Kako je odpornost odvisna od temperature

Vsak električar se v svoji praksi srečuje z različnimi pogoji za prehod nosilcev naboja v kovinah, polprevodnikih, plinih in tekočinah. Na velikost toka vpliva električni upor, ki se pod vplivom okolja spreminja na različne načine.

Eden od teh dejavnikov je izpostavljenost temperaturi. Ker bistveno spreminja pogoje pretoka toka, ga oblikovalci upoštevajo pri izdelavi električne opreme. Električno osebje, ki sodeluje pri vzdrževanju in obratovanju električnih naprav, mora te funkcije kompetentno uporabljati pri praktičnem delu.

Vpliv temperature na električno upornost kovin

V šolskem tečaju fizike je predlagano, da se izvede tak poskus: vzemite ampermeter, baterijo, kos žice, povezovalne žice in svetilko. Namesto ampermetra z baterijo lahko priključite ohmmeter ali uporabite njegov način v multimetru.

Nato morate sestaviti električni tokokrog, prikazan na sliki, in izmeriti tok v tokokrogu.Njegova vrednost je na miliampermetrski lestvici označena s črno puščico.

Zdaj približamo plamen gorilnika žici in jo začnemo segrevati. Če pogledate na ampermeter, boste videli, da se bo igla premaknila v levo in dosegla položaj, označen z rdečo.

Rezultat poskusa kaže, da se pri segrevanju kovin njihova prevodnost zmanjša in upor poveča.

Matematično utemeljitev tega pojava podajajo formule na sliki. V spodnjem izrazu je jasno razvidno, da je električni upor «R» kovinskega prevodnika neposredno sorazmeren z njegovo temperaturo «T» in je odvisen od več drugih parametrov.

Kako segrevanje kovin omejuje električni tok v praksi

Žarnice z žarilno nitko

Vsak dan, ko se prižgejo luči, se srečamo z manifestacijo te lastnosti v žarnicah z žarilno nitko. Opravimo preproste meritve na 60 vatni žarnici.

Z najpreprostejšim ohmmetrom, ki ga napaja nizkonapetostna baterija 4,5 V, izmerimo upor med kontakti baze in vidimo vrednost 59 ohmov. Ta vrednost je v lasti hladne niti.

Žarnico bomo privili v grlo in nanjo preko ampermetra priključili napetost domačega omrežja 220 voltov. Igla ampermetra bo kazala 0,273 ampera. Od Ohmov zakon za odsek vezja določi upor niti v segretem stanju. Znašal bo 896 ohmov in presegel prejšnji odčitek ohmmetra za 15,2-krat.

Ta presežek ščiti kovino svetlečega telesa pred gorenjem in uničenjem, kar zagotavlja njegovo dolgoročno delovanje pod napetostjo.

Prehodni pojavi ob vklopu

Ko nit deluje, se na njej ustvari toplotno ravnovesje med segrevanjem s prehajajočim električnim tokom in odvajanjem dela toplote v okolje. Toda v začetni fazi vklopa, ko pride do napetosti, pride do prehodnih pojavov, ki ustvarijo zagonski tok, kar lahko povzroči pregorevanje žarilne nitke.

Prehodni procesi se pojavijo za kratek čas in so posledica dejstva, da hitrost povečanja električnega upora pri segrevanju kovine ne sledi povečanju toka. Po njihovem zaključku se vzpostavi način delovanja.

Ko žarnica sveti dlje časa, debelina njene žarilne nitke postopoma doseže kritično stanje, kar vodi do izgorevanja.Največkrat se ta trenutek pojavi ob naslednjem novem vklopu.

Za podaljšanje življenjske dobe žarnice se ta zagonski tok zmanjša na različne načine z:

1. naprave, ki zagotavljajo nemoten dovod in sprostitev napetosti;

2. vezja za zaporedno vezavo na žarilno nitko uporov, polprevodnikov ali termistorjev (termistorjev).

Primer enega od načinov za omejitev zagonskega toka za avtomobilske svetilke je prikazan na spodnji fotografiji.

Tu se tok dovaja žarnici po vklopu stikala SA preko varovalke FU in je omejen z uporom R, katerega nazivna vrednost je izbrana tako, da vklopni tok med prehodnimi pojavi ne preseže nazivne vrednosti.

Ko se žarilna nitka segreje, se njena upornost poveča, kar vodi do povečanja potencialne razlike med njenimi kontakti in vzporedno vezano tuljavo releja KL1.Ko napetost doseže vrednost nastavitve releja, se normalno odprt kontakt KL1 zapre in zaobide upor. Delovni tok že vzpostavljenega načina bo začel teči skozi žarnico.

Uporovni termometer

Vpliv temperature kovine na njen električni upor se uporablja pri delovanju merilnih instrumentov. Imenujejo se uporovni termometri.

Njihov občutljivi element je narejen iz tanke kovinske žice, katere upor se skrbno meri pri določenih temperaturah. Ta navoj je nameščen v ohišju s stabilnimi toplotnimi lastnostmi in prekrit z zaščitnim pokrovom. Ustvarjena struktura je postavljena v okolje, katerega temperaturo je treba stalno spremljati.

Prevodniki električnega vezja so nameščeni na sponkah občutljivega elementa, ki povezujejo vezje za merjenje upora. Njegova vrednost se pretvori v vrednosti temperature na podlagi predhodno opravljene kalibracije naprave.

Barretter - tokovni stabilizator

To je ime naprave, sestavljene iz steklene zaprte jeklenke z vodikovim plinom in spirale kovinske žice iz železa, volframa ali platine. Ta zasnova po videzu spominja na žarnico z žarilno nitko, vendar ima specifično nelinearno tokovno-napetostno karakteristiko.

Na karakteristiki I - V se v določenem območju oblikuje delovno območje, ki ni odvisno od nihanj napetosti, ki se uporablja za grelni element. V tem območju baret dobro kompenzira valovitost napajanja in deluje kot tokovni stabilizator za obremenitev, ki je zaporedno povezana z njo.

Delovanje barrette temelji na lastnostih toplotne vztrajnosti telesa žarilne nitke, ki jo zagotavlja majhen presek žarilne nitke in visoka toplotna prevodnost vodika, ki ga obdaja. Zato, ko se napetost naprave zmanjša, se pospeši odvzem toplote iz njene žarilne nitke.

To je glavna razlika med žarnicami z žarilno nitko in žarnicami z žarilno nitko, kjer si za ohranitev svetlosti sijaja prizadevajo zmanjšati konvektivne toplotne izgube iz žarilne nitke.

Superprevodnost

V normalnih okoljskih pogojih, ko se kovinski prevodnik ohladi, se njegov električni upor zmanjša.

Ko je dosežena kritična temperatura, blizu nič stopinj po Kelvinovem merilnem sistemu, pride do močnega padca odpornosti na nič. Desna slika prikazuje takšno odvisnost za živo srebro.

Ta pojav, imenovan superprevodnost, velja za obetavno področje raziskav, da bi ustvarili materiale, ki lahko znatno zmanjšajo izgubo električne energije med njenim prenosom na velike razdalje.

Vendar stalne študije superprevodnosti razkrivajo številne vzorce, kjer drugi dejavniki vplivajo na električni upor kovine v območju kritične temperature. Zlasti pri prehodu izmeničnega toka s povečanjem frekvence njegovih nihanj se pojavi upor, katerega vrednost doseže območje normalnih vrednosti za harmonike s periodo svetlobnih valov.

Vpliv temperature na električni upor / prevodnost plinov

Plini in običajni zrak so dielektriki in ne prevajajo električnega toka.Za njegov nastanek so potrebni nosilci naboja, ki so ioni, ki nastanejo kot posledica zunanjih dejavnikov.

Segrevanje lahko povzroči ionizacijo in premikanje ionov z enega pola medija na drugega. To lahko preverite s primerom preprostega poskusa. Vzemimo enako opremo, s katero smo ugotavljali vpliv segrevanja na upornost kovinskega vodnika, le da namesto prevodnika na vodnike povežemo dve kovinski plošči, ločeni z zračnim prostorom.

Ampermeter, priključen na tokokrog, ne bo pokazal toka. Če je plamen gorilnika nameščen med ploščama, bo puščica naprave odstopala od ničle in prikazala vrednost toka, ki poteka skozi plinski medij.

Tako je bilo ugotovljeno, da v plinih pri segrevanju pride do ionizacije, kar vodi do gibanja električno nabitih delcev in zmanjšanja upora medija.

Na vrednost toka vplivata moč zunanjega vira napetosti in potencialna razlika med njegovimi kontakti. Sposoben je prebiti izolacijsko plast plinov pri visokih vrednostih. Tipična manifestacija takega primera v naravi je naravno praznjenje strele med nevihto.

Približen prikaz tokovno-napetostne karakteristike tokovnega toka v plinih je prikazan na grafu.

V začetni fazi pod vplivom temperature in potencialne razlike opazimo povečanje ionizacije in prehod toka približno linearno. Krivulja nato pridobi vodoravno smer, ko povečanje napetosti ne povzroči povečanja toka.

Tretja stopnja uničenja se pojavi, ko visoka energija uporabljenega polja pospeši ione, tako da začnejo trkati z nevtralnimi molekulami in iz njih množično tvorijo nove nosilce naboja. Posledično se tok močno poveča, kar povzroči razpad dielektrične plasti.

Praktična uporaba plinske prevodnosti

Pojav toka skozi pline se uporablja v radioelektronskih žarnicah in fluorescenčnih sijalkah.

V ta namen sta dve elektrodi nameščeni v zaprt stekleni valj z inertnim plinom:

1. anoda;

2. katoda.

V fluorescentni sijalki so izdelani v obliki žarilnih nitk, ki se ob vklopu segrejejo in ustvarjajo termionsko sevanje. Notranja površina bučke je prevlečena s plastjo fosforja. Oddaja vidni spekter svetlobe, ki ga tvori infrardeče sevanje, ki ga oddaja živosrebrova para, ki jo bombardira tok elektronov.

Tok praznjenja se pojavi, ko se med elektrodama, ki se nahajata na različnih koncih žarnice, uporabi napetost določene vrednosti.

Ko ena od filamentov izgori, bo oddajanje elektronov te elektrode moteno in žarnica ne bo izgorela. Če pa povečate potencialno razliko med katodo in anodo, se bo v notranjosti žarnice znova pojavil plinski izpust in fosforna luminiscenca se bo nadaljevala.

To omogoča uporabo LED žarnic s poškodovanimi filamenti in podaljšanje njihove življenjske dobe. Upoštevati je treba le, da je treba hkrati večkrat povečati napetost na njem, kar bistveno poveča porabo energije in tveganja varne uporabe.

Vpliv temperature na električni upor tekočin

Prehod toka v tekočinah nastane predvsem zaradi gibanja kationov in anionov pod delovanjem zunanjega električnega polja. Le majhen del prevodnosti zagotavljajo elektroni.

Vpliv temperature na električni upor tekočega elektrolita opisuje formula, prikazana na sliki. Ker je vrednost temperaturnega koeficienta α v njem vedno negativna, se s povečanjem segrevanja prevodnost poveča in upor zmanjša, kot je prikazano na grafu.

Ta pojav je treba upoštevati pri polnjenju tekočih avtomobilskih (in ne samo) baterij.

Vpliv temperature na električni upor polprevodnikov

Spreminjanje lastnosti polprevodniških materialov pod vplivom temperature je omogočilo njihovo uporabo kot:

• toplotna odpornost;

• termočleni;

• hladilniki;

• grelci.

Termistorji

To ime pomeni polprevodniške naprave, ki spreminjajo svoj električni upor pod vplivom toplote. Njihovo temperaturni koeficient upora (TCR) bistveno višja kot pri kovinah.

Vrednost TCR za polprevodnike je lahko pozitivna ali negativna. Glede na ta parameter jih delimo na pozitivne «RTS» in negativne «NTC» termistorje. Imajo različne značilnosti.

Za delovanje termistorja je izbrana ena od točk njegove tokovno-napetostne karakteristike:

• linearni odsek se uporablja za nadzor temperature ali kompenzacijo spreminjajočih se tokov ali napetosti;

• padajoča veja I — V karakteristike elementov s TCS <0 omogoča uporabo polprevodnika kot releja.

Uporaba relejnega termistorja je priročna za spremljanje ali merjenje procesov elektromagnetnega sevanja, ki se pojavljajo pri ultravisokih frekvencah. To zagotavlja njihovo uporabo v sistemih:

1. nadzor toplote;

2. požarni alarm;

3. regulacija pretoka sipkih medijev in tekočin.

Silicijevi termistorji z majhnim TCR > 0 se uporabljajo v hladilnih sistemih in temperaturni stabilizaciji tranzistorjev.

Termoelementi

Ti polprevodniki delujejo na podlagi Seebeckovega pojava: ko se spajkalni spoj dveh razpršenih kovin segreje, se na stičišču zaprtega tokokroga pojavi EMF. Na ta način pretvorijo toplotno energijo v električno.

Konstrukcijo dveh takih elementov imenujemo termočlen. Njegova učinkovitost je znotraj 7 ÷ 10%.

Termočleni se uporabljajo v termometrih za digitalne računalniške naprave, ki zahtevajo miniaturno velikost in visoko natančnost odčitavanja, ter tokovne vire nizke moči.

Polprevodniški grelniki in hladilniki

Delujejo s ponovno uporabo termočlenov, skozi katere teče električni tok. V tem primeru se na enem mestu stičišča segreje, na nasprotnem pa se ohladi.

Polprevodniške povezave na osnovi selena, bizmuta, antimona, telura omogočajo, da se zagotovi temperaturna razlika v termoelementu do 60 stopinj. To je omogočilo ustvarjanje zasnove hladilnika iz polprevodnikov s temperaturo v hladilni komori do -16 stopinj.