L'une des caractéristiques de tout matériau électriquement conducteur est la dépendance de la résistance en fonction de la température. S'il est représenté sous forme de graphique indiquant l'emplacement des intervalles de temps (t) sur l'axe horizontal et la valeur de la résistance ohmique (R) sur l'axe vertical, nous obtenons une ligne brisée. La dépendance de la résistance à la température comprend schématiquement trois sections. Le premier correspond à une légère chaleur - à ce moment-là, la résistance change très peu. Cela se produit jusqu'à un certain point, après quoi la ligne sur le graphique monte brusquement - c'est la deuxième section. La troisième et dernière composante est une ligne droite allant du point où la croissance R s’est arrêtée, à 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 du conducteur est décrite comme simple, à condition que la valeur de chauffage ne dépasse pas une certaine valeur caractéristique de ce matériau. Donnons un exemple abstrait: si, à une température de + 10 ° C, la résistance d'une substance est de 10 ohms, la valeur de R ne varie pratiquement pas jusqu'à 40 ° C et reste dans les limites de l'erreur de mesure. Mais déjà à 41 ° C, la résistance atteindra 70 ohms. Si la hausse de température ne s'arrête pas, il restera 5 ohms supplémentaires pour chaque degré successif.

Cette propriété est largement utilisée dans divers appareils électriques. Il est donc naturel de donner des données sur le cuivre comme l’un des matériaux les plus courants de So. Ainsi, le chauffage d’un conducteur en cuivre entraîne pour chaque degré supplémentaire une augmentation de la résistance de 0,5% à partir d’une valeur spécifique (voir 20 ° C, longueur 1 m avec une section de 1 mm).

Lorsqu'un conducteur métallique apparaît, un courant électrique apparaît - mouvement dirigé de particules élémentaires chargées. Les ions situés dans les nœuds métalliques ne peuvent pas maintenir les électrons sur leurs orbites extérieures pendant une longue période, de sorte qu'ils se déplacent librement dans le volume du matériau d'un nœud à un autre. Ce mouvement chaotique est dû à l'énergie externe - la chaleur.

Bien que le mouvement soit évident, il n’est pas directionnel et n’est donc pas considéré comme un courant. Lorsqu'un champ électrique apparaît, les électrons sont orientés en fonction de sa configuration, formant un mouvement directionnel. Mais comme l'effet thermique n'a pas disparu nulle part, les particules en mouvement aléatoire entrent en collision avec des champs directionnels. La dépendance de la résistance des métaux à la température montre l'ampleur de l'interférence 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) est précisément caractérisée par une diminution significative du mouvement chaotique thermique des particules dans la structure d’une substance.

La propriété considérée des matériaux conducteurs a trouvé une large application en génie électrique. Par exemple, la dépendance de la résistance du conducteur sur 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 lecteur numérique ou analogique, procéder à la graduation appropriée de l'échelle et l'utiliser en tant qu'alternative.

De plus, la dépendance de la résistance en fonction de la température permet de calculer le chauffage des enroulements de moteurs électriques.

Il existe diverses conditions dans lesquelles les porteurs de charges passent à travers certains matériaux. Et l'influence directe sur la charge d'un courant électrique est la résistance, qui dépend de l'environnement. Les facteurs qui modifient le flux de courant électrique incluent la température. Dans cet article, nous considérons la dépendance de la résistance du conducteur sur la température.

Les métaux

Comment la température affecte les métaux? Pour découvrir cette dépendance, l'expérience suivante a été réalisée: une batterie, un ampèremètre, un fil et une torche sont connectés l'un à l'autre à l'aide de fils. Ensuite, il est nécessaire de mesurer le relevé de courant dans le circuit. Une fois les lectures terminées, amenez la torche sur le fil et faites-la chauffer. Lorsque le fil chauffé est visible, la résistance augmente et la conductivité du métal diminue.

1. Fil métallique
2. Batterie
3. Ampèremètre

La dépendance est indiquée et justifiée par les formules:

Il résulte de ces formules que R du conducteur est déterminé par la formule:

Un exemple de la dépendance de la résistance des métaux à la température est donné dans la vidéo:

Vous devez également faire attention aux propriétés telles que la supraconductivité. Si les conditions ambiantes sont normales, les conducteurs réduisent leur résistance en refroidissant. Le graphique ci-dessous montre la relation entre la température et la résistivité dans le mercure.

La supraconductivité est un phénomène qui se produit lorsque le matériau atteint la température critique (Kelvin est plus proche de zéro), à laquelle la résistance tombe brusquement à zéro.

Gaz

Les gaz jouent le rôle de diélectrique et ne peuvent pas conduire de courant électrique. Et pour qu'il soit formé, des porteurs de charge sont nécessaires. Leur rôle est joué par les ions et ils résultent de l'influence de facteurs externes.

La dépendance peut être considérée par exemple. Pour l'expérience, la même construction que dans l'expérience précédente est utilisée, seuls les conducteurs sont remplacés par des plaques métalliques. Il doit y avoir un petit espace entre eux. L'ampèremètre ne doit indiquer aucun courant. En plaçant le brûleur entre les plaques, l’appareil indiquera le courant qui passe à travers le gaz.

Ci-dessous, un graphique des caractéristiques courant-tension de la décharge gazeuse, où on peut voir que l'augmentation de l'ionisation au stade initial augmente, puis la dépendance du courant sur la tension reste inchangée (c'est-à-dire que, lorsque la tension augmente, le courant reste identique) et une forte augmentation du courant qui conduit à la rupture de couche diélectrique .

Considérons la conductivité des gaz dans la 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 ballon à l'intérieur duquel se trouve un gaz inerte. Comment un tel phénomène dépend-il du gaz? Lorsque la lampe s'allume, les deux filaments sont chauffés et une émission thermoélectronique est créée. L'intérieur du ballon est recouvert de phosphore, qui émet la lumière que nous voyons. Comment le mercure dépend-il du phosphore? Les vapeurs de mercure, lorsque les électrons les bombardent, forment un rayonnement infrarouge, qui à son tour émet de la lumière.

Si vous appliquez une tension entre la cathode et l'anode, il y a conductivité des gaz.

Liquides

Les conducteurs de courant dans un liquide sont des anions et des cations qui se déplacent en raison d'un champ électrique externe. Les électrons fournissent peu de conductivité. Considérez 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 un coefficient de température négatif.

Comment R dépend du chauffage (t) est indiqué dans le graphique ci-dessous:

Une telle relation doit être prise en compte lors du chargement des piles et des piles.

Semi-conducteurs

Et comment la résistance dépend-elle du chauffage dans les semi-conducteurs? Pour commencer, parlons des thermistances. Ce sont des dispositifs qui modifient leur résistance électrique sous l’influence de la chaleur. Ce coefficient de résistance à la température du semi-conducteur (TKS) est beaucoup plus élevé que celui des métaux. Les deux conducteurs positifs et négatifs, ils ont certaines caractéristiques.

Où: 1 est TKS inférieur à zéro; 2 - TKS est supérieur à zéro.

Pour que des conducteurs tels que des thermistances commencent à fonctionner, ils se basent sur n'importe quel point de la caractéristique I - V:

• 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 la section linéaire.

Les thermistances sont utilisées lors de la vérification et de la mesure du rayonnement électromagnétique effectué à des fréquences ultra-hautes. Pour cette raison, ces conducteurs sont utilisés dans des systèmes tels que les alarmes incendie, les tests de chaleur et le contrôle de l'utilisation de solides en vrac et de liquides. Ces thermistances, dans lesquelles TKS est inférieur à zéro, sont utilisées dans les systèmes de refroidissement.

Parlons maintenant des thermoéléments. Comment l'effet Seebeck sur les thermoéléments? La dépendance est que ces conducteurs fonctionnent sur la base de ce phénomène. Lorsque la température de la jonction augmente lorsqu'elle est chauffée, une force électromotrice apparaît à la jonction du circuit fermé. Ainsi, leur dépendance se manifeste et l'énergie thermique est convertie en électricité. Pour bien comprendre le processus, je vous recommande d’étudier nos instructions sur la

De nombreux métaux, tels que le cuivre, l'aluminium, l'argent, ont la propriété de conduire le courant électrique en raison de la présence d'électrons libres dans leur structure. En outre, les métaux ont une certaine résistance au courant et chacun a le sien. La résistance d'un métal dépend fortement de sa température.

Vous pouvez comprendre comment la résistance du métal dépend de la température, si vous augmentez la température du conducteur, par exemple dans la zone de 0 à t2 ° C. Lorsque la température du conducteur augmente, sa résistance augmente également. De plus, cette dépendance est presque linéaire.

D'un point de vue physique, une augmentation de la résistance avec l'augmentation de la température peut être expliquée par une augmentation de l'amplitude des oscillations des noeuds du réseau cristallin, ce qui rend plus difficile le passage des électrons, c'est-à-dire que la résistance au courant électrique augmente.

En regardant le graphique, vous pouvez voir qu'à t1 le métal a une résistance bien inférieure à celle de t2, par exemple. Avec une nouvelle diminution de la température, vous pouvez arriver au point t0, où la résistance du conducteur sera presque nulle. Bien sûr, sa résistance est zéro ne peut pas être, mais seulement tend à lui. À ce stade, le conducteur devient un supraconducteur. Les supraconducteurs sont utilisés dans les aimants puissants comme enroulement. En pratique, ce point se situe beaucoup plus loin, dans la région du zéro absolu, et il est impossible de le déterminer selon ce calendrier.

Pour ce graphique, vous pouvez écrire l'équation

En utilisant cette équation, vous pouvez trouver la résistance du conducteur à n’importe quelle température. Ici, nous avons besoin du point t0 obtenu précédemment dans le graphique. En connaissant la température à ce stade pour un matériau particulier, ainsi que la température t1 et t2, nous pouvons trouver une résistance.

Le changement de résistance en fonction de la température est utilisé dans toute machine électrique où un accès direct au bobinage n'est pas possible. Par exemple, dans un moteur asynchrone, il suffit de connaître la résistance du stator au moment initial et au moment où le moteur tourne. Par de simples calculs, il est possible de déterminer la température du moteur, ce qui se fait automatiquement en production.

« Physique - 10 e année

Quelle quantité physique est appelée résistance
De quoi et comment dépend la résistance du conducteur métallique?

Différentes substances ont différentes résistivités. La résistance dépend-elle de l'état du conducteur? de sa température? La réponse doit donner de l'expérience.

Si vous faites passer le courant de la batterie à travers une bobine en acier et que vous commencez à le chauffer à la flamme du brûleur, l'ampèremètre affichera 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 R 0 et qu'à la température t elle est égale à R, la variation relative de la résistance, comme le montre l'expérience, est directement proportionnelle à la variation de la température t:

Le coefficient de proportionnalité α est appelé coefficient de résistance à la température.

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

Elle 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 chauffé de 1 K (de 1 ° C).

Pour tous les conducteurs métalliques, le coefficient α\u003e 0 varie légèrement avec la température. Si l'intervalle de changement de température est petit, le coefficient de température peut être considéré comme constant et égal à sa valeur moyenne dans cette plage de température. Métaux purs

Dans les solutions d'électrolyte, la résistance à l'augmentation de la température n'augmente pas, mais diminue. Pour eux α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Lorsque le conducteur est chauffé, ses dimensions géométriques changent légèrement. La résistance du conducteur varie principalement en raison de modifications de sa résistivité. Vous pouvez trouver la dépendance de cette résistivité à la température si, dans la formule (16.1), vous substituez les valeurs 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.

Comme a varie peu avec la température du conducteur, on peut 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 oscillations des ions dans les nœuds du réseau cristallin augmente, de sorte que les électrons libres entrent en collision avec eux plus souvent, perdant la direction du mouvement. Bien que le coefficient a soit plutôt faible, il est absolument nécessaire de tenir compte de la dépendance de la résistance en fonction de la température lors du calcul des paramètres des appareils de chauffage. Ainsi, la résistance d'un filament de tungstène d'une lampe à incandescence augmente lorsque le courant le traverse en raison du chauffage de plus de 10 fois.

Dans certains alliages, par exemple dans un alliage de cuivre-nickel (Constantin), le coefficient de résistance à la température est très petit: α ≈ 10 -5 K -1; La résistivité de Constantine est grande: ρ 10 -6 Ω M. De tels alliages sont utilisés pour créer des résistances de référence et des résistances supplémentaires aux instruments de mesure, c'est-à-dire dans les cas où il est requis que la résistance ne change pas de manière notable avec les fluctuations de température.

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

Les dispositifs basés sur la température sont basés sur des dispositifs en matériaux semi-conducteurs, - thermistances. Ils se caractérisent par un coefficient de résistance thermique élevé (des dizaines de fois supérieur à celui des métaux), la stabilité des caractéristiques dans le temps. La résistance nominale des thermistances est nettement supérieure à celle des thermomètres à résistance métalliques, elle est généralement de 1, 2, 5, 10, 15 et 30 kΩ.

Généralement, le fil de platine est l’élément de travail principal d’un thermomètre à résistance; sa dépendance à la température est bien connue. Les variations de température sont jugées par les variations de la résistance du fil pouvant être mesurées, de tels thermomètres pouvant mesurer des températures très basses et très élevées lorsque les thermomètres à liquide ordinaires ne conviennent pas.

Supraconductivité

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

En 1911, le physicien néerlandais X. Kamerlingh Onnes découvrit un phénomène remarquable - supraconductivité. Il a constaté que lorsque le mercure se refroidissait dans l'hélium liquide, sa résistance variait initialement, puis à une température de 4,1 K, il tombait très rapidement à zéro (Fig. 16.3).

Le phénomène de chute à zéro de la résistance du conducteur à une température critique est appelé supraconductivité.

La découverte de Kamerlingh Onnes, pour laquelle il reçut le prix Nobel en 1913, conduisit à l'étude des propriétés des substances à basses températures. Plus tard, de nombreux autres supraconducteurs ont été découverts.

La supraconductivité de nombreux métaux et alliages est observée à de très basses températures - à partir d’environ 25 K. Les tableaux de référence donnent les températures de transition de 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 la composition chimique de la substance, mais également de la structure même du cristal. Par exemple, l’étain gris a une structure en diamant avec un réseau cristallin cubique et est un semi-conducteur, et l’étain blanc a une cellule unitaire tétragonale et est un métal ductile, blanc argenté, capable de passer à un état supraconducteur à une température de 3,72 K.

Pour les substances à l'état supraconducteur, des anomalies aiguës magnétiques, thermiques et un certain nombre d'autres propriétés ont été constatées. Il est donc plus correct de ne pas parler de l'état supraconducteur, mais de l'état particulier d'une substance observée à basse température.

Si un courant est créé dans le conducteur à anneau supraconducteur et que la source de courant est supprimée, la force de ce courant ne change pas indéfiniment. Dans le conducteur habituel (non supraconducteur), le courant électrique est dans ce cas terminé.

Les supraconducteurs sont largement utilisés. Ils construisent donc de puissants électroaimants à enroulement supraconducteur, qui créent un champ magnétique pendant de longues périodes sans énergie. Après tout aucune chaleur n'est générée dans l'enroulement supraconducteur.

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

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

L'explication de la supraconductivité n'est possible que sur la base de la théorie quantique. Il a été donné seulement en 1957 par les scientifiques américains J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer et les scientifiques soviétiques, l'académicien N. N. Bogolyubov.

En 1986, la supraconductivité à haute température a été découverte. On a obtenu des composés d’oxydes complexes de lanthane, de baryum et d’autres éléments (céramiques) dont la température de transition à l’état supraconducteur était d’environ 100 K. Ce point est supérieur au point d’ébullition de l’azote liquide à la pression atmosphérique (77 K).

Dans un proche avenir, la supraconductivité à haute température entraînera probablement une nouvelle révolution technique dans tous les domaines de l'ingénierie électrique, de l'ingénierie radio et de la conception informatique. Maintenant, les progrès dans ce domaine sont freinés par la nécessité de refroidir les conducteurs jusqu'au point d'ébullition du coûteux gaz - hélium.

Le mécanisme physique de la supraconductivité est plutôt compliqué. D'une manière très simpliste, cela peut s'expliquer de la manière suivante: les électrons s'unissent dans le bon rang et bougent sans entrer en collision avec un réseau cristallin constitué d'ions. Ce mouvement est très différent du mouvement thermique habituel, dans lequel l'électron libre se déplace de manière chaotique.

Espérons qu'il sera possible de créer des supraconducteurs à température ambiante. Les générateurs et les moteurs électriques deviendront extrêmement compacts (ils diminueront plusieurs fois) et économiques. L'électricité peut être transférée à n'importe quelle distance sans perte et s'accumuler dans des appareils simples.

\u003e\u003e Physique: Dépendance de la résistance du conducteur sur la température

Différentes substances ont différentes résistivités (voir § 104). La résistance dépend-elle de l'état du conducteur? de sa température? La réponse doit donner de l'expérience.
  Si vous faites passer le courant de la batterie à travers la bobine en acier et que vous commencez à le chauffer à la flamme du brûleur, l'ampèremètre affichera une diminution 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 R 0et à une température t  c'est égal R, alors que le changement relatif de résistance, comme le montre l’expérience, est directement proportionnel au changement de température. t:

Coefficient de proportionnalité α   appelé coefficient de température de résistance. Elle 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 chauffé de 1 K. Pour tous les conducteurs métalliques, le coefficient α   \u003e 0 et varie légèrement avec la température. Si l'intervalle de changement de température est petit, le coefficient de température peut être considéré comme constant et égal à sa valeur moyenne dans cette plage de température. Métaux purs α ≈ 1/273 K -1. Avoir la résistance des solutions électrolytiques avec l'augmentation de la température n'augmente pas, mais diminue. Pour eux α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
  Lorsque le conducteur est chauffé, ses dimensions géométriques changent légèrement. La résistance du conducteur varie principalement en raison de modifications de sa résistivité. Vous pouvez trouver la dépendance de cette résistivité à la température si, dans la formule (16.1), vous substituez les valeurs
. Les calculs conduisent au résultat suivant:

Alors comme α   change peu avec la température du conducteur, on peut supposer que la résistivité du conducteur dépend linéairement de la température ( riz.16.2).

L’augmentation de la résistance peut s’expliquer par le fait qu’à mesure que la température augmente, l’amplitude des oscillations des ions dans les sites du réseau augmente, de sorte que les électrons libres entrent en collision avec eux plus souvent, perdant la direction du mouvement. Bien que le coefficient α   plutôt petite, compte tenu de la dépendance de la résistance à la température lors du calcul des dispositifs de chauffage est absolument nécessaire. Ainsi, la résistance d'un filament de tungstène d'une lampe à incandescence augmente lorsque plus de 10 fois le courant le traverse.
  Dans certains alliages, par exemple le cuivre-nickel (constantan), le coefficient de résistance à la température est très faible: α   ≈ 10 -5 K -1; La résistivité de Constantan est grande: ρ   ≥ 10 -6 ohm M. De tels alliages sont utilisés pour la fabrication de résistances de référence et de résistances additionnelles à des instruments de mesure, c'est-à-dire dans les cas où il est exigé que la résistance ne change pas de façon appréciable avec les fluctuations de température.
  La dépendance de la résistance du métal à la température est utilisée dans thermomètres à résistance. Habituellement, le fil de platine est considéré comme l’élément de travail principal d’un tel thermomètre, sa dépendance à la température est bien connue. Les changements de température sont jugés par le changement de résistance du fil, qui peut être mesuré.
  De tels thermomètres peuvent mesurer des températures très basses et très élevées lorsque les thermomètres à liquide conventionnels ne conviennent pas.
La résistivité des métaux augmente de façon linéaire avec la température. Dans les solutions d'électrolyte, il diminue avec l'augmentation de la température.

???
  1. Quand une ampoule consomme-t-elle plus d'énergie: immédiatement après l'avoir connectée au réseau ou après quelques minutes?
  2. Si la résistance d'une batterie de cuisinière ne change pas avec la température, sa longueur à la puissance nominale devrait 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,