Mis tahes elektrit juhtiva materjali üheks omaduseks on vastupidavuse sõltuvus temperatuurist. Kui seda on kujutatud graafikuna, kus horisontaalteljel on tähistatud ajavahemikud (t) ja vertikaalteljel oomilise takistuse väärtus (R), saame katkendliku joone. Vastupidavuse sõltuvus temperatuurist koosneb skemaatiliselt kolmest osast. Esimene vastab kergele kuumusele - sel ajal muutub takistus väga vähe. See juhtub kuni teatud punktini, mille järel graafiku joon tõuseb järsult - see on teine ​​osa. Kolmas viimane komponent on sirgjoon, mis läheb ülespoole punktist, kus kasv R peatus, horisontaaltelje suhtes suhteliselt väikese nurga all.

Selle graafiku füüsiline tähendus on järgmine: takistuse sõltuvust juhi temperatuurist kirjeldatakse nii lihtsana, kuni kuumutusväärtus ei ületa selle materjali teatud omadust. Toogem abstraktne näide: kui temperatuuril + 10 ° C on aine takistus 10 oomi, siis temperatuurini 40 ° C praktiliselt ei muutu R väärtus, jäädes mõõtmisvea piiridesse. Kuid juba temperatuuril 41 ° C tõuseb vastupidavus 70 oomi. Kui edasine temperatuuri tõus ei peatu, on iga järgneva kraadi jaoks veel 5 oomi.

Seda omadust kasutatakse laialdaselt erinevates elektriseadmetes, nii et on loomulik anda vaske kui ühe levinuma materjali kohta andmeid vase kohta, sest vaskjuhtme kuumutamine suurendab iga täiendava kraadi puhul takistust poole protsendi võrra konkreetsest väärtusest (võib leida võrdlustabelitest, on antud 20 ° C, pikkus 1 m, lõiguga 1 m2.

Kui ilmub metalljuht, ilmub elektrivool - elementaarosakeste suunatud liikumine koos laenguga. Metallsõlmedes asuvad ioonid ei suuda pikka aega elektronid välimisel orbiidil hoida, seega liiguvad nad kogu materjali mahu ulatuses vabalt ühest sõlmest teise. See kaootiline liikumine on tingitud välisest energiast - soojusest.

Ehkki liikumise fakt on ilmne, pole see suund, seetõttu ei peeta seda vooluks. Elektrivälja ilmnemisel on elektronid orienteeritud vastavalt selle konfiguratsioonile, moodustades suuna liikumise. Kuid kuna termiline efekt pole kuhugi kadunud, põrkuvad juhuslikult liikuvad osakesed suunaväljadega. Metallide vastupidavuse sõltuvus temperatuurist näitab voolu läbimise häirete ulatust. Mida kõrgem temperatuur, seda kõrgem on juhi R väärtus.

Ilmne järeldus: vähendades kuumutamise astet, saate vähendada takistust. (umbes 20 ° K) iseloomustab osakeste termilise kaootilise liikumise oluline vähenemine aine struktuuris.

Juhtivate materjalide kaalutud omadus on leidnud laialdast rakendust elektrotehnikas. Näiteks kasutatakse elektroonilistes andurites juhi takistuse sõltuvust temperatuurist. Teades selle väärtust mis tahes materjali jaoks, saate teha termistori, ühendada selle digitaalse või analooglugejaga, teostada skaala asjakohase astme ja kasutada alternatiivina. Enamik tänapäevaseid soojusandureid põhinevad sellel põhimõttel, kuna töökindlus on suurem ja disain on lihtsam.

Lisaks võimaldab takistuse sõltuvus temperatuurist arvutada elektrimootorite mähiste kuumutamist.

Laaduri kandjad läbivad teatud materjale erinevatel tingimustel. Ja otsene mõju elektrivoolu laadimisele on takistus, mis sõltub keskkonnast. Elektrivoolu voolu muutvate tegurite hulka kuulub temperatuur. Selles artiklis käsitleme juhi takistuse sõltuvust temperatuurist.

Metallid

Kuidas mõjutab temperatuur metalle? Selle sõltuvuse väljaselgitamiseks viidi läbi järgmine katse: aku, ampermeeter, juhe ja taskulamp ühendatakse juhtmete abil üksteisega. Siis on vaja mõõta vooluringi voolutugevust. Kui näidud on võetud, viige taskulamp juhtme külge ja kuumutage seda. Kuumutatud traadi korral on näha, et takistus suureneb ja metalli juhtivus väheneb.

1. Metalltraat
2. Aku
3. Ampermeeter

Sõltuvust näitavad ja õigustavad valemid:

Nendest valemitest järeldub, et juhi R määratakse valemiga:

Näide metallide vastupidavuse sõltuvusest temperatuurist on toodud videos:

Samuti peate tähelepanu pöörama sellistele omadustele nagu ülijuhtivus. Kui keskkonnatingimused on normaalsed, vähendavad juhid jahutamise teel nende takistust. Allolev graafik näitab, kuidas temperatuur ja vastupidavus elavhõbedas sõltuvad.

Ülijuhtivus on nähtus, mis ilmneb siis, kui materjal saavutab kriitilise temperatuuri (Kelvin on nullile lähemal), mille juures takistus langeb järsult nullini.

Gaasid

Gaasid mängivad dielektriku rolli ega suuda elektrivoolu juhtida. Ja selle moodustamiseks on vaja laadimiskandjaid. Nende rolli mängivad ioonid ja need tekivad väliste tegurite mõjul.

Sõltuvust saab näha näite abil. Katse jaoks kasutatakse sama konstruktsiooni nagu eelmises katses, ainult juhtmed asendatakse metallplaatidega. Nende vahel peab olema väike ruum. Ampermeeter ei tohiks näidata voolu. Põleti paigutamisel plaatide vahele näitab seade voolu, mis läbib gaasikandja.

Allpool on toodud gaaslahenduse voolu-pinge karakteristikute graafik, kus on näha, et ionisatsiooni kasv algfaasis suureneb, siis voolu sõltuvus pingest jääb muutumatuks (see tähendab, et kui pinge suureneb, vool jääb samaks) ja voolu järsk tõus, mis viib dielektrilise kihi lagunemiseni .

Kaaluge gaaside juhtivust praktikas. Gaasides kasutatava elektrivoolu läbipääsu kasutatakse luminofoorlampides ja lampides. Sel juhul, katood ja anood, asetatakse kolbi kaks elektroodi, mille sees on inertgaas. Kuidas selline nähtus sõltub gaasist? Kui lamp süttib, kuumutatakse kaks hõõgniiti ja tekib termoelektrooniline emissioon. Kolvi sees on fosfor, mis kiirgab meie nähtavat valgust. Kuidas elavhõbe sõltub fosforist? Kui elektronid neid pommitavad, moodustavad elavhõbeda aurud infrapunakiirguse, mis omakorda kiirgab valgust.

Kui rakendate katoodi ja anoodi vahel pinget, siis on olemas gaaside juhtivus.

Vedelikud

Vedelikus olevad voolujuhid on anioonid ja katioonid, mis liiguvad elektrilise välisvälja tõttu. Elektronid annavad väikese juhtivuse. Kaaluge vedelike vastupidavuse sõltuvust temperatuurist.

1. Elektrolüüdid
2. Aku
3. Ampermeeter

Elektrolüütide mõju sõltuvus kuumutamisest on ette nähtud järgmise valemiga:

Kus a on negatiivse temperatuuri koefitsient.

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

Sellist suhet tuleks patareide ja akude laadimisel arvestada.

Pooljuhid

Ja kuidas sõltub takistus kuumutamisest pooljuhtides? Alustuseks räägime termistoridest. Need on seadmed, mis muudavad kuumuse mõjul oma elektritakistust. See pooljuhtide vastupidavuse koefitsient (TKS) on palju kõrgem kui metallidel. Nii positiivsed kui ka negatiivsed juhid, neil on teatud omadused.

Kus: 1 on TKS väiksem kui null; 2 - TKS on suurem kui null.

Selleks, et elektrijuhid, näiteks termistorid, hakkaksid tööle, võtavad nad I - V karakteristiku punktide põhjal:

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

Termistreid kasutatakse elektromagnetilise kiirguse kontrollimiseks ja mõõtmiseks, mis viiakse läbi ülikõrgetel sagedustel. Seetõttu kasutatakse neid juhtmeid sellistes süsteemides nagu tulekahjusignalisatsioonid, soojuse testimine ning tahke ja vedela massi kasutamise kontrollimine. Neid termistoreid, milles TKS on alla nulli, kasutatakse jahutussüsteemides.

Nüüd termoelementide kohta. Kuidas Seebeck mõjutab termoelemente? Sõltuvus on see, et sellised juhid funktsioneerivad selle nähtuse põhjal. Kui ristmiku temperatuur kuumutamisel tõuseb, ilmub suletud vooluringi ristmikule emf. Seega avaldub nende sõltuvus ja soojusenergia muundatakse elektrienergiaks. Protsessi täielikuks mõistmiseks soovitan uurida meie juhiseid selle kohta, kuidas

Paljud metallid, näiteks vask, alumiinium, hõbe, omavad elektrivoolu juhtivust, kuna nende struktuuris on vabu elektrone. Ka metallidel on teatav vastupidavus voolule ja igal neist on oma. Metalli vastupidavus sõltub tugevalt selle temperatuurist.

Saate aru saada, kuidas metalli takistus temperatuurist sõltub, kui suurendate juhi temperatuuri näiteks piirkonnas 0 kuni t2 ° C. Juhi temperatuuri tõustes suureneb ka selle takistus. Pealegi on see sõltuvus peaaegu lineaarne.

Füüsikalisest aspektist võib takistuse suurenemist temperatuuri tõusuga seletada kristallvõre sõlmede võnke amplituudi suurenemisega, mis omakorda muudab elektronide läbimise raskemaks, see tähendab, et vastupidavus elektrivoolule suureneb.

Graafikut vaadates näete, et t1 juures on metalli vastupidavus palju madalam kui näiteks t2 juures. Temperatuuri edasise languse korral võite jõuda punkti t0, kus juhi takistus on peaaegu võrdne nulliga. Muidugi, tema vastupanu null ei saa olla, vaid kipub ainult teda. Sel hetkel saab dirigent ülijuhiks. Ülijuhte kasutatakse mähisena tugevates magnetites. Praktikas asub see punkt palju kaugemal, absoluutse nulli piirkonnas ja selle ajakava järgi on seda võimatu kindlaks teha.

Selle graafiku jaoks saate kirjutada võrrandi

Seda võrrandit kasutades saate leida dirigendi takistuse mis tahes temperatuuril. Siin on vaja graafikul varem saadud punkti t0. Teades konkreetse materjali temperatuuri sellel hetkel ning temperatuuri t1 ja t2, leiame takistuse.

Takistuse muutust temperatuuriga kasutatakse kõigis elektrimasinates, kus mähisele otsene juurdepääs pole võimalik. Näiteks asünkroonses mootoris piisab, kui teada staatori takistust esialgsel ajahetkel ja hetkel, kui mootor töötab. Lihtsate arvutuste abil on võimalik kindlaks määrata mootori temperatuur, mida tehakse tootmisel automaatselt.

« Füüsika - 10. klass

Seda füüsikalist kogust nimetatakse vastupanuks
Millest ja kuidas sõltub metalljuhi vastupidavus?

Erinevatel ainetel on erinev vastupidavus. Kas takistus sõltub juhi seisundist? selle temperatuurist? Vastus peab andma kogemusi.

Kui juhite akust voolu läbi terasmähise ja hakkate seda kuumutama põleti leegis, näitab ampermeeter voolu vähenemist. See tähendab, et temperatuuri muutumisel muutub juhi takistus.

Kui temperatuuril 0 ° С on juhi takistus võrdne R 0-ga ja temperatuuril t on see võrdne R-ga, siis on resistentsuse suhteline muutus, nagu kogemus näitab, võrdeline temperatuuri muutusega t:

Proportsionaalsuse koefitsienti α nimetatakse temperatuuri takistuse koefitsiendiks.

Temperatuuri takistuse koefitsient  - väärtus, mis võrdub juhi takistuse suhtelise muutuse suhtega selle temperatuuri muutusega.

See iseloomustab aine vastupidavuse sõltuvust temperatuurist.

Temperatuuri takistuse koefitsient on arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega, kui seda kuumutatakse temperatuuril 1 K (1 ° C).

Kõigi metallijuhtide korral on koefitsient α\u003e 0 ja varieerub temperatuurist pisut. Kui temperatuurimuutuste intervall on väike, võib temperatuuri koefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle keskmise väärtusega selles temperatuurivahemikus. Puhtad metallid

Elektrolüüdilahustes takistus temperatuuri tõustes ei suurene, vaid väheneb. Nende jaoks α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Juhi kuumutamisel muutuvad selle geomeetrilised mõõtmed pisut. Juhi takistus varieerub peamiselt selle takistuse muutuste tõttu. Selle takistuse sõltuvuse temperatuurist leiate juhul, kui valem (16.1) asendab väärtused Arvutused annavad järgmise tulemuse:

ρ = ρ 0 (1 + αt) või ρ = ​​ρ 0 (1 + αΔТ), (16,2)

kus ΔT on absoluuttemperatuuri muutus.

Kuna värtus varieerub juhi temperatuuril vähe, võime eeldada, et juhi vastupidavus sõltub temperatuurist lineaarselt (joonis 16.2).

Takistuse suurenemist saab seletada asjaoluga, et temperatuuri tõustes suureneb kristallvõre sõlmedes olevate ioonide võnke amplituud, nii et vabad elektronid põrkuvad nendega sagedamini, kaotades liikumissuuna. Kuigi koefitsient a on üsna väike, on kütteseadmete parameetrite arvutamisel tingimata vajalik arvestada takistuse sõltuvust temperatuurist. Seega suureneb hõõglambi hõõglambi takistus, kui vool läbib seda kuumutamise tõttu rohkem kui 10 korda.

Mõnes sulamis, näiteks vase-nikli sulamis (Constantin), on temperatuuri takistuse koefitsient väga väike: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantne takistus on suur: ρ ≈ 10 -6 Ω m. Selliseid sulameid kasutatakse etalontakistite ja mõõtevahendite lisatakistite valmistamiseks, st nendel juhtudel, kui on nõutav, et takistus temperatuurimuutuste korral märgatavalt ei muutuks.

On ka selliseid metalle, näiteks nikkel, tina, plaatina jne, mille temperatuurikoefitsient on palju suurem: α ≈ 10 -3 K -1. Nende temperatuuri takistuse sõltuvust saab kasutada temperatuuri mõõtmiseks ise, mis viiakse läbi vahemikus takistuse termomeetrid.

Temperatuuril põhinevad seadmed põhinevad pooljuhtmaterjalidest seadmetel, termistorid. Neid iseloomustab suur temperatuurikindluse koefitsient (kümneid kordi suurem kui metallidel), omaduste püsivus aja jooksul. Termistoride nominaalne takistus on märkimisväärselt suurem kui metalltakistusega termomeetritel, tavaliselt on see 1, 2, 5, 10, 15 ja 30 kΩ.

Tavaliselt võetakse takistustermomeetri peamiseks tööelemendiks plaatina juhet, selle sõltuvus temperatuurist on hästi teada. Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuste järgi, mida saab mõõta. Sellised termomeetrid võivad mõõta väga madalaid ja väga kõrgeid temperatuure, kui tavalised vedelad termomeetrid ei sobi.

Ülijuhtivus

Metallide vastupidavus väheneb temperatuuri langedes. Mis juhtub, kui temperatuur kipub olema absoluutne null?

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

Kriitilisel temperatuuril juhtivuse nulltakistuse languse nähtust nimetatakse ülijuhtivus.

Kamerlingh Onnesi avastus, mille eest talle 1913. aastal anti Nobeli preemia, viis ainete omaduste uurimiseni madalatel temperatuuridel. Hiljem avastati palju teisi ülijuhte.

Paljude metallide ja sulamite ülijuhtivust täheldatakse väga madalatel temperatuuridel - alates temperatuurist umbes 25 K. Võrdlustabelid annavad ülemineku temperatuurid teatud ainete ülijuhtivusele.

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

Kriitiline temperatuur ei sõltu ainult aine keemilisest koostisest, vaid ka kristalli enda struktuurist. Näiteks hallil tinal on kuubilise kristallvõrega rombikujuline struktuur ja see on pooljuht ning valgel tinal on tetragonaalne ühikurakk ja hõbevalge, pehme, plastiline metall, mis on võimeline temperatuuril 3,72 K üle minema ülijuhtivusele.

Ülijuhtivas olekus olevate ainete puhul täheldati magnetiliste, termiliste ja paljude muude omaduste järske kõrvalekaldeid, seega on õigem rääkida mitte ülijuhtivusest, vaid madalatel temperatuuridel täheldatud aine erilisest olekust.

Kui ülijuhtivas rõngajuhtmes luuakse vool ja seejärel vooluallikas eemaldatakse, ei muutu selle voolu tugevus lõpmatuseni. Tavalises (mitte ülijuhtivas) juhis elektrivool sel juhul lõpeb.

Ülijuhte kasutatakse laialdaselt. Nad ehitavad ülijuhtiva mähisega võimsaid elektromagneteid, mis loovad pika aja jooksul ilma energiata magnetvälja. Lõppude lõpuks ülijuhtivas mähises ei teki soojust.

Kuid ülijuhtiva magneti abil on suvaliselt tugeva magnetvälja saamine võimatu. Väga tugev magnetväli hävitab ülijuhtivuse. Sellise välja saab luua ka ülijuhi enda vooluga, seetõttu on igale ülijuhtivas olekus oleva juhi jaoks voolu tugevuse kriitiline väärtus, mida ei saa ületada ilma ülijuhtiva oleku purunemiseta.

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

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

1986. aastal avastati ülijuhtivus kõrgel temperatuuril. Saadi lantaani, baariumi ja muude elementide (keraamika) komplekssed oksiidühendid üleminekutemperatuuri ülijuhtivuse olekuga umbes 100 K. See on kõrgem kui vedela lämmastiku keemistemperatuur atmosfäärirõhul (77 K).

Lähitulevikus põhjustab kõrge temperatuuriga ülijuhtivus tõenäoliselt uue tehnilise revolutsiooni kogu elektrotehnika, raadiotehnika ja arvutidisaini valdkonnas. Nüüd takistab edasiminekut selles valdkonnas vajadus jahutada juhid kalli gaasi - heeliumi keemistemperatuurini.

Ülijuhtivuse füüsikaline mehhanism on üsna keeruline. Väga lihtsustatult saab seda selgitada järgmiselt: elektronid ühinevad õiges reas ja liiguvad kokku põrkamata ioonidest koosneva kristallvõrega. See liikumine erineb märkimisväärselt tavalisest termilisest liikumisest, milles vaba elektron liigub kaootiliselt.

Loodetavasti on võimalik toatemperatuuril luua ülijuhte. Generaatorid ja elektrimootorid muutuvad äärmiselt kompaktseteks (need vähenevad mitu korda) ja ökonoomseks. Elektrienergiat saab kadudeta üle kanda ükskõik millisele kaugusele ja koguneda lihtsatesse seadmetesse.

\u003e\u003e Füüsika: Juhi takistuse sõltuvus temperatuurist

Erinevatel ainetel on erinev vastupidavus (vt § 104). Kas takistus sõltub juhi seisundist? selle temperatuurist? Vastus peab andma kogemusi.
  Kui juhite akust voolu läbi terasmähise ja hakkate seda kuumutama põleti leegis, näitab ampermeeter voolu vähenemist. See tähendab, et temperatuuri muutumisel muutub juhi takistus.
  Kui temperatuuril 0 ° C, on juhi takistus R 0ja temperatuuril t  see on võrdne R, siis on resistentsuse suhteline muutus, nagu kogemus näitab, võrdeline temperatuuri muutusega. t:

Proportsionaalsuse koefitsient α   kutsus temperatuuri takistuse koefitsient. See iseloomustab aine vastupidavuse sõltuvust temperatuurist. Temperatuuri takistuse koefitsient on arvuliselt võrdne juhi takistuse suhtelise muutusega 1 K kuumutamisel. Kõigi metallijuhtide koefitsient α   \u003e 0 ja varieerub temperatuurist veidi. Kui temperatuurimuutuste intervall on väike, võib temperatuuri koefitsienti pidada konstantseks ja võrdseks selle keskmise väärtusega selles temperatuurivahemikus. Puhtad metallid α ≈ 1/273 K -1. On elektrolüüdilahuste takistus temperatuuri tõustes ei suurene, vaid väheneb. Nende jaoks α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
  Juhi kuumutamisel muutuvad selle geomeetrilised mõõtmed pisut. Juhi takistus varieerub peamiselt selle takistuse muutuste tõttu. Selle takistuse sõltuvuse temperatuurist leiate juhul, kui valem (16.1) asendab väärtused
. Arvutused annavad järgmise tulemuse:

Nii nagu α   muutub juhi temperatuuriga vähe, võime eeldada, et juhi takistus sõltub temperatuurist lineaarselt ( riis.16.2).

Resistentsuse suurenemist saab seletada asjaoluga, et temperatuuri tõustes kasvab võrekohtades ioonide võnke amplituud, nii et vabad elektronid põrkavad nendega sagedamini kokku, kaotades liikumissuuna. Kuigi koefitsient α   üsna väike, arvestades kütteseadmete arvutamisel takistuse sõltuvust temperatuurist, on tingimata vajalik. Seega suureneb hõõglambi hõõgniidi hõõgniidi takistus, kui vool läbib seda üle 10 korra.
  Mõne sulami, näiteks vase-nikli (konstantan) sulamistemperatuuri koefitsient on väga väike: α   ≈ 10-5 K-1; Konstantani takistus on suur: ρ   ≈ 10–6 oomi m. Selliseid sulameid kasutatakse mõõtevahendite etalontakistuste ja lisatakistuste tootmiseks, st juhtudel, kui nõutakse, et takistus temperatuurimuutuste korral märkimisväärselt ei muutuks.
  Kasutatakse metalli vastupidavuse sõltuvust temperatuurist takistuse termomeetrid. Tavaliselt võetakse sellise termomeetri peamiseks tööelemendiks plaatinajuhet, selle sõltuvus temperatuurist on hästi teada. Temperatuuri muutusi hinnatakse traadi takistuse muutuse järgi, mida saab mõõta.
  Sellised termomeetrid võivad mõõta väga madalaid ja väga kõrgeid temperatuure, kui tavalised vedelad termomeetrid ei sobi.
Metallide vastupidavus suureneb temperatuuri tõustes lineaarselt. Elektrolüüdilahustes väheneb see temperatuuri tõustes.

???
  1. Millal elektripirn tarbib rohkem energiat: kohe pärast selle sisselülitamist võrku või mõne minuti pärast?
  2. Kui pliidi mähise takistus temperatuuriga ei muutunud, peaks selle pikkus nimivõimsusel olema suurem või väiksem?

G.Ya.Myakishev, B.B. Bukhovtsev, N.N.Sotsky, füüsika 10. klass

Kui teil on selle õppetunni kohta parandusi või ettepanekuid,