Како отпор зависи од температуре

У својој пракси сваки електричар се сусреће са различитим условима за пролаз носилаца наелектрисања у металима, полупроводницима, гасовима и течностима. На величину струје утиче електрични отпор који се на различите начине мења под утицајем околине.

Један од ових фактора је излагање температури. Пошто значајно мења услове струјног тока, дизајнери га узимају у обзир у производњи електричне опреме. Електрично особље укључено у одржавање и рад електричних инсталација мора компетентно користити ове функције у практичном раду.

Утицај температуре на електрични отпор метала

У школском курсу физике предлаже се да се спроведе такав експеримент: узмите амперметар, батерију, комад жице, спојне жице и бакљу. Уместо амперметра са батеријом, можете повезати омметар или користити његов режим у мултиметру.

Затим морате саставити електрично коло приказано на слици и измерити струју у колу.Његова вредност је на скали милиамперметра означена црном стрелицом.

Сада доводимо пламен горионика до жице и почињемо да га загревамо. Ако погледате амперметар, видећете да ће се игла померити улево и достићи позицију означену црвеном бојом.

Резултат експеримента показује да када се метали загревају, њихова проводљивост опада, а отпор расте.

Математичко оправдање овог феномена дају формуле које се налазе на слици. У доњем изразу се јасно види да је електрични отпор «Р» металног проводника директно пропорционалан његовој температури «Т» и зависи од неколико других параметара.

Како загревање метала ограничава електричну струју у пракси

Лампе са жарном нити

Сваког дана када се упали светла, сусрећемо се са испољавањем ове особине у лампама са жарном нити. Хајде да извршимо једноставна мерења на сијалици од 60 вати.

Најједноставнијим омметром, напајаним нисконапонском батеријом од 4,5 В, меримо отпор између контаката базе и видимо вредност од 59 ома. Ова вредност је у власништву хладне нити.

Зашрафићемо сијалицу у утичницу и спојити на њу преко амперметра напон кућне мреже од 220 волти. Игла амперметра ће очитати 0,273 ампера. Од Омов закон за део кола одредити отпор навоја у загрејаном стању. Биће 896 ома и премашити претходно очитавање омаметра за 15,2 пута.

Овај вишак штити метал светлосног тела од сагоревања и уништења, обезбеђујући његов дуготрајан рад под напоном.

Прелазни процеси при укључивању

Када навој ради, на њему се ствара топлотна равнотежа између загревања електричном струјом која пролази и одвођења дела топлоте у околину. Али у почетној фази укључивања, када се примени напон, јављају се транзијенти, стварајући ударну струју, што може проузроковати изгоревање филамента.

Прелазни процеси се јављају кратко време и узроковани су чињеницом да стопа повећања електричног отпора при загревању метала не иде у корак са повећањем струје. Након њиховог завршетка успоставља се режим рада.

Када лампа сија дуго времена, дебљина њеног филамента постепено достиже критично стање, што доводи до горења.Најчешће се овај тренутак јавља при следећем новом укључивању.

Да би се продужио животни век лампе, ова ударна струја се смањује на различите начине користећи:

1. уређаји који обезбеђују несметано снабдевање и ослобађање напетости;

2. кола за серијско повезивање на филамент отпорника, полупроводника или термистора (термистори).

Пример једног начина да се ограничи ударна струја за аутомобилска расветна тела приказан је на фотографији испод.

Овде се струја доводи до сијалице након што се прекидач СА укључи преко ФУ осигурача и ограничена је отпорником Р, чија је номинална вредност одабрана тако да струја налета током прелазних процеса не прелази номиналну вредност.

Када се филамент загреје, његов отпор се повећава, што доводи до повећања разлике потенцијала између његових контаката и паралелно спојеног намотаја КЛ1 релеја.Када напон достигне вредност подешавања релеја, нормално отворени контакт КЛ1 ће се затворити и заобићи отпорник. Радна струја већ успостављеног режима ће почети да тече кроз сијалицу.

Отпорни термометар

Утицај температуре метала на његов електрични отпор користи се у раду мерних инструмената. Они се зову отпорни термометри.

Њихов осетљиви елемент је направљен од танке металне жице чији се отпор пажљиво мери на одређеним температурама. Овај навој је монтиран у кућиште са стабилним термичким својствима и прекривен заштитним поклопцем. Створена структура се поставља у окружење чија се температура мора стално пратити.

Проводници електричног кола су монтирани на стезаљке осетљивог елемента, који повезују коло за мерење отпора. Његова вредност се претвара у вредности температуре на основу претходно извршене калибрације уређаја.

Бареттер — струјни стабилизатор

Ово је назив уређаја који се састоји од стакленог затвореног цилиндра са водоничним гасом и спирале од металне жице направљене од гвожђа, волфрама или платине. Овај дизајн по изгледу подсећа на сијалицу са жарном нити, али има специфичну нелинеарну струјно-напонску карактеристику.

На И — В карактеристици, у одређеном њеном опсегу, формира се радна зона, која не зависи од флуктуација напона који се примењује на грејни елемент. У овој области, барет добро компензује таласање напајања и ради као стабилизатор струје за оптерећење повезано у серију са њим.

Рад шипке се заснива на својствима топлотне инерције тела филамента, коју обезбеђује мали попречни пресек филамента и висока топлотна проводљивост водоника који га окружује. Стога, када се напон уређаја смањи, уклањање топлоте из његовог филамента се убрзава.

Ово је главна разлика између сијалица са жарном нити од сијалица са жарном нити, где да би одржале светлину сјаја, настоје да смање конвективни губитак топлоте из филамента.

Суперпроводљивост

У нормалним условима околине, када се метални проводник охлади, његов електрични отпор се смањује.

Када се достигне критична температура, близу нула степени према Келвиновом мерном систему, долази до оштрог пада отпора на нулу. Десна слика показује такву зависност од живе.

Овај феномен, назван суперпроводљивост, сматра се перспективном области истраживања у циљу стварања материјала који могу значајно смањити губитак електричне енергије током њеног преноса на велике удаљености.

Међутим, континуиране студије суперпроводљивости откривају бројне обрасце у којима други фактори утичу на електрични отпор метала у области критичне температуре. Конкретно, када наизменична струја прође са повећањем фреквенције њених осцилација, јавља се отпор чија вредност достиже опсег нормалних вредности ​​​за хармонике са периодом светлосних таласа.

Утицај температуре на електрични отпор / проводљивост гасова

Гасови и нормалан ваздух су диелектрици и не проводе електрицитет.За његово формирање потребни су носиоци наелектрисања, а то су јони формирани као резултат спољних фактора.

Загревање може изазвати јонизацију и кретање јона са једног пола средине на други. Ово можете проверити на примеру једноставног експеримента. Узмимо исту опрему која је коришћена за одређивање утицаја загревања на отпор металног проводника, али уместо проводника на проводнике повезујемо две металне плоче раздвојене ваздушним простором.

Амперметар прикључен на коло неће показати струју. Ако се пламен горионика постави између плоча, стрелица уређаја ће одступити од нуле и показати вредност струје која пролази кроз гасни медијум.

Тако је утврђено да се јонизација јавља у гасовима при загревању, што доводи до кретања електрично наелектрисаних честица и смањења отпора медијума.

На вредност струје утиче снага спољашњег примењеног извора напона и разлика потенцијала између његових контаката. Способан је да пробије изолациони слој гасова при високим вредностима. Типична манифестација таквог случаја у природи је природно пражњење муње током грмљавине.

Приближан приказ струјно-напонске карактеристике струјног тока у гасовима је приказан на графикону.

У почетној фази, под утицајем температуре и потенцијалне разлике, приближно линеарно се примећује повећање јонизације и пролазак струје. Крива тада добија хоризонтални правац када повећање напона не доводи до повећања струје.

Трећа фаза разарања настаје када висока енергија примењеног поља убрзава јоне тако да они почињу да се сударају са неутралним молекулима, масовно формирајући од њих нове носиоце наелектрисања. Као резултат, струја се нагло повећава, формирајући слом диелектричног слоја.

Практична употреба проводљивости гаса

Феномен протока струје кроз гасове користи се у радио-електронским лампама и флуоресцентним лампама.

У ту сврху, две електроде се постављају у затворени стаклени цилиндар са инертним гасом:

1. анода;

2. катода.

У флуоресцентној лампи су направљени у облику филамента који се загревају када се укључе и стварају термоионско зрачење. Унутрашња површина боце је обложена слојем фосфора. Емитује видљиви спектар светлости формиран од инфрацрвеног зрачења које емитује живина пара бомбардована струјом електрона.

Струја пражњења настаје када се напон одређене вредности примени између електрода које се налазе на различитим крајевима сијалице.

Када једна од нити прегори, тада ће се пореметити емисија електрона ове електроде и лампа неће прегорети. Међутим, ако повећате разлику потенцијала између катоде и аноде, онда ће се унутар сијалице поново појавити гасно пражњење и луминисценција фосфора ће се наставити.

Ово омогућава употребу ЛЕД сијалица са оштећеним филаментима и продужава њихов радни век. Само треба имати на уму да је истовремено потребно неколико пута повећати напон на њему, а то значајно повећава потрошњу енергије и ризике безбедне употребе.

Утицај температуре на електрични отпор течности

Пролазак струје у течностима настаје углавном услед кретања катјона и ањона под дејством спољашњег електричног поља. Само мали део проводљивости обезбеђују електрони.

Утицај температуре на електрични отпор течног електролита описан је формулом приказаном на слици. Пошто је вредност температурног коефицијента α у њему увек негативна, онда како се загревање повећава, проводљивост расте, а отпор опада, као што је приказано на графикону.

Ову појаву треба узети у обзир приликом пуњења течних аутомобилских (и не само) батерија.

Утицај температуре на електрични отпор полупроводника

Промена својстава полупроводничких материјала под утицајем температуре омогућила је њихову употребу као:

• топлотна отпорност;

• термоелементи;

• фрижидери;

• грејачи.

Термистори

Овај назив означава полупроводничке уређаје који мењају свој електрични отпор под утицајем топлоте. Њихов температурни коефицијент отпора (ТЦР) знатно већи него код метала.

Вредност ТЦР за полупроводнике може бити позитивна или негативна. По овом параметру деле се на позитивне «РТС» и негативне «НТЦ» термисторе. Имају различите карактеристике.

За рад термистора бира се једна од тачака његове струјно-напонске карактеристике:

• линеарни пресек се користи за контролу температуре или компензацију променљивих струја или напона;

• опадајућа грана И — В карактеристике елемената са ТЦС <0 омогућава употребу полупроводника као релеја.

Употреба релејног термистора је погодна за праћење или мерење процеса електромагнетног зрачења који се дешавају на ултрависоким фреквенцијама. Ово обезбеђује њихову употребу у системима:

1. контрола топлоте;

2. пожарни аларм;

3. регулисање протока расутих медија и течности.

У системима хлађења и стабилизације температуре транзистора користе се силицијумски термистори са малим ТЦР > 0.

Термопарови

Ови полупроводници раде на основу Зебековог феномена: када се загрева лемни спој два дисперзована метала, на споју затвореног кола се јавља ЕМФ. На тај начин претварају топлотну енергију у електричну.

Конструкција од два таква елемента назива се термопар. Његова ефикасност је унутар 7 ÷ 10%.

Термопарови се користе у термометрима за дигиталне рачунарске уређаје који захтевају минијатурну величину и високу тачност очитавања, као и изворе струје мале снаге.

Полупроводнички грејачи и фрижидери

Они раде тако што поново користе термопарове кроз које пролази електрична струја. У овом случају, на једном месту споја се загрева, ау супротном се хлади.

Полупроводничке везе на бази селена, бизмута, антимона, телура омогућавају да се обезбеди температурна разлика у термопару до 60 степени. Ово је омогућило да се направи дизајн фрижидера од полупроводника са температуром у расхладној комори до -16 степени.