Θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης

Η ηλεκτρική αντίσταση ενός αγωγού εξαρτάται συνήθως από το υλικό του αγωγού, από το μήκος και τη διατομή του ή, πιο συνοπτικά, από την αντίσταση και από τις γεωμετρικές διαστάσεις του αγωγού. Αυτή η εξάρτηση είναι γνωστή και εκφράζεται με τον τύπο:

Γνωστό σε όλους και Ο νόμος του Ohm για ένα ομοιογενές τμήμα ηλεκτρικού κυκλώματος, από το οποίο φαίνεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα. Έτσι, εάν η αντίσταση του σύρματος είναι σταθερή, τότε όσο αυξάνεται η εφαρμοζόμενη τάση, το ρεύμα θα πρέπει να αυξάνεται γραμμικά. Αλλά στην πραγματικότητα αυτό δεν ισχύει. Η αντίσταση των καλωδίων δεν είναι σταθερή.

Δεν χρειάζεται να πάτε μακριά για παραδείγματα. Εάν συνδέσετε μια λάμπα σε μια ρυθμιζόμενη παροχή ρεύματος (με βολτόμετρο και αμπερόμετρο) και αυξήσετε σταδιακά την τάση σε αυτήν, φέρνοντάς την στην ονομαστική τιμή, θα δείτε εύκολα ότι το ρεύμα δεν αυξάνεται γραμμικά: η τάση πλησιάζει το ονομαστική τιμή της λάμπας, το ρεύμα μέσω του πηνίου του αυξάνεται όλο και πιο αργά και το φως γίνεται όλο και πιο φωτεινό.

Δεν υπάρχει τέτοιο πράγμα όπως ο διπλασιασμός της τάσης που εφαρμόζεται στο πηνίο θα διπλασιάσει το ρεύμα. Ο νόμος του Ohm δεν φαίνεται να ισχύει. Στην πραγματικότητα, ο νόμος του Ohm πληρούται και ακριβώς η αντίσταση του νήματος της λάμπας δεν είναι σταθερή, εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Ας θυμηθούμε ποιος είναι ο λόγος για την υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων. Συνδέεται με την παρουσία στα μέταλλα μεγάλου αριθμού φορέων φορτίου — εξαρτήματα ρεύματος — ηλεκτρόνια αγωγιμότητας… Αυτά είναι ηλεκτρόνια που σχηματίζονται από τα ηλεκτρόνια σθένους των ατόμων μετάλλου, τα οποία είναι κοινά σε ολόκληρο τον αγωγό, δεν ανήκουν σε κάθε μεμονωμένο άτομο.

Κάτω από τη δράση ενός ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόζεται στον αγωγό, τα ηλεκτρόνια ελεύθερης αγωγιμότητας μεταβαίνουν από χαοτική σε περισσότερο ή λιγότερο διατεταγμένη κίνηση - σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Όμως τα ηλεκτρόνια συναντούν εμπόδια στο δρόμο τους, ανομοιογένειες του πλέγματος ιόντων, όπως ελαττώματα πλέγματος, μια ανομοιογενής δομή που προκαλείται από τις θερμικές του δονήσεις.

Τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με ιόντα, χάνουν ορμή, η ενέργειά τους μεταφέρεται στα ιόντα του πλέγματος, μετατρέπεται σε δονήσεις ιόντων πλέγματος και αυξάνεται το χάος της θερμικής κίνησης των ηλεκτρονίων από τα οποία ο αγωγός θερμαίνεται όταν το ρεύμα περνά μέσα από αυτό.

Στα διηλεκτρικά, στους ημιαγωγούς, στους ηλεκτρολύτες, στα αέρια, στα μη πολικά υγρά — ο λόγος της αντίστασης μπορεί να είναι διαφορετικός, αλλά ο νόμος του Ohm προφανώς δεν παραμένει μόνιμα γραμμικός.

Έτσι, για τα μέταλλα, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε ακόμη μεγαλύτερη αύξηση των θερμικών δονήσεων του κρυσταλλικού πλέγματος και η αντίσταση στην κίνηση των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας αυξάνεται.Αυτό φαίνεται από το πείραμα με τη λάμπα: η φωτεινότητα της λάμψης αυξάνεται, αλλά το ρεύμα αυξάνεται λιγότερο. Αυτό σημαίνει ότι η αλλαγή της θερμοκρασίας επηρέασε την αντίσταση του νήματος της λάμπας.

Ως αποτέλεσμα, γίνεται σαφές ότι η αντίσταση μεταλλικά σύρματα εξαρτάται σχεδόν γραμμικά από τη θερμοκρασία. Και αν λάβουμε υπόψη ότι όταν θερμαίνεται, οι γεωμετρικές διαστάσεις του σύρματος αλλάζουν ελαφρώς, τότε η ηλεκτρική αντίσταση εξαρτάται επίσης σχεδόν γραμμικά από τη θερμοκρασία. Αυτές οι εξαρτήσεις μπορούν να εκφραστούν με τους τύπους:

Ας προσέξουμε τις πιθανότητες. Ας υποθέσουμε ότι στους 0 ° C η αντίσταση του αγωγού είναι R0, τότε σε θερμοκρασία t ° C θα πάρει την τιμή R (t) και η σχετική αλλαγή στην αντίσταση θα είναι ίση με α * t ° C. Αυτός ο συντελεστής αναλογικότητας Το α ονομάζεται θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης... Χαρακτηρίζει την εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης της ουσίας από την τρέχουσα θερμοκρασία της.

Αυτός ο συντελεστής είναι αριθμητικά ίσος με τη σχετική μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός αγωγού όταν η θερμοκρασία του αλλάζει κατά 1K (ένας βαθμός Kelvin, που ισοδυναμεί με αλλαγή θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου).

Για τα μέταλλα, το TCR (συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης α), αν και σχετικά μικρός, είναι πάντα μεγαλύτερος από το μηδέν, γιατί όταν περνάει το ρεύμα, τα ηλεκτρόνια συγκρούονται συχνότερα με ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, t . τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική χαοτική τους κίνηση και τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητά τους.Σε σύγκρουση σε χαοτική κίνηση με ιόντα πλέγματος, τα ηλεκτρόνια του μετάλλου χάνουν ενέργεια, την οποία βλέπουμε ως αποτέλεσμα — η αντίσταση αυξάνεται καθώς το σύρμα θερμαίνεται. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται τεχνικά σε θερμόμετρα αντίστασης.

Έτσι, ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης α χαρακτηρίζει την εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης της ουσίας από τη θερμοκρασία και μετράται σε 1 / K — Kelvin στην ισχύ -1. Η τιμή με το αντίθετο πρόσημο ονομάζεται συντελεστής αγωγιμότητας θερμοκρασίας.

Όσον αφορά τους καθαρούς ημιαγωγούς, το TCS είναι αρνητικό γι 'αυτούς, δηλαδή, η αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, όλο και περισσότερα ηλεκτρόνια περνούν στη ζώνη αγωγιμότητας, ενώ η συγκέντρωση των οπών αυξάνεται επίσης . Ο ίδιος μηχανισμός είναι χαρακτηριστικός των υγρών μη πολικών και στερεών διηλεκτρικών.

Τα πολικά υγρά μειώνουν απότομα την αντίστασή τους με την αύξηση της θερμοκρασίας λόγω μείωσης του ιξώδους και αύξησης της διάστασης. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται για την προστασία των σωλήνων ηλεκτρονίων από τις καταστροφικές επιπτώσεις των υψηλών ρευμάτων εισροής.

Για κράματα, ντοπαρισμένους ημιαγωγούς, αέρια και ηλεκτρολύτες, η θερμική εξάρτηση της αντίστασης είναι πιο περίπλοκη από ό,τι για τα καθαρά μέταλλα. Χρησιμοποιούνται κράματα με πολύ χαμηλό TCS, όπως η μαγγανίνη και η σταθερτάνη ηλεκτρικά όργανα μέτρησης.