Cum depinde rezistența de temperatură

În practica sa, fiecare electrician întâlnește condiții diferite pentru trecerea purtătorilor de sarcină în metale, semiconductori, gaze și lichide. Mărimea curentului este afectată de rezistența electrică, care se modifică în diferite moduri sub influența mediului.

Unul dintre acești factori este expunerea la temperatură. Deoarece schimbă în mod semnificativ condițiile de curgere a curentului, este luat în considerare de proiectanți în fabricarea echipamentelor electrice. Personalul electric implicat în întreținerea și exploatarea instalațiilor electrice trebuie să utilizeze în mod competent aceste funcții în munca practică.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a metalelor

În cursul școlii de fizică, se propune să se efectueze un astfel de experiment: luați un ampermetru, o baterie, o bucată de sârmă, fire de conectare și o lanternă. În loc de un ampermetru cu baterie, puteți conecta un ohmmetru sau puteți utiliza modul său într-un multimetru.

Apoi, trebuie să asamblați circuitul electric prezentat în imagine și să măsurați curentul din circuit.Valoarea sa este indicată pe scara miliametrului printr-o săgeată neagră.

Acum aducem flacăra arzătorului pe fir și începem să-l încălzim. Dacă te uiți la ampermetru, vei vedea că acul se va deplasa spre stânga și va ajunge în poziția marcată cu roșu.

Rezultatul experimentului arată că atunci când metalele sunt încălzite, conductivitatea lor scade și rezistența lor crește.

Justificarea matematică a acestui fenomen este dată de formulele din imagine. În expresia inferioară se vede clar că rezistența electrică «R» a conductorului metalic este direct proporțională cu temperatura sa «T» și depinde de câțiva alți parametri.

Cum încălzirea metalelor limitează curentul electric în practică

Lămpi cu incandescență

În fiecare zi când luminile sunt aprinse, întâlnim manifestarea acestei proprietăți în lămpi cu incandescență. Să efectuăm măsurători simple pe un bec de 60 de wați.

Cu cel mai simplu ohmmetru, alimentat de o baterie de joasă tensiune de 4,5 V, măsurăm rezistența dintre contactele bazei și vedem valoarea de 59 ohmi. Această valoare este deținută de un fir rece.

Vom înșuruba becul în priză și vom conecta la el prin ampermetru tensiunea rețelei de acasă de 220 de volți. Acul ampermetrului va citi 0,273 amperi. Din Legea lui Ohm pentru o secțiune a unui circuit determinați rezistența firului în stare încălzită. Va fi de 896 ohmi și va depăși citirea anterioară a ohmmetrului de 15,2 ori.

Acest exces protejează metalul corpului luminos de ardere și distrugere, asigurând funcționarea lui pe termen lung sub tensiune.

Tranzitorii de pornire

Când firul funcționează, se creează un echilibru termic pe acesta între încălzirea prin trecerea curentului electric și îndepărtarea unei părți din căldură în mediu. Dar în etapa inițială a pornirii, atunci când se aplică tensiune, apar tranzitorii, creând un curent de pornire, care poate provoca arderea filamentului.

Procesele tranzitorii au loc pentru o perioadă scurtă de timp și sunt cauzate de faptul că rata de creștere a rezistenței electrice la încălzirea metalului nu ține pasul cu creșterea curentului. După finalizarea lor, se stabilește modul de funcționare.

Când lampa strălucește mult timp, grosimea filamentului său atinge treptat o stare critică, ceea ce duce la ardere.De cele mai multe ori, acest moment apare la următoarea pornire nouă.

Pentru a prelungi durata de viață a lămpii, acest curent de pornire este redus în diferite moduri folosind:

1. dispozitive care asigură alimentarea lină și eliberarea tensiunii;

2. circuite pentru conectarea în serie la un filament de rezistențe, semiconductori sau termistori (termistori).

Un exemplu de o modalitate de a limita curentul de pornire pentru corpurile de iluminat auto este prezentat în fotografia de mai jos.

Aici curentul este furnizat becului după ce comutatorul SA este pornit prin siguranța FU și este limitat de rezistența R, a cărei valoare nominală este aleasă astfel încât curentul de aprindere în timpul tranzitorii să nu depășească valoarea nominală.

Când filamentul este încălzit, rezistența acestuia crește, ceea ce duce la o creștere a diferenței de potențial dintre contactele sale și bobina conectată în paralel a releului KL1.Când tensiunea atinge valoarea de setare a releului, contactul normal deschis al KL1 se va închide și ocolește rezistența. Curentul de funcționare al modului deja stabilit va începe să curgă prin bec.

Termometru de rezistență

Efectul temperaturii metalului asupra rezistenței sale electrice este utilizat în operarea instrumentelor de măsură. Ei sunt numiti, cunoscuti termometre de rezistență.

Elementul lor sensibil este realizat cu un fir metalic subțire a cărui rezistență este măsurată cu atenție la anumite temperaturi. Acest filet este montat într-o carcasă cu proprietăți termice stabile și acoperit cu un capac de protecție. Structura creată este plasată într-un mediu a cărui temperatură trebuie monitorizată constant.

Conductorii circuitului electric sunt montați pe bornele elementului sensibil, care conectează circuitul de măsurare a rezistenței. Valoarea sa este convertită în valori de temperatură pe baza calibrării efectuate anterior a dispozitivului.

Barretter — stabilizator de curent

Acesta este numele unui dispozitiv constând dintr-un cilindru sigilat de sticlă cu hidrogen gazos și o spirală de sârmă metalică din fier, wolfram sau platină. Acest design seamănă cu un bec incandescent, dar are o caracteristică specifică neliniară curent-tensiune.

Pe caracteristica I — V, într-un anumit interval al acesteia, se formează o zonă de lucru, care nu depinde de fluctuațiile tensiunii aplicate elementului de încălzire. În această zonă, baretul compensează bine ondulația sursei de alimentare și funcționează ca un stabilizator de curent pentru o sarcină conectată în serie cu aceasta.

Funcționarea barei se bazează pe proprietățile inerției termice a corpului filamentului, care este asigurată de secțiunea transversală mică a filamentului și de conductibilitatea termică ridicată a hidrogenului care îl înconjoară. Prin urmare, atunci când tensiunea dispozitivului scade, îndepărtarea căldurii din filamentul său se accelerează.

Aceasta este principala diferență dintre lămpile cu incandescență și lămpile cu incandescență, unde pentru a menține luminozitatea strălucirii, ele caută să reducă pierderea de căldură convectivă din filament.

Supraconductivitate

În condiții normale de mediu, atunci când un conductor metalic se răcește, rezistența sa electrică scade.

Când se atinge temperatura critică, aproape de zero grade conform sistemului de măsurare Kelvin, are loc o scădere bruscă a rezistenței la zero. Imaginea din dreapta arată o astfel de dependență de mercur.

Acest fenomen, numit supraconductivitate, este considerat un domeniu promițător de cercetare pentru a crea materiale care pot reduce semnificativ pierderile de energie electrică în timpul transmiterii acesteia pe distanțe lungi.

Cu toate acestea, studiile continue ale supraconductivității relevă o serie de modele în care alți factori afectează rezistența electrică a unui metal în regiunea critică de temperatură. În special, atunci când curentul alternativ trece cu o creștere a frecvenței oscilațiilor sale, apare o rezistență, a cărei valoare atinge intervalul de valori normale pentru armonici cu o perioadă de unde luminoase.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice/conductivității gazelor

Gazele și aerul normal sunt dielectrice și nu conduc electricitatea.Formarea sa necesită purtători de sarcină, care sunt ioni formați ca urmare a unor factori externi.

Încălzirea poate provoca ionizarea și mișcarea ionilor de la un pol al mediului la altul. Puteți verifica acest lucru cu exemplul unui experiment simplu. Să luăm același echipament care a fost folosit pentru a determina efectul încălzirii asupra rezistenței unui conductor metalic, dar în loc de conductor, conectăm două plăci metalice separate printr-un spațiu de aer la conductori.

Un ampermetru conectat la circuit nu va indica nici un curent. Dacă flacăra arzătorului este plasată între plăci, săgeata dispozitivului se va abate de la zero și va arăta valoarea curentului care trece prin mediul gazos.

Astfel, s-a constatat că ionizarea are loc în gaze atunci când sunt încălzite, ceea ce duce la mișcarea particulelor încărcate electric și la scăderea rezistenței mediului.

Valoarea curentului este afectată de puterea sursei externe de tensiune aplicată și de diferența de potențial dintre contactele acesteia. Este capabil să străpungă stratul izolator de gaze la valori mari. O manifestare tipică a unui astfel de caz în natură este descărcarea naturală a fulgerelor în timpul unei furtuni.

O vedere aproximativă a caracteristicii curent-tensiune a fluxului de curent în gaze este prezentată în grafic.

În stadiul inițial, sub influența temperaturii și a diferenței de potențial, se observă aproximativ liniar o creștere a ionizării și trecerea curentului. Curba capătă apoi o direcție orizontală atunci când o creștere a tensiunii nu duce la o creștere a curentului.

A treia etapă de distrugere are loc atunci când energia mare a câmpului aplicat accelerează ionii, astfel încât aceștia încep să se ciocnească de molecule neutre, formând masiv din ei noi purtători de sarcină. Ca urmare, curentul crește brusc, formând o defalcare a stratului dielectric.

Utilizarea practică a conductibilității gazului

Fenomenul de curgere a curentului prin gaze este utilizat în lămpile cu radioelectroni și lămpile fluorescente.

În acest scop, doi electrozi sunt plasați într-un cilindru de sticlă etanș cu un gaz inert:

1. anod;

2. catod.

Într-o lampă fluorescentă, acestea sunt realizate sub formă de filamente care se încălzesc atunci când sunt pornite pentru a crea radiații termoionice. Suprafața interioară a balonului este acoperită cu un strat de fosfor. Emite spectrul vizibil de lumină format din radiația infraroșie emisă de vaporii de mercur bombardați de un flux de electroni.

Curentul de descărcare apare atunci când se aplică o tensiune de o anumită valoare între electrozii aflați la diferite capete ale becului.

Când unul dintre filamente se arde, atunci emisia de electroni a acestui electrod va fi perturbată și lampa nu se va arde. Cu toate acestea, dacă creșteți diferența de potențial dintre catod și anod, atunci o descărcare de gaz va apărea din nou în interiorul becului și luminescența fosforului va relua.

Acest lucru permite utilizarea becurilor LED cu filamente deteriorate și prelungirea duratei de viață a acestora. Trebuie reținut doar că, în același timp, este necesară creșterea tensiunii pe acesta de mai multe ori, iar acest lucru crește semnificativ consumul de energie și riscurile de utilizare în siguranță.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a lichidelor

Trecerea curentului în lichide este creată în principal din cauza mișcării cationilor și anionilor sub acțiunea unui câmp electric extern. Doar o mică parte din conductivitate este furnizată de electroni.

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a unui electrolit lichid este descris de formula prezentată în imagine. Deoarece valoarea coeficientului de temperatură α din acesta este întotdeauna negativă, atunci pe măsură ce încălzirea crește, conductivitatea crește și rezistența scade, așa cum se arată în grafic.

Acest fenomen trebuie luat în considerare la încărcarea bateriilor lichide auto (și nu numai).

Efectul temperaturii asupra rezistenței electrice a semiconductorilor

Modificarea proprietăților materialelor semiconductoare sub influența temperaturii a făcut posibilă utilizarea acestora ca:

• rezistenta termica;

• termocupluri;

• frigidere;

• încălzitoare.

Termistori

Acest nume înseamnă dispozitive semiconductoare care își schimbă rezistența electrică sub influența căldurii. A lor coeficient de rezistență la temperatură (TCR) semnificativ mai mare decât cea a metalelor.

Valoarea TCR pentru semiconductori poate fi pozitivă sau negativă. Conform acestui parametru, ele sunt împărțite în termistori „RTS” pozitivi și negativi „NTC”. Au caracteristici diferite.

Pentru funcționarea termistorului, este selectat unul dintre punctele caracteristicii sale curent-tensiune:

• secțiunea liniară este utilizată pentru a controla temperatura sau a compensa curenții sau tensiunile în schimbare;

• ramura descendentă a caracteristicii I — V a elementelor cu TCS <0 permite utilizarea unui semiconductor ca releu.

Utilizarea unui termistor releu este convenabilă pentru monitorizarea sau măsurarea proceselor de radiații electromagnetice care au loc la frecvențe ultraînalte. Acest lucru asigură utilizarea lor în sisteme:

1. controlul căldurii;

2. alarma de incendiu;

3. reglarea debitului de medii în vrac și lichide.

Termistorii de siliciu cu un TCR mic > 0 sunt utilizați în sistemele de răcire și stabilizarea temperaturii tranzistoarelor.

Termocupluri

Acești semiconductori funcționează pe baza fenomenului Seebeck: atunci când îmbinarea de lipit a două metale dispersate este încălzită, apare un EMF la joncțiunea unui circuit închis. În acest fel, ele transformă energia termică în energie electrică.

O construcție a două astfel de elemente se numește termocuplu. Eficiența sa este de 7 ÷ 10%.

Termocuplurile sunt utilizate în termometre pentru dispozitive de calcul digitale care necesită dimensiuni în miniatură și precizie ridicată de citire, precum și surse de curent cu putere redusă.

Incalzitoare si frigidere cu semiconductori

Acestea funcționează prin reutilizarea termocuplurilor prin care trece un curent electric. În acest caz, într-un loc al joncțiunii este încălzit, iar în cel opus, este răcit.

Conexiunile semiconductoare pe bază de seleniu, bismut, antimoniu, teluriu permit asigurarea unei diferențe de temperatură în termocuplu de până la 60 de grade. Acest lucru a făcut posibilă crearea unui design al unui frigider din semiconductori cu o temperatură în camera de răcire de până la -16 grade.