Hvordan varierer elektrisk motstand med temperaturen? Hvordan avhenger motstanden til en leder av temperaturen?

2. Hvordan avhenger resistiviteten til en leder av temperaturen? I hvilke enheter måles temperaturkoeffisienten for motstand?

3. Hvordan kan man forklare lederresistivitetens lineære avhengighet av temperatur?

4. Hvorfor avtar resistiviteten til halvledere med økende temperatur?

5. Beskriv prosessen med egenledning i halvledere.

Det er forskjellige forhold under hvilke ladningsbærere passerer gjennom visse materialer. Og ladningen av elektrisk strøm påvirkes direkte av motstand, som er avhengig av miljøet. Faktorene som endrer strømmen av elektrisk strøm inkluderer temperatur. I denne artikkelen vil vi vurdere avhengigheten av ledermotstand på temperatur.

Metaller

Hvordan påvirker temperaturen metaller? For å finne ut denne avhengigheten ble et slikt eksperiment utført: et batteri, et amperemeter, en ledning og en brenner er koblet til hverandre ved hjelp av ledninger. Deretter må du måle strømmen i kretsen. Etter at avlesningene er tatt, må du bringe brenneren til ledningen og varme den opp. Når ledningen varmes opp, kan man se at motstanden øker, og metallets ledningsevne avtar.

1. metalltråd
2. Batteri
3. Amperemeter

Avhengigheten er indikert og begrunnet med formlene:

Fra disse formlene følger det at R-leder bestemmes av formelen:

Et eksempel på avhengigheten av motstanden til metaller på temperatur er gitt i videoen:

Du må også ta hensyn til en slik egenskap som superledning. Hvis miljøforholdene er normale, og nedkjøling, reduserer lederne motstanden. Grafen nedenfor viser hvordan temperatur og resistivitet i kvikksølv avhenger.

Superledning er et fenomen som oppstår når et materiale når en kritisk temperatur (nærmere null Kelvin), hvor motstanden synker kraftig til null.

gasser

Gasser fungerer som et dielektrikum og kan ikke lede elektrisitet. Og for at det skal dannes, trengs ladebærere. Ioner spiller sin rolle, og de oppstår på grunn av påvirkning av eksterne faktorer.

Avhengigheten kan sees med et eksempel. For forsøket brukes samme design som i forrige forsøk, kun lederne erstattes av metallplater. Det skal være et lite mellomrom mellom dem. Amperemeteret skal indikere ingen strøm. Når brenneren er plassert mellom platene, vil enheten indikere strømmen som går gjennom det gassformige mediet.

Nedenfor er en graf over strømspenningskarakteristikken til en gassutladning, som viser at veksten av ionisering i det innledende stadiet øker, deretter forblir avhengigheten av strøm av spenning uendret (det vil si med økende spenning forblir strømmen den samme ) og en kraftig økning i strømstyrken, noe som fører til nedbrytning av det dielektriske laget.

Vurder ledningsevnen til gasser i praksis. Passasje av elektrisk strøm i gasser brukes i fluorescerende lamper og lamper. I dette tilfellet, katoden og anoden, er to elektroder plassert i en kolbe, inne i hvilken det er en inert gass. Hvordan er dette fenomenet avhengig av gassen? Når lampen slås på, varmes de to glødetrådene opp og termionisk emisjon dannes. Innsiden av pæren er belagt med en fosfor som sender ut lyset vi ser. Hvordan er kvikksølv avhengig av fosfor? Kvikksølvdamp, når den bombarderes med elektroner, produserer infrarød stråling, som igjen sender ut lys.

Hvis en spenning påføres mellom katoden og anoden, oppstår gassledning.

Væsker

Strømledere i en væske er anioner og kationer som beveger seg på grunn av et elektrisk eksternt felt. Elektronene gir lite ledning. Vurder motstandens avhengighet av temperatur i væsker.

1. Elektrolytt
2. Batteri
3. Amperemeter

Avhengigheten av effekten av elektrolytter på oppvarming er foreskrevet av formelen:

Hvor a er den negative temperaturkoeffisienten.

Hvordan R avhenger av oppvarming (t) er vist i grafen nedenfor:

Denne avhengigheten må tas i betraktning ved lading av akkumulatorer og batterier.

Halvledere

Og hvordan er motstand avhengig av oppvarming i halvledere? La oss først snakke om termistorer. Dette er enheter som endrer deres elektriske motstand når de utsettes for varme. Denne halvlederen har en temperaturmotstandskoeffisient (TCR) en størrelsesorden høyere enn metaller. Både positive og negative ledere, de har visse egenskaper.

Hvor: 1 er TKS mindre enn null; 2 - TKS er større enn null.

For at ledere som termistorer skal begynne å fungere, tas ethvert punkt på I–V-karakteristikken som grunnlag:

• hvis temperaturen på elementet er mindre enn null, brukes slike ledere som et relé;
• for å kontrollere endringsstrømmen samt hvilken temperatur og spenning, bruk et lineært plott.

Termistorer brukes ved kontroll og måling av elektromagnetisk stråling, som utføres ved mikrobølgefrekvenser. På grunn av dette brukes disse lederne i systemer som brannalarm, varmetesting og kontroll av bruk av bulkmedier og væsker. De termistorene med TCR mindre enn null brukes i kjølesystemer.

Nå om termoelementer. Hvordan påvirker Seebeck-fenomenet termoelementer? Avhengigheten ligger i det faktum at slike ledere fungerer på grunnlag av dette fenomenet. Når temperaturen på krysset stiger ved oppvarming, vises en emf ved krysset til en lukket krets. Dermed manifesteres deres avhengighet og termisk energi omdannes til elektrisitet. For å forstå prosessen fullt ut, anbefaler jeg at du studerer instruksjonene våre om hvordan

Motstanden til metaller skyldes det faktum at elektronene som beveger seg i lederen samhandler med ionene i krystallgitteret og mister en del av energien som de får i det elektriske feltet.

Erfaring viser at motstanden til metaller avhenger av temperatur. Hvert stoff kan karakteriseres av en konstant verdi for det, kalt temperaturkoeffisient for motstand α. Denne koeffisienten er lik den relative endringen i resistiviteten til lederen når den varmes opp med 1 K: α =

hvor ρ 0 er resistiviteten ved en temperatur T 0 = 273 K (0 ° C), ρ er resistiviteten ved en gitt temperatur T. Derfor uttrykkes avhengigheten av resistiviteten til en metallleder av temperaturen som en lineær funksjon: ρ = ρ 0 (1+ αT).

Motstandens avhengighet av temperatur uttrykkes med samme funksjon:

R = R0 (1+aT).

Temperaturkoeffisientene for motstand til rene metaller skiller seg relativt lite fra hverandre og er omtrent lik 0,004 K -1. En endring i motstanden til ledere med en endring i temperaturen fører til at deres strømspenningskarakteristikk ikke er lineær. Dette er spesielt merkbart i tilfeller hvor temperaturen på lederne endres betydelig, for eksempel når en glødelampe er i drift. Figuren viser dens volt - ampere karakteristikk. Som det fremgår av figuren, er strømstyrken i dette tilfellet ikke direkte proporsjonal med spenningen. Man skal imidlertid ikke tro at denne konklusjonen strider mot Ohms lov. Avhengigheten formulert i Ohms lov er kun gyldig med konstant motstand. Avhengigheten av motstanden til metallledere på temperatur brukes i forskjellige måle- og automatiske enheter. Den viktigste av disse er motstandstermometer. Hoveddelen av motstandstermometeret er en platinatråd viklet på en keramisk ramme. Ledningen plasseres i et miljø hvis temperatur skal bestemmes. Ved å måle motstanden til denne ledningen og kjenne dens motstand ved t 0 \u003d 0 ° С (dvs. R0), beregne temperaturen på mediet ved å bruke den siste formelen.

Superledningsevne. Men frem til slutten av XIX århundre. det var umulig å kontrollere hvordan motstanden til ledere avhenger av temperatur i området med svært lave temperaturer. Bare på begynnelsen av XX århundre. Den nederlandske forskeren G. Kamerling-Onnes klarte å gjøre den vanskeligste kondenserte gassen, helium, til flytende tilstand. Kokepunktet for flytende helium er 4,2 K. Dette gjorde det mulig å måle motstanden til enkelte rene metaller når de avkjøles til svært lav temperatur.

I 1911 endte arbeidet til Kamerling-Onnes med en stor oppdagelse. Ved å undersøke motstanden til kvikksølv under konstant avkjøling, fant han at ved en temperatur på 4,12 K falt motstanden til kvikksølv brått til null. Deretter klarte han å observere det samme fenomenet i en rekke andre metaller når de ble avkjølt til temperaturer nær absolutt null. Fenomenet med fullstendig tap av elektrisk motstand av et metall ved en viss temperatur kalles superledning.

Ikke alle materialer kan bli superledere, men antallet er ganske stort. Imidlertid ble det funnet at mange av dem hadde en eiendom som i stor grad hindret bruken av dem. Det viste seg at for de fleste rene metaller forsvinner superledning når de befinner seg i et sterkt magnetfelt. Derfor, når en betydelig strøm flyter gjennom en superleder, skaper den et magnetisk felt rundt seg selv og superledning i den forsvinner. Likevel viste denne hindringen seg å være overkommelig: det ble funnet at noen legeringer, som niob og zirkonium, niob og titan, etc., har egenskapen til å beholde superledningsevnen ved høye strømstyrker. Dette tillot mer utbredt bruk av superledning.

Den elektriske motstanden til nesten alle materialer avhenger av temperaturen. Naturen til denne avhengigheten er forskjellig for forskjellige materialer.

I metaller som har en krystallinsk struktur, er den frie banen til elektroner som ladningsbærere begrenset av deres kollisjoner med ioner lokalisert ved nodene til krystallgitteret. Ved kollisjoner overføres elektronenes kinetiske energi til gitteret. Etter hver kollisjon øker elektronene, under påvirkning av de elektriske feltkreftene, fart igjen og under de neste kollisjonene gir de den ervervede energien til ionene i krystallgitteret, og øker svingningene deres, noe som fører til en økning i temperaturen til stoffet. Dermed kan elektroner betraktes som mellomledd i omdannelsen av elektrisk energi til termisk energi. En økning i temperatur er ledsaget av en økning i den kaotiske termiske bevegelsen av partikler av materie, noe som fører til en økning i antall kollisjoner av elektroner med dem og gjør det vanskelig for den ordnede bevegelsen av elektroner.

For de fleste metaller, innenfor driftstemperaturer, øker resistiviteten lineært

hvor og - resistivitet ved start- og slutttemperaturer;

- en koeffisientkonstant for et gitt metall, kalt motstandens temperaturkoeffisient (TCS);

T1 og T2 - start- og slutttemperaturer.

For ledere av den andre typen fører en økning i temperaturen til en økning i deres ionisering, så TCR for denne typen leder er negativ.

Verdiene for resistiviteten til stoffer og deres TCS er gitt i oppslagsverk. Det er vanlig å gi resistivitetsverdier ved en temperatur på +20 °C.

Motstanden til lederen bestemmes av uttrykket

R2 = R1
(2.1.2)

Oppgave 3 Eksempel

Bestem motstanden til kobbertråden til en to-tråds overføringslinje ved + 20 ° C og + 40 ° C, hvis ledningens tverrsnitt S =

120 mm , og lengden på linjen er l = 10 km.

Løsning

I følge referansetabellene finner vi resistiviteten kobber ved + 20 °C og temperaturkoeffisient for motstand :

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

La oss bestemme motstanden til ledningen ved T1 = +20 ° С i henhold til formelen R = , med tanke på lengden på forover- og reversledningene til linjen:

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

Motstanden til ledningene ved en temperatur på + 40 ° C er funnet av formelen (2.1.2)

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

Trening

En overliggende tretrådsledning med lengde L er laget med en ledning, hvis merke er gitt i tabell 2.1. Det er nødvendig å finne verdien angitt med tegnet "?", ved å bruke eksemplet gitt og velge alternativet med dataene som er angitt i det i tabell 2.1.

Det skal bemerkes at oppgaven, i motsetning til eksemplet, gir beregninger knyttet til en ledning av linjen. I merkene til nakne ledninger indikerer bokstaven materialet til ledningen (A - aluminium; M - kobber), og tallet - tverrsnittet til ledningen i mm .

Tabell 2.1

Studiet av stoffet til emnet avsluttes med arbeid med prøver nr. 2 (TOE-

ETM/PM” og nr. 3 (TOE – ETM/IM)

Hvert stoff har sin egen resistivitet. Videre vil motstanden avhenge av temperaturen på lederen. Vi vil bekrefte dette ved å utføre følgende eksperiment.

La oss føre en strøm gjennom en stålspiral. I en krets med en spiral kobler vi i serie et amperemeter. Det vil vise en viss verdi. Nå skal vi varme spiralen i flammen til en gassbrenner. Verdien av strømmen som amperemeteret vil vise vil synke. Det vil si at strømstyrken vil avhenge av temperaturen på lederen.

Endring i motstand med temperatur

La ved en temperatur på 0 grader, motstanden til lederen er lik R0, og ved en temperatur t er motstanden lik R, da vil den relative endringen i motstand være direkte proporsjonal med endringen i temperaturen t:

• (R-RO)/R=a*t.

I denne formelen er a proporsjonalitetskoeffisienten, som også kalles temperaturkoeffisienten. Det karakteriserer avhengigheten av motstanden til et stoff på temperaturen.

Temperaturkoeffisient for motstand numerisk lik den relative endringen i motstanden til lederen når den varmes opp med 1 Kelvin.

For alle metaller temperaturkoeffisient Over null. Med temperaturendringer vil det endre seg litt. Derfor, hvis temperaturendringen er liten, kan temperaturkoeffisienten betraktes som konstant, og lik gjennomsnittsverdien fra dette temperaturområdet.

Løsninger av elektrolytter med økende temperatur, motstanden avtar. Det vil si at for dem vil temperaturkoeffisienten være mindre enn null.

Motstanden til en leder avhenger av lederens resistivitet og av dimensjonene til lederen. Siden dimensjonene til lederen endres litt når den varmes opp, er hovedkomponenten i endringen i lederens motstand resistiviteten.

Avhengighet av lederresistivitet på temperatur

La oss prøve å finne avhengigheten av lederens resistivitet på temperaturen.

Erstatt i formelen oppnådd over motstandsverdiene R=p*l/S R0=p0*l/S.

Vi får følgende formel:

• p=po(1+a*t).

Denne avhengigheten er vist i følgende figur.

La oss prøve å finne ut hvorfor motstanden øker

Når vi øker temperaturen, øker amplituden til ionesvingninger ved nodene til krystallgitteret. Følgelig vil frie elektroner kollidere med dem oftere. I en kollisjon vil de miste bevegelsesretningen. Derfor vil strømmen avta.