Kako otpor ovisi o temperaturi

Svaki se električar u svojoj praksi susreće s različitim uvjetima prolaska nositelja naboja u metalima, poluvodičima, plinovima i tekućinama. Na veličinu struje utječe električni otpor koji se pod utjecajem okoline mijenja na razne načine.

Jedan od tih čimbenika je izloženost temperaturi. Budući da značajno mijenja uvjete protoka struje, projektanti ga uzimaju u obzir pri izradi električne opreme. Električno osoblje uključeno u održavanje i rad električnih instalacija mora kompetentno koristiti ove funkcije u praktičnom radu.

Utjecaj temperature na električni otpor metala

U školskom tečaju fizike predlaže se provesti takav eksperiment: uzmite ampermetar, bateriju, komad žice, spojne žice i svjetiljku. Umjesto ampermetra s baterijom, možete spojiti ohmmetar ili koristiti njegov način rada u multimetru.

Zatim trebate sastaviti električni krug prikazan na slici i izmjeriti struju u krugu.Njegova vrijednost je na miliampermetarskoj skali označena crnom strelicom.

Sada dovodimo plamen plamenika na žicu i počinjemo je zagrijavati. Ako pogledate ampermetar, vidjet ćete da će se igla pomaknuti ulijevo i doći do položaja označenog crvenom bojom.

Rezultat pokusa pokazuje da se metalima zagrijavanjem njihova vodljivost smanjuje, a otpornost povećava.

Matematičko opravdanje ovog fenomena daju formule na slici. U donjem izrazu jasno se vidi da je električni otpor «R» metalnog vodiča izravno proporcionalan njegovoj temperaturi «T» i ovisi o nekoliko drugih parametara.

Kako zagrijavanje metala ograničava električnu struju u praksi

Žarulje sa žarnom niti

Svaki dan kada se upale svjetla, susrećemo se s manifestacijom ovog svojstva u žaruljama sa žarnom niti. Provedimo jednostavna mjerenja na žarulji od 60 W.

Najjednostavnijim ohmmetrom, koji se napaja niskonaponskom baterijom od 4,5 V, mjerimo otpor između kontakata baze i vidimo vrijednost od 59 ohma. Ovu vrijednost posjeduje hladna nit.

Žarulju ćemo zavrnuti u grlo i na nju preko ampermetra spojiti napon kućne mreže od 220 volti. Igla ampermetra pokazat će 0,273 ampera. Iz Ohmov zakon za dio kruga odrediti otpor niti u zagrijanom stanju. Bit će 896 ohma i premašit će prethodno očitanje ohmmetra za 15,2 puta.

Ovaj višak štiti metal svjetlećeg tijela od gorenja i uništenja, osiguravajući njegov dugotrajni rad pod naponom.

Prijelazne pojave pri uključivanju

Kada nit radi, na njoj se stvara toplinska ravnoteža između zagrijavanja prolaznom električnom strujom i odvođenja dijela topline u okolinu. Ali u početnoj fazi uključivanja, kada se primijeni napon, pojavljuju se prijelazni pojavi, stvarajući udarnu struju, što može uzrokovati izgaranje žarne niti.

Prijelazni procesi javljaju se kratko vrijeme i uzrokovani su činjenicom da brzina povećanja električnog otpora pri zagrijavanju metala ne prati povećanje struje. Nakon njihova završetka uspostavlja se način rada.

Kada žarulja dugo svijetli, debljina njezine niti postupno doseže kritično stanje, što dovodi do izgaranja.Najčešće se taj trenutak događa pri sljedećem novom uključivanju.

Kako bi se produžio vijek trajanja žarulje, ova udarna struja se smanjuje na različite načine pomoću:

1. uređaji koji omogućuju nesmetan dovod i otpuštanje napetosti;

2. sklopovi za serijsko spajanje na nit otpornika, poluvodiča ili termistora (termistori).

Primjer jednog načina ograničavanja udarne struje za automobilska rasvjetna tijela prikazan je na slici ispod.

Ovdje se struja dovodi u žarulju nakon što je sklopka SA uključena preko FU osigurača i ograničena je otpornikom R, čija je nazivna vrijednost odabrana tako da udarna struja tijekom prijelaznih pojava ne premaši nazivnu vrijednost.

Kada se žarna nit zagrijava, njen otpor se povećava, što dovodi do povećanja potencijalne razlike između njegovih kontakata i paralelno spojenog svitka releja KL1.Kada napon dosegne vrijednost postavke releja, normalno otvoreni kontakt KL1 će se zatvoriti i premostiti otpornik. Radna struja već uspostavljenog načina rada počet će teći kroz žarulju.

Otporni termometar

Utjecaj temperature metala na njegov električni otpor koristi se u radu mjernih instrumenata. Zovu se otporni termometri.

Njihov osjetljivi element izrađen je od tanke metalne žice čiji se otpor pažljivo mjeri na određenim temperaturama. Ovaj navoj je montiran u kućište sa stabilnim toplinskim svojstvima i prekriven zaštitnim poklopcem. Stvorena struktura se postavlja u okolinu čija se temperatura mora stalno pratiti.

Vodiči električnog kruga montirani su na stezaljke osjetljivog elementa, koji povezuju krug mjerenja otpora. Njegova se vrijednost pretvara u vrijednosti temperature na temelju prethodno provedene kalibracije uređaja.

Barretter — stabilizator struje

Ovo je naziv uređaja koji se sastoji od staklenog zatvorenog cilindra s vodikovim plinom i spirale od metalne žice od željeza, volframa ili platine. Ovaj dizajn izgledom podsjeća na žarulju sa žarnom niti, ali ima specifičnu nelinearnu strujno-naponsku karakteristiku.

Na I-V karakteristici, u određenom njezinom rasponu, formira se radna zona, koja ne ovisi o fluktuacijama napona koji se primjenjuje na grijaći element. U ovom području, baret dobro kompenzira valovitost napajanja i radi kao stabilizator struje za opterećenje spojeno u seriju s njim.

Rad šipke temelji se na svojstvima toplinske inercije tijela žarne niti, što je osigurano malim presjekom žarne niti i visokom toplinskom vodljivošću vodika koji ga okružuje. Stoga, kada se napon uređaja smanjuje, uklanjanje topline iz njegove niti se ubrzava.

Ovo je glavna razlika između žarulja sa žarnom niti i žarulja sa žarnom niti, gdje se, kako bi se održala svjetlina sjaja, nastoji smanjiti konvektivni gubitak topline iz žarne niti.

Supravodljivost

U normalnim uvjetima okoline, kada se metalni vodič hladi, njegov električni otpor se smanjuje.

Kada se dosegne kritična temperatura, blizu nula stupnjeva prema Kelvinovom mjernom sustavu, dolazi do oštrog pada otpora na nulu. Desna slika pokazuje takvu ovisnost za živu.

Ovaj fenomen, nazvan supravodljivost, smatra se obećavajućim područjem istraživanja kako bi se stvorili materijali koji mogu značajno smanjiti gubitak električne energije tijekom njenog prijenosa na velike udaljenosti.

Međutim, stalne studije supravodljivosti otkrivaju niz obrazaca u kojima drugi čimbenici utječu na električni otpor metala u području kritične temperature. Konkretno, kada izmjenična struja prolazi s povećanjem frekvencije njezinih oscilacija, javlja se otpor čija vrijednost doseže raspon normalnih vrijednosti za harmonike s periodom svjetlosnih valova.

Utjecaj temperature na električni otpor / vodljivost plinova

Plinovi i normalni zrak su dielektrici i ne provode struju.Za njegovo stvaranje potrebni su nositelji naboja, a to su ioni nastali kao posljedica vanjskih čimbenika.

Zagrijavanje može izazvati ionizaciju i kretanje iona s jednog pola medija na drugi. To možete provjeriti na primjeru jednostavnog pokusa. Uzmimo istu opremu kojom smo određivali utjecaj zagrijavanja na otpor metalnog vodiča, ali umjesto vodiča na vodiče spojimo dvije metalne ploče odvojene zračnim prostorom.

Ampermetar spojen na krug neće pokazivati ​​struju. Ako se plamen plamenika postavi između ploča, strelica uređaja će odstupiti od nule i pokazati vrijednost struje koja prolazi kroz plinski medij.

Tako je utvrđeno da se ionizacija javlja u plinovima kada se zagrijavaju, što dovodi do kretanja električno nabijenih čestica i smanjenja otpora medija.

Na vrijednost struje utječe snaga vanjskog primijenjenog izvora napona i razlika potencijala između njegovih kontakata. Sposoban je probiti izolacijski sloj plinova pri visokim vrijednostima. Tipična manifestacija takvog slučaja u prirodi je prirodno pražnjenje munje tijekom grmljavinske oluje.

Približan prikaz strujno-naponske karakteristike protoka struje u plinovima prikazan je na grafu.

U početnoj fazi, pod utjecajem temperature i razlike potencijala, povećanje ionizacije i prolaska struje opaža se približno linearno. Krivulja tada dobiva vodoravni smjer kada povećanje napona ne dovodi do povećanja struje.

Treća faza razaranja događa se kada visoka energija primijenjenog polja ubrzava ione tako da se počnu sudarati s neutralnim molekulama, masovno stvarajući od njih nove nositelje naboja. Kao rezultat toga, struja se naglo povećava, stvarajući slom dielektričnog sloja.

Praktična uporaba plinske vodljivosti

Fenomen strujanja kroz plinove koristi se u radioelektronskim svjetiljkama i fluorescentnim svjetiljkama.

U tu se svrhu dvije elektrode stavljaju u zatvoreni stakleni cilindar s inertnim plinom:

1. anoda;

2. katoda.

U fluorescentnoj svjetiljci oni su izrađeni u obliku niti koje se zagrijavaju kada se uključe i stvaraju termoionsko zračenje. Unutarnja površina tikvice obložena je slojem fosfora. Emitira vidljivi spektar svjetlosti formiran infracrvenim zračenjem koje emitira živina para bombardirana strujom elektrona.

Struja pražnjenja nastaje kada se napon određene vrijednosti primijeni između elektroda koje se nalaze na različitim krajevima žarulje.

Kada jedna od niti izgori, tada će emisija elektrona ove elektrode biti poremećena i lampa neće izgorjeti. Međutim, ako povećate potencijalnu razliku između katode i anode, tada će se ponovno pojaviti plinsko pražnjenje unutar žarulje i fosforna luminiscencija će se nastaviti.

To omogućuje korištenje LED žarulja s oštećenim filamentima i produljenje njihovog vijeka trajanja. Treba samo imati na umu da je istodobno potrebno nekoliko puta povećati napon na njemu, a to značajno povećava potrošnju energije i rizike sigurne uporabe.

Utjecaj temperature na električni otpor tekućina

Prolaz struje u tekućinama nastaje uglavnom zbog kretanja kationa i aniona pod djelovanjem vanjskog električnog polja. Samo mali dio vodljivosti osiguravaju elektroni.

Utjecaj temperature na električni otpor tekućeg elektrolita opisuje se formulom prikazanom na slici. Budući da je vrijednost temperaturnog koeficijenta α u njemu uvijek negativna, tada kako se zagrijavanje povećava, vodljivost se povećava, a otpor smanjuje, kao što je prikazano na grafikonu.

Ovaj fenomen treba uzeti u obzir pri punjenju tekućih automobilskih (i ne samo) baterija.

Utjecaj temperature na električni otpor poluvodiča

Promjena svojstava poluvodičkih materijala pod utjecajem temperature omogućila je njihovu upotrebu kao:

• toplinska otpornost;

• termoparovi;

• hladnjaci;

• grijalice.

termistori

Ovim nazivom označavaju se poluvodički uređaji koji mijenjaju svoj električni otpor pod utjecajem topline. Njihova temperaturni koeficijent otpora (TCR) znatno veći od metala.

Vrijednost TCR za poluvodiče može biti pozitivna ili negativna. Prema ovom parametru dijele se na pozitivne «RTS» i negativne «NTC» termistore. Imaju različite karakteristike.

Za rad termistora odabire se jedna od točaka njegove strujno-naponske karakteristike:

• linearni dio se koristi za kontrolu temperature ili kompenzaciju za promjenu struja ili napona;

• silazna grana I — V karakteristike elemenata s TCS <0 omogućuje upotrebu poluvodiča kao releja.

Upotreba relejnog termistora prikladna je za praćenje ili mjerenje procesa elektromagnetskog zračenja koji se javljaju na ultravisokim frekvencijama. To osigurava njihovu upotrebu u sustavima:

1. kontrola topline;

2. požarni alarm;

3. regulacija protoka rasutih medija i tekućina.

Silikonski termistori s malim TCR > 0 koriste se u sustavima hlađenja i temperaturne stabilizacije tranzistora.

Termoparovi

Ovi poluvodiči rade na temelju Seebeckovog fenomena: kada se lemni spoj dva raspršena metala zagrijava, EMF se javlja na spoju zatvorenog strujnog kruga. Na taj način pretvaraju toplinsku energiju u električnu.

Konstrukcija od dva takva elementa naziva se termopar. Njegova učinkovitost je unutar 7 ÷ 10%.

Termoparovi se koriste u termometrima za digitalne računalne uređaje koji zahtijevaju minijaturnu veličinu i visoku točnost očitanja, kao i izvore struje male snage.

Poluvodički grijači i hladnjaci

Djeluju ponovnom upotrebom termoparova kroz koje prolazi električna struja. U ovom slučaju, na jednom mjestu spoja se zagrijava, a na suprotnom se hladi.

Poluvodički spojevi na bazi selena, bizmuta, antimona, telura omogućuju osiguravanje temperaturne razlike u termoelementu do 60 stupnjeva. To je omogućilo izradu dizajna hladnjaka od poluvodiča s temperaturom u rashladnoj komori do -16 stupnjeva.