Kuinka vastus riippuu lämpötilasta

Harjoituksessaan jokainen sähköasentaja kohtaa erilaisia ​​ehtoja varauksenkuljettajien kulkua varten metalleissa, puolijohteissa, kaasuissa ja nesteissä. Virran suuruuteen vaikuttaa sähkövastus, joka muuttuu eri tavoin ympäristön vaikutuksesta.

Yksi näistä tekijöistä on altistuminen lämpötilalle. Koska se muuttaa merkittävästi virran kulkua, suunnittelijat ottavat sen huomioon sähkölaitteiden valmistuksessa. Sähköasennusten kunnossapitoon ja käyttöön osallistuvan sähköhenkilöstön on osattava käyttää näitä toimintoja käytännön työssä.

Lämpötilan vaikutus metallien sähkövastukseen

Koulun fysiikan kurssilla ehdotetaan tällaisen kokeen suorittamista: ota ampeerimittari, akku, johto, liitosjohdot ja taskulamppu. Akulla varustetun ampeerimittarin sijasta voit liittää ohmimittarin tai käyttää sen tilaa yleismittarissa.

Seuraavaksi sinun on koottava kuvassa näkyvä sähköpiiri ja mitattava virta piirissä.Sen arvo on merkitty milliampeeriasteikolla mustalla nuolella.

Nyt tuomme polttimen liekin langalle ja alamme lämmittää sitä. Jos katsot ampeerimittaria, huomaat, että neula siirtyy vasemmalle ja saavuttaa punaisella merkityn kohdan.

Kokeen tulos osoittaa, että kun metalleja kuumennetaan, niiden johtavuus laskee ja vastus kasvaa.

Tämän ilmiön matemaattinen perustelu on annettu kuvan kaavoilla. Alemmassa lausekkeessa näkyy selvästi, että metallijohtimen sähkövastus «R» on suoraan verrannollinen sen lämpötilaan «T» ja riippuu useista muista parametreista.

Kuinka metallien kuumennus käytännössä rajoittaa sähkövirtaa

Hehkulamput

Joka päivä, kun valot sytytetään, kohtaamme tämän ominaisuuden ilmentymisen hehkulampuissa. Suoritetaan yksinkertaiset mittaukset 60 watin polttimolle.

Yksinkertaisimmalla ohmimittarilla, joka toimii 4,5 V:n pienjänniteakulla, mittaamme alustan koskettimien välisen resistanssin ja näemme arvon 59 ohmia. Tämän arvon omistaa kylmä lanka.

Ruuvaamme lampun pistorasiaan ja yhdistämme siihen ampeerimittarin kautta kotiverkon 220 voltin jännitteen. Ampeerimittarin neula näyttää 0,273 ampeeria. From Ohmin laki piirin osalle määritä langan vastus kuumennetussa tilassa. Se on 896 ohmia ja ylittää edellisen ohmimittarin lukeman 15,2 kertaa.

Tämä ylimäärä suojaa valorungon metallia palamiselta ja tuhoutumiselta varmistaen sen pitkäaikaisen toiminnan jännitteellä.

Käynnistystransientit

Kun lanka toimii, siihen syntyy lämpötasapaino kulkevan sähkövirran aiheuttaman lämmityksen ja osan lämmöstä ympäristöön poistumisen välille. Mutta päällekytkennän alkuvaiheessa, kun jännite kytketään, tapahtuu transientteja, jotka luovat syöttövirran, joka voi aiheuttaa hehkulangan palamisen.

Ohimeneviä prosesseja esiintyy lyhytaikaisesti, ja ne johtuvat siitä, että sähkövastuksen kasvunopeus metallia kuumennettaessa ei pysy virran kasvun tahdissa. Niiden valmistumisen jälkeen toimintatapa määritetään.

Kun lamppu loistaa pitkään, sen hehkulangan paksuus saavuttaa vähitellen kriittisen tilan, mikä johtaa palamiseen, useimmiten tämä hetki tapahtuu seuraavan uuden päällekytkemisen yhteydessä.

Lampun käyttöiän pidentämiseksi tätä syöttövirtaa vähennetään useilla tavoilla käyttämällä:

1. laitteet, jotka tarjoavat tasaisen jännityksen syötön ja purkamisen;

2. Piirit sarjakytkentää varten vastusten, puolijohteiden tai termistorien (termistorien) hehkulankaan.

Alla olevassa kuvassa on esimerkki yhdestä tavasta rajoittaa autovalaisimien syöttövirtaa.

Tässä polttimolle syötetään virtaa sen jälkeen, kun kytkin SA on kytketty päälle FU-sulakkeen kautta, ja sitä rajoittaa vastus R, jonka nimellisarvo valitaan siten, että kytkentävirta transientien aikana ei ylitä nimellisarvoa.

Kun hehkulankaa kuumennetaan, sen vastus kasvaa, mikä johtaa sen koskettimien ja KL1-releen rinnankytketyn kelan välisen potentiaalieron kasvuun.Kun jännite saavuttaa releen asetusarvon, KL1:n normaalisti avoin kosketin sulkeutuu ja ohittaa vastuksen. Jo muodostetun tilan käyttövirta alkaa virrata polttimon läpi.

Resistanssilämpömittari

Mittauslaitteiden toiminnassa hyödynnetään metallin lämpötilan vaikutusta sen sähkövastukseen. Niitä kutsutaan vastuslämpömittarit.

Niiden herkkä elementti on valmistettu ohuesta metallilangasta, jonka vastus mitataan huolellisesti tietyissä lämpötiloissa. Tämä kierre on asennettu koteloon, jolla on vakaat lämpöominaisuudet ja peitetty suojakuorella. Luotu rakenne sijoitetaan ympäristöön, jonka lämpötilaa on seurattava jatkuvasti.

Sähköpiirin johtimet on asennettu herkän elementin napoihin, jotka yhdistävät resistanssimittauspiirin. Sen arvo muunnetaan lämpötila-arvoiksi laitteen aiemmin suoritetun kalibroinnin perusteella.

Barretter - virran stabilointi

Tämä on laitteen nimi, joka koostuu lasisuljetusta sylinteristä, jossa on vetykaasua, ja metallilangan kierteestä, joka on valmistettu raudasta, volframista tai platinasta. Tämä malli muistuttaa ulkonäöltään hehkulamppua, mutta sillä on erityinen epälineaarinen virta-jännite-ominaisuus.

I-V-ominaiskäyrälle, sen tietylle alueelle, muodostuu työvyöhyke, joka ei riipu lämmityselementtiin syötetyn jännitteen vaihteluista. Tällä alueella baretti kompensoi hyvin virtalähteen aaltoilua ja toimii sen kanssa sarjaan kytketyn kuorman virranvakaajana.

Säiliön toiminta perustuu filamentin rungon lämpöinertian ominaisuuksiin, jotka saadaan aikaan hehkulangan pienestä poikkileikkauksesta ja sitä ympäröivän vedyn korkeasta lämmönjohtavuudesta. Siksi, kun laitteen jännite laskee, lämmön poistuminen sen filamentista kiihtyy.

Tämä on tärkein ero hehkulamppujen ja hehkulamppujen välillä, joissa hehkun kirkkauden ylläpitämiseksi ne pyrkivät vähentämään hehkulangan konvektiivista lämpöhäviötä.

Suprajohtavuus

Normaaleissa ympäristöolosuhteissa metallijohtimen jäähtyessä sen sähkövastus pienenee.

Kun kriittinen lämpötila saavutetaan, lähellä nollaa Kelvin-mittausjärjestelmän mukaan, vastus laskee jyrkästi nollaan. Oikeassa kuvassa näkyy tällainen riippuvuus elohopeasta.

Tätä suprajohtavuudeksi kutsuttua ilmiötä pidetään lupaavana tutkimusalueena sellaisten materiaalien luomiseksi, jotka voivat merkittävästi vähentää sähkön menetystä sen siirron aikana pitkiä matkoja.

Suprajohtavuuden jatkuvat tutkimukset paljastavat kuitenkin useita malleja, joissa muut tekijät vaikuttavat metallin sähköiseen resistanssiin kriittisen lämpötilan alueella. Erityisesti, kun vaihtovirta kulkee sen värähtelytaajuuden kasvaessa, syntyy vastus, jonka arvo saavuttaa valoaaltojen jaksolla olevien harmonisten normaaliarvojen alueen.

Lämpötilan vaikutus kaasujen sähkövastukseen/johtavuuteen

Kaasut ja normaali ilma ovat eristeitä eivätkä johda sähköä.Sen muodostuminen vaatii varauksenkuljettajia, jotka ovat ulkoisten tekijöiden seurauksena muodostuneita ioneja.

Kuumentaminen voi aiheuttaa ionisaatiota ja ionien liikkumista väliaineen napasta toiseen. Voit tarkistaa tämän yksinkertaisen kokeen esimerkillä. Otetaan sama laitteisto, jolla määritettiin kuumennuksen vaikutus metallijohtimen resistanssiin, mutta johtimiin kytketään johtimen sijaan kaksi ilmatilalla erotettua metallilevyä.

Piiriin kytketty ampeerimittari ei näytä virtaa. Jos polttimen liekki asetetaan levyjen väliin, laitteen nuoli poikkeaa nollasta ja näyttää kaasuväliaineen läpi kulkevan virran arvon.

Siten havaittiin, että ionisaatiota tapahtuu kaasuissa kuumennettaessa, mikä johtaa sähköisesti varautuneiden hiukkasten liikkumiseen ja väliaineen vastuksen laskuun.

Virran arvoon vaikuttaa ulkoisen jännitelähteen teho ja sen koskettimien välinen potentiaaliero. Se pystyy murtamaan eristävän kaasukerroksen läpi korkeilla arvoilla. Tyypillinen ilmentymä tällaisesta tapauksesta luonnossa on luonnollinen salaman purkautuminen ukkosmyrskyn aikana.

Kaaviossa on esitetty likimääräinen näkymä kaasujen virran virtauksen virta-jännite-ominaispiirteistä.

Alkuvaiheessa lämpötilan ja potentiaalieron vaikutuksesta ionisaation lisääntyminen ja virran kulku havaitaan suunnilleen lineaarisesti. Käyrä saa sitten vaakasuuntaisen suunnan, kun jännitteen nousu ei johda virran kasvuun.

Kolmas tuhoutumisvaihe tapahtuu, kun käytetyn kentän korkea energia kiihdyttää ioneja niin, että ne alkavat törmätä neutraalien molekyylien kanssa muodostaen niistä massiivisesti uusia varauksenkantajia. Tämän seurauksena virta kasvaa jyrkästi muodostaen dielektrisen kerroksen hajoamisen.

Kaasunjohtavuuden käytännöllinen käyttö

Kaasujen läpi kulkevan virran ilmiötä käytetään radioelektronilampuissa ja loistelampuissa.

Tätä tarkoitusta varten kaksi elektrodia asetetaan suljettuun lasisylinteriin inertillä kaasulla:

1. anodi;

2. katodi.

Loistelampussa ne on valmistettu filamenteista, jotka lämpenevät päälle kytkettäessä muodostaen lämpösäteilyä. Pullon sisäpinta on päällystetty fosforikerroksella. Se lähettää näkyvän valon spektrin, joka muodostuu elektronivirran pommittaman elohopeahöyryn lähettämästä infrapunasäteilystä.

Purkausvirta syntyy, kun polttimon eri päissä olevien elektrodien väliin syötetään tietyn arvoinen jännite.

Kun yksi filamenteista palaa, tämän elektrodin elektronisäteily häiriintyy ja lamppu ei pala. Jos kuitenkin lisäät katodin ja anodin välistä potentiaalieroa, polttimon sisälle ilmaantuu jälleen kaasupurkaus ja fosforin luminesenssi jatkuu.

Tämä mahdollistaa vaurioituneiden hehkulamppujen käytön ja pidentää niiden käyttöikää. On vain pidettävä mielessä, että samalla on tarpeen nostaa sen jännitettä useita kertoja, mikä lisää merkittävästi energiankulutusta ja turvallisen käytön riskejä.

Lämpötilan vaikutus nesteiden sähkövastukseen

Virran kulku nesteissä syntyy pääasiassa kationien ja anionien liikkumisesta ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Elektronit tarjoavat vain pienen osan johtavuudesta.

Lämpötilan vaikutusta nestemäisen elektrolyytin sähkövastukseen kuvataan kuvan kaavalla. Koska lämpötilakertoimen α arvo siinä on aina negatiivinen, niin lämpenemisen kasvaessa johtavuus kasvaa ja vastus pienenee, kuten kaaviossa näkyy.

Tämä ilmiö tulee ottaa huomioon ladattaessa nestemäisiä autojen (eikä vain) akkuja.

Lämpötilan vaikutus puolijohteiden sähkövastukseen

Puolijohdemateriaalien ominaisuuksien muuttaminen lämpötilan vaikutuksesta mahdollisti niiden käytön:

• lämmönkestävyys;

• lämpöparit;

• jääkaapit;

• lämmittimet.

Termistorit

Tämä nimi tarkoittaa puolijohdelaitteita, jotka muuttavat sähkövastustaan ​​lämmön vaikutuksesta. Heidän lämpötilavastuskerroin (TCR) huomattavasti korkeampi kuin metallien.

Puolijohteiden TCR-arvo voi olla positiivinen tai negatiivinen. Tämän parametrin mukaan ne jaetaan positiivisiin "RTS" ja negatiivisiin "NTC" termistoreihin. Niillä on erilaisia ​​ominaisuuksia.

Termistorin toimintaa varten valitaan yksi sen virta-jännite-ominaisuuden pisteistä:

• lineaarista poikkileikkausta käytetään säätämään lämpötilaa tai kompensoimaan muuttuvia virtoja tai jännitteitä;

• elementtien, joiden TCS <0, I — V -ominaiskäyrän laskeva haara mahdollistaa puolijohteen käytön releenä.

Reletermistorin käyttö on kätevää ultrakorkeilla taajuuksilla tapahtuvien sähkömagneettisten säteilyprosessien tarkkailuun tai mittaamiseen. Tämä varmistaa niiden käytön järjestelmissä:

1. lämmönsäätö;

2. palohälytys;

3. irtotavaran ja nesteiden virtausnopeuden säätely.

Piitermistoreita, joiden TCR on pieni > 0, käytetään jäähdytysjärjestelmissä ja transistorien lämpötilan stabiloinnissa.

Termoparit

Nämä puolijohteet toimivat Seebeck-ilmiön pohjalta: kun kahden dispergoituneen metallin juotosliitosta kuumennetaan, suljetun piirin risteyksessä syntyy EMF. Tällä tavalla ne muuttavat lämpöenergiaa sähköenergiaksi.

Kahden tällaisen elementin rakennetta kutsutaan termopariksi. Sen hyötysuhde on 7 ÷ 10 %.

Termopareja käytetään digitaalisten tietokonelaitteiden lämpömittareissa, jotka vaativat minikokoa ja suurta lukutarkkuutta sekä pienitehoisia virtalähteitä.

Puolijohdelämmittimet ja jääkaapit

Ne toimivat uudelleen käyttämällä termopareja, joiden läpi sähkövirta kulkee. Tässä tapauksessa risteyksen yhdessä paikassa se lämmitetään ja vastakkaisessa jäähdytetään.

Seleeniin, vismuttiin, antimoniin, telluuriin perustuvat puolijohdeliitokset mahdollistavat lämpöparin lämpötilaeron 60 asteeseen asti. Tämä mahdollisti jääkaapin suunnittelun puolijohteista, joiden lämpötila jäähdytyskammiossa on -16 astetta.