Hogyan függ az ellenállás a hőmérséklettől

Gyakorlatában minden villanyszerelő különböző feltételekkel találkozik a fémekben, félvezetőkben, gázokban és folyadékokban lévő töltéshordozók áthaladásához. Az áram nagyságát befolyásolja az elektromos ellenállás, amely a környezet hatására többféleképpen változik.

Az egyik ilyen tényező a hőmérsékletnek való kitettség. Mivel jelentősen megváltoztatja az áramáramlás feltételeit, a tervezők figyelembe veszik az elektromos berendezések gyártása során. Az elektromos berendezések karbantartásában és üzemeltetésében részt vevő villamos személyzetnek ezeket a funkciókat hozzáértően kell használnia a gyakorlati munkában.

A hőmérséklet hatása a fémek elektromos ellenállására

Az iskolai fizika tanfolyamon javasolt egy ilyen kísérlet elvégzése: vegyen egy ampermérőt, egy akkumulátort, egy darab vezetéket, összekötő vezetékeket és egy fáklyát. Az akkumulátorral ellátott ampermérő helyett ohmmérőt csatlakoztathat, vagy üzemmódját multiméterben használhatja.

Ezután össze kell szerelnie a képen látható elektromos áramkört, és meg kell mérnie az áramkörben lévő áramot.Értékét a milliaméteres skálán fekete nyíl jelzi.

Most hozzuk az égő lángját a vezetékhez, és elkezdjük melegíteni. Ha ránéz az ampermérőre, látni fogja, hogy a tű balra mozdul el, és eléri a pirossal jelölt pozíciót.

A kísérlet eredménye azt mutatja, hogy a fémek hevítésekor csökken a vezetőképességük és nő az ellenállásuk.

Ennek a jelenségnek a matematikai igazolását a képen látható képletek adják. Az alsó kifejezésben jól látható, hogy a fémvezető "R" elektromos ellenállása egyenesen arányos a "T" hőmérsékletével, és számos más paramétertől függ.

Hogyan korlátozza a fémek hevítése az elektromos áramot a gyakorlatban

Izzólámpák

Minden nap, amikor felkapcsolják a lámpákat, ennek a tulajdonságnak az izzólámpákban való megnyilvánulásával találkozunk. Végezzünk egyszerű méréseket egy 60 wattos izzón.

A legegyszerűbb ohmmérővel, amely 4,5 V-os alacsony feszültségű akkumulátorral működik, megmérjük az ellenállást az alap érintkezői között, és 59 ohmos értéket látunk. Ezt az értéket egy hideg szál birtokolja.

Csavarjuk az izzót a foglalatba, és az ampermérőn keresztül csatlakoztatjuk hozzá az otthoni hálózat 220 voltos feszültségét. Az ampermérő tűje 0,273 ampert fog mutatni. Tól től Ohm törvénye az áramkör egy szakaszára határozza meg a menet ellenállását fűtött állapotban. 896 ohm lesz, és 15,2-szeresével haladja meg a korábbi ohmmérő leolvasást.

Ez a többlet megvédi a világító test fémét az égéstől és a tönkremeneteltől, biztosítva annak hosszú távú feszültség alatti működését.

Bekapcsolási tranziensek

Amikor a menet működik, hőegyensúly jön létre rajta az áthaladó elektromos áram általi fűtés és a hő egy részének a környezetbe történő elvezetése között. De a bekapcsolás kezdeti szakaszában, amikor feszültséget kapcsolunk, tranziensek lépnek fel, amelyek beindulási áramot hoznak létre, ami az izzószál kiégését okozhatja.

A tranziens folyamatok rövid ideig következnek be, és az okozza, hogy a fém melegítésekor az elektromos ellenállás növekedési üteme nem tart lépést az áram növekedésével. Befejezésük után létrejön a működési mód.

Ha a lámpa hosszú ideig világít, az izzószál vastagsága fokozatosan eléri a kritikus állapotot, ami égéshez vezet, ez a pillanat leggyakrabban a következő új bekapcsoláskor következik be.

A lámpa élettartamának meghosszabbítása érdekében ezt a bekapcsolási áramot különböző módokon csökkentik a következőkkel:

1. zökkenőmentes táplálást és feszültségoldást biztosító eszközök;

2. ellenállások, félvezetők vagy termisztorok (termisztorok) izzószálához való soros kapcsolódásra szolgáló áramkörök.

Az alábbi képen látható egy példa az autóipari világítótestek bekapcsolási áramának korlátozására.

Itt az áramot az izzóba táplálják, miután az SA kapcsolót bekapcsolták az FU biztosítékon keresztül, és az R ellenállás korlátozza, amelynek névleges értékét úgy választják meg, hogy a tranziens közbeni bekapcsolási áram ne haladja meg a névleges értéket.

Amikor az izzószál felmelegszik, az ellenállása megnő, ami az érintkezők és a KL1 relé párhuzamosan kapcsolt tekercse közötti potenciálkülönbség növekedéséhez vezet.Amikor a feszültség eléri a relé beállítási értékét, a KL1 alaphelyzetben nyitott érintkezője zár, és megkerüli az ellenállást. A már beállított üzemmód üzemi árama elkezd folyni az izzón.

Ellenállás hőmérő

A fém hőmérsékletének elektromos ellenállására gyakorolt ​​hatását a mérőműszerek működése során használják fel. Felhívták őket ellenállás hőmérők.

Érzékeny elemük vékony fémhuzalból készül, amelynek ellenállását bizonyos hőmérsékleteken gondosan mérik. Ez a menet stabil termikus tulajdonságú házba van szerelve és védőburkolattal van lefedve. A létrehozott szerkezet olyan környezetbe kerül, amelynek hőmérsékletét folyamatosan figyelni kell.

Az elektromos áramkör vezetői az érzékeny elem kapcsaira vannak felszerelve, amelyek összekötik az ellenállásmérő áramkört. Értékét a rendszer a készülék korábban elvégzett kalibrálása alapján hőmérsékleti értékekké alakítja át.

Barretter – áramstabilizátor

Ez egy olyan eszköz neve, amely egy hidrogéngázzal lezárt üvegpalackból és egy vasból, volfrámból vagy platinából készült fémhuzal spiráljából áll. Ez a kialakítás egy izzólámpára hasonlít, de sajátos nemlineáris áram-feszültség karakterisztikával rendelkezik.

Az I — V karakterisztikán annak egy bizonyos tartományában munkazóna alakul ki, amely nem függ a fűtőelemre adott feszültség ingadozásától. Ezen a területen a baret jól kompenzálja az áramellátás hullámzását, és áramstabilizátorként működik a vele sorba kapcsolt terhelésnél.

A hengerfej működése az izzószál test hőtehetetlenségének tulajdonságain alapul, amit a szál kis keresztmetszete és az azt körülvevő hidrogén magas hővezető képessége biztosít. Ezért, amikor az eszköz feszültsége csökken, a hő eltávolítása az izzószálból felgyorsul.

Ez a fő különbség az izzólámpák és az izzólámpák között, ahol az izzás fényerejének megőrzése érdekében igyekeznek csökkenteni az izzószál konvektív hőveszteségét.

Szupravezetés

Normál környezeti körülmények között, amikor egy fémvezető lehűl, az elektromos ellenállása csökken.

A kritikus hőmérséklet elérésekor, a Kelvin-mérőrendszer szerint nulla fok közelében, az ellenállás élesen nullára csökken. A jobb oldali kép a higany ilyen függőségét mutatja.

Ezt a szupravezetésnek nevezett jelenséget ígéretes kutatási területnek tekintik olyan anyagok létrehozása érdekében, amelyek jelentősen csökkenthetik az elektromosság veszteségét a nagy távolságokon történő átvitel során.

A szupravezetés folyamatos tanulmányozása azonban számos olyan mintát tár fel, ahol más tényezők befolyásolják a fém elektromos ellenállását a kritikus hőmérsékleti tartományban. Különösen, ha a váltakozó áram áthalad a rezgési frekvenciájának növekedésével, ellenállás lép fel, amelynek értéke eléri a fényhullámok periódusával rendelkező harmonikusok normálértékeinek tartományát.

A hőmérséklet hatása a gázok elektromos ellenállására / vezetőképességére

A gázok és a normál levegő dielektrikumok, és nem vezetnek elektromosságot.Kialakulásához töltéshordozókra van szükség, amelyek külső tényezők hatására keletkező ionok.

A melegítés ionizációt és az ionok mozgását okozhatja a közeg egyik pólusáról a másikra. Ezt egy egyszerű kísérlet példájával ellenőrizheti. Vegyük ugyanazt a berendezést, amivel a fűtés hatását a fémvezető ellenállására határoztuk meg, de vezető helyett két, légtérrel elválasztott fémlemezt kötünk a vezetőkre.

Az áramkörre csatlakoztatott ampermérő nem mutat áramot. Ha az égő lángját a lemezek közé helyezzük, akkor a készülék nyila eltér a nullától és a gázközegen áthaladó áram értékét mutatja.

Így azt találták, hogy a gázokban hevítéskor ionizáció megy végbe, ami az elektromosan töltött részecskék mozgásához és a közeg ellenállásának csökkenéséhez vezet.

Az áram értékét befolyásolja a külső feszültségforrás teljesítménye és az érintkezők közötti potenciálkülönbség. Nagy értéknél képes áttörni a gázok szigetelő rétegét. Az ilyen esetek tipikus megnyilvánulása a természetben a villámlás természetes kisülése zivatar idején.

A grafikonon hozzávetőlegesen látható a gázok áramának áram-feszültség karakterisztikája.

A kezdeti szakaszban a hőmérséklet és a potenciálkülönbség hatására az ionizáció növekedése és az áram áthaladása megközelítőleg lineárisan figyelhető meg. A görbe ezután vízszintes irányt vesz fel, ha a feszültség növekedése nem vezet az áramerősség növekedéséhez.

A pusztulás harmadik szakasza akkor következik be, amikor az alkalmazott mező nagy energiája felgyorsítja az ionokat, így azok elkezdenek ütközni semleges molekulákkal, és tömegesen képeznek belőlük új töltéshordozókat. Ennek eredményeként az áramerősség meredeken növekszik, és a dielektromos réteg lebomlik.

A gázvezetőképesség gyakorlati alkalmazása

A gázokon átfolyó áram jelenségét rádióelektronlámpákban és fénycsövekben használják.

Ebből a célból két elektródát helyezünk egy zárt üveghengerbe inert gázzal:

1. anód;

2. katód.

A fénycsövekben izzószálak formájában készülnek, amelyek bekapcsoláskor felmelegednek, így termikus sugárzást hoznak létre. A lombik belső felülete foszforréteggel van bevonva. Az elektronáram által bombázott higanygőz által kibocsátott infravörös sugárzás által kibocsátott látható fényspektrumot bocsát ki.

A kisülési áram akkor lép fel, amikor egy bizonyos értékű feszültséget kapcsolunk az izzó különböző végein elhelyezkedő elektródák közé.

Amikor az egyik izzószál kiég, akkor ennek az elektródának az elektronemissziója megzavarodik, és a lámpa nem ég ki. Ha azonban növeli a katód és az anód közötti potenciálkülönbséget, akkor ismét gázkisülés jelenik meg az izzó belsejében, és a foszfor lumineszcencia újraindul.

Ez lehetővé teszi a sérült izzószálú LED-izzók használatát, és meghosszabbítja azok élettartamát. Csak azt kell szem előtt tartani, hogy egyidejűleg többször kell növelni rajta a feszültséget, és ez jelentősen növeli az energiafogyasztást és a biztonságos használat kockázatait.

A hőmérséklet hatása a folyadékok elektromos ellenállására

A folyadékokban az áram áthaladása elsősorban a kationok és anionok külső elektromos mező hatására történő mozgása miatt jön létre. A vezetőképességnek csak egy kis részét adják az elektronok.

A hőmérséklet hatását a folyékony elektrolit elektromos ellenállására a képen látható képlet írja le. Mivel benne az α hőmérsékleti együttható értéke mindig negatív, így a fűtés növekedésével a vezetőképesség nő, az ellenállás pedig csökken, ahogy a grafikonon is látható.

Ezt a jelenséget figyelembe kell venni a folyékony autóakkumulátorok (és nem csak) töltésekor.

A hőmérséklet hatása a félvezetők elektromos ellenállására

A félvezető anyagok tulajdonságainak megváltoztatása a hőmérséklet hatására lehetővé tette, hogy a következőképpen használják őket:

• hőálló;

• hőelemek;

• hűtőszekrények;

• melegítők.

Termisztorok

Ez a név olyan félvezető eszközöket jelent, amelyek hő hatására megváltoztatják elektromos ellenállásukat. Övék hőmérsékleti ellenállási együttható (TCR) lényegesen magasabb, mint a fémeké.

A félvezetők TCR értéke pozitív vagy negatív lehet. E paraméter szerint pozitív «RTS» és negatív «NTC» termisztorokra vannak osztva. Különböző tulajdonságokkal rendelkeznek.

A termisztor működéséhez az áram-feszültség karakterisztika egyik pontját választják ki:

• a lineáris szakasz a hőmérséklet szabályozására vagy a változó áramok vagy feszültségek kompenzálására szolgál;

• a TCS <0-s elemek I — V karakterisztikájának leszálló ága lehetővé teszi a félvezető reléként történő használatát.

A relé termisztor használata kényelmes az ultramagas frekvencián fellépő elektromágneses sugárzási folyamatok figyelésére vagy mérésére. Ez biztosítja ezek használatát a rendszerekben:

1. hőszabályozás;

2. tűzjelző;

3. ömlesztett közegek és folyadékok áramlási sebességének szabályozása.

A kis TCR > 0 szilícium termisztorokat hűtőrendszerekben és tranzisztorok hőmérséklet-stabilizálásában használják.

Hőelemek

Ezek a félvezetők a Seebeck-jelenség alapján működnek: amikor két diszpergált fém forrasztási kötését felmelegítik, egy zárt áramkör találkozásánál EMF lép fel. Ily módon a hőenergiát elektromos energiává alakítják.

Két ilyen elemből álló szerkezetet hőelemnek nevezünk. Hatékonysága 7 ÷ 10% között van.

A hőelemeket olyan digitális számítástechnikai eszközök hőmérőiben használják, amelyek miniatűr méretet és nagy olvasási pontosságot, valamint alacsony fogyasztású áramforrásokat igényelnek.

Félvezető fűtőtestek és hűtők

Működésük során olyan hőelemeket használnak, amelyeken elektromos áram halad át. Ebben az esetben a csomópont egyik helyén fűtjük, a másikon pedig hűtjük.

A szelén, bizmut, antimon, tellúr alapú félvezető csatlakozások lehetővé teszik, hogy a hőelemben akár 60 fokos hőmérséklet-különbséget biztosítsanak. Ez lehetővé tette a félvezetőkből készült hűtőszekrény kialakítását, amelynek hőmérséklete a hűtőkamrában -16 fokig terjed.