Điện trở suất tăng theo nhiệt độ. Điện trở thay đổi như thế nào theo nhiệt độ?

Một trong những đặc điểm của bất kỳ vật liệu dẫn điện nào là sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. Nếu nó được mô tả dưới dạng đồ thị trong đó các khoảng thời gian (t) được đánh dấu dọc theo trục hoành và giá trị của điện trở ohmic (R) dọc theo trục tung, thì sẽ thu được một đường đứt đoạn. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ theo sơ đồ bao gồm ba phần. Đầu tiên tương ứng với một sự nóng nhẹ - tại thời điểm này, điện trở thay đổi rất nhẹ. Điều này xảy ra cho đến một thời điểm nhất định, sau đó đường trên biểu đồ tăng mạnh - đây là phần thứ hai. Thành phần thứ ba và thành phần cuối cùng là một đường thẳng đi lên từ điểm mà tại đó sự tăng trưởng của R dừng lại, ở một góc tương đối nhỏ so với trục hoành.

Ý nghĩa vật lý của đồ thị này như sau: sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ của vật dẫn được mô tả đơn giản cho đến khi lượng gia nhiệt vượt quá một số giá trị đặc trưng của vật liệu cụ thể này. Hãy để chúng tôi đưa ra một ví dụ trừu tượng: nếu ở nhiệt độ + 10 ° C điện trở của một chất là 10 Ohm, thì lên đến 40 ° C giá trị của R thực tế sẽ không thay đổi, vẫn nằm trong sai số đo. Nhưng đã ở 41 ° C, điện trở sẽ tăng lên đến 70 ohms. Nếu sự gia tăng nhiệt độ tiếp tục không dừng lại, thì đối với mỗi độ tiếp theo sẽ có thêm 5 ohms.

Đặc tính này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện khác nhau, do đó, việc cung cấp dữ liệu về đồng là một trong những vật liệu phổ biến nhất ở giá trị cụ thể (có thể được tìm thấy trong các bảng tham chiếu, cho ở 20 ° C, chiều dài 1 m với tiết diện 1 mm vuông).

Khi xảy ra trong vật dẫn kim loại, xuất hiện dòng điện - chuyển động có hướng của các hạt cơ bản mang điện tích. Các ion nằm trong các nút của kim loại không có khả năng giữ các điện tử ở quỹ đạo ngoài của chúng trong một thời gian dài, do đó chúng chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của vật liệu từ nút này sang nút khác. Chuyển động hỗn loạn này là do năng lượng bên ngoài - nhiệt.

Mặc dù thực tế của chuyển động là hiển nhiên, nó không được định hướng, do đó nó không được coi là một dòng điện. Khi xuất hiện điện trường, các electron tự định hướng theo cấu hình của nó, tạo thành chuyển động có hướng. Nhưng vì hiệu ứng nhiệt không biến mất ở đâu, nên các hạt chuyển động ngẫu nhiên va chạm với trường hướng. Sự phụ thuộc của điện trở của kim loại vào nhiệt độ cho thấy mức độ cản trở dòng điện đi qua. Nhiệt độ càng cao thì R của vật dẫn càng cao.

Kết luận rõ ràng: bằng cách giảm mức độ sưởi ấm, bạn có thể giảm điện trở. (khoảng 20 ° K) được đặc trưng chính xác bởi sự giảm đáng kể chuyển động hỗn loạn nhiệt của các hạt trong cấu trúc của vật chất.

Tính chất được coi là của vật liệu dẫn điện đã được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện. Ví dụ, sự phụ thuộc của điện trở dây dẫn vào nhiệt độ được sử dụng trong cảm biến điện tử. Biết giá trị của nó đối với bất kỳ vật liệu nào, bạn có thể chế tạo một điện trở nhiệt, kết nối nó với thiết bị đọc kỹ thuật số hoặc tương tự, thực hiện phân chia tỷ lệ thích hợp và sử dụng như một sự thay thế. Hầu hết các cảm biến nhiệt độ hiện đại đều dựa trên nguyên tắc này, vì độ tin cậy cao hơn, và thiết kế đơn giản hơn.

Ngoài ra, sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ làm cho nó có thể tính toán sự phát nóng của cuộn dây động cơ điện.

Các hạt dẫn điện (phân tử, nguyên tử, ion) không tham gia tạo thành dòng điện thì chuyển động nhiệt, các hạt tạo thành dòng điện đồng thời chuyển động nhiệt và có hướng dưới tác dụng của điện trường. Do đó, nhiều va chạm xảy ra giữa các hạt tạo thành dòng điện và các hạt không tham gia vào quá trình hình thành của nó, trong đó hạt trước nhường một phần năng lượng của nguồn dòng điện do chúng truyền cho hạt sau. Càng nhiều va chạm, tốc độ chuyển động có trật tự của các hạt tạo thành dòng điện càng giảm. Như có thể thấy từ công thức I = enνS, giảm tốc độ dẫn đến giảm cường độ hiện tại. Đại lượng vô hướng đặc trưng cho tính chất của vật dẫn làm giảm cường độ dòng điện được gọi là điện trở dẫn. Từ công thức định luật Ôm Ohm - điện trở của vật dẫn, trong đó dòng điện thu được với lực 1 aở hiệu điện thế ở hai đầu dây dẫn bằng 1 v.

Điện trở của một vật dẫn phụ thuộc vào chiều dài l, tiết diện S và vật liệu của nó, được đặc trưng bởi điện trở suất Dây dẫn càng dài thì va chạm của các hạt tạo thành dòng điện với các hạt không tham gia vào sự hình thành của nó càng nhiều trong một đơn vị thời gian, và do đó điện trở của dây dẫn càng lớn. Tiết diện của vật dẫn càng nhỏ thì dòng điện tạo thành dòng điện càng dày đặc và chúng càng thường xuyên va chạm với các hạt không tham gia vào quá trình hình thành của nó, và do đó điện trở của vật dẫn càng lớn.

Dưới tác dụng của điện trường, các hạt tạo thành dòng điện chuyển động với tốc độ gia tốc giữa các va chạm, động năng của chúng tăng lên do năng lượng của trường. Khi va chạm với các hạt không tạo thành dòng điện thì chúng truyền một phần động năng cho chúng. Kết quả là, năng lượng bên trong của vật dẫn tăng lên, biểu hiện ra bên ngoài khi nó nóng lên. Xem xét điện trở của dây dẫn có thay đổi khi nó bị đốt nóng hay không.

Trong mạch điện có một cuộn dây bằng thép (dây, hình 81, a). Sau khi đóng mạch, chúng tôi sẽ bắt đầu làm nóng dây. Ta càng đun nóng thì dòng điện của ampe kế càng giảm. Sự giảm của nó xuất phát từ thực tế là khi kim loại bị nung nóng, điện trở của chúng tăng lên. Vậy, điện trở của một sợi tóc bóng đèn khi nó không sáng có giá trị xấp xỉ 20 ohm, và khi nó cháy (2900 ° C) - 260 ohm. Khi một kim loại bị nung nóng, chuyển động nhiệt của các electron và tốc độ dao động của các ion trong mạng tinh thể tăng lên, do đó số lượng va chạm của các electron tạo thành dòng điện với các ion tăng lên. Điều này làm tăng điện trở của dây dẫn *. Trong kim loại, các electron không tự do liên kết rất mạnh với các ion, do đó, khi đốt nóng kim loại, số electron tự do thực tế không thay đổi.

* (Dựa trên lý thuyết điện tử, không thể suy ra định luật chính xác về sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ. Định luật như vậy được thiết lập bởi lý thuyết lượng tử, trong đó một điện tử được coi là hạt có tính chất sóng, và chuyển động của điện tử dẫn qua kim loại được coi là quá trình lan truyền của sóng điện tử, độ dài của nó được xác định bởi quan hệ de Broglie.)

Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ của vật dẫn từ các chất khác nhau thay đổi cùng một số độ thì điện trở của chúng thay đổi không bằng nhau. Ví dụ, nếu một dây dẫn đồng có điện trở 1 ohm, sau đó sau khi làm nóng 1 ° С anh ấy sẽ chống lại 1,004 ohm, và vonfram - 1,005 ohm.Để mô tả sự phụ thuộc của điện trở của vật dẫn vào nhiệt độ của nó, người ta đã đưa ra đại lượng gọi là hệ số nhiệt độ của điện trở. Giá trị vô hướng được đo bằng sự thay đổi điện trở của một vật dẫn là 1 ohm, lấy ở 0 ° C, từ sự thay đổi nhiệt độ của nó 1 ° C, được gọi là hệ số nhiệt độ của điện trở α. Vì vậy, đối với vonfram, hệ số này bằng 0,005 độ -1, đối với đồng - 0,004 độ -1. Hệ số nhiệt độ của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Đối với kim loại, nó ít thay đổi theo nhiệt độ. Với một khoảng nhiệt độ nhỏ, nó được coi là không đổi đối với một vật liệu nhất định.

Chúng tôi suy ra công thức tính điện trở của vật dẫn có tính đến nhiệt độ của nó. Hãy giả sử rằng R0- điện trở dây dẫn ở 0 ° С, khi được làm nóng đến 1 ° С nó sẽ tăng lên αR 0, và khi được làm nóng đến t °- trên αRt ° và trở thành R = R 0 + αR 0 t °, hoặc

Sự phụ thuộc của điện trở của kim loại vào nhiệt độ được tính đến, ví dụ, trong sản xuất dây xoắn ốc cho lò sưởi điện, đèn: chiều dài của dây xoắn ốc và cường độ dòng điện cho phép được tính toán từ điện trở của chúng ở trạng thái nung nóng. Sự phụ thuộc của điện trở của kim loại vào nhiệt độ được sử dụng trong nhiệt kế điện trở, được sử dụng để đo nhiệt độ của động cơ nhiệt, tuabin khí, kim loại trong lò cao, v.v. Nhiệt kế này bao gồm một dây quấn xoắn ốc bằng bạch kim mỏng (niken, sắt). trên khung sứ và đặt vào hộp bảo vệ. Các đầu của nó được nối với một mạch điện bằng một ampe kế, thang đo được chia độ bằng nhiệt độ. Khi đốt nóng vòng xoắn, cường độ dòng điện trong mạch giảm, kim ampe kế chuyển động, kim chỉ nhiệt độ.

Biến thiên của điện trở của một đoạn mạch nhất định được gọi là độ dẫn điện của dây dẫn(tinh dân điện). Độ dẫn điện của vật dẫn điện của vật dẫn điện càng lớn thì điện trở của nó càng giảm và nó dẫn dòng điện càng tốt. Tên của đơn vị dẫn điện Độ dẫn điện trở của dây dẫn 1 ohm gọi là Siemens.

Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại giảm. Nhưng có những kim loại và hợp kim, điện trở của chúng, ở nhiệt độ thấp được xác định cho từng kim loại và hợp kim, giảm mạnh và trở nên nhỏ dần - thực tế bằng không (Hình 81, b). Đang tới siêu dẫn- vật dẫn thực tế không có điện trở, và một khi dòng điện được kích thích trong nó tồn tại trong một thời gian dài, trong khi vật dẫn ở nhiệt độ siêu dẫn (trong một thí nghiệm, dòng điện đã được quan sát trong hơn một năm). Khi cho dòng điện chạy qua chất siêu dẫn có mật độ 1200 a / mm 2 không có sự giải phóng nhiệt được quan sát thấy. Các kim loại hóa trị một, là chất dẫn điện tốt nhất hiện nay, không chuyển sang trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cực thấp mà tại đó các thí nghiệm được thực hiện. Ví dụ, trong các thí nghiệm này, đồng được làm nguội để 0,0156 ° K, vàng - trước đây 0,0204 ° K. Nếu có thể thu được các hợp kim có tính siêu dẫn ở nhiệt độ bình thường, thì điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với kỹ thuật điện.

Theo quan niệm hiện đại, nguyên nhân chính của hiện tượng siêu dẫn là do sự hình thành các cặp electron liên kết. Ở nhiệt độ siêu dẫn, lực trao đổi bắt đầu tác động giữa các electron tự do, làm cho các electron hình thành các cặp electron liên kết. Khí electron của các cặp electron liên kết như vậy có các tính chất khác với khí electron thông thường - nó chuyển động trong chất siêu dẫn mà không có ma sát trên các nút của mạng tinh thể.

Điện trở của hầu hết tất cả các vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Bản chất của sự phụ thuộc này là khác nhau đối với các vật liệu khác nhau.

Trong các kim loại có cấu trúc tinh thể, con đường tự do của các electron với tư cách là hạt tải điện bị giới hạn bởi sự va chạm của chúng với các ion nằm ở các nút của mạng tinh thể. Trong va chạm, động năng của các electron được chuyển cho mạng tinh thể. Sau mỗi va chạm, các electron, dưới tác dụng của lực điện trường, lại tăng tốc độ và trong các va chạm tiếp theo, cung cấp năng lượng thu được cho các ion của mạng tinh thể, làm tăng dao động của chúng, dẫn đến tăng nhiệt độ của môi chất. Như vậy, có thể coi điện tử là vật trung gian trong quá trình chuyển hóa năng lượng điện thành nhiệt năng. Sự gia tăng nhiệt độ đi kèm với sự gia tăng chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt vật chất, làm tăng số lần va chạm của các electron với chúng và gây khó khăn cho sự chuyển động có trật tự của các electron.

Đối với hầu hết các kim loại, trong nhiệt độ hoạt động, điện trở suất tăng tuyến tính

ở đâu và - điện trở suất ở nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng;

- một hằng số hệ số đối với một kim loại nhất định, được gọi là hệ số nhiệt độ của điện trở (TCS);

T1 và T2 - nhiệt độ ban đầu và cuối cùng.

Đối với dây dẫn loại thứ hai, nhiệt độ tăng dẫn đến sự tăng ion hóa của chúng, do đó TCR của loại dây dẫn này là âm.

Giá trị điện trở suất của các chất và TCS của chúng được cho trong sách tham khảo. Thông thường để cung cấp các giá trị điện trở suất ở nhiệt độ +20 ° C.

Điện trở của vật dẫn được xác định bằng biểu thức

R2 = R1
(2.1.2)

Ví dụ về Task 3

Xác định điện trở của dây đồng của đường dây tải điện hai dây ở nhiệt độ + 20 ° C và + 40 ° C, nếu tiết diện của dây dẫn S =

120 mm , và chiều dài của đoạn thẳng là l = 10 km.

Dung dịch

Theo các bảng tham chiếu, chúng tôi tìm thấy điện trở suất đồng ở + 20 ° C và hệ số nhiệt độ của điện trở :

= 0,0175 ohm mm / m; = 0,004 độ .

Hãy xác định điện trở của dây tại T1 = +20 ° С theo công thức R = , xét chiều dài của dây thuận và dây ngược của đường dây:

R1 = 0,0175
2 = 2,917 ôm.

Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ + 40 ° C được tìm theo công thức (2.1.2)

R2 \ u003d 2.917 \ u003d 3,15 ohms.

Tập thể dục

Một đường dây ba dây phía trên có chiều dài L được làm bằng một dây dẫn, nhãn hiệu của dây dẫn được cho trong bảng 2.1. Cần phải tìm giá trị được chỉ ra bởi dấu "?", Sử dụng ví dụ đã cho và chọn tùy chọn từ bảng 2.1 với dữ liệu được chỉ ra trong đó.

Cần lưu ý rằng nhiệm vụ, không giống như ví dụ, cung cấp cho các tính toán liên quan đến một dây của đường dây. Trong các nhãn hiệu của dây trần, chữ cái cho biết chất liệu của dây (A - nhôm; M - đồng) và số - tiết diện của dây trong mm .

Bảng 2.1

Nghiên cứu tài liệu của chủ đề kết thúc với công việc với các thử nghiệm số 2 (TOE-

ETM / PM ”và số 3 (TOE - ETM / IM)

Ở những kim loại không có tính siêu dẫn, ở nhiệt độ thấp, do có lẫn tạp chất, người ta quan sát thấy một vùng 1 - diện tích của điện trở dư, gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ (Hình 10.5). Kháng dư- r nghỉ ngơi càng ít, kim loại càng tinh khiết.

Cơm. 10,5. Sự phụ thuộc của điện trở suất kim loại vào nhiệt độ

Điện trở suất tăng nhanh ở nhiệt độ thấp xuống đến nhiệt độ Debye Q dcó thể được giải thích bằng sự kích thích các tần số mới của dao động nhiệt của mạng tinh thể, tại đó xảy ra sự tán xạ của các hạt tải điện - vùng 2 .

Tại T> Q d, khi phổ dao động được kích thích hoàn toàn, biên độ dao động tăng khi nhiệt độ tăng dẫn đến cảm kháng tăng tuyến tính đến xấp xỉ T làm ơn - diện tích 3 . Nếu tính tuần hoàn của cấu trúc bị vi phạm, điện tử bị tán xạ, dẫn đến sự thay đổi hướng chuyển động, các đường đi tự do trung bình hữu hạn và độ dẫn điện của kim loại. Năng lượng của các electron dẫn trong kim loại là 3–15 eV, ứng với bước sóng 3–7 Å. Do đó, bất kỳ vi phạm nào về tính tuần hoàn do tạp chất, khuyết tật, bề mặt của tinh thể hoặc dao động nhiệt của các nguyên tử (phonon) đều gây ra sự gia tăng điện trở suất của kim loại.

Hãy chi tiêu phân tích định tính sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở suất của kim loại. Khí electron trong kim loại bị suy giảm và cơ chế chính của sự tán xạ electron ở nhiệt độ cao là sự tán xạ bởi các phonon.

Tạinhiệt độ giảm xuống độ không tuyệt đối, điện trở của kim loại bình thường có xu hướng không đổi- sức đề kháng còn lại. Một ngoại lệ đối với quy tắc này là các kim loại và hợp kim siêu dẫn, trong đó điện trở biến mất dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định. T sv (nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn).

Khi nhiệt độ tăng, độ lệch của điện trở suất từ ​​phụ thuộc tuyến tính đối với hầu hết các kim loại xảy ra gần điểm nóng chảy T làm ơn Một số sai lệch so với sự phụ thuộc tuyến tính có thể được quan sát thấy trong kim loại sắt từ, trong đó có sự tán xạ bổ sung của các điện tử do vi phạm trật tự spin.

Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy và chuyển sang trạng thái lỏng, hầu hết các kim loại đều cảm thấy điện trở suất tăng mạnh và một số giảm điện trở suất. Nếu sự nóng chảy của một kim loại hoặc hợp kim đi kèm với sự tăng thể tích, thì điện trở suất tăng theo hệ số từ hai đến bốn (ví dụ, đối với thủy ngân, hệ số 4).

Trong kim loại, thể tích giảm trong quá trình nóng chảy, ngược lại, điện trở suất giảm (đối với gali giảm 53%, antimon -29% và bitmut -54%). Sự bất thường như vậy có thể được giải thích bởi sự gia tăng mật độ và môđun nén trong quá trình chuyển đổi của các kim loại này từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Đối với một số kim loại (lỏng) nóng chảy, điện trở suất không ngừng tăng khi nhiệt độ tăng ở một thể tích không đổi, ở những người khác, nó phát triển chậm hơn ở trạng thái rắn. Những dị thường như vậy, rõ ràng, có thể liên quan đến hiện tượng rối loạn mạng tinh thể, xảy ra khác nhau ở các kim loại khác nhau trong quá trình chúng chuyển từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác.

Một đặc tính quan trọng của kim loại là hệ số nhiệt độ điện trở suất, hiển thị sự thay đổi tương đối của điện trở suất đối với sự thay đổi nhiệt độ một Kelvin (độ)

a-r- dương khi điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Rõ ràng là giá trị một r cũng là một hàm của nhiệt độ. Trong khu vực 3 phụ thuộc tuyến tính r ( T) (xem hình 10.3) quan hệ được thỏa mãn:

trong đó r 0 và r - điện trở suất và hệ số nhiệt độ của điện trở suất ở nhiệt độT 0 và r - điện trở suất ở nhiệt độT. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng đối với hầu hết các kim loại một r ở nhiệt độ phòng khoảng 0,004 Đến-1. Đối với kim loại sắt từ, giá trị a r có phần cao hơn.

Điện trở suất còn lại của kim loại . Như đã đề cập ở trên, điện trở của các kim loại bình thường có xu hướng đến một giá trị không đổi - điện trở dư, khi nhiệt độ giảm đến không tuyệt đối. Trong các kim loại bình thường (không phải chất siêu dẫn), điện trở dư phát sinh do sự tán xạ của các điện tử dẫn bởi các khuyết tật tĩnh

Độ tinh khiết và độ hoàn hảo tổng thể của một dây dẫn kim loại có thể được xác định bằng tỷ lệ điện trở r = R 273 /R 4,2 K. Đối với đồng độ tinh khiết 99,999 tiêu chuẩn, tỷ lệ này là 1000. Hơn giá trị r có thể đạt được bằng cách nấu lại vùng bổ sung và chuẩn bị mẫu ở dạng đơn tinh thể.

Vật liệu thí nghiệm rộng rãi chứa nhiều dữ liệu về phép đo điện trở trong kim loại, gây ra bởi sự hiện diện của các tạp chất trong chúng. Có thể ghi nhận những thay đổi đặc trưng nhất sau đây của kim loại do hợp kim gây ra. Đầu tiên, ngoài nhiễu phonon, tạp chất là sự vi phạm cục bộ tính lý tưởng của mạng tinh thể, hoàn hảo ở mọi khía cạnh khác. Thứ hai, pha tạp ảnh hưởng đến cấu trúc dải bằng cách dịch chuyển năng lượng Fermi và thay đổi mật độ của trạng thái và khối lượng hiệu dụng, tức là các thông số quyết định một phần điện trở lý tưởng của kim loại. Thứ ba, pha tạp có thể thay đổi các hằng số đàn hồi và do đó, phổ dao động của mạng tinh thể, ảnh hưởng đến điện trở lý tưởng.

Tổng điện trở suất dẫn ở nhiệt độ trên 0K, tổng điện trở dư tôi nghỉ ngơi và điện trở suất do sự tán xạ dao động nhiệt của mạng tinh thể - r T

Mối quan hệ này được gọi là quy tắc của Mathyssen về độ nhạy của điện trở suất. Tuy nhiên, thông thường, những sai lệch đáng kể so với quy tắc Mathyssen được quan sát thấy, và một số sai lệch này có thể không có lợi cho khả năng áp dụng của các yếu tố chính ảnh hưởng đến điện trở của kim loại khi tạp chất được đưa vào chúng. Tuy nhiên, yếu tố thứ hai và thứ ba được lưu ý ở đầu phần này cũng đóng góp đáng kể. Tuy nhiên, yếu tố đầu tiên có ảnh hưởng mạnh hơn đến khả năng kháng của dung dịch rắn loãng.

Thay đổi điện trở dư 1 at. % tạp chất đối với kim loại hóa trị một có thể được tìm thấy theo quy tắc Linde, theo đó

ở đâu một và b- hằng số phụ thuộc vào bản chất của kim loại và chu kỳ mà nguyên tử tạp chất chiếm trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố;Δ Ζ - sự khác biệt giữa các hóa trị của kim loại dung môi và nguyên tử tạp chất. Mối quan tâm thực tế đáng kể là các tính toán về lực cản do các khoảng trống và các nguyên tử xen kẽ. Các khuyết tật như vậy dễ dàng phát sinh khi một mẫu được chiếu xạ bằng các hạt năng lượng cao, ví dụ, neutron từ lò phản ứng hoặc các ion từ máy gia tốc.

Trong thực tế của mình, mỗi thợ điện đều gặp phải những điều kiện khác nhau đối với sự di chuyển của các hạt tải điện trong kim loại, chất bán dẫn, chất khí và chất lỏng. Cường độ dòng điện bị ảnh hưởng bởi điện trở, biến đổi theo nhiều cách khác nhau dưới tác động của môi trường.

Một trong những yếu tố này là ảnh hưởng của nhiệt độ. Vì nó làm thay đổi đáng kể các điều kiện đối với dòng điện, nó được các nhà thiết kế tính đến trong quá trình sản xuất thiết bị điện. Nhân viên điện liên quan đến bảo trì và vận hành hệ thống lắp đặt điện phải sử dụng thành thạo các tính năng này trong công việc thực tế.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng chịu điện của kim loại

Trong một khóa học vật lý ở trường, người ta đề xuất tiến hành một thí nghiệm như vậy: lấy một ampe kế, một pin, một đoạn dây dẫn, các dây nối và một cái đốt. Thay vì một ampe kế có pin, bạn có thể kết nối với một ampe kế hoặc sử dụng chế độ của nó trong đồng hồ vạn năng.

Bây giờ chúng ta đưa ngọn lửa của đầu đốt vào dây dẫn và bắt đầu đốt nóng nó. Nếu bạn nhìn vào ampe kế, bạn sẽ thấy rằng mũi tên sẽ di chuyển sang trái và đến vị trí được đánh dấu màu đỏ.

Kết quả của thí nghiệm chứng tỏ rằng khi nung nóng các kim loại thì độ dẫn điện của chúng giảm đi và điện trở tăng.

Sự biện minh toán học cho hiện tượng này được đưa ra bởi các công thức ngay trong hình. Biểu thức dưới đây cho thấy rõ ràng rằng điện trở "R" của một dây dẫn kim loại tỷ lệ thuận với nhiệt độ "T" của nó và phụ thuộc vào một số tham số nữa.

Làm thế nào để nung nóng kim loại hạn chế dòng điện trong thực tế

Đèn sợi đốt

Hàng ngày, khi bật đèn, chúng ta gặp biểu hiện của tính chất này ở đèn sợi đốt. Chúng tôi sẽ thực hiện các phép đo đơn giản trên một bóng đèn có công suất 60 watt.

Với ohm kế đơn giản nhất, được cấp nguồn bằng pin điện áp thấp 4,5 V, chúng tôi đo điện trở giữa các tiếp điểm cơ bản và thấy giá trị là 59 ohms. Giá trị này được sở hữu bởi một dây tóc ở trạng thái lạnh.

Chúng tôi vặn bóng đèn vào hộp mực và thông qua ampe kế, chúng tôi kết nối điện áp của mạng gia đình là 220 vôn với nó. Kim của ampe kế sẽ chỉ 0,273 ampe. Hãy xác định điện trở của dây tóc ở trạng thái bị nung nóng. Nó sẽ là 896 ohms và sẽ vượt quá số đọc ohmmeter trước đó 15,2 lần.

Sự dư thừa như vậy bảo vệ kim loại của thân nhiệt khỏi bị đốt cháy và phá hủy, đảm bảo hoạt động lâu dài của nó dưới điện áp.

Bật tính năng chuyển tiếp

Khi dây tóc hoạt động, sự cân bằng nhiệt được tạo ra trên nó giữa việc đốt nóng do dòng điện chạy qua và việc loại bỏ một phần nhiệt ra môi trường. Tuy nhiên, ở giai đoạn bật ban đầu, khi điện áp được áp dụng, quá độ xảy ra tạo ra dòng khởi động, có thể dẫn đến cháy dây tóc.

Quá trình quá độ xảy ra trong thời gian ngắn và nguyên nhân là do tốc độ tăng điện trở do nung nóng kim loại không theo kịp tốc độ tăng của dòng điện. Sau khi hoàn thành, chế độ hoạt động được thiết lập.

Trong thời gian dài phát sáng của đèn, độ dày của dây tóc của nó dần dần đạt đến trạng thái tới hạn, dẫn đến cháy sáng. Thông thường, khoảnh khắc này xảy ra ở lần đưa vào mới tiếp theo.

Để kéo dài tuổi thọ của đèn, dòng điện khởi động này được giảm theo nhiều cách khác nhau, sử dụng:

1. các thiết bị cung cấp cung cấp trơn tru và loại bỏ điện áp;

2. mạch điện để mắc nối tiếp điện trở, bán dẫn hoặc nhiệt điện trở (nhiệt điện trở) vào dây tóc.

Ví dụ về một trong những cách hạn chế dòng điện khởi động cho đèn ô tô được thể hiện trong hình bên dưới.

Ở đây, dòng điện được cung cấp cho bóng đèn sau khi bật công tắc bật tắt SA qua cầu chì FU và được giới hạn bởi điện trở R, giá trị của nó được chọn sao cho dòng điện trong quá trình quá độ không vượt quá giá trị danh định.

Khi dây tóc bị đốt nóng, điện trở của nó tăng lên, làm tăng hiệu điện thế giữa các tiếp điểm của nó và cuộn dây mắc song song của rơle KL1. Khi điện áp đạt đến cài đặt rơ le, tiếp điểm thường mở KL1 đóng và đóng điện trở. Dòng điện hoạt động của chế độ đã được thiết lập sẽ bắt đầu chạy qua bóng đèn.

Ảnh hưởng của nhiệt độ kim loại đến điện trở của nó được sử dụng trong hoạt động của các dụng cụ đo lường. Họ được gọi là .

Phần tử nhạy cảm của chúng được làm bằng một dây kim loại mỏng, điện trở của chúng được đo cẩn thận ở nhiệt độ nhất định. Sợi chỉ này được gắn trong vỏ có đặc tính nhiệt ổn định và được bao phủ bởi lớp vỏ bảo vệ. Cấu trúc được tạo ra được đặt trong một môi trường có nhiệt độ phải được theo dõi liên tục.

Các dây dẫn của mạch điện được gắn trên các đầu cực của phần tử nhạy cảm, với mạch đo điện trở được kết nối với nhau. Giá trị của nó được chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ dựa trên hiệu chuẩn thiết bị đã thực hiện trước đó.

Baretter - bộ ổn định dòng điện

Đây là tên của một thiết bị bao gồm một hình trụ kín bằng thủy tinh chứa khí hydro và một dây kim loại xoắn ốc làm bằng sắt, vonfram hoặc bạch kim. Thiết kế này giống bóng đèn sợi đốt về ngoại hình, nhưng nó có đặc tính phi tuyến tính vôn-ampe cụ thể.

Trên CVC, trong một phạm vi nhất định, một vùng làm việc được hình thành, vùng làm việc này không phụ thuộc vào sự dao động của điện áp đặt vào thân sưởi. Trong phần này, bộ đổi hàng sẽ bù đắp tốt cho các gợn sóng điện và hoạt động như một bộ ổn định dòng điện trên một tải mắc nối tiếp với nó.

Hoạt động của đổi hàng dựa trên tính chất quán tính nhiệt của dây tóc, được cung cấp bởi tiết diện nhỏ của dây tóc và tính dẫn nhiệt cao của hydro xung quanh nó. Do đó, khi điện áp trên thiết bị giảm, quá trình thoát nhiệt khỏi ren của thiết bị được tăng tốc.

Đây là sự khác biệt chính giữa đèn chiếu sáng đổi hàng và đèn sợi đốt, trong đó, để duy trì độ sáng của đèn phát sáng, chúng tìm cách giảm tổn thất nhiệt đối lưu từ dây tóc.

Siêu dẫn

Ở điều kiện môi trường bình thường, khi làm nguội vật dẫn điện bằng kim loại thì điện trở của vật dẫn điện giảm đi.

Khi đạt đến nhiệt độ tới hạn, gần bằng 0 độ theo hệ thống đo lường Kelvin, thì điện trở sẽ giảm mạnh về 0. Hình bên phải cho thấy sự phụ thuộc như vậy đối với thủy ngân.

Hiện tượng này, được gọi là hiện tượng siêu dẫn, được coi là một lĩnh vực đầy hứa hẹn để nghiên cứu nhằm tạo ra các vật liệu có thể giảm đáng kể sự mất mát điện năng trong quá trình truyền tải của nó trên một khoảng cách xa.

Tuy nhiên, các nghiên cứu liên tục về hiện tượng siêu dẫn đã tiết lộ một số điểm bất thường khi các yếu tố khác ảnh hưởng đến điện trở của kim loại nằm trong vùng nhiệt độ tới hạn. Đặc biệt, trong quá trình dòng điện xoay chiều chạy qua có tần số dao động của nó tăng lên thì xuất hiện cảm kháng, giá trị của nó đạt khoảng giá trị thông thường đối với sóng hài có chu kỳ là sóng ánh sáng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở / độ dẫn điện của chất khí

Các chất khí và không khí thông thường là chất điện môi và không dẫn điện. Đối với sự hình thành của nó, cần có các hạt tải điện, là các ion được hình thành do các yếu tố bên ngoài.

Sự gia nhiệt có thể gây ra sự ion hóa và chuyển động của các ion từ cực này sang cực khác của môi trường. Điều này có thể được xác minh bằng một thí nghiệm đơn giản. Hãy lấy cùng một thiết bị đã được sử dụng để xác định ảnh hưởng của sự đốt nóng đến điện trở của một dây dẫn kim loại, chỉ thay vì một dây dẫn, chúng ta nối hai tấm kim loại cách nhau không gian vào dây dẫn.

Một ampe kế được kết nối với mạch sẽ chỉ ra sự vắng mặt của dòng điện. Nếu một ngọn lửa đốt được đặt giữa các tấm, mũi tên của thiết bị sẽ lệch khỏi 0 và hiển thị giá trị của dòng điện đi qua môi trường khí.

Do đó, người ta đã xác định được rằng quá trình ion hóa xảy ra trong chất khí trong quá trình đốt nóng, dẫn đến chuyển động của các hạt mang điện và làm giảm điện trở của môi trường.

Giá trị hiện tại bị ảnh hưởng bởi công suất của nguồn điện áp đặt bên ngoài và hiệu điện thế giữa các tiếp điểm của nó. Nó có khả năng phá vỡ lớp cách điện của khí ở giá trị cao. Một biểu hiện đặc trưng của trường hợp như vậy trong tự nhiên là sự phóng điện tự nhiên của sét trong một cơn giông.

Hình vẽ gần đúng về đặc tính dòng điện-điện áp của dòng điện chạy trong chất khí được thể hiện trong đồ thị.

Ở giai đoạn ban đầu, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và chênh lệch điện thế, sự gia tăng ion hóa và dòng điện đi qua xấp xỉ theo một quy luật tuyến tính được quan sát thấy. Khi đó, đường cong trở thành nằm ngang khi sự tăng điện áp không gây ra sự gia tăng dòng điện.

Giai đoạn thứ ba của sự phân hủy xảy ra khi năng lượng cao của trường tác dụng làm tăng tốc các ion để chúng bắt đầu va chạm với các phân tử trung hòa, ồ ạt hình thành các hạt mang điện tích mới từ chúng. Kết quả là dòng điện tăng mạnh, hình thành sự đánh thủng lớp điện môi.

Ứng dụng thực tế của sự dẫn điện của chất khí

Hiện tượng dòng điện chạy qua chất khí được dùng trong đèn điện tử và đèn huỳnh quang.

Để thực hiện điều này, người ta đặt hai điện cực vào bên trong một ống trụ thủy tinh kín có chứa khí trơ:

1. cực dương;

2. cực âm.

Trong bóng đèn huỳnh quang, chúng được tạo ra dưới dạng các dây tóc, được đốt nóng khi bật lên để tạo ra sự phát xạ nhiệt. Bề mặt bên trong của bình được bao phủ bởi một lớp phosphor. Nó phát ra quang phổ ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy, được hình thành bởi bức xạ hồng ngoại đến từ hơi thủy ngân bị bắn phá bởi một dòng electron.

Dòng phóng điện trong chất khí xảy ra khi đặt một hiệu điện thế có giá trị nhất định giữa các điện cực đặt ở hai đầu bóng đèn khác nhau.

Khi một trong các dây tóc cháy hết, thì sự phát xạ điện tử sẽ bị xáo trộn trên điện cực này và đèn sẽ không cháy. Tuy nhiên, nếu hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương tăng lên, thì hiện tượng phóng điện sẽ lại xảy ra bên trong bóng đèn và sự phát sáng của phốt pho sẽ tiếp tục.

Điều này cho phép bạn sử dụng bóng đèn LED có dây tóc bị hỏng và kéo dài tuổi thọ của chúng. Chỉ cần lưu ý rằng trong trường hợp này, cần phải tăng điện áp trên nó nhiều lần, và điều này làm tăng đáng kể điện năng tiêu thụ và rủi ro khi sử dụng an toàn.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của chất lỏng

Dòng điện trong chất lỏng được tạo ra chủ yếu do sự chuyển động của các cation và anion dưới tác dụng của điện trường tác dụng bên ngoài. Chỉ một phần nhỏ độ dẫn điện được cung cấp bởi các electron.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến giá trị của điện trở của chất điện phân lỏng được mô tả bằng công thức thể hiện trong hình. Vì giá trị của hệ số nhiệt độ α trong nó luôn âm, khi tăng nhiệt độ dẫn điện tăng, và điện trở giảm như hình bên.

Hiện tượng này phải được tính đến khi sạc pin ô tô (và không chỉ) chất lỏng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của chất bán dẫn

Việc thay đổi các đặc tính của vật liệu bán dẫn dưới tác động của nhiệt độ khiến chúng ta có thể sử dụng chúng như:

cách nhiệt;

nguyên tố nhiệt;

tủ lạnh;

máy sưởi.

Thermistors

Tên này đề cập đến các thiết bị bán dẫn thay đổi điện trở của chúng dưới tác động của nhiệt. Chúng cao hơn nhiều so với kim loại.

Giá trị TCR cho chất bán dẫn có thể dương hoặc âm. Theo thông số này, chúng được chia thành nhiệt điện trở "RTS" dương và "NTC" âm. Chúng có những đặc điểm khác nhau.

Đối với hoạt động của điện trở nhiệt, một trong những điểm trên đặc tính điện áp hiện tại của nó được chọn:

phần tuyến tính được sử dụng để điều khiển nhiệt độ hoặc bù cho dòng điện hoặc điện áp thay đổi;

nhánh giảm dần của CVC cho các phần tử có TCS

Việc sử dụng một nhiệt điện trở rơle thuận tiện cho việc theo dõi hoặc đo lường các quá trình bức xạ điện từ xảy ra ở tần số vi ba. Điều này đảm bảo việc sử dụng chúng trong các hệ thống:

1. kiểm soát nhiệt;

2. báo cháy;

3. kiểm soát dòng chảy của phương tiện số lượng lớn và chất lỏng.

Các nhiệt điện trở silicon có TCR nhỏ> 0 được sử dụng trong các hệ thống làm mát và ổn định nhiệt độ của các bóng bán dẫn.

nguyên tố nhiệt

Các chất bán dẫn này hoạt động dựa trên cơ sở của hiện tượng Seebeck: khi nơi hàn của hai kim loại khác nhau được đốt nóng, một emf phát sinh tại chỗ nối của một mạch kín. Bằng cách này, chúng chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng.

Thiết kế của hai phần tử như vậy được gọi là cặp nhiệt điện. Hiệu suất của nó nằm trong khoảng 7 ÷ 10%.

Nhiệt lượng được sử dụng trong đồng hồ đo nhiệt độ của các thiết bị điện toán kỹ thuật số yêu cầu kích thước thu nhỏ và độ chính xác cao của số đọc, cũng như các nguồn dòng điện công suất thấp.

Máy sưởi bán dẫn và tủ lạnh

Chúng hoạt động bằng cách tái sử dụng các cặp nhiệt điện mà dòng điện chạy qua. Trong trường hợp này, ở một nơi của đường giao nhau, nó được làm nóng, và ở nơi đối diện, nó được làm mát.

Các mối nối bán dẫn dựa trên selen, bitmut, antimon, tellurium làm cho nó có thể cung cấp sự chênh lệch nhiệt độ trong nhiệt độ lên đến 60 độ. Điều này đã giúp tạo ra một thiết kế tủ lạnh làm bằng chất bán dẫn với nhiệt độ trong khoang làm lạnh lên đến -16 độ.