Ena od značilnosti katere koli prevodnosti elektrika material je odvisnost upora od temperature. Če ga upodabljamo v obliki grafa, kjer so na vodoravni osi označeni časovni intervali (t), na navpični osi pa vrednost ohmskega upora (R), dobimo lomljeno črto. Odvisnost upora od temperature je shematsko sestavljena iz treh delov. Prvi ustreza rahlemu segrevanju - v tem času se upor zelo rahlo spremeni. To se zgodi do določene točke, po kateri se črta na grafu močno dvigne - to je drugi del. Tretja in zadnja komponenta je ravna črta, ki poteka navzgor od točke, kjer se je rast R ustavila, pod relativno majhnim kotom na vodoravno os.

Fizikalni pomen tega grafa je naslednji: odvisnost upora od temperature prevodnika je opisana na preprost način, dokler kurilna vrednost ne preseže določene vrednosti, značilne za dani material. Navedimo abstrakten primer: če je pri temperaturi +10 ° C upor snovi 10 ohmov, potem se do 40 ° C vrednost R praktično ne spremeni in ostane znotraj merilne napake. Toda že pri 41°C bo prišlo do skoka upora na 70 Ohmov. Če se nadaljnje zvišanje temperature ne ustavi, bo za vsako naslednjo stopinjo dodatnih 5 Ohmov.

Ta lastnost se pogosto uporablja v različnih električnih napravah, zato je naravno zagotoviti podatke o bakru kot enem najpogostejših materialov v. bakreni vodnik ogrevanje za vsako dodatno stopnjo vodi do povečanja upora za pol odstotka specifične vrednosti (najdete ga v referenčnih tabelah, podanih za 20 ° C, 1 m dolžine s prečnim prerezom 1 kvadratnih mm).

Ko se pojavi v kovinskem prevodniku, se pojavi električni tok - usmerjeno gibanje osnovnih delcev z nabojem. Ioni, ki se nahajajo v kovinskih vozliščih, ne morejo dolgo zadržati elektronov v svojih zunanjih orbitah, zato se prosto gibljejo po celotnem volumnu materiala od enega vozlišča do drugega. To kaotično gibanje povzroča zunanja energija – toplota.

Čeprav je gibanje očitno, ni usmerjeno in se zato ne šteje za tok. Kdaj električno polje elektroni so usmerjeni glede na njegovo konfiguracijo in tvorijo usmerjeno gibanje. Toda ker toplotni učinek ni nikamor izginil, kaotično gibajoči se delci trčijo z usmerjenimi polji. Odvisnost kovinskega upora od temperature kaže količino motenj pri prehodu toka. Višja kot je temperatura, večji je R prevodnika.

Očiten zaključek: z zmanjšanjem stopnje segrevanja lahko zmanjšate upor. (približno 20 °K) je natančno značilno znatno zmanjšanje termičnega kaotičnega gibanja delcev v strukturi snovi.

Ugotovljena je bila obravnavana lastnost prevodnih materialov široka uporaba v elektrotehniki. Na primer, odvisnost upora prevodnika od temperature se uporablja v elektronskih senzorjih. Če poznate njegovo vrednost za kateri koli material, lahko izdelate termistor, ga povežete z digitalno ali analogno napravo za odčitavanje, izvedete ustrezno kalibracijo skale in ga uporabite kot alternativo Večina sodobnih temperaturnih senzorjev temelji prav na tem principu, saj je zanesljivost višja in oblika je preprostejša.

Poleg tega odvisnost upora od temperature omogoča izračun segrevanja navitij elektromotorja.

obstajati različni pogoji, pri katerem nosilci naboja prehajajo skozi določene materiale. In na naboj električnega toka neposredno vpliva upor, ki je odvisen od okolju. Dejavniki, ki spreminjajo tok električnega toka, vključujejo temperaturo. V tem članku si bomo ogledali odvisnost upora prevodnika od temperature.

Kovine

Kako temperatura vpliva na kovine? Da bi ugotovili to razmerje, je bil izveden naslednji poskus: baterija, ampermeter, žica in gorilnik so med seboj povezani z žicami. Nato morate izmeriti tok v vezju. Po odčitkih morate gorilnik prinesti na žico in jo segreti. Ko se žica segreje, lahko vidimo, da se upor poveča in prevodnost kovine zmanjša.

1. Kovinska žica
2. Baterija
3. Ampermeter

Odvisnost je prikazana in utemeljena s formulami:

Iz teh formul sledi, da je R vodnika določen s formulo:

Primer odvisnosti odpornosti kovine od temperature je prikazan v videu:

Prav tako morate biti pozorni na takšno lastnost, kot je superprevodnost. Če so okoljske razmere normalne, potem ko se vodniki ohladijo, zmanjšajo svoj upor. Spodnji graf prikazuje, kako temperatura in upornost v živem srebru.

Superprevodnost je pojav, ki se pojavi, ko material doseže kritično temperaturo (bližje nič Kelvinov), pri kateri se upor nenadoma zmanjša na nič.

Plini

Plini delujejo kot dielektriki in ne morejo prevajati električnega toka. In da se oblikuje, so potrebni nosilci naboja. Njihovo vlogo igrajo ioni, nastanejo pa zaradi vpliva zunanjih dejavnikov.

Odvisnost lahko ponazorimo s primerom. Za poskus je uporabljena enaka zasnova kot v prejšnjem poskusu, le vodniki so nadomeščeni s kovinskimi ploščami. Med njimi mora biti majhen prostor. Ampermeter mora pokazati, da ni toka. Ko postavite gorilnik med plošče, bo naprava pokazala tok, ki teče skozi plinasti medij.

Spodaj je graf tokovno-napetostnih karakteristik plinske razelektritve, ki kaže, da se rast ionizacije v začetni fazi poveča, nato pa odvisnost toka od napetosti ostane nespremenjena (to je, ko se napetost poveča, tok ostane enak) in močno povečanje jakost toka, kar povzroči razpad dielektrične plasti.

Razmislimo o prevodnosti plinov v praksi. Prehod električnega toka v plinih se uporablja v fluorescenčnih sijalkah in sijalkah. V tem primeru sta katoda in anoda, dve elektrodi nameščeni v bučko, znotraj katere je inertni plin. Kako je ta pojav odvisen od plina? Ko je žarnica prižgana, se nitki segrejeta in nastane termionska emisija. Notranjost žarnice je prevlečena s fosforjem, ki oddaja svetlobo, ki jo vidimo. Kako je živo srebro odvisno od fosforja? Hlapi živega srebra ob bombardiranju z elektroni proizvajajo infrardeče sevanje, ki nato oddaja svetlobo.

Če med katodo in anodo pride do napetosti, pride do prevodnosti plina.

Tekočine

Tokovni prevodniki v tekočini so anioni in kationi, ki se premikajo zaradi električnega toka zunanje polje. Elektroni zagotavljajo malo prevodnosti. Razmislimo o odvisnosti upora od temperature v tekočinah.

1. elektrolit
2. Baterija
3. Ampermeter

Odvisnost učinka elektrolitov na segrevanje je predpisana s formulo:

Kjer je a negativni temperaturni koeficient.

Kako je R odvisen od segrevanja (t), je prikazano v spodnjem grafu:

To odvisnost je treba upoštevati pri polnjenju baterij in baterij.

Polprevodniki

Kako je upor odvisen od segrevanja v polprevodnikih? Najprej se pogovorimo o termistorjih. To so naprave, ki spreminjajo svoje električni upor pod vplivom toplote. Ta polprevodnik ima temperaturni koeficient upora (TCR), ki je za red velikosti višji kot pri kovinah. Tako pozitivni kot negativni prevodniki imajo določene značilnosti.

Kje: 1 je TKS manj kot nič; 2 – TCS je večji od nič.

Da bi vodniki, kot so termistorji, začeli delovati, se kot osnova vzame katera koli točka na tokovno-napetostni karakteristiki:

• če je temperatura elementa nižja od nič, se takšni vodniki uporabljajo kot releji;
• za nadzor spreminjanja toka, pa tudi temperature in napetosti uporabite linearni odsek.

Pri preverjanju in merjenju se uporabljajo termistorji elektromagnetno sevanje, ki se izvajajo na ultravisokih frekvencah. Zaradi tega se ti vodniki uporabljajo v sistemih kot npr požarni alarm, preverjanje toplote in spremljanje porabe sipkih medijev in tekočin. V hladilnih sistemih se uporabljajo tisti termistorji, katerih TCR je manjši od nič.

Zdaj o termoelementih. Kako Seebeckov fenomen vpliva na termoelemente? Odvisnost je v tem, da takšni prevodniki delujejo na podlagi tega pojava. Ko se temperatura stičišča s segrevanjem poveča, se na stičišču sklenjenega tokokroga pojavi emf. Tako se kaže njihova odvisnost in termalna energija spremeni v elektriko. Če želite v celoti razumeti postopek, priporočam, da preberete naša navodila, kako

Številne kovine, kot so baker, aluminij in srebro, imajo lastnost prevajanja električnega toka zaradi prisotnosti prostih elektronov v njihovi strukturi. Tudi kovine imajo določeno odpornost proti toku in vsaka ima svojo. Odpornost kovine je močno odvisna od njene temperature.

Kako je upor kovine odvisen od temperature, lahko razumete, če povečate temperaturo prevodnika, na primer, v območju od 0 do t2 °C. Ko se temperatura prevodnika poveča, se poveča tudi njegov upor. Poleg tega je ta odvisnost skoraj linearna.

S fizikalnega vidika je povečanje upora z naraščajočo temperaturo mogoče razložiti s povečanjem amplitude nihanja vozlišč kristalne rešetke, kar posledično otežuje prehod elektronov, to je upor da se električni tok poveča.

Če pogledate graf, lahko vidite, da ima kovina pri t1 veliko manjši upor kot na primer pri t2. Z nadaljnjim znižanjem temperature lahko dosežete točko t0, kjer bo upor prevodnika skoraj nič. Seveda njegov upor ne more biti enak nič, ampak le teži k temu. Na tej točki prevodnik postane superprevodnik. Superprevodniki se uporabljajo v močni magneti kot navijanje. Na praksi dano točko leži veliko dlje, v območju absolutne ničle, in ga iz tega grafa ni mogoče določiti.

Za ta graf lahko zapišemo enačbo

S to enačbo lahko najdete upor prevodnika pri kateri koli temperaturi. Tukaj potrebujemo točko t0, pridobljeno prej na grafu. Če poznamo vrednost temperature na tej točki za določen material in temperature t1 in t2, lahko ugotovimo upor.

Spreminjanje upora s temperaturo se uporablja v katerem koli električni avto, kjer neposreden dostop do navitja ni mogoč. Na primer, pri asinhronem motorju je dovolj poznati upor statorja v začetnem trenutku in v trenutku, ko motor deluje. S preprostimi izračuni lahko določite temperaturo motorja, ki se v proizvodnji izvede samodejno.

« Fizika - 10. razred"

Katera fizikalna količina imenovano odpornost
Od česa in kako je odvisen upor kovinskega prevodnika?

Različne snovi imajo različne upornosti. Ali je upor odvisen od stanja prevodnika? na njegovo temperaturo? Odgovor naj dajo izkušnje.

Če skozi jekleno spiralo spustimo tok iz baterije in jo nato začnemo segrevati v plamenu gorilnika, bo ampermeter pokazal zmanjšanje jakosti toka. To pomeni, da se s spremembo temperature spremeni upor prevodnika.

Če je pri temperaturi 0 ° C upor prevodnika enak R 0 in pri temperaturi t enak R, potem je relativna sprememba upora, kot kažejo izkušnje, neposredno sorazmerna s spremembo temperature t:

Proporcionalni koeficient α se imenuje temperaturni koeficient upora.

Temperaturni koeficient odpornosti- vrednost, ki je enaka razmerju relativne spremembe upora prevodnika do spremembe njegove temperature.

Označuje odvisnost odpornosti snovi od temperature.

Temperaturni koeficient upora je številčno enak relativni spremembi upora prevodnika pri segrevanju za 1 K (za 1 °C).

Za vse kovinske prevodnike je koeficient α > 0 in se s temperaturo nekoliko spreminja. Če je obseg temperaturnih sprememb majhen, se lahko temperaturni koeficient šteje za konstanten in enak njegovi povprečni vrednosti v tem temperaturnem območju. Za čiste kovine

Pri raztopinah elektrolitov se odpornost ne poveča z naraščajočo temperaturo, ampak se zmanjša. Zanje α< 0. Например, для 10%-ного раствора namizna solα = -0,02 K -1.

Ko se vodnik segreje, se njegove geometrijske dimenzije nekoliko spremenijo. Upornost prevodnika se spreminja predvsem zaradi spremembe njegove upornosti. Odvisnost te upornosti od temperature lahko najdete, če nadomestite vrednosti v formuli (16.1) Izračuni vodijo do naslednjega rezultata:

ρ = ρ 0 (1 + αt) ali ρ = ​​ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

kjer je ΔT sprememba absolutne temperature.

Ker se a s spremembami temperature prevodnika malo spreminja, lahko domnevamo, da je upornost prevodnika linearno odvisna od temperature (slika 16.2).

Povečanje upora je mogoče pojasniti z dejstvom, da se z naraščajočo temperaturo poveča amplituda nihanja ionov na vozliščih kristalne mreže, zato prosti elektroni pogosteje trčijo vanje in s tem izgubijo smer gibanja. Čeprav je koeficient a precej majhen, ob upoštevanju odvisnosti upora od temperature pri izračunu parametrov ogrevalne naprave nujno potrebno. Tako se odpornost volframovega filamenta žarnice z žarilno nitko poveča za več kot 10-krat, ko tok teče skozi to zaradi segrevanja.

Za nekatere zlitine, na primer zlitino bakra in niklja (Konstantin), je temperaturni koeficient upora zelo majhen: α ≈ 10 -5 K -1; Upornost Konstantina je visoka: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takšne zlitine se uporabljajo za izdelavo referenčnih uporov in dodatnih uporov merilni instrumenti, tj. v primerih, ko je potrebno, da se upor ne spreminja opazno s temperaturnimi nihanji.

Obstajajo tudi kovine, na primer nikelj, kositer, platina itd., katerih temperaturni koeficient je bistveno višji: α ≈ 10 -3 K -1. Odvisnost njihove upornosti od temperature lahko uporabimo za merjenje same temperature, ki se izvaja v uporovni termometri.

Naprave iz polprevodniških materialov temeljijo tudi na odvisnosti upora od temperature - termistorji. Zanje je značilen visok temperaturni koeficient upornosti (desetkrat večji kot pri kovinah) in stabilnost lastnosti skozi čas. Ocene termistorja so bistveno višje od kovinskih uporovnih termometrov, običajno 1, 2, 5, 10, 15 in 30 kΩ.

Običajno se kot glavni delovni element uporovnega termometra vzame platinasta žica, katere odvisnost upora od temperature je dobro znana. Spremembe temperature se ocenjujejo po spremembah upora žice, ki jih je mogoče izmeriti. Takšni termometri omogočajo merjenje zelo nizkih in zelo nizkih visoke temperature kadar običajni tekočinski termometri niso primerni.

Superprevodnost.

Odpornost kovin se z nižanjem temperature zmanjšuje. Kaj se zgodi, ko se temperatura približa absolutni ničli?

Leta 1911 je nizozemski fizik H. Kamerlingh-Onnes odkril izjemen pojav - superprevodnost. Ugotovil je, da se pri ohlajanju živega srebra v tekočem heliju njegova upornost najprej postopoma spremeni, nato pa pri temperaturi 4,1 K zelo močno pade na nič (slika 16.3).

Pojav, ko upor prevodnika pade na nič pri kritični temperaturi, se imenuje superprevodnost.

Odkritje Kamerlingha Onnesa, za katerega je bil leta 1913 nagrajen Nobelova nagrada, je vključeval študije lastnosti snovi pri nizkih temperaturah. Kasneje so odkrili še mnoge druge superprevodnike.

Superprevodnost številnih kovin in zlitin opazimo pri zelo nizkih temperaturah - od približno 25 K. Referenčne tabele podajajo temperature prehoda v superprevodno stanje nekaterih snovi.

Imenuje se temperatura, pri kateri snov preide v superprevodno stanje kritična temperatura.

Kritična temperatura ni odvisna samo od kemična sestava snovi, temveč tudi na strukturo samega kristala. Na primer, sivi kositer ima strukturo diamanta s kubično kristalno mrežo in je polprevodnik, beli kositer pa ima tetragonalno enotsko celico in je srebrno bela, mehka, duktilna kovina, ki lahko preide v superprevodno stanje pri temperaturi 3,72 K.

Pri snoveh v superprevodnem stanju so opazili ostre anomalije v magnetnih, termičnih in številnih drugih lastnostih, zato je pravilneje govoriti ne o superprevodnem stanju, temveč o posebnem stanju snovi, ki ga opazimo pri nizkih temperaturah.

Če se v obročnem vodniku, ki je v superprevodnem stanju, ustvari tok in se nato vir toka odstrani, potem se jakost tega toka ne spremeni noben čas. V navadnem (nesuperprevodnem) prevodniku se v tem primeru električni tok ustavi.

Superprevodniki se pogosto uporabljajo. Tako so zgrajeni močni elektromagneti s superprevodnim navitjem, ki dolgo časa brez porabe energije ustvarjajo magnetno polje. Konec koncev V superprevodnem navitju ne nastaja toplota.

Nemogoče pa je pridobiti poljubno močno magnetno polje s superprevodnim magnetom. Zelo močno magnetno polje uniči superprevodno stanje. Tako polje lahko ustvari tudi tok v samem superprevodniku. Zato za vsak prevodnik v superprevodnem stanju obstaja kritična vrednost toka, ki je ni mogoče preseči brez kršitve superprevodnega stanja.

Superprevodni magneti se uporabljajo v pospeševalnikih delcev in magnetohidrodinamičnih generatorjih, ki pretvarjajo mehansko energijo curka vročega ioniziranega plina, ki se premika v magnetnem polju, v električno energijo.

Razlaga superprevodnosti je možna le na podlagi kvantna teorija. Podali so ga šele leta 1957 ameriški znanstveniki J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer in sovjetski znanstvenik, akademik N. N. Bogolyubov.

Leta 1986 so odkrili visokotemperaturno superprevodnost. Dobili smo kompleksne oksidne spojine lantana, barija in drugih elementov (keramika) s temperaturo prehoda v superprevodno stanje okoli 100 K. To je višje od vrelišča tekočega dušika pri zračni tlak(77 K).

Visokotemperaturna superprevodnost bo v bližnji prihodnosti zagotovo povzročila novo tehnično revolucijo v vsej elektrotehniki, radijski tehniki in računalniškem oblikovanju. Trenutno napredek na tem področju ovira potreba po ohlajanju prevodnikov do vrelišča dragega plina helija.

Fizični mehanizem superprevodnosti je precej zapleten. To je mogoče zelo preprosto razložiti na naslednji način: elektroni se združijo v pravilno linijo in se premikajo brez trčenja s kristalno mrežo, sestavljeno iz ionov. To gibanje se bistveno razlikuje od običajnega toplotnega gibanja, pri katerem se prosti elektron giblje kaotično.

Upati moramo, da bo mogoče ustvariti superprevodnike tudi pri sobna temperatura. Generatorji in elektromotorji bodo postali izjemno kompaktni (nekajkrat manjši) in varčni. Električna energija se lahko prenaša na poljubno razdaljo brez izgube in se akumulira v preprostih napravah.

>>Fizika: Odvisnost upora prevodnika od temperature

Različne snovi imajo različne upornosti (glej § 104). Ali je upor odvisen od stanja prevodnika? na njegovo temperaturo? Odgovor naj dajo izkušnje.
Če spustite tok iz baterije skozi jekleno tuljavo in jo nato začnete segrevati v plamenu gorilnika, bo ampermeter pokazal zmanjšanje toka. To pomeni, da se s spreminjanjem temperature spreminja upor prevodnika.
Če je pri temperaturi enaki 0 ​​°C, je upor prevodnika enak R0, in pri temperaturi t enako je R, potem je relativna sprememba upora, kot kažejo izkušnje, neposredno sorazmerna s spremembo temperature t:

Faktor sorazmernosti α klical temperaturni koeficient upora. Označuje odvisnost odpornosti snovi od temperature. Temperaturni koeficient upora je številčno enak relativni spremembi upora prevodnika pri segrevanju za 1 K. Za vse kovinske prevodnike je koeficient α > 0 in se rahlo spreminja s temperaturo. Če je obseg temperaturnih sprememb majhen, se lahko temperaturni koeficient šteje za konstanten in enak njegovi povprečni vrednosti v tem temperaturnem območju. Za čiste kovine α ≈ 1/273 K -1. U raztopin elektrolitov se upor z naraščanjem temperature ne povečuje, ampak zmanjšuje. Za njih α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1 .
Ko se prevodnik segreje, se njegove geometrijske dimenzije nekoliko spremenijo. Upornost prevodnika se spreminja predvsem zaradi sprememb njegove upornosti. Odvisnost te upornosti od temperature lahko najdete, če zamenjate vrednosti v formuli (16.1)
. Izračuni vodijo do naslednjega rezultata:

Ker α se malo spremeni, ko se spremeni temperatura prevodnika, potem lahko domnevamo, da je upornost prevodnika linearno odvisna od temperature ( Slika 16.2).

Povečanje upora je mogoče pojasniti z dejstvom, da se z naraščajočo temperaturo poveča amplituda nihanja ionov na vozliščih kristalne mreže, zato prosti elektroni pogosteje trčijo vanje in s tem izgubijo smer gibanja. Čeprav je koeficient α je precej majhna, upoštevanje odvisnosti upora od temperature pri izračunu grelnih naprav je nujno potrebno. Tako se odpornost volframovega filamenta žarnice z žarilno nitko poveča za več kot 10-krat, ko skozi tok teče tok.
Nekatere zlitine, kot je zlitina bakra in niklja (konstantan), imajo zelo majhen temperaturni koeficient upora: α ≈ 10 -5 K -1 ; Upornost konstantana je visoka: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takšne zlitine se uporabljajo za izdelavo standardnih uporov in dodatnih uporov merilnih instrumentov, to je v primerih, ko je potrebno, da se upor ne spreminja opazno s temperaturnimi nihanji.
Odvisnost kovinske odpornosti od temperature se uporablja v uporovni termometri. Običajno je glavni delovni element takega termometra platinasta žica, katere odvisnost upora od temperature je dobro znana. Temperaturne spremembe se ocenjujejo po spremembah upora žice, ki jih je mogoče izmeriti.
Takšni termometri vam omogočajo merjenje zelo nizkih in zelo visokih temperatur, ko običajni tekočinski termometri niso primerni.
Upornost kovin linearno narašča z naraščajočo temperaturo. Pri raztopinah elektrolitov se z naraščajočo temperaturo zmanjšuje.

???
1. Kdaj žarnica porabi več energije: takoj po prižigu ali po nekaj minutah?
2. Če se upor spirale električnega štedilnika ne spreminja s temperaturo, potem mora biti njegova dolžina pri nazivni moči večja ali manjša?

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

Če imate popravke ali predloge za to lekcijo,