Coeficient de rezistență la temperatură

Rezistența electrică a unui conductor depinde de obicei de materialul conductorului, de lungimea și secțiunea transversală a acestuia sau, mai pe scurt, de rezistența și de dimensiunile geometrice ale conductorului. Această dependență este bine cunoscută și este exprimată prin formula:

Cunoscut de toți și Legea lui Ohm pentru o secțiune omogenă a unui circuit electric, din care se poate observa că cu cât rezistența este mai mare, cu atât curentul este mai mic. Astfel, dacă rezistența firului este constantă, atunci pe măsură ce tensiunea aplicată crește, curentul ar trebui să crească liniar. Dar în realitate nu este cazul. Rezistența firelor nu este constantă.

Nu trebuie să mergi departe pentru exemple. Dacă conectați un bec la o sursă de alimentare reglabilă (cu un voltmetru și un ampermetru) și creșteți treptat tensiunea pe acesta, aducând-o la valoarea nominală, veți vedea cu ușurință că curentul nu crește liniar: tensiunea se apropie de valoarea nominală a lămpii, curentul prin bobina acesteia crește din ce în ce mai lent, iar lumina devine din ce în ce mai strălucitoare.

Nu există așa ceva ca dublarea tensiunii aplicate bobinei să dubleze curentul. Legea lui Ohm nu pare să fie valabilă. De fapt, legea lui Ohm este îndeplinită și exact rezistența filamentului lămpii nu este constantă, depinde de temperatură.

Să ne amintim care este motivul conductivității electrice ridicate a metalelor. Este asociat cu prezența în metale a unui număr mare de purtători de sarcină - componente curente - electroni de conducere… Aceștia sunt electroni formați din electronii de valență ai atomilor de metal, care sunt comuni întregului conductor, nu aparțin fiecărui atom individual.

Sub acțiunea unui câmp electric aplicat conductorului, electronii de conducție liberă trec de la mișcare haotică la mișcare mai mult sau mai puțin ordonată - se formează un curent electric. Însă electronii întâlnesc obstacole în drumul lor, neomogenități ale rețelei ionice, cum ar fi defecte ale rețelei, o structură neomogenă cauzată de vibrațiile sale termice.

Electronii interacționează cu ionii, își pierd impuls, energia lor este transferată ionilor de rețea, transformată în vibrații de ioni rețelei, iar haosul mișcării termice a electronilor înșiși crește, din care conductorul se încălzește atunci când curentul trece prin ea.

În dielectrici, semiconductori, electroliți, gaze, lichide nepolare — motivul rezistenței poate fi diferit, dar legea lui Ohm, evident, nu rămâne permanent liniară.

Astfel, pentru metale, o creștere a temperaturii duce la o creștere și mai mare a vibrațiilor termice ale rețelei cristaline, iar rezistența la mișcarea electronilor de conducere crește.Acest lucru se poate observa din experimentul cu lampa: luminozitatea strălucirii crește, dar curentul crește mai puțin. Aceasta înseamnă că schimbarea temperaturii a afectat rezistența filamentului lămpii.

Ca urmare, devine clar că rezistența fire metalice depinde aproape liniar de temperatură. Și dacă ținem cont că atunci când este încălzit, dimensiunile geometrice ale firului se modifică ușor, atunci și rezistența electrică depinde aproape liniar de temperatură. Aceste dependențe pot fi exprimate prin formulele:

Să fim atenți la șanse. Să presupunem că la 0 ° C rezistența conductorului este R0, apoi la o temperatură t ° C va lua valoarea R (t), iar modificarea relativă a rezistenței va fi egală cu α * t ° C. Acest factor de proporționalitate α se numește coeficient de temperatură al rezistenței... Caracterizează dependența rezistenței electrice a substanței de temperatura sa actuală.

Acest coeficient este numeric egal cu modificarea relativă a rezistenței electrice a unui conductor atunci când temperatura acestuia se modifică cu 1 K (un grad Kelvin, ceea ce este echivalent cu o schimbare de un grad Celsius a temperaturii).

Pentru metale, TCR (coeficientul de temperatură al rezistenței α), deși relativ mic, este întotdeauna mai mare decât zero, deoarece atunci când trece curentul, electronii se ciocnesc mai des cu ionii rețelei cristaline, cu atât temperatura este mai mare, t . cu cât mișcarea lor haotică termică este mai mare și cu atât viteza lor este mai mare.Ciocnind în mișcare haotică cu ionii rețelei, electronii metalului pierd energie, ceea ce vedem ca rezultat - rezistența crește pe măsură ce firul se încălzește. Acest fenomen este utilizat tehnic în termometre de rezistență.

Astfel, coeficientul de temperatură al rezistenței α caracterizează dependența rezistenței electrice a substanței de temperatură și se măsoară în 1 / K — kelvin la puterea de -1. Valoarea cu semnul opus se numește coeficient de temperatură al conductivității.

În ceea ce privește semiconductorii puri, TCS este negativ pentru ei, adică rezistența scade odată cu creșterea temperaturii, acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce temperatura crește, din ce în ce mai mulți electroni trec în zona de conducere, în timp ce concentrația de găuri crește și ea. . Același mecanism este caracteristic dielectricilor lichidi nepolari și solidi.

Lichidele polare își scad brusc rezistența odată cu creșterea temperaturii din cauza scăderii vâscozității și creșterii disocierii. Această proprietate este utilizată pentru a proteja tuburile electronice de efectele distructive ale curenților mari de aprindere.

Pentru aliaje, semiconductori dopați, gaze și electroliți, dependența termică a rezistenței este mai complexă decât pentru metalele pure. Sunt utilizate aliaje cu TCS foarte scăzut, cum ar fi manganina și constantanul instrumente electrice de măsură.