Jedna od karakteristika svake vodljive struja materijala je ovisnost otpora o temperaturi. Ako to prikažete u obliku grafikona gdje su na vodoravnoj osi označeni vremenski intervali (t), a na okomitoj osi vrijednost omskog otpora (R), dobit ćete isprekidanu liniju. Ovisnost otpora o temperaturi shematski se sastoji od tri dijela. Prvo odgovara laganom zagrijavanju - u ovom trenutku otpor se vrlo malo mijenja. To se događa do određene točke, nakon čega linija na grafikonu naglo raste - ovo je drugi dio. Treća i posljednja komponenta je ravna linija koja se proteže prema gore od točke u kojoj je rast R zaustavljen, pod relativno malim kutom u odnosu na horizontalnu os.

Fizikalni smisao ovog grafikona je sljedeći: ovisnost otpora o temperaturi vodiča opisuje se na jednostavan način sve dok ogrjevna vrijednost ne prijeđe određenu vrijednost karakterističnu za određeni materijal. Navedimo apstraktni primjer: ako je na temperaturi od +10 ° C otpor tvari 10 Ohma, tada se do 40 ° C vrijednost R praktički neće promijeniti, ostajući unutar pogreške mjerenja. Ali već na 41°C doći će do skoka otpora na 70 Ohma. Ako daljnji porast temperature ne prestane, tada će za svaki sljedeći stupanj biti dodatnih 5 Ohma.

Ovo svojstvo ima široku primjenu u raznim električnim uređajima, pa je prirodno dati podatke o bakru kao jednom od najčešćih materijala u Dakle, za bakreni vodič zagrijavanje za svaki dodatni stupanj dovodi do povećanja otpora za pola posto specifične vrijednosti (može se naći u referentnim tablicama, dano za 20 ° C, 1 m duljine s presjekom od 1 sq. mm).

Kada se pojavi u metalnom vodiču, pojavljuje se električna struja - usmjereno kretanje elementarnih čestica s nabojem. Ioni smješteni u metalnim čvorovima nisu u stanju dugo zadržati elektrone u svojim vanjskim orbitama, pa se slobodno kreću cijelim volumenom materijala od jednog čvora do drugog. To kaotično kretanje uzrokuje vanjska energija – toplina.

Iako je činjenica kretanja očigledna, ono nije usmjereno i stoga se ne smatra strujom. Kada električno polje elektroni su usmjereni prema njegovoj konfiguraciji, tvoreći usmjereno kretanje. Ali budući da toplinski učinak nigdje nije nestao, čestice koje se kaotično kreću sudaraju se s usmjerenim poljima. Ovisnost otpora metala o temperaturi pokazuje količinu smetnji pri prolasku struje. Što je viša temperatura, veći je R vodiča.

Očigledan zaključak: smanjenjem stupnja zagrijavanja možete smanjiti otpor. (oko 20°K) karakterizira upravo značajno smanjenje toplinskog kaotičnog kretanja čestica u strukturi tvari.

Pronađeno je razmatrano svojstvo vodljivih materijala široka primjena u elektrotehnici. Na primjer, ovisnost otpora vodiča o temperaturi koristi se u elektroničkim senzorima. Znajući njegovu vrijednost za bilo koji materijal, možete izraditi termistor, spojiti ga na digitalni ili analogni uređaj za očitavanje, izvršiti odgovarajuću kalibraciju skale i koristiti ga kao alternativu.Većina modernih temperaturnih senzora temelji se upravo na ovom principu, jer je pouzdanost viši i dizajn je jednostavniji.

Osim toga, ovisnost otpora o temperaturi omogućuje izračunavanje zagrijavanja namota elektromotora.

postojati raznim uvjetima, u kojem nosioci naboja prolaze kroz određene materijale. A na naboj električne struje izravno utječe otpor, koji ovisi o okoliš. Čimbenici koji mijenjaju protok električne struje uključuju temperaturu. U ovom članku ćemo pogledati ovisnost otpora vodiča o temperaturi.

Metali

Kako temperatura utječe na metale? Da bi se otkrio ovaj odnos, proveden je sljedeći pokus: baterija, ampermetar, žica i plamenik povezani su međusobno žicama. Zatim morate izmjeriti struju u krugu. Nakon očitanja potrebno je dovesti plamenik do žice i zagrijati ga. Kad se žica zagrije, vidi se da se otpor povećava, a vodljivost metala smanjuje.

1. Metalna žica
2. Baterija
3. Ampermetar

Ovisnost je prikazana i opravdana formulama:

Iz ovih formula slijedi da je R vodiča određen formulom:

Primjer ovisnosti otpora metala o temperaturi prikazan je u videu:

Također morate obratiti pozornost na takvo svojstvo kao supravodljivost. Ako su uvjeti okoline normalni, tada kako se vodiči hlade, oni smanjuju svoj otpor. Donji grafikon pokazuje kako temperatura i otpornost u živom srebru.

Supravodljivost je pojava koja se javlja kada materijal dosegne kritičnu temperaturu (bližu nuli Kelvina) pri kojoj se otpor iznenada smanjuje na nulu.

Plinovi

Plinovi se ponašaju kao dielektrici i ne mogu provoditi električnu struju. A da bi se on formirao potrebni su nosioci naboja. Njihovu ulogu igraju ioni, a nastaju zbog utjecaja vanjskih čimbenika.

Ovisnost se može ilustrirati primjerom. Za pokus se koristi isti dizajn kao u prethodnom pokusu, samo su vodiči zamijenjeni metalnim pločama. Između njih bi trebao biti mali razmak. Ampermetar bi trebao pokazivati ​​da nema struje. Prilikom postavljanja baklje između ploča, uređaj će pokazati struju koja prolazi kroz plinoviti medij.

Ispod je grafikon strujno-naponskih karakteristika plinskog pražnjenja, koji pokazuje da se rast ionizacije u početnoj fazi povećava, a zatim ovisnost struje o naponu ostaje nepromijenjena (to jest, kako napon raste, struja ostaje isti) i nagli porast jakost struje, što dovodi do sloma dielektričnog sloja.

Razmotrimo vodljivost plinova u praksi. Prolaz električne struje u plinovima koristi se u fluorescentnim svjetiljkama i svjetiljkama. U ovom slučaju, katoda i anoda, dvije elektrode smještene su u tikvicu unutar koje se nalazi inertni plin. Kako ovaj fenomen ovisi o plinu? Kad se žarulja upali, dvije se niti zagrijavaju i stvara se termoemisija. Unutrašnjost žarulje presvučena je fosforom koji emitira svjetlost koju mi ​​vidimo. Kako živa ovisi o fosforu? Živine pare, kada su bombardirane elektronima, proizvode infracrveno zračenje, koje zauzvrat emitira svjetlost.

Ako se između katode i anode dovede napon, dolazi do kondukcije plina.

Tekućine

Vodiči struje u tekućini su anioni i kationi koji se kreću zbog električne energije vanjsko polje. Elektroni daju malu vodljivost. Razmotrimo ovisnost otpora o temperaturi u tekućinama.

1. elektrolit
2. Baterija
3. Ampermetar

Ovisnost učinka elektrolita na zagrijavanje propisana je formulom:

Gdje je a negativni temperaturni koeficijent.

Kako R ovisi o zagrijavanju (t) prikazano je na donjem grafikonu:

Ova se ovisnost mora uzeti u obzir pri punjenju baterija i baterija.

Poluvodiči

Kako otpor ovisi o zagrijavanju u poluvodičima? Prvo, razgovarajmo o termistorima. To su uređaji koji mijenjaju svoje električni otpor pod utjecajem topline. Ovaj poluvodič ima temperaturni koeficijent otpora (TCR) koji je red veličine veći od metala. I pozitivni i negativni vodiči imaju određene karakteristike.

Gdje je: 1 TKS manje od nule; 2 – TCS je veći od nule.

Da bi vodiči kao što su termistori počeli raditi, kao osnova se uzima bilo koja točka na strujno-naponskoj karakteristici:

• ako je temperatura elementa manja od nule, tada se takvi vodiči koriste kao releji;
• za kontrolu promjene struje, kao i temperaturu i napon, koristite linearni dio.

Kod provjere i mjerenja koriste se termistori elektromagnetska radijacija, koji se izvode na ultravisokim frekvencijama. Zbog toga se ovi vodiči koriste u sustavima kao što su protupožarni alarm, provjera topline i praćenje potrošnje rasutih medija i tekućina. U rashladnim sustavima koriste se termistori s TCR manjim od nule.

Sada o termoelementima. Kako Seebeckov fenomen utječe na termoelemente? Ovisnost leži u činjenici da takvi vodiči funkcioniraju na temelju ove pojave. Kada se temperatura spoja povećava zagrijavanjem, na spoju zatvorenog kruga pojavljuje se emf. Tako se očituje njihova ovisnost i Termalna energija pretvara u elektricitet. Da biste u potpunosti razumjeli postupak, preporučujem da pročitate naše upute o tome kako

Mnogi metali, poput bakra, aluminija i srebra, imaju svojstvo provođenja električne struje zbog prisutnosti slobodnih elektrona u svojoj strukturi. Također, metali imaju određenu otpornost na struju, a svaki ima svoju. Otpornost metala uvelike ovisi o njegovoj temperaturi.

Kako otpor metala ovisi o temperaturi možete shvatiti ako temperaturu vodiča povećate npr. u području od 0 do t2 °C. Kako se temperatura vodiča povećava, tako raste i njegov otpor. Štoviše, ova je ovisnost gotovo linearna.

S fizičkog gledišta, povećanje otpora s porastom temperature može se objasniti povećanjem amplitude vibracija čvorova kristalne rešetke, što zauzvrat otežava prolaz elektronima, odnosno otpornost do povećanja električne struje.

Gledajući graf možete vidjeti da u t1 metal ima mnogo manji otpor nego, na primjer, u t2. Daljnjim smanjenjem temperature možete doći do točke t0, gdje će otpor vodiča biti gotovo nula. Naravno, njegov otpor ne može biti jednak nuli, već samo teži tome. U ovom trenutku vodič postaje supravodič. Supervodiči se koriste u jaki magneti kao zavoj. Na praksi dana točka leži mnogo dalje, u području apsolutne nule, i nemoguće ju je odrediti iz ovog grafikona.

Za ovaj graf možemo napisati jednadžbu

Pomoću ove jednadžbe možete pronaći otpor vodiča na bilo kojoj temperaturi. Ovdje nam je potrebna točka t0 dobivena ranije na grafu. Poznavajući vrijednost temperature u ovoj točki za određeni materijal, te temperature t1 i t2, možemo pronaći otpor.

Mijenjanje otpora s temperaturom koristi se u bilo kojem električni auto, gdje izravan pristup namotu nije moguć. Na primjer, kod asinkronog motora dovoljno je znati otpor statora u početnom trenutku vremena iu trenutku kada motor radi. Koristeći jednostavne izračune, možete odrediti temperaturu motora, što se automatski radi u proizvodnji.

« Fizika - 10. razred"

Koji fizička količina naziva otpor
O čemu i kako ovisi otpor metalnog vodiča?

Različite tvari imaju različite otpore. Ovisi li otpor o stanju vodiča? na njegovu temperaturu? Iskustvo bi trebalo dati odgovor.

Ako struju iz baterije propustite kroz čeličnu spiralu i zatim je počnete zagrijavati u plamenu plamenika, ampermetar će pokazati smanjenje jakosti struje. To znači da se s promjenom temperature mijenja i otpor vodiča.

Ako je pri temperaturi od 0 °C otpor vodiča jednak R 0, a pri temperaturi t jednak je R, tada je relativna promjena otpora, kao što pokazuje iskustvo, izravno proporcionalna promjeni temperature t:

Koeficijent proporcionalnosti α naziva se temperaturni koeficijent otpora.

Temperaturni koeficijent otpora- vrijednost jednaka omjeru relativne promjene otpora vodiča prema promjeni njegove temperature.

Karakterizira ovisnost otpora tvari o temperaturi.

Temperaturni koeficijent otpora brojčano je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča pri zagrijavanju za 1 K (za 1 °C).

Za sve metalne vodiče koeficijent α > 0 i malo se mijenja s temperaturom. Ako je raspon promjena temperature mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim njegovoj prosječnoj vrijednosti u tom temperaturnom rasponu. Za čiste metale

Za otopine elektrolita otpor se ne povećava s porastom temperature, već opada. Za njih α< 0. Например, для 10%-ного раствора stolna solα = -0,02 K -1.

Kada se vodič zagrijava, njegove se geometrijske dimenzije malo mijenjaju. Otpor vodiča mijenja se uglavnom zbog promjene njegovog otpora. Možete pronaći ovisnost ovog otpora o temperaturi ako zamijenite vrijednosti u formuli (16.1) Izračuni dovode do sljedećeg rezultata:

ρ = ρ 0 (1 + αt), ili ρ = ​​ρ 0 (1 + αΔT), (16.2)

gdje je ΔT promjena apsolutne temperature.

Budući da se a malo mijenja s promjenama temperature vodiča, možemo pretpostaviti da otpor vodiča linearno ovisi o temperaturi (slika 16.2).

Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da s porastom temperature raste amplituda titranja iona u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, čime gube smjer kretanja. Iako je koeficijent a prilično mali, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi pri izračunavanju parametara uređaji za grijanje apsolutno potrebno. Dakle, otpor volframove niti žarulje sa žarnom niti povećava se više od 10 puta kada kroz nju prolazi struja zbog zagrijavanja.

Za neke legure, na primjer, legura bakra i nikla (Konstantin), temperaturni koeficijent otpora je vrlo mali: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantinov otpor je visok: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takve se legure koriste za proizvodnju referentnih otpornika i dodatnih otpornika mjerni instrumenti, tj. u slučajevima kada je potrebno da se otpor ne mijenja značajno s temperaturnim fluktuacijama.

Postoje i metali, npr. nikal, kositar, platina itd., čiji je temperaturni koeficijent znatno veći: α ≈ 10 -3 K -1. Ovisnost njihovog otpora o temperaturi može poslužiti za mjerenje same temperature, što se radi u otporni termometri.

Uređaji izrađeni od poluvodičkih materijala također se temelje na ovisnosti otpora o temperaturi - termistori. Karakterizira ih veliki temperaturni koeficijent otpornosti (desetke puta veći od metala) i stabilnost karakteristika tijekom vremena. Ocjene termistora znatno su veće od metalnih otpornih termometara, obično 1, 2, 5, 10, 15 i 30 kΩ.

Obično se platinska žica uzima kao glavni radni element otpornog termometra, čija je ovisnost otpora o temperaturi dobro poznata. Promjene temperature ocjenjuju se prema promjenama u otporu žice, koji se može mjeriti. Takvi termometri omogućuju mjerenje vrlo niskih i vrlo visoke temperature kada konvencionalni tekućinski termometri nisu prikladni.

Supravodljivost.

Otpornost metala opada s padom temperature. Što se događa kada se temperatura približi apsolutnoj nuli?

Godine 1911. nizozemski fizičar H. Kamerlingh-Onnes otkrio je izvanredan fenomen - supravodljivost. Otkrio je da se pri hlađenju žive u tekućem heliju njezin otpor najprije postupno mijenja, a zatim na temperaturi od 4,1 K vrlo naglo pada na nulu (sl. 16.3).

Pojava pada otpora vodiča na nulu pri kritičnoj temperaturi naziva se supravodljivost.

Otkriće Kamerlingh Onnesa, za koje je nagrađen 1913 Nobelova nagrada, uključivalo je proučavanje svojstava tvari na niskim temperaturama. Kasnije su otkriveni mnogi drugi supravodiči.

Supravodljivost mnogih metala i legura opaža se na vrlo niskim temperaturama - počevši od oko 25 K. Referentne tablice daju temperature prijelaza u supravodljivo stanje nekih tvari.

Temperatura pri kojoj tvar prelazi u supravodljivo stanje naziva se kritična temperatura.

Kritična temperatura ne ovisi samo o kemijski sastav tvari, ali i na strukturu samog kristala. Na primjer, sivi kositar ima strukturu dijamanta s kubičnom kristalnom rešetkom i poluvodič je, a bijeli kositar ima tetragonalnu jediničnu ćeliju i srebrnasto je bijeli, meki, duktilni metal koji može prijeći u supravodljivo stanje na temperaturi od 3,72 tisuća kuna

Za tvari u supravodljivom stanju zabilježene su oštre anomalije u magnetskim, toplinskim i nizu drugih svojstava, pa je ispravnije govoriti ne o supravodljivom stanju, već o posebnom stanju tvari promatranom na niskim temperaturama.

Ako se struja stvori u prstenastom vodiču koji je u supravodljivom stanju, a zatim se izvor struje ukloni, tada se jakost te struje ne mijenja ni jedno vrijeme. U običnom (nesupravodljivom) vodiču električna struja u tom slučaju prestaje.

Supravodiči imaju široku primjenu. Tako se grade snažni elektromagneti sa supravodljivim namotom koji dugotrajno stvaraju magnetsko polje bez utroška energije. Nakon svega U supravodljivom namotu nema stvaranja topline.

Međutim, nemoguće je dobiti proizvoljno jako magnetsko polje pomoću supravodljivog magneta. Vrlo jako magnetsko polje uništava supravodljivo stanje. Takvo polje može biti stvoreno i strujom u samom supravodiču, stoga za svaki vodič u supravodljivom stanju postoji kritična vrijednost struje, koja se ne može prekoračiti bez narušavanja supravodljivog stanja.

Supravodljivi magneti koriste se u akceleratorima čestica i magnetohidrodinamičkim generatorima koji pretvaraju mehaničku energiju mlaza vrućeg ioniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju.

Objašnjenje supravodljivosti moguće je samo na temelju kvantna teorija. Tek 1957. godine dali su ga američki znanstvenici J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski znanstvenik, akademik N. N. Bogolyubov.

Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost. Dobiveni su kompleksni oksidni spojevi lantana, barija i drugih elemenata (keramika) s temperaturom prijelaza u supravodljivo stanje od oko 100 K. To je više od vrelišta tekućeg dušika pri atmosferski pritisak(77 K).

Visokotemperaturna supravodljivost u bliskoj će budućnosti zasigurno dovesti do nove tehničke revolucije u cijeloj elektrotehnici, radiotehnici i dizajnu računala. Trenutno je napredak u ovom području otežan potrebom za hlađenjem vodiča do točke vrenja skupog plina helija.

Fizikalni mehanizam supravodljivosti prilično je složen. To se može vrlo jednostavno objasniti na sljedeći način: elektroni se sjedinjuju u pravilnu liniju i kreću se bez sudara s kristalnom rešetkom koja se sastoji od iona. To se gibanje bitno razlikuje od običnog toplinskog gibanja, u kojem se slobodni elektron giba kaotično.

Moramo se nadati da će biti moguće stvoriti supravodiče čak i na sobna temperatura. Generatori i elektromotori postat će iznimno kompaktni (nekoliko puta manji) i ekonomičniji. Električna energija može se prenositi na bilo koju udaljenost bez gubitaka i akumulirati u jednostavnim uređajima.

>>Fizika: Ovisnost otpora vodiča o temperaturi

Različite tvari imaju različite otpore (vidi § 104). Ovisi li otpor o stanju vodiča? na njegovu temperaturu? Iskustvo bi trebalo dati odgovor.
Propustite li struju iz baterije kroz čeličnu zavojnicu i zatim je počnete zagrijavati u plamenu plamenika, ampermetar će pokazati smanjenje struje. To znači da se s promjenom temperature mijenja i otpor vodiča.
Ako je pri temperaturi jednakoj 0°C otpor vodiča jednak R0, i na temperaturi t jednako je R, tada je relativna promjena otpora, kako pokazuje iskustvo, izravno proporcionalna promjeni temperature t:

Faktor proporcionalnosti α nazvao temperaturni koeficijent otpora. Karakterizira ovisnost otpora tvari o temperaturi. Temperaturni koeficijent otpora brojčano je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča pri zagrijavanju za 1 K. Za sve metalne vodiče koeficijent α > 0 i blago varira s temperaturom. Ako je raspon promjena temperature mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim njegovoj prosječnoj vrijednosti u tom temperaturnom rasponu. Za čiste metale α ≈ 1/273 K -1. U otopina elektrolita, otpor ne raste s porastom temperature, već opada. Za njih α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
Kada se vodič zagrijava, njegove se geometrijske dimenzije malo mijenjaju. Otpor vodiča mijenja se uglavnom zbog promjena njegovog otpora. Možete pronaći ovisnost ovog otpora o temperaturi ako zamijenite vrijednosti u formuli (16.1)
. Izračuni dovode do sljedećeg rezultata:

Jer α malo mijenja kada se mijenja temperatura vodiča, tada možemo pretpostaviti da otpor vodiča linearno ovisi o temperaturi ( Sl.16.2).

Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da s porastom temperature raste amplituda titranja iona u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, čime gube smjer kretanja. Iako koeficijent α je prilično mala, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi pri proračunu uređaja za grijanje je apsolutno potrebno. Dakle, otpor volframove niti žarulje sa žarnom niti povećava se više od 10 puta kada struja prolazi kroz nju.
Neke legure, kao što je legura bakra i nikla (konstantan), imaju vrlo mali temperaturni koeficijent otpora: α ≈ 10 -5 K -1 ; Otpor konstantana je visok: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takve se legure koriste za izradu standardnih otpora i dodatnih otpora mjernih instrumenata, tj. u slučajevima kada je potrebno da se otpor ne mijenja značajno s temperaturnim fluktuacijama.
Ovisnost otpora metala o temperaturi koristi se u otporni termometri. Obično je glavni radni element takvog termometra platinasta žica, čija je ovisnost otpora o temperaturi dobro poznata. Promjene temperature ocjenjuju se promjenama otpora žice, koje se mogu mjeriti.
Takvi termometri omogućuju vam mjerenje vrlo niskih i vrlo visokih temperatura kada konvencionalni termometri za tekućinu nisu prikladni.
Otpornost metala raste linearno s porastom temperature. Za otopine elektrolita opada s porastom temperature.

???
1. Kada žarulja troši više struje: odmah nakon paljenja ili nakon nekoliko minuta?
2. Ako se otpor spirale električnog štednjaka ne mijenja s temperaturom, onda bi njezina duljina pri nazivnoj snazi ​​trebala biti veća ili manja?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,