Üks mis tahes juhtivuse omadusi elektrivool materjal on takistuse sõltuvus temperatuurist. Kui kujutate seda graafiku kujul, kus horisontaalteljele on märgitud ajaintervallid (t) ja vertikaalteljele oomilise takistuse väärtus (R), saate katkendliku joone. Takistuse sõltuvus temperatuurist koosneb skemaatiliselt kolmest osast. Esimene vastab kergele kuumutamisele - sel ajal muutub takistus väga vähe. See juhtub kuni teatud punktini, pärast mida graafikul olev joon tõuseb järsult üles - see on teine ​​jaotis. Kolmas ja viimane komponent on sirgjoon, mis ulatub ülespoole punktist, kus R kasv peatus, horisontaaltelje suhtes suhteliselt väikese nurga all.

Selle graafiku füüsikaline tähendus on järgmine: takistuse sõltuvust juhi temperatuurist kirjeldatakse lihtsal viisil, kuni kütteväärtus ületab teatud materjalile iseloomuliku väärtuse. Toome abstraktse näite: kui temperatuuril +10°C on aine takistus 10 oomi, siis kuni 40°C juures R väärtus praktiliselt ei muutu, jäädes mõõtevea piiresse. Kuid juba 41°C juures toimub takistushüpe 70 oomini. Kui temperatuuri edasine tõus ei peatu, lisandub iga järgmise kraadi kohta veel 5 oomi.

Seda omadust kasutatakse laialdaselt erinevates elektriseadmetes, seega on loomulik esitada andmeid vase kui ühe levinuima materjali kohta. vaskjuht iga täiendava kraadi kuumutamine suurendab takistust poole protsendi võrra konkreetsest väärtusest (leiate võrdlustabelitest, mis on antud temperatuuril 20 ° C, pikkusega 1 m ristlõikega 1 ruutmm).

Kui see toimub metalljuhis, ilmub elektrivool - laenguga elementaarosakeste suunatud liikumine. Metallisõlmedes asuvad ioonid ei suuda elektrone oma välistel orbiitidel pikka aega hoida, mistõttu nad liiguvad vabalt kogu materjali mahu ulatuses ühest sõlmest teise. Selle kaootilise liikumise põhjustab väline energia – soojus.

Kuigi liikumise fakt on ilmne, ei ole see suunatud ja seetõttu ei peeta seda vooluks. Millal elektriväli elektronid on orienteeritud vastavalt selle konfiguratsioonile, moodustades suunatud liikumise. Aga kuna soojusefekt pole kuhugi kadunud, põrkuvad kaootiliselt liikuvad osakesed suunatud väljadega. Metalli takistuse sõltuvus temperatuurist näitab voolu läbimise häiringu suurust. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on juhi R.

Ilmselge järeldus: vähendades kuumutusastet, saate vähendada takistust. (umbes 20°K) iseloomustab täpselt osakeste termilise kaootilise liikumise märkimisväärne vähenemine aine struktuuris.

Juhtivate materjalide vaadeldav omadus on leitud lai rakendus elektrotehnikas. Näiteks kasutatakse elektroonilistes andurites juhi takistuse sõltuvust temperatuurist. Teades selle väärtust mis tahes materjali puhul, saab valmistada termistori, ühendada selle digitaalse või analooglugemisseadmega, teha vastava skaala kalibreerimise ja kasutada seda alternatiivina kõrgem ja disain on lihtsam.

Lisaks võimaldab takistuse sõltuvus temperatuurist arvutada elektrimootori mähiste soojenemise.

Neid on erinevaid tingimusi, milles laengukandjad läbivad teatud materjale. Ja elektrivoolu laengut mõjutab otseselt takistus, mis sõltub sellest keskkond. Elektrivoolu voolu muutvate tegurite hulka kuuluvad temperatuur. Käesolevas artiklis vaatleme juhi takistuse sõltuvust temperatuurist.

Metallid

Kuidas temperatuur metalle mõjutab? Selle seose väljaselgitamiseks viidi läbi järgmine katse: aku, ampermeeter, traat ja põleti ühendatakse omavahel juhtmete abil. Seejärel peate mõõtma voolu vooluahelas. Pärast näitude võtmist peate põleti juhtme külge viima ja soojendama. Kui traati kuumutada, on näha, et takistus suureneb ja metalli juhtivus väheneb.

1. Metallist traat
2. Aku
3. Ampermeeter

Sõltuvus on näidatud ja põhjendatud valemitega:

Nendest valemitest järeldub, et juhi R määratakse järgmise valemiga:

Näide metalli takistuse sõltuvusest temperatuurist on toodud videos:

Samuti peate tähelepanu pöörama sellisele omadusele nagu ülijuhtivus. Kui keskkonnatingimused on normaalsed, vähendavad juhid jahtudes oma takistust. Allolev graafik näitab, kuidas temperatuur ja takistus elavhõbedas.

Ülijuhtivus on nähtus, mis tekib siis, kui materjal saavutab kriitilise temperatuuri (lähemale nullile Kelvinile), mille juures takistus väheneb ootamatult nullini.

Gaasid

Gaasid toimivad dielektrikutena ega suuda elektrivoolu juhtida. Ja selleks, et see tekiks, on vaja laengukandjaid. Nende rolli mängivad ioonid ja need tekivad välistegurite mõjul.

Sõltuvust saab illustreerida näitega. Katse jaoks kasutatakse sama konstruktsiooni, mis eelmises katses, ainult juhtmed asendatakse metallplaatidega. Nende vahele peaks jääma väike ruum. Ampermeeter peaks näitama voolu puudumist. Põleti asetamisel plaatide vahele näitab seade voolu, mis läbib gaasilist keskkonda.

Allpool on gaaslahenduse voolu-pinge karakteristikute graafik, mis näitab, et ionisatsiooni kasv algstaadiumis suureneb, siis jääb voolu sõltuvus pingest muutumatuks (st kui pinge suureneb, siis voolutugevus jääb samaks) ja järsk tõus voolutugevus, mis viib dielektrilise kihi lagunemiseni.

Vaatleme gaaside juhtivust praktikas. Elektrivoolu läbimist gaasides kasutatakse luminofoorlampides ja -lampides. Sel juhul asetatakse katood ja anood, kaks elektroodi kolbi, mille sees on inertgaas. Kuidas see nähtus gaasist sõltub? Kui lamp on sisse lülitatud, kuumenevad kaks hõõgniiti ja tekib termiline emissioon. Pirni sisemus on kaetud fosforiga, mis kiirgab valgust, mida me näeme. Kuidas elavhõbe sõltub fosforist? Elavhõbeda aur tekitab elektronidega pommitades infrapunakiirgust, mis omakorda kiirgab valgust.

Kui katoodi ja anoodi vahele rakendatakse pinge, tekib gaasijuhtivus.

Vedelikud

Voolujuhid vedelikus on anioonid ja katioonid, mis liiguvad elektri tõttu väline väli. Elektronid tagavad vähese juhtivuse. Vaatleme takistuse sõltuvust vedelike temperatuurist.

1. Elektrolüüt
2. Aku
3. Ampermeeter

Elektrolüütide mõju sõltuvus kuumutamisele määratakse järgmise valemiga:

Kus a on negatiivne temperatuuritegur.

Kuidas R sõltub kuumutamisest (t), on näidatud alloleval graafikul:

Seda sõltuvust tuleb akude ja akude laadimisel arvestada.

Pooljuhid

Kuidas sõltub takistus pooljuhtide kuumutamisest? Kõigepealt räägime termistoridest. Need on seadmed, mis muudavad oma elektritakistus kuumuse mõjul. Sellel pooljuhil on temperatuuri koefitsient (TCR), mis on suurusjärgu võrra kõrgem kui metallidel. Nii positiivsetel kui ka negatiivsetel juhtidel on teatud omadused.

Kus: 1 on TKS vähem kui null; 2 – TCS on suurem kui null.

Juhtide, näiteks termistorite töö alustamiseks võetakse aluseks voolu-pinge karakteristiku mis tahes punkt:

• kui elemendi temperatuur on alla nulli, kasutatakse selliseid juhte releedena;
• Muutuva voolu, samuti temperatuuri ja pinge juhtimiseks kasutage lineaarset sektsiooni.

Kontrollimisel ja mõõtmisel kasutatakse termistore elektromagnetkiirgus, mida teostatakse ülikõrgetel sagedustel. Tänu sellele kasutatakse neid juhte sellistes süsteemides nagu tulekahjusignalisatsioon, kuumuse kontrollimine ning puistekandjate ja vedelike tarbimise jälgimine. Neid termistoreid, mille TCR on alla nulli, kasutatakse jahutussüsteemides.

Nüüd termoelementidest. Kuidas mõjutab Seebecki fenomen termoelemente? Sõltuvus seisneb selles, et sellised juhid toimivad selle nähtuse alusel. Kui ristmiku temperatuur kuumutamisel tõuseb, ilmub suletud vooluringi ristmikule emf. Seega avaldub nende sõltuvus ja soojusenergia muutub elektriks. Protsessi täielikuks mõistmiseks soovitan lugeda meie juhiseid selle kohta, kuidas seda teha

Paljudel metallidel, nagu vask, alumiinium ja hõbe, on vabade elektronide olemasolu tõttu nende struktuuris elektrivoolu omadus. Samuti on metallidel teatav vastupidavus voolule ja igaühel neist on oma. Metalli vastupidavus sõltub suuresti selle temperatuurist.

Kuidas metalli takistus temperatuurist sõltub, saate aru, kui tõstate juhi temperatuuri näiteks piirkonnas 0 kuni t2 °C. Juhti temperatuuri tõustes suureneb ka selle takistus. Pealegi on see sõltuvus peaaegu lineaarne.

Füüsikalisest vaatenurgast võib takistuse suurenemist temperatuuri tõusuga seletada kristallvõre sõlmede vibratsiooni amplituudi suurenemisega, mis omakorda raskendab elektronide läbimist ehk takistust. elektrivoolu suurenemisele.

Graafikut vaadates on näha, et t1 juures on metallil palju väiksem takistus kui näiteks t2 juures. Temperatuuri edasise langusega võite jõuda punktini t0, kus juhi takistus on peaaegu null. Muidugi ei saa selle takistus olla null, vaid ainult kaldub sellele. Sel hetkel muutub juht ülijuhiks. Ülijuhte kasutatakse tugevad magnetid kui mähis. Praktikas antud punkt asub palju kaugemal, absoluutse nulli piirkonnas, ja seda on selle graafiku põhjal võimatu määrata.

Selle graafiku jaoks saame kirjutada võrrandi

Seda võrrandit kasutades saate leida juhi takistuse mis tahes temperatuuril. Siin vajame graafikul varem saadud punkti t0. Teades konkreetse materjali temperatuuri väärtust sellel hetkel ning temperatuure t1 ja t2, saame leida takistuse.

Muutuvat takistust temperatuuriga kasutatakse mis tahes elektriauto, kus otsene juurdepääs mähisele ei ole võimalik. Näiteks asünkroonmootoris piisab staatori takistuse teadmisest algsel ajahetkel ja hetkel, mil mootor töötab. Lihtsate arvutuste abil saate määrata mootori temperatuuri, mis toimub tootmises automaatselt.

« Füüsika – 10. klass"

Milline füüsiline kogus nimetatakse vastupanuks
Millest ja kuidas sõltub metalljuhi takistus?

Erinevatel ainetel on erinev takistus. Kas takistus sõltub juhi olekust? selle temperatuuri kohta? Kogemus peaks vastuse andma.

Kui lasete akust voolu läbi terasspiraali ja seejärel hakkate seda põleti leegis soojendama, näitab ampermeeter voolutugevuse vähenemist. See tähendab, et temperatuuri muutudes muutub juhi takistus.

Kui temperatuuril 0 °C on juhi takistus võrdne R 0 ja temperatuuril t on see võrdne R, siis on takistuse suhteline muutus, nagu kogemus näitab, otseselt võrdeline temperatuuri muutusega. t:

Proportsionaalsuskoefitsienti α nimetatakse takistuse temperatuuriteguriks.

Temperatuuri takistustegur- väärtus, mis võrdub juhi takistuse suhtelise muutuse ja selle temperatuurimuutuse suhtega.

See iseloomustab aine vastupidavuse sõltuvust temperatuurist.

Takistuse temperatuuritegur on arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega kuumutamisel 1 K (1 °C võrra).

Kõigi metalljuhtide puhul on koefitsient α > 0 ja muutub temperatuuriga veidi. Kui temperatuurimuutuste vahemik on väike, võib temperatuurikoefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle keskmise väärtusega selles temperatuurivahemikus. Puhaste metallide jaoks

Elektrolüütide lahuste puhul takistus temperatuuri tõustes ei suurene, vaid väheneb. Nende jaoks α< 0. Например, для 10%-ного раствора lauasoolα = -0,02 K -1.

Juhti kuumutamisel muutuvad selle geomeetrilised mõõtmed veidi. Juhi takistus muutub peamiselt selle takistuse muutumise tõttu. Selle takistuse sõltuvuse temperatuurist leiate, kui asendate väärtused valemis (16.1) Arvutused annavad järgmise tulemuse:

ρ = ρ 0 (1 + αt) või ρ = ​​ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

kus ΔT on absoluutse temperatuuri muutus.

Kuna a muutub juhi temperatuuri muutumisel vähe, siis võib eeldada, et juhi eritakistus sõltub temperatuurist lineaarselt (joonis 16.2).

Takistuse suurenemine on seletatav asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb ioonide vibratsiooni amplituud kristallvõre sõlmedes, mistõttu vabad elektronid põrkuvad nendega sagedamini, kaotades seeläbi liikumissuuna. Kuigi koefitsient a on üsna väike, võttes parameetrite arvutamisel arvesse takistuse sõltuvust temperatuurist kütteseadmed absoluutselt vajalik. Seega suureneb hõõglambi volframhõõgniidi takistus rohkem kui 10 korda, kui vool läbib seda kuumenemise tõttu.

Mõnede sulamite, näiteks vase ja nikli sulami (Konstantin) puhul on temperatuuri takistustegur väga väike: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantini takistus on kõrge: ρ ≈ 10 -6 oomi m Selliseid sulameid kasutatakse võrdlustakistite ja täiendavate takistite valmistamiseks mõõteriistad, st juhtudel, kui on nõutav, et takistus temperatuurikõikumiste korral märgatavalt ei muutuks.

On ka metalle, näiteks nikkel, tina, plaatina jne, mille temperatuuritegur on oluliselt kõrgem: α ≈ 10 -3 K -1. Nende takistuse sõltuvust temperatuurist saab kasutada temperatuuri enda mõõtmiseks, mida tehakse sisse takistustermomeetrid.

Pooljuhtmaterjalidest valmistatud seadmed põhinevad ka takistuse sõltuvusel temperatuurist - termistorid. Neid iseloomustab suur temperatuuritakistustegur (kümneid kordi kõrgem kui metallidel) ja karakteristikute stabiilsus ajas. Termistori nimiväärtused on oluliselt kõrgemad kui metallitakistustermomeetritel, tavaliselt 1, 2, 5, 10, 15 ja 30 kΩ.

Tavaliselt võetakse takistustermomeetri peamiseks tööelemendiks plaatinatraati, mille takistuse sõltuvus temperatuurist on hästi teada. Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuste järgi, mida saab mõõta sellised termomeetrid, mis võimaldavad mõõta väga madalat ja väga madalat kõrged temperatuurid kui tavalised vedeliktermomeetrid ei sobi.

Ülijuhtivus.

Metallide vastupidavus väheneb temperatuuri langedes. Mis juhtub, kui temperatuur läheneb absoluutsele nullile?

1911. aastal avastas Hollandi füüsik H. Kamerlingh-Onnes tähelepanuväärse nähtuse – ülijuhtivus. Ta avastas, et elavhõbeda jahutamisel vedelas heeliumis muutub selle takistus esmalt järk-järgult ja seejärel langeb temperatuuril 4,1 K väga järsult nullini (joonis 16.3).

Nimetatakse nähtust, kus juhi takistus langeb kriitilisel temperatuuril nullini ülijuhtivus.

Kamerlingh Onnesi avastus, mille eest ta pälvis 1913. aastal Nobeli preemia, hõlmas ainete omaduste uuringuid madalatel temperatuuridel. Hiljem avastati palju teisi ülijuhte.

Paljude metallide ja sulamite ülijuhtivust täheldatakse väga madalatel temperatuuridel – alates umbes 25 K. Viitetabelites on toodud mõningate ainete üleminekutemperatuurid ülijuhtivusseisundisse.

Temperatuuri, mille juures aine läheb ülijuhtivasse olekusse, nimetatakse kriitiline temperatuur.

Kriitiline temperatuur ei sõltu mitte ainult keemiline koostis ainele, vaid ka kristalli enda struktuurile. Näiteks hall tina on kuupmeetrilise kristallvõrega teemandi struktuuriga ja pooljuht ning valgel tinal on tetragonaalne elementelement ja see on hõbevalge, pehme, plastiline metall, mis on võimeline muutuma ülijuhtivasse olekusse temperatuuril 3,72 K.

Ülijuhtivas olekus olevate ainete puhul täheldati teravaid kõrvalekaldeid magnetilistes, termilistes ja paljudes muudes omadustes, mistõttu on õigem rääkida mitte ülijuhtivast olekust, vaid aine erilisest olekust, mida täheldatakse madalatel temperatuuridel.

Kui ülijuhtivas olekus ringjuhis tekitatakse vool ja seejärel vooluallikas eemaldatakse, siis selle voolu tugevus ei muutu pikema aja jooksul. Tavalises (mitteülijuhtivas) juhis elektrivool sel juhul peatub.

Ülijuhte kasutatakse laialdaselt. Nii ehitatakse ülijuhtiva mähisega võimsaid elektromagneteid, mis tekitavad energiat kulutamata magnetvälja pika aja jooksul. Lõppude lõpuks Ülijuhtivas mähises soojust ei teki.

Ülijuhtiva magneti abil on aga võimatu saada meelevaldselt tugevat magnetvälja. Väga tugev magnetväli hävitab ülijuhtiva oleku. Sellise välja võib tekitada ka ülijuhtivas olekus olev vool. Seetõttu on iga ülijuhtivas olekus juhi jaoks kriitiline vooluväärtus, mida ei saa ületada ülijuhtivust rikkumata.

Ülijuhtivaid magneteid kasutatakse osakeste kiirendites ja magnetohüdrodünaamilistes generaatorites, mis muudavad magnetväljas liikuva kuuma ioniseeritud gaasi joa mehaanilise energia elektrienergiaks.

Ülijuhtivuse seletus on võimalik ainult selle põhjal kvantteooria. Selle andsid alles 1957. aastal Ameerika teadlased J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer ja Nõukogude teadlane, akadeemik N. N. Bogolyubov.

1986. aastal avastati kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus. On saadud lantaani, baariumi ja teiste elementide (keraamika) kompleksseid oksiidühendeid, mille üleminekutemperatuur ülijuhtivasse olekusse on umbes 100 K See on kõrgem kui vedela lämmastiku keemistemperatuur atmosfäärirõhk(77 K).

Kõrgtemperatuuriline ülijuhtivus toob lähitulevikus kindlasti kaasa uue tehnilise revolutsiooni kogu elektrotehnikas, raadiotehnikas ja arvutiprojekteerimises. Praegu takistab selles valdkonnas edasiminekut vajadus jahutada juhte kalli gaasi heeliumi keemistemperatuurini.

Ülijuhtivuse füüsikaline mehhanism on üsna keeruline. Seda saab väga lihtsalt seletada järgmiselt: elektronid ühinevad korrapärases joones ja liiguvad ioonidest koosneva kristallvõrega kokku põrkamata. See liikumine erineb oluliselt tavalisest soojusliikumisest, milles vaba elektron liigub kaootiliselt.

Peame lootma, et ülijuhte on võimalik luua isegi kell toatemperatuur. Generaatorid ja elektrimootorid muutuvad ülimalt kompaktseks (mitu korda väiksemaks) ja ökonoomsemaks. Elektrit saab edastada mis tahes vahemaa tagant ilma kadudeta ja koguda lihtsatesse seadmetesse.

>>Füüsika: juhi takistuse sõltuvus temperatuurist

Erinevatel ainetel on erinev eritakistus (vt § 104). Kas takistus sõltub juhi olekust? selle temperatuuri kohta? Kogemus peaks vastuse andma.
Kui lasete akust voolu läbi teraspooli ja seejärel hakkate seda põleti leegis soojendama, näitab ampermeeter voolu vähenemist. See tähendab, et temperatuuri muutudes muutub juhi takistus.
Kui temperatuur on 0 °C, on juhi takistus võrdne R0 ja temperatuuril t see on võrdne R, siis on takistuse suhteline muutus, nagu kogemus näitab, otseselt võrdeline temperatuuri muutusega t:

Proportsionaalsustegur α helistas temperatuuri takistustegur. See iseloomustab aine vastupidavuse sõltuvust temperatuurist. Temperatuuritakistustegur on arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega kuumutamisel 1 K võrra. Kõigi metalljuhtide puhul on koefitsient α > 0 ja varieerub veidi sõltuvalt temperatuurist. Kui temperatuurimuutuste vahemik on väike, võib temperatuurikoefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle keskmise väärtusega selles temperatuurivahemikus. Puhaste metallide jaoks α ≈ 1/273 K -1 . U elektrolüütide lahuste puhul takistus temperatuuri tõustes ei suurene, vaid väheneb. Nende jaoks α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1 .
Juhti kuumutamisel muutuvad selle geomeetrilised mõõtmed veidi. Juhi takistus muutub peamiselt selle takistuse muutumise tõttu. Selle takistuse sõltuvuse temperatuurist leiate, kui asendate väärtused valemis (16.1)
. Arvutused annavad järgmise tulemuse:

Sest α muutub juhi temperatuuri muutumisel vähe, siis võib eeldada, et juhi eritakistus sõltub temperatuurist lineaarselt ( Joon.16.2).

Takistuse suurenemist võib seletada asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb ioonide vibratsiooni amplituud kristallvõre sõlmedes, mistõttu vabad elektronid põrkuvad nendega sagedamini, kaotades seeläbi liikumissuuna. Kuigi koefitsient α on üsna väike, võttes arvesse takistuse sõltuvust temperatuurist kütteseadmete arvutamisel on absoluutselt vajalik. Seega suureneb hõõglambi volframhõõgniidi takistus voolu läbimisel rohkem kui 10 korda.
Mõnede sulamite, näiteks vase ja nikli (konstantaani) sulami puhul on temperatuuri takistustegur väga väike: α ≈ 10 -5 K -1 ; Konstantaani eritakistus on kõrge: ρ ≈ 10 -6 Ohm m Selliseid sulameid kasutatakse standardtakistuste ja lisatakistuste valmistamiseks mõõteriistadele, st juhtudel, kui on vaja, et takistus ei muutuks märgatavalt temperatuuri kõikumiste korral.
Kasutatakse metalli takistuse sõltuvust temperatuurist takistustermomeetrid. Tavaliselt on sellise termomeetri peamiseks tööelemendiks plaatinatraat, mille takistuse sõltuvus temperatuurist on hästi teada. Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuste järgi, mida saab mõõta.
Sellised termomeetrid võimaldavad mõõta väga madalaid ja väga kõrgeid temperatuure, kui tavapärased vedelikutermomeetrid ei sobi.
Metallide eritakistus suureneb lineaarselt temperatuuri tõustes. Elektrolüütide lahuste puhul väheneb see temperatuuri tõustes.

???
1. Millal tarbib pirn rohkem voolu: kohe pärast sisselülitamist või mõne minuti pärast?
2. Kui elektripliidi spiraali takistus temperatuuriga ei muutunud, siis peaks selle pikkus nimivõimsusel olema suurem või väiksem?

G.Ja.Mjakišev, B.B.Buhhovtsev, N.N.Sotski, füüsika 10. klass

Kui teil on selle õppetüki jaoks parandusi või ettepanekuid,