Temperaturkoefficient för motstånd

Det elektriska motståndet hos en ledare beror vanligtvis på ledarens material, på dess längd och tvärsnitt, eller, kortare, på motståndet och på ledarens geometriska dimensioner. Detta beroende är välkänt och uttrycks med formeln:

Känd för alla och Ohms lag för en homogen sektion av en elektrisk krets, av vilken det kan ses att ju högre resistans, desto lägre ström. Således, om trådens motstånd är konstant, bör strömmen öka linjärt när den applicerade spänningen ökar. Men i verkligheten är det inte så. Ledningarnas motstånd är inte konstant.

Du behöver inte gå långt för exempel. Om du ansluter en glödlampa till en justerbar strömkälla (med en voltmeter och en amperemeter) och gradvis ökar spänningen på den, vilket bringar den till det nominella värdet, kommer du lätt att se att strömmen inte växer linjärt: spänningen närmar sig lampans nominella värde växer strömmen genom dess spole allt långsammare och ljuset blir allt starkare.

Det finns inget sådant som att en fördubbling av spänningen på spolen kommer att fördubbla strömmen. Ohms lag verkar inte hålla. Faktum är att Ohms lag är uppfylld och exakt motståndet hos lampans glödtråd är inte konstant, det beror på temperaturen.

Låt oss komma ihåg vad som är orsaken till den höga elektriska ledningsförmågan hos metaller. Det är förknippat med förekomsten i metaller av ett stort antal laddningsbärare - nuvarande komponenter - ledningselektroner… Dessa är elektroner som bildas av metallatomernas valenselektroner, som är gemensamma för hela ledaren, de tillhör inte varje enskild atom.

Under inverkan av ett elektriskt fält som appliceras på ledaren går de fria ledningselektronerna från kaotisk till mer eller mindre ordnad rörelse - en elektrisk ström bildas. Men elektronerna stöter på hinder på vägen, inhomogeniteter i jongittret, såsom gallerdefekter, en inhomogen struktur som orsakas av dess termiska vibrationer.

Elektroner interagerar med joner, tappar momentum, deras energi överförs till gitterjonerna, omvandlas till gitterjonvibrationer, och kaoset i själva elektronernas termiska rörelse ökar, varifrån ledaren värms upp när strömmen passerar genom den.

I dielektrikum, halvledare, elektrolyter, gaser, opolära vätskor – anledningen till motståndet kan vara annorlunda, men Ohms lag förblir uppenbarligen inte permanent linjär.

För metaller leder således en ökning av temperaturen till en ännu större ökning av kristallgittrets termiska vibrationer, och motståndet mot ledningselektronernas rörelse ökar.Detta kan ses från experimentet med lampan: ljusstyrkan på glöden ökar, men strömmen ökar mindre. Detta innebär att temperaturförändringen påverkade lampglödtrådens resistans.

Som ett resultat blir det tydligt att motståndet metalltrådar beror nästan linjärt på temperaturen. Och om vi tar hänsyn till att vid uppvärmning ändras trådens geometriska dimensioner något, beror det elektriska motståndet också nästan linjärt på temperaturen. Dessa beroenden kan uttryckas med formlerna:

Låt oss vara uppmärksamma på oddsen. Antag att vid 0 ° C är ledarens resistans R0, då vid en temperatur t ° C kommer den att ta värdet R (t), och den relativa förändringen i motstånd kommer att vara lika med α * t ° C. Denna proportionalitetsfaktor α kallas resistansens temperaturkoefficient... Den kännetecknar ämnets elektriska resistans beroende av dess aktuella temperatur.

Denna koefficient är numeriskt lika med den relativa förändringen i elektriskt motstånd hos en ledare när dess temperatur ändras med 1K (en grad Kelvin, vilket motsvarar en temperaturförändring på en grad Celsius).

För metaller är TCR (temperaturkoefficient för resistans α), även om den är relativt liten, alltid större än noll, för när strömmen passerar kolliderar elektroner oftare med joner i kristallgittret, ju högre temperatur, t .is ju högre deras termiska kaotiska rörelse och desto högre hastighet.Kolliderar i kaotisk rörelse med gitterjoner förlorar metallens elektroner energi, vilket vi ser som ett resultat — motståndet ökar när tråden värms upp. Detta fenomen används tekniskt i motståndstermometrar.

Således kännetecknar temperaturkoefficienten för motståndet α beroendet av ämnets elektriska resistans på temperaturen och mäts i 1 / K — kelvin till styrkan av -1. Värdet med motsatt tecken kallas temperaturkonduktivitetskoefficienten.

När det gäller rena halvledare är TCS negativ för dem, det vill säga motståndet minskar med ökande temperatur, detta beror på att när temperaturen ökar så passerar fler och fler elektroner in i ledningszonen, samtidigt som koncentrationen av hål också ökar . Samma mekanism är karakteristisk för flytande opolära och fasta dielektrika.

Polära vätskor minskar kraftigt sitt motstånd med ökande temperatur på grund av en minskning av viskositeten och en ökning av dissociationen. Denna egenskap används för att skydda elektronrör från de destruktiva effekterna av höga inkopplingsströmmar.

För legeringar, dopade halvledare, gaser och elektrolyter är motståndets termiska beroende mer komplext än för rena metaller. Legeringar med mycket låg TCS, som manganin och konstantan, används i elektriska mätinstrument.