Една от характеристиките на всеки проводник електрически токматериал е зависимостта на съпротивлението от температурата. Ако го изобразите под формата на графика, където интервалите от време (t) са отбелязани на хоризонталната ос, а стойността на омичното съпротивление (R) е отбелязана на вертикалната ос, ще получите прекъсната линия. Зависимостта на съпротивлението от температурата схематично се състои от три раздела. Първият съответства на леко нагряване - по това време съпротивлението се променя много леко. Това се случва до определен момент, след което линията на графиката рязко се издига - това е вторият участък. Третият и последен компонент е права линия, простираща се нагоре от точката, в която растежът на R е спрял, под сравнително малък ъгъл спрямо хоризонталната ос.

Физическото значение на тази графика е следното: зависимостта на съпротивлението от температурата на проводника се описва по прост начин, докато топлинната стойност надвиши определена стойност, характерна за даден материал. Да дадем абстрактен пример: ако при температура от +10°C съпротивлението на дадено вещество е 10 ома, то до 40°C стойността на R практически не се променя, оставайки в рамките на грешката на измерване. Но вече при 41°C ще има скок в съпротивлението до 70 ома. Ако по-нататъшното повишаване на температурата не спре, тогава за всеки следващ градус ще има допълнителни 5 ома.

Това свойство се използва широко в различни електрически устройства, така че е естествено да се предоставят данни за медта като един от най-разпространените материали в Така, за меден проводникнагряване за всяка допълнителна степен води до увеличаване на съпротивлението с половин процент от специфичната стойност (може да се намери в референтни таблици, дадени за 20 ° C, 1 m дължина с напречно сечение 1 кв. mm).

Когато се появи в метален проводник, се появява електрически ток - насоченото движение на елементарни частици със заряд. Йоните, разположени в метални възли, не са в състояние да задържат електрони във външните им орбити за дълго време, така че те се движат свободно в целия обем на материала от един възел до друг. Това хаотично движение се предизвиква от външна енергия – топлина.

Въпреки че фактът на движение е очевиден, той не е насочен и следователно не се счита за течение. Кога електрическо полеелектроните се ориентират според неговата конфигурация, образувайки насочено движение. Но тъй като топлинният ефект не е изчезнал никъде, хаотично движещите се частици се сблъскват с насочени полета. Зависимостта на съпротивлението на метала от температурата показва количеството смущения при преминаването на тока. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висок е R на проводника.

Очевидното заключение: чрез намаляване на степента на нагряване можете да намалите съпротивлението. (около 20°K) се характеризира именно със значително намаляване на термичното хаотично движение на частиците в структурата на веществото.

Открито е разглежданото свойство на проводимите материали широко приложениепо електротехника. Например, зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата се използва в електронните сензори. Знаейки стойността му за всеки материал, можете да направите термистор, да го свържете към цифрово или аналогово устройство за отчитане, да извършите подходящо калибриране на скалата и да го използвате като алтернатива Повечето съвременни температурни сензори са базирани точно на този принцип, защото надеждността е такава по-висока и дизайнът е по-прост.

В допълнение, зависимостта на съпротивлението от температурата позволява да се изчисли нагряването на намотките на електродвигателя.

има различни условия, при които носителите на заряд преминават през определени материали. А зарядът на електрическия ток се влияе пряко от съпротивлението, което има зависимост от среда. Факторите, които променят потока на електрически ток, включват температура. В тази статия ще разгледаме зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата.

Метали

Как температурата влияе на металите? За да се установи тази връзка, беше проведен следният експеримент: батерия, амперметър, проводник и горелка са свързани помежду си с помощта на проводници. След това трябва да измерите тока във веригата. След като бъдат взети показанията, трябва да донесете горелката до жицата и да я загреете. Когато жицата се нагрее, се вижда, че съпротивлението се увеличава и проводимостта на метала намалява.

1. Метална тел
2. Батерия
3. Амперметър

Зависимостта е посочена и обоснована с формулите:

От тези формули следва, че R на проводника се определя по формулата:

Във видеото е даден пример за зависимостта на съпротивлението на метала от температурата:

Също така трябва да обърнете внимание на такова свойство като свръхпроводимост. Ако условията на околната среда са нормални, след като проводниците се охладят, те намаляват съпротивлението си. Графиката по-долу показва как температурата и съпротивлениев живак.

Свръхпроводимостта е явление, което възниква, когато даден материал достигне критична температура (по-близо до нула Келвин), при която съпротивлението внезапно намалява до нула.

Газове

Газовете действат като диелектрици и не могат да провеждат електрически ток. А за да се образува, са необходими носители на заряд. Тяхната роля се играе от йони и те възникват поради влиянието на външни фактори.

Зависимостта може да се илюстрира с пример. За експеримента се използва същият дизайн, както в предишния експеримент, само че проводниците са заменени с метални пластини. Между тях трябва да има малко разстояние. Амперметърът трябва да показва липса на ток. При поставяне на горелка между плочите, устройството ще покаже тока, който преминава през газовата среда.

По-долу е дадена графика на характеристиките на тока и напрежението на газовия разряд, която показва, че нарастването на йонизацията в началния етап се увеличава, след това зависимостта на тока от напрежението остава непроменена (тоест, когато напрежението се увеличава, токът остава същата) и рязко покачванесила на тока, което води до разрушаване на диелектричния слой.

Нека разгледаме проводимостта на газовете на практика. Преминаването на електрически ток в газове се използва в флуоресцентни лампи и лампи. В този случай катодът и анодът, два електрода се поставят в колба, вътре в която има инертен газ. Как това явление зависи от газа? Когато лампата е включена, двете нишки се нагряват и се създава термоемисия. Вътрешността на крушката е покрита с фосфор, който излъчва светлината, която виждаме. Как живакът зависи от фосфора? Живачните пари, когато са бомбардирани с електрони, произвеждат инфрачервено лъчение, което на свой ред излъчва светлина.

Ако се приложи напрежение между катода и анода, възниква газова проводимост.

Течности

Проводници на ток в течност са аниони и катиони, които се движат поради електричество външно поле. Електроните осигуряват малка проводимост. Нека разгледаме зависимостта на съпротивлението от температурата в течности.

1. Електролит
2. Батерия
3. Амперметър

Зависимостта на ефекта на електролитите върху нагряването се определя от формулата:

Където a е отрицателният температурен коефициент.

Как R зависи от нагряването (t) е показано на графиката по-долу:

Тази зависимост трябва да се вземе предвид при зареждане на батерии и батерии.

полупроводници

Как съпротивлението зависи от нагряването в полупроводниците? Първо, нека поговорим за термисторите. Това са устройства, които променят своите електрическо съпротивлениепод въздействието на топлина. Този полупроводник има температурен коефициент на съпротивление (TCR), който е с порядък по-висок от този на металите. Както положителните, така и отрицателните проводници имат определени характеристики.

Където: 1 е TKS по-малко от нула; 2 – TCS е по-голямо от нула.

За да започнат да работят проводници като термистори, всяка точка от характеристиката ток-напрежение се взема като основа:

• ако температурата на елемента е по-малка от нула, тогава такива проводници се използват като релета;
• За да контролирате променящия се ток, както и каква температура и напрежение, използвайте линейна секция.

При проверка и измерване се използват термистори електромагнитно излъчване, които се осъществяват при свръхвисоки честоти. Поради това тези проводници се използват в системи като пожароизвестяване, проверка на топлината и наблюдение на консумацията на насипни среди и течности. Тези термистори с TCR по-малко от нула се използват в охладителни системи.

Сега за термоелементите. Как феноменът на Seebeck засяга термоелементите? Зависимостта се крие във факта, че такива проводници функционират на базата на това явление. Когато температурата на кръстовището се повиши с нагряване, в кръстовището на затворената верига се появява емф. Така се проявява тяхната зависимост и топлинна енергиясе превръща в електричество. За да разберете напълно процеса, препоръчвам да прочетете нашите инструкции как да

Много метали, като мед, алуминий и сребро, имат свойството да провеждат електрически ток поради наличието на свободни електрони в тяхната структура. Освен това металите имат известна устойчивост на ток и всеки има своя собствена. Съпротивлението на метала силно зависи от неговата температура.

Можете да разберете как съпротивлението на метал зависи от температурата, ако увеличите температурата на проводника, например, в областта от 0 до t2 °C. С повишаване на температурата на проводника, неговото съпротивление също се увеличава. Освен това тази зависимост е почти линейна.

От физическа гледна точка увеличаването на съпротивлението с повишаване на температурата може да се обясни с увеличаване на амплитудата на вибрациите на възлите на кристалната решетка, което от своя страна затруднява преминаването на електроните, т.е. до увеличаване на електрическия ток.

Като погледнете графиката, можете да видите, че при t1 металът има много по-малко съпротивление, отколкото например при t2. При по-нататъшно понижаване на температурата можете да достигнете точката t0, където съпротивлението на проводника ще бъде почти нула. Разбира се, съпротивлението му не може да бъде нула, а само клони към него. В този момент проводникът става свръхпроводник. Свръхпроводниците се използват в силни магнитикато намотка. На практика дадена точкалежи много по-далеч, в областта на абсолютната нула, и е невъзможно да се определи от тази графика.

За тази графика можем да напишем уравнението

Използвайки това уравнение, можете да намерите съпротивлението на проводник при всяка температура. Тук имаме нужда от точка t0, получена по-рано на графиката. Познавайки температурната стойност в тази точка за конкретен материал и температурите t1 и t2, можем да намерим съпротивлението.

Промяната на съпротивлението с температура се използва във всеки електрическа кола, където не е възможен директен достъп до намотката. Например, в асинхронен двигател е достатъчно да се знае съпротивлението на статора в началния момент от време и в момента, когато двигателят работи. С помощта на прости изчисления можете да определите температурата на двигателя, което се извършва автоматично в производството.

« Физика - 10 клас"

Което физическо количествонаречена съпротива
От какво и как зависи съпротивлението на металния проводник?

Различните вещества имат различно съпротивление. Съпротивлението зависи ли от състоянието на проводника? на температурата му? Опитът трябва да даде отговор.

Ако прекарате ток от батерията през стоманена спирала и след това започнете да я нагрявате в пламъка на горелката, амперметърът ще покаже намаляване на силата на тока. Това означава, че с промяната на температурата съпротивлението на проводника се променя.

Ако при температура от 0 ° C съпротивлението на проводника е равно на R 0, а при температура t е равно на R, тогава относителната промяна в съпротивлението, както показва опитът, е право пропорционална на промяната в температурата t:

Коефициентът на пропорционалност α се нарича температурен коефициент на съпротивление.

Температурен коефициент на съпротивление- стойност, равна на отношението на относителното изменение на съпротивлението на проводника към изменението на неговата температура.

Той характеризира зависимостта на съпротивлението на веществото от температурата.

Температурният коефициент на съпротивление е числено равен на относителното изменение на съпротивлението на проводника при нагряване с 1 K (с 1 °C).

За всички метални проводници коефициентът α > 0 и се променя леко с температурата. Ако обхватът на температурните промени е малък, тогава температурният коефициент може да се счита за постоянен и равен на средната му стойност в този температурен диапазон. За чисти метали

За електролитните разтвори съпротивлението не се увеличава с повишаване на температурата, а намалява. За тях α< 0. Например, для 10%-ного раствора готварска солα = -0,02 K -1.

Когато един проводник се нагрява, неговите геометрични размери се променят леко. Съпротивлението на проводника се променя главно поради промяна в неговото съпротивление. Можете да намерите зависимостта на това съпротивление от температурата, ако замените стойностите във формула (16.1) Изчисленията водят до следния резултат:

ρ = ρ 0 (1 + αt), или ρ = ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

където ΔT е промяната в абсолютната температура.

Тъй като a се променя малко с промените в температурата на проводника, можем да приемем, че съпротивлението на проводника зависи линейно от температурата (фиг. 16.2).

Увеличаването на съпротивлението може да се обясни с факта, че с повишаване на температурата амплитудата на вибрациите на йони във възлите на кристалната решетка се увеличава, така че свободните електрони се сблъскват с тях по-често, като по този начин губят посоката на движение. Въпреки че коефициентът a е доста малък, като се вземе предвид зависимостта на съпротивлението от температурата при изчисляване на параметрите отоплителни уредиабсолютно необходимо. По този начин съпротивлението на волфрамовата нишка на лампа с нажежаема жичка се увеличава повече от 10 пъти, когато през нея преминава ток поради нагряване.

За някои сплави, например сплав от мед и никел (Константин), температурният коефициент на съпротивление е много малък: α ≈ 10 -5 K -1; Съпротивлението на Константин е високо: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Такива сплави се използват за производството на еталонни резистори и допълнителни резистори измервателни уреди, т.е. в случаите, когато се изисква съпротивлението да не се променя забележимо с температурни колебания.

Има и метали, например никел, калай, платина и др., чийто температурен коефициент е значително по-висок: α ≈ 10 -3 K -1. Зависимостта на тяхното съпротивление от температурата може да се използва за измерване на самата температура, което се извършва в съпротивителни термометри.

Устройствата, изработени от полупроводникови материали, също се основават на зависимостта на съпротивлението от температурата - термистори. Те се характеризират с голям температурен коефициент на устойчивост (десетки пъти по-висок от този на металите) и стабилност на характеристиките във времето. Номиналните стойности на термистора са значително по-високи от тези на металните съпротивителни термометри, обикновено 1, 2, 5, 10, 15 и 30 kΩ.

Обикновено платинената жица се приема като основен работен елемент на съпротивителен термометър, зависимостта на чието съпротивление от температурата е добре известна. Промените в температурата се оценяват по промените в съпротивлението на проводника, което може да се измери. Такива термометри ви позволяват да измервате много ниски и много високи температурикогато конвенционалните течни термометри не са подходящи.

Свръхпроводимост.

Съпротивлението на металите намалява с понижаване на температурата. Какво се случва, когато температурата достигне абсолютната нула?

През 1911 г. холандският физик Х. Камерлинг-Онес открива забележителен феномен - свръхпроводимост. Той откри, че когато живакът се охлажда в течен хелий, неговото съпротивление първо се променя постепенно, а след това при температура от 4,1 K много рязко пада до нула (фиг. 16.3).

Феноменът на съпротивлението на проводника, падащо до нула при критична температура, се нарича свръхпроводимост.

Откритието на Kamerlingh Onnes, за което е награден през 1913 г Нобелова награда, доведе до изследване на свойствата на веществата при ниски температури. По-късно са открити много други свръхпроводници.

Свръхпроводимостта на много метали и сплави се наблюдава при много ниски температури - започвайки от около 25 K. Справочните таблици дават температурите на преход към свръхпроводящо състояние на някои вещества.

Температурата, при която дадено вещество преминава в състояние на свръхпроводимост, се нарича критична температура.

Критичната температура зависи не само от химичен съставвещество, но и върху структурата на самия кристал. Например сивият калай има структурата на диамант с кубична кристална решетка и е полупроводник, а белият калай има тетрагонална единична клетка и е сребристо-бял, мек, пластичен метал, способен да преминава в свръхпроводящо състояние при температура от 3,72 К.

За веществата в свръхпроводящо състояние са отбелязани резки аномалии в магнитните, топлинните и редица други свойства, така че е по-правилно да се говори не за свръхпроводящо състояние, а за специално състояние на материята, наблюдавано при ниски температури.

Ако се създаде ток в пръстеновиден проводник, който е в свръхпроводящо състояние, и след това източникът на ток бъде премахнат, тогава силата на този ток не се променя за какъвто и да е период от време. В обикновен (несвръхпроводящ) проводник електрическият ток спира в този случай.

Свръхпроводниците са широко използвани. Така се изграждат мощни електромагнити със свръхпроводяща намотка, които създават магнитно поле за дълги периоди от време, без да консумират енергия. Все пак В свръхпроводящата намотка няма генериране на топлина.

Невъзможно е обаче да се получи произволно силно магнитно поле с помощта на свръхпроводящ магнит. Много силно магнитно поле разрушава свръхпроводящото състояние. Такова поле може да бъде създадено и от ток в самия свръхпроводник, следователно за всеки проводник в свръхпроводящо състояние има критична стойност на тока, която не може да бъде превишена, без да се наруши свръхпроводящото състояние.

Свръхпроводящите магнити се използват в ускорители на частици и магнитохидродинамични генератори, които преобразуват механичната енергия на струя горещ йонизиран газ, движеща се в магнитно поле, в електрическа енергия.

Обяснение на свръхпроводимостта е възможно само на базата квантова теория. Тя е дадена едва през 1957 г. от американски учени Дж. Бардин, Л. Купър, Дж. Шрифер и съветския учен академик Н. Н. Боголюбов.

През 1986 г. е открита високотемпературната свръхпроводимост. Получени са сложни оксидни съединения на лантан, барий и други елементи (керамика) с температура на преход към свръхпроводящо състояние около 100 K, което е по-високо от температурата на кипене на течния азот при атмосферно налягане(77 K).

Високотемпературната свръхпроводимост в близко бъдеще със сигурност ще доведе до нова техническа революция в цялата електротехника, радиотехника и компютърен дизайн. В момента напредъкът в тази област е възпрепятстван от необходимостта от охлаждане на проводниците до точката на кипене на скъпия газ хелий.

Физическият механизъм на свръхпроводимостта е доста сложен. Може да се обясни много просто, както следва: електроните се обединяват в правилна линия и се движат, без да се сблъскват с кристална решетка, състояща се от йони. Това движение се различава значително от обикновеното топлинно движение, при което свободният електрон се движи хаотично.

Трябва да се надяваме, че ще бъде възможно създаването на свръхпроводници дори при стайна температура. Генераторите и електродвигателите ще станат изключително компактни (в пъти по-малки) и икономични. Електричеството може да се предава на всяко разстояние без загуби и да се натрупва в прости устройства.

>>Физика: Зависимост на съпротивлението на проводника от температурата

Различните вещества имат различно съпротивление (виж § 104). Съпротивлението зависи ли от състоянието на проводника? на температурата му? Опитът трябва да даде отговор.
Ако прекарате ток от батерията през стоманена намотка и след това започнете да я нагрявате в пламъка на горелката, амперметърът ще покаже намаляване на тока. Това означава, че с промяната на температурата съпротивлението на проводника се променя.
Ако при температура, равна на 0°C, съпротивлението на проводника е равно на R0, и при температура tто е равно Р, тогава относителната промяна в съпротивлението, както показва опитът, е право пропорционална на промяната в температурата t:

Фактор на пропорционалност α наречен температурен коефициент на съпротивление. Той характеризира зависимостта на съпротивлението на веществото от температурата. Температурният коефициент на съпротивление е числено равен на относителната промяна в съпротивлението на проводника при нагряване с 1 K. За всички метални проводници коефициентът α > 0 и варира леко с температурата. Ако обхватът на температурните промени е малък, тогава температурният коефициент може да се счита за постоянен и равен на средната му стойност в този температурен диапазон. За чисти метали α ≈ 1/273 K -1. U на електролитни разтвори съпротивлението не се увеличава с повишаване на температурата, а намалява. За тях α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
Когато един проводник се нагрява, неговите геометрични размери се променят леко. Съпротивлението на проводника се променя главно поради промени в неговото съпротивление. Можете да намерите зависимостта на това съпротивление от температурата, ако замените стойностите във формула (16.1)
. Изчисленията водят до следния резултат:

защото α се променя малко, когато температурата на проводника се променя, тогава можем да приемем, че съпротивлението на проводника зависи линейно от температурата ( Фиг.16.2).

Увеличаването на съпротивлението може да се обясни с факта, че с повишаване на температурата амплитудата на вибрациите на йони във възлите на кристалната решетка се увеличава, така че свободните електрони се сблъскват с тях по-често, като по този начин губят посоката на движение. Въпреки че коеф α е доста малък, като се вземе предвид зависимостта на съпротивлението от температурата при изчисляване на нагревателните устройства е абсолютно необходимо. По този начин съпротивлението на волфрамовата нишка на лампа с нажежаема жичка се увеличава повече от 10 пъти, когато през нея преминава ток.
За някои сплави, например сплав от мед и никел (константан), температурният коефициент на съпротивление е много малък: α ≈ 10 -5 K -1 ; Съпротивлението на константана е високо: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Такива сплави се използват за производство на стандартни съпротивления и допълнителни съпротивления на измервателни уреди, т.е. в случаите, когато се изисква съпротивлението да не се променя забележимо при температурни колебания.
Използва се зависимостта на съпротивлението на метала от температурата съпротивителни термометри. Обикновено основният работен елемент на такъв термометър е платинена жица, зависимостта на чието съпротивление от температурата е добре известна. Промените в температурата се оценяват по промените в съпротивлението на проводника, което може да бъде измерено.
Такива термометри ви позволяват да измервате много ниски и много високи температури, когато конвенционалните течни термометри са неподходящи.
Съпротивлението на металите нараства линейно с повишаване на температурата. За електролитни разтвори той намалява с повишаване на температурата.

???
1. Кога електрическата крушка консумира повече енергия: веднага след запалването или след няколко минути?
2. Ако съпротивлението на спиралата на електрическата печка не се променя с температурата, тогава нейната дължина при номинална мощност трябва да бъде по-голяма или по-малка?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Соцкий, Физика 10 клас

Ако имате корекции или предложения за този урок,