

Yritetään selvittää, miksi vastus kasvaa

Kun nostamme lämpötilaa, ionivärähtelyjen amplitudi kidehilan solmuissa kasvaa. Tämän seurauksena vapaat elektronit törmäävät niihin useammin. Törmäyksessä he menettävät liikkeensä suunnan. Siksi virta pienenee.