Hvordan modstand afhænger af temperatur

I sin praksis møder enhver elektriker forskellige betingelser for passage af ladningsbærere i metaller, halvledere, gasser og væsker. Strømmens størrelse påvirkes af den elektriske modstand, som ændrer sig på forskellige måder under påvirkning af omgivelserne.

En af disse faktorer er eksponering for temperatur. Da det væsentligt ændrer forholdene for strømstrømmen, tages det i betragtning af designere ved fremstilling af elektrisk udstyr. Elektrisk personale, der er involveret i vedligeholdelse og drift af elektriske installationer, skal kompetent anvende disse funktioner i det praktiske arbejde.

Temperaturens indvirkning på metallers elektriske modstand

I skolens fysikkursus foreslås det at udføre et sådant eksperiment: tag et amperemeter, et batteri, et stykke ledning, forbindelsesledninger og en lommelygte. I stedet for et amperemeter med et batteri kan du tilslutte et ohmmeter eller bruge dets tilstand i et multimeter.

Dernæst skal du samle det elektriske kredsløb vist på billedet og måle strømmen i kredsløbet.Dens værdi er angivet på milliammeterskalaen med en sort pil.

Nu bringer vi brænderens flamme til ledningen og begynder at opvarme den. Hvis du ser på amperemeteret, vil du se, at nålen vil bevæge sig til venstre og nå den position, der er markeret med rødt.

Resultatet af forsøget viser, at når metaller opvarmes, falder deres ledningsevne, og deres modstand stiger.

Den matematiske begrundelse for dette fænomen er givet af formlerne til højre i billedet. I det nederste udtryk ses det tydeligt, at metallederens elektriske modstand «R» er direkte proportional med dens temperatur «T» og afhænger af flere andre parametre.

Hvordan opvarmning af metaller begrænser elektrisk strøm i praksis

Glødelamper

Hver dag, når lysene er tændt, støder vi på manifestationen af ​​denne egenskab i glødelamper. Lad os udføre simple målinger på en 60 watt pære.

Med det enkleste ohmmeter, drevet af et 4,5 V lavspændingsbatteri, måler vi modstanden mellem basens kontakter og ser værdien på 59 ohm. Denne værdi ejes af en kold tråd.

Vi skruer pæren ind i stikkontakten og forbinder til den gennem amperemeteret spændingen på hjemmenetværket på 220 volt. Amperemeternålen vil vise 0,273 ampere. Fra Ohms lov for en del af et kredsløb bestemme modstanden af ​​tråden i opvarmet tilstand. Den vil være på 896 ohm og overstige den tidligere ohmmeteraflæsning med 15,2 gange.

Dette overskud beskytter det lysende legemes metal mod afbrænding og ødelæggelse, hvilket sikrer langvarig drift under spænding.

Power-on transienter

Når tråden arbejder, skabes der en termisk balance på den mellem opvarmningen af ​​den passerende elektriske strøm og fjernelse af en del af varmen til miljøet. Men i den indledende fase af tænding, når der påføres spænding, opstår der transienter, hvilket skaber en startstrøm, som kan få glødetråden til at brænde ud.

Forbigående processer forekommer i kort tid og er forårsaget af det faktum, at stigningshastigheden i elektrisk modstand ved opvarmning af metallet ikke holder trit med stigningen i strømmen. Efter deres afslutning etableres driftsformen.

Når lampen lyser i lang tid, når tykkelsen af ​​dens glødetråd gradvist en kritisk tilstand, hvilket fører til brænding. Oftest sker dette øjeblik ved den næste nye tænding.

For at forlænge lampens levetid reduceres denne startstrøm på forskellige måder ved hjælp af:

1. Enheder, der giver jævn tilførsel og frigivelse af spændinger;

2. kredsløb til serieforbindelse til en filament af modstande, halvledere eller termistorer (termistorer).

Et eksempel på en måde at begrænse startstrømmen til bilbelysningsarmaturer er vist på billedet nedenfor.

Her tilføres strømmen til pæren, efter at kontakten SA er tændt gennem FU-sikringen og er begrænset af modstanden R, hvis nominelle værdi er valgt således, at startstrømmen under transienter ikke overstiger den nominelle værdi.

Når glødetråden opvarmes, øges dens modstand, hvilket fører til en stigning i potentialforskellen mellem dens kontakter og den parallelforbundne spole på KL1-relæet.Når spændingen når relæets indstillingsværdi, vil den normalt åbne kontakt på KL1 lukke og bypasse modstanden. Driftsstrømmen af ​​den allerede etablerede tilstand begynder at strømme gennem pæren.

Modstandstermometer

Virkningen af ​​metallets temperatur på dets elektriske modstand bruges i driften af ​​måleinstrumenter. De kaldes modstand termometre.

Deres følsomme element er lavet med en tynd metaltråd, hvis modstand måles omhyggeligt ved bestemte temperaturer. Dette gevind er monteret i et hus med stabile termiske egenskaber og dækket med et beskyttelsesdæksel. Den skabte struktur placeres i et miljø, hvis temperatur konstant skal overvåges.

Lederne af det elektriske kredsløb er monteret på terminalerne på det følsomme element, som forbinder modstandsmålekredsløbet. Dens værdi konverteres til temperaturværdier baseret på den tidligere udførte kalibrering af enheden.

Barretter — strømstabilisator

Dette er navnet på en enhed bestående af en glasforseglet cylinder med brintgas og en spiral af metaltråd lavet af jern, wolfram eller platin. Dette design ligner en glødepære i udseende, men har en specifik ikke-lineær strøm-spændingskarakteristik.

På I - V-karakteristikken, i et bestemt område af det, dannes en arbejdszone, som ikke afhænger af fluktuationerne i spændingen, der påføres varmeelementet. I dette område kompenserer bareten strømforsyningens krusning godt og fungerer som en strømstabilisator for en belastning forbundet i serie med den.

Funktionen af ​​bøjlen er baseret på egenskaberne af den termiske inerti af glødetrådslegemet, som er tilvejebragt af det lille tværsnit af glødetråden og den høje varmeledningsevne af det brint, der omgiver det. Derfor, når enhedens spænding falder, accelererer fjernelse af varme fra dens filament.

Dette er hovedforskellen mellem glødelamper og glødelamper, hvor de for at bevare glødens lysstyrke søger at reducere det konvektive varmetab fra glødetråden.

Superledningsevne

Under normale omgivende forhold, når en metalleder afkøles, falder dens elektriske modstand.

Når den kritiske temperatur er nået, tæt på nul grader ifølge Kelvin-målesystemet, er der et kraftigt fald i modstanden til nul. Det højre billede viser en sådan afhængighed af kviksølv.

Dette fænomen, kaldet superledning, betragtes som et lovende forskningsområde for at skabe materialer, der betydeligt kan reducere tabet af elektricitet under dets transmission over lange afstande.

Fortsatte undersøgelser af superledning afslører imidlertid en række mønstre, hvor andre faktorer påvirker den elektriske modstand af et metal i det kritiske temperaturområde. Især når vekselstrøm passerer med en stigning i frekvensen af ​​dens svingninger, opstår der en modstand, hvis værdi når området af normale værdier for harmoniske med en periode med lysbølger.

Temperaturens indvirkning på gassernes elektriske modstand/ledningsevne

Gasser og normal luft er dielektriske stoffer og leder ikke elektricitet.Dens dannelse kræver ladningsbærere, som er ioner dannet som et resultat af eksterne faktorer.

Opvarmning kan forårsage ionisering og bevægelse af ioner fra en pol af mediet til en anden. Du kan kontrollere dette med eksemplet på et simpelt eksperiment. Lad os tage det samme udstyr, som blev brugt til at bestemme effekten af ​​opvarmning på modstanden af ​​en metalleder, men i stedet for en leder forbinder vi to metalplader adskilt af et luftrum til lederne.

Et amperemeter tilsluttet kredsløbet viser ingen strøm. Hvis brænderens flamme er placeret mellem pladerne, vil enhedens pil afvige fra nul og vise værdien af ​​strømmen, der passerer gennem gasmediet.

Det viste sig således, at ionisering sker i gasser, når de opvarmes, hvilket fører til bevægelse af elektrisk ladede partikler og et fald i mediets modstand.

Værdien af ​​strømmen påvirkes af effekten af ​​den eksterne påførte spændingskilde og potentialforskellen mellem dens kontakter. Det er i stand til at bryde gennem det isolerende lag af gasser ved høje værdier. En typisk manifestation af et sådant tilfælde i naturen er den naturlige udledning af lyn under et tordenvejr.

En omtrentlig visning af strøm-spændingskarakteristikken for strømstrømmen i gasser er vist i grafen.

I den indledende fase, under påvirkning af temperatur- og potentialforskel, observeres en stigning i ionisering og passage af strøm omtrent lineært. Kurven får så en vandret retning, når en stigning i spændingen ikke fører til en stigning i strømmen.

Det tredje trin af ødelæggelse opstår, når den høje energi i det påførte felt accelererer ioner, så de begynder at kollidere med neutrale molekyler og massivt danner nye ladningsbærere fra dem. Som et resultat stiger strømmen kraftigt, hvilket danner en nedbrydning af det dielektriske lag.

Praktisk brug af gasledningsevne

Fænomenet med strømgennemstrømning gennem gasser bruges i radioelektronlamper og fluorescerende lamper.

Til dette formål placeres to elektroder i en forseglet glascylinder med en inert gas:

1. anode;

2. katode.

I en fluorescerende lampe er de lavet i form af filamenter, der opvarmes, når de tændes, for at skabe termionisk stråling. Den indvendige overflade af kolben er belagt med et lag af fosfor. Det udsender det synlige spektrum af lys dannet af infrarød stråling udsendt af kviksølvdamp bombarderet af en strøm af elektroner.

Afladningsstrømmen opstår, når en spænding af en vis værdi påføres mellem elektroderne placeret i forskellige ender af pæren.

Når en af ​​filamenterne brænder ud, vil elektronemissionen af ​​denne elektrode blive forstyrret, og lampen vil ikke brænde ud. Men hvis du øger potentialforskellen mellem katoden og anoden, vil der igen opstå en gasudladning inde i pæren, og fosforluminescensen genoptages.

Dette tillader brugen af ​​LED-pærer med beskadigede glødetråde og forlænger deres levetid. Man skal kun huske på, at det samtidig er nødvendigt at øge spændingen på den flere gange, og det øger energiforbruget og risikoen for sikker brug markant.

Temperaturens indvirkning på væskers elektriske modstand

Passage af strøm i væsker skabes hovedsageligt på grund af bevægelsen af ​​kationer og anioner under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. Kun en lille del af ledningsevnen leveres af elektroner.

Effekten af ​​temperatur på den elektriske modstand af en flydende elektrolyt er beskrevet af formlen vist på billedet. Da værdien af ​​temperaturkoefficienten α i den altid er negativ, så når opvarmningen stiger, stiger ledningsevnen og modstanden falder, som vist i grafen.

Dette fænomen bør tages i betragtning ved opladning af flydende bilbatterier (og ikke kun).

Effekt af temperatur på den elektriske modstand af halvledere

Ændring af egenskaberne af halvledermaterialer under indflydelse af temperatur gjorde det muligt at bruge dem som:

• termisk modstand;

• termoelementer;

• køleskabe;

• varmelegemer.

Termistorer

Dette navn betyder halvlederenheder, der ændrer deres elektriske modstand under påvirkning af varme. Deres temperaturmodstandskoefficient (TCR) væsentligt højere end for metaller.

TCR-værdien for halvledere kan være positiv eller negativ. Ifølge denne parameter er de opdelt i positive «RTS» og negative «NTC» termistorer. De har forskellige egenskaber.

Til drift af termistoren vælges et af punkterne i dens strømspændingskarakteristik:

• lineær sektion bruges til at kontrollere temperatur eller kompensere for skiftende strømme eller spændinger;

• den faldende gren af ​​I - V-karakteristikken for elementer med TCS <0 tillader brugen af ​​en halvleder som relæ.

Brugen af ​​en relætermistor er praktisk til overvågning eller måling af elektromagnetiske strålingsprocesser, der forekommer ved ultrahøje frekvenser. Dette sikrer deres brug i systemer:

1. varmestyring;

2. brandalarm;

3. regulering af strømningshastigheden af ​​bulkmedier og væsker.

Silicium termistorer med en lille TCR > 0 anvendes i kølesystemer og temperaturstabilisering af transistorer.

Termoelementer

Disse halvledere arbejder på grundlag af Seebeck-fænomenet: når loddeforbindelsen af ​​to spredte metaller opvarmes, opstår der en EMF ved krydset af et lukket kredsløb. På denne måde omdanner de termisk energi til elektrisk energi.

En konstruktion af to sådanne elementer kaldes et termoelement. Dens effektivitet er inden for 7 ÷ 10 %.

Termoelementer bruges i termometre til digitale computerenheder, der kræver miniaturestørrelse og høj læsenøjagtighed, såvel som strømkilder med lav effekt.

Halvledervarmere og køleskabe

De fungerer ved at genbruge termoelementer, hvorigennem en elektrisk strøm passerer. I dette tilfælde opvarmes det et sted i krydset, og i det modsatte afkøles det.

Halvlederforbindelser baseret på selen, vismut, antimon, tellur gør det muligt at sikre en temperaturforskel i termoelementet op til 60 grader. Dette gjorde det muligt at skabe et design af et køleskab af halvledere med en temperatur i kølekammeret ned til -16 grader.