Ena od značilnosti katerega koli električno prevodnega materiala je odvisnost odpornosti od temperature. Če je prikazan kot graf, na katerem so na vodoravni osi označeni časovni intervali (t) in vrednost ohmičnega upora (R) na navpični osi, dobimo prelomljeno črto. Odvisnost odpornosti na temperaturo shematično je sestavljena iz treh sklopov. Prvi ustreza rahli vročini - v tem času se odpornost zelo malo spremeni. To se zgodi do določene točke, po kateri se črta na grafu strmo dvigne - to je drugi odsek. Tretja, zadnja komponenta je ravna črta, ki gre navzgor od točke, kjer se je rast R ustavila, pod razmeroma majhnim kotom do vodoravne osi.

Fizični pomen tega grafa je naslednji: odvisnost upora od temperature prevodnika je opisana tako enostavno, dokler vrednost ogrevanja ne presega določene vrednosti, značilne za ta material. Navedimo abstraktni primer: če je pri temperaturi + 10 ° C odpornost snovi 10 ohmov, se do 40 ° C vrednost R praktično ne spremeni, ostane v mejah napake merjenja. Toda že pri 41 ° C bo prišlo do sunka odpornosti do 70 ohmov. Če se nadaljnji dvig temperature ne ustavi, bo za vsako naslednjo stopnjo dodatnih 5 ohmov.

Ta lastnost se pogosto uporablja v različnih električnih napravah, zato je naravno, da podatke o bakru kot enem najpogostejših materialov objavimo v. Torej, ogrevanje bakrenega prevodnika za vsako dodatno stopnjo povzroči povečanje odpornosti za pol odstotka od določene vrednosti (najdete ga v referenčnih tabelah, podanih za 20 ° C, dolžina 1 m s presekom 1 kvadratnih metrov).

Ko se pojavi kovinski prevodnik, se pojavi električni tok - usmerjeno gibanje elementarnih delcev z nabojem. Ioni, ki se nahajajo v kovinskih vozliščih, dolgo časa ne morejo zadrževati elektronov v svoji zunanji orbiti, zato se prosto gibljejo po celotnem volumnu materiala iz enega vozlišča v drugo. To kaotično gibanje je posledica zunanje energije - toplote.

Čeprav je dejstvo gibanja očitno, ni usmerjeno, zato se ne šteje za tok. Ko se pojavi električno polje, so elektroni usmerjeni v skladu s svojo konfiguracijo in tvorijo smerno gibanje. Ker pa toplotni učinek ni nikjer izginil, se naključno premikajoči se delci trčijo v smerna polja. Odvisnost odpornosti kovin od temperature kaže na velikost motenj pri prehodu toka. Višja kot je temperatura, večji je R vodnika.

Očiten zaključek: če zmanjšate stopnjo ogrevanja, lahko zmanjšate odpornost. (približno 20 ° K) je natančno značilno znatno zmanjšanje toplotnega kaotičnega gibanja delcev v strukturi snovi.

Upoštevana lastnost prevodnih materialov je našla široko uporabo v elektrotehniki. Na primer, odvisnost upora vodnika od temperature se uporablja v elektronskih senzorjih. Če poznate njegovo vrednost za kateri koli material, lahko naredite termistor, ga povežete z digitalnim ali analognim čitalcem, izvedete ustrezno stopnjo lestvice in uporabite kot alternativo. Večina sodobnih toplotnih senzorjev temelji na tem načelu, ker je zanesljivost večja in zasnova enostavnejša.

Poleg tega odvisnost upora od temperature omogoča izračun ogrevanja navitij elektromotorjev.

Obstajajo različni pogoji, pod katerimi nosilci polnjenja prehajajo skozi določene materiale. In neposreden vpliv na naboj električnega toka je upor, ki je odvisen od okolja. Dejavniki, ki spreminjajo pretok električnega toka, vključujejo temperaturo. V tem članku upoštevamo odvisnost upora prevodnika od temperature.

Kovine

Kako temperatura vpliva na kovine? Da bi ugotovili to odvisnost, smo izvedli naslednji poskus: akumulator, ampermeter, žica in baklo so povezani s seboj s pomočjo žic. Nato je treba izmeriti trenutni odčitek v vezju. Po opravljenih odčitkih pripeljite baklo na žico in jo segrejte. Pri segreti žici je mogoče videti, da se upor poveča, prevodnost kovine pa se zmanjša.

1. Kovinska žica
2. Baterija
3. Ampermeter

Formule označujejo in upravičujejo:

Iz teh formul izhaja, da je R prevodnika določen s formulo:

Primer odvisnosti odpornosti kovin od temperature je naveden v videoposnetku:

Pozorni morate biti tudi na take lastnosti, kot je superprevodnost. Če so zunanji pogoji normalni, vodniki s hlajenjem zmanjšajo svoj upor. Spodnji graf prikazuje, kako sta odvisna temperatura in upornost živega srebra.

Superprevodnost je pojav, ki se pojavi, ko material doseže kritično temperaturo (Kelvin je bližje ničli), pri čemer upornost močno pade na nič.

Plini

Plini igrajo vlogo dielektrika in ne morejo voditi električnega toka. In da bi se lahko oblikoval, so potrebni nosilci nabojev. Njihovo vlogo igrajo ioni, nastanejo pa zaradi vpliva zunanjih dejavnikov.

Odvisnost je mogoče obravnavati na primeru. Za poskus se uporablja enaka konstrukcija kot v prejšnjem poskusu, le prevodniki so zamenjani s kovinskimi ploščami. Med njimi mora biti majhen prostor. Ampermeter naj ne kaže toka. Pri nameščanju gorilnika med ploščami bo naprava pokazala tok, ki poteka skozi plinski medij.

Spodaj je graf trenutnih napetostnih značilnosti plinskega praznjenja, kjer je razvidno, da se povečanje ionizacije na začetni stopnji poveča, potem odvisnost toka od napetosti ostane nespremenjena (to pomeni, da ko napetost narašča, tok ostane enak) in močno povečanje toka, kar vodi v razpad dielektrične plasti .

Upoštevajte prevodnost plinov v praksi. Prehod električnega toka v plinih se uporablja v fluorescenčnih sijalkah in svetilkah. V tem primeru sta katoda in anoda, dve elektrodi postavljeni v bučko, znotraj katere je inerten plin. Kako je tak pojav odvisen od plina? Ko se žarnica vklopi, se dva nitka segrejeta in nastane termoelektronska emisija. V notranjosti je bučka prekrita s fosforjem, ki oddaja svetlobo, ki jo vidimo. Kako je živo srebro odvisno od fosforja? Hlapi živega srebra, ko jih elektroni bombardirajo, tvorijo infrardeče sevanje, ki posledično oddaja svetlobo.

Če med katodo in anodo postavite napetost, potem obstaja prevodnost plinov.

Tekočine

Trenutni prevodniki v tekočini so anioni in kationi, ki se premikajo zaradi električnega zunanjega polja. Elektroni zagotavljajo malo prevodnosti. Razmislite o odvisnosti odpornosti na temperaturo v tekočinah.

1. Elektrolit
2. Baterija
3. Ampermeter

Odvisnost vpliva elektrolitov na segrevanje je predpisana s formulo:

Kjer je a negativni temperaturni koeficient.

Kako je R odvisen od ogrevanja (t), je prikazano na spodnjem grafu:

Takšen odnos je treba upoštevati pri polnjenju baterij in baterij.

Polprevodniki

In kako je odpornost odvisna od segrevanja v polprevodnikih? Za začetek se pogovorimo o termistorjih. To so naprave, ki spreminjajo svojo električno upornost pod vplivom toplote. Ta polprevodniški koeficient odpornosti (TKS) je veliko višji od kovin. Tako pozitivni kot negativni prevodniki, imajo določene značilnosti.

Kjer: 1 je TKS manj kot nič; 2 - TKS je večji od nič.

Da bi prevodniki, kot so termistorji, začeli delovati, vzamejo za osnovo katero koli točko I-V značilnosti:

• če je temperatura elementa nižja od nič, se takšni vodniki uporabljajo kot rele;
• za nadzor spreminjajočega se toka ter temperature in napetosti uporabite linearni odsek.

Termistorji se uporabljajo pri preverjanju in merjenju elektromagnetnega sevanja, ki se izvaja pri ultra visokih frekvencah. Zaradi tega se ti prevodniki uporabljajo v sistemih, kot so požarni alarmi, toplotno testiranje in nadzor uporabe razsutih snovi in ​​tekočin. Tisti termistorji, v katerih je TKS manj kot nič, se uporabljajo v hladilnih sistemih.

Zdaj o termoelementih. Kako Seebeck vpliva na termoelemente? Odvisnost je, da takšni prevodniki delujejo na podlagi tega pojava. Ko temperatura stičišča naraste, ko se segreje, se na stičišču zaprtega tokokroga pojavi emf. Tako se kaže njihova odvisnost in toplotna energija se pretvori v električno energijo. Za popolno razumevanje postopka priporočam, da preučite naša navodila, kako

Mnoge kovine, na primer baker, aluminij, srebro, imajo lastnost prevodnosti električnega toka zaradi prisotnosti prostih elektronov v njihovi strukturi. Prav tako imajo kovine nekaj odpornosti na tok in vsaka ima svojo. Odpornost kovine je močno odvisna od njene temperature.

Lahko razumete, kako je odpornost kovine odvisna od temperature, če na primer povečate temperaturo prevodnika na območju od 0 do t2 ° C. S povečanjem temperature prevodnika se tudi njegova odpornost povečuje. Poleg tega je ta odvisnost skoraj linearna.

S fizičnega vidika lahko povečanje upora z naraščajočo temperaturo razložimo s povečanjem amplitude nihanj vozlišč kristalne rešetke, kar posledično otežuje prehod elektronov, to pomeni, da se upor proti električnemu toku poveča.

Če pogledate graf, lahko vidite, da ima pri t1 kovina veliko nižjo upornost kot na primer pri t2. Z nadaljnjim znižanjem temperature lahko pridete do točke t0, kjer bo upor prevodnika skoraj enak nič. Seveda njegov odpor ničelni ne more biti, ampak se mu le nagiba. Na tem mestu postane prevodnik superprevodnik. Superprevodniki se v močnih magnetih uporabljajo kot navijanje. V praksi ta točka leži precej dlje, v območju absolutne ničle, in je nemogoče določiti po tem urniku.

Za ta graf lahko napišete enačbo

S to enačbo lahko najdete upor vodnika pri kateri koli temperaturi. Tu potrebujemo točko t0, pridobljeno prej na grafu. Če poznamo temperaturo za določen material na tej točki ter temperaturo t1 in t2, lahko najdemo upor.

Sprememba upora v temperaturi se uporablja v katerem koli električnem stroju, kjer neposreden dostop do navitja ni mogoč. Na primer, pri asinhronem motorju je dovolj, da poznate upor statorja v začetnem času in v trenutku, ko motor deluje. Z enostavnimi izračuni je mogoče določiti temperaturo motorja, kar se v proizvodnji opravi samodejno.

« Fizika - 10. razred

Kakšna fizična količina se imenuje odpornost
Od česa in kako je odvisen upor kovinskega vodnika?

Različne snovi imajo različno upornost. Ali je upor odvisen od stanja prevodnika? od njene temperature? Odgovor mora vsebovati izkušnje.

Če prenašate tok iz akumulatorja skozi jekleno tuljavo in ga nato začnete segrevati v plamenu gorilnika, bo ampermeter pokazal zmanjšanje toka. To pomeni, da se s spreminjanjem temperature upor vodnika spreminja.

Če je pri temperaturi, ki je enaka 0 ° C, upor vodnika enak R 0, pri temperaturi t pa enak R, je relativna sprememba upora, kot kažejo izkušnje, sorazmerna s spremembo temperature t:

Koeficient sorazmernosti α imenujemo temperaturni koeficient upora.

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

Karakterizira 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\u003e 0 in se nekoliko razlikuje glede na temperaturo. Če je interval sprememb temperature majhen, potem lahko koeficient temperature štejemo za konstantnega in je enak njegovi povprečni vrednosti v tem temperaturnem območju. Čiste kovine

V raztopinah elektrolitov se odpornost z naraščajočo temperaturo ne poveča, ampak zmanjša. Zanje α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

Ko se dirigent segreje, se njegove geometrijske dimenzije nekoliko spremenijo. Odpornost prevodnika se spreminja predvsem zaradi sprememb njegove upornosti. Odvisnost tega upora od temperature lahko najdete, če v formuli (16.1) nadomestite vrednosti Izračuni vodijo do naslednjega rezultata:

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

kjer je ΔT sprememba absolutne temperature.

Ker se malenkost razlikuje od temperature prevodnika, lahko domnevamo, da je upornost prevodnika linearno odvisna od temperature (slika 16.2).

Povečanje upora se lahko razloži z dejstvom, da se s povečanjem temperature amplituda nihanj ionov v vozliščih kristalne rešetke poveča, zato prosti elektroni trkajo pogosteje z njimi in izgubijo smer gibanja. Čeprav je koeficient a precej majhen, je upoštevanje odvisnosti odpornosti na temperaturo pri izračunu parametrov grelnih naprav nujno potrebno. Tako se odpornost volframove žarnice žarnice z žarilno nitko poveča, ko skozi ogrevanje tok zaradi segrevanja preseže več kot 10-krat.

V nekaterih zlitinah, na primer v zlitini bakra-niklja (Constantin), je temperaturni koeficient odpornosti zelo majhen: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantinova upornost je velika: ρ ≈ 10 -6 Ω m. Take zlitine se uporabljajo za izdelavo referenčnih uporov in dodatnih uporov na merilne instrumente, to je v tistih primerih, ko je potrebno, da se upor ne spreminja občutno s temperaturnimi nihanji.

Obstajajo tudi takšne kovine, na primer nikelj, kositer, platina itd., Katerih temperaturni koeficient je veliko višji: α ≈ 10 -3 K -1. Odvisnost njihove odpornosti od temperature se lahko uporablja za merjenje same temperature, ki se izvaja v odporni termometri.

Naprave na osnovi temperature temeljijo na napravah iz polprevodniških materialov, - termistorji. Zanje je značilen velik temperaturni koeficient odpornosti (več desetkrat večji od kovin), stabilnost lastnosti skozi čas. Nominalna upornost termistorjev je bistveno višja od upora termometerov s kovinsko upornostjo, običajno je 1, 2, 5, 10, 15 in 30 kΩ.

Običajno se platinasta žica vzame kot glavni delovni element odpornega termometra, njegova odvisnost od temperature je dobro znana. Temperaturne spremembe ocenjujemo s spremembami upora žice, ki jih je mogoče izmeriti. Takšni termometri lahko merijo zelo nizke in zelo visoke temperature, kadar navadni tekoči termometri niso primerni.

Superprevodnost

Odpornost kovin se zmanjšuje s padajočo temperaturo. Kaj se zgodi, ko se temperatura nagiba na absolutno ničlo?

Leta 1911 je nizozemski fizik X. Kamerlingh Onnes odkril izjemen pojav - superprevodnost. Ugotovil je, da se živo srebro, ohlajeno v tekočem heliju, sprva postopoma spreminja, nato pa pri temperaturi 4,1 K zelo ostro pade na nič (sl. 16.3).

Poimenujemo pojav padanja na ničelni upor prevodnika pri kritični temperaturi superprevodnost.

Odkritje Kamerlingh Onnes, za katerega je bil leta 1913 prejel Nobelovo nagrado, je vodilo k preučevanju lastnosti snovi pri nizkih temperaturah. Kasneje so odkrili veliko drugih superprevodnikov.

Superprevodnost mnogih kovin in zlitin opazimo pri zelo nizkih temperaturah - od približno 25 K. V referenčnih tabelah so podane prehodne temperature v superprevodno stanje nekaterih snovi.

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

Kritična temperatura ni odvisna samo od kemične sestave snovi, temveč tudi od strukture samega kristala. Na primer, sivi kositer ima diamantno strukturo s kubično kristalno rešetko in je polprevodnik, beli kositer pa tetragonalno enotno 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 bile opažene ostre anomalije magnetnih, toplotnih in številne druge lastnosti, zato je pravilneje govoriti ne o stanju superprevodnika, temveč o posebnem stanju snovi, ki ga opazimo pri nizkih temperaturah.

Če se v superprevodnem obroču ustvari tok in se nato odstrani vir toka, se moč tega toka ne spreminja v nedogled. V običajnem (neprevodnem) prevodniku se električni tok v tem primeru prekine.

Superprevodniki se pogosto uporabljajo. Torej, gradijo močne elektromagnete s superprevodnim navitjem, ki dolgo časa brez energije ustvarjajo magnetno polje. Konec koncev v superprevodnem navitju ne nastaja toplota.

Toda pridobiti poljubno močno magnetno polje s pomočjo superprevodnega magneta je nemogoče. Zelo močno magnetno polje uniči superprevodno stanje. Takšno polje lahko ustvari tudi tok v samem superprevodniku, zato je za vsak prevodnik v stanju superprevodnika kritična vrednost trenutne jakosti, ki je ni mogoče preseči, če ne prekinemo stanja superprevodnika.

Superprevodni magneti se uporabljajo v pospeševalcih elementarnih delcev, magnetohidrodinamičnih generatorjih, ki pretvorijo mehansko energijo curka rdečega vročega ioniziranega plina, ki se giblje v magnetnem polju, v električno energijo.

Pojasnilo superprevodnosti je možno le na podlagi kvantne teorije. Dali so ga šele leta 1957 ameriški znanstveniki J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer in sovjetski znanstveniki, akademik N. N. Bogolyubov.

Leta 1986 so odkrili visoko temperaturno superprevodnost. Dobljene so kompleksne oksidne spojine lantana, barija in drugih elementov (keramika) s prehodno temperaturo v superprevodno stanje okoli 100 K. To je višje od vrelišča tekočega dušika pri atmosferskem tlaku (77 K).

Visokotemperaturna superprevodnost bo v bližnji prihodnosti najverjetneje povzročila novo tehnično revolucijo v vsej elektrotehniki, radiotehniki in računalniškem oblikovanju. Zdaj napredek na tem področju ovira potreba po hlajenju vodnikov do vrelišča dragega plina - helija.

Fizični mehanizem superprevodnosti je precej zapleten. Na zelo poenostavljen način je mogoče razložiti na naslednji način: elektroni se združijo v pravi rang in se premikajo, ne da bi trčili v kristalno mrežo, ki jo sestavljajo ioni. To gibanje se bistveno razlikuje od običajnega toplotnega gibanja, v katerem se prosti elektroni gibljejo kaotično.

Upajmo, da bo mogoče ustvariti superprevodnike pri sobni temperaturi. Generatorji in elektromotorji bodo postali izjemno kompaktni (večkrat se bodo zmanjšali) in varčni. Električna energija se lahko brez izgube prenese na katero koli razdaljo in se kopiči v preprostih napravah.

\u003e\u003e Fizika: odvisnost upora vodnika od temperature

Različne snovi imajo različno upornost (glej § 104). Ali je upor odvisen od stanja prevodnika? od njene temperature? Odgovor mora vsebovati izkušnje.
  Če tok iz akumulatorja prepustite skozi jekleno tuljavo in ga nato začnete segrevati v plamenu gorilnika, bo ampermeter pokazal zmanjšanje toka. To pomeni, da se s spreminjanjem temperature upor vodnika spreminja.
  Če je pri temperaturi 0 ° C upor vodnika R 0, in pri temperaturi t  enako je R, potem je relativna sprememba upora, kot kažejo izkušnje, sorazmerna s spremembo temperature. t:

Koeficient sorazmernosti α   klical temperaturni koeficient upora. Karakterizira odvisnost odpornosti snovi od temperature. Temperaturni koeficient upora je številčno enak relativni spremembi upora prevodnika, ko se segreje za 1 K. Za vse kovinske prevodnike je koeficient α   \u003e 0 in se nekoliko razlikuje glede na temperaturo. Če je interval sprememb temperature majhen, potem lahko koeficient temperature štejemo za konstantnega in je enak njegovi povprečni vrednosti v tem temperaturnem območju. Čiste kovine α ≈ 1/273 K -1. Imej odpornost raztopin elektrolitov z naraščanjem temperature se ne poveča, ampak zmanjša. Zanje α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
  Ko se dirigent segreje, se njegove geometrijske dimenzije nekoliko spremenijo. Odpornost prevodnika se spreminja predvsem zaradi sprememb njegove upornosti. Odvisnost tega upora od temperature lahko najdete, če v formuli (16.1) nadomestite vrednosti
. Izračuni vodijo do naslednjega rezultata:

Torej kot α   s temperaturo prevodnika se malo spreminja, lahko domnevamo, da je upornost prevodnika linearno odvisna od temperature ( riž.16.2).

Povečanje upora se lahko razloži z dejstvom, da se s povečanjem temperature amplituda nihanj ionov na mestih rešetke poveča, zato prosti elektroni pogosteje trčijo z njimi in izgubijo smer gibanja. Čeprav koeficient α   precej majhna, ob upoštevanju odvisnosti odpornosti na temperaturo pri izračunu grelnih naprav je nujno potrebno. Tako se odpornost volframove nitke žarilne žarnice poveča, ko skozi njo prehaja več kot 10-krat večji tok.
  V nekaterih zlitinah, na primer v bakro-niklu (konstantan), je temperaturni koeficient odpornosti zelo majhen: α   ≈ 10 -5 K -1; Konstantanska upornost je velika: ρ   ≈ 10 -6 ohm m. Take zlitine se uporabljajo za izdelavo referenčnih uporov in dodatnih uporov na merilnih instrumentih, to je v tistih primerih, ko je potrebno, da se odpornost opazno ne spremeni s temperaturnimi nihanji.
  Odvisnost kovinske odpornosti od temperature se uporablja v odporni termometri. Običajno se platinasta žica vzame kot glavni delovni element takega termometra, njegova odvisnost od temperature je dobro znana. Temperaturne spremembe ocenjujemo s spremembo upora žice, ki jo je mogoče izmeriti.
  Takšni termometri lahko merijo zelo nizke in zelo visoke temperature, kadar običajni tekoči termometri niso primerni.
Upornost kovin se linearno povečuje z naraščanjem temperature. V raztopinah elektrolitov se z naraščanjem temperature zmanjšuje.

???
  1. Kdaj žarnica porabi več energije: takoj po vklopu v omrežje ali po nekaj minutah?
  2. Če se odpornost tuljave štedilnika s temperaturo ni spremenila, bi morala 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,