Температурная зависимость сопротивления проводника - Основы электроники - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Поэтому кривая зависимости сопротивления проводника от температуры имеет вид, показанный на рисунке 2.

Содержание

Температурная зависимость сопротивления провода

В электротехнике было замечено, что сопротивление металлических проводников увеличивается при повышении температуры и уменьшается при понижении температуры. Для всех металлических проводников это изменение сопротивления практически одинаково и составляет в среднем 0,4% на 1°C.

В частности, изменение температуры изменяет удельное сопротивление проводника, которое имеет следующую зависимость:

где ρ i ρ₀, R и R₀ – это удельное сопротивление и сопротивление проводника при t и 0o C (шкала Цельсия) соответственно, α – температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .

Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменению самого сопротивления, что видно из следующего выражения:

Зная электронную теорию строения материи, можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При повышении температуры проводник получает тепловую энергию, которая, несомненно, передается всем атомам вещества, вызывая увеличение их теплового движения. Увеличение теплового движения атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (вероятность столкновения свободных электронов с атомами увеличивается), тем самым увеличивая сопротивление проводника.

С понижением температуры направленное движение электронов становится легче (уменьшается возможность столкновений свободных электронов с атомами) и сопротивление проводника уменьшается. Это объясняет интересный феномен – сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, возникает при огромной отрицательной температуре -273° C, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, не позволяя электронам двигаться.

График сопротивления металлического проводника в зависимости от температуры показан на рисунке 1.

Построена температурная зависимость удельного сопротивления металлического проводника (см. рис. 1).

Обратите внимание, что сопротивление электролитов и полупроводников (углерод, селен и другие) уменьшается с повышением температуры.

Температурная зависимость сопротивления электролита также в основном обусловлена изменением удельного сопротивления, но всегда существует температурный коэффициент сопротивления – α < 0.

Поэтому кривая температурной зависимости удельного сопротивления электролита показана на рисунке 2.

Рисунок 1: Температурная зависимость удельного сопротивления электролита

Для полупроводников характер изменения удельного сопротивления с температурой будет аналогичен таковому для электролитов.

ПОНРАВИЛАСЬ ЛИ ВАМ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИТЕСЬ СО СВОИМИ ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Проводники – металлы и их сплавы (ρ от 0,015 до 1,2 Ом – мм 2 / м);

Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры?

Каждый элемент или часть цепи, с точки зрения происходящего в ней электромагнитного процесса, характеризуется, прежде всего, своей способностью проводить ток или препятствовать его протеканию. Это свойство элементов схемы оценивается по их электропроводность или обратная величина проводимости – электрическое сопротивление.

Большинство электрических устройств состоит из токопроводящих частей, изготовленных из металлических проводников, обычно с изолирующим покрытием или оболочкой. Электрическое сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров и свойств материала. Величина электрического сопротивления составляет

где l – длина проводника, м; s – площадь поперечного сечения проводника, мм 2; ρ – удельное сопротивление проводника, Ом – мм 2 / м; γ – проводимость, м/Ом – мм.

Электрическое сопротивление

Сопротивление и проводимость учитывают свойства материала проводника и дают значения сопротивления и проводимости для проводника длиной 1 м и площадью 1 мм2 .

Все материалы можно разделить на три группы в зависимости от величины их удельного сопротивления ρ:

проводники – металлы и их сплавы (ρ от 0,015 до 1,2 Ом – мм 2 / м);

электролиты и полупроводники ( ρ от 10 2 до 20 6 Ом – мм 2 / м)

диэлектрики или изоляторы (ρ 10 10 – 20 11 Ом – мм 2 / м).

В электрооборудовании используются материалы как с низким, так и с высоким значением удельного сопротивления. Если от элемента цепи требуется низкое сопротивление (например, соединительные провода), его следует изготавливать из проводников с низким значением ρ 0,015-0,03, например. медь, серебро, алюминий.

Другие установки, наоборот, должны иметь высокое сопротивление (лампы накаливания, нагревательные приборы и т.д.), поэтому их токоведущие части изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением ρ, обычно из металлических сплавов. К ним относятся, например, марганец, константан, нихром, которые имеют значения ρ от 0,1 до 1,2.

Температурная зависимость электрического сопротивления

Значение электрического сопротивления также зависит от температуры проводника, которая может изменяться в результате нагрева проводника электрическим током или в результате изменения температуры окружающей среды. При изменении температуры проводника изменяется значение его удельного сопротивления. Приведенные выше p-значения для некоторых материалов действительны при температуре

Температурная независимость сопротивления выражается приблизительно следующим образом:

R _t o – сопротивление проводника при температуре t o , R ₂₀ ом – то же самое при 20°C, Ом; α – температурный коэффициент электрического сопротивления, обозначающий относительное изменение сопротивления проводника при нагревании на 1°C.

Из этого выражения следует, что значение α равно

Для большинства металлов и их сплавов значение α > 0, т.е. при нагревании их сопротивление увеличивается и наоборот.

Для проволоки из чистого металла значение α варьируется от 0,0037 до 0,0065 на 1°C. Для сплавов с высоким сопротивлением α имеет очень малые значения, в десятки и сотни раз меньше, чем для проводников из чистого металла. Например, для марганца α = 0,000015 на °C.

Значения α для электролитических полупроводников отрицательны, порядка 0,02. Температурный коэффициент электрического сопротивления также отрицателен и превышает α для металлов по абсолютной величине в десятки раз.

Температурная зависимость сопротивления широко используется в технике для измерения температуры с помощью так называемых термометров сопротивления, где α должно быть большим. В некоторых устройствах, наоборот, используются материалы с низким значением α, чтобы устранить влияние колебаний температуры на показания этих устройств.

Сопротивление переменному току

Один и тот же проводник будет иметь большее сопротивление при переменном токе, чем при постоянном. Это связано с явлением, известным как поверхностный эффектТак называемый поверхностный эффект, при котором переменный ток выталкивается из центральной части проводника в сторону периферийных слоев. В результате плотность тока во внутренних слоях будет ниже, чем во внешних.

Таким образом, при переменном токе площадь поперечного сечения проводника используется как бы неполностью. Однако при частоте 50 Гц разница в сопротивлениях постоянного и переменного тока незначительна и практически может быть проигнорирована.

Сопротивление проводника постоянному току называется омическое сопротивлениеа сопротивление проводника переменному току называется активное сопротивление. Омическое и активное сопротивления зависят от материала (внутренней структуры), геометрических размеров и температуры проводника. В катушках со стальным сердечником на величину сопротивления также влияют потери в стали.

К активным резисторам относятся лампы накаливания, электроплиты, различные нагревательные приборы, реостаты и проводники, в которых электрическая энергия почти полностью преобразуется в тепловую.

Помимо активного сопротивления, цепи переменного тока обладают индуктивным и емкостным сопротивлением (см. Что такое индуктивная и емкостная нагрузки).

Сопротивление изоляции

Надежность электрических сетей и оборудования в значительной степени зависит от качества изоляции между активными частями на разных фазах и между активными частями и землей.

Качество изоляции определяется величиной сопротивления изоляции. Определение этого значения обычно ограничивается испытанием сетей и установок с напряжением ниже 1000 В. Для более высоких напряжений дополнительно определяются диэлектрическая прочность и диэлектрические потери.

В зависимости от состояния сети (сеть с выключенными или включенными потребителями электроэнергии, под напряжением или обесточенная) используются различные системы измерительных приборов и методы расчета значений сопротивления изоляции. Наиболее часто для этой цели используются мегомметры и вольтметры.

Определение сопротивления изоляции – специфическая и объемная задача, поэтому мы рекомендуем прочитать статью: Как пользоваться мегомметром?

Почему вам необходим тепловой расчет для ваших кабелей

Электрическое сопротивление влияет на нагрев проводов и кабелей. Проводники, соединяющие источник питания с нагрузками, должны обеспечивать подачу на нагрузки минимального напряжения и потерь энергии, а также не допускать чрезмерного нагрева протекающего по ним тока.

Превышение допустимой температуры приводит к повреждению изоляции проводников и, как следствие, к короткому замыканию, т.е. резкому увеличению величины тока в цепи. Таким образом, можно определить площадь поперечного сечения проводников, при которой потери напряжения и нагрев проводников будут находиться в допустимых пределах.

Как правило, сечение проводников и кабелей для обогрева следует проверять по таблицам допустимого тока из EARP. Если сечение не подходит для условий нагрева, следует выбрать большее сечение, отвечающее этим требованиям.

Установки резистивного нагрева

Основными компонентами электрического резистивного отопления являются электрические нагревательные элементы и теплоизолятор для предотвращения потери тепла в окружающую среду. В качестве материалов для электронагревательных элементов используются жаропрочные неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением (углерод, графит, карборунд) и металлические материалы (нихром, константан, фехраль и др.).

Использование материалов с высоким удельным сопротивлением ρ позволяет создавать нагревательные элементы с большим поперечным сечением и площадью поверхности, а выбор материалов с низким коэффициентом расширения α обеспечивает неизменность геометрических размеров элемента при нагреве.

Нагревательные элементы из материалов типа графита изготавливаются в виде стержней с трубчатым или сплошным сечением. Металлические нагревательные элементы изготавливаются в виде проводов или лент.

Использование предохранителей

Автоматические выключатели и предохранители различных типов используются для защиты питающих линий от токов, превышающих допустимые значения. По сути, предохранитель – это часть электрической цепи с низкой термической стабильностью.

Плавкая вставка обычно выполняется в виде короткого провода небольшого сечения, изготовленного из материала с хорошей проводимостью (медь, серебро) или проводника с относительно высоким удельным сопротивлением (свинец, олово). Когда ток превышает значение, на которое была рассчитана плавкая вставка, она перегорает и отключает защищаемую ею цепь или токоприемник.

В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Были получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов с температурой сверхпроводящего перехода около 100 К. Это выше, чем температура кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 K).

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам набора, вам необходимо добавить его в свой личный кабинет, купив в каталоге.

Получите удивительные возможности

Конспект урока “Температурная зависимость сопротивления проводника. Сверхпроводимость”.

При изучении закона Ома для участка цепи мы ввели понятие электрического сопротивления как физической величины, характеризующей свойства проводника препятствовать прохождению в нем электрического тока.

Мы показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества, из которого этот проводник сделан:

Напомним, что электрические свойства проводника характеризуются его удельным сопротивлением.

Как вы знаете, в таблицах удельного сопротивления веществ очень часто указывается температура, при которой было измерено удельное сопротивление. Поэтому логично предположить, что сопротивление проводника должно каким-то образом зависеть от его температуры.

Давайте проверим это предположение с помощью эксперимента. Для этого мы собираем электрическую цепь, состоящую из источника тока, катушки провода и амперметра. Включите источник тока и запишите показания на амперметре.

Теперь нагрейте рассматриваемую спираль, например, спиртовой зажигалкой. Нетрудно заметить, что показания амперметра начинают уменьшаться. Вывод очевиден: При повышении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Объяснение этому довольно простое. Вы знаете, что удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решетки, совершающими колебательное движение вблизи устойчивых равновесных положений. В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры.

Однако количество столкновений свободных электронов со сшитыми ионами увеличивается с ростом температуры. Это приводит к увеличению удельного сопротивления металлического проводника с ростом температуры.

Если мы предположим, что при температуре 273 K (т.е. 0 o C) удельное сопротивление проводника равно ρ₀и при температуре Т ρ , этот эксперимент показал, что относительное изменение удельного сопротивления пропорционально изменению абсолютной температуры (которая, напомним, совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия):

В записанном уравнении α – это температурный коэффициент. Она численно равна относительному изменению удельного сопротивления проводящего вещества при изменении его температуры на 1 К:

Таким образом, удельное сопротивление металлического проводящего вещества увеличивается с повышением температуры.

Поскольку удельное сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению вещества, из которого он сделан, без учета малой температурной зависимости отношения l/Sмы можем записать следующее соотношение:

Здесь R₀ и R – сопротивления проводника при нуле градусов Цельсия и при данной температуре, соответственно.

Обратите внимание, что для металлических проводников эти формулы применимы при температурах выше T >140 К.

Для всех металлов сопротивление увеличивается с ростом температуры. Для них температурный коэффициент сопротивления является положительной величиной. Для растворов электролитов, наоборот, сопротивление уменьшается с повышением температуры. Таким образом, их температурный коэффициент сопротивления меньше нуля.

Для большинства металлов (но не сплавов) при температуре от 0 до 100 о С температурный коэффициент можно принять постоянным и равным его среднему значению в этом диапазоне температур:

Например, давайте определим сопротивление алюминиевого проводника при температуре 90 оС, если при температуре 20 оС его сопротивление равно 4 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия α = 4,2 – 10 -3 К -1 .

Зависимость сопротивления металла от температуры используется в специальных приборах – термометрах сопротивления. Термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, обычно используются в виде металлической проволоки, намотанной на жесткий каркас (кварц, фарфор или слюда), заключенный в защитную оболочку (металл, кварц, фарфор, стекло). Платиновые термометры сопротивления используются для измерения температуры в диапазоне от -263 до 1064 о С, а медные – от -50 до 180 о С.

Если для изготовления электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, используются специальные сплавы – константан и марганец.

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг Оннес, исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, обнаружил необычное явление. В начале эксперимента все шло по плану: сопротивление металла постепенно уменьшалось по мере его охлаждения. Однако при температуре ниже или равной 4,12 К (4,15 К по современным измерениям) электрическое сопротивление ртути быстро исчезало.

Явление, когда сопротивление проводника при определенной температуре падает до нуля, называется сверхпроводимостью, а проводник в таком состоянии называется сверхпроводником.

Температура, при которой электрическое сопротивление проводника падает до нуля, называется критической температурой.

Открытие Камерлингха Оннеса, за которое он получил премию в 1913 году Нобелевская премия, привел к изучению свойств веществ при низких температурах. Многочисленные эксперименты впоследствии установили, что это явление характерно для многих проводников. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой.

Вещества в сверхпроводящем состоянии демонстрируют резкие аномалии в магнитных, тепловых и многих других свойствах. Например, если в кольцевом проводнике в сверхпроводящем состоянии генерируется ток, а затем источник тока удаляется, сила тока в проводнике не меняется в течение любого промежутка времени. В обычном (несверхпроводящем) проводнике ток перестает течь. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости для передачи электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения используются в качестве обмоточных материалов в электромагнитах для создания сильных магнитных полей при управляемом ядерном синтезе, а также в мощных электродвигателях и генераторах.

Сверхпроводимость можно объяснить только на основе квантовой теории. Его дали только в 1957 году американские ученые Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер, а также советский ученый и исследователь Николай Николаевич Боголюбов.

Очень упрощенно механизм сверхпроводимости можно объяснить следующим образом: при критической температуре электроны объединяются в регулярную решетку и движутся, не сталкиваясь с кристаллической решеткой, состоящей из ионов. Это движение полностью отличается от обычного теплового движения, при котором свободный электрон движется хаотично.

Высокотемпературная сверхпроводимость, безусловно, приведет в ближайшем будущем к новой технической революции во всех областях электротехники, радиотехники и компьютерного дизайна.

где ρ₀, ρ_t – удельное сопротивление материала проводника при 0 °C, a t °C; R₀, R_t – сопротивление проводника при 0 °C и t °С, α – температурный коэффициент сопротивления: измеряется в СИ в Кельвинах минус первая сила (K -1 ). Для металлических проводников эти формулы применимы от температуры 140 К и выше.

Т. Температурная зависимость удельного сопротивления

Удельное сопротивление, и, следовательно, удельное сопротивление металлов, изменяется как функция температуры, увеличиваясь с повышением температуры. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что

интенсивность рассеяния (число столкновений) носителей заряда увеличивается с ростом температуры;
Их концентрация меняется по мере нагревания проводника.

Эксперимент показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах температурная зависимость удельного сопротивления и сопротивления проводника выражается формулами:

¯rho_t = ¯rho_0 (1 + ¯alpha t) ¯(

R_t = R_0 (1 + ≥ t) ,≥)

где ρ₀, ρ_t – удельное сопротивление материала проводника при 0 °C и t °C; R₀, R_t – сопротивление проводника при 0 °C и t °С, α – температурный коэффициент сопротивления: измеряется в СИ в Кельвинах минус первая сила (K -1 ). Для металлических проводников эти формулы применимы от температуры 140 К и выше.

Температурный коэффициент Температурный коэффициент вещества описывает зависимость изменения сопротивления при нагревании от природы вещества. Численно она равна относительному изменению сопротивления (удельного сопротивления) проводника при нагревании на 1 К.

Τ.

для всех металлических проводников α > 0 и незначительно изменяется при изменении температуры. Для чистых металлов α = 1/273 К -1 . В металлах концентрация свободных носителей заряда (электронов) n = const и увеличение ρ возникает в результате увеличения интенсивности рассеяния свободных электронов на ионах кристаллической решетки.

Для растворов электролитов α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 . Сопротивление электролитов уменьшается с повышением температуры, поскольку увеличение количества свободных ионов вследствие диссоциации молекул перевешивает увеличение рассеяния ионов при столкновениях с молекулами растворителя.

Формулы для отношений ρ и R в зависимости от температуры для электролитов аналогичны приведенным выше формулам для металлических проводников. Следует отметить, что эта линейная зависимость справедлива только в небольшом диапазоне изменения температуры, в котором α = const. Однако в больших диапазонах температур температурная зависимость сопротивления электролита становится нелинейной.

Температурная зависимость сопротивления металлических проводников и электролитов представлена графически на рис. 1, а, б.

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °C), сопротивление многих металлов резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимость .. Металл переходит в сверхпроводящее состояние.

Зависимость сопротивления металла от температуры используется в термометрах сопротивления. Обычно в качестве термометрического тела такого термометра используется платиновая проволока, температурная зависимость сопротивления которой хорошо известна.

Изменение температуры оценивается по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Эти термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры там, где обычные жидкостные термометры не подходят.

Когда нить накала работает, она создает тепловое равновесие между нагревом от протекающего электрического тока и отводом части тепла в окружающую среду. Однако на начальном этапе переключения, когда подается напряжение, возникают переходные процессы, создающие скачок тока, который может привести к перегоранию нити накаливания.

Температурная стойкость

На практике каждый электрик сталкивается с различными условиями перехода носителей заряда в металлах, полупроводниках, газах и жидкостях. На величину тока влияет электрическое сопротивление, которое по-разному изменяется под воздействием окружающей среды.

Одним из таких факторов является влияние температуры. Поскольку он существенно изменяет условия протекания тока, он учитывается конструкторами при изготовлении электрооборудования. Электрики, занимающиеся обслуживанием и эксплуатацией электроустановок, должны правильно использовать эти характеристики в своей практической работе.

Влияние температуры на электрическое сопротивление металлов

В школьном курсе физики предлагается следующий эксперимент: амперметр, батарейка, кусок провода, соединительные провода и горелка. Вместо амперметра и батареи можно подключить омметр или использовать его режим в мультиметре.

Следующим шагом будет сборка схемы, показанной на рисунке, и измерение величины тока в цепи. Его значение отмечено на шкале миллиамперметра черной стрелкой.

Теперь переместите пламя горелки ближе к проволоке и нагрейте ее. Глядя на амперметр, вы увидите, что стрелка начинает двигаться влево и достигает положения, отмеченного красным цветом.

Результат эксперимента показывает, что при нагревании металлов их проводимость уменьшается, а сопротивление увеличивается.

Математическую основу этого явления дают формулы, приведенные непосредственно на рисунке. Из нижнего выражения видно, что электрическое сопротивление “R” металлического проводника прямо пропорционально его температуре “T” и зависит от нескольких других параметров.

Как нагрев металлов ограничивает электрический ток на практике

Каждый день, когда мы включаем свет, мы имеем проявление этого свойства в лампочках. Давайте проведем несколько простых измерений на лампочке мощностью 60 Вт.

С помощью простого омметра, питающегося от низковольтной батареи напряжением 4,5 вольта, измерьте сопротивление между контактами базы и вы увидите значение 59 Ом. Это значение нити накаливания в холодном состоянии.

Вкрутите лампочку в гнездо и с помощью амперметра подайте на нее напряжение 220 вольт. Игла амперметра будет показывать 0,273 ампера. Используя закон Ома для данного участка цепи, определите сопротивление нити накала по мере ее нагревания. Это значение составит 896 Ом и будет выше предыдущего показания омметра в 15,2 раза.

Этот избыток защищает металл корпуса нити от выгорания и растрескивания, обеспечивая ее долгий срок службы.

Переходные состояния переключения

Когда нить накала работает, на ней устанавливается тепловое равновесие между теплом, выделяемым протекающим электрическим током, и отводом части тепла в окружающую среду. Однако на начальном этапе переключения после подачи напряжения возникают переходные процессы, вызывающие скачок тока, который может привести к перегоранию нити накала.

Переходные процессы имеют короткую продолжительность и вызваны тем, что скорость увеличения электрического сопротивления в результате нагрева металла не успевает за увеличением тока. После этого снова появится режим работы.

При длительном освещении лампы толщина нити накала постепенно достигает критического состояния, что приводит к ее перегоранию. Обычно это происходит при повторном включении лампы.

Для продления срока службы лампы используются различные методы снижения этого пускового тока:

1. устройства, обеспечивающие плавное нарастание и спад напряжения;

2. цепи, подключаемые последовательно с нитью накала с помощью резисторов, полупроводников или термисторов.

Пример одного из методов снижения пускового тока для автомобильных ламп показан на рисунке ниже.

Здесь ток на нить накала подается при включении выключателя SA через предохранитель FU и ограничивается резистором R, номинал которого выбран таким образом, чтобы пусковой ток во время переходных процессов не превышал номинала.

Когда нить накала нагревается, ее сопротивление увеличивается, что приводит к увеличению разности потенциалов между ее контактами и параллельно соединенной обмоткой реле KL1. Когда напряжение достигает заданного значения реле, нормально открытый контакт KL1 замыкается и шунтирует резистор. Рабочий ток лампы начинает протекать через лампу.

Влияние температуры металла на его электрическое сопротивление используется в работе измерительных приборов. Такие термометры называются термометрами сопротивления.

Их чувствительный элемент изготовлен из тонкой металлической проволоки, сопротивление которой точно измеряется при определенных температурах. Этот кабель смонтирован в термостойком корпусе и экранирован защитной оболочкой. Полученная структура помещается в среду, температура которой должна постоянно контролироваться.

Провода электрической цепи устанавливаются на клеммы измерительного элемента, к которым подключается цепь измерения сопротивления. Сопротивление преобразуется в значение температуры на основе предыдущей калибровки устройства.

Бареттер – стабилизатор тока

Так называется устройство, состоящее из стеклянного баллона, содержащего газообразный водород, и катушки с металлической проволокой из железа, вольфрама или платины. Эта структура по внешнему виду похожа на лампочку, но имеет специфическую нелинейную вольт-амперную характеристику.

В определенном диапазоне кривой I-V создается рабочая полоса, на которую не влияют изменения напряжения, приложенного к нити накала. В этой области барреттер хорошо компенсирует пульсации мощности и работает как регулятор тока для нагрузки, подключенной последовательно с ним.

Работа барреттера основана на свойстве тепловой инерции нити, которое обеспечивается малым поперечным сечением нити и высокой теплопроводностью окружающего водорода. Поэтому отвод тепла от нити накала ускоряется при снижении напряжения устройства.

В этом заключается главное отличие баретты от лампы накаливания, где целью является снижение конвективных потерь тепла от нити накаливания для поддержания ее яркости.

При нормальных условиях окружающей среды при охлаждении металлического проводника его электрическое сопротивление уменьшается.

При достижении критической температуры, близкой к нулю градусов Кельвина, происходит быстрое падение сопротивления до нуля. На правом рисунке показана эта зависимость для ртути.

Это явление, известное как сверхпроводимость, считается перспективной областью исследований для создания материалов, способных значительно снизить потери электрической энергии при передаче на огромные расстояния.

Однако продолжающиеся исследования сверхпроводимости выявили ряд закономерностей, при которых другие факторы влияют на электрическое сопротивление металла в критическом диапазоне температур. В частности, при прохождении переменного тока, по мере увеличения частоты переменного тока, возникает сопротивление, величина которого достигает диапазона нормальных значений в гармонике с периодом световых волн.

Влияние температуры на электрическое сопротивление/проводимость газов

Газы и обычный воздух являются диэлектриками и не проводят электричество. Для их работы требуются носители заряда, которыми являются ионы, образующиеся в результате внешних взаимодействий.

Нагрев может вызвать ионизацию и перемещение ионов от одного полюса среды к другому. Это можно наблюдать в простом эксперименте. Возьмите то же оборудование, которое используется для определения влияния нагрева на сопротивление металлического проводника, только вместо проволоки подсоедините к проводам две металлические пластины, разделенные воздушным пространством.

Амперметр, подключенный к цепи, не покажет никакого тока. Если мы поместим пламя горелки между пластинами, стрелка отклонится от нуля и покажет величину тока, протекающего через газообразную среду.

Таким образом, было установлено, что при нагревании в газах происходит ионизация, приводящая к движению электрически заряженных частиц и уменьшению сопротивления среды.

На величину тока влияет мощность приложенного внешнего источника напряжения и разность потенциалов между его контактами. Он способен проникать через изоляционный слой газов при высоких значениях. Характерным примером такого случая в природе является естественный удар молнии во время грозы.

Примерная картина вольт-амперных характеристик тока, протекающего в газах, показана на диаграмме.

На начальном этапе под влиянием температуры и разности потенциалов ионизация увеличивается, и ток протекает по приблизительно линейному закону. Затем кривая принимает горизонтальное направление, когда увеличение напряжения не вызывает увеличения тока.

Третья стадия распада происходит, когда высокая энергия приложенного поля ускоряет ионы настолько, что они начинают сталкиваться с нейтральными молекулами, массово производя из них новые носители заряда. В результате ток быстро увеличивается, вызывая разрушение диэлектрического слоя.

Практическое применение газовой проводимости

Явление протекания тока через газы используется в радиоэлектронных лампах и флуоресцентных светильниках.

Для этого два электрода помещают в герметичный стеклянный цилиндр с инертным газом:

В люминесцентных лампах они имеют форму нитей накаливания, которые при включении нагреваются, производя термоэлектронную эмиссию. Внутренняя часть колбы покрыта слоем люминофора. Он испускает видимый нам спектр света, создаваемый инфракрасным излучением ртутных паров, бомбардируемых потоком электронов.

Ток газового разряда образуется путем приложения напряжения определенной величины между электродами, расположенными на противоположных концах колбы.

Если одна из нитей перегорит, эмиссия электронов на этом электроде будет нарушена, и лампа не будет гореть. Однако если увеличить разность потенциалов между катодом и анодом, внутри лампы снова возникнет газовый разряд, и люминофор начнет светиться.

Это позволяет использовать светодиодные лампы с поврежденными нитями накаливания и продлить срок их службы. Только учтите, что напряжение должно быть увеличено в несколько раз, что значительно повышает потребление энергии и риск безопасного использования.

Влияние температуры на электрическое сопротивление жидкостей

Ток в жидкостях возникает в основном в результате движения катионов и анионов под воздействием внешнего электрического поля. Только небольшая часть проводимости обеспечивается электронами.

Влияние температуры на величину электрического сопротивления жидкого электролита описывается формулой, показанной на рисунке. Поскольку температурный коэффициент α всегда отрицателен, по мере увеличения нагрева проводимость увеличивается, а сопротивление уменьшается, как показано на рисунке.

Это явление необходимо учитывать при зарядке жидких автомобильных аккумуляторов (и не только).

Влияние температуры на электрическое сопротивление полупроводников

Изменение свойств полупроводниковых материалов под воздействием температуры позволило использовать их в качестве:

Так называют полупроводники, которые изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии тепла. Их температурный коэффициент сопротивления (TCR) намного выше, чем у металлов.

Полупроводники могут иметь положительное или отрицательное значение RTD. Они делятся на положительные “PTC” и отрицательные “NTC” термисторы. У них разные характеристики.

Для работы термистора выбирается одна из точек на его вольт-амперной характеристике:

Линейная часть используется для контроля температуры или для компенсации изменяющихся токов или напряжений;

Нисходящая часть характеристической кривой для элементов с TCS.

Использование релейного термистора удобно для контроля или измерения процессов электромагнитной эмиссии, происходящих на сверхвысоких частотах. Это обеспечило их использование в системах для:

1. контроль тепла;

2. системы пожарной сигнализации;

3. контроль потока твердых и сыпучих жидкостей.

Кремниевые термисторы с низким TKC>0 используются в системах охлаждения транзисторов и стабилизации температуры.

Эти полупроводники работают на основе явления Зеебека: когда два разных металла нагреваются вместе, на границе замкнутого контура возникает ЭДС. Таким образом, они преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Структура, состоящая из двух таких элементов, называется термопарой. КПД термопары находится в диапазоне 7÷10%.

Термопары используются в измерителях температуры для цифровых вычислительных устройств, которые требуют малых размеров, высокой точности и низкого энергопотребления.

Твердотельные нагреватели и охладители

Они работают путем инвертирования термопар, через которые пропускается электрический ток. При этом происходит нагрев в одном узле и охлаждение в противоположном узле.

Полупроводниковые спаи на основе селена, висмута, сурьмы, теллура позволяют достичь разницы температур в термопаре до 60 градусов. Это позволило создать конструкцию холодильного шкафа для полупроводников, в котором температура охлаждающей камеры достигает -16 градусов Цельсия.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых представляет собой ток проводимости, рассматриваются как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считается, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решетки металла являются неупругими, т.е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение, а под воздействием электрического поля движутся упорядоченно и равномерно ускоренно.

Физика. 10 класс.

Металлы являются типичными представителями класса проводников. Какова природа электрического тока в металлах?

Природа электрического тока в металлах. В металлических проводниках носителями электрического заряда являются свободные электроны. При воздействии внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно перемещаются, образуя электрический ток (рис. 194).

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком К. Рикке (1845-1915) в 1901 году. Суть эксперимента Рике заключалась в следующем: через проволоку, состоящую из трех отполированных и прижатых друг к другу цилиндров – двух из меди и одного из алюминия (рис. 195), ток того же направления протекал в течение одного года. В течение этого времени через проводник протекал заряд более 3,5 МКл. В конце эксперимента цилиндры взвесили, и оказалось, что их масса не изменилась. Это было экспериментальное доказательство того, что перенос заряда при протекании тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, одинаковыми во всех металлах, а именно электронами.

В 1916 году американский физик Р. Толман (1881-1948) и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методы этих экспериментов и провели количественные измерения, которые окончательно доказали, что ток в металлических проводниках вызван движением свободных электронов.

В этих экспериментах катушка с большим числом витков тонкой проволоки подключалась к гальванометру и приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 195.1). Когда катушка быстро замедлялась, в цепи возникал кратковременный ток из-за инерции носителей заряда. Исходя из направления отклонения стрелки гальванометра, был сделан вывод, что электрический ток генерируется отрицательно заряженными частицами. Экспериментально полученное отношение заряда каждой частицы к ее массе (удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному в других экспериментах. Таким образом, было экспериментально доказано, что носителями свободного заряда в металлах являются электроны.

Вещества с электронной проводимостью называются проводники первого типа..

Согласно классической теории электронной проводимости металлов, разработанной немецким физиком П. Друде (1863-1906) в 1900 году, металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся вокруг равновесного положения (рис. 196).

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упростить следующим образом. Электроны на внешних оболочках атомов слабо связаны с их ядрами. Когда образуется кристалл, атомы приближаются друг к другу на расстояние r 0,1 нм, и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, поэтому они теряют связи с ними и могут перемещаться по кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами свободные электроны движутся беспорядочно, как молекулы идеального газа. Поэтому для описания движения электронов мы используем модель “электронного газа” – совокупности свободных электронов в кристаллической решетке металла. На рисунке 196.1 пунктирной линией показана траектория одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых представляет собой ток проводимости, рассматриваются как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считается, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами металлической решетки являются неупругими, т.е. при столкновениях электроны передают ионам всю кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение, в то время как под воздействием электрического поля они движутся упорядоченно и равномерно ускоренно.

Хорошо знать

Модель электронного газа позволяет теоретически объяснить природу сопротивления и обосновать закон Ома для участка цепи без источника тока, основываясь на классической электронной теории проводимости металлов. Давайте проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряженности электрического поля (рис. 196.2): где m₀ – масса электрона, e – элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона).

Тогда модуль средней скорости его направленного движения: где – усредненный интервал времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решетки.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородно, модуль напряженности этого поля где l – длина проводника, U – напряжение между его концами. Тогда модуль средней направленной скорости движения электрона пропорционален напряжению между концами проводника .

Ток в проводнике пропорционален модулю средней направленной скорости электронов:

где q – модуль заряда электронов проводимости в проводнике, – среднее время прохождения этих электронов через проводник, N – число электронов проводимости в проводнике, n – концентрация этих электронов, V = Sl – объем проводника. Поэтому сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника I U.

Читайте далее: