Teplotný koeficient odporu

Elektrický odpor vodiča zvyčajne závisí od materiálu vodiča, od jeho dĺžky a prierezu, alebo stručnejšie od odporu a od geometrických rozmerov vodiča. Táto závislosť je dobre známa a je vyjadrená vzorcom:

Známy všetkým a Ohmov zákon pre homogénny úsek elektrického obvodu, z čoho je vidieť, že čím vyšší odpor, tým nižší prúd. Ak je teda odpor drôtu konštantný, potom ako sa aplikované napätie zvyšuje, prúd by sa mal lineárne zvyšovať. Ale v skutočnosti to tak nie je. Odpor vodičov nie je konštantný.

Pre príklady netreba chodiť ďaleko. Ak pripojíte žiarovku k regulovateľnému napájaciemu zdroju (s voltmetrom a ampérmetrom) a postupne na nej budete zvyšovať napätie až na nominálnu hodnotu, ľahko zistíte, že prúd nerastie lineárne: napätie sa blíži k hodnote nominálnej hodnote svietidla, prúd cez jeho cievku rastie stále pomalšie a svetlo je čoraz jasnejšie.

Neexistuje nič také, že zdvojnásobenie napätia aplikovaného na cievku zdvojnásobí prúd. Zdá sa, že Ohmov zákon neplatí. V skutočnosti je Ohmov zákon splnený a presne odpor vlákna žiarovky nie je konštantný, závisí od teploty.

Pripomeňme si, čo je dôvodom vysokej elektrickej vodivosti kovov. Je spojená s prítomnosťou veľkého počtu nosičov náboja - súčasných komponentov - v kovoch vodivostné elektróny… Sú to elektróny tvorené valenčnými elektrónmi atómov kovu, ktoré sú spoločné pre celý vodič, nepatria ku každému jednotlivému atómu.

Pod pôsobením elektrického poľa aplikovaného na vodič prechádzajú voľné vodivé elektróny z chaotického do viac-menej usporiadaného pohybu - vytvára sa elektrický prúd. Elektróny však na svojej ceste narážajú na prekážky, nehomogenity iónovej mriežky, ako sú defekty mriežky, nehomogénna štruktúra spôsobená jej tepelnými vibráciami.

Elektróny interagujú s iónmi, strácajú hybnosť, ich energia sa prenáša na mriežkové ióny, transformuje sa na vibrácie mriežkových iónov a zvyšuje sa chaos tepelného pohybu samotných elektrónov, od ktorých sa vodič pri prechode prúdu zahrieva.

V dielektrikách, polovodičoch, elektrolytoch, plynoch, nepolárnych kvapalinách - dôvod odporu môže byť iný, ale Ohmov zákon samozrejme nezostáva trvalo lineárny.

Pre kovy teda zvýšenie teploty vedie k ešte väčšiemu zvýšeniu tepelných vibrácií kryštálovej mriežky a zvyšuje sa odpor voči pohybu vodivých elektrónov.To možno vidieť z experimentu s lampou: jas žiary sa zvyšuje, ale prúd sa zvyšuje menej. To znamená, že zmena teploty ovplyvnila odpor vlákna žiarovky.

V dôsledku toho je zrejmé, že odpor kovové drôty závisí takmer lineárne od teploty. A ak vezmeme do úvahy, že pri zahrievaní sa geometrické rozmery drôtu mierne menia, potom elektrický odpor tiež závisí takmer lineárne od teploty. Tieto závislosti môžu byť vyjadrené vzorcami:

Venujme pozornosť kurzom. Predpokladajme, že pri 0 ° C je odpor vodiča R0, potom pri teplote t ° C nadobudne hodnotu R (t) a relatívna zmena odporu sa bude rovnať α * t ° C. Tento faktor úmernosti α sa nazýva teplotný koeficient odporu... Charakterizuje závislosť elektrického odporu látky od jej aktuálnej teploty.

Tento koeficient sa číselne rovná relatívnej zmene elektrického odporu vodiča, keď sa jeho teplota zmení o 1 K (jeden stupeň Kelvina, čo je ekvivalentné zmene teploty o jeden stupeň Celzia).

Pre kovy je TCR (teplotný koeficient odporu α), aj keď je relatívne malý, vždy väčší ako nula, pretože pri prechode prúdu sa elektróny častejšie zrážajú s iónmi kryštálovej mriežky, čím vyššia je teplota, t .je čím vyšší je ich tepelný chaotický pohyb a tým vyššia je ich rýchlosť.Pri chaotickom pohybe s mriežkovými iónmi elektróny kovu strácajú energiu, čo vidíme ako výsledok - odpor sa zvyšuje, keď sa drôt zahrieva. Tento jav sa technicky využíva v odporové teplomery.

Teplotný koeficient odporu α teda charakterizuje závislosť elektrického odporu látky od teploty a meria sa v 1 / K — kelvin na mocninu -1. Hodnota s opačným znamienkom sa nazýva teplotný koeficient vodivosti.

Čo sa týka čistých polovodičov, TCS je pre nich negatívny, to znamená, že odpor klesá so zvyšujúcou sa teplotou, je to spôsobené tým, že so zvyšujúcou sa teplotou prechádza do vodivej zóny stále viac elektrónov, pričom sa zvyšuje aj koncentrácia dier. . Rovnaký mechanizmus je charakteristický pre kvapalné nepolárne a pevné dielektriká.

Polárne kvapaliny prudko znižujú svoj odpor so zvyšujúcou sa teplotou v dôsledku poklesu viskozity a zvýšenia disociácie. Táto vlastnosť sa využíva na ochranu elektrónok pred ničivými účinkami vysokých nábehových prúdov.

Pre zliatiny, dopované polovodiče, plyny a elektrolyty je tepelná závislosť odporu zložitejšia ako pre čisté kovy. Používajú sa zliatiny s veľmi nízkym TCS, ako je manganín a konštantán elektrické meracie prístroje.