Az ellenállás hőmérsékleti együtthatója

A vezető elektromos ellenállása általában a vezető anyagától, hosszától és keresztmetszetétől, vagy rövidebben az ellenállástól és a vezető geometriai méreteitől függ. Ez a függőség jól ismert, és a következő képlettel fejezhető ki:

Mindenki számára ismert és Ohm törvénye egy elektromos áramkör homogén szakaszára, amiből látható, hogy minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb az áramerősség. Így, ha a vezeték ellenállása állandó, akkor az alkalmazott feszültség növekedésével az áramnak lineárisan kell növekednie. De a valóságban ez nem így van. A vezetékek ellenállása nem állandó.

Nem kell messzire menni a példákért. Ha egy izzót csatlakoztatunk egy állítható tápegységhez (voltmérővel és ampermérővel), és fokozatosan növeljük rajta a feszültséget, ezzel a névleges értékre hozzuk, akkor könnyen láthatjuk, hogy az áram nem lineárisan nő: a feszültség megközelíti a a lámpa névleges értékét, a tekercsén áthaladó áram egyre lassabban növekszik, és a fény egyre világosabb lesz.

Nincs olyan, hogy a tekercsre adott feszültség megkétszerezése megkétszerezi az áramerősséget. Ohm törvénye úgy tűnik, nem állja meg a helyét. Valójában az Ohm törvénye teljesül és pontosan a lámpa izzószálának ellenállása nem állandó, ez a hőmérséklettől függ.

Emlékezzünk vissza, mi az oka a fémek nagy elektromos vezetőképességének. A fémekben nagyszámú töltéshordozó - áramkomponens - jelenlétével függ össze. vezetési elektronok… Ezek a fématomok vegyértékelektronjai által alkotott elektronok, amelyek az egész vezetőre közösek, nem tartoznak minden egyes atomhoz.

A vezetőre ható elektromos tér hatására a szabad vezetési elektronok kaotikusból többé-kevésbé rendezett mozgásba mennek – elektromos áram keletkezik. De az elektronok útjuk során akadályokba ütköznek, az ionrács inhomogenitásaiba, például rácshibákra, a termikus rezgések által okozott inhomogén szerkezetre.

Az elektronok kölcsönhatásba lépnek az ionokkal, veszítenek lendületükből, energiájuk a rácsionokba kerül, rácsion-rezgésekké alakul át, és maguknak az elektronoknak a hőmozgásának káosza nő, amelyből a vezető felmelegszik, amikor az áram áthalad rajta.

Dielektrikumok, félvezetők, elektrolitok, gázok, nem poláris folyadékok esetében az ellenállás oka eltérő lehet, de Ohm törvénye nyilvánvalóan nem marad állandóan lineáris.

Így a fémeknél a hőmérséklet emelkedése a kristályrács hőrezgéseinek még nagyobb növekedéséhez vezet, és megnő a vezetési elektronok mozgásával szembeni ellenállás.Ez látható a lámpával végzett kísérletből: az izzás fényereje nő, de az áramerősség kevésbé. Ez azt jelenti, hogy a hőmérséklet változása befolyásolta a lámpa izzószálának ellenállását.

Ennek eredményeként világossá válik, hogy az ellenállás fémhuzalok szinte lineárisan függ a hőmérséklettől. És ha figyelembe vesszük, hogy melegítéskor a vezeték geometriai méretei kissé megváltoznak, akkor az elektromos ellenállás is szinte lineárisan függ a hőmérséklettől. Ezek a függőségek a következő képletekkel fejezhetők ki:

Figyeljünk az esélyekre. Tegyük fel, hogy 0 ° C-on a vezető ellenállása R0, majd t ° C hőmérsékleten az R (t) értéket veszi fel, és az ellenállás relatív változása α * t ° C lesz. Ez az arányossági tényező Az α-t hőmérsékleti ellenállási együtthatónak nevezzük... Az anyag elektromos ellenállásának az aktuális hőmérsékletétől való függését jellemzi.

Ez az együttható számszerűen megegyezik a vezető elektromos ellenállásának relatív változásával, ha hőmérséklete 1 K-val változik (egy Kelvin-fok, ami egy Celsius-fok hőmérsékletváltozásnak felel meg).

Fémeknél a TCR (α hőmérsékleti ellenállási együttható), bár viszonylag kicsi, mindig nagyobb, mint nulla, mivel az áram áthaladásakor az elektronok gyakrabban ütköznek a kristályrács ionjaival, minél magasabb a hőmérséklet, t .is minél nagyobb a termikus kaotikus mozgásuk és annál nagyobb a sebességük.A rácsionokkal kaotikus mozgásban ütközve a fém elektronjai energiát veszítenek, amit ennek eredményeként látunk - az ellenállás növekszik, ahogy a huzal felmelegszik. Ezt a jelenséget technikailag használják ellenállás hőmérők.

Így az α ellenállás hőmérsékleti együtthatója az anyag elektromos ellenállásának a hőmérséklettől való függését jellemzi, és 1 / K - kelvinben mérik -1 hatványig. Az ellenkező előjelű értéket a vezetőképesség hőmérsékleti együtthatójának nevezzük.

Ami a tiszta félvezetőket illeti, a TCS náluk negatív, vagyis a hőmérséklet emelkedésével csökken az ellenállás, ennek az az oka, hogy a hőmérséklet emelkedésével egyre több elektron jut át ​​a vezetési zónába, miközben a lyukak koncentrációja is nő. . Ugyanez a mechanizmus jellemző a folyékony nempoláris és szilárd dielektrikumokra.

A poláris folyadékok a hőmérséklet emelkedésével a viszkozitás csökkenése és a disszociáció növekedése miatt élesen csökkentik ellenállásukat. Ezt a tulajdonságot arra használják, hogy megvédjék az elektroncsöveket a nagy bekapcsolási áramok pusztító hatásaitól.

Az ötvözetek, adalékolt félvezetők, gázok és elektrolitok esetében az ellenállás hőfüggősége összetettebb, mint a tiszta fémek esetében. Nagyon alacsony TCS-vel rendelkező ötvözetek, mint például a manganin és a konstantán, használatosak elektromos mérőműszerek.