Jedna od karakteristika bilo kojeg električno vodljivog materijala je ovisnost otpora o temperaturi. Ako je prikazan kao grafikon na mjestu gdje su vremenski intervali (t) označeni na vodoravnoj osi i vrijednost ohmičkog otpora (R) na okomitoj osi, tada dobivamo isprekidanu liniju. Ovisnost otpora o temperaturi shematski se sastoji od tri dijela. Prvi odgovara laganoj vrućini - u ovom trenutku otpor se vrlo malo mijenja. To se događa do određene točke, nakon čega linija na grafu oštro ide gore - ovo je drugi odjeljak. Treća, posljednja komponenta je ravna linija, koja ide prema gore od točke u kojoj se zaustavio rast R, pod relativno malim kutom prema vodoravnoj osi.

Fizičko značenje ovog grafikona je sljedeće: ovisnost otpora o temperaturi vodiča opisana je kao jednostavna sve dok vrijednost grijanja ne prelazi određenu vrijednost karakterističnu za ovaj materijal. Navedimo apstraktni primjer: ako je na temperaturi od + 10 ° C otpor neke tvari 10 ohma, tada do 40 ° C, vrijednost R ostaje gotovo nepromijenjena, ostaje unutar mjerne pogreške. Ali već pri 41 ° C doći će do porasta otpora do 70 ohma. Ako se daljnji porast temperature ne zaustavi, tada će za svaki sljedeći stupanj biti dodatnih 5 ohma.

Ovo svojstvo se široko koristi u raznim električnim uređajima, pa je prirodno davanje podataka o bakaru kao jednom od najčešćih materijala u Dakle, grijanje bakrenog vodiča za svaki dodatni stupanj dovodi do povećanja otpora za pola posto od određene vrijednosti (može se naći u referentnim tablicama, dano je za 20 ° C, duljine 1 m s presjekom od 1 m 2).

Kad se pojavi metalni vodič, pojavljuje se električna struja - usmjereno kretanje elementarnih čestica s nabojem. Ioni smješteni u metalnim čvorovima nisu u mogućnosti dugo vremena zadržavati elektrone u svojoj vanjskoj orbiti, pa se slobodno kreću kroz volumen materijala iz jednog čvora u drugi. Ovo kaotično kretanje je zbog vanjske energije - topline.

Iako je činjenica kretanja evidentna, ona nije usmjerena, stoga se ne smatra strujom. Kad se pojavi električno polje, elektroni su usmjereni u skladu s njegovom konfiguracijom, tvoreći usmjereno gibanje. No budući da toplinski učinak nigdje nije nestao, čestice koje se nasumično kreću sudaraju se s usmjerenim poljima. Ovisnost otpornosti metala o temperaturi pokazuje veličinu interferencije u prolasku struje. Što je viša temperatura, veći je i R vodiča.

Očiti zaključak: smanjujući stupanj zagrijavanja, možete smanjiti otpor. (oko 20 ° K) precizno karakterizira značajno smanjenje toplotnog kaotičnog gibanja čestica u strukturi tvari.

Razmatrano svojstvo vodljivih materijala našlo je široku primjenu u elektrotehnici. Na primjer, ovisnost otpornosti vodiča od temperature koristi se u elektroničkim senzorima. Znajući njegovu vrijednost za bilo koji materijal, možete napraviti termistor, spojiti ga na digitalni ili analogni čitač, izvršiti odgovarajuće postupno skaliranje i koristiti kao alternativu. Većina modernih toplinskih senzora temelji se na ovom principu, jer je pouzdanost veća, a dizajn je jednostavniji.

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

Postoje različiti uvjeti pod kojima nosači naboja prolaze kroz određene materijale. A izravan utjecaj na naelektrisanje električne struje ima otpor, koji ovisi o okolini. Čimbenici koji mijenjaju protok električne struje uključuju temperaturu. U ovom ćemo članku razmotriti ovisnost otpora vodiča o temperaturi.

metali

Kako temperatura utječe na metale? Da biste saznali ovu ovisnost, proveden je sljedeći eksperiment: baterija, ampermetar, žica i baklja međusobno su povezani pomoću žica. Tada je potrebno izmjeriti trenutno očitavanje u krugu. Nakon očitanja, donesite baklju na žicu i zagrijte je. Kada se zagrijana žica vidi da se otpor povećava, a vodljivost metala smanjuje.

1. Metalna žica
2. baterija
3. ampermetar

Formula je naznačena i opravdana:

Iz ovih formula proizlazi da je R vodiča određen formulom:

Primjer ovisnosti otpornosti metala o temperaturi prikazan je u videu:

Također morate obratiti pažnju na takva svojstva kao što je supravodljivost. Ako su ambijentalni uvjeti normalni, hlađenjem vodiči smanjuju svoj otpor. Grafikon u nastavku prikazuje kako ovise temperatura i otpornost žive.

Superprovodnost je pojava koja se javlja kada materijal dosegne kritičnu temperaturu (Kelvin je bliži nuli), pri čemu otpor pada oštro na nulu.

plin

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

Ovisnost se može vidjeti primjerom. Za eksperiment se koristi ista konstrukcija kao u prethodnom eksperimentu, samo su vodiči zamijenjeni metalnim pločama. Između njih mora postojati mali razmak. Ampermetar bi trebao značiti da nema struje. Pri postavljanju plamenika između ploča uređaj će naznačiti struju koja prolazi kroz plinski medij.

Ispod je grafikon karakteristika struje napona plinskog pražnjenja, gdje se vidi da porast ionizacije u početnoj fazi raste, tada ovisnost struje o naponu ostaje nepromijenjena (to jest, kako napon raste, struja ostaje ista) i naglo povećanje struje što dovodi do propadanja dielektričnog sloja ,

Razmotrimo vodljivost plinova u praksi. Prolazak električne struje u plinovima koristi se u fluorescentnim svjetiljkama i svjetiljkama. U ovom slučaju, katoda i anoda, dvije elektrode su smještene u tikvicu, unutar koje se nalazi inertni plin. Kako takva pojava ovisi o plinu? Kad se lampica upali, dva filamenta se zagrijavaju i stvara se termoelektronska emisija. Unutar je tikvica prekrivena fosforom koji emitira svjetlost koju vidimo. Kako živa ovisi o fosforu? Pare žive, kada ih elektroni bombarduju, tvore infracrveno zračenje koje zauzvrat emitira svjetlost.

Ako primijenite napon između katode i anode, postoji provodljivost plinova.

tekućine

Strujni vodiči u tekućini su anioni i kationi koji se kreću uslijed električnog vanjskog polja. Elektroni osiguravaju malu vodljivost. Razmotrite ovisnost otpornosti na temperaturu u tekućinama.

1. elektrolita
2. baterija
3. ampermetar

Ovisnost utjecaja elektrolita na grijanje propisana je formulom:

Gdje je a negativni temperaturni koeficijent.

Kako R ovisi o grijanju (t) prikazan je na grafikonu u nastavku:

Takav odnos treba uzeti u obzir prilikom punjenja baterija i baterija.

poluvodiči

I kako otpor ovisi o zagrijavanju u poluvodičima? Za početak, razgovarajmo o termistorima. To su uređaji koji pod utjecajem topline mijenjaju svoj električni otpor. Ovaj koeficijent otpora poluvodiča (TKS) puno je veći od metala. I pozitivni i negativni vodiči, oni imaju određene karakteristike.

Gdje je: 1 TKS manji od nule; 2 - TKS je veći od nule.

Da bi provodnici poput termistora započeli s radom, uzimaju kao osnovu bilo koju točku na I - V karakteristici:

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

Termistori se koriste pri provjeri i mjerenju elektromagnetskog zračenja, koje se izvodi na vrlo visokim frekvencijama. Zbog toga se ovi vodiči koriste u sustavima kao što su požarni alarmi, ispitivanje topline i kontrola uporabe rasutih tvari i tekućina. Oni termistori, u kojima je TKS manji od nule, koriste se u rashladnim sustavima.

Sad o termoelementima. Kako Seebeck utječe na termoelemente? Ovisnost je da takvi vodiči funkcioniraju na temelju ove pojave. Kada temperatura spoja poraste kada se zagrijava, na mjestu spajanja zatvorenog kruga pojavljuje se emf. Tako se očituje njihova ovisnost i toplinska energija se pretvara u električnu energiju. Da biste u potpunosti razumjeli postupak, preporučujem vam da proučite naše upute o tome

Mnogi metali, na primjer, bakar, aluminij, srebro, imaju svojstvo provođenja električne struje zbog prisutnosti slobodnih elektrona u njihovoj strukturi. Također, metali imaju određeni otpor na struju, a svaki ima svoj vlastiti. Otpor metala snažno ovisi o njegovoj temperaturi.

Možete shvatiti kako otpor metala ovisi o temperaturi ako povećate temperaturu vodiča, na primjer, na području od 0 do t2 ° C. S porastom temperature vodiča povećava se i njegov otpor. Štoviše, ta je ovisnost gotovo linearna.

S fizičkog stajališta, porast otpora s povećanjem temperature može se objasniti povećanjem amplitude oscilacija rešetkastih mjesta, što zauzvrat otežava prolazak elektrona, odnosno povećava se otpor na električnu struju.

Gledajući graf možete vidjeti da pri t1 metal ima znatno manji otpor nego, na primjer, na t2. Daljnjim padom temperature možete doći do točke t0, gdje će otpor vodiča biti gotovo nula. Naravno, njegov otpor jednak nuli ne može biti, već ga samo teži. U ovom trenutku dirigent postaje superprovodnik. Superprevodnici se koriste u jakim magnetima kao navijanje. U praksi se ta točka nalazi mnogo dalje, u području apsolutne nule, i nemoguće ju je odrediti prema ovom rasporedu.

Za ovaj graf možete napisati jednadžbu

Pomoću ove jednadžbe možete pronaći otpor vodiča na bilo kojoj temperaturi. Ovdje nam je potrebna točka t0 dobivena ranije na grafikonu. Znajući temperaturu u ovom trenutku za određeni materijal, te temperature t1 i t2, možemo pronaći otpor.

Promjena otpora s temperaturom koristi se u bilo kojem električnom stroju gdje nije moguć izravan pristup namotaju. Na primjer, u asinhronom motoru dovoljno je znati otpor statora u početnom trenutku i u trenutku kada motor radi. Jednostavnim proračunima moguće je odrediti temperaturu motora, što se u proizvodnji automatski obavlja.

« Fizika - 10. razred

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

Različite tvari imaju različitu otpornost. Da li otpor ovisi o stanju vodiča? od njegove temperature? Odgovor mora dati iskustvo.

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

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

Koeficijent proporcionalnosti α naziva se temperaturnim koeficijentom otpora.

Temperaturni koeficijent otpora   - vrijednost jednaka omjeru relativne promjene otpora vodiča na promjenu njegove temperature.

Karakterizira ovisnost otpornosti tvari o temperaturi.

Temperaturni koeficijent otpora brojčano je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča kada se zagrijava za 1 K (za 1 ° C).

Za sve metalne vodiče koeficijent α\u003e 0 i lagano varira s temperaturom. Ako je interval promjene temperature mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim prosječnoj vrijednosti u ovom temperaturnom području. Čisti metali

U elektrolitskim otopinama otpor se s porastom temperature ne povećava, već smanjuje. Za njih α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Kad se dirigent zagrijava, njegove se geometrijske dimenzije malo mijenjaju. Otpor provodnika varira uglavnom zbog promjena njegovog otpora. Možete pronaći ovisnost ovog otpora od temperature ako u formuli (16.1) zamijenite vrijednosti Izračuni dovode do sljedećeg rezultata:

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

gdje je ΔT promjena apsolutne temperature.

Kako malo varira s temperaturom vodiča, možemo pretpostaviti da otpornost vodiča ovisi linearno o temperaturi (sl. 16.2).

Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da se s porastom temperature povećava amplituda oscilacija iona u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, gubeći smjer kretanja. Iako je koeficijent a prilično mali, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi prilikom izračuna parametara grijaćih uređaja apsolutno je potrebno. Tako se otpor volframove žarulje sa žarnom žaruljom povećava kada struja prolazi kroz njega zbog zagrijavanja više od 10 puta.

U nekim legurama, na primjer, u legu bakra-nikla (Constantin), temperaturni koeficijent otpora je vrlo mali: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantinovi otpori su veliki: ρ ≈ 10 -6 Ω m. Takve se legure koriste za izradu referentnih otpornika i dodatnih otpornika na mjernim instrumentima, tj. U onim slučajevima u kojima je potrebno da se otpor ne primijetivo mijenja s fluktuacijama temperature.

Postoje takvi metali, na primjer, nikl, kositar, platina itd. Čiji je temperaturni koeficijent mnogo veći: α ≈ 10 -3 K -1. Zavisnost njihove otpornosti na temperaturu može se koristiti za mjerenje same temperature koja se provodi u termometri otpornosti.

Uređaji na bazi temperature temelje se na uređajima izrađenim od poluvodičkih materijala, - termistori, Karakterizira ih veliki temperaturni koeficijent otpornosti (deseci puta veći od metala), stabilnost karakteristika tijekom vremena. Nominalni otpor termistora značajno je veći od termometra s metalnim otporom, obično je 1, 2, 5, 10, 15 i 30 kΩ.

Obično se platinska žica uzima kao glavni radni element termometra otpora, njegova ovisnost o temperaturi dobro je poznata. Promjene temperature procjenjuju se promjenama otpora žice, koje se mogu mjeriti. Takvi termometri mogu mjeriti vrlo niske i vrlo visoke temperature kada obični tekući termometri nisu prikladni.

Supravodljivost.

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

Godine 1911. nizozemski fizičar X. Kamerlingh Onnes otkrio je izvanredan fenomen - superprovodljivost, Otkrio je da se, kada se živa ohladi u tekućem heliju, njen otpor isprva postupno mijenja, a zatim se pri temperaturi od 4,1 K vrlo naglo spušta na nulu (sl. 16.3).

Zove se fenomen pada na nulti otpor vodiča pri kritičnoj temperaturi superprovodljivost.

Otkriće Kamerlingh Onnesa, za koje je 1913. dobio Nobelovu nagradu, dovelo je do proučavanja svojstava tvari na niskim temperaturama. Kasnije su otkriveni mnogi drugi superprevodnici.

Superprevodljivost mnogih metala i legura uočena je na vrlo niskim temperaturama - počevši od oko 25 K. Referentne tablice daju temperature prijelaza u stanje supravodljivosti nekih tvari.

Naziva se temperatura pri kojoj tvar ulazi u supravodobno stanje kritična temperatura.

Kritična temperatura ovisi ne samo o kemijskom sastavu tvari, već i o strukturi samog kristala. Na primjer, siva kala ima dijamantsku strukturu s kubnom kristalnom rešetkom i poluvodič, a bijeli kositar ima tetragonsku staničnu ćeliju i srebrno je bijeli, mekani, duktilni metal, sposoban prijeći u supravodljivo stanje pri temperaturi od 3,72 K.

Za tvari u supravodljivom stanju zabilježene su oštre anomalije magnetskih, toplinskih i niz drugih svojstava, tako da je ispravnije govoriti ne o stanju supravodljivosti, već o posebnom stanju tvari koje se opaža na niskim temperaturama.

Ako se stvori struja u vodiču prstena supravodnjeg i onda se ukloni izvor struje, tada se snaga te struje ne mijenja u nedogled. U uobičajenom (neprovodnom) provodniku električna struja u ovom slučaju se prekida.

Superprevodnici se široko koriste. Dakle, oni grade snažne elektromagnete sa supravodljivim namotom, koji stvaraju magnetsko polje dugo vremena bez energije. Uostalom u supravodljivom namotu ne nastaje toplina.

Međutim, dobivanje proizvoljno jakog magnetskog polja pomoću superprevodnog magneta je nemoguće. Vrlo snažno magnetsko polje uništava supravodljivo stanje. Takvo se polje može stvoriti i strujom u samom superprovodniku, pa za svaki provodnik u supravodljivom stanju postoji kritična vrijednost strujne snage, koju nije moguće prekoračiti bez prekida supravodičnog stanja.

Superprevodni magneti koriste se u akceleratorima elementarnih čestica, magnetohidrodinamičkim generatorima, koji pretvaraju mehaničku energiju mlaza vruće ioniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju.

Objašnjenje supravodljivosti moguće je samo na temelju kvantne teorije. Dali su ga tek 1957. američki znanstvenici J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski znanstvenici, akademik N. N. Bogolyubov.

Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna visokoprovodnost. Dobijeni su složeni oksidni spojevi lantana, barija i drugih elemenata (keramika) s temperaturom prijelaza u stanje supravodljivosti od oko 100 K. To je veće od vrelišta tekućeg dušika pri atmosferskom tlaku (77 K).

U bliskoj budućnosti, visokotemperaturna superprovodljivost najvjerojatnije će dovesti do nove tehničke revolucije u svim elektrotehničkim, radiotehničkim i računalnim dizajnu. Sada napredak na ovom području otežava potreba za hlađenjem vodiča do vrelišta skupog plina - helija.

Fizički mehanizam supravodljivosti je prilično kompliciran. Na vrlo pojednostavljen način može se objasniti na sljedeći način: elektroni se ujedinjuju u pravi poredak i kreću se bez sudaranja s kristalnom rešetkom koja se sastoji od iona. To se kretanje bitno razlikuje od uobičajenog toplinskog gibanja u kojem se slobodni elektron kreće kaotično.

Nadamo se da će biti moguće stvoriti supravodiče na sobnoj temperaturi. Generatori i električni motori postat će izuzetno kompaktni (smanjit će se nekoliko puta) i ekonomični. Električna energija može se prenositi na bilo koju udaljenost bez gubitaka i akumulirati u jednostavnim uređajima.

\u003e\u003e Fizika: Ovisnost otpora vodiča od temperature

Različite tvari imaju različitu otpornost (vidjeti § 104). Da li otpor ovisi o stanju vodiča? od njegove temperature? Odgovor mora dati iskustvo.
  Ako provedete struju iz baterije kroz čeličnu zavojnicu, a 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 na temperaturi od 0 ° C, otpor vodiča je R 0, i na temperaturi t   jednak je R, tada je relativna promjena u otporu, kako pokazuje iskustvo, izravno proporcionalna promjeni temperature. t:

Koeficijent proporcionalnosti α   poziv temperaturni koeficijent otpora, Karakterizira ovisnost otpornosti tvari o temperaturi. Temperaturni koeficijent otpora numerički je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča kada se zagrijava za 1 K. Za sve metalne vodiče koeficijent α   \u003e 0 i lagano varira s temperaturom. Ako je interval promjene temperature mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim prosječnoj vrijednosti u ovom temperaturnom području. Čisti metali α ≈ 1/273 K -1. u otpornost elektrolitnih otopina s povećanjem temperature ne povećava se, već opada, Za njih α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
  Kad se dirigent zagrijava, njegove se geometrijske dimenzije malo mijenjaju. Otpor provodnika varira uglavnom zbog promjena njegovog otpora. Možete pronaći ovisnost ovog otpora od temperature ako u formuli (16.1) zamijenite vrijednosti
, Izračuni dovode do sljedećeg rezultata:

Pa kao α   malo se mijenja s temperaturom vodiča, možemo pretpostaviti da otpornost vodiča linearno ovisi o temperaturi ( ris.16.2).

Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da se s porastom temperature povećava amplituda oscilacija iona u mjestima rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, gubeći smjer kretanja. Iako koeficijent α   prilično mala, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi pri proračunu grijaćih uređaja apsolutno je potrebno. Stoga se otpor volframove niti žarulje sa žarnom niti povećava kada struja prolazi više od 10 puta struje.
  U nekim je legurama, na primjer u bakar-nikalu (konstantan), temperaturni koeficijent otpora vrlo mali: α   ≈ 10 -5 K –1; Konstancanska otpornost je velika: ρ   ≈ 10 -6 ohm m. Takve se legure koriste za proizvodnju referentnih otpora i dodatnih otpora mjernim instrumentima, tj. U slučajevima kada je potrebno da se otpor ne primjetno promijeni s temperaturnim fluktuacijama.
  U ovisnosti je otpornost metala o temperaturi termometri otpornosti, Obično se platinska žica uzima kao glavni radni element takvog termometra, njegova ovisnost o temperaturi dobro je poznata. Promjene temperature ocjenjuju se promjenom otpora žice, koja se može mjeriti.
  Takvi termometri mogu mjeriti vrlo niske i vrlo visoke temperature kada konvencionalni toplomjeri za tekućine nisu prikladni.
Otpornost metala povećava se linearno s porastom temperature. U otopinama elektrolita smanjuje se s porastom temperature.

???
  1. Kada žarulja troši više energije: odmah nakon uključivanja u mrežu ili nakon nekoliko minuta?
  2. Ako se otpor zavojnice štednjaka nije mijenjao s temperaturom, onda bi njegova duljina kod nazivne snage 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,