Температурен коефициент на съпротивление

Електрическото съпротивление на проводник обикновено зависи от материала на проводника, от неговата дължина и напречно сечение или, по-кратко, от съпротивлението и от геометричните размери на проводника. Тази зависимост е добре известна и се изразява с формулата:

Известен на всички и Законът на Ом за хомогенен участък от електрическа верига, от което се вижда, че колкото по -голямо е съпротивлението, толкова по -малък е токът. По този начин, ако съпротивлението на проводника е постоянно, то с увеличаване на приложеното напрежение токът трябва да се увеличи линейно. Но в действителност това не е така. Съпротивлението на проводниците не е постоянно.

Не е нужно да ходите далеч за примери. Ако свържете електрическа крушка към регулируемо захранване (с волтметър и амперметър) и постепенно увеличавате напрежението върху нея, като я довеждате до номиналната стойност, лесно ще видите, че токът не расте линейно: напрежението се доближава до номиналната стойност на лампата, токът през спиралата й расте все по -бавно и светлината става все по -ярка.

Няма такова нещо, че при удвояване на напрежението, приложено към спиралата, токът също да се удвои. Законът на Ом изглежда не се изпълнява. Всъщност законът на Ом е изпълнен и точно съпротивлението на нажежаемата жичка на лампата не е постоянно, зависи от температурата.

Нека припомним каква е причината за високата електрическа проводимост на металите. Той е свързан с наличието в металите на голям брой носители на заряд — компоненти на тока — електрони на проводимост… Това са електрони, образувани от валентните електрони на металните атоми, които са общи за целия проводник, те не принадлежат към всеки отделен атом.

Под действието на електрическо поле, приложено към проводника, свободните електрони на проводимост преминават от хаотично към повече или по -малко подредено движение — образува се електрически ток. Но електроните по пътя си срещат препятствия, нехомогенности на йонната решетка, като дефекти на решетката, нехомогенна структура, причинена от топлинните му вибрации.

Електроните взаимодействат с йони, губят инерция, тяхната енергия се прехвърля към решетъчните йони, трансформира се в вибрации на решетъчните йони и хаосът на топлинното движение на самите електрони се увеличава, от което проводникът се нагрява при преминаване на ток то.

В диелектриците, полупроводниците, електролитите, газовете, неполярните течности — причината за съпротивлението може да е различна, но законът на Ом очевидно не остава трайно линеен.

По този начин, за металите, повишаването на температурата води до още по -голямо увеличение на топлинните вибрации на кристалната решетка, а съпротивлението към движението на електроните на проводимост се увеличава. Това може да се види от експеримента с лампата: яркостта на сиянието се увеличава, но токът се увеличава по -слабо. Това означава, че промяната в температурата повлия на съпротивлението на нажежаемата жичка на лампата.

В резултат на това става ясно, че съпротивата метални проводници зависи почти линейно от температурата. И ако вземем предвид, че при нагряване геометричните размери на проводника леко се променят, тогава електрическото съпротивление също зависи почти линейно от температурата. Тези зависимости могат да бъдат изразени с формулите:

Нека обърнем внимание на коефициентите. Да предположим, че при 0 ° C съпротивлението на проводника е R0, тогава при температура t ° C то ще приеме стойността R (t), а относителната промяна в съпротивлението ще бъде равна на α * t ° C. Този коефициент на пропорционалност α се нарича температурен коефициент на съпротивление… Той характеризира зависимостта на електрическото съпротивление на веществото от текущата му температура.

Този коефициент е числено равен на относителната промяна в електрическото съпротивление на проводника, когато температурата му се промени с 1K (с един градус по Келвин, което е еквивалентно на промяна в температурата с един градус по Целзий).

За металите TCR (температурен коефициент на съпротивление α), макар и относително малък, винаги е по -голям от нула, тъй като при преминаване на тока електроните по -често се сблъскват с йони на кристалната решетка, толкова по -висока е температурата, т.е. колкото по -високо е тяхното термично хаотично движение и толкова по -висока е скоростта им. Сблъсквайки се в хаотично движение с решетъчни йони, електроните на метала губят енергия, което виждаме в резултат — съпротивлението се увеличава, когато проводникът се нагрява. Това явление се използва технически в съпротивителни термометри.

Така, температурен коефициент на съпротивление α характеризира зависимостта на електрическото съпротивление на веществото от температурата и се измерва в 1 / K — келвин до степента -1. Стойността с обратен знак се нарича температурен коефициент на проводимост.

Що се отнася до чистите полупроводници, TCS е отрицателен за тях, тоест съпротивлението намалява с повишаване на температурата, това се дължи на факта, че с повишаване на температурата все повече и повече електрони преминават в проводимата зона, докато концентрацията на дупки също се увеличава. Същият механизъм е характерен за течни неполярни и твърди диелектрици.

Полярните течности рязко намаляват съпротивлението си с повишаване на температурата поради намаляване на вискозитета и увеличаване на дисоциацията. Това свойство се използва за защита на електронните тръби от разрушителните ефекти на силните пускови токове.

За сплави, легирани полупроводници, газове и електролити, термичната зависимост на съпротивлението е по -сложна, отколкото за чистите метали. Сплави с много ниски TCS, като манганин и константан, се използват в електрически измервателни уреди.