Ako závisí elektrický odpor od teploty? Ako závisí odpor vodiča od teploty?

2. Ako závisí odpor vodiča od jeho teploty? V akých jednotkách sa meria teplotný koeficient odporu?

3. Ako môžeme vysvetliť lineárnu závislosť merného odporu vodiča od teploty?

4. Prečo s rastúcou teplotou klesá rezistivita polovodičov?

5. Popíšte proces vlastného vedenia v polovodičoch.

Existujú rôzne podmienky, za ktorých nosiče náboja prechádzajú určitými materiálmi. A náboj elektrického prúdu je priamo ovplyvnený odporom, ktorý závisí od prostredia. Medzi faktory, ktoré menia tok elektrického prúdu, patrí teplota. V tomto článku sa pozrieme na závislosť odporu vodiča od teploty.

Kovy

Ako teplota ovplyvňuje kovy? Na zistenie tohto vzťahu sa uskutočnil nasledujúci experiment: batéria, ampérmeter, drôt a horák sú navzájom spojené pomocou drôtov. Potom musíte zmerať prúd v obvode. Po odčítaní musíte horák priviesť k drôtu a zahriať ho. Keď sa drôt zahrieva, je možné vidieť, že odpor sa zvyšuje a vodivosť kovu klesá.

1. Kovový drôt
2. Batéria
3. Ampérmeter

Závislosť je označená a odôvodnená vzorcami:

Z týchto vzorcov vyplýva, že R vodiča je určené vzorcom:

Príklad závislosti odporu kovu od teploty je uvedený vo videu:

Je potrebné venovať pozornosť aj takej vlastnosti, ako je supravodivosť. Ak sú podmienky prostredia normálne, potom keď sa vodiče ochladzujú, znižujú svoj odpor. Nižšie uvedený graf ukazuje, ako sa mení teplota a merný odpor v ortuti.

Supravodivosť je jav, ktorý nastáva, keď materiál dosiahne kritickú teplotu (bližšiu k nule Kelvinov), pri ktorej odpor náhle klesne na nulu.

Plyny

Plyny pôsobia ako dielektrika a nemôžu viesť elektrický prúd. A aby sa vytvoril, sú potrebné nosiče náboja. Ich úlohu zohrávajú ióny a vznikajú vplyvom vonkajších faktorov.

Závislosť možno ilustrovať na príklade. Pre experiment je použitý rovnaký dizajn ako v predchádzajúcom experimente, len vodiče sú nahradené kovovými platňami. Medzi nimi by mal byť malý priestor. Ampérmeter by nemal ukazovať žiadny prúd. Pri umiestnení horáka medzi platne bude zariadenie indikovať prúd, ktorý prechádza plynným médiom.

Nižšie je uvedený graf charakteristík prúdového napätia plynového výboja, ktorý ukazuje, že rast ionizácie v počiatočnom štádiu sa zvyšuje, potom závislosť prúdu od napätia zostáva nezmenená (to znamená, že keď sa napätie zvyšuje, prúd zostáva rovnaká) a prudký nárast sily prúdu, čo vedie k rozpadu dielektrickej vrstvy.

Uvažujme o vodivosti plynov v praxi. Prechod elektrického prúdu v plynoch sa využíva v žiarivkách a svietidlách. V tomto prípade sú katóda a anóda, dve elektródy umiestnené v banke, vo vnútri ktorej je inertný plyn. Ako tento jav závisí od plynu? Keď sa lampa zapne, dve vlákna sa zahrejú a vytvorí sa termionická emisia. Vnútro žiarovky je potiahnuté fosforom, ktorý vyžaruje svetlo, ktoré vidíme. Ako závisí ortuť od fosforu? Pary ortuti, keď sú bombardované elektrónmi, vytvárajú infračervené žiarenie, ktoré zase vyžaruje svetlo.

Ak sa medzi katódu a anódu privedie napätie, dochádza k vedeniu plynu.

Kvapaliny

Prúdové vodiče v kvapaline sú anióny a katióny, ktoré sa pohybujú v dôsledku vonkajšieho elektrického poľa. Elektróny poskytujú malú vodivosť. Uvažujme závislosť odporu od teploty v kvapalinách.

1. Elektrolyt
2. Batéria
3. Ampérmeter

Závislosť účinku elektrolytov na zahrievaní je predpísaná vzorcom:

Kde a je záporný teplotný koeficient.

Ako R závisí od ohrevu (t) je znázornené v grafe nižšie:

Táto závislosť sa musí brať do úvahy pri nabíjaní batérií a batérií.

Polovodiče

Ako závisí odpor od zahrievania v polovodičoch? Najprv si povedzme o termistoroch. Ide o zariadenia, ktoré vplyvom tepla menia svoj elektrický odpor. Tento polovodič má teplotný koeficient odporu (TCR), ktorý je rádovo vyšší ako u kovov. Pozitívne aj negatívne vodiče majú určité vlastnosti.

Kde: 1 je TCS menej ako nula; 2 – TCS je väčšie ako nula.

Aby mohli vodiče, ako sú termistory, začať pracovať, za základ sa berie akýkoľvek bod charakteristiky prúdového napätia:

• ak je teplota prvku nižšia ako nula, potom sa takéto vodiče používajú ako relé;
• na ovládanie meniaceho sa prúdu, ako aj teploty a napätia použite lineárny úsek.

Termistory sa používajú pri kontrole a meraní elektromagnetického žiarenia, ktoré sa vykonáva pri ultra vysokých frekvenciách. Vďaka tomu sa tieto vodiče používajú v systémoch ako sú požiarne hlásiče, tepelné skúšky a kontrola spotreby sypkých médií a kvapalín. Tie termistory s TCR menším ako nula sa používajú v chladiacich systémoch.

Teraz o termoprvkoch. Ako Seebeckov jav ovplyvňuje termoprvky? Závislosť spočíva v tom, že takéto vodiče fungujú na základe tohto javu. Keď sa teplota prechodu zvyšuje s ohrevom, na križovatke uzavretého okruhu sa objaví emf. Tak sa prejavuje ich závislosť a tepelná energia sa premieňa na elektrickú. Pre úplné pochopenie procesu vám odporúčam prečítať si náš návod, ako na to

Odolnosť kovov je spôsobená tým, že elektróny pohybujúce sa vo vodiči interagujú s iónmi kryštálovej mriežky a tým strácajú časť energie, ktorú získavajú v elektrickom poli.

Prax ukazuje, že odolnosť kovov závisí od teploty. Každú látku možno charakterizovať pre ňu konštantnou hodnotou, tzv teplotný koeficient odporu α. Tento koeficient sa rovná relatívnej zmene odporu vodiča pri jeho zahriatí o 1 K: α =

kde ρ 0 je rezistivita pri teplote T 0 = 273 K (0°C), ρ je rezistivita pri danej teplote T. Závislosť rezistivity kovového vodiča od teploty je teda vyjadrená lineárnou funkciou: ρ = p° (1+ aT).

Závislosť odporu od teploty vyjadruje rovnaká funkcia:

R = R° (1+ aT).

Teplotné koeficienty odporu čistých kovov sa od seba líšia pomerne málo a sú približne rovné 0,004 K -1. Zmena odporu vodičov so zmenou teploty vedie k tomu, že ich charakteristika prúdového napätia nie je lineárna. Toto je obzvlášť viditeľné v prípadoch, keď sa výrazne mení teplota vodičov, napríklad pri prevádzke žiarovky. Obrázok ukazuje jeho voltampérovú charakteristiku. Ako je zrejmé z obrázku, sila prúdu v tomto prípade nie je priamo úmerná napätiu. Nemali by sme si však myslieť, že tento záver je v rozpore s Ohmovým zákonom. Platí len závislosť formulovaná v Ohmovom zákone s neustálym odporom. Závislosť odporu kovových vodičov od teploty sa využíva v rôznych meracích a automatických zariadeniach. Najdôležitejšie z nich je odporový teplomer. Hlavnou časťou odporového teplomera je platinový drôt navinutý na keramickom ráme. Drôt je umiestnený v médiu, ktorého teplotu je potrebné určiť. Meraním odporu tohto drôtu a poznaním jeho odporu pri t 0 = 0 °C (t.j. R 0), vypočítajte teplotu média pomocou posledného vzorca.

Supravodivosť. Avšak až do konca 19. stor. nebolo možné skontrolovať, ako závisí odpor vodičov od teploty v oblasti veľmi nízkych teplôt. Až začiatkom 20. stor. Holandskému vedcovi G. Kamerlinghovi Onnesovi sa podarilo premeniť najťažšie kondenzovateľný plyn – hélium – do kvapalného skupenstva. Bod varu tekutého hélia je 4,2 K. To umožnilo zmerať odpor niektorých čistých kovov pri ich ochladzovaní na veľmi nízku teplotu.

V roku 1911 práca Kamerlingha Onnesa vyvrcholila veľkým objavom. Skúmaním odporu ortuti pri jej neustálom ochladzovaní zistil, že pri teplote 4,12 K odpor ortuti prudko klesol na nulu. Následne bol schopný pozorovať rovnaký jav v množstve iných kovov, keď boli ochladené na teploty blízke absolútnej nule. Jav úplnej straty elektrického odporu kovu pri určitej teplote sa nazýva supravodivosť.

Nie všetky materiály sa môžu stať supravodičmi, ale ich počet je dosť veľký. U mnohých z nich sa však zistilo, že majú vlastnosť, ktorá výrazne sťažuje ich využitie. Ukázalo sa, že pre väčšinu čistých kovov supravodivosť zmizne, keď sú v silnom magnetickom poli. Keď teda cez supravodič preteká významný prúd, vytvorí okolo seba magnetické pole a supravodivosť v ňom zanikne. Napriek tomu sa ukázalo, že táto prekážka je prekonateľná: zistilo sa, že niektoré zliatiny, napríklad niób a zirkónium, niób a titán atď., majú tú vlastnosť, že si zachovávajú svoju supravodivosť pri vysokých hodnotách prúdu. To umožnilo širšie využitie supravodivosti.

Elektrický odpor takmer všetkých materiálov závisí od teploty. Povaha tejto závislosti je pre rôzne materiály odlišná.

V kovoch, ktoré majú kryštalickú štruktúru, je voľná dráha elektrónov ako nosičov náboja obmedzená ich zrážkami s iónmi umiestnenými v uzloch kryštálovej mriežky. Pri zrážkach sa kinetická energia elektrónov prenáša do mriežky. Po každej zrážke elektróny pod vplyvom síl elektrického poľa opäť naberú rýchlosť a pri ďalších zrážkach odovzdajú získanú energiu iónom kryštálovej mriežky, čím sa zvýšia ich vibrácie, čo vedie k zvýšeniu teplota látky. Elektróny teda možno považovať za sprostredkovateľov pri premene elektrickej energie na tepelnú energiu. Zvýšenie teploty je sprevádzané zvýšením chaotického tepelného pohybu častíc hmoty, čo vedie k zvýšeniu počtu zrážok elektrónov s nimi a komplikuje usporiadaný pohyb elektrónov.

Pre väčšinu kovov v rámci prevádzkových teplôt odpor lineárne rastie

Kde A - rezistivita pri počiatočných a konečných teplotách;

- konštantný koeficient pre daný kov, nazývaný teplotný koeficient odporu (TCR);

T1 a T2 - počiatočné a konečné teploty.

Pre vodiče druhého typu vedie zvýšenie teploty k zvýšeniu ich ionizácie, preto je TCS tohto typu vodiča záporná.

Hodnoty odporu látok a ich TCS sú uvedené v referenčných knihách. Hodnoty odporu sa zvyčajne uvádzajú pri teplote +20 °C.

Odpor vodiča je daný

R2 = R1
(2.1.2)

Úloha 3 Príklad

Určte odpor medeného drôtu dvojvodičového prenosového vedenia pri + 20 ° C a + 40 ° C, ak prierez drôtu S =

120 mm a dĺžka trate = 10 km.

Riešenie

Pomocou referenčných tabuliek zistíme odpor medi pri + 20 °C a teplotnom koeficiente odporu :

= 0,0175 Ohm mm /m; = 0,004 stupňa .

Stanovme odpor drôtu pri T1 = +20 °C pomocou vzorca R = berúc do úvahy dĺžku predných a spätných vodičov vedenia:

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

Odolnosť vodičov zistíme pri teplote + 40°C pomocou vzorca (2.1.2)

R2 = 2,917 = 3,15 Ohm.

Cvičenie

Nadzemné trojvodičové vedenie dĺžky L je vyrobené z drôtu, ktorého značka je uvedená v tabuľke 2.1. Pomocou uvedeného príkladu je potrebné nájsť hodnotu označenú znakom „?“ a výberom možnosti s údajmi v ňom uvedenými z tabuľky 2.1.

Je potrebné poznamenať, že problém, na rozdiel od príkladu, zahŕňa výpočty týkajúce sa jedného vedenia. Pri značkách holých drôtov písmeno označuje materiál drôtu (A - hliník; M - meď) a číslo označuje prierez drôtu v mm .

Tabuľka 2.1

Štúdium tematického materiálu končí prácou s testami č. 2 (TOE-

ETM/PM” a č. 3 (TOE – ETM/IM)

Každá látka má svoj vlastný odpor. Okrem toho bude odpor závisieť od teploty vodiča. Overme si to vykonaním nasledujúceho experimentu.

Prejdeme prúd cez oceľovú špirálu. V obvode so špirálou zapájame ampérmeter do série. Ukáže nejakú hodnotu. Teraz budeme špirálu zahrievať v plameni plynového horáka. Aktuálna hodnota zobrazená ampérmetrom sa zníži. To znamená, že sila prúdu bude závisieť od teploty vodiča.

Zmena odporu v závislosti od teploty

Predpokladajme, že pri teplote 0 stupňov sa odpor vodiča rovná R0 a pri teplote t sa odpor rovná R, potom bude relatívna zmena odporu priamo úmerná zmene teploty t:

• (R-RO)/R=a*t.

V tomto vzorci je a koeficient úmernosti, ktorý sa tiež nazýva teplotný koeficient. Charakterizuje závislosť odporu látky od teploty.

Teplotný koeficient odporučíselne sa rovná relatívnej zmene odporu vodiča pri jeho zahriatí o 1 Kelvin.

Pre všetky kovy teplotný koeficient Nad nulou. Pri zmenách teploty sa mierne zmení. Preto, ak je zmena teploty malá, potom teplotný koeficient možno považovať za konštantný a rovný priemernej hodnote z tohto teplotného rozsahu.

Odpor roztokov elektrolytov klesá so zvyšujúcou sa teplotou. To znamená, že pre nich bude teplotný koeficient menej ako nula.

Odpor vodiča závisí od rezistivity vodiča a veľkosti vodiča. Keďže sa rozmery vodiča pri zahrievaní mierne menia, hlavnou zložkou zmeny odporu vodiča je rezistivita.

Závislosť odporu vodiča od teploty

Skúsme nájsť závislosť odporu vodiča od teploty.

Dosaďte hodnoty odporu R=p*l/S R0=p0*l/S do vzorca získaného vyššie.

Dostaneme nasledujúci vzorec:

• p=p0(1+a*t).

Táto závislosť je znázornená na nasledujúcom obrázku.

Pokúsme sa zistiť, prečo sa odpor zvyšuje

Keď zvýšime teplotu, zväčší sa amplitúda vibrácií iónov v uzloch kryštálovej mriežky. Preto sa s nimi budú častejšie zrážať voľné elektróny. Pri kolízii stratia smer pohybu. V dôsledku toho sa prúd zníži.