Как съпротивлението зависи от температурата

В своята практика всеки електротехник среща различни условия за преминаване на носители на заряд в метали, полупроводници, газове и течности. Величината на тока се влияе от електрическото съпротивление, което се променя по различни начини под въздействието на околната среда.

Един от тези фактори е излагането на температура. Тъй като той значително променя условията на протичане на ток, той се взема предвид от дизайнерите при производството на електрическо оборудване. Електрическият персонал, участващ в поддръжката и експлоатацията на електрически инсталации, трябва компетентно да използва тези функции в практическата работа.

Влияние на температурата върху електрическото съпротивление на металите

В училищния курс по физика се предлага да се проведе такъв експеримент: вземете амперметър, батерия, парче тел, свързващи проводници и факел. Вместо амперметър с батерия, можете да свържете омметър или да използвате неговия режим в мултицет.

След това трябва да сглобите електрическата верига, показана на снимката, и да измерите тока във веригата. Стойността му е показана на скалата на милиамперметъра с черна стрелка.

Сега довеждаме пламъка на горелката до жицата и започваме да я загряваме. Ако погледнете амперметъра, ще видите, че стрелката ще се премести наляво и ще достигне позицията, маркирана в червено.

Резултатът от експеримента показва, че когато металите се нагряват, тяхната проводимост намалява, а съпротивлението им се увеличава.

Математическото обосноваване на това явление е дадено от формулите точно на снимката. В долния израз ясно се вижда, че електрическото съпротивление «R» на металния проводник е правопропорционално на неговата температура «T» и зависи от още няколко параметъра.

Как нагряването на метали ограничава електрическия ток на практика

Лампи с нажежаема жичка

Всеки ден, когато осветлението е включено, се срещаме с проявлението на това свойство в лампите с нажежаема жичка. Нека извършим прости измервания на 60-ватова крушка.

С най-простия омметър, захранван от 4,5 V батерия с ниско напрежение, ние измерваме съпротивлението между контактите на основата и виждаме стойността на 59 ома. Тази стойност се притежава от студена нишка.

Ще завием крушката в гнездото и ще свържем към нея през амперметъра напрежението на домашната мрежа от 220 волта. Иглата на амперметъра ще покаже 0,273 ампера. От Законът на Ом за участък от верига определете съпротивлението на резбата в нагрято състояние. Той ще бъде 896 ома и ще надхвърли предишното отчитане на омметъра с 15,2 пъти.

Този излишък предпазва метала на светещото тяло от изгаряне и разрушаване, осигурявайки дългосрочната му работа под напрежение.

Преходни процеси при включване

Когато нишката работи, върху нея се създава топлинен баланс между нагряването от преминаващия електрически ток и отвеждането на част от топлината в околната среда. Но в началния етап на включване, когато се приложи напрежение, възникват преходни процеси, създаващи пусков ток, което може да доведе до изгаряне на нажежаемата жичка.

Преходните процеси протичат за кратко време и са причинени от факта, че скоростта на нарастване на електрическото съпротивление при нагряване на метала не е в крак с увеличаването на тока. След приключването им се установява режимът на работа.

При дълъг блясък на лампата дебелината на нейната нажежаема жичка постепенно достига критично състояние, което води до изгаряне.Най -често този момент настъпва при следващото ново включване.

За да се удължи живота на лампата, този пусков ток се намалява по различни начини, като се използва:

1. устройства, осигуряващи плавно подаване и освобождаване на напрежение;

2. вериги за последователно свързване към нажежаема жичка на резистори, полупроводници или термистори (термистори).

Пример за един от начините за ограничаване на пусковия ток за осветителни тела за автомобили е показан на снимката по -долу.

Тук токът се подава към крушката, след като превключвателят SA е включен през предпазителя на FU и е ограничен от резистора R, чиято номинална стойност е избрана така, че пусковият ток по време на преходни процеси не надвишава номиналната стойност.

Когато нажежаемата жичка се нагрява, нейното съпротивление се увеличава, което води до увеличаване на потенциалната разлика в нейните контакти и паралелно свързаната намотка на релето KL1. Когато напрежението достигне стойността на настройката на релето, нормално отвореният контакт на KL1 ще се затвори и ще заобиколи резистора. Работният ток на вече установения режим ще започне да тече през крушката.

Съпротивителен термометър

Влиянието на температурата на метала върху електрическото му съпротивление се използва при работата на измервателните уреди. Те се наричат съпротивителни термометри.

Техният чувствителен елемент е направен с тънка метална жица, чието съпротивление се измерва внимателно при определени температури. Тази резба е монтирана в корпус със стабилни термични свойства и покрита със защитен капак. Създадената структура се поставя в среда, чиято температура трябва да се следи постоянно.

Проводниците на електрическата верига са монтирани на клемите на чувствителния елемент, които свързват веригата за измерване на съпротивлението. Стойността му се преобразува в температурни стойности въз основа на предварително извършеното калибриране на устройството.

Barretter — стабилизатор на тока

Това е името на устройство, състоящо се от стъклен запечатан цилиндър с водороден газ и спирала от метална тел, изработена от желязо, волфрам или платина. Този дизайн прилича на крушка с нажежаема жичка на външен вид, но има специфична нелинейна характеристика токово напрежение.

Върху I — V характеристиката в определен диапазон от нея се образува работна зона, която не зависи от колебанията на напрежението, приложено към нагревателното тяло. В тази област баретът компенсира добре вълната на захранването и работи като стабилизатор на ток при товар, свързан последователно към него.

Работата на барета се основава на свойствата на топлинната инерция на тялото с нажежаема жичка, която се осигурява от малкото напречно сечение на нажежаемата жичка и високата топлопроводимост на водорода, който го заобикаля. Поради това, когато напрежението на устройството намалее, отнемането на топлина от неговата нажежаема жичка се ускорява.

Това е основната разлика между лампите за осветление и лампите с нажежаема жичка, при които, за да поддържат яркостта на сиянието, те се стремят да намалят конвективните топлинни загуби от нажежаемата жичка.

Свръхпроводимост

При нормални условия на околната среда, когато метален проводник се охлади, електрическото му съпротивление намалява.

Когато се достигне критичната температура, близо до нула градуса според измервателната система на Келвин, има рязък спад на съпротивлението до нула. Дясната снимка показва такава зависимост за живака.

Това явление, наречено свръхпроводимост, се счита за обещаваща област за изследване с цел създаване на материали, които могат значително да намалят загубите на електричество по време на предаването му на големи разстояния.

Продължаващите проучвания на свръхпроводимостта обаче разкриват редица модели, когато други фактори влияят върху електрическото съпротивление на метал в областта на критичните температури. По -специално, когато променлив ток преминава с увеличаване на честотата на неговите трептения, възниква съпротивление, чиято стойност достига обхвата на нормалните стойности за хармоници с период на светлинни вълни.

Влияние на температурата върху електрическото съпротивление / проводимостта на газовете

Газовете и нормалният въздух са диелектрици и не провеждат електричество. За неговото образуване са необходими носители на заряд, които са йони, образувани в резултат на външни фактори.

Нагряването може да причини йонизация и движение на йони от един полюс на средата към друг. Можете да проверите това с примера на прост опит. Нека вземем същото оборудване, което е използвано за определяне на ефекта от нагряването върху съпротивлението на метален проводник, но вместо проводник, ние свързваме две метални пластини, разделени с въздушно пространство, към проводниците.

Амперметър, свързан към веригата, няма да показва ток. Ако пламъкът на горелката е поставен между плочите, стрелката на устройството ще се отклони от нулата и ще покаже стойността на тока, преминаващ през газовата среда.

По този начин е установено, че йонизацията възниква в газовете при нагряване, което води до движение на електрически заредени частици и намаляване на съпротивлението на средата.

Стойността на тока се влияе от мощността на външния приложен източник на напрежение и потенциалната разлика между неговите контакти. Той е способен да пробие изолационния слой от газове при високи стойности. Типична проява на такъв случай в природата е естественото изхвърляне на мълния по време на гръмотевична буря.

Приблизителен изглед на характеристиката токово напрежение на токовия поток в газове е показан на графиката.

В началния етап под въздействието на температурата и потенциалната разлика се наблюдава увеличение на йонизацията и преминаването на тока приблизително линейно. След това кривата придобива хоризонтална посока, когато увеличаването на напрежението не води до увеличаване на тока.

Третият етап на разрушаване настъпва, когато високата енергия на приложеното поле ускорява йони, така че те започват да се сблъскват с неутрални молекули, образувайки масивно нови носители на заряд от тях. В резултат на това токът нараства рязко, образувайки разбивка на диелектричния слой.

Практическо използване на проводимостта на газ

Явлението протичане на ток през газове се използва в радиоелектронни лампи и флуоресцентни лампи.

За тази цел два електрода са поставени в запечатан стъклен цилиндър с инертен газ:

1. анод;

2. катод.

Във флуоресцентна лампа те са направени под формата на нишки, които се нагряват при включване, за да създадат термионно излъчване. Вътрешната повърхност на колбата е покрита със слой фосфор. Той излъчва видимия спектър от светлина, образуван от инфрачервено лъчение, излъчвано от живачни пари, бомбардирани от поток от електрони.

Токът на газоразряд се появява, когато между електродите, разположени в различни краища на крушката, се подаде напрежение с определена стойност.

Когато една от нишките изгори, тогава електронното излъчване на този електрод ще бъде нарушено и лампата няма да изгори. Ако обаче увеличите потенциалната разлика между катода и анода, тогава вътре в крушката отново ще се появи газов разряд и луминесценцията на фосфора ще се възобнови.

Това позволява използването на LED крушки с повредени нишки и удължаване на експлоатационния им живот. Трябва само да се има предвид, че в същото време е необходимо да се повиши напрежението върху него няколко пъти, а това значително увеличава консумацията на енергия и рисковете от безопасно използване.

Влияние на температурата върху електрическото съпротивление на течностите

Преминаването на ток в течности се създава главно поради движението на катиони и аниони под действието на външно електрическо поле. Само малка част от проводимостта се осигурява от електрони.

Влиянието на температурата върху електрическото съпротивление на течен електролит се описва с формулата, показана на снимката. Тъй като стойността на температурния коефициент α в него винаги е отрицателна, тогава с увеличаване на нагряването проводимостта се увеличава и съпротивлението пада, както е показано на графиката.

Това явление трябва да се има предвид при зареждане на течни автомобилни (и не само) акумулатори.

Влияние на температурата върху електрическото съпротивление на полупроводниците

Промяната на свойствата на полупроводниковите материали под въздействието на температурата направи възможно използването им като:

• термична устойчивост;

• термоелементи;

• хладилници;

• нагреватели.

Термистори

Това име означава полупроводникови устройства, които променят електрическото си съпротивление под въздействието на топлина. Техен температурен коефициент на съпротивление (TCR) значително по -висока от тази на металите.

Стойността на TCR за полупроводници може да бъде положителна или отрицателна. Според този параметър те се разделят на положителни «RTS» и отрицателни «NTC» термистори. Те имат различни характеристики.

За работата на термистора се избира една от точките на неговата характеристика токово напрежение:

• линеен участък се използва за контрол на температурата или компенсиране на променящите се токове или напрежения;

• низходящият клон на I — V характеристиката на елементи с TCS <0 позволява използването на полупроводник като реле.

Използването на релеен термистор е удобно за наблюдение или измерване на процесите на електромагнитно излъчване, протичащи при свръхвисоки честоти. Това гарантира използването им в системи:

1. контрол на топлината;

2. пожарна аларма;

3. регулиране на дебита на насипни среди и течности.

Силиконови термистори с малък TCR> 0 се използват в охладителни системи и стабилизиране на температурата на транзисторите.

Термоелементи

Тези полупроводници работят на базата на явлението Зеебек: когато запоеното място на два разпръснати метала се нагрява, възниква ЕМП на кръстовището на затворена верига. По този начин те превръщат топлинната енергия в електрическа.

Конструкция от два такива елемента се нарича термодвойка. Ефективността му е в рамките на 7 ÷ 10%.

Термоелементите се използват в термометри за цифрови изчислителни устройства, изискващи миниатюрни размери и висока точност на показанията, както и източници на ток с ниска мощност.

Полупроводникови нагреватели и хладилници

Те работят чрез повторно използване на термодвойки, през които преминава електрически ток. В този случай на едно място на кръстовището той се нагрява, а в противоположното — се охлажда.

Полупроводникови връзки на базата на селен, бисмут, антимон, телур позволяват да се осигури температурна разлика в термоелемента до 60 градуса. Това направи възможно създаването на дизайн на хладилен шкаф от полупроводници с температура в охлаждащата камера до -16 градуса.