Une des caractéristiques de tout conducteur électricité Le matériau dépend de la résistance à la température. Si vous le représentez sous la forme d'un graphique où les intervalles de temps (t) sont marqués sur l'axe horizontal et la valeur de la résistance ohmique (R) est marquée sur l'axe vertical, vous obtiendrez une ligne brisée. La dépendance de la résistance à la température se compose schématiquement de trois sections. Le premier correspond à un léger échauffement – ​​à ce moment la résistance change très légèrement. Cela se produit jusqu'à un certain point, après quoi la ligne sur le graphique monte fortement - c'est la deuxième section. La troisième et dernière composante est une ligne droite s’étendant vers le haut à partir du point où la croissance de R s’est arrêtée, selon un angle relativement petit par rapport à l’axe horizontal.

La signification physique de ce graphique est la suivante : la dépendance de la résistance à la température d'un conducteur est décrite de manière simple jusqu'à ce que le pouvoir calorifique dépasse une certaine valeur caractéristique d'un matériau donné. Donnons un exemple abstrait : si à une température de +10°C la résistance d'une substance est de 10 Ohms, alors jusqu'à 40°C la valeur de R ne change pratiquement pas, restant dans l'erreur de mesure. Mais déjà à 41°C, la résistance augmentera jusqu'à 70 Ohms. Si l'augmentation supplémentaire de la température ne s'arrête pas, alors pour chaque degré suivant, il y aura 5 Ohms supplémentaires.

Cette propriété est largement utilisée dans divers appareils électriques, il est donc naturel de fournir des données sur le cuivre comme l'un des matériaux les plus courants dans So, par exemple. conducteur en cuivre le chauffage pour chaque degré supplémentaire entraîne une augmentation de la résistance d'un demi pour cent de la valeur spécifique (peut être trouvé dans les tableaux de référence, donnés pour 20°C, 1 m de longueur avec une section de 1 mm²).

Lorsqu'il se produit dans un conducteur métallique, un courant électrique apparaît - le mouvement dirigé de particules élémentaires chargées. Les ions situés dans les nœuds métalliques ne sont pas capables de retenir les électrons pendant une longue période sur leurs orbites extérieures, ils se déplacent donc librement dans tout le volume du matériau d'un nœud à l'autre. Ce mouvement chaotique est provoqué par une énergie externe – la chaleur.

Bien que le mouvement soit évident, il n’est pas directionnel et n’est donc pas considéré comme un courant. Quand champ électrique les électrons sont orientés selon sa configuration, formant un mouvement dirigé. Mais comme l'effet thermique n'a disparu nulle part, les particules en mouvement chaotique entrent en collision avec des champs dirigés. La dépendance de la résistance du métal à la température montre l'ampleur des interférences avec le passage du courant. Plus la température est élevée, plus le R du conducteur est élevé.

La conclusion évidente : en réduisant le degré de chauffage, vous pouvez réduire la résistance. (environ 20°K) se caractérise précisément par une diminution significative du mouvement chaotique thermique des particules dans la structure de la substance.

La propriété considérée des matériaux conducteurs a été trouvée large application en génie électrique. Par exemple, la dépendance de la résistance des conducteurs à la température est utilisée dans les capteurs électroniques. Connaissant sa valeur pour n'importe quel matériau, vous pouvez fabriquer une thermistance, la connecter à un appareil de lecture numérique ou analogique, effectuer l'étalonnage de l'échelle approprié et l'utiliser comme alternative. La plupart des capteurs de température modernes sont basés exactement sur ce principe, car la fiabilité est grande. plus haut et la conception est plus simple.

De plus, la dépendance de la résistance à la température permet de calculer l'échauffement des enroulements des moteurs électriques.

Exister diverses conditions, dans lequel les porteurs de charge traversent certains matériaux. Et la charge du courant électrique est directement influencée par la résistance, qui dépend de environnement. Les facteurs qui modifient le flux du courant électrique incluent la température. Dans cet article, nous examinerons la dépendance de la résistance des conducteurs à la température.

Les métaux

Comment la température affecte-t-elle les métaux ? Pour connaître cette relation, l'expérience suivante a été réalisée : une batterie, un ampèremètre, un fil et un brûleur sont connectés entre eux à l'aide de fils. Ensuite, vous devez mesurer le courant dans le circuit. Une fois les lectures effectuées, vous devez amener le brûleur sur le fil et le chauffer. Lorsque le fil est chauffé, on constate que la résistance augmente et que la conductivité du métal diminue.

1. Fil métallique
2. Batterie
3. Ampèremètre

La dépendance est indiquée et justifiée par les formules :

De ces formules il résulte que R du conducteur est déterminé par la formule :

Un exemple de la dépendance de la résistance du métal à la température est fourni dans la vidéo :

Vous devez également faire attention à une propriété telle que la supraconductivité. Si les conditions environnementales sont normales, à mesure que les conducteurs refroidissent, leur résistance diminue. Le graphique ci-dessous montre comment la température et résistivité en mercure.

La supraconductivité est un phénomène qui se produit lorsqu'un matériau atteint une température critique (plus proche de zéro Kelvin) à laquelle la résistance diminue soudainement jusqu'à zéro.

Des gaz

Les gaz agissent comme des diélectriques et ne peuvent pas conduire le courant électrique. Et pour qu’il se forme, des porteurs de charge sont nécessaires. Leur rôle est joué par les ions et ils apparaissent sous l'influence de facteurs externes.

La dépendance peut être illustrée par un exemple. Pour l'expérience, le même plan est utilisé que dans l'expérience précédente, seuls les conducteurs sont remplacés par des plaques métalliques. Il devrait y avoir un petit espace entre eux. L'ampèremètre ne doit indiquer aucun courant. En plaçant une torche entre les plaques, l'appareil indiquera le courant qui traverse le milieu gazeux.

Vous trouverez ci-dessous un graphique des caractéristiques courant-tension d'une décharge gazeuse, qui montre que la croissance de l'ionisation au stade initial augmente, puis la dépendance du courant sur la tension reste inchangée (c'est-à-dire que à mesure que la tension augmente, le courant reste le même) et une forte augmentation l'intensité du courant, ce qui conduit à la rupture de la couche diélectrique.

Considérons la conductivité des gaz en pratique. Le passage du courant électrique dans les gaz est utilisé dans les lampes fluorescentes et les lampes. Dans ce cas, la cathode et l'anode, deux électrodes sont placées dans un flacon à l'intérieur duquel se trouve un gaz inerte. Comment ce phénomène dépend-il du gaz ? Lorsque la lampe est allumée, les deux filaments s'échauffent et une émission thermoionique se crée. L’intérieur de l’ampoule est recouvert d’un phosphore qui émet la lumière que nous voyons. Comment le mercure dépend-il du phosphore ? La vapeur de mercure, lorsqu’elle est bombardée d’électrons, produit un rayonnement infrarouge qui à son tour émet de la lumière.

Si une tension est appliquée entre la cathode et l’anode, une conduction gazeuse se produit.

Liquides

Les conducteurs de courant dans un liquide sont des anions et des cations qui se déplacent en raison de l'énergie électrique. champ externe. Les électrons fournissent peu de conductivité. Considérons la dépendance de la résistance à la température dans les liquides.

1. Électrolyte
2. Batterie
3. Ampèremètre

La dépendance de l'effet des électrolytes sur le chauffage est prescrite par la formule :

Où a est le coefficient de température négatif.

La façon dont R dépend du chauffage (t) est illustrée dans le graphique ci-dessous :

Cette dépendance doit être prise en compte lors du chargement des batteries et des batteries.

Semi-conducteurs

Comment la résistance dépend-elle de l’échauffement dans les semi-conducteurs ? Parlons d’abord des thermistances. Ce sont des appareils qui changent leur résistance électrique sous l'influence de la chaleur. Ce semi-conducteur a un coefficient de résistance à la température (TCR) qui est d'un ordre de grandeur supérieur à celui des métaux. Les conducteurs positifs et négatifs ont certaines caractéristiques.

Où : 1 est TKS moins que zéro; 2 – Le TCS est supérieur à zéro.

Pour que des conducteurs tels que des thermistances commencent à fonctionner, n'importe quel point de la caractéristique courant-tension est pris comme base :

• si la température de l'élément est inférieure à zéro, ces conducteurs sont utilisés comme relais ;
• pour contrôler le courant changeant, ainsi que la température et la tension, utilisez une section linéaire.

Les thermistances sont utilisées lors du contrôle et de la mesure un rayonnement électromagnétique, qui sont effectués à des fréquences ultra-hautes. Pour cette raison, ces conducteurs sont utilisés dans des systèmes tels que alarme incendie, en vérifiant la chaleur et en surveillant la consommation de fluides et de liquides en vrac. Les thermistances avec un TCR inférieur à zéro sont utilisées dans les systèmes de refroidissement.

Parlons maintenant des thermoéléments. Comment le phénomène Seebeck affecte-t-il les thermoéléments ? La dépendance réside dans le fait que ces conducteurs fonctionnent sur la base de ce phénomène. Lorsque la température de la jonction augmente avec le chauffage, une force électromotrice apparaît à la jonction du circuit fermé. Ainsi, leur dépendance se manifeste et l'énérgie thermique se transforme en électricité. Pour bien comprendre le processus, je vous recommande de lire nos instructions sur la façon de

De nombreux métaux, comme le cuivre, l’aluminium et l’argent, ont la propriété de conduire le courant électrique grâce à la présence d’électrons libres dans leur structure. De plus, les métaux ont une certaine résistance au courant et chacun a la sienne. La résistance d'un métal dépend fortement de sa température.

Vous pouvez comprendre comment la résistance d'un métal dépend de la température si vous augmentez la température du conducteur, par exemple dans la plage de 0 à t2 °C. À mesure que la température d’un conducteur augmente, sa résistance augmente également. De plus, cette dépendance est quasiment linéaire.

D'un point de vue physique, l'augmentation de la résistance avec l'augmentation de la température peut s'expliquer par une augmentation de l'amplitude des vibrations des nœuds du réseau cristallin, ce qui à son tour rend difficile le passage des électrons, c'est-à-dire la résistance au courant électrique augmente.

En regardant le graphique, vous pouvez voir qu'à t1, le métal a beaucoup moins de résistance qu'à t2, par exemple. Avec une nouvelle diminution de la température, vous pouvez atteindre le point t0, où la résistance du conducteur sera presque nulle. Bien entendu, sa résistance ne peut pas être nulle, mais tend seulement vers elle. Le conducteur devient alors supraconducteur. Les supraconducteurs sont utilisés dans aimants puissants comme un enroulement. Sur la pratique point donné se situe beaucoup plus loin, dans la région du zéro absolu, et il est impossible de le déterminer à partir de ce graphique.

Pour ce graphique, nous pouvons écrire l'équation

En utilisant cette équation, vous pouvez trouver la résistance d’un conducteur à n’importe quelle température. Ici, nous avons besoin du point t0 obtenu plus tôt sur le graphique. Connaissant la valeur de la température à ce stade pour un matériau spécifique, ainsi que les températures t1 et t2, nous pouvons trouver la résistance.

La modification de la résistance avec la température est utilisée dans n'importe quel Voiture électrique, où l'accès direct au bobinage n'est pas possible. Par exemple, dans un moteur asynchrone, il suffit de connaître la résistance statorique au moment initial et au moment où le moteur tourne. À l’aide de calculs simples, vous pouvez déterminer la température du moteur, ce qui est effectué automatiquement en production.

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Lequel quantité physique appelé résistance
De quoi et comment dépend la résistance d'un conducteur métallique ?

Différentes substances ont des résistivités différentes. La résistance dépend-elle de l'état du conducteur ? sur sa température ? L'expérience devrait donner la réponse.

Si vous faites passer le courant de la batterie à travers une spirale en acier et que vous commencez ensuite à le chauffer dans la flamme du brûleur, l'ampèremètre indiquera une diminution de l'intensité du courant. Cela signifie que lorsque la température change, la résistance du conducteur change.

Si à une température de 0 °C la résistance du conducteur est égale à R 0 et à une température t elle est égale à R, alors le changement relatif de résistance, comme le montre l'expérience, est directement proportionnel au changement de température. t :

Le coefficient de proportionnalité α est appelé coefficient de résistance thermique.

Coefficient de température de résistance- une valeur égale au rapport de la variation relative de la résistance du conducteur à la variation de sa température.

Il caractérise la dépendance de la résistance d'une substance à la température.

Le coefficient de température de résistance est numériquement égal à la variation relative de la résistance du conducteur lorsqu'il est chauffé de 1 K (de 1 °C).

Pour tous les conducteurs métalliques, le coefficient α > 0 et évolue légèrement avec la température. Si la plage de changements de température est petite, le coefficient de température peut être considéré comme constant et égal à sa valeur moyenne sur cette plage de température. Pour les métaux purs

Pour les solutions électrolytiques, la résistance n'augmente pas avec l'augmentation de la température, mais diminue. Pour eux α< 0. Например, для 10%-ного раствора sel de tableα = -0,02 K-1.

Lorsqu'un conducteur est chauffé, ses dimensions géométriques changent légèrement. La résistance d'un conducteur change principalement en raison d'une modification de sa résistivité. Vous pouvez trouver la dépendance de cette résistivité à la température si vous substituez les valeurs de la formule (16.1) Les calculs conduisent au résultat suivant :

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

où ΔT est le changement de température absolue.

Puisque a change peu avec les changements de température du conducteur, nous pouvons supposer que la résistivité du conducteur dépend linéairement de la température (Fig. 16.2).

L'augmentation de la résistance peut s'expliquer par le fait qu'avec l'augmentation de la température, l'amplitude des vibrations des ions aux nœuds du réseau cristallin augmente, de sorte que les électrons libres entrent plus souvent en collision avec eux, perdant ainsi la direction du mouvement. Bien que le coefficient a soit assez faible, compte tenu de la dépendance de la résistance à la température lors du calcul des paramètres appareils de chauffage absolument nécessaire. Ainsi, la résistance du filament de tungstène d'une lampe à incandescence augmente de plus de 10 fois lorsqu'un courant le traverse en raison de l'échauffement.

Pour certains alliages, par exemple un alliage de cuivre et de nickel (Konstantin), le coefficient de résistance en température est très faible : α 10 -5 K -1 ; La résistivité de Konstantin est élevée : ρ ≈ 10 -6 Ohm m. De tels alliages sont utilisés pour la fabrication de résistances de référence et de résistances supplémentaires. instruments de mesure, c'est-à-dire dans les cas où il est nécessaire que la résistance ne change pas sensiblement avec les fluctuations de température.

Il existe également des métaux, par exemple le nickel, l'étain, le platine, etc., dont le coefficient de température est nettement plus élevé : α ≈ 10 -3 K -1. La dépendance de leur résistance à la température peut être utilisée pour mesurer la température elle-même, ce qui se fait en thermomètres à résistance.

Les dispositifs fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs sont également basés sur la dépendance de la résistance à la température - thermistances. Ils se caractérisent par un coefficient de résistance à la température élevé (des dizaines de fois supérieur à celui des métaux) et une stabilité des caractéristiques dans le temps. Les valeurs nominales des thermistances sont nettement supérieures à celles des thermomètres à résistance métallique, généralement 1, 2, 5, 10, 15 et 30 kΩ.

Habituellement, le fil de platine est considéré comme l'élément de travail principal d'un thermomètre à résistance, dont la dépendance de la résistance à la température est bien connue. Les changements de température sont jugés par les changements de résistance du fil, qui peuvent être mesurés. De tels thermomètres vous permettent de mesurer des valeurs très faibles et très élevées. hautes températures lorsque les thermomètres à liquide conventionnels ne conviennent pas.

Supraconductivité.

La résistance des métaux diminue avec la diminution de la température. Que se passe-t-il lorsque la température approche du zéro absolu ?

En 1911, le physicien néerlandais H. Kamerlingh-Onnes découvrit un phénomène remarquable : supraconductivité. Il a découvert que lorsque le mercure est refroidi dans de l'hélium liquide, sa résistance change d'abord progressivement, puis, à une température de 4,1 K, chute très brusquement jusqu'à zéro (Fig. 16.3).

Le phénomène selon lequel la résistance d'un conducteur tombe à zéro à une température critique est appelé supraconductivité.

La découverte de Kamerlingh Onnes, pour laquelle il fut récompensé en 1913 prix Nobel, impliquait des études sur les propriétés des substances à basse température. Plus tard, de nombreux autres supraconducteurs furent découverts.

La supraconductivité de nombreux métaux et alliages est observée à des températures très basses, à partir d'environ 25 K. Les tableaux de référence donnent les températures de transition vers l'état supraconducteur de certaines substances.

La température à laquelle une substance entre dans un état supraconducteur est appelée température critique.

La température critique dépend non seulement de composition chimique substance, mais aussi sur la structure du cristal lui-même. Par exemple, l'étain gris a la structure du diamant avec un réseau cristallin cubique et est un semi-conducteur, et l'étain blanc a une cellule unitaire tétragonale et est un métal blanc argenté, doux et ductile, capable de passer à un état supraconducteur à une température de 3,72 K.

Pour les substances dans un état supraconducteur, de fortes anomalies des propriétés magnétiques, thermiques et un certain nombre d'autres ont été notées. Il est donc plus correct de parler non pas d'un état supraconducteur, mais d'un état particulier de la matière observé à basse température.

Si un courant est créé dans un conducteur annulaire qui est dans un état supraconducteur, puis que la source de courant est supprimée, l'intensité de ce courant ne change pas pendant une période arbitrairement longue. Dans un conducteur ordinaire (non supraconducteur), le courant électrique s'arrête dans ce cas.

Les supraconducteurs sont largement utilisés. Ainsi, de puissants électro-aimants dotés d'un enroulement supraconducteur sont construits, qui créent un champ magnétique sur de longues périodes sans consommer d'énergie. Après tout Il n'y a pas de génération de chaleur dans l'enroulement supraconducteur.

Cependant, il est impossible d’obtenir un champ magnétique arbitrairement puissant à l’aide d’un aimant supraconducteur. Un champ magnétique très puissant détruit l’état supraconducteur. Un tel champ peut également être créé par un courant dans le supraconducteur lui-même. Par conséquent, pour chaque conducteur dans un état supraconducteur, il existe une valeur de courant critique qui ne peut être dépassée sans violer l'état supraconducteur.

Les aimants supraconducteurs sont utilisés dans les accélérateurs de particules et les générateurs magnétohydrodynamiques qui convertissent l'énergie mécanique d'un jet de gaz ionisé chaud se déplaçant dans un champ magnétique en énergie électrique.

Une explication de la supraconductivité n'est possible que sur la base théorie des quanta. Il n'a été donné qu'en 1957 par les scientifiques américains J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer et le scientifique soviétique, l'académicien N. N. Bogolyubov.

En 1986, la supraconductivité à haute température a été découverte. Des composés d'oxydes complexes de lanthane, de baryum et d'autres éléments (céramiques) avec une température de transition vers l'état supraconducteur d'environ 100 K ont été obtenus, ce qui est supérieur au point d'ébullition de l'azote liquide. pression atmosphérique(77 Ko).

Dans un avenir proche, la supraconductivité à haute température entraînera certainement une nouvelle révolution technique dans l’ensemble de l’ingénierie électrique, de l’ingénierie radio et de la conception informatique. Actuellement, les progrès dans ce domaine sont entravés par la nécessité de refroidir les conducteurs jusqu’au point d’ébullition de l’hélium, un gaz coûteux.

Le mécanisme physique de la supraconductivité est assez complexe. Cela peut s'expliquer très simplement ainsi : les électrons s'unissent selon une ligne régulière et se déplacent sans entrer en collision avec un réseau cristallin constitué d'ions. Ce mouvement diffère considérablement du mouvement thermique ordinaire, dans lequel un électron libre se déplace de manière chaotique.

Il faut espérer qu'il sera possible de créer des supraconducteurs même à température ambiante. Les générateurs et les moteurs électriques deviendront extrêmement compacts (plus petits plusieurs fois) et économiques. L'électricité peut être transmise sur n'importe quelle distance sans perte et accumulée dans des appareils simples.

>>Physique : Dépendance de la résistance des conducteurs à la température

Différentes substances ont des résistivités différentes (voir § 104). La résistance dépend-elle de l'état du conducteur ? sur sa température ? L'expérience devrait donner la réponse.
Si vous faites passer le courant de la batterie à travers une bobine d'acier et que vous commencez ensuite à le chauffer dans la flamme du brûleur, l'ampèremètre indiquera une diminution du courant. Cela signifie que lorsque la température change, la résistance du conducteur change.
Si à une température égale à 0°C, la résistance du conducteur est égale à R0, et à température t c'est égal R., alors le changement relatif de résistance, comme le montre l'expérience, est directement proportionnel au changement de température t:

Facteur de proportionnalité α appelé coefficient de température de résistance. Il caractérise la dépendance de la résistance d'une substance à la température. Le coefficient de température de résistance est numériquement égal à la variation relative de la résistance du conducteur lorsqu'il est chauffé de 1 K. Pour tous les conducteurs métalliques, le coefficient α > 0 et varie légèrement avec la température. Si la plage de changements de température est petite, le coefficient de température peut être considéré comme constant et égal à sa valeur moyenne sur cette plage de température. Pour les métaux purs α ≈ 1/273K-1 . U des solutions électrolytiques, la résistance n'augmente pas avec l'augmentation de la température, mais diminue. Pour eux α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02K-1 .
Lorsqu'un conducteur est chauffé, ses dimensions géométriques changent légèrement. La résistance d'un conducteur change principalement en raison des changements de sa résistivité. Vous pouvez trouver la dépendance de cette résistivité à la température si vous substituez les valeurs de la formule (16.1)
. Les calculs conduisent au résultat suivant :

Parce que α change peu lorsque la température du conducteur change, alors on peut supposer que la résistivité du conducteur dépend linéairement de la température ( Figure 16.2).

L'augmentation de la résistance peut s'expliquer par le fait qu'avec l'augmentation de la température, l'amplitude des vibrations des ions aux nœuds du réseau cristallin augmente, de sorte que les électrons libres entrent plus souvent en collision avec eux, perdant ainsi la direction du mouvement. Bien que le coefficient α est assez faible, il est absolument nécessaire de prendre en compte la dépendance de la résistance à la température lors du calcul des appareils de chauffage. Ainsi, la résistance du filament de tungstène d'une lampe à incandescence augmente de plus de 10 fois lorsqu'un courant le traverse.
Certains alliages, comme un alliage cuivre-nickel (constantan), ont un très faible coefficient de résistance en température : α ≈ 10 -5K-1 ; La résistivité du constantan est élevée : ρ ≈ 10 -6 Ohm m. De tels alliages sont utilisés pour la fabrication de résistances standard et de résistances supplémentaires pour les instruments de mesure, c'est-à-dire dans les cas où il est requis que la résistance ne change pas sensiblement avec les fluctuations de température.
La dépendance de la résistance du métal à la température est utilisée dans thermomètres à résistance. En règle générale, l'élément de travail principal d'un tel thermomètre est un fil de platine, dont la dépendance de la résistance à la température est bien connue. Les changements de température sont jugés par les changements de résistance du fil, qui peuvent être mesurés.
De tels thermomètres permettent de mesurer des températures très basses et très élevées lorsque les thermomètres à liquide classiques ne conviennent pas.
La résistivité des métaux augmente linéairement avec l’augmentation de la température. Pour les solutions électrolytiques, elle diminue avec l'augmentation de la température.

???
1. Quand une ampoule consomme-t-elle plus d’énergie : immédiatement après l’avoir allumée ou après quelques minutes ?
2. Si la résistance de la spirale de la cuisinière électrique ne change pas avec la température, alors sa longueur à la puissance nominale doit être supérieure ou inférieure ?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physique 10e année

Si vous avez des corrections ou des suggestions pour cette leçon,