Kurių medžiagų atsparumas labai priklauso nuo temperatūros. Metalų elektrinės varžos priklausomybė nuo temperatūros

Patirtis pagal bendruosius 46 § svarstymus rodo, kad laidininko varža taip pat priklauso nuo jo temperatūros.

Apvyniokime kelis metrus plonos (0,1-0,2 mm skersmens) geležinės vielos 1 spiralės pavidalu ir prijungkime prie grandinės, kurioje yra galvaninių elementų baterija 2 ir ampermetras 3 (81 pav.). Šio laido varžą parenkame taip, kad kambario temperatūroje ampermetro adata nukryptų beveik per visą skalę. Atsižvelgdami į ampermetro rodmenis, mes stipriai kaitiname laidą naudodami degiklį. Pamatysime, kad jam šylant srovė grandinėje mažėja, vadinasi, kaitinant didėja laido varža. Toks rezultatas atsiranda ne tik su geležimi, bet ir su visais kitais metalais. Kylant temperatūrai, metalų atsparumas didėja. Kai kuriems metalams šis padidėjimas yra reikšmingas: gryniems metalams kaitinant iki 100°C jis siekia 40-50 %; lydiniams jis paprastai yra mažesnis. Yra specialių lydinių, kurių atsparumas beveik nesikeičia didėjant temperatūrai; Tai, pavyzdžiui, konstantanas (iš lotyniško žodžio constans – pastovus) ir manganinas. Konstantanas naudojamas kai kuriems matavimo prietaisams gaminti.

Ryžiai. 81. Eksperimentas, parodantis laido varžos priklausomybę nuo temperatūros. Kaitinant, laido varža didėja: 1 – viela, 2 – galvaninių elementų baterija, 3 – ampermetras

Priešingu atveju kaitinant pasikeičia elektrolitų varža. Pakartokime aprašytą eksperimentą, bet vietoj geležinės vielos į grandinę įvesime kažkokį elektrolitą (82 pav.). Pamatysime, kad kaitinant elektrolitą ampermetro rodmenys visą laiką didėja, o tai reiškia, kad kylant temperatūrai elektrolitų varža mažėja. Atkreipkite dėmesį, kad kaitinant mažėja ir anglies bei kai kurių kitų medžiagų atsparumas.

Ryžiai. 82. Eksperimentas, parodantis elektrolito varžos priklausomybę nuo temperatūros. Kaitinant sumažėja elektrolito varža: 1 – elektrolitas, 2 – galvaninių elementų baterija, 3 – ampermetras.

Atsparumo termometrams konstruoti naudojama metalų atsparumo priklausomybė nuo temperatūros. Paprasčiausiu pavidalu tai plona platininė viela, suvyniota ant žėručio plokštelės (83 pav.), kurios atsparumas įvairioms temperatūroms yra gerai žinomas. Korpuso viduje, kurio temperatūrą norite matuoti (pavyzdžiui, orkaitėje), įdedamas varžos termometras, o apvijos galai prijungiami prie grandinės. Išmatavus apvijos varžą galima nustatyti temperatūrą. Tokie termometrai dažnai naudojami matuoti labai aukštą ir labai žemą temperatūrą, kuriai esant gyvsidabrio termometrai nebetinkami.

Ryžiai. 83. Atsparumo termometras

Laidininko varžos padidėjimas, kai jis įkaista 1°C, padalintas iš pradinės varžos, vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu ir dažniausiai žymimas raide. Paprastai tariant, pats atsparumo temperatūros koeficientas priklauso nuo temperatūros. Reikšmė turi vieną reikšmę, pavyzdžiui, jei temperatūrą padidiname nuo 20 iki 21°C, ir kitą, jei padidinsime temperatūrą nuo 200 iki 201°C. Tačiau daugeliu atvejų pokytis gana plačiame temperatūros diapazone yra nereikšmingas, todėl galima naudoti vidutinę šio diapazono vertę. Jei laidininko varža esant temperatūrai lygi , o esant temperatūrai lygi , tada vidutinė vertė

. (48.1)

Paprastai varža 0°C temperatūroje laikoma verte.

3 lentelė. Vidutinis kai kurių laidininkų atsparumo temperatūros koeficientas (nuo 0 iki 100 °C)

Lentelėje 3 lentelėje parodytos kai kurių laidininkų vertės.

48.1. Kai įjungiate lemputę, srovė grandinėje pirmą akimirką skiriasi nuo srovės, kuri teka po to, kai lemputė pradeda šviesti. Kaip kinta srovė grandinėje su angline lempa ir lempoje su metaliniu siūlu?

48.2. Išjungtos kaitrinės lemputės su volframo siūleliu varža yra 60 omų. Visiškai įkaitus lemputės varža padidėja iki 636 omų. Kokia karšto siūlelio temperatūra? Naudokite lentelę. 3.

48.3. Elektrinės krosnies su nikelio apvija varža nešildomoje būsenoje yra 10 omų. Kokia bus šios krosnies varža, kai jos apvija įkaitinama iki 700°C? Naudokite lentelę. 3.

Viena iš bet kurio laidžio savybių elektros medžiaga yra atsparumo priklausomybė nuo temperatūros. Jei pavaizduosite jį grafiko pavidalu, kur horizontalioje ašyje pažymėti laiko intervalai (t), o vertikalioje – ominės varžos reikšmė (R), gausite trūkinę liniją. Atsparumo priklausomybė nuo temperatūros schematiškai susideda iš trijų sekcijų. Pirmasis atitinka nedidelį kaitinimą - šiuo metu pasipriešinimas keičiasi labai nežymiai. Tai vyksta iki tam tikro taško, po kurio grafiko linija smarkiai pakyla aukštyn - tai yra antra dalis. Trečiasis ir paskutinis komponentas yra tiesi linija, besitęsianti aukštyn nuo taško, kuriame sustojo R augimas, santykinai mažu kampu horizontalios ašies atžvilgiu.

Fizinė šio grafiko prasmė yra tokia: varžos priklausomybė nuo laidininko temperatūros apibūdinama kaip paprasta tol, kol kaitinimo vertė viršija tam tikrą vertę, būdingą konkrečiai šios medžiagos. Pateikiame abstraktų pavyzdį: jei esant +10°C temperatūrai medžiagos varža yra 10 omų, tai iki 40°C R reikšmė praktiškai nepasikeis, likdama matavimo paklaidos ribose. Tačiau jau esant 41 ° C atsparumas padidės iki 70 omų. Jei tolesnis temperatūros kilimas nesiliauja, tada kiekvienam paskesniam laipsniui bus papildomi 5 omai.

Ši savybė plačiai naudojama įvairiuose elektros prietaisuose, todėl natūralu pateikti duomenis apie varį kaip vieną iš labiausiai paplitusių medžiagų. varinis laidininkas kaitinant už kiekvieną papildomą laipsnį, atsparumas padidėja puse procento nuo konkrečios vertės (galima rasti nuorodinėse lentelėse, pateiktose 20 ° C, 1 m ilgio ir 1 kv. mm skerspjūvio).

Kai jis atsiranda metaliniame laidininke, atsiranda elektros srovė - kryptingas elementariųjų dalelių judėjimas su krūviu. Metalo mazguose esantys jonai nepajėgia ilgai išlaikyti elektronų savo išorinėse orbitose, todėl laisvai juda per visą medžiagos tūrį iš vieno mazgo į kitą. Šį chaotišką judėjimą sukelia išorinė energija – šiluma.

Nors judėjimo faktas yra akivaizdus, ​​jis nėra kryptingas, todėl nelaikomas srove. Atsiradus elektriniam laukui, elektronai orientuojasi pagal jo konfigūraciją, formuodami kryptingą judėjimą. Bet kadangi šiluminis efektas niekur nedingo, chaotiškai judančios dalelės susiduria su nukreiptais laukais. Metalo varžos priklausomybė nuo temperatūros parodo trukdžių srovei pratekėjimą kiekį. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis laidininko R.

Akivaizdi išvada: sumažinę šildymo laipsnį, galite sumažinti pasipriešinimą. (apie 20°K) tiksliai charakterizuojamas reikšmingu terminio chaotiško dalelių judėjimo medžiagos struktūroje sumažėjimu.

Ši laidžių medžiagų savybė buvo plačiai pritaikyta elektrotechnikoje. Pavyzdžiui, naudojama laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros elektroniniai jutikliai. Žinodami jo vertę bet kuriai medžiagai, galite pagaminti termistorių, prijungti jį prie skaitmeninio ar analoginio skaitymo įrenginio, atlikti atitinkamą skalės kalibravimą ir naudoti kaip alternatyvą Dauguma šiuolaikinių temperatūros jutiklių yra pagrįsti būtent šiuo principu, nes patikimumas yra didesnis, o dizainas paprastesnis.

Be to, atsparumo priklausomybė nuo temperatūros leidžia apskaičiuoti elektros variklių apvijų įkaitimą.

Kiekviena medžiaga turi savo varža. Be to, varža priklausys nuo laidininko temperatūros. Patikrinkite tai atlikdami toliau pateiktą eksperimentą.

Praleiskime srovę per plieninę spiralę. Grandinėje su spirale nuosekliai sujungiame ampermetrą. Tai parodys tam tikrą vertę. Dabar kaitinsime spiralę liepsnoje dujų degiklis. Ampermetro rodoma dabartinė vertė sumažės. Tai yra, srovės stiprumas priklausys nuo laidininko temperatūros.

Atsparumo pokytis priklausomai nuo temperatūros

Tarkime, kad esant 0 laipsnių temperatūrai laidininko varža lygi R0, o esant temperatūrai t varža lygi R, tada santykinis varžos pokytis bus tiesiogiai proporcingas temperatūros pokyčiui t:

• (R-R0)/R=a*t.

Šioje formulėje a yra proporcingumo koeficientas, kuris dar vadinamas temperatūros koeficientu. Jis apibūdina medžiagos atsparumo priklausomybę nuo temperatūros.

Temperatūros pasipriešinimo koeficientas skaitine prasme lygus santykiniam laidininko varžos pokyčiui, kai jis įkaista 1 kelvinu.

Visiems metalams temperatūros koeficientas Virš nulio. Jis šiek tiek pasikeis keičiantis temperatūrai. Todėl, jei temperatūros pokytis yra mažas, tada temperatūros koeficientas gali būti laikomas pastoviu ir lygus vidutinei vertei iš šio temperatūros diapazono.

Didėjant temperatūrai, elektrolitų tirpalų varža mažėja. Tai yra, jiems temperatūros koeficientas bus mažiau nei nulis.

Laidininko varža priklauso nuo laidininko savitosios varžos ir laidininko dydžio. Kadangi kaitinant laidininko matmenys šiek tiek pasikeičia, pagrindinis laidininko varžos pokyčio komponentas yra savitoji varža.

Laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros

Pabandykime surasti laidininko savitosios varžos priklausomybę nuo temperatūros.

Pakeiskime varžos reikšmes R=p*l/S R0=p0*l/S į aukščiau gautą formulę.

Gauname tokią formulę:

• p=p0(1+a*t).

Ši priklausomybė parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje.

Pabandykime išsiaiškinti, kodėl pasipriešinimas didėja

Kai padidiname temperatūrą, jonų virpesių amplitudė kristalinės gardelės mazguose didėja. Todėl laisvieji elektronai su jais susidurs dažniau. Susidūrimo metu jie praras judėjimo kryptį. Dėl to srovė sumažės.

Beveik visų medžiagų elektrinė varža priklauso nuo temperatūros. Šios priklausomybės prigimtis yra skirtingos medžiagos skirtinga.

Metaluose, kurie turi kristalinę struktūrą, laisvą elektronų, kaip krūvininkų, kelią riboja jų susidūrimai su jonais, esančiais kristalinės gardelės mazguose. Susidūrimų metu elektronų kinetinė energija perkeliama į gardelę. Po kiekvieno susidūrimo elektronai, veikiami elektrinio lauko jėgų, vėl padidina greitį ir vėlesnių susidūrimų metu atiduoda įgytą energiją kristalinės gardelės jonams, padidindami jų virpesius, o tai padidina medžiagos temperatūra. Taigi elektronai gali būti laikomi tarpininkais elektros energiją paverčiant šilumine energija. Temperatūros padidėjimą lydi chaotiško šiluminio medžiagos dalelių judėjimo padidėjimas, dėl kurio padidėja elektronų susidūrimų su jomis skaičius ir apsunkinamas tvarkingas elektronų judėjimas.

Daugumos metalų darbinėje temperatūroje varža didėja tiesiškai

Kur Ir - varža pradinėje ir galutinėje temperatūroje;

- pastovus tam tikro metalo koeficientas, vadinamas atsparumo temperatūros koeficientu (TCR);

T1 ir T2 – pradinė ir galutinė temperatūra.

Antrojo tipo laidininkams, padidėjus temperatūrai, padidėja jų jonizacija, todėl šio tipo laidininkų TCS yra neigiamas.

Medžiagų ir jų TCS varžos vertės pateiktos žinynuose. Paprastai varžos vertės paprastai pateikiamos esant +20 °C temperatūrai.

Laidininko varža pateikiama pagal

R2 = R1
(2.1.2)

3 užduotis Pavyzdys

Nustatykite dviejų laidų perdavimo linijos vario laido varžą + 20 ° C ir + 40 ° C temperatūroje, jei laido skerspjūvis S =

120 mm , o linijos ilgis = 10 km.

Sprendimas

Naudodami atskaitos lenteles randame varžą vario esant + 20 °C ir temperatūros atsparumo koeficientui :

= 0,0175 Ohm mm /m; = 0,004 laipsnio .

Nustatykime laido varžą esant T1 = +20 °C pagal formulę R = , atsižvelgiant į linijos priekinių ir grįžtamųjų laidų ilgį:

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

Laidų varžą + 40°C temperatūroje randame pagal formulę (2.1.2)

R2 = 2,917 = 3,15 omo.

Pratimas

L ilgio trijų laidų oro linija pagaminta iš vielos, kurios markė nurodyta 2.1 lentelėje. Reikšmę, pažymėtą ženklu „?“, reikia rasti naudojant pateiktą pavyzdį ir pasirenkant parinktį su jame nurodytais duomenimis iš 2.1 lentelės.

Reikėtų pažymėti, kad problema, skirtingai nei pavyzdys, apima skaičiavimus, susijusius su vienos linijos laidu. Plikų laidų markėse raidė nurodo vielos medžiagą (A - aliuminis; M - varis), o skaičius nurodo laido skerspjūvį mm .

2.1 lentelė

Temos medžiagos studijavimas baigiamas darbu su testais Nr.2 (TOE-

ETM/PM“ ir Nr. 3 (TOE – ETM/IM)

> Atsparumo priklausomybė nuo temperatūros

Sužinokite, kaip atsparumas priklauso nuo temperatūros: medžiagos varžos ir varžos priklausomybės nuo temperatūros palyginimas, puslaidininkis.

Atsparumas ir varža yra pagrįsti temperatūra ir yra linijinio pobūdžio.

Mokymosi tikslas

• Palyginkite specifinės ir įprastos varžos priklausomybę nuo temperatūros esant dideliems ir mažiems svyravimams.

Pagrindiniai taškai

• Kai temperatūra pasikeičia 100°C, savitoji varža (ρ) kinta esant ΔT taip: p = p 0 (1 + αΔT), kur ρ 0 – pradinė savitoji varža, o α – varžos temperatūros koeficientas.
• Esant dideliems temperatūros pokyčiams, pastebimas netiesinis varžos pokytis.
• Objekto varža yra tiesiogiai proporcinga specifinei varžai, todėl ji turi tokią pačią priklausomybę nuo temperatūros.

Sąlygos

• Puslaidininkis yra medžiaga su elektrines savybes, kurie apibūdina jį kaip gerą laidininką ar izoliatorių.
• Temperatūros varžos koeficientas yra empirinis dydis (α), apibūdinantis varžos arba savitosios varžos pokytį priklausomai nuo temperatūros.
• Atsparumas yra medžiagos pasipriešinimo elektros srautui laipsnis.

Medžiagų atsparumas priklauso nuo temperatūros, todėl galima atsekti varžos priklausomybę nuo temperatūros. Kai kurie iš jų gali tapti superlaidininkais (nulinis pasipriešinimas) esant labai žemai temperatūrai, o kiti gali tapti superlaidininkais esant aukštai temperatūrai. Atomų vibracijos greitis didėja dideliais atstumais, todėl per metalą judantys elektronai dažniau susiduria ir padidina pasipriešinimą. Atsparumo pokyčiai esant temperatūrai ΔT:

Tam tikro gyvsidabrio mėginio varža pasiekia nulį esant itin žemai temperatūrai (4,2 K). Jei indikatorius yra virš šios žymos, tada staigus pasipriešinimo šuolis, o tada beveik tiesinis padidėjimas didėjant temperatūrai

p = p 0 (1 + αΔT), kur ρ 0 – pradinė savitoji varža, o α – varžos temperatūros koeficientas. Esant dideliems temperatūros pokyčiams, α gali pasikeisti, o norint rasti p, gali prireikti netiesinės lygties. Štai kodėl kartais jie palieka temperatūros, kurioje pasikeitė medžiaga, galūnę (pavyzdžiui, α15).

Verta paminėti, kad α yra teigiamas metalams, o varža didėja didėjant temperatūrai. Paprastai temperatūros koeficientas yra nuo +3 × 10 -3 K -1 iki +6 × 10 -3 K -1 metalams maždaug kambario temperatūroje. Yra lydinių, kurie specialiai sukurti siekiant sumažinti priklausomybę nuo temperatūros. Pavyzdžiui, manganino α yra artimas nuliui.

Taip pat nepamirškite, kad α yra neigiamas puslaidininkiams, tai yra, jų varža mažėja didėjant temperatūrai. Tai puikūs laidininkai aukšta temperatūra, nes padidintos temperatūros maišymas padidina nemokamų mokesčių, galimų perduoti srovę, kiekį.

Objekto atsparumas taip pat priklauso nuo temperatūros, nes R 0 yra tiesiogiai proporcingas p. Žinome, kad cilindrui R = ρL/A. Jei L ir A mažai kinta priklausomai nuo temperatūros, tai R turi tokią pat priklausomybę nuo temperatūros kaip ir ρ. Paaiškėja:

R = R 0 (1 + αΔT), kur R 0 – pradinė varža, o R – varža pakeitus temperatūrą T.

Pažiūrėkime į temperatūros jutiklio varžą. Daugelis termometrų veikia pagal šią schemą. Dažniausias pavyzdys yra termistorius. Tai puslaidininkinis kristalas, turintis didelę priklausomybę nuo temperatūros. Prietaisas yra mažas, todėl greitai pasiekia šiluminę pusiausvyrą su liečiama žmogaus dalimi.

Termometrai yra pagrįsti automatiniu termistoriaus temperatūros atsparumo matavimu