Το πώς η αντίσταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία

Στην πρακτική του, κάθε ηλεκτρολόγος συναντά διαφορετικές συνθήκες για τη διέλευση φορέων φορτίου σε μέταλλα, ημιαγωγούς, αέρια και υγρά. Το μέγεθος του ρεύματος επηρεάζεται από την ηλεκτρική αντίσταση, η οποία μεταβάλλεται με διάφορους τρόπους υπό την επίδραση του περιβάλλοντος.

Ένας από αυτούς τους παράγοντες είναι η έκθεση στη θερμοκρασία. Δεδομένου ότι αλλάζει σημαντικά τις συνθήκες ροής ρεύματος, λαμβάνεται υπόψη από τους σχεδιαστές στην κατασκευή ηλεκτρικού εξοπλισμού. Το ηλεκτρικό προσωπικό που ασχολείται με τη συντήρηση και τη λειτουργία ηλεκτρικών εγκαταστάσεων πρέπει να χρησιμοποιεί αυτές τις λειτουργίες με ικανοποίηση στην πρακτική εργασία.

Επίδραση της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων

Στο μάθημα της σχολικής φυσικής, προτείνεται να διεξαχθεί ένα τέτοιο πείραμα: πάρτε ένα αμπερόμετρο, μια μπαταρία, ένα κομμάτι σύρμα, καλώδια σύνδεσης και έναν φακό. Αντί για αμπερόμετρο με μπαταρία, μπορείτε να συνδέσετε ένα ωμόμετρο ή να χρησιμοποιήσετε τη λειτουργία του σε ένα πολύμετρο.

Στη συνέχεια, πρέπει να συναρμολογήσετε το ηλεκτρικό κύκλωμα που φαίνεται στην εικόνα και να μετρήσετε το ρεύμα στο κύκλωμα.Η τιμή του υποδεικνύεται στην κλίμακα χιλιοστών με ένα μαύρο βέλος.

Τώρα φέρνουμε τη φλόγα του καυστήρα στο σύρμα και αρχίζουμε να το ζεσταίνουμε. Αν κοιτάξετε το αμπερόμετρο, θα δείτε ότι η βελόνα θα μετακινηθεί προς τα αριστερά και θα φτάσει στη θέση που σημειώνεται με κόκκινο χρώμα.

Το αποτέλεσμα του πειράματος δείχνει ότι όταν τα μέταλλα θερμαίνονται, η αγωγιμότητά τους μειώνεται και η αντίστασή τους αυξάνεται.

Η μαθηματική αιτιολόγηση αυτού του φαινομένου δίνεται από τους τύπους ακριβώς στην εικόνα. Στην κάτω έκφραση φαίνεται ξεκάθαρα ότι η ηλεκτρική αντίσταση «R» του μεταλλικού αγωγού είναι ευθέως ανάλογη με τη θερμοκρασία «Τ» του και εξαρτάται από πολλές άλλες παραμέτρους.

Πώς η θέρμανση των μετάλλων περιορίζει το ηλεκτρικό ρεύμα στην πράξη

Λαμπτήρες πυρακτώσεως

Κάθε μέρα που ανάβουν τα φώτα, συναντάμε την εκδήλωση αυτής της ιδιότητας σε λαμπτήρες πυρακτώσεως. Ας κάνουμε απλές μετρήσεις σε έναν λαμπτήρα 60 watt.

Με το απλούστερο ωμόμετρο, που τροφοδοτείται από μπαταρία χαμηλής τάσης 4,5 V, μετράμε την αντίσταση μεταξύ των επαφών της βάσης και βλέπουμε την τιμή των 59 ohms. Αυτή η τιμή ανήκει σε ένα κρύο νήμα.

Θα βιδώσουμε τη λάμπα στην πρίζα και θα συνδέσουμε σε αυτήν μέσω του αμπερόμετρου την τάση του οικιακού δικτύου των 220 βολτ. Η βελόνα του αμπερόμετρου θα δείχνει 0,273 αμπέρ. Από Ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα ενός κυκλώματος προσδιορίστε την αντίσταση του νήματος σε θερμαινόμενη κατάσταση. Θα είναι 896 ohms και θα υπερβαίνει την προηγούμενη ένδειξη του ωμόμετρου κατά 15,2 φορές.

Αυτή η περίσσεια προστατεύει το μέταλλο του φωτεινού σώματος από καύση και καταστροφή, εξασφαλίζοντας τη μακροχρόνια λειτουργία του υπό τάση.

Μεταβατικά στοιχεία ενεργοποίησης

Όταν το νήμα λειτουργεί, δημιουργείται πάνω του μια θερμική ισορροπία μεταξύ της θέρμανσης από το διερχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα και της απομάκρυνσης μέρους της θερμότητας στο περιβάλλον. Αλλά στο αρχικό στάδιο της ενεργοποίησης, όταν εφαρμόζεται τάση, συμβαίνουν μεταβατικά ρεύματα, δημιουργώντας ένα ρεύμα εισόδου, το οποίο μπορεί να προκαλέσει την καύση του νήματος.

Οι μεταβατικές διεργασίες συμβαίνουν για μικρό χρονικό διάστημα και προκαλούνται από το γεγονός ότι ο ρυθμός αύξησης της ηλεκτρικής αντίστασης κατά τη θέρμανση του μετάλλου δεν συμβαδίζει με την αύξηση του ρεύματος. Μετά την ολοκλήρωσή τους καθιερώνεται ο τρόπος λειτουργίας.

Όταν ο λαμπτήρας λάμπει για μεγάλο χρονικό διάστημα, το πάχος του νήματος του φτάνει σταδιακά σε κρίσιμη κατάσταση, γεγονός που οδηγεί σε καύση. Τις περισσότερες φορές, αυτή η στιγμή εμφανίζεται στον επόμενο νέο διακόπτη.

Για να παραταθεί η διάρκεια ζωής του λαμπτήρα, αυτό το ρεύμα εισόδου μειώνεται με διάφορους τρόπους χρησιμοποιώντας:

1. Συσκευές που παρέχουν ομαλή παροχή και απελευθέρωση της τάσης.

2. κυκλώματα για σύνδεση σε σειρά με νήμα αντιστάσεων, ημιαγωγών ή θερμίστορ (θερμίστορ).

Ένα παράδειγμα ενός τρόπου περιορισμού του ρεύματος εισροής για φωτιστικά αυτοκινήτων φαίνεται στην παρακάτω φωτογραφία.

Εδώ το ρεύμα τροφοδοτείται στον λαμπτήρα μετά την ενεργοποίηση του διακόπτη SA μέσω της ασφάλειας FU και περιορίζεται από την αντίσταση R, η ονομαστική τιμή της οποίας επιλέγεται έτσι ώστε το ρεύμα εισόδου κατά τις μεταβατικές περιόδους να μην υπερβαίνει την ονομαστική τιμή.

Όταν το νήμα θερμαίνεται, η αντίστασή του αυξάνεται, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ των επαφών του και του παράλληλα συνδεδεμένου πηνίου του ρελέ KL1.Όταν η τάση φτάσει στην τιμή ρύθμισης του ρελέ, η κανονικά ανοιχτή επαφή του KL1 θα κλείσει και θα παρακάμψει την αντίσταση. Το ρεύμα λειτουργίας του ήδη καθιερωμένου τρόπου λειτουργίας θα αρχίσει να ρέει μέσω του λαμπτήρα.

Θερμόμετρο αντίστασης

Η επίδραση της θερμοκρασίας του μετάλλου στην ηλεκτρική του αντίσταση χρησιμοποιείται στη λειτουργία των οργάνων μέτρησης. Καλούνται θερμόμετρα αντίστασης.

Το ευαίσθητο στοιχείο τους είναι κατασκευασμένο με ένα λεπτό μεταλλικό σύρμα του οποίου η αντίσταση μετράται προσεκτικά σε ορισμένες θερμοκρασίες. Αυτό το νήμα τοποθετείται σε περίβλημα με σταθερές θερμικές ιδιότητες και καλύπτεται με προστατευτικό κάλυμμα. Η δημιουργηθείσα δομή τοποθετείται σε περιβάλλον του οποίου η θερμοκρασία πρέπει να παρακολουθείται συνεχώς.

Οι αγωγοί του ηλεκτρικού κυκλώματος είναι τοποθετημένοι στους ακροδέκτες του ευαίσθητου στοιχείου, που συνδέουν το κύκλωμα μέτρησης αντίστασης. Η τιμή του μετατρέπεται σε τιμές θερμοκρασίας με βάση την προηγούμενη βαθμονόμηση της συσκευής.

Barretter — σταθεροποιητής ρεύματος

Αυτό είναι το όνομα μιας συσκευής που αποτελείται από έναν γυάλινο σφραγισμένο κύλινδρο με αέριο υδρογόνο και μια σπείρα από μεταλλικό σύρμα από σίδηρο, βολφράμιο ή πλατίνα. Αυτός ο σχεδιασμός μοιάζει με λαμπτήρα πυρακτώσεως στην εμφάνιση, αλλά έχει ένα συγκεκριμένο μη γραμμικό χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

Στο χαρακτηριστικό I — V, σε ένα ορισμένο εύρος του, σχηματίζεται μια ζώνη εργασίας, η οποία δεν εξαρτάται από τις διακυμάνσεις της τάσης που εφαρμόζεται στο θερμαντικό στοιχείο. Σε αυτήν την περιοχή, το baret αντισταθμίζει καλά τον κυματισμό του τροφοδοτικού και λειτουργεί ως σταθεροποιητής ρεύματος για ένα φορτίο συνδεδεμένο σε σειρά με αυτό.

Η λειτουργία του barrette βασίζεται στις ιδιότητες της θερμικής αδράνειας του σώματος του νήματος, η οποία παρέχεται από τη μικρή διατομή του νήματος και την υψηλή θερμική αγωγιμότητα του υδρογόνου που το περιβάλλει. Επομένως, όταν η τάση της συσκευής μειώνεται, η απομάκρυνση της θερμότητας από το νήμα της επιταχύνεται.

Αυτή είναι η κύρια διαφορά μεταξύ των λαμπτήρων πυρακτώσεως και των λαμπτήρων πυρακτώσεως, όπου για να διατηρήσουν τη φωτεινότητα της λάμψης, επιδιώκουν να μειώσουν την απώλεια θερμότητας από το νήμα.

Υπεραγωγιμότητα

Υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, όταν ένας μεταλλικός αγωγός ψύχεται, η ηλεκτρική αντίστασή του μειώνεται.

Όταν επιτευχθεί η κρίσιμη θερμοκρασία, κοντά στους μηδέν βαθμούς σύμφωνα με το σύστημα μέτρησης Kelvin, υπάρχει μια απότομη πτώση της αντίστασης στο μηδέν. Η σωστή εικόνα δείχνει μια τέτοια εξάρτηση από τον υδράργυρο.

Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα, θεωρείται ένας πολλά υποσχόμενος τομέας έρευνας προκειμένου να δημιουργηθούν υλικά που μπορούν να μειώσουν σημαντικά την απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη μετάδοσή του σε μεγάλες αποστάσεις.

Ωστόσο, οι συνεχιζόμενες μελέτες της υπεραγωγιμότητας αποκαλύπτουν μια σειρά από μοτίβα όπου άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου στην περιοχή της κρίσιμης θερμοκρασίας. Ειδικότερα, όταν το εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται με αύξηση της συχνότητας των ταλαντώσεων του, εμφανίζεται μια αντίσταση, η τιμή της οποίας φτάνει το εύρος των κανονικών τιμών​για αρμονικές με περίοδο κυμάτων φωτός.

Επίδραση της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση / αγωγιμότητα των αερίων

Τα αέρια και ο κανονικός αέρας είναι διηλεκτρικά και δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό.Ο σχηματισμός του απαιτεί φορείς φορτίου, οι οποίοι είναι ιόντα που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα εξωτερικών παραγόντων.

Η θέρμανση μπορεί να προκαλέσει ιονισμό και μετακίνηση ιόντων από τον έναν πόλο του μέσου στον άλλο. Μπορείτε να το ελέγξετε με το παράδειγμα ενός απλού πειράματος. Ας πάρουμε τον ίδιο εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της επίδρασης της θέρμανσης στην αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού, αλλά αντί για έναν αγωγό, συνδέουμε δύο μεταλλικές πλάκες που χωρίζονται από έναν χώρο αέρα στους αγωγούς.

Ένα αμπερόμετρο που είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα δεν θα δείχνει ρεύμα. Εάν η φλόγα του καυστήρα τοποθετηθεί ανάμεσα στις πλάκες, το βέλος της συσκευής θα αποκλίνει από το μηδέν και θα δείχνει την τιμή του ρεύματος που διέρχεται από το μέσο αερίου.

Έτσι, διαπιστώθηκε ότι ιονισμός συμβαίνει στα αέρια όταν θερμαίνονται, γεγονός που οδηγεί σε κίνηση ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων και μείωση της αντίστασης του μέσου.

Η τιμή του ρεύματος επηρεάζεται από την ισχύ της εξωτερικής εφαρμοζόμενης πηγής τάσης και τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των επαφών της. Είναι ικανό να διαπερνά το μονωτικό στρώμα αερίων σε υψηλές τιμές. Μια τυπική εκδήλωση μιας τέτοιας περίπτωσης στη φύση είναι η φυσική εκκένωση κεραυνού κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας.

Μια κατά προσέγγιση άποψη του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης της ροής ρεύματος στα αέρια φαίνεται στο γράφημα.

Στο αρχικό στάδιο, υπό την επίδραση της θερμοκρασίας και της διαφοράς δυναμικού, παρατηρείται αύξηση του ιονισμού και της διέλευσης του ρεύματος περίπου γραμμικά. Η καμπύλη αποκτά τότε οριζόντια διεύθυνση όταν η αύξηση της τάσης δεν οδηγεί σε αύξηση του ρεύματος.

Το τρίτο στάδιο καταστροφής συμβαίνει όταν η υψηλή ενέργεια του εφαρμοζόμενου πεδίου επιταχύνει τα ιόντα έτσι ώστε να αρχίσουν να συγκρούονται με ουδέτερα μόρια, σχηματίζοντας μαζικά νέους φορείς φορτίου από αυτά. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα αυξάνεται απότομα, σχηματίζοντας μια διάσπαση του διηλεκτρικού στρώματος.

Πρακτική χρήση αγωγιμότητας αερίου

Το φαινόμενο της ροής ρεύματος μέσω των αερίων χρησιμοποιείται σε λαμπτήρες ραδιοηλεκτρονίων και λαμπτήρες φθορισμού.

Για το σκοπό αυτό, δύο ηλεκτρόδια τοποθετούνται σε σφραγισμένο γυάλινο κύλινδρο με αδρανές αέριο:

1. άνοδος;

2. κάθοδος.

Σε μια λάμπα φθορισμού, κατασκευάζονται με τη μορφή νημάτων που θερμαίνονται όταν ανάβουν για να δημιουργήσουν θερμιονική ακτινοβολία. Η εσωτερική επιφάνεια της φιάλης επικαλύπτεται με ένα στρώμα φωσφόρου. Εκπέμπει το ορατό φάσμα φωτός που σχηματίζεται από την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από ατμούς υδραργύρου που βομβαρδίζονται από ένα ρεύμα ηλεκτρονίων.

Το ρεύμα εκφόρτισης συμβαίνει όταν εφαρμόζεται μια τάση ορισμένης τιμής μεταξύ των ηλεκτροδίων που βρίσκονται σε διαφορετικά άκρα του λαμπτήρα.

Όταν ένα από τα νήματα καεί, τότε η εκπομπή ηλεκτρονίων αυτού του ηλεκτροδίου θα διαταραχθεί και η λάμπα δεν θα καεί. Ωστόσο, εάν αυξήσετε τη διαφορά δυναμικού μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, τότε μια εκκένωση αερίου θα εμφανιστεί ξανά στο εσωτερικό του λαμπτήρα και η φωταύγεια του φωσφόρου θα ξαναρχίσει.

Αυτό επιτρέπει τη χρήση λαμπτήρων LED με κατεστραμμένα νήματα και την παράταση της διάρκειας ζωής τους. Θα πρέπει μόνο να ληφθεί υπόψη ότι ταυτόχρονα είναι απαραίτητο να αυξηθεί η τάση σε αυτό αρκετές φορές και αυτό αυξάνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας και τους κινδύνους ασφαλούς χρήσης.

Επίδραση της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση των υγρών

Η διέλευση ρεύματος στα υγρά δημιουργείται κυρίως λόγω της κίνησης κατιόντων και ανιόντων υπό τη δράση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Μόνο ένα μικρό κλάσμα της αγωγιμότητας παρέχεται από τα ηλεκτρόνια.

Η επίδραση της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση ενός υγρού ηλεκτρολύτη περιγράφεται από τον τύπο που φαίνεται στην εικόνα. Δεδομένου ότι η τιμή του συντελεστή θερμοκρασίας α σε αυτό είναι πάντα αρνητική, τότε καθώς αυξάνεται η θέρμανση, αυξάνεται η αγωγιμότητα και μειώνεται η αντίσταση, όπως φαίνεται στο γράφημα.

Αυτό το φαινόμενο θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη φόρτιση υγρών μπαταριών αυτοκινήτων (και όχι μόνο).

Επίδραση της θερμοκρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση των ημιαγωγών

Η αλλαγή των ιδιοτήτων των ημιαγωγών υλικών υπό την επίδραση της θερμοκρασίας κατέστησε δυνατή τη χρήση τους ως:

• θερμική αντίσταση;

• Θερμοστοιχεία?

• ψυγεία?

• θερμαντήρες.

Θερμίστορ

Αυτό το όνομα σημαίνει συσκευές ημιαγωγών που αλλάζουν την ηλεκτρική τους αντίσταση υπό την επίδραση της θερμότητας. δικο τους συντελεστής αντίστασης θερμοκρασίας (TCR) σημαντικά υψηλότερο από αυτό των μετάλλων.

Η τιμή TCR για ημιαγωγούς μπορεί να είναι θετική ή αρνητική. Σύμφωνα με αυτή την παράμετρο, χωρίζονται σε θετικούς θερμίστορ «RTS» και αρνητικούς «NTC». Έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά.

Για τη λειτουργία του θερμίστορ επιλέγεται ένα από τα σημεία του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσης του:

• Το γραμμικό τμήμα χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας ή για την αντιστάθμιση των μεταβαλλόμενων ρευμάτων ή τάσεων.

• ο φθίνων κλάδος του χαρακτηριστικού I — V των στοιχείων με TCS <0 επιτρέπει τη χρήση ημιαγωγού ως ρελέ.

Η χρήση ενός θερμίστορ ρελέ είναι βολική για την παρακολούθηση ή τη μέτρηση διεργασιών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που συμβαίνουν σε υπερυψηλές συχνότητες. Αυτό εξασφαλίζει τη χρήση τους σε συστήματα:

1. Έλεγχος θερμότητας.

2. συναγερμός πυρκαγιάς.

3. ρύθμιση του ρυθμού ροής χύδην μέσων και υγρών.

Τα θερμίστορ πυριτίου με μικρό TCR > 0 χρησιμοποιούνται σε συστήματα ψύξης και σταθεροποίησης θερμοκρασίας τρανζίστορ.

Θερμοστοιχεία

Αυτοί οι ημιαγωγοί λειτουργούν με βάση το φαινόμενο Seebeck: όταν θερμαίνεται η ένωση συγκόλλησης δύο διάσπαρτων μετάλλων, εμφανίζεται ένα EMF στη διασταύρωση ενός κλειστού κυκλώματος. Με αυτόν τον τρόπο μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική.

Μια κατασκευή δύο τέτοιων στοιχείων ονομάζεται θερμοστοιχείο. Η απόδοσή του είναι εντός 7 ÷ 10%.

Τα θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται σε θερμόμετρα για ψηφιακές υπολογιστικές συσκευές που απαιτούν μικροσκοπικό μέγεθος και υψηλή ακρίβεια ανάγνωσης, καθώς και πηγές ρεύματος χαμηλής ισχύος.

Θερμοσίφωνες και ψυγεία ημιαγωγών

Λειτουργούν επαναχρησιμοποιώντας θερμοστοιχεία από τα οποία διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Σε αυτή την περίπτωση, σε ένα σημείο της διασταύρωσης θερμαίνεται, και στο αντίθετο, ψύχεται.

Οι συνδέσεις ημιαγωγών με βάση το σελήνιο, το βισμούθιο, το αντιμόνιο, το τελλούριο επιτρέπουν την εξασφάλιση διαφοράς θερμοκρασίας στο θερμοστοιχείο έως και 60 μοίρες. Αυτό κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ενός σχεδίου ψυγείου από ημιαγωγούς με θερμοκρασία στον θάλαμο ψύξης έως -16 μοίρες.