Як залежить опір від температури
У своїй практичній діяльності кожен електрик зустрічається з різними умовами проходження носіїв зарядів в металах, напівпровідниках, газах і рідинах. На величину струму впливає електричний опір, яке по-різному змінюється під впливом навколишнього середовища.
Одним з таких факторів є температурний вплив. Оскільки воно значно змінює умови протікання струму, то враховується конструкторами в виробництві електрообладнання. Електротехнічний персонал, який бере участь в обслуговуванні та експлуатації електроустановок, зобов'язаний грамотно використовувати ці особливості в практичній роботі.
Вплив температури на електричний опір металів
У шкільному курсі фізики пропонується провести такий досвід: взяти амперметр, батарейку, відрізок дроту, з'єднувальні дроти і пальник. Замість амперметра з батарейкою можна підключити омметр або використовувати його режим в мультиметри.
Далі необхідно зібрати електричну схему, показану на зображенні і заміряти величину струму в ланцюзі. Значення одеського форуму показано на шкалі міліамперметра стрілкою чорного кольору.
Тепер піднесемо полум'я пальника до дроту і станемо її нагрівати. Якщо дивитися на амперметр, то буде видно, що стрілка стане переміщатися вліво і досягне положення, зазначеного червоним кольором.
Результат досвіду демонструє, що при нагріванні металів їх провідність зменшується, а опір зростає.
Математичне обгрунтування цього явища наведено формулами прямо на зображенні. У нижньому вираженні добре видно, що електричний опір «R» металевого провідника прямо пропорційно його температурі «Т» і залежить ще від декількох параметрів.
Як нагрів металів обмежує електричний струм на практиці
Щодня при включенні освітлення ми зустрічаємося з проявом цієї властивості у ламп розжарювання. Проведемо нескладні вимірювання на лампочці з потужністю 60 ват.
Найпростішим омметром, що живиться від низьковольтної батарейки 4,5 V, заміряємо опір між контактами цоколя і побачимо значення 59 Ом. Цією величиною володіє нитка розжарення в холодному стані.
Вкрутити лампочку в патрон і через амперметр підключимо до неї напругу домашньої мережі 220 вольт. Стрілка амперметра покаже 0,273 ампера. Згідно із законом Ома для ділянки кола визначимо опір нитки в нагрітому стані. Воно складе 896 Ом і перевищить попереднє показання омметра в 15,2 рази.
Таке перевищення оберігає метал тіла розжарення від перегорання і руйнування, забезпечуючи його тривалу працездатність під напругою.
Перехідні процеси при включенні
При роботі нитки напруження на ній створюється тепловий баланс між нагріванням від проходить електричного струму і відведенням частини тепла в навколишнє середовище. Але, на початковому етапі включення при подачі напруги виникають перехідні процеси, що створюють кидок струму, який може привести до перегорання нитки.
Перехідні процеси протікають за короткий час і викликані тим, що швидкість зростання електричного опору від нагрівання металу не встигає за збільшенням струму. Після їх закінчення встановлюється робочий режим.
Під час тривалого світіння лампи поступово товщина її нитки доходить до критичного стану, яке призводить до перегорання. Найчастіше цей момент виникає при черговому новому включенні.
Для продовження ресурсу лампи різними способами зменшують цей кидок струму, використовуючи:
1. пристрою, що забезпечують плавне подачу і зняття напруги;
2. схеми послідовного підключення до нитки напруження резисторів, напівпровідників або терморезисторов (термісторів).
Приклад одного із способів обмеження пускового струму для автомобільних світильників показаний на зображенні нижче.
Тут струм на лампочку подається після включення тумблера SA через запобіжник FU і обмежується резистором R, у якого номінал підбирається так, щоб кидок струму під час перехідних процесів не перевищував номінальне значення.
При нагріванні нитки напруження її опір зростає, що веде до збільшення різниці потенціалів на її контактах і паралельно підключеного обмотці реле KL1. Коли напруга досягне величини уставки реле, то нормально відкритий контакт KL1 замкнеться і зашунтірует резистор. Через лампочку почне протікати робочий струм вже усталеного режиму.
Вплив температури металу на його електричний опір використовується в роботі вимірювальних приладів. Їх називаю термометрами опору.
Їх чутливий елемент виконують тонким дротиком з металу, опір якої ретельно заміряні при певних температурах. Цю нитку монтують в корпусі зі стабільними термічними властивостями і закривають захисним чохлом. Створена конструкція поміщається в середу, температуру якої необхідно постійно контролювати.
На висновки чутливого елемента монтуються проводи електричної схеми, якими підключається ланцюг виміру опору. Його величина перераховується в значення температури на основі раніше виробленої калібрування приладу.
Бареттер - стабілізатор струму
Так називають прилад, що складається зі скляного герметичного балона з газоподібним воднем і металевої дротяної спіраллю з заліза, вольфраму або платини. Ця конструкція за зовнішнім виглядом нагадує лампочку розжарювання, але вона має специфічну вольт-амперної нелінійної характеристикою.
На ВАХ в певному її діапазоні утворюється робоча зона, яка не залежить від коливань прикладеного на тіло розжарення напруги. На цій ділянці бареттер добре компенсує пульсації харчування і працює як стабілізатор струму на підключеної послідовно до нього навантаженні.
Робота бареттера заснована на властивості теплової інерції тіла розжарення, яка забезпечується маленьким перетином нитки і високу теплопровідність навколишнього її водню. За рахунок цього при зниженні напруги на приладі прискорюється відведення тепла з його нитки.
Це основна відмінність бареттера від освітлювальних ламп розжарювання, в яких для підтримки яскравості світіння прагнуть зменшити конвективні втрати тепла з нитки.
У звичайних умовах середовища при охолодженні металевого провідника відбувається зменшення його електричного опору.
При досягненні критичної температури, близької до нуля градусів за системою вимірювання Кельвіна, відбувається різке падіння опору до нульового значення. На правій зображенні показана така залежність для ртуті.
Це явище, назване надпровідність, вважається перспективною галуззю для досліджень з метою створення матеріалів, здатних значно знизити втрати електроенергії при її передачі на великі відстані.
Однак, що продовжуються вивчення надпровідності виявили ряд закономірностей, коли на електричний опір металу, що знаходиться в області критичних температур, впливають інші чинники. Зокрема, під час проходження змінного струму з підвищенням частоти його коливань виникає опір, величина якого доходить до діапазону нормальних значень у гармонік з періодом світлових хвиль.
Вплив температури на електричний опір / провідність газів
Гази і звичайне повітря є діелектриками і не проводять електричний струм. Для його освіти потрібні носії зарядів, якими виступають іони, які утворюються в результаті впливу зовнішніх факторів.
Нагрівання здатний викликати іонізацію і рух іонів від одного полюса середовища до іншого. Переконатися в цьому можна на прикладі простого досвіду. Візьмемо той же обладнання, яким користувалися для визначення впливу нагріву на опір металевого провідника, тільки замість дроту до проводів підключимо дві металеві пластини, розділені повітряним простором.
Приєднаний до схеми амперметр покаже відсутність струму. Якщо між пластинами помістити полум'я пальника, то стрілка приладу відхилиться від нульового значення і покаже величину проходить через газову середу струму.
Таким чином встановили, що в газах при нагріванні відбувається іонізація, яка веде до руху електрично заряджених частинок і зниження опору середовища.
На значенні струму позначається потужність зовнішнього прикладеного джерела напруги і різниця потенціалів між його контактами. Вона здатна при великих значеннях пробити ізоляційний шар газів. Характерним проявом подібного випадку в природі є природний розряд блискавки під час грози.
Зразковий вид вольт-амперної характеристики протікання струму в газах показаний на графіку.
На початковому етапі під дію температури і різниці потенціалів спостерігається зростання іонізації і проходження струму приблизно за лінійним законом. Потім крива набуває горизонтальний напрямок, коли збільшення напруги бракує зростання струму.
Третій етап пробою настає тоді, коли висока енергія прикладеного поля так розганяє іони, що вони починають соударяющихся з нейтральними молекулами, масово утворюючи з них нові носії зарядів. В результаті струм різко зростає, утворюючи пробою діелектричного шару.
Практичне використання провідності газів
Явище протікання струму через гази використовується в радіоелектронних лампах і люмінесцентних світильниках.
Для цього всередині герметичного скляного балона з інертним газом у своєму розпорядженні два електроди:
У люмінесцентної лампи вони виконані у вигляді ниток напруження, які розігріваються при включенні для створення термоелектронної емісії. Внутрішня поверхня колби покрита шаром люмінофора. Він випромінює видиме нами спектр світла, що утворюється при інфрачервоному опроміненні, що виходить від парів ртуті, бомбардований потоком електронів.
Струм газового розряду виникає при додатку напруги певної величини між електродами, розташованими по різних кінцях колби.
Коли одна з ниток напруження перегорить, то на цьому електроді порушиться електронна емісія і лампа горіти не буде. Однак, якщо збільшити різницю потенціалів між катодом і анодом, то знову виникне газовий розряд усередині колби і свічення люмінофора відновиться.
Це дозволяє використовувати світлодіодні колби з порушеними нитками напруження і продовжувати їх ресурс роботи. Тільки слід враховувати, що при цьому в кілька разів треба підняти на неї напругу, А це значно підвищує споживану потужність і ризики безпечного використання.
Вплив температури на електричний опір рідин
Проходження струму в рідинах створюється в основному за рахунок руху катіонів та аніонів під дією прикладеного ззовні електричного поля. Лише незначну частину провідності забезпечують електрони.
Вплив температури на величину електричного опору рідкого електроліту описується формулою, наведеною на зображенні. Оскільки в ній значення температурного коефіцієнта # 945; завжди негативно, то зі збільшенням нагріву провідність зростає, а опір падає так, як показано на графіку.
Це явище необхідно враховувати при зарядці рідинних автомобільних (і не тільки) акумуляторних батарей.
Вплив температури на електричний опір напівпровідників
Зміна властивостей напівпровідникових матеріалів під впливом температури дозволило використовувати їх в якості:
Таким назвою позначають напівпровідникові прилади, які змінюють своє електричний опір під впливом тепла. Їх температурний коефіцієнт опору (ТКС) значно вище, ніж у металів.
Величина ТКС у напівпровідників може мати позитивне або негативне значення. За цим параметром їх поділяють на позитивні «РТС» і негативні «NTC» термістори. Вони володіють різними характеристиками.
Для роботи терморезистора вибирають одну з точок на його вольт-амперної характеристики:
лінійна ділянка застосовують для контролю температури або компенсації змінюються струмів або напруг;
спадна гілка ВАХ у елементів з ТКС 0 використовують у системах охолодження і стабілізації температури транзисторів.
Ці напівпровідники працюють на основі явища Зеєбека: при нагріванні спаяного місця двох розрізнених металів на стику замкненого кола виникає ЕРС. Таким способом вони перетворюють теплову енергію в електрику.
Конструкцію з двох таких елементів називають термопарою. Її ККД лежить в межах 7 ÷ 10%.
Термоелементи використовують в измерителях температур цифрових обчислювальних пристроїв, що вимагають мініатюрні габарити і високу точність показань, а також в якості малопотужних джерел струму.
Напівпровідникові нагрівачі і холодильники
Вони працюють за рахунок зворотного використання термоелементів, через які пропускають електричний струм. При цьому на одному місці спаю відбувається його нагрівання, а на протилежному - охолодження.
Напівпровідникові спаи на основі селену, вісмуту, сурми, телуру дозволяють забезпечити різницю температур в термоелементі до 60 градусів. Це дозволило створити конструкцію холодильного шафи з напівпровідників з температурою в камері охолодження до -16 градусів.