Hur motståndet beror på temperaturen

I sin praktik möter varje elektriker olika förutsättningar för passage av laddningsbärare i metaller, halvledare, gaser och vätskor. Strömmens storlek påverkas av det elektriska motståndet som förändras på olika sätt under påverkan av omgivningen.

En av dessa faktorer är exponering för temperatur. Eftersom det avsevärt ändrar strömflödesförhållandena, tas det hänsyn till det av designers vid tillverkning av elektrisk utrustning. Elektrisk personal som är involverad i underhåll och drift av elinstallationer måste kompetent använda dessa funktioner i praktiskt arbete.

Temperaturens inverkan på metallernas elektriska motstånd

I skolans fysikkurs föreslås det att genomföra ett sådant experiment: ta en amperemeter, ett batteri, en bit tråd, anslutningsledningar och en ficklampa. Istället för en amperemeter med batteri kan du ansluta en ohmmeter eller använda dess läge i en multimeter.

Därefter måste du montera den elektriska kretsen som visas på bilden och mäta strömmen i kretsen.Dess värde anges på milliammeterskalan med en svart pil.

Nu tar vi brännarens låga till tråden och börjar värma den. Om du tittar på amperemetern kommer du att se att nålen kommer att röra sig åt vänster och nå den position som är markerad med rött.

Resultatet av experimentet visar att när metaller värms upp minskar deras ledningsförmåga och deras motstånd ökar.

Den matematiska motiveringen av detta fenomen ges av formlerna till höger i bilden. I det lägre uttrycket syns tydligt att metallledarens elektriska motstånd «R» är direkt proportionell mot dess temperatur «T» och beror på flera andra parametrar.

Hur uppvärmning av metaller begränsar elektrisk ström i praktiken

Glödlampor

Varje dag när lamporna tänds möter vi manifestationen av denna egenskap i glödlampor. Låt oss utföra enkla mätningar på en 60 watts glödlampa.

Med den enklaste ohmmetern, som drivs av ett 4,5 V lågspänningsbatteri, mäter vi motståndet mellan basens kontakter och ser värdet på 59 ohm. Detta värde ägs av en kall tråd.

Vi skruvar in glödlampan i uttaget och ansluter till den genom amperemetern spänningen i hemnätverket på 220 volt. Amperemeternålen visar 0,273 ampere. Från Ohms lag för en del av en krets bestämma trådens motstånd i uppvärmt tillstånd. Den kommer att vara 896 ohm och överstiga den tidigare ohmmeteravläsningen med 15,2 gånger.

Detta överskott skyddar metallen i den lysande kroppen från bränning och förstörelse, vilket säkerställer dess långsiktiga drift under spänning.

Power-on transienter

När tråden fungerar skapas en termisk balans på den mellan uppvärmningen av den passerande elektriska strömmen och avlägsnandet av en del av värmen till omgivningen. Men i det inledande skedet av påslagning, när spänning appliceras, uppstår transienter, vilket skapar en inkopplingsström, vilket kan orsaka att glödtråden brinner ut.

Transienta processer inträffar under en kort tid och orsakas av det faktum att ökningen av det elektriska motståndet vid uppvärmning av metallen inte håller jämna steg med ökningen av strömmen. Efter att de är färdiga etableras driftsättet.

När lampan lyser under en längre tid, når tjockleken på dess glödtråd gradvis ett kritiskt tillstånd, vilket leder till förbränning. Oftast inträffar detta ögonblick vid nästa nya påslagning.

För att förlänga lampans livslängd reduceras denna startström på olika sätt med:

1. anordningar som ger smidig tillförsel och frigöring av spänningar;

2. kretsar för seriekoppling till en filament av motstånd, halvledare eller termistorer (termistorer).

Ett exempel på ett sätt att begränsa startströmmen för fordonsbelysningsarmaturer visas på bilden nedan.

Här tillförs strömmen till glödlampan efter att omkopplaren SA slagits på genom FU-säkringen och begränsas av motståndet R, vars nominella värde väljs så att startströmmen under transienter inte överstiger det nominella värdet.

När glödtråden värms upp ökar dess motstånd, vilket leder till en ökning av potentialskillnaden mellan dess kontakter och den parallellkopplade spolen på KL1-reläet.När spänningen når reläets inställningsvärde kommer den normalt öppna kontakten på KL1 att stänga och förbigå motståndet. Driftströmmen för det redan etablerade läget kommer att börja flöda genom glödlampan.

Motståndstermometer

Effekten av metallens temperatur på dess elektriska motstånd används vid driften av mätinstrument. De kallas motståndstermometrar.

Deras känsliga element är tillverkat av en tunn metalltråd vars motstånd noggrant mäts vid vissa temperaturer. Denna gänga är monterad i ett hus med stabila termiska egenskaper och täckt med ett skyddskåpa. Den skapade strukturen placeras i en miljö vars temperatur ständigt måste övervakas.

Ledarna i den elektriska kretsen är monterade på terminalerna på det känsliga elementet, som ansluter resistansmätningskretsen. Dess värde konverteras till temperaturvärden baserat på den tidigare utförda kalibreringen av enheten.

Barretter — strömstabilisator

Detta är namnet på en enhet som består av en glasförseglad cylinder med vätgas och en spiral av metalltråd gjord av järn, volfram eller platina. Denna design liknar en glödlampa till utseendet, men har en specifik icke-linjär ström-spänningskaraktäristik.

På I - V-karakteristiken, i ett visst område av den, bildas en arbetszon, som inte beror på fluktuationerna i spänningen som appliceras på värmeelementet. I detta område kompenserar bareten strömförsörjningens rippel väl och fungerar som en strömstabilisator för en last kopplad i serie med den.

Funktionen av spännhylsan är baserad på egenskaperna hos den termiska trögheten hos glödtrådskroppen, som tillhandahålls av det lilla tvärsnittet av glödtråden och den höga värmeledningsförmågan hos vätet som omger den. Därför, när enhetens spänning minskar, accelererar avlägsnandet av värme från dess filament.

Detta är huvudskillnaden mellan glödlampor och glödlampor, där de för att bibehålla glödens ljusstyrka försöker minska den konvektiva värmeförlusten från glödtråden.

Superledningsförmåga

Under normala omgivningsförhållanden, när en metallledare svalnar, minskar dess elektriska motstånd.

När den kritiska temperaturen uppnås, nära noll grader enligt Kelvins mätsystem, sker ett kraftigt fall i motståndet till noll. Den högra bilden visar ett sådant beroende av kvicksilver.

Detta fenomen, kallat supraledning, anses vara ett lovande forskningsområde för att skapa material som avsevärt kan minska förlusten av elektricitet under dess överföring över långa avstånd.

Fortsatta studier av supraledning visar dock ett antal mönster där andra faktorer påverkar det elektriska motståndet hos en metall i det kritiska temperaturområdet. I synnerhet när växelström passerar med en ökning av frekvensen av dess svängningar, uppstår ett motstånd, vars värde når området för normala värden för övertoner med en period av ljusvågor.

Temperaturens inverkan på gasernas elektriska resistans/ledningsförmåga

Gaser och normal luft är dielektriska och leder inte elektricitet.Dess bildning kräver laddningsbärare, som är joner som bildas som ett resultat av yttre faktorer.

Uppvärmning kan orsaka jonisering och rörelse av joner från en pol av mediet till en annan. Du kan kontrollera detta med exemplet på ett enkelt experiment. Låt oss ta samma utrustning som användes för att bestämma effekten av uppvärmning på motståndet hos en metallledare, men istället för en ledare kopplar vi två metallplattor åtskilda av ett luftutrymme till ledarna.

En amperemeter ansluten till kretsen visar ingen ström. Om brännarens låga placeras mellan plattorna, kommer enhetens pil att avvika från noll och visa värdet på strömmen som passerar genom gasmediet.

Således fann man att jonisering sker i gaser vid upphettning, vilket leder till rörelse av elektriskt laddade partiklar och en minskning av mediets motstånd.

Värdet på strömmen påverkas av kraften hos den externa pålagda spänningskällan och potentialskillnaden mellan dess kontakter. Det är kapabelt att bryta igenom det isolerande lagret av gaser vid höga värden. En typisk manifestation av ett sådant fall i naturen är den naturliga urladdningen av blixten under ett åskväder.

En ungefärlig bild av ström-spänningskarakteristiken för strömflödet i gaser visas i grafen.

I det inledande skedet, under påverkan av temperatur- och potentialskillnad, observeras en ökning av jonisering och strömpassage ungefär linjärt. Kurvan får då en horisontell riktning när en spänningsökning inte leder till en ökning av strömmen.

Det tredje steget av förstörelse inträffar när den höga energin i det applicerade fältet accelererar joner så att de börjar kollidera med neutrala molekyler och massivt bildar nya laddningsbärare från dem. Som ett resultat ökar strömmen kraftigt, vilket bildar en nedbrytning av det dielektriska skiktet.

Praktisk användning av gasledningsförmåga

Fenomenet strömflöde genom gaser används i radioelektronlampor och lysrör.

För detta ändamål placeras två elektroder i en förseglad glascylinder med en inert gas:

1. anod;

2. katod.

I ett lysrör är de gjorda i form av glödtrådar som värms upp när de slås på för att skapa termionisk strålning. Den inre ytan av kolven är belagd med ett skikt av fosfor. Den avger det synliga spektrum av ljus som bildas av infraröd strålning som sänds ut av kvicksilverånga bombarderad av en ström av elektroner.

Urladdningsströmmen uppstår när en spänning av ett visst värde appliceras mellan elektroderna placerade i olika ändar av glödlampan.

När ett av glödtrådarna brinner ut, kommer elektronemissionen från denna elektrod att störas och lampan kommer inte att brinna ut. Men om du ökar potentialskillnaden mellan katoden och anoden, kommer en gasurladdning igen att dyka upp inuti glödlampan och fosforluminescensen kommer att återupptas.

Detta möjliggör användning av LED-lampor med skadade glödtrådar och förlänger deras livslängd. Man bör bara komma ihåg att det samtidigt är nödvändigt att öka spänningen på den flera gånger, och detta ökar avsevärt energiförbrukningen och riskerna för säker användning.

Temperaturens inverkan på vätskors elektriska motstånd

Passagen av ström i vätskor skapas främst på grund av rörelsen av katjoner och anjoner under inverkan av ett externt elektriskt fält. Endast en liten del av konduktiviteten tillhandahålls av elektroner.

Effekten av temperatur på det elektriska motståndet hos en flytande elektrolyt beskrivs av formeln som visas på bilden. Eftersom värdet på temperaturkoefficienten α i den alltid är negativ, ökar ledningsförmågan när uppvärmningen ökar och motståndet minskar, som visas i grafen.

Detta fenomen bör beaktas vid laddning av flytande bilbatterier (och inte bara).

Temperaturens inverkan på det elektriska motståndet hos halvledare

Att ändra egenskaperna hos halvledarmaterial under påverkan av temperatur gjorde det möjligt att använda dem som:

• termisk resistans;

• termoelement;

• kylskåp;

• värmare.

Termistorer

Detta namn betyder halvledarenheter som ändrar sitt elektriska motstånd under inverkan av värme. Deras temperaturkoefficient för motstånd (TCR) betydligt högre än för metaller.

TCR-värdet för halvledare kan vara positivt eller negativt. Enligt denna parameter är de uppdelade i positiva «RTS» och negativa «NTC» termistorer. De har olika egenskaper.

För driften av termistorn väljs en av punkterna i dess strömspänningskarakteristik:

• linjär sektion används för att kontrollera temperatur eller kompensera för ändrade strömmar eller spänningar;

• den nedåtgående grenen av I-V-karakteristiken för element med TCS <0 tillåter användning av en halvledare som ett relä.

Användningen av en relätermistor är bekväm för att övervaka eller mäta elektromagnetiska strålningsprocesser som sker vid ultrahöga frekvenser. Detta säkerställer deras användning i system:

1. värmekontroll;

2. brandlarm;

3. reglering av flödet av bulkmedia och vätskor.

Kiseltermistorer med liten TCR > 0 används i kylsystem och temperaturstabilisering av transistorer.

Termoelement

Dessa halvledare arbetar på grundval av Seebeck-fenomenet: när lödfogen av två dispergerade metaller värms upp, uppstår en EMF i korsningen av en sluten krets. På så sätt omvandlar de termisk energi till elektrisk energi.

En konstruktion av två sådana element kallas ett termoelement. Dess effektivitet är inom 7 ÷ 10 %.

Termoelement används i termometrar för digitala datorenheter som kräver miniatyrstorlek och hög avläsningsnoggrannhet, såväl som strömkällor med låg effekt.

Halvledarvärmare och kylskåp

De fungerar genom att återanvända termoelement genom vilka en elektrisk ström passerar. I det här fallet, på en plats i korsningen, värms den upp, och i den motsatta kyls den.

Halvledaranslutningar baserade på selen, vismut, antimon, tellur gör det möjligt att säkerställa en temperaturskillnad i termoelementet upp till 60 grader. Detta gjorde det möjligt att skapa en design av ett kylskåp av halvledare med en temperatur i kylkammaren ner till -16 grader.