Una de las características de cualquier material que conduce corriente eléctrica es la dependencia de la resistencia a la temperatura. Si se representa en forma de un gráfico en el que el eje de tiempo (t) está marcado en el eje horizontal, y el valor de resistencia óhmica (R) en el eje vertical, se obtendrá una línea discontinua. La dependencia de la resistencia a la temperatura consta de tres secciones. El primero corresponde a un ligero calentamiento: en este momento, la resistencia cambia muy ligeramente. Esto sucede hasta cierto punto, después del cual la línea en el gráfico sube bruscamente: esta es la segunda sección. El tercer y último componente es una línea recta, que se extiende hacia arriba desde el punto en que se detuvo el crecimiento R, en un ángulo relativamente pequeño con respecto al eje horizontal.

El significado físico de este gráfico es el siguiente: la dependencia de la resistencia con respecto a la temperatura del conductor se describe como simple hasta que el valor de calentamiento excede algún valor característico de este material. Pongamos un ejemplo abstracto: si a una temperatura de + 10 ° C la resistencia de una sustancia es de 10 ohmios, entonces hasta 40 ° C el valor R no cambiará prácticamente, quedando dentro del error de medición. Pero ya a 41 ° C habrá un salto en la resistencia de hasta 70 ohmios. Si el aumento de temperatura adicional no se detiene, entonces caerán 5 ohmios adicionales en cada grado posterior.

Esta propiedad es ampliamente utilizada en varios dispositivos eléctricos, por lo tanto, es lógico citar datos sobre el cobre como uno de los materiales más comunes. Por lo tanto, para un conductor de cobre, el calentamiento por cada grado adicional conduce a un aumento de la resistencia en medio porcentaje del valor específico (se puede encontrar en las tablas de referencia, dadas para 20 ° C, 1 m de largo con una sección transversal de 1 sq. Mm).

Cuando aparece un conductor de metal, aparece una corriente eléctrica, un movimiento dirigido de partículas elementales con carga. Los iones ubicados en nodos metálicos no pueden retener electrones en sus órbitas externas durante mucho tiempo, por lo que se mueven libremente a lo largo de todo el volumen de material de un nodo a otro. Este movimiento caótico es causado por energía externa: calor.

Aunque el hecho del desplazamiento es obvio, no es direccional, por lo tanto, no se considera como una corriente. Cuando aparece un campo eléctrico, los electrones se orientan de acuerdo con su configuración, formando un movimiento direccional. Pero como el efecto térmico no ha desaparecido en ninguna parte, las partículas que se mueven al azar chocan con el campo dirigido. La dependencia de la resistencia de los metales a la temperatura muestra la cantidad de interferencia con el paso de la corriente. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es el conductor R.

La conclusión obvia: reduciendo el grado de calentamiento, puede reducir la resistencia. (aproximadamente 20 ° K) se caracteriza precisamente por una disminución significativa en el movimiento térmico caótico de las partículas en la estructura de la materia.

La propiedad considerada de los materiales conductores ha encontrado una amplia aplicación en ingeniería eléctrica. Por ejemplo, la dependencia de la temperatura de la resistencia de un conductor se utiliza en sensores electrónicos. Conociendo su valor para cualquier material, puede hacer un termistor, conectarlo a un lector digital o analógico, realizar la graduación adecuada de la báscula y usarlo como alternativa. La mayoría de los sensores térmicos modernos se basan en tal principio, porque la confiabilidad es mayor y el diseño es más simple.

Además, la dependencia de la temperatura con la resistencia permite calcular el calentamiento de los devanados del motor.

Hay varias condiciones bajo las cuales los transportistas de carga pasan a través de ciertos materiales. Y la carga de corriente eléctrica se ve directamente afectada por la resistencia, que depende del medio ambiente. Los factores que cambian el flujo de corriente eléctrica incluyen la temperatura. En este artículo, consideraremos la dependencia de la resistencia de un conductor a la temperatura.

Metales

¿Cómo afecta la temperatura a los metales? Para descubrir esta dependencia, se realizó un experimento: una batería, un amperímetro, un cable y una antorcha se conectan entre sí mediante cables. Entonces necesitas medir la corriente en el circuito. Después de tomar las lecturas, debe llevar el quemador al cable y calentarlo. Cuando el cable se calienta, se ve que aumenta la resistencia y disminuye la conductividad del metal.

1. Alambre de metal
2. Batería
3. Amperímetro

La dependencia está indicada y justificada por las fórmulas:

De estas fórmulas se deduce que R del conductor está determinado por la fórmula:

En el video se proporciona un ejemplo de la dependencia de la resistencia del metal con la temperatura:

También es necesario prestar atención a una propiedad como la superconductividad. Si las condiciones ambientales son normales, cuando se enfrían, los conductores reducen su resistencia. El siguiente gráfico muestra cómo dependen la temperatura y la resistividad en el mercurio.

La superconductividad es un fenómeno que ocurre cuando un material alcanza una temperatura crítica (Kelvin más cerca de cero), en el cual la resistencia disminuye bruscamente a cero.

Gases

Los gases desempeñan el papel de un dieléctrico y no pueden conducir una corriente eléctrica. Y para que se forme, se necesitan portadores de carga. Los iones actúan en su papel, y surgen debido a la influencia de factores externos.

La dependencia puede considerarse como un ejemplo. Para el experimento, se utiliza el mismo diseño que en el experimento anterior, solo los conductores se reemplazan con placas de metal. Debe haber un pequeño espacio entre ellos. El amperímetro debe indicar una falta de corriente. Al colocar el quemador entre las placas, el dispositivo indicará la corriente que pasa a través del medio gaseoso.

A continuación se muestra un gráfico de la característica de voltaje de corriente de una descarga de gas, donde se observa que aumenta el aumento de la ionización en la etapa inicial, luego la dependencia de la corriente con el voltaje permanece sin cambios (es decir, cuando el voltaje aumenta, la corriente sigue siendo la misma) y un fuerte aumento en la corriente, lo que conduce a la ruptura de la capa dieléctrica .

Considere la conductividad de los gases en la práctica. El paso de corriente eléctrica en gases se utiliza en lámparas fluorescentes y lámparas. En este caso, el cátodo y el ánodo, dos electrodos se colocan en un matraz, en el que hay un gas inerte. ¿Cómo depende este fenómeno del gas? Cuando la lámpara se enciende, se calientan dos filamentos y se crea una emisión termoiónica. Dentro de la bombilla está recubierta con un fósforo que emite la luz que vemos. ¿Cómo depende el mercurio del fósforo? Los vapores de mercurio, cuando son bombardeados con electrones, forman radiación infrarroja, que a su vez emite luz.

Si se aplica voltaje entre el cátodo y el ánodo, se produce conductividad de gas.

Líquidos

Los conductores de corriente en líquidos son aniones y cationes que se mueven debido a un campo eléctrico externo. Los electrones proporcionan una conductividad insignificante. Considere la dependencia de la resistencia a la temperatura en los líquidos.

1. Electrolito
2. Batería
3. Amperímetro

La dependencia del efecto de los electrolitos sobre el calentamiento está prescrita por la fórmula:

Donde a es el coeficiente de temperatura negativo.

La forma en que R depende del calentamiento (t) se muestra en el siguiente gráfico:

Esta relación debe considerarse al cargar baterías y baterías.

Semiconductores

¿Y cómo depende la resistencia del calentamiento en semiconductores? Primero, hablemos de los termistores. Estos son dispositivos que cambian su resistencia eléctrica bajo la influencia del calor. Este semiconductor tiene un coeficiente de resistencia a la temperatura (TCS) un orden de magnitud mayor que los metales. Conductores tanto positivos como negativos, tienen ciertas características.

Donde: 1 - esto es TCS menor que cero; 2 - TCS es mayor que cero.

Para que conductores como los termistores comiencen a funcionar, tome como punto de partida la característica I-V:

• si la temperatura del elemento es inferior a cero, entonces dichos conductores se utilizan como relé;
• para controlar la corriente cambiante, así como la temperatura y el voltaje, use una sección lineal.

Los termistores se utilizan para verificar y medir la radiación electromagnética, que se realiza a frecuencias ultra altas. Debido a esto, estos conductores se utilizan en sistemas como alarmas contra incendios, verificación de calor y control del uso de líquidos y medios a granel. Los termistores en los que el TCS es menor que cero se utilizan en sistemas de enfriamiento.

Ahora sobre los termopares. ¿Cómo afecta el fenómeno Seebeck a los termopares? La dependencia es que tales conductores operan sobre la base de este fenómeno. Cuando la temperatura de la unión aumenta con el calentamiento, aparece un EMF en la unión del circuito cerrado. Por lo tanto, su dependencia se manifiesta y la energía térmica se convierte en electricidad. Para comprender completamente el proceso, le recomiendo que estudie nuestras instrucciones sobre cómo

Muchos metales, por ejemplo, como el cobre, el aluminio, la plata, tienen la propiedad de conducción de corriente eléctrica debido a la presencia de electrones libres en su estructura. Además, los metales tienen cierta resistencia a la corriente, y cada uno tiene la suya. La resistencia de un metal depende en gran medida de su temperatura.

Es posible comprender cómo la resistencia de un metal depende de la temperatura si aumenta la temperatura del conductor, por ejemplo, en una sección de 0 a t2 ° C. Con el aumento de la temperatura del conductor, su resistencia también aumenta. Además, esta dependencia es de naturaleza casi lineal.

Desde un punto de vista físico, un aumento en la resistencia con el aumento de la temperatura puede explicarse por un aumento en la amplitud de las oscilaciones de los nodos de la red cristalina, lo que a su vez dificulta el paso de los electrones, es decir, aumenta la resistencia a la corriente eléctrica.

Mirando el gráfico, puede ver que en t1 el metal tiene una resistencia mucho menor que, por ejemplo, en t2. Con una disminución adicional de la temperatura, puede llegar al punto t0, donde la resistencia del conductor será casi cero. Por supuesto, su resistencia no puede ser cero, sino que solo tiende a él. En este punto, el conductor se convierte en un superconductor. Los superconductores se utilizan en imanes fuertes como bobinados. En la práctica, este punto se encuentra mucho más lejos, en la región del cero absoluto, y es imposible determinarlo de acuerdo con este gráfico.

Para este gráfico, puedes escribir la ecuación

Usando esta ecuación, puede encontrar la resistencia del conductor a cualquier temperatura. Aquí necesitamos el punto t0 obtenido anteriormente en el gráfico. Conociendo la temperatura en este punto para un material en particular, y las temperaturas t1 y t2, podemos encontrar la resistencia.

Se utiliza un cambio de resistencia con la temperatura en cualquier máquina eléctrica donde no es posible el acceso directo al devanado. Por ejemplo, en un motor de inducción es suficiente conocer la resistencia del estator en el momento inicial del tiempo y en el momento en que el motor está funcionando. Mediante cálculos simples, puede determinar la temperatura del motor, que se realiza automáticamente en la producción.

« Física - Grado 10 "

¿Qué cantidad física se llama resistencia?
¿De qué y cómo depende la resistencia de un conductor de metal?

Diferentes sustancias tienen diferentes resistividades. ¿La resistencia depende del estado del conductor? de su temperatura? La respuesta debe ser dada por la experiencia.

Si pasa la corriente de la batería a través de una espiral de acero y luego comienza a calentarla en la llama del quemador, el amperímetro mostrará una disminución en la intensidad de la corriente. Esto significa que con un cambio de temperatura, la resistencia del conductor cambia.

Si a una temperatura igual a 0 ° С, la resistencia del conductor es igual a R 0, y a una temperatura t es igual a R, entonces el cambio relativo en la resistencia, como lo demuestra la experiencia, es directamente proporcional al cambio en la temperatura t:

El coeficiente de proporcionalidad α se llama coeficiente de resistencia a la temperatura.

Coeficiente de temperatura de resistencia   - un valor igual a la relación del cambio relativo en la resistencia del conductor al cambio en su temperatura.

Caracteriza la dependencia de la resistencia de una sustancia a la temperatura.

El coeficiente de resistencia a la temperatura es numéricamente igual al cambio relativo en la resistencia del conductor cuando se calienta en 1 K (en 1 ° C).

Para todos los conductores metálicos, el coeficiente α\u003e 0 y varía ligeramente con la temperatura. Si el rango de cambios de temperatura es pequeño, entonces el coeficiente de temperatura puede considerarse constante e igual a su valor promedio en este rango de temperatura. Metales puros

En soluciones electrolíticas, la resistencia no aumenta, sino que disminuye, al aumentar la temperatura. Para ellos, α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Cuando el conductor se calienta, sus dimensiones geométricas cambian ligeramente. La resistencia de un conductor varía principalmente debido a un cambio en su resistividad. Puede encontrar la dependencia de esta resistividad de la temperatura, si en la fórmula (16.1) sustituye los valores   Los cálculos conducen al siguiente resultado:

ρ \u003d ρ 0 (1 + αt), o ρ \u003d ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

donde ΔТ es el cambio en la temperatura absoluta.

Como a cambia poco cuando cambia la temperatura del conductor, podemos suponer que la resistencia específica del conductor depende linealmente de la temperatura (Fig. 16.2).

El aumento de la resistencia puede explicarse por el hecho de que al aumentar la temperatura, aumenta la amplitud de las vibraciones de iones en los nodos de la red cristalina, por lo tanto, los electrones libres chocan con ellos con mayor frecuencia, perdiendo su dirección de movimiento. Aunque el coeficiente a es bastante pequeño, es absolutamente necesario tener en cuenta la dependencia de la resistencia a la temperatura al calcular los parámetros de los dispositivos de calentamiento. Entonces, la resistencia de un filamento de tungsteno de una lámpara incandescente aumenta con el paso de corriente a través de ella debido al calentamiento en más de 10 veces.

En algunas aleaciones, por ejemplo, una aleación de cobre con níquel (Constantina), el coeficiente de resistencia a la temperatura es muy pequeño: α ≈ 10 -5 K -1; La resistividad de Konstantin es grande: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Dichas aleaciones se utilizan para la fabricación de resistencias de referencia y resistencias adicionales para instrumentos de medición, es decir, en aquellos casos en que se requiere que la resistencia no cambie notablemente con las fluctuaciones de temperatura.

También existen tales metales, por ejemplo, níquel, estaño, platino, etc., cuyo coeficiente de temperatura es mucho mayor: α ≈ 10 -3 K -1. La dependencia de su resistencia a la temperatura se puede utilizar para medir la temperatura en sí, que se lleva a cabo en termómetros de resistencia.

Los dispositivos hechos de materiales semiconductores también se basan en la dependencia de la resistencia a la temperatura, termistores. Se caracterizan por un gran coeficiente de resistencia a la temperatura (diez veces mayor que el de los metales) y la estabilidad de las características a lo largo del tiempo. La resistencia nominal de los termistores es mucho mayor que la de los termómetros de resistencia de metal, por lo general es de 1, 2, 5, 10, 15 y 30 kOhm.

Por lo general, un cable de platino se toma como el principal elemento de trabajo del termómetro de resistencia, cuya dependencia de la resistencia de la temperatura es bien conocida. Los cambios de temperatura se juzgan por el cambio en la resistencia del cable que se puede medir. Estos termómetros le permiten medir temperaturas muy bajas y muy altas cuando los termómetros líquidos convencionales no son adecuados.

Superconductividad

La resistencia de los metales disminuye con la disminución de la temperatura. ¿Qué pasará cuando la temperatura tienda a cero absoluto?

En 1911, el físico holandés X. Camerling-Onnes descubrió un fenómeno notable: superconductividad. Descubrió que cuando el mercurio se enfría en helio líquido, su resistencia inicialmente cambia gradualmente, y luego a una temperatura de 4.1 K cae muy bruscamente a cero (Fig. 16.3).

El fenómeno de la resistencia de un conductor que cae a cero a una temperatura crítica se llama superconductividad.

El descubrimiento de Kamerling-Onnesa, por el que en 1913 recibió el Premio Nobel, implicó el estudio de las propiedades de las sustancias a bajas temperaturas. Más tarde, se descubrieron muchos otros superconductores.

La superconductividad de muchos metales y aleaciones se observa a temperaturas muy bajas, a partir de aproximadamente 25 K. Las tablas de referencia dan las temperaturas de la transición al estado superconductor de algunas sustancias.

La temperatura a la cual una sustancia entra en un estado superconductor se llama temperatura crítica.

La temperatura crítica depende no solo de la composición química de la sustancia, sino también de la estructura del cristal mismo. Por ejemplo, el estaño gris tiene una estructura de diamante con una red cristalina cúbica y es un semiconductor, y el estaño blanco tiene una celda unitaria tetragonal y es un metal dúctil suave, blanco plateado capaz de experimentar un estado superconductor a una temperatura de 3.72 K.

Para las sustancias en el estado superconductor, se observaron anomalías agudas de propiedades magnéticas, térmicas y varias otras, por lo que sería más correcto hablar no del estado superconductor, sino del estado especial de la sustancia observado a bajas temperaturas.

Si se crea una corriente en un conductor de anillo en un estado superconductor y luego se elimina la fuente de corriente, entonces la intensidad de esta corriente no cambia durante un tiempo arbitrariamente largo. En un conductor convencional (no superconductor), la corriente eléctrica en este caso cesa.

Los superconductores son ampliamente utilizados. Por lo tanto, construyen electroimanes potentes con un devanado superconductor, que crean un campo magnético durante largos períodos de tiempo sin consumo de energía. Despues de todo no se genera calor en el devanado superconductor.

Sin embargo, es imposible obtener un campo magnético arbitrariamente fuerte utilizando un imán superconductor. Un campo magnético muy fuerte destruye el estado superconductor. Tal campo también puede ser creado por la corriente en el propio superconductor, por lo tanto, para cada conductor en el estado superconductor, hay un valor crítico de la intensidad de la corriente, que no se puede exceder sin violar el estado superconductor.

Los imanes superconductores se utilizan en aceleradores de partículas, generadores magnetohidrodinámicos que convierten la energía mecánica de un chorro de gas ionizado caliente que se mueve en un campo magnético en energía eléctrica.

La explicación de la superconductividad solo es posible sobre la base de la teoría cuántica. Fue dado solo en 1957 por los científicos estadounidenses J. Bardin, L. Cooper, J. Shriffer y los científicos soviéticos, el académico N. N. Bogolyubov.

En 1986, se descubrió la superconductividad a alta temperatura. Se obtuvieron compuestos de óxido complejos de lantano, bario y otros elementos (cerámica) con una temperatura de transición superconductora de aproximadamente 100 K. Esto es más alto que el punto de ebullición del nitrógeno líquido a presión atmosférica (77 K).

La superconductividad a altas temperaturas en el futuro cercano probablemente conducirá a una nueva revolución técnica en toda la ingeniería eléctrica, ingeniería de radio y diseño de computadoras. Ahora el progreso en esta área se ve obstaculizado por la necesidad de enfriar los conductores hasta los puntos de ebullición del gas costoso - helio.

El mecanismo físico de la superconductividad es bastante complejo. De una manera muy simplificada, se puede explicar de la siguiente manera: los electrones se combinan en una línea regular y se mueven sin chocar con una red cristalina que consiste en iones. Este movimiento es significativamente diferente del movimiento térmico ordinario, en el que un electrón libre se mueve aleatoriamente.

Se espera que sea posible crear superconductores a temperatura ambiente. Los generadores y motores eléctricos serán extremadamente compactos (disminuirán varias veces) y económicos. La electricidad puede transmitirse a cualquier distancia sin pérdida y acumularse en dispositivos simples.

\u003e\u003e Física: dependencia de la temperatura de la resistencia del conductor

Diferentes sustancias tienen diferentes resistividades (ver § 104). ¿La resistencia depende del estado del conductor? de su temperatura? La respuesta debe ser dada por la experiencia.
  Si pasa la corriente de la batería a través de una espiral de acero y luego comienza a calentarla en la llama del quemador, el amperímetro mostrará una disminución en la intensidad de la corriente. Esto significa que con un cambio de temperatura, la resistencia del conductor cambia.
  Si a una temperatura igual a 0 ° C, la resistencia del conductor es R 0a temperatura t   es igual R, entonces el cambio relativo en la resistencia, como lo demuestra la experiencia, es directamente proporcional al cambio en la temperatura t:

Coeficiente de proporcionalidad α   son llamados coeficiente de temperatura de resistencia. Caracteriza la dependencia de la resistencia de una sustancia a la temperatura. El coeficiente de resistencia a la temperatura es numéricamente igual al cambio relativo en la resistencia del conductor cuando se calienta en 1 K. Para todos los conductores metálicos, el coeficiente α   \u003e 0 y varía ligeramente con la temperatura. Si el rango de cambios de temperatura es pequeño, entonces el coeficiente de temperatura puede considerarse constante e igual a su valor promedio en este rango de temperatura. Metales puros α ≈ 1/273 K -1. En soluciones electrolíticas, la resistencia no aumenta con la temperatura, sino que disminuye. Para ellos α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0.02 K -1.
  Cuando el conductor se calienta, sus dimensiones geométricas cambian ligeramente. La resistencia del conductor varía principalmente debido a los cambios en su resistividad. Puede encontrar la dependencia de esta resistividad de la temperatura, si en la fórmula (16.1) sustituye los valores
. Los cálculos conducen al siguiente resultado:

Desde α   cambia poco cuando cambia la temperatura del conductor, podemos suponer que la resistencia específica del conductor depende linealmente de la temperatura ( fig. 16.2).

El aumento de la resistencia puede explicarse por el hecho de que al aumentar la temperatura, aumenta la amplitud de las vibraciones de iones en los nodos de la red cristalina, por lo tanto, los electrones libres chocan con ellos con mayor frecuencia, perdiendo su dirección de movimiento. Aunque la proporción α   bastante pequeño, teniendo en cuenta la dependencia de la resistencia a la temperatura al calcular los dispositivos de calefacción es absolutamente necesario. Entonces, la resistencia de un filamento de tungsteno de una lámpara incandescente aumenta cuando la corriente lo atraviesa más de 10 veces.
  Para algunas aleaciones, por ejemplo, una aleación de cobre con níquel (constantan), el coeficiente de resistencia a la temperatura es muy pequeño: α   ≈ 10-5 K -1; la resistividad de constantan es grande: ρ   ≈ 10 -6 Ohm m. Dichas aleaciones se utilizan para la fabricación de resistencias de referencia y resistencias adicionales para instrumentos de medición, es decir, en aquellos casos en que se requiere que la resistencia no cambie notablemente con las fluctuaciones de temperatura.
  La dependencia de la resistencia del metal a la temperatura se utiliza en termómetros de resistencia. Por lo general, un cable de platino se toma como el principal elemento de trabajo de dicho termómetro, cuya dependencia de la resistencia de la temperatura es bien conocida. Los cambios de temperatura se juzgan por el cambio en la resistencia del cable que se puede medir.
  Tales termómetros permiten medir temperaturas muy bajas y muy altas cuando los termómetros líquidos convencionales no son adecuados.
La resistividad de los metales aumenta linealmente con el aumento de la temperatura. En soluciones electrolíticas, disminuye al aumentar la temperatura.

???
  1. Cuando una bombilla consume más energía: ¿inmediatamente después de encenderla o después de unos minutos?
  2. Si la resistencia de la espiral de la estufa eléctrica no cambió con la temperatura, ¿su longitud a la potencia nominal debería ser mayor o menor?

G.Ya. Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky, Física, Grado 10

Si tiene correcciones o sugerencias para esta lección,