Temperaturkoefficient for modstand

En leders elektriske modstand afhænger normalt af lederens materiale, af dens længde og tværsnit, eller kortere af modstanden og af lederens geometriske dimensioner. Denne afhængighed er velkendt og udtrykkes ved formlen:

Kendt af alle og Ohms lov for en homogen sektion af et elektrisk kredsløb, hvoraf det kan ses, at jo højere modstand, jo lavere er strømmen. Således, hvis modstanden af ​​ledningen er konstant, så når den påførte spænding stiger, bør strømmen stige lineært. Men i virkeligheden er dette ikke tilfældet. Modstanden af ​​ledninger er ikke konstant.

Du behøver ikke gå langt for at få eksempler. Hvis du tilslutter en pære til en justerbar strømforsyning (med et voltmeter og et amperemeter) og gradvist øger spændingen på den og bringer den til den nominelle værdi, vil du nemt se, at strømmen ikke vokser lineært: spændingen nærmer sig lampens nominelle værdi vokser strømmen gennem dens spole langsommere og langsommere, og lyset bliver mere og mere skarpt.

Der er ikke sådan noget som at fordoble spændingen på spolen fordoble strømmen. Ohms lov ser ikke ud til at holde. Faktisk er Ohms lov opfyldt, og præcis modstanden af ​​lampens glødetråd er ikke konstant, det afhænger af temperaturen.

Lad os huske, hvad der er årsagen til den høje elektriske ledningsevne af metaller. Det er forbundet med tilstedeværelsen i metaller af et stort antal ladningsbærere - nuværende komponenter - ledningselektroner… Det er elektroner dannet af metalatomernes valenselektroner, som er fælles for hele lederen, de hører ikke til hvert enkelt atom.

Under påvirkning af et elektrisk felt påført lederen går de frie ledningselektroner fra kaotisk til mere eller mindre ordnet bevægelse - der dannes en elektrisk strøm. Men elektronerne støder på forhindringer på deres vej, inhomogeniteter i iongitteret, såsom gitterdefekter, en inhomogen struktur forårsaget af dets termiske vibrationer.

Elektroner interagerer med ioner, mister momentum, deres energi overføres til gitterionerne, omdannes til gitterionvibrationer, og kaoset af selve elektronernes termiske bevægelse øges, hvorfra lederen opvarmes, når strømmen passerer gennem den.

I dielektrikum, halvledere, elektrolytter, gasser, ikke-polære væsker - årsagen til modstanden kan være anderledes, men Ohms lov forbliver åbenbart ikke permanent lineær.

For metaller fører en temperaturstigning således til en endnu større stigning i krystalgitterets termiske vibrationer, og modstanden mod bevægelsen af ​​ledningselektroner stiger.Dette kan ses fra eksperimentet med lampen: lysstyrken af ​​gløden øges, men strømmen stiger mindre. Det betyder, at ændringen i temperatur påvirkede modstanden af ​​lampens glødetråd.

Som et resultat bliver det klart, at modstanden metaltråde afhænger næsten lineært af temperaturen. Og hvis vi tager i betragtning, at når de opvarmes, ændres de geometriske dimensioner af ledningen lidt, så afhænger den elektriske modstand også næsten lineært af temperaturen. Disse afhængigheder kan udtrykkes med formlerne:

Lad os være opmærksomme på oddsene. Antag, at lederens modstand ved 0 ° C er R0, så vil den ved en temperatur t ° C tage værdien R (t), og den relative ændring i modstand vil være lig med α * t ° C. Denne proportionalitetsfaktor α kaldes modstandens temperaturkoefficient... Den karakteriserer afhængigheden af ​​stoffets elektriske modstand af dets aktuelle temperatur.

Denne koefficient er numerisk lig med den relative ændring i elektrisk modstand af en leder, når dens temperatur ændres med 1K (en grad Kelvin, hvilket svarer til en temperaturændring på en grad Celsius).

For metaller er TCR (temperaturkoefficient for modstand α), selvom den er relativt lille, altid større end nul, fordi når strømmen passerer, kolliderer elektroner oftere med ioner i krystalgitteret, jo højere temperatur, t .is jo højere deres termiske kaotiske bevægelse og jo højere hastighed.Ved at kollidere i kaotisk bevægelse med gitterioner mister metallets elektroner energi, hvilket vi ser som et resultat - modstanden stiger, når ledningen varmes op. Dette fænomen bruges teknisk i modstand termometre.

Temperaturkoefficienten for modstand α karakteriserer således afhængigheden af ​​stoffets elektriske modstand af temperaturen og måles i 1 / K — kelvin i styrken af ​​-1. Værdien med modsat fortegn kaldes ledningsevnens temperaturkoefficient.

Hvad angår rene halvledere, er TCS negativ for dem, det vil sige, at modstanden falder med stigende temperatur, dette skyldes, at når temperaturen stiger, passerer flere og flere elektroner ind i ledningszonen, mens koncentrationen af ​​huller også stiger . Den samme mekanisme er karakteristisk for flydende ikke-polære og faste dielektriske stoffer.

Polære væsker reducerer deres modstand kraftigt med stigende temperatur på grund af et fald i viskositet og en stigning i dissociation. Denne egenskab bruges til at beskytte elektronrør mod de ødelæggende virkninger af høje indkoblingsstrømme.

For legeringer, doterede halvledere, gasser og elektrolytter er den termiske afhængighed af modstand mere kompleks end for rene metaller. Legeringer med meget lav TCS, såsom manganin og konstantan, anvendes i elektriske måleinstrumenter.