Една от характеристиките на всеки електропроводим материал е зависимостта на съпротивлението от температурата. Ако е изобразена като графика, където интервалите от време (t) са отбелязани на хоризонталната ос и стойността на омичното съпротивление (R) на вертикалната ос, тогава получаваме прекъсната линия. Зависимостта на устойчивостта от температурата схематично се състои от три секции. Първият съответства на лека топлина - по това време съпротивлението се променя много малко. Това се случва до определена точка, след която редът на графиката рязко се качва нагоре - това е вторият раздел. Третият, последен компонент е права линия, вървеща нагоре от точката, в която растежът R спря, под сравнително малък ъгъл спрямо хоризонталната ос.

Физическият смисъл на тази графика е следният: зависимостта на съпротивлението от температурата на проводника се описва толкова просто, стига стойността на нагряване да не надвишава определена стойност, характерна за този материал. Нека дадем един абстрактен пример: ако при температура от + 10 ° C съпротивлението на веществото е 10 ома, тогава до 40 ° C, стойността на R остава почти непроменена, оставаща в грешката на измерването. Но вече при 41 ° C ще има прилив на съпротива до 70 ома. Ако по-нататъшното повишаване на температурата не спре, тогава за всяка следваща степен ще има допълнителни 5 ома.

Това свойство се използва широко в различни електрически устройства, така че е естествено да се дават данни за медта като един от най-разпространените материали в И така, загряването на меден проводник за всяка допълнителна степен води до увеличаване на съпротивлението с половин процент от определена стойност (може да се намери в справочни таблици, е дадено за 20 ° C, дължина 1 м със сечение от 1 кв. М).

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

Въпреки че фактът на движение е очевиден, той не е насочен, следователно не се счита за ток. Когато се появи електрическо поле, електроните се ориентират в съответствие с неговата конфигурация, образувайки насочено движение. Но тъй като топлинният ефект не е изчезнал никъде, случайно движещите се частици се сблъскват с посока полета. Зависимостта на съпротивлението на металите от температурата показва величината на смущения в преминаването на тока. Колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е R на проводника.

Очевидното заключение: намалявайки степента на нагряване, можете да намалите съпротивлението. (около 20 ° K) се характеризира точно със значително намаляване на топлинното хаотично движение на частици в структурата на веществото.

Считаното свойство на проводимите материали намери широко приложение в електротехниката. Например в електронните сензори се използва зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата. Знаейки стойността му за всеки материал, можете да направите термистор, да го свържете към цифров или аналогов четец, да извършите съответното градуиране на скалата и да използвате като алтернатива.Повечето съвременни термични сензори се основават на този принцип, защото надеждността е по-висока и дизайнът е по-прост.

В допълнение, зависимостта на съпротивлението от температурата дава възможност да се изчисли нагряването на намотките на електродвигатели.

Съществуват различни условия, при които носителите на такси преминават през определени материали. А прякото влияние върху заряда на електрически ток е съпротивлението, което зависи от околната среда. Факторите, които променят потока на електрическия ток, включват температурата. В тази статия разглеждаме зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата.

метали

Как температурата влияе на металите? За да разберете тази зависимост, се проведе следният експеримент: батерия, амперметър, жица и факел са свързани помежду си с помощта на проводници. Тогава е необходимо да се измери текущото отчитане във веригата. След като бъдат отчетени показанията, донесете факлата към жицата и я нагрейте. При нагряване тел може да се види, 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:

Пример за зависимостта на устойчивостта на металите от температурата е даден във видеото:

Също така трябва да обърнете внимание на такива свойства като свръхпроводимост. Ако условията на околната среда са нормални, тогава чрез охлаждане проводниците намаляват съпротивлението си. Графиката по-долу показва как зависи температурата и съпротивлението в живак.

Свръхпроводимостта е явление, което се случва, когато материалът достигне критичната температура (Келвин е по-близо до нула), при което съпротивлението рязко пада до нула.

газ

Газовете играят ролята на диелектрик и не могат да провеждат електрически ток. И за да може да се формира, са нужни носители на такси. Тяхната роля се играе от йони и те възникват поради влиянието на външни фактори.

Зависимостта може да се види с пример. За експеримента се използва същата конструкция като в предишния експеримент, само проводниците се заменят с метални плочи. Между тях трябва да има малко пространство. Амперметърът трябва да показва липса на ток. При поставянето на горелката между плочите устройството ще посочи тока, който преминава през газовата среда.

По-долу е дадена графика на характеристиките на токовото напрежение на газовия разряд, където може да се види, че увеличаването на йонизацията в началния етап се увеличава, тогава зависимостта на тока от напрежението остава непроменена (тоест, когато напрежението се увеличава, токът остава същият) и рязко увеличаване на тока, което води до разрушаване на диелектричния слой ,

Помислете на практика проводимостта на газовете. Преминаването на електрически ток в газове се използва в луминесцентни лампи и лампи. В този случай катодът и анодът, два електрода се поставят в колба, вътре в която има инертен газ. Как зависи такова явление от газа? Когато лампата се включи, двата нишки се нагряват и се създава термоелектронно излъчване. Вътре колбата е покрита с фосфор, който излъчва светлината, която виждаме. Как живакът зависи от фосфора? Живачните пари, когато електроните ги бомбардират, образуват инфрачервено лъчение, което от своя страна излъчва светлина.

Ако приложите напрежение между катода и анода, тогава има проводимост на газовете.

течности

Токовите проводници в течност са аниони и катиони, които се движат поради електрическо външно поле. Електроните осигуряват малка проводимост. Помислете за зависимостта на устойчивостта от температурата в течностите.

1. електролит
2. батерия
3. амперметър

Зависимостта на ефекта на електролитите върху нагряването се предписва по формулата:

Където а е отрицателен температурен коефициент.

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

Такова отношение трябва да се вземе предвид при зареждане на батерии и батерии.

полупроводници

И как съпротивлението зависи от нагряването в полупроводници? За начало, нека поговорим за термисторите. Това са устройства, които променят електрическото си съпротивление под въздействието на топлина. Този полупроводников температурен коефициент на съпротивление (TKS) е много по-висок от металите. Както положителните, така и отрицателните проводници, те имат определени характеристики.

Където: 1 е TKS по-малко от нула; 2 - TKS е по-голям от нула.

За да започнат да работят проводници като термистори, те вземат за основа всяка точка на I - V характеристиката:

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

Термисторите се използват при проверка и измерване на електромагнитно излъчване, което се извършва при свръхвисоки честоти. Поради това тези проводници се използват в системи като пожароизвестителни сигнали, топлинно изпитване и контрол на използването на насипни твърди частици и течности. Тези термистори, в които TKS е по-малко от нула, се използват в охладителни системи.

Сега за термоелементите. Как влияе на Seebeck върху термоелементите? Зависимостта е, че такива проводници функционират въз основа на това явление. Когато температурата на кръстовището се повиши при нагряване, на кръстовището на затворения кръг се появява емф. Така тяхната зависимост се проявява и топлинната енергия се преобразува в електричество. За да разберете напълно процеса, препоръчвам да проучите нашите инструкции как

Много метали, например мед, алуминий, сребро, имат свойството да провеждат електрически ток поради наличието на свободни електрони в тяхната структура. Също така металите имат известна устойчивост на ток и всеки има своя собствена. Съпротивлението на един метал силно зависи от неговата температура.

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

От физическа гледна точка увеличаване на съпротивлението с повишаване на температурата може да се обясни с увеличаване на амплитудата на трептенията на възлите на кристалната решетка, което от своя страна затруднява преминаването на електрони, тоест устойчивостта срещу електрически ток се увеличава.

Ако погледнете графиката, можете да видите, че при t1 металът има много по-ниско съпротивление, отколкото например при t2. С допълнително понижение на температурата можете да стигнете до точката t0, където съпротивлението на проводника ще бъде почти равно на нула. Разбира се, съпротивата му е нула, не може да бъде, а само клони към него. В този момент проводникът се превръща в свръхпроводник. Свръхпроводниците се използват в силни магнити като намотка. На практика тази точка лежи много по-далеч, в областта на абсолютната нула и е невъзможно да се определи според този график.

За тази графика можете да напишете уравнението

Използвайки това уравнение, можете да намерите съпротивлението на проводника при всяка температура. Тук ни трябва точката t0, получена по-рано в графиката. Знаейки температурата в този момент за определен материал и температурите t1 и t2, можем да намерим съпротивление.

Промяната в съпротивлението с температура се използва във всяка електрическа машина, където директен достъп до намотката не е възможен. Например при асинхронен двигател е достатъчно да се знае съпротивлението на статора в началния момент и в момента, когато двигателят работи. Чрез прости изчисления е възможно да се определи температурата на двигателя, което се извършва автоматично при производството.

« Физика - 10 клас

Какво физическо количество се нарича съпротива
От какво и как зависи съпротивлението на металния проводник?

Различните вещества имат различно съпротивление. Съпротивлението зависи от състоянието на проводника? от неговата температура? Отговорът трябва да даде опит.

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

Ако при температура, равна на 0 ° С, 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 пряко пропорционална на промяната в температурата t:

Коефициентът на пропорционалност α се нарича температурен коефициент на съпротивление.

Температурен коефициент на съпротивление  - стойността, равна на съотношението на относителната промяна в съпротивлението на проводника към промяната на неговата температура.

Той характеризира зависимостта на устойчивостта на веществото от температурата.

Температурният коефициент на съпротивление е числено равен на относителната промяна в съпротивлението на проводника при нагряване с 1 К (с 1 ° С).

За всички метални проводници коефициентът α\u003e 0 и варира леко с температурата. Ако интервалът за промяна на температурата е малък, тогава температурният коефициент може да се счита за постоянен и равен на средната му стойност в този температурен диапазон. Чисти метали

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

Когато проводникът се нагрява, неговите геометрични размери леко се променят. Съпротивлението на проводника варира главно поради промени в неговото съпротивление. Можете да намерите зависимостта на това съпротивление от температурата, ако във формула (16.1) да заместите стойностите 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 варира малко в зависимост от температурата на проводника, можем да приемем, че съпротивлението на проводника зависи линейно от температурата (фиг. 16.2).

Увеличението на съпротивлението може да се обясни с факта, че с повишаване на температурата амплитудата на трептенията на йони в възлите на кристалната решетка се увеличава, така че свободните електрони се сблъскват с тях по-често, губейки посоката на движение. Въпреки че коефициентът a е доста малък, като се взема предвид зависимостта на съпротивлението от температурата при изчисляване на параметрите на отоплителните устройства е абсолютно необходимо. По този начин съпротивлението на волфрамова нишка на лампа с нажежаема жичка се увеличава, когато токът преминава през нея поради нагряване повече от 10 пъти.

В някои сплави, например в медно-никелова сплав (Константин), температурният коефициент на съпротивление е много малък: α ≈ 10 -5 K -1; Константиновото съпротивление е голямо: ρ ≈ 10 -6 Ω м. Такива сплави се използват за направата на референтни резистори и допълнителни резистори към измервателни уреди, т.е. в случаите, когато се изисква съпротивлението да не се променя значително с колебанията на температурата.

Има и такива метали, например никел, калай, платина и др., Чийто температурен коефициент е много по-висок: α ≈ 10 -3 K -1. Зависимостта на тяхната устойчивост от температурата може да се използва за измерване на самата температура, която се извършва в термометри за съпротивление.

Устройствата въз основа на температурата се основават на устройства, изработени от полупроводникови материали, - термистори, Те се характеризират с голям температурен коефициент на устойчивост (десетки пъти по-висок от този на металите), стабилността на характеристиките във времето. Номиналното съпротивление на термисторите е значително по-високо от това на термометрите за метално съпротивление, обикновено е 1, 2, 5, 10, 15 и 30 kΩ.

Обикновено платиновият проводник се приема като основен работен елемент на термометър за съпротивление, неговата зависимост от температурата е добре известна. Температурните промени се оценяват по промените в съпротивлението на жицата, които могат да бъдат измерени.Такива термометри могат да измерват много ниски и много високи температури, когато обикновените течни термометри са неподходящи.

Свръхпроводимост.

Устойчивостта на металите намалява с намаляване на температурата. Какво се случва, когато температурата има тенденция към абсолютна нула?

През 1911 г. холандският физик X. Kamerlingh Onnes откри забележително явление - свръхпроводимост, Той установява, че когато живакът се охлажда в течен хелий, неговата устойчивост първоначално се променя постепенно, а след това при температура 4,1 К спада много рязко до нула (фиг. 16.3).

Нарича се явлението падане до нулево съпротивление на проводника при критична температура свръхпроводимост.

Откриването на Камерлинг Онс, за което през 1913 г. е удостоено с Нобелова награда, доведе до изучаване 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. Референтните таблици дават преходните температури към свръхпроводящо състояние на някои вещества.

Нарича се температурата, при която веществото навлиза в свръхпроводящо състояние критична температура.

Критичната температура зависи не само от химичния състав на веществото, но и от структурата на самия кристал. Например сивият калай има диамантена структура с кубична кристална решетка и е полупроводник, а белият калай има тетрагонална единична клетка и е сребристо-бял, мек, пластичен метал, способен да премине в свръхпроводящо състояние при температура 3,72 K.

За вещества в свръхпроводящо състояние бяха отбелязани резки аномалии на магнитни, топлинни и редица други свойства, така че е по-правилно да се говори не за свръхпроводящо състояние, а за специално състояние на вещество, наблюдавано при ниски температури.

Ако се създаде ток в свръхпроводящия проводник на пръстена и след това източникът на ток се отстрани, тогава силата на този ток не се променя за неопределено време. В обичайния (не свръхпроводящ) проводник електрическият ток в този случай се прекратява.

Свръхпроводниците са широко използвани. И така, те изграждат мощни електромагнити със свръхпроводяща намотка, които създават магнитно поле за дълги периоди от време без енергия. В крайна сметка в свръхпроводящата намотка не се генерира топлина.

Обаче да се получи произволно силно магнитно поле с помощта на свръхпроводящ магнит е невъзможно. Много силно магнитно поле унищожава свръхпроводящото състояние. Такова поле може да бъде създадено и от ток в самия свръхпроводник, Ето защо за всеки проводник в свръхпроводящо състояние има критична стойност на силата на тока, която не може да бъде надвишена, без да се наруши състоянието на свръхпроводящия.

Свръхпроводящите магнити се използват в ускорители на елементарни частици, магнитохидродинамични генератори, които преобразуват механичната енергия на струя червено-горещ йонизиран газ, движещ се в магнитно поле, в електрическа енергия.

Обяснението на свръхпроводимостта е възможно само въз основа на квантовата теория. Той е даден едва през 1957 г. от американските учени Дж. Бардин, Л. Купър, Й. Шрифър и съветските учени, академик Н. Н. Боголюбов.

През 1986 г. е открита високотемпературна свръхпроводимост. Получават се сложни оксидни съединения на лантан, барий и други елементи (керамика) с температура на преход към свръхпроводящо състояние около 100 К. Това е по-високо от точката на кипене на течния азот при атмосферно налягане (77 К).

В близко бъдеще високотемпературната свръхпроводимост най-вероятно ще доведе до нова техническа революция във всички електротехника, радиотехника и компютърен дизайн. Сега 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. По много опростен начин може да се обясни по следния начин: електроните се обединяват в правилния ранг и се движат без да се сблъскват с кристална решетка, състояща се от йони. Това движение се различава значително от обичайното топлинно движение, при което свободният електрон се движи хаотично.

Да се ​​надяваме, че ще бъде възможно да се създадат свръхпроводници при стайна температура. Генераторите и електродвигателите ще станат изключително компактни (ще намалеят няколко пъти) и икономични. Електричеството може да се прехвърля на всяко разстояние без загуба и да се натрупва в прости устройства.

\u003e\u003e Физика: Зависимостта на съпротивлението на проводника от температурата

Различните вещества имат различно съпротивление (вж. § 104). Съпротивлението зависи от състоянието на проводника? от неговата температура? Отговорът трябва да даде опит.
  Ако прекарате тока от батерията през стоманената 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 0 ° С, съпротивлението на проводника е R 0, и при температура т  равно е R, тогава относителната промяна в съпротивлението, както показва опитът, е пряко пропорционална на промяната в температурата. т:

Коефициент на пропорционалност α   повикване температурен коефициент на съпротивление, Той характеризира зависимостта на устойчивостта 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   \u003e 0 и варира леко с температурата. Ако интервалът за промяна на температурата е малък, тогава температурният коефициент може да се счита за постоянен и равен на средната му стойност в този температурен диапазон. Чисти метали α ≈ 1/273 К -1. в устойчивостта на електролитни разтвори с повишаване на температурата не се увеличава, а намалява, За тях α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 К -1.
  Когато проводникът се нагрява, неговите геометрични размери леко се променят. Съпротивлението на проводника варира главно поради промени в неговото съпротивление. Можете да намерите зависимостта на това съпротивление от температурата, ако във формула (16.1) да заместите стойностите
, Изчисленията водят до следния резултат:

Така че α   малко се променя с температурата на проводника, можем да приемем, че съпротивлението на проводника зависи линейно от температурата ( ris.16.2).

Увеличението на съпротивлението може да се обясни с факта, че с повишаване на температурата амплитудата на трептенията на йони в местата на решетката се увеличава, така че свободните електрони се сблъскват с тях по-често, губейки посоката на движение. Въпреки че коефициентът α   по-скоро малка, като се взема предвид зависимостта на съпротивлението от температурата при изчисляване на отоплителните устройства е абсолютно необходимо. По този начин съпротивлението на волфрамова нишка на лампа с нажежаема жичка се увеличава, когато през нея преминава повече от 10 пъти ток.
  В някои сплави, например в мед-никел (констанстан), температурният коефициент на съпротивление е много малък: α   ≈ 10 -5 K -1; Константановото съпротивление е голямо: ρ   ≈ 10 -6 ома м. Такива сплави се използват за производството на еталонни съпротивления и допълнителни съпротивления на измервателни уреди, т.е. в случаите, когато се изисква съпротивлението да не се променя значително с колебанията на температурата.
  Зависимостта на металната устойчивост от температурата се използва в термометри за съпротивление, Обикновено платиновият проводник се приема като основен работен елемент на такъв термометър, неговата зависимост от температурата е добре известна. Температурните промени се оценяват по промяната на съпротивлението на жицата, която може да бъде измерена.
  Такива термометри могат да измерват много ниски и много високи температури, когато конвенционалните течни термометри са неподходящи.
Съпротивлението на металите нараства линейно с повишаване на температурата. В електролитните разтвори той намалява с повишаване на температурата.

???
  1. Кога електрическата крушка консумира повече енергия: веднага след включването й в мрежата или след няколко минути?
  2. Ако съпротивлението на бобина от готварска печка не се е променило с температурата, тогава нейната дължина при номинална мощност трябва да бъде по-голяма или по-малка?

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

Ако имате корекции или предложения за този урок,