Одна з характеристик будь-якого проводить електричний струм матеріалу - це залежність опору від температури. Якщо її зобразити у вигляді графіка на де по горизонтальній осі відзначаються проміжки часу (t), а по вертикальній - значення омічного опору (R), то вийде ламана лінія. Залежність опору від температури схематично складається з трьох ділянок. Перший відповідає невеликому нагріванню - в цьому час опір змінюється дуже незначно. Так відбувається до певного моменту, після якого лінія на графіку різко йде вгору - це друга ділянка. Третя, остання складова - це пряма, що йде вгору від точки, на якій зупинився зростання R, під відносно невеликим кутом до горизонтальної осі.

Фізичний сенс даного графіка наступний: залежність опору від температури у провідника описується простим доти, поки величина нагрівання не перевищить якесь значення, характерне саме для даного матеріалу. Наведемо абстрактний приклад: якщо при температурі + 10 ° C опір речовини становить 10 Ом, то до 40 ° C значення R практично не зміниться, залишаючись в межах похибки вимірювань. Але вже при 41 ° C виникне стрибок опору до 70 Ом. Якщо ж подальше зростання температури не припиниться, то на кожний наступний градус припадуть додаткові 5 Ом.

Дана властивість широко використовується в різних електротехнічних пристроях, тому закономірно привести дані по міді як одного з найпоширеніших матеріалів у Так, для мідного провідника нагрів на кожен додатковий градус призводить до зростання опору на піввідсотка від питомого значення (можна знайти в довідкових таблицях, наводиться для 20 ° C, 1 м довжини перетином 1 кв.мм).

При виникненні в металевому провіднику з'являється електричний струм - спрямоване переміщення елементарних частинок, що володіють зарядом. Іони, що знаходяться у вузлах металу, не в змозі довго утримувати електрони на своїх зовнішніх орбітах, тому вони вільно переміщаються по всьому об'єму матеріалу від одного вузла до іншого. Це хаотичний рух обумовлено зовнішньої енергією - теплом.

Хоча факт переміщення в наявності, воно не є спрямованим, тому не розглядається в якості струму. При появі електричного поля електрони орієнтуються відповідно до його конфігурацією, формуючи спрямований рух. Але так як тепловий вплив нікуди не зникло, то хаотично переміщаються частинки стикаються з спрямованими полем. Залежність опору металів від температури показує величину перешкод проходженню струму. Чим більше температура, тим вище R провідника.

Очевидний висновок: знижуючи ступінь нагріву, можна зменшити і опір. (Близько 20 ° K) якраз і характеризується істотним зниженням теплового хаотичного руху частинок в структурі речовини.

Розглядається властивість провідних матеріалів знайшло широке застосування в електротехніці. Наприклад, залежність опору провідника від температури використовується в електронних датчиках. Знаючи її значення для будь-якого матеріалу, можна виготовити терморезистор, підключити його до цифрового або аналогового пристрою, що зчитує, виконати відповідну градуювання шкали і використовувати в якості альтернативи В основі більшості сучасних термодатчиков закладений саме такий принцип, адже надійність вище, а конструкція простіше.

Крім того, залежність опору від температури дає можливість розраховувати нагрів обмоток електродвигунів.

Існують різні умови, при яких носії заряду проходять через певні матеріали. І на заряд електричного струму прямий вплив має опір, у якого є залежність від навколишнього середовища. До факторів, які змінюють перебіг електроструму, відноситься і температура. У цій статті ми розглянемо залежність опору провідника від температури.

метали

Як температура впливає на метали? Щоб дізнатися цю залежність був проведений такий експеримент: батарейку, амперметр, дріт і пальник з'єднують між собою за допомогою дротів. Потім необхідно заміряти показання струму в ланцюзі. Після того як свідчення були зняті, потрібно пальник піднести до дроту і нагріти її. При нагріванні дроту видно, що опір зростає, а провідність металу зменшується.

1. металевий дріт
2. батарея
3. амперметр

Залежність вказується і обгрунтовується формулами:

З цих формул випливає, що R провідника визначається за формулою:

Приклад залежності опору металів від температури надано на відео:

Також потрібно приділити увагу такій властивості, як надпровідність. Якщо умови навколишнього середовища звичайні, то охолоджуючись, провідники зменшують свій опір. Графік нижче показує, як залежить температура і питомий опір в ртуті.

Надпровідність - це явище, яке виникає, коли матеріалом досягається критична температура (за Кельвіном ближче до нуля), при якій опір різко зменшується до нуля.

гази

Гази виконують роль діелектрика і не можуть проводити електрострум. А для того щоб він сформувався необхідні носії зарядів. В їх ролі виступають іони, і вони виникають за рахунок впливу зовнішніх факторів.

Залежність можна розглянути на прикладі. Для досвіду використовується така ж конструкція, що і в попередньому досвіді, тільки провідники замінюються металевими пластинами. Між ними має бути невеликий простір. Амперметр повинен вказувати на відсутність струму. При приміщенні пальника між пластинами, прилад вкаже струм, який проходить через газове середовище.

Нижче наданий графік вольт-амперної характеристики газового розряду, де видно, що зростання іонізації на початковому етапі зростає, потім залежність струму від напруги залишається незмінна (тобто при зростанні напруги струм залишається колишній) і різке зростання сили струму, який призводить до пробою діелектричного шару .

Розглянемо провідність газів на практиці. Проходження електричного струму в газах застосовується в люмінесцентних світильниках і лампах. В цьому випадку катод і анод, два електроди розміщують в колбі, всередині якої є інертний газ. Як залежить таке явище від газу? Коли лампа включається, дві нитки напруження розігріваються, і створюється термоелектронна емісія. Усередині колба покривається люмінофором, який випромінює світло, який ми бачимо. Як залежить ртуть від люмінофора? Пари ртуті при бомбардування їх електронами утворюють інфрачервоне випромінювання, яке в свою чергу випромінює світло.

Якщо прикласти напругу між катодом і анодом, то виникає провідність газів.

рідини

Провідники струму в рідини - це аніони і катіони, які рухаються за рахунок електричного зовнішнього поля. Електрони забезпечують незначну провідність. Розглянемо залежність опору від температури в рідинах.

1. електроліт
2. батарея
3. амперметр

Залежність впливу електролітів від нагрівання прописує формула:

Де а - негативний температурний коефіцієнт.

Як залежить R від нагрівання (t) показано на графіку нижче:

Така залежність повинна враховуватися, коли здійснюється зарядка акумуляторів і батарей.

напівпровідники

А як залежить опір від нагрівання в напівпровідниках? Для початку поговоримо про терморезисторами. Це такі пристрої, які змінюють своє електричний опір під впливом тепла. У даного напівпровідника температурний коефіцієнт опору (ТКС) на порядок вище металів. Як позитивні, так і негативні провідники, вони мають певні характеристики.

Де: 1 - це ТКС менше нуля; 2 - ТКС більше нуля.

Щоб такі провідники, як терморезистори приступили до роботи, за основу беруть будь-яку точку на ВАХ:

• якщо температура елемента менше нуля, то такі провідники використовуються в якості реле;
• щоб контролювати змінюється струм, а також, яка температура і напруга, використовують лінійний ділянку.

Терморезистори застосовуються, коли здійснюється перевірка і завмер електромагнітних випромінювань, що здійснюються на надвисоких частотах. Завдяки цьому дані провідники використовують в таких системах, як пожежної сигналізації, перевірці тепла і контроль вживання сипучих середовищ і рідин. Ті терморезистори, у яких ТКС менше нуля, застосовуються в системах охолодження.

Тепер про термоелементах. Як впливає явище Зеєбека на термоелементи? Залежність полягає в тому, що такі провідники функціонують на основі даного явища. Коли температура місця з'єднання підвищується при нагріванні, на стику замкненого кола з'являється ЕРС. Таким чином, виявляється їх залежність і теплова енергія звертається в електрику. Щоб повністю зрозуміти процес, рекомендую вивчити нашу інструкцію про те,

Багато метали, наприклад, такі як мідь, алюміній, срібло мають властивість провідності електричного струму за рахунок наявності в їх структурі вільних електронів. Також, метали мають деякий опір току, і у кожного воно своє. Опір металу сильно залежить від його температури.

Зрозуміти, як залежить опір металу від температури можна, якщо збільшувати температуру провідника, наприклад, на ділянці від 0 до t2 ° С. Зі збільшенням температури провідника, його опір також збільшується. Причому ця залежність має практично лінійний характер.

З фізичної точки зору збільшення опору з ростом температури можна пояснити збільшенням амплітуди коливань вузлів кристалічної решітки, що в свою чергу ускладнює проходження електронів, тобто збільшується опір електричному струму.

Дивлячись на графік можна побачити, що при t1 метал має опір набагато менше, ніж, наприклад при t2. При подальшому зниженні температури можна прийти в точку t0, де опір провідника буде практично дорівнює нулю. Звичайно, його опір дорівнює нулю бути не може, а лише прагне до нього. У цій точці провідник стає надпровідників. Надпровідники використовуються в сильних магнітах як обмотки. На практиці дана точка лежить набагато далі, в районі абсолютного нуля, і визначити її по таким графіку неможливо.

Для даного графіка можна записати рівняння

Скориставшись даними рівнянням можна знайти опір провідника при будь-якій температурі. Тут нам знадобитися точка t0 отримана раніше на графіку. Знаючи значення температури в цій точці для конкретного матеріалу, і температури t1 і t2 можемо знайти опору.

Зміна опору з температурою використовується в будь-якої електричної машині, де прямий доступ до обмотки неможливий. Наприклад, в асинхронному двигуні досить знати опір статора в початковий момент часу і в момент, коли двигун працює. Шляхом нескладних розрахунків, можна визначити температуру двигуна, що на виробництві робиться в автоматичному режимі.

« Фізика - 10 клас »

Яку фізичну величину називають опором
Від чого і як залежить опір металевого провідника?

Різні речовини мають різні питомі опору. Чи залежить опір від стану провідника? від його температури? Відповідь має дати досвід.

Якщо пропустити струм від акумулятора через сталеву спіраль, а потім почати нагрівати її в полум'ї пальника, то амперметр покаже зменшення сили струму. Це означає, що зі зміною температури опір провідника змінюється.

Якщо при температурі, яка дорівнює 0 ° С, опір провідника одно R 0, а при температурі t воно дорівнює R, то відносна зміна опору, як показує досвід, прямо пропорційно зміні температури t:

Коефіцієнт пропорційності α називають температурним коефіцієнтом опору.

Температурний коефіцієнт опору  - величина, що дорівнює відношенню відносного зміни опору провідника до зміни його температури.

Він характеризує залежність опору речовини від температури.

Температурний коефіцієнт опору чисельно дорівнює відносному зміни опору провідника при нагріванні на 1 К (на 1 ° С).

Для всіх металевих провідників коефіцієнт α\u003e 0 і незначно змінюється зі зміною температури. Якщо інтервал зміни температури невеликий, то температурний коефіцієнт можна вважати постійним і рівним його середнього значення на цьому інтервалі температур. У чистих металів

У розчинів електролітів опір зі зростанням температури не збільшується, а зменшується. Для них α< 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К -1 .

При нагріванні провідника його геометричні розміри змінюються незначно. Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору. Можна знайти залежність цього питомого опору від температури, якщо в формулу (16.1) підставити значення Обчислення приводять до наступного результату:

ρ = ρ 0 (1 + αt), або ρ = ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

де Т - зміна абсолютної температури.

Так як а мало змінюється при зміні температури провідника, то можна вважати, що питомий опір провідника лінійно залежить від температури (рис. 16.2).

Збільшення опору можна пояснити тим, що при підвищенні температури збільшується амплітуда коливань іонів у вузлах кристалічної решітки, тому вільні електрони стикаються з ними частіше, втрачаючи при цьому спрямованість руху. Хоча коефіцієнт а досить малий, облік залежності опору від температури при розрахунку параметрів нагрівальних приладів абсолютно необхідний. Так, опір вольфрамової нитки лампи розжарювання збільшується при проходженні по ній струму за рахунок нагрівання більш ніж в 10 разів.

У деяких сплавів, наприклад у сплаву міді з нікелем (Костянтин), температурний коефіцієнт опору дуже малий: α ≈ 10 -5 К -1; питомий опір Костянтина велике: ρ ≈ 10 -6 Ом м. Такі сплави використовують для виготовлення еталонних резисторів і додаткових резисторів до вимірювальних приладів, т. е. в тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювалося при коливаннях температури.

Існують і такі метали, наприклад нікель, олово, платина та ін., Температурний коефіцієнт яких істотно більше: α ≈ 10 -3 К -1. Залежність їх опору від температури можна використовувати для вимірювання самої температури, що і здійснюється в термометрах опору.

На залежності опору від температури засновані і прилади, виготовлені з напівпровідникових матеріалів, - термістори. Для них характерні великий температурний коефіцієнт опору (в десятки разів перевищує цей коефіцієнт у металів), стабільність характеристик у часі. Номінальний опір термісторів значно вище, ніж у металевих термометрів опору, воно зазвичай становить 1, 2, 5, 10, 15 і 30 кОм.

Зазвичай в якості основного робочого елемента термометра опору беруть платинову дріт, залежність опору якої від температури добре відома. Про зміни температури судять по зміні опору дроту, яке можна ізмеріть.Такіе термометри дозволяють вимірювати дуже низькі і дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.

Надпровідність.

Опір металів зменшується зі зменшенням температури. Що станеться при прагненні температури до абсолютного нуля?

У 1911 р голландський фізик X. Камерлінг-Оннес відкрив чудове явище - надпровідність. Він виявив, що при охолодженні ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а потім при температурі 4,1 К дуже різко падає до нуля (рис. 16.3).

Явище падіння до нуля опору провідника при критичній температурі називається надпровідність.

Відкриття Камерлінг-Оннеса, за яке в 1913 р йому була присуджена Нобелівська премія, спричинило за собою дослідження властивостей речовин при низьких температурах. Пізніше було відкрито багато інших надпровідників.

Надпровідність багатьох металів і сплавів спостерігається при дуже низьких температурах - починаючи приблизно з 25 К. У довідкових таблицях наводяться температури переходу в надпровідний стан деяких речовин.

Температура при якій речовина переходить в надпровідний стан, називається критичною температурою.

Критична температура залежить не тільки від хімічного складу речовини, а й від структури самого кристала. Наприклад, сіре олово має структуру алмазу з кубічної кристалічною решіткою і є напівпровідником, а біле олово має тетрагональной елементарною клітинкою і є сріблясто-білим, м'яким, пластичним металом, здатним при температурі, яка дорівнює 3,72 К, переходити в надпровідний стан.

У речовин в надпровідного стану були відзначені різкі аномалії магнітних, теплових і ряду інших властивостей, так що правильніше говорити не про надпровідного стану, а про особливий, що спостерігається при низьких температурах стані речовини.

Якщо в кільцевому провіднику, що знаходиться в надпровідного стану, створити струм, а потім видалити джерело струму, то сила цього струму не змінюється як завгодно довго. У звичайному ж (несверхпроводящем) провіднику електричний струм в цьому випадку припиняється.

Надпровідники знаходять широке застосування. Так, споруджують потужні електромагніти зі надпровідної обмоткою, які створюють магнітне поле протягом тривалих періодів часу без витрат енергії. адже виділення тепла в надпровідної обмотці не відбувається.

Однак отримати як завгодно сильне магнітне поле за допомогою надпровідного магніту не можна. Дуже сильне магнітне поле руйнує надпровідний стан. Таке поле може бути створене і струмом в самому надпровідники Тому для кожного провідника в надпровідного стану існує критичне значення сили струму, перевищити яке, не порушуючи надпровідного стану, не можна.

Надпровідні магніти використовуються в прискорювачах елементарних частинок, магнитогидродинамических генераторах, що перетворюють механічну енергію струменя розпеченого іонізованого газу, що рухається в магнітному полі, в електричну енергію.

Пояснення надпровідності можливо тільки на основі квантової теорії. Воно було дано лише в 1957 р американськими вченими Дж. Бардін, Л. Купером, Дж. Шріффером і радянським ученим, академіком Н. Н. Боголюбовим.

У 1986 р була відкрита високотемпературна надпровідність. Отримано складні оксидні сполуки лантану, барію та інших елементів (кераміки) з температурою переходу в надпровідний стан близько 100 К. Це вище температури кипіння рідкого азоту при атмосферному тиску (77 К).

Високотемпературна надпровідність в недалекому майбутньому призведе напевно до нової технічної революції у всій електротехніці, радіотехніці, конструюванні ЕОМ. Зараз прогрес в цій області гальмується необхідністю охолодження провідників до температур кипіння дорогого газу - гелію.

Фізичний механізм надпровідності досить складний. Дуже спрощено його можна пояснити так: електрони об'єднуються в правильну шеренгу і рухаються, не стикаючись з кристалічною решіткою, що складається з іонів. Це рух істотно відрізняється від звичайного теплового руху, при якому вільний електрон рухається хаотично.

Треба сподіватися, що вдасться створити надпровідники і при кімнатній температурі. Генератори і електродвигуни стануть виключно компактними (зменшаться в кілька разів) і економічними. Електроенергію можна буде передавати на будь-які відстані без втрат і акумулювати в простих пристроях.

\u003e\u003e Фізика: Залежність опору провідника від температури

Різні речовини мають різні питомі опору (див. § 104). Чи залежить опір від стану провідника? від його температури? Відповідь має дати досвід.
  Якщо пропустити струм від акумулятора через сталеву спіраль, а потім почати нагрівати її в полум'ї пальника, то амперметр покаже зменшення сили струму. Це означає, що зі зміною температури опір провідника змінюється.
  Якщо при температурі, яка дорівнює 0 ° С, опір провідника одно R 0, А при температурі t  воно дорівнює R, То відносна зміна опору, як показує досвід, прямо пропорційно зміні температури t:

коефіцієнт пропорційності α   називають температурним коефіцієнтом опору. Він характеризує залежність опору речовини від температури. Температурний коефіцієнт опору чисельно дорівнює відносному зміни опору провідника при нагріванні на 1 К. Для всіх металевих провідників коефіцієнт α   \u003e 0 і незначно змінюється зі зміною температури. Якщо інтервал зміни температури невеликий, то температурний коефіцієнт можна вважати постійним і рівним його середнього значення на цьому інтервалі температур. У чистих металів α ≈ 1/273 K -1. У розчинів електролітів опір зі зростанням температури не збільшується, а зменшується. Для них α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
  При нагріванні провідника його геометричні розміри змінюються незначно. Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору. Можна знайти залежність цього питомого опору від температури, якщо в формулу (16.1) підставити значення
. Обчислення приводять до наступного результату:

Так як α   мало змінюється при зміні температури провідника, то можна вважати, що питомий опір провідника лінійно залежить від температури ( ріс.16.2).

Збільшення опору можна пояснити тим, що при підвищенні температури збільшується амплітуда коливань іонів у вузлах кристалічної решітки, тому вільні електрони стикаються з ними частіше, втрачаючи при цьому спрямованість руху. хоча коефіцієнт α   досить малий, облік залежності опору від температури при розрахунку нагрівальних приладів абсолютно необхідний. Так, опір вольфрамової нитки лампи розжарювання збільшується при проходженні по ній струму більш ніж в 10 разів.
  У деяких сплавів, наприклад у сплаву міді з нікелем (константан), температурний коефіцієнт опору дуже малий: α   ≈ 10 -5 K -1; питомий опір константана велике: ρ   ≈ 10 -6 Ом м. Такі сплави використовують для виготовлення еталонних опорів і додаткових опорів до вимірювальних приладів, т. Е. В тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювалося при коливаннях температури.
  Залежність опору металів від температури використовують в термометрах опору. Зазвичай в якості основного робочого елемента такого термометра беруть платинову дріт, залежність опору якої від температури добре відома. Про зміни температури судять по зміні опору дроту, яке можна виміряти.
  Такі термометри дозволяють вимірювати дуже низькі і дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.
Питомий опір металів зростає лінійно зі збільшенням температури. У розчинів електролітів воно зменшується при збільшенні температури.

???
  1. Коли електрична лампочка споживає велику потужність: відразу після включення її в мережу або через кілька хвилин?
  2. Якби опір спіралі електроплитки не змінювалося з температурою, то її довжина при номінальній потужності повинна бути більшою або меншою?

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотскій, Фізика 10 клас

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до даного уроку,