Lämpötilavastuskerroin

Johtimen sähkövastus riippuu yleensä johtimen materiaalista, sen pituudesta ja poikkileikkauksesta tai lyhyemmin vastuksesta ja johtimen geometrisista mitoista. Tämä riippuvuus tunnetaan hyvin ja ilmaistaan ​​kaavalla:

Kaikille tuttu ja Ohmin laki sähköpiirin homogeeniselle osalle, josta voidaan nähdä, että mitä suurempi vastus, sitä pienempi virta. Siten, jos johtimen vastus on vakio, virran tulisi kasvaa lineaarisesti, kun käytetty jännite kasvaa. Mutta todellisuudessa näin ei ole. Johtojen resistanssi ei ole vakio.

Esimerkkejä ei tarvitse mennä kauas. Jos kytket hehkulampun säädettävään virtalähteeseen (volttimittarilla ja ampeerimittarilla) ja lisäät sen jännitettä vähitellen nostamalla sen nimellisarvoon, huomaat helposti, että virta ei kasva lineaarisesti: jännite lähestyy lampun nimellisarvosta, sen käämin läpi kulkeva virta kasvaa yhä hitaammin ja valo muuttuu yhä kirkkaammaksi.

Ei ole olemassa sellaista asiaa, että käämiin syötetyn jännitteen kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa virran. Ohmin laki ei näytä pätevän. Itse asiassa Ohmin laki täyttyy ja tarkalleen lampun hehkulangan vastus ei ole vakio, se riippuu lämpötilasta.

Muistetaanpa, mikä on syy metallien korkeaan sähkönjohtavuuteen. Se liittyy metallien suureen määrään varauksenkuljettajia - virtakomponentteja - johtavuuselektroneja… Nämä ovat metalliatomien valenssielektronien muodostamia elektroneja, jotka ovat yhteisiä koko johtimelle, ne eivät kuulu jokaiseen yksittäiseen atomiin.

Johtimeen kohdistetun sähkökentän vaikutuksesta vapaat johtumiselektronien siirtyvät kaoottisesta enemmän tai vähemmän järjestettyyn liikkeeseen - muodostuu sähkövirta. Mutta elektronit kohtaavat matkallaan esteitä, ionihilan epähomogeenisuuksia, kuten hilavirheitä, sen lämpövärähtelyjen aiheuttamaa epähomogeenistä rakennetta.

Elektronit ovat vuorovaikutuksessa ionien kanssa, menettävät vauhtia, niiden energia siirtyy hila-ioneihin, muuttuu hila-ionivärähtelyiksi ja itse elektronien lämpöliikkeen kaaos kasvaa, josta johdin lämpenee, kun virta kulkee sen läpi.

Dielektrikoissa, puolijohteissa, elektrolyyteissä, kaasuissa, ei-polaarisissa nesteissä - vastuksen syy voi olla erilainen, mutta Ohmin laki ei tietenkään pysy pysyvästi lineaarisena.

Näin ollen metallien kohdalla lämpötilan nousu johtaa vieläkin suurempaan kidehilan lämpövärähtelyjen lisääntymiseen ja johtavuuselektronien liikkeen vastus kasvaa.Tämä näkyy lampulla tehdystä kokeesta: hehkun kirkkaus kasvaa, mutta virta kasvaa vähemmän. Tämä tarkoittaa, että lämpötilan muutos vaikutti lampun hehkulangan vastukseen.

Tämän seurauksena käy selväksi, että vastus metallilangat riippuu lähes lineaarisesti lämpötilasta. Ja jos otamme huomioon, että kuumennettaessa langan geometriset mitat muuttuvat hieman, sähkövastus riippuu myös melkein lineaarisesti lämpötilasta. Nämä riippuvuudet voidaan ilmaista kaavoilla:

Kiinnitetään huomiota kertoimiin. Oletetaan, että 0 °C:ssa johtimen vastus on R0, sitten lämpötilassa t °C se saa arvon R(t) ja resistanssin suhteellinen muutos on yhtä suuri kuin α * t °C. Tämä suhteellisuuskerroin α:ta kutsutaan lämpötilavastuskertoimeksi... Se kuvaa aineen sähkövastuksen riippuvuutta sen nykyisestä lämpötilasta.

Tämä kerroin on numeerisesti yhtä suuri kuin johtimen sähkövastuksen suhteellinen muutos, kun sen lämpötila muuttuu 1 K (yksi Kelvin-aste, mikä vastaa yhden celsiusasteen lämpötilan muutosta).

Metalleilla TCR (resistanssin lämpötilakerroin α), vaikka se onkin suhteellisen pieni, on aina suurempi kuin nolla, koska virran kulkiessa elektronit törmäävät useammin kidehilan ionien kanssa, mitä korkeampi lämpötila, t.is mitä suurempi niiden lämpökaaoottinen liike ja sitä suurempi niiden nopeus.Törmääessään kaoottisessa liikkeessä hila-ionien kanssa metallin elektronit menettävät energiaa, minkä näemme seurauksena - vastus kasvaa, kun lanka kuumenee. Tätä ilmiötä käytetään teknisesti mm vastuslämpömittarit.

Siten resistanssin lämpötilakerroin α luonnehtii aineen sähkövastuksen riippuvuutta lämpötilasta ja mitataan yksikössä 1 / K - kelvin potenssiin -1. Arvoa, jolla on päinvastainen etumerkki, kutsutaan johtavuuden lämpötilakertoimeksi.

Puhtaiden puolijohteiden osalta TCS on niille negatiivinen, eli vastus pienenee lämpötilan noustessa, tämä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa yhä enemmän elektroneja siirtyy johtavuusalueelle, samalla kun myös reikien pitoisuus kasvaa . Sama mekanismi on ominaista nestemäisille ei-polaarisille ja kiinteille dielektrikeille.

Polaariset nesteet vähentävät resistanssiaan jyrkästi lämpötilan noustessa viskositeetin laskun ja dissosioitumisen lisääntymisen vuoksi. Tätä ominaisuutta käytetään suojaamaan elektroniputkia suurten syöttövirtojen tuhoisilta vaikutuksilta.

Seosten, seostettujen puolijohteiden, kaasujen ja elektrolyyttien resistanssin lämpöriippuvuus on monimutkaisempi kuin puhtaiden metallien kohdalla. Seoksia, joilla on erittäin alhainen TCS, kuten manganiini ja konstantaani, käytetään sähköiset mittauslaitteet.