Ako odpor závisí od teploty

Každý elektrotechnik sa vo svojej praxi stretáva s rôznymi podmienkami prechodu nosičov náboja v kovoch, polovodičoch, plynoch a kvapalinách. Veľkosť prúdu je ovplyvnená elektrickým odporom, ktorý sa vplyvom prostredia rôznymi spôsobmi mení.

Jedným z týchto faktorov je vystavenie teplote. Keďže výrazne mení podmienky prúdenia prúdu, konštruktéri ho berú do úvahy pri výrobe elektrických zariadení. Elektrický personál, ktorý sa podieľa na údržbe a prevádzke elektrických inštalácií, musí tieto funkcie kompetentne využívať pri praktickej práci.

Vplyv teploty na elektrický odpor kovov

V školskom kurze fyziky sa navrhuje vykonať takýto experiment: vezmite si ampérmeter, batériu, kúsok drôtu, spojovacie drôty a baterku. Namiesto ampérmetra s batériou môžete pripojiť ohmmeter alebo použiť jeho režim v multimetri.

Ďalej musíte zostaviť elektrický obvod zobrazený na obrázku a zmerať prúd v obvode.Jeho hodnota je na miliampérmetrovej stupnici označená čiernou šípkou.

Teraz privedieme plameň horáka k drôtu a začneme ho ohrievať. Ak sa pozriete na ampérmeter, uvidíte, že ručička sa posunie doľava a dosiahne polohu označenú červenou farbou.

Výsledok experimentu ukazuje, že pri zahrievaní kovov sa znižuje ich vodivosť a zvyšuje sa ich odpor.

Matematické opodstatnenie tohto javu dávajú vzorce priamo na obrázku. V spodnom vyjadrení je jasne vidieť, že elektrický odpor «R» kovového vodiča je priamo úmerný jeho teplote «T» a závisí od niekoľkých ďalších parametrov.

Ako zahrievanie kovov obmedzuje elektrický prúd v praxi

Žiarovky

Každý deň sa pri rozsvietení svetiel stretávame s prejavom tejto vlastnosti u žiaroviek. Vykonajte jednoduché merania na 60 wattovej žiarovke.

Najjednoduchším ohmmetrom, napájaným 4,5 V nízkonapäťovou batériou, meriame odpor medzi kontaktmi základne a vidíme hodnotu 59 ohmov. Túto hodnotu vlastní studená niť.

Zaskrutkujeme žiarovku do objímky a pripojíme k nej cez ampérmeter napätie domácej siete 220 voltov. Ručička ampérmetra bude ukazovať 0,273 ampéra. Od Ohmov zákon pre časť obvodu určiť odpor závitu v zahriatom stave. Bude to 896 ohmov a prekročí predchádzajúci údaj ohmmetra 15,2-krát.

Tento prebytok chráni kov svetelného telesa pred spálením a zničením, čím zabezpečuje jeho dlhodobú prevádzku pod napätím.

Prechodové javy pri zapnutí

Pri práci závitu sa na ňom vytvára tepelná rovnováha medzi ohrevom prechádzajúcim elektrickým prúdom a odvodom časti tepla do okolia. Ale v počiatočnom štádiu zapínania, keď je aplikované napätie, dochádza k prechodovým javom, ktoré vytvárajú nábehový prúd, ktorý môže spôsobiť vyhorenie vlákna.

Prechodné procesy sa vyskytujú krátkodobo a sú spôsobené tým, že rýchlosť nárastu elektrického odporu pri zahrievaní kovu nedrží krok so zvýšením prúdu. Po ich ukončení sa nastaví prevádzkový režim.

Pri dlhšom svietení žiarovky sa hrúbka jej vlákna postupne dostáva do kritického stavu, čo vedie k horeniu, najčastejšie k tomuto momentu dochádza pri ďalšom novom zapnutí.

Na predĺženie životnosti lampy sa tento nábehový prúd znižuje rôznymi spôsobmi pomocou:

1. zariadenia zabezpečujúce plynulý prísun a uvoľnenie napätia;

2. obvody na sériové pripojenie k vláknu rezistorov, polovodičov alebo termistorov (termistorov).

Príklad jedného spôsobu obmedzenia nábehového prúdu pre automobilové osvetľovacie zariadenia je uvedený na fotografii nižšie.

Tu je prúd privádzaný do žiarovky po zapnutí spínača SA cez poistku FU a je obmedzený odporom R, ktorého nominálna hodnota je zvolená tak, aby nábehový prúd pri prechodových dejoch neprekročil nominálnu hodnotu.

Keď sa vlákno zahrieva, jeho odpor sa zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu potenciálneho rozdielu medzi jeho kontaktmi a paralelne pripojenou cievkou relé KL1.Keď napätie dosiahne hodnotu nastavenia relé, normálne otvorený kontakt KL1 sa zatvorí a obíde odpor. Cez žiarovku začne pretekať prevádzkový prúd už zavedeného režimu.

Odporový teplomer

Vplyv teploty kovu na jeho elektrický odpor sa využíva pri prevádzke meracích prístrojov. Nazývajú sa odporové teplomery.

Ich citlivý prvok je vyrobený z tenkého kovového drôtu, ktorého odpor je starostlivo meraný pri určitých teplotách. Tento závit je namontovaný v puzdre so stabilnými tepelnými vlastnosťami a pokrytý ochranným krytom. Vytvorená konštrukcia je umiestnená v prostredí, ktorého teplotu je potrebné neustále sledovať.

Vodiče elektrického obvodu sú namontované na svorkách citlivého prvku, ktorý spája obvod merania odporu. Jeho hodnota sa prevedie na hodnoty teploty na základe predtým vykonanej kalibrácie zariadenia.

Barretter — stabilizátor prúdu

Toto je názov zariadenia pozostávajúceho zo skleneného uzavretého valca s plynným vodíkom a špirály kovového drôtu vyrobeného zo železa, volfrámu alebo platiny. Tento dizajn vzhľadom pripomína žiarovku, ale má špecifickú nelineárnu charakteristiku prúdového napätia.

Na charakteristike I — V sa v jej určitom rozsahu vytvorí pracovná zóna, ktorá nezávisí od kolísania napätia aplikovaného na vykurovacie teleso. V tejto oblasti baret dobre kompenzuje zvlnenie napájacieho zdroja a funguje ako stabilizátor prúdu pre sériovo zapojenú záťaž.

Činnosť barrety je založená na vlastnostiach tepelnej zotrvačnosti vláknitého telesa, ktorú zabezpečuje malý prierez vlákna a vysoká tepelná vodivosť vodíka, ktorý ho obklopuje. Preto, keď napätie zariadenia klesá, odvod tepla z jeho vlákna sa zrýchľuje.

Toto je hlavný rozdiel medzi žiarovkami a žiarovkami, kde sa v záujme zachovania jasu žiary snažia znížiť konvekčné tepelné straty z vlákna.

Supravodivosť

Za normálnych okolitých podmienok, keď sa kovový vodič ochladzuje, jeho elektrický odpor klesá.

Po dosiahnutí kritickej teploty, ktorá sa podľa Kelvinovho systému merania blíži k nule, dôjde k prudkému poklesu odporu na nulu. Pravý obrázok ukazuje takúto závislosť od ortuti.

Tento jav, nazývaný supravodivosť, sa považuje za sľubnú oblasť výskumu s cieľom vytvoriť materiály, ktoré dokážu výrazne znížiť straty elektriny pri jej prenose na veľké vzdialenosti.

Pokračujúce štúdie supravodivosti však odhaľujú množstvo vzorov, v ktorých iné faktory ovplyvňujú elektrický odpor kovu v oblasti kritickej teploty. Najmä pri prechode striedavého prúdu so zvýšením frekvencie jeho kmitov vzniká odpor, ktorého hodnota dosahuje rozsah normálnych hodnôt pre harmonické s periódou svetelných vĺn.

Vplyv teploty na elektrický odpor / vodivosť plynov

Plyny a normálny vzduch sú dielektriká a nevedú elektrinu.Jeho tvorba si vyžaduje nosiče náboja, ktorými sú ióny vznikajúce v dôsledku vonkajších faktorov.

Zahrievanie môže spôsobiť ionizáciu a pohyb iónov z jedného pólu média na druhý. Môžete si to overiť na príklade jednoduchého experimentu. Zoberme si rovnaké zariadenie, ktoré sa použilo na určenie vplyvu zahrievania na odpor kovového vodiča, ale namiesto vodiča pripojíme k vodičom dve kovové dosky oddelené vzduchovým priestorom.

Ampérmeter pripojený k obvodu neukáže žiadny prúd. Ak je plameň horáka umiestnený medzi platňami, šípka zariadenia sa odchýli od nuly a ukáže hodnotu prúdu prechádzajúceho plynným médiom.

Zistilo sa teda, že v plynoch pri zahrievaní dochádza k ionizácii, čo vedie k pohybu elektricky nabitých častíc a zníženiu odporu média.

Hodnota prúdu je ovplyvnená výkonom externého zdroja napätia a potenciálnym rozdielom medzi jeho kontaktmi. Je schopný preraziť izolačnú vrstvu plynov pri vysokých hodnotách. Typickým prejavom takéhoto prípadu v prírode je prirodzený výboj blesku počas búrky.

Približný pohľad na prúdovo-napäťovú charakteristiku toku prúdu v plynoch je znázornený v grafe.

V počiatočnom štádiu sa pod vplyvom teplotného a potenciálneho rozdielu pozoruje zvýšenie ionizácie a prechod prúdu približne lineárne. Krivka potom nadobudne horizontálny smer, keď zvýšenie napätia nevedie k zvýšeniu prúdu.

Tretia etapa deštrukcie nastáva, keď vysoká energia aplikovaného poľa urýchľuje ióny tak, že sa začnú zrážať s neutrálnymi molekulami a masívne z nich vytvárajú nové nosiče náboja. V dôsledku toho sa prúd prudko zvyšuje, čím sa vytvára rozpad dielektrickej vrstvy.

Praktické využitie vodivosti plynu

Fenomén toku prúdu plynmi sa využíva v rádioelektrónových lampách a žiarivkách.

Na tento účel sú dve elektródy umiestnené v uzavretom sklenenom valci s inertným plynom:

1. anóda;

2. katóda.

V žiarivke sú vyrobené vo forme vlákien, ktoré sa po zapnutí zahrievajú a vytvárajú termionické žiarenie. Vnútorný povrch banky je pokrytý vrstvou fosforu. Vyžaruje viditeľné spektrum svetla tvorené infračerveným žiarením vyžarovaným ortuťovými parami bombardovanými prúdom elektrónov.

Výbojový prúd nastáva, keď sa medzi elektródy umiestnené na rôznych koncoch žiarovky aplikuje napätie určitej hodnoty.

Keď jedno z vlákien vyhorí, emisia elektrónov tejto elektródy bude narušená a lampa nezhorí. Ak však zväčšíte potenciálny rozdiel medzi katódou a anódou, vo vnútri banky sa opäť objaví výboj plynu a obnoví sa luminiscencia fosforu.

To umožňuje použitie LED žiaroviek s poškodenými vláknami a predĺženie ich životnosti. Treba mať len na pamäti, že súčasne je potrebné niekoľkokrát zvýšiť napätie na ňom, čo výrazne zvyšuje spotrebu energie a riziká bezpečného používania.

Vplyv teploty na elektrický odpor kvapalín

Prechod prúdu v kvapalinách vzniká hlavne v dôsledku pohybu katiónov a aniónov pôsobením vonkajšieho elektrického poľa. Len malý zlomok vodivosti poskytujú elektróny.

Vplyv teploty na elektrický odpor kvapalného elektrolytu je opísaný vzorcom znázorneným na obrázku. Keďže hodnota teplotného koeficientu α v ňom je vždy záporná, potom pri zvyšovaní ohrevu sa zvyšuje vodivosť a klesá odpor, ako je znázornené na grafe.

Tento jav treba brať do úvahy pri nabíjaní tekutých automobilových (nielen) batérií.

Vplyv teploty na elektrický odpor polovodičov

Zmena vlastností polovodičových materiálov vplyvom teploty umožnila ich použitie ako:

• tepelná odolnosť;

• termočlánky;

• chladničky;

• ohrievače.

Termistory

Tento názov znamená polovodičové zariadenia, ktoré vplyvom tepla menia svoj elektrický odpor. ich teplotný koeficient odporu (TCR) výrazne vyššia ako u kovov.

Hodnota TCR pre polovodiče môže byť kladná alebo záporná. Podľa tohto parametra sa delia na kladné «RTS» a záporné «NTC» termistory. Majú rôzne vlastnosti.

Pre prevádzku termistora je vybraný jeden z bodov jeho charakteristiky prúdového napätia:

• lineárny úsek sa používa na reguláciu teploty alebo kompenzáciu meniacich sa prúdov alebo napätí;

• zostupná vetva I — V charakteristiky prvkov s TCS <0 umožňuje použitie polovodiča ako relé.

Použitie reléového termistora je vhodné na monitorovanie alebo meranie procesov elektromagnetického žiarenia vyskytujúcich sa pri ultravysokých frekvenciách. To zaručuje ich použitie v systémoch:

1. regulácia tepla;

2. požiarny poplach;

3. regulácia prietoku sypkých médií a kvapalín.

Kremíkové termistory s malým TCR > 0 sa používajú v chladiacich systémoch a teplotnej stabilizácii tranzistorov.

Termočlánky

Tieto polovodiče fungujú na základe Seebeckovho javu: keď sa spájkovaný spoj dvoch rozptýlených kovov zahreje, na spoji uzavretého okruhu vzniká EMF. Týmto spôsobom premieňajú tepelnú energiu na elektrickú energiu.

Konštrukcia dvoch takýchto prvkov sa nazýva termočlánok. Jeho účinnosť je v rozmedzí 7 ÷ 10%.

Termočlánky sa používajú v teplomeroch pre digitálne výpočtové zariadenia vyžadujúce miniatúrnu veľkosť a vysokú presnosť čítania, ako aj zdroje prúdu s nízkym výkonom.

Polovodičové ohrievače a chladničky

Fungujú tak, že opätovne využívajú termočlánky, ktorými prechádza elektrický prúd. V tomto prípade sa na jednom mieste križovatky zahrieva a na opačnom ochladzuje.

Polovodičové spojenia na báze selénu, bizmutu, antimónu, telúru umožňujú zabezpečiť teplotný rozdiel v termočlánku až 60 stupňov. To umožnilo vytvoriť dizajn chladničky z polovodičov s teplotou v chladiacej komore do -16 stupňov.