Temperaturni koeficijent otpora

Električni otpor vodiča obično ovisi o materijalu vodiča, njegovoj duljini i presjeku, ili, kraće, o otporu i geometrijskim dimenzijama vodiča. Ova ovisnost je dobro poznata i izražava se formulom:

Svima poznata i Ohmov zakon za homogeni dio električnog kruga, iz čega se vidi da je struja manja što je otpor veći. Dakle, ako je otpor žice konstantan, onda kako se primijenjeni napon povećava, struja bi trebala rasti linearno. Ali u stvarnosti to nije tako. Otpor žica nije konstantan.

Za primjere ne morate ići daleko. Spojite li žarulju na podesivi izvor napajanja (s voltmetrom i ampermetrom) i postupno povećavate napon na njoj, dovodeći ga do nominalne vrijednosti, lako ćete vidjeti da struja ne raste linearno: napon se približava nazivne vrijednosti žarulje, struja kroz njen svitak raste sve sporije i svjetlost postaje sve svjetlija.

Ne postoji takva stvar da će udvostručenje napona primijenjenog na zavojnicu udvostručiti struju. Čini se da Ohmov zakon ne vrijedi. Zapravo, Ohmov zakon je ispunjen i upravo otpor žarne niti žarulje nije konstantan, ovisi o temperaturi.

Prisjetimo se što je razlog visoke električne vodljivosti metala. Povezan je s prisutnošću u metalima velikog broja nositelja naboja - komponenti struje - elektroni vodljivosti… To su elektroni formirani od valentnih elektrona metalnih atoma, koji su zajednički cijelom vodiču, oni ne pripadaju svakom pojedinačnom atomu.

Pod djelovanjem električnog polja nanesenog na vodič, slobodni elektroni vodljivosti prelaze iz kaotičnog u više ili manje uređeno kretanje - nastaje električna struja. Ali elektroni na svom putu nailaze na prepreke, nehomogenosti ionske rešetke, kao što su defekti rešetke, nehomogena struktura uzrokovana njezinim toplinskim vibracijama.

Elektroni stupaju u interakciju s ionima, gube zamah, njihova se energija prenosi na ione rešetke, pretvara se u vibracije iona rešetke, a kaos toplinskog kretanja samih elektrona raste, od čega se vodič zagrijava kada struja prolazi kroz njega.

U dielektricima, poluvodičima, elektrolitima, plinovima, nepolarnim tekućinama—razlozi za otpor mogu biti različiti, ali Ohmov zakon očito ne ostaje trajno linearan.

Dakle, za metale povećanje temperature dovodi do još većeg povećanja toplinskih vibracija kristalne rešetke, a otpor gibanju vodljivih elektrona raste.To se može vidjeti iz eksperimenta sa svjetiljkom: svjetlina sjaja se povećava, ali se struja povećava manje. To znači da je promjena temperature utjecala na otpor žarulje.

Kao rezultat toga, postaje jasno da otpor metalne žice gotovo linearno ovisi o temperaturi. A ako uzmemo u obzir da se prilikom zagrijavanja geometrijske dimenzije žice malo mijenjaju, tada električni otpor također gotovo linearno ovisi o temperaturi. Te se ovisnosti mogu izraziti formulama:

Obratimo pozornost na izglede. Pretpostavimo da je na 0 ° C otpor vodiča R0, tada će na temperaturi t ° C uzeti vrijednost R (t), a relativna promjena otpora bit će jednaka α * t ° C. Ovaj faktor proporcionalnosti α se naziva temperaturni koeficijent otpora... On karakterizira ovisnost električnog otpora tvari o njezinoj trenutnoj temperaturi.

Ovaj koeficijent je numerički jednak relativnoj promjeni električnog otpora vodiča kada se njegova temperatura promijeni za 1K (jedan stupanj Kelvina, što je ekvivalentno promjeni temperature od jednog stupnja Celzija).

Za metale je TCR (temperaturni koeficijent otpora α), iako relativno mali, uvijek veći od nule, jer se pri prolasku struje elektroni češće sudaraju s ionima kristalne rešetke, što je viša temperatura t . što je veće njihovo toplinsko kaotično gibanje i veća im je brzina.Sudarajući se u kaotičnom kretanju s ionima rešetke, elektroni metala gube energiju, što vidimo kao rezultat - otpor se povećava kako se žica zagrijava. Taj se fenomen tehnički koristi u otporni termometri.

Dakle, temperaturni koeficijent otpora α karakterizira ovisnost električnog otpora tvari o temperaturi i mjeri se u 1 / K - kelvin na snagu -1. Vrijednost suprotnog predznaka naziva se temperaturni koeficijent vodljivosti.

Što se tiče čistih poluvodiča, TCS je za njih negativan, odnosno otpor opada s porastom temperature, to je zbog činjenice da s porastom temperature sve više elektrona prolazi u vodljivu zonu, a povećava se i koncentracija šupljina. . Isti mehanizam karakterističan je za tekuće nepolarne i čvrste dielektrike.

Polarne tekućine naglo smanjuju svoj otpor s povećanjem temperature zbog smanjenja viskoznosti i povećanja disocijacije. Ovo se svojstvo koristi za zaštitu elektronskih cijevi od destruktivnih učinaka visokih udarnih struja.

Za legure, dopirane poluvodiče, plinove i elektrolite, toplinska ovisnost otpora je složenija nego za čiste metale. Koriste se legure s vrlo niskim TCS, kao što su manganin i konstantan električni mjerni instrumenti.