Sıcaklık düştükçe metallerin elektriksel direnci artar. İletken direncinin sıcaklığa bağımlılığı

Metallerin direnci, bir iletken içinde hareket eden elektronların kristal kafesin iyonlarıyla etkileşime girmesi ve dolayısıyla elektrik alanında kazandıkları enerjinin bir kısmını kaybetmesinden kaynaklanmaktadır.

Deneyimler, metallerin direncinin sıcaklığa bağlı olduğunu göstermektedir. Her madde kendisi için sabit bir değerle karakterize edilebilir. sıcaklık direnci katsayısı α. Bu katsayı, iletkenin 1 K kadar ısıtıldığında direncindeki bağıl değişime eşittir: α =

burada ρ 0, T 0 = 273 K (0°C) sıcaklıktaki özdirençtir, ρ, belirli bir T sıcaklığındaki özdirençtir. Dolayısıyla, bir metal iletkenin özdirencinin sıcaklığa bağımlılığı ifade edilir doğrusal fonksiyon: ρ = ρ 0 (1+ αT).

Direncin sıcaklığa bağımlılığı aynı fonksiyonla ifade edilir:

R = R 0 (1+ aT).

Saf metallerin sıcaklık direnç katsayıları birbirinden nispeten az farklılık gösterir ve yaklaşık olarak 0,004 K -1'e eşittir. İletkenlerin direncinde sıcaklık değişimiyle meydana gelen değişiklik, akım-gerilim özelliklerinin doğrusal olmamasına yol açar. Bu, özellikle iletkenlerin sıcaklığının önemli ölçüde değiştiği durumlarda, örneğin akkor lamba çalıştırıldığında fark edilir. Şekil volt-amper karakteristiğini göstermektedir. Şekilden de görülebileceği gibi bu durumda akım gücü, voltajla doğru orantılı değildir. Ancak bu sonucun Ohm kanununa aykırı olduğu düşünülmemelidir. Ohm yasasında formüle edilen bağımlılık yalnızca geçerlidir sürekli dirençle. Metal iletkenlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı çeşitli ölçüm ve otomatik cihazlarda kullanılmaktadır. Bunlardan en önemlisi direnç termometresi. Direnç termometresinin ana kısmı seramik bir çerçeve üzerine sarılmış bir platin teldir. Tel, sıcaklığının belirlenmesi gereken bir ortama yerleştirilir. Bu telin direncini ölçerek ve t 0 = 0 °C'deki direncini bilerek (örn. R0), Son formülü kullanarak ortamın sıcaklığını hesaplayın.

Süperiletkenlik. Ancak daha önce XIX sonu V. çok düşük sıcaklıkların olduğu bölgede iletkenlerin direncinin sıcaklığa nasıl bağlı olduğunu kontrol etmek imkansızdı. Sadece 20. yüzyılın başında. Hollandalı bilim adamı G. Kamerlingh Onnes, yoğunlaştırılması en zor gazı - helyumu - sıvı hale dönüştürmeyi başardı. Sıvı helyumun kaynama noktası 4,2 K'dir. Bu, bazı saf metallerin çok düşük bir sıcaklığa soğutulduklarında direncini ölçmeyi mümkün kıldı.

1911'de Kamerlingh Onnes'in çalışmaları büyük bir keşifle sonuçlandı. Sürekli soğutulan cıvanın direncini inceleyerek 4,12 K sıcaklıkta cıvanın direncinin aniden sıfıra düştüğünü keşfetti. Daha sonra, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulduklarında aynı fenomeni diğer bazı metallerde de gözlemleyebildi. Belirli bir sıcaklıkta bir metalin elektriksel direncinin tamamen kaybolması olgusuna süperiletkenlik denir.

Tüm malzemeler süperiletken olamaz ancak sayıları oldukça fazladır. Ancak birçoğunun kullanımlarını önemli ölçüde engelleyen bir özelliğe sahip olduğu tespit edildi. Çoğu saf metal için süperiletkenliğin, güçlü bir manyetik alan içindeyken ortadan kaybolduğu ortaya çıktı. Bu nedenle, bir süperiletkenden önemli bir akım geçtiğinde, kendi etrafında bir manyetik alan oluşturur ve içindeki süperiletkenlik kaybolur. Bununla birlikte, bu engelin aşılabilir olduğu ortaya çıktı: niyobyum ve zirkonyum, niyobyum ve titanyum vb. gibi bazı alaşımların süperiletkenliklerini belli bir sıcaklıkta koruma özelliğine sahip olduğu bulundu. büyük değerler mevcut güç. Bu, süperiletkenliğin daha yaygın kullanımına izin verdi.

İletkenin sıcaklığı arttıkça serbest elektronlar ile atomlar arasındaki çarpışma sayısı artar. Sonuç olarak, elektronların ortalama yön hareketi hızı azalır, bu da iletkenin direncindeki bir artışa karşılık gelir.

Öte yandan sıcaklık arttıkça iletkenin birim hacmi başına düşen serbest elektron ve iyon sayısı artar, bu da iletkenin direncinin azalmasına yol açar.

Bir veya başka bir faktörün baskınlığına bağlı olarak, sıcaklık arttıkça direnç ya artar (metaller) ya da azalır (kömür, elektrolitler) ya da neredeyse değişmeden kalır (metal alaşımları, örneğin mangain).

Sıcaklıktaki küçük değişikliklerle (0-100°C), direncin sıcaklık katsayısı a olarak adlandırılan, 1°C ısınmaya karşılık gelen dirençteki nispi artış çoğu metal için sabit kalır.

Sıcaklıklardaki direnci belirledikten sonra, sıcaklık şundan şuna arttıkça dirençteki göreceli artış için bir ifade yazabiliriz:

Değerler sıcaklık katsayısı için direnç çeşitli malzemeler tabloda verilmektedir. 2-2.

İfadeden (2-18) şu sonuç çıkıyor:

Ortaya çıkan formül (2-20), telin (sargının) sıcaklığının, verilen veya bilinen değerlerde direncini ölçerek belirlenmesini mümkün kılar.

Örnek 2-3. Hat uzunluğu 400 m ve kesiti ise hava hattı tellerinin sıcaklıklardaki direncini belirleyin. bakır teller

Hat tellerinin sıcaklıktaki direnci

Elektriksel olarak iletken herhangi bir malzemenin özelliklerinden biri, direncin sıcaklığa bağlı olmasıdır. Yatay eksende zaman aralıklarının (t) ve dikey eksende ohmik direnç değerinin (R) işaretlendiği bir grafik şeklinde gösterirseniz, kesikli bir çizgi elde edersiniz. Direncin sıcaklığa bağımlılığı şematik olarak üç bölümden oluşur. Birincisi hafif ısınmaya karşılık gelir; bu sırada direnç çok az değişir. Bu, belirli bir noktaya kadar olur, ardından grafikteki çizgi keskin bir şekilde yukarı çıkar - bu ikinci bölümdür. Üçüncü ve son bileşen, R'nin büyümesinin durduğu noktadan yatay eksene nispeten küçük bir açıyla yukarı doğru uzanan düz bir çizgidir.

Bu grafiğin fiziksel anlamı şu şekildedir: Direncin iletkenin sıcaklığına bağımlılığı, ısıtma değeri özel olarak bazı değer karakteristiklerini aşıncaya kadar basit olarak tanımlanır. bu malzemenin. Soyut bir örnek verelim: +10°C sıcaklıkta bir maddenin direnci 10 Ohm ise, o zaman 40°C'ye kadar R'nin değeri pratikte değişmeyecek ve ölçüm hatası dahilinde kalacaktır. Ancak zaten 41°C'de dirençte 70 Ohm'a bir sıçrama olacaktır. Sıcaklıktaki daha fazla artış durmazsa, sonraki her derece için ek 5 Ohm olacaktır.

Bu özellik, çeşitli elektrikli cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır, bu nedenle bakırın en yaygın malzemelerden biri olduğu konusunda veri sağlamak doğaldır. Bu nedenle, bir bakır iletken için, her ilave derece için ısıtma, dirençte yüzde yarım oranında bir artışa yol açar. spesifik değer (20°C, 1 m uzunluk ve 1 mm2 kesit için verilen referans tablolarında bulunabilir).

Bir metal iletkende meydana geldiğinde, bir elektrik akımı ortaya çıkar - temel parçacıkların bir yük ile yönlendirilmiş hareketi. Metal düğümlerde bulunan iyonlar, elektronları dış yörüngelerinde uzun süre tutamazlar, bu nedenle malzemenin tüm hacmi boyunca bir düğümden diğerine serbestçe hareket ederler. Bu kaotik harekete dış enerji - ısı neden olur.

Hareketin gerçeği açık olmasına rağmen yönlü değildir ve bu nedenle bir akım olarak kabul edilmez. Bir elektrik alanı ortaya çıktığında, elektronlar konfigürasyonuna göre yönlendirilerek yönlendirilmiş bir hareket oluşturur. Ancak termal etki hiçbir yerde kaybolmadığından, düzensiz hareket eden parçacıklar yönlendirilmiş alanlarla çarpışır. Metal direncinin sıcaklığa bağımlılığı, akımın geçişine müdahale miktarını gösterir. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa iletkenin R değeri de o kadar yüksek olur.

Açık sonuç: Isıtma derecesini azaltarak direnci azaltabilirsiniz. (yaklaşık 20°K) tam olarak maddenin yapısındaki parçacıkların termal kaotik hareketinde önemli bir azalma ile karakterize edilir.

İletken malzemelerin bu özelliği elektrik mühendisliğinde geniş uygulama alanı bulmuştur. Örneğin iletken direncinin sıcaklığa bağlılığı elektronik sensörlerde kullanılır. Herhangi bir malzeme için değerini bilerek bir termistör yapabilir, onu dijital veya analog bir okuma cihazına bağlayabilir, uygun ölçek kalibrasyonunu gerçekleştirebilir ve alternatif olarak kullanabilirsiniz. Çoğu modern sıcaklık sensörü tam olarak bu prensibe dayanmaktadır, çünkü güvenilirlik daha yüksektir ve tasarım daha basittir.

Ayrıca direncin sıcaklığa bağlı olması, elektrik motoru sargılarının ısınmasının hesaplanmasını mümkün kılar.

Direnç denilen fiziksel niceliğin ne olduğunu hatırlayın.

Bir metal iletkenin direnci neye ve nasıl bağlıdır?

Farklı maddelerin farklı dirençleri vardır (bkz. § 101). Direnç iletkenin durumuna bağlı mıdır? sıcaklığına göre mi? Tecrübe bunun cevabını vermeli.

Aküden akımı çelik bir spiralden geçirirseniz ve ardından brülör alevinde ısıtmaya başlarsanız, ampermetre akım şiddetinde bir azalma gösterecektir. Bu, sıcaklık değiştikçe iletkenin direncinin değiştiği anlamına gelir.

0 °C sıcaklıkta iletkenin direnci R 0'a eşitse ve t sıcaklığında R'ye eşitse, deneyimlerin gösterdiği gibi dirençteki nispi değişiklik, sıcaklıktaki değişiklikle doğru orantılıdır. T:

Orantılılık katsayısı α'ya direncin sıcaklık katsayısı denir.

Bir maddenin direncinin sıcaklığa bağımlılığını karakterize eder.

Tüm metal iletkenler için katsayı α >

Bir iletken ısıtıldığında geometrik boyutları biraz değişir. Bir iletkenin direnci esas olarak direncindeki değişiklik nedeniyle değişir. Değerleri formülde (16.1) değiştirirseniz, bu direncin sıcaklığa bağımlılığını bulabilirsiniz. Hesaplamalar aşağıdaki sonuca yol açar:

ρ = ρ 0 (1 + αt) veya ρ = ρ 0 (1 + αΔТ), (16.2)

burada ΔT mutlak sıcaklıktaki değişimdir.

Dirençteki artış, sıcaklık arttıkça kristal kafesin düğümlerindeki iyonların titreşim genliğinin artması, dolayısıyla serbest elektronların onlarla daha sık çarpışması ve dolayısıyla hareket yönünü kaybetmesiyle açıklanabilir. A katsayısı oldukça küçük olmasına rağmen, ısıtma cihazlarının parametrelerini hesaplarken direncin sıcaklığa bağımlılığını dikkate almak kesinlikle gereklidir. Böylece, bir akkor lambanın tungsten filamanının direnci, ısınma nedeniyle içinden akım geçtiğinde 10 kattan fazla artar.

Bazı alaşımlar için, örneğin bir bakır ve nikel alaşımı (Konstantin), direnç sıcaklık katsayısı çok küçüktür: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantin'in direnci yüksektir: ρ ≈ 10 -6 Ohm m Bu tür alaşımlar, standart dirençlerin ve ölçüm cihazları için ek dirençlerin üretiminde kullanılır, yani. direncin sıcaklık dalgalanmalarıyla gözle görülür şekilde değişmemesinin gerekli olduğu durumlarda.

Sıcaklık katsayısı önemli ölçüde daha yüksek olan nikel, kalay, platin vb. gibi metaller de vardır: α ≈ 10 -3 K -1. Dirençlerinin sıcaklığa bağımlılığı, sıcaklığın kendisini ölçmek için kullanılabilir. dirençli termometreler.

Yarı iletken malzemelerden yapılmış cihazlar aynı zamanda direncin sıcaklığa bağımlılığına da dayanmaktadır - termistörler. Büyük bir sıcaklık direnç katsayısı (metallerinkinden onlarca kat daha yüksek) ve zaman içindeki özelliklerin stabilitesi ile karakterize edilirler. Termistör değerleri, metal dirençli termometrelerden önemli ölçüde daha yüksektir; tipik olarak 1, 2, 5, 10, 15 ve 30 kΩ.

>>Fizik: İletken direncinin sıcaklığa bağlılığı

Farklı maddelerin farklı dirençleri vardır (bkz. § 104). Direnç iletkenin durumuna bağlı mıdır? sıcaklığına göre mi? Tecrübe bunun cevabını vermeli.
Aküden akımı çelik bir bobinden geçirirseniz ve ardından brülör alevinde ısıtmaya başlarsanız ampermetre akımda bir azalma gösterecektir. Bu, sıcaklık değiştikçe iletkenin direncinin değiştiği anlamına gelir.
0°C'ye eşit bir sıcaklıkta iletkenin direnci şuna eşittir: R0 ve sıcaklıkta T eşit R o zaman dirençteki göreceli değişim, deneyimin gösterdiği gibi, sıcaklıktaki değişimle doğru orantılıdır T:

Orantılılık faktörü α isminde sıcaklık direnci katsayısı. Bir maddenin direncinin sıcaklığa bağımlılığını karakterize eder. Direnç sıcaklık katsayısı, 1 K ısıtıldığında iletkenin direncindeki bağıl değişime sayısal olarak eşittir. Tüm metal iletkenler için katsayı α > 0 ve sıcaklığa göre biraz değişir. Sıcaklık değişim aralığı küçükse, sıcaklık katsayısının sabit ve bu sıcaklık aralığındaki ortalama değerine eşit olduğu düşünülebilir. Saf metaller için α ≈ 1/273K-1 . sen Elektrolit çözeltilerinde direnç sıcaklık arttıkça artmaz, azalır. Onlar için α a ≈ -0,02 K-1 .
Bir iletken ısıtıldığında geometrik boyutları biraz değişir. Bir iletkenin direnci esas olarak direncindeki değişikliklere bağlı olarak değişir. Formül (16.1)'deki değerleri değiştirirseniz, bu direncin sıcaklığa bağımlılığını bulabilirsiniz.

. Hesaplamalar aşağıdaki sonuca yol açar:

Çünkü α İletkenin sıcaklığı değiştiğinde çok az değişiklik gösterirse, iletkenin direncinin doğrusal olarak sıcaklığa bağlı olduğunu varsayabiliriz ( Şekil 16.2).

Dirençteki artış, sıcaklık arttıkça kristal kafesin düğümlerindeki iyonların titreşim genliğinin artması, dolayısıyla serbest elektronların onlarla daha sık çarpışması ve dolayısıyla hareket yönünü kaybetmesiyle açıklanabilir. Her ne kadar katsayı α Isıtma cihazlarının hesaplanmasında direncin sıcaklığa bağımlılığı dikkate alındığında oldukça küçüktür. Böylece, akkor lambanın tungsten filamanının direnci, içinden akım geçtiğinde 10 kattan fazla artar.
Bakır-nikel alaşımı (konstantan) gibi bazı alaşımlar çok küçük bir sıcaklık direnç katsayısına sahiptir: α ≈ 10-5K-1; Köstencenin direnci yüksektir: ρ ≈ 10 -6 Ohm m.Bu tür alaşımlar, standart dirençlerin ve ölçüm cihazlarına ek dirençlerin imalatında kullanılır, yani. direncin sıcaklık dalgalanmalarıyla gözle görülür şekilde değişmemesinin gerekli olduğu durumlarda.
Metal direncinin sıcaklığa bağımlılığı dirençli termometreler. Tipik olarak, böyle bir termometrenin ana çalışma elemanı, direncinin sıcaklığa bağımlılığı iyi bilinen platin teldir. Sıcaklık değişiklikleri, ölçülebilen tel direncindeki değişikliklerle değerlendirilir.
Bu tür termometreler çok düşük ve çok düşük ölçüm yapmanızı sağlar yüksek sıcaklıklar Geleneksel sıvı termometreleri uygun olmadığında.
Metallerin direnci sıcaklık arttıkça doğrusal olarak artar. Elektrolit çözeltileri için sıcaklık arttıkça azalır.

???
1. Ne zaman ampulçok fazla güç tüketiyor: ağa taktıktan hemen sonra mı yoksa birkaç dakika sonra mı?
2. Elektrikli soba spiralinin direnci sıcaklıkla değişmediyse, nominal güçteki uzunluğu daha fazla mı yoksa daha mı az olmalıdır?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizik 10. sınıf

Bu derse ilişkin düzeltmeleriniz veya önerileriniz varsa,

Her elektrikçi pratik faaliyetlerinde karşılaştığı farklı koşullar yük taşıyıcılarının metallerde, yarı iletkenlerde, gazlarda ve sıvılarda geçişi. Akımın büyüklüğü, çevrenin etkisi altında çeşitli şekillerde değişen elektrik direncinden etkilenir.

Bu faktörlerden biri sıcaklığa maruz kalmadır. Akımın akış koşullarını önemli ölçüde değiştirdiği için elektrikli ekipmanların üretiminde tasarımcılar tarafından dikkate alınmaktadır. Elektrik tesisatlarının bakımı ve işletiminde görev alan elektrik personelinin bu özellikleri pratik çalışmalarda yetkin bir şekilde kullanması gerekir.

Sıcaklığın metallerin elektriksel direnci üzerindeki etkisi

Bir okul fizik dersinde aşağıdaki deneyin yapılması önerilmektedir: bir ampermetre, bir pil, bir parça tel, bağlantı telleri ve bir brülör alın. Pilli bir ampermetre yerine bir ohmmetre bağlayabilir veya modunu bir multimetrede kullanabilirsiniz.

Şimdi brülörün alevini tele getirelim ve ısıtmaya başlayalım. Ampermetreye baktığınızda okun sola doğru ilerleyerek kırmızı ile işaretlenmiş konuma ulaşacağını göreceksiniz.

Deneyin sonucu, metallerin ısıtıldığında iletkenliklerinin azaldığını ve dirençlerinin arttığını göstermektedir.

Bu olgunun matematiksel gerekçesi doğrudan resimdeki formüllerle verilmektedir. Alttaki ifadede, bir metal iletkenin elektrik direncinin “R”, sıcaklığı “T” ile doğru orantılı olduğu ve diğer birçok parametreye bağlı olduğu açıkça görülmektedir.

Metallerin ısıtılması pratikte elektrik akımını nasıl sınırlandırıyor?

Akkor lambalar

Her gün aydınlatmayı açtığımızda akkor lambalarda bu özelliğin tezahürüne rastlıyoruz. 60 watt gücünde bir ampul üzerinde basit ölçümler yapalım.

Düşük voltajlı 4,5 V pil ile çalışan en basit ohmmetreyi kullanarak tabanın kontakları arasındaki direnci ölçüyoruz ve 59 Ohm değerini görüyoruz. Filament soğukken bu değere sahiptir.

Ampulü prize vidalayın ve 220 volt ev ağı voltajını bir ampermetre aracılığıyla ona bağlayın. Ampermetre iğnesi 0,273 amper gösterecektir. İpliğin ısıtılmış durumdaki direncini belirleyelim. 896 Ohm olacak ve önceki ohmmetre okumasını 15,2 kat aşacaktır.

Bu fazlalık, filaman gövdesinin metalini yanma ve tahribattan koruyarak, gerilim altında uzun vadeli performansını garanti eder.

Açılış geçici durumları

Filament çalıştığında, geçen elektrik akımından kaynaklanan ısınma ile ısının bir kısmının dışarıya verilmesi arasında bir termal denge oluşturulur. çevre. Ancak, açmanın ilk aşamasında, voltaj uygulandığında, ani bir akım oluşturan ve filamanın yanmasına neden olabilecek geçici süreçler meydana gelir.

Geçici süreçler meydana gelir kısa zaman ve metalin ısıtılmasından kaynaklanan elektrik direncindeki artış oranının akımdaki artışa ayak uyduramamasından kaynaklanmaktadır. Tamamlandıktan sonra çalışma modu kurulur.

Lambanın uzun süreli ışıldaması sırasında filamanın kalınlığı yavaş yavaş kritik bir duruma ulaşır ve bu da yanmaya neden olur. Çoğu zaman bu an, bir sonraki yeni açılışta meydana gelir.

Lamba ömrünü uzatmak için çeşitli şekillerde aşağıdakileri kullanarak bu ani akımı azaltın:

1. Gerginliğin düzgün bir şekilde sağlanmasını ve serbest bırakılmasını sağlayan cihazlar;

2. şemalar seri bağlantı dirençlerin, yarı iletkenlerin veya termistörlerin (termistörler) filamanına.

Aşağıdaki resimde otomotiv lambaları için ani akımı sınırlamanın bir yolu örneği gösterilmektedir.

Burada akım, SA geçiş anahtarını FU sigortası aracılığıyla açtıktan sonra ampule beslenir ve değeri, geçici işlemler sırasında akım dalgalanmasının nominal değeri aşmayacağı şekilde seçilen bir direnç R ile sınırlandırılır.

Filaman ısındığında direnci artar, bu da kontakları ve KL1 rölesinin paralel bağlı sargısı arasındaki potansiyel farkın artmasına neden olur. Gerilim röle ayar değerine ulaştığında normalde açık olan KL1 kontağı kapanacak ve direnci kapatacaktır. Zaten kurulmuş olan modun çalışma akımı ampulden akmaya başlayacaktır.

Metal sıcaklığının elektriksel direnci üzerindeki etkisi, ölçüm cihazlarının çalışmasında kullanılır. Onlar çağrıldı.

Hassas elemanları, direnci belirli sıcaklıklarda dikkatlice ölçülen ince bir metal telden yapılmıştır. Bu iplik, stabil termal özelliklere sahip bir mahfazaya monte edilir ve koruyucu bir kapakla kaplanır. Oluşturulan yapı, sıcaklığının sürekli izlenmesi gereken bir ortama yerleştirilir.

Elektrik devresinin kabloları, direnç ölçüm devresini bağlayan hassas elemanın terminallerine monte edilir. Değeri, cihazın daha önce yapılan kalibrasyonuna göre sıcaklık değerlerine dönüştürülür.

Baretter - akım dengeleyici

Bu, hidrojen gazı içeren sızdırmaz bir cam silindir ve demir, tungsten veya platinden yapılmış metal tel spiralden oluşan bir cihazın adıdır. Bu tasarım görünüm olarak akkor ampulü andırıyor ancak belirli bir akım-gerilim doğrusal olmayan karakteristiğine sahip.

Akım-gerilim karakteristiğinde belirli bir aralıkta gövdeye uygulanan voltajın dalgalanmalarına bağlı olmayan bir çalışma bölgesi oluşur. Bu bölümde takas, güç dalgalanmalarını iyi bir şekilde telafi eder ve kendisine seri bağlı bir yük üzerinde akım dengeleyici olarak çalışır.

Baretin çalışması, filamanın küçük kesiti ve onu çevreleyen hidrojenin yüksek termal iletkenliği ile sağlanan filaman gövdesinin termal atalet özelliğine dayanmaktadır. Bundan dolayı cihaz üzerindeki voltaj azaldığında filamandan ısının uzaklaştırılması hızlanır.

Bu, ışığın parlaklığını korumak için filamandan konvektif ısı kaybını azaltmaya çalıştıkları baret ve akkor aydınlatma lambaları arasındaki temel farktır.

Süperiletkenlik

Normal çevre koşullarında metal bir iletken soğutulduğunda elektrik direnci azalır.

Kelvin ölçüm sistemine göre sıfır dereceye yakın kritik bir sıcaklığa ulaşıldığında, sıfıra karşı dirençte keskin bir düşüş meydana gelir. Sağdaki resim cıva için böyle bir ilişkiyi göstermektedir.

Süperiletkenlik olarak adlandırılan bu olgu, elektriğin geniş mesafelere iletilmesi sırasında meydana gelen kaybı önemli ölçüde azaltabilecek malzemeler oluşturma hedefiyle umut verici bir araştırma alanı olarak değerlendiriliyor.

Bununla birlikte, devam eden süperiletkenlik çalışmaları, kritik sıcaklık bölgesinde bulunan bir metalin elektrik direncinin diğer faktörlerden etkilendiği durumlarda bir dizi modeli ortaya çıkarmıştır. Özellikle, salınım frekansının artmasıyla alternatif akım geçtiğinde, değeri ışık dalgaları periyoduyla harmonikler için olağan değerler aralığına ulaşan direnç ortaya çıkar.

Sıcaklığın gazların elektriksel direnci/iletkenliği üzerindeki etkisi

Gazlar ve sıradan hava yalıtkandır ve elektriği iletmez. Oluşumu için dış etkenlere maruz kalma sonucu oluşan iyonlar olan yük taşıyıcılara ihtiyaç vardır.

Isıtma, iyonlaşmaya ve iyonların ortamın bir kutbundan diğerine hareket etmesine neden olabilir. Basit bir deney kullanarak bunu doğrulayabilirsiniz. Isıtmanın bir metal iletkenin direnci üzerindeki etkisini belirlemek için kullandığımız ekipmanın aynısını alalım, ancak tel yerine hava boşluğuyla ayrılmış iki metal plakayı tellere bağlayacağız.

Devreye bağlanan bir ampermetre akımın olmadığını gösterecektir. Plakaların arasına brülör alevi konursa cihazın iğnesi sıfır değerinden saparak gazlı ortamdan geçen akım miktarını gösterecektir.

Böylece ısıtıldığında gazlarda iyonlaşmanın meydana geldiği, elektrik yüklü parçacıkların hareketine ve ortamın direncinin azalmasına yol açtığı tespit edildi.

Akım değeri, uygulanan harici voltaj kaynağının gücünden ve kontakları arasındaki potansiyel farktan etkilenir. Yüksek değerlerdeki gazların yalıtım katmanını kırabilme özelliğine sahiptir. Doğada böyle bir durumun tipik bir tezahürü, fırtına sırasında doğal yıldırım deşarjıdır.

Grafikte gazlardaki akım akışının akım-voltaj karakteristiğinin yaklaşık bir görünümü gösterilmektedir.

İlk aşamada, sıcaklık ve potansiyel farkının etkisi altında, yaklaşık olarak doğrusal bir yasaya göre iyonizasyonda ve akım geçişinde bir artış gözlenir. Daha sonra voltajdaki bir artış akımda bir artışa neden olmadığında eğri yatay hale gelir.

Parçalanmanın üçüncü aşaması, uygulanan alanın yüksek enerjisi iyonları, nötr moleküllerle çarpışmaya başlayacak kadar hızlandırdığında ve onlardan büyük miktarda yeni yük taşıyıcıları oluşturduğunda meydana gelir. Sonuç olarak, akım keskin bir şekilde artarak dielektrik tabakanın parçalanmasını oluşturur.

Gaz iletkenliğinin pratik kullanımı

Gazlardan geçen akımın olgusu elektronik tüplerde ve floresan lambalarda kullanılır.

Bunu yapmak için, içinde inert gaz bulunan kapalı bir cam silindirin içine iki elektrot yerleştirilir:

2. katot.

Bir flüoresan lambada, termiyonik emisyon oluşturmak üzere açıldığında ısınan filamanlar şeklinde yapılırlar. İç yüzeyŞişe bir fosfor tabakasıyla kaplanmıştır. Bir elektron akımı tarafından bombardıman edilen cıva buharından yayılan kızılötesi radyasyonun ürettiği görünür ışık spektrumunu yayar.

Gaz deşarj akımı, şişenin farklı uçlarında bulunan elektrotlar arasına belirli büyüklükte bir voltaj uygulandığında meydana gelir.

Filamentlerden biri yandığında bu elektrottaki elektron emisyonu bozulacak ve lamba yanmayacaktır. Ancak katot ile anot arasındaki potansiyel farkını arttırırsanız ampulün içinde tekrar gaz deşarjı meydana gelecek ve fosforun parlaması yeniden başlayacaktır.

Bu, hasarlı filamentlere sahip LED ampulleri kullanmanıza ve ömrünü uzatmanıza olanak tanır. Bu durumda voltajın birkaç kat arttırılması gerektiğini ve bunun güç tüketimini ve güvenli kullanım risklerini önemli ölçüde artırdığını unutmayın.

Sıcaklığın sıvıların elektriksel direnci üzerindeki etkisi

Sıvılarda akımın geçişi, esas olarak, dışarıdan uygulanan bir elektrik alanının etkisi altında katyonların ve anyonların hareketi nedeniyle yaratılır. İletkenliğin yalnızca küçük bir kısmı elektronlar tarafından sağlanır.

Sıcaklığın sıvı elektrolitin elektrik direnci üzerindeki etkisi resimde gösterilen formülle açıklanmaktadır. İçinde sıcaklık katsayısı α'nın değeri her zaman negatif olduğundan, ısıtma arttıkça iletkenlik artar ve grafikte gösterildiği gibi direnç düşer.

Sıvı otomotiv (ve diğer) aküleri şarj ederken bu olgu dikkate alınmalıdır.

Sıcaklığın yarı iletkenlerin elektriksel direnci üzerindeki etkisi

Sıcaklığın etkisi altında yarı iletken malzemelerin özelliklerinde meydana gelen değişiklikler, bunların şu şekilde kullanılmasını mümkün kılmıştır:

termal dirençler;

termoelementler;

buzdolapları;

ısıtıcılar.

Termistörler

Bu isim, ısının etkisi altında elektrik direncini değiştiren yarı iletken cihazları ifade eder. Metallerden önemli ölçüde daha yüksektirler.

Yarı iletkenler için TCR değeri pozitif veya negatif bir değere sahip olabilir. Bu parametreye göre pozitif “RTS” ve negatif “NTC” termistörlere ayrılırlar. Farklı özelliklere sahiptirler.

Termistörü çalıştırmak için akım-gerilim karakteristiğindeki noktalardan birini seçin:

doğrusal bölüm sıcaklığı kontrol etmek veya değişen akımları veya voltajları telafi etmek için kullanılır;

TCS'li elemanlar için akım-gerilim karakteristiğinin azalan dalı

Prosesleri izlerken veya ölçerken röle termistörünün kullanılması uygundur elektromanyetik radyasyon ultra yüksek frekanslarda meydana gelir. Bu onların sistemlerde kullanımını sağladı:

1. ısı kontrolü;

2. yangın alarmı;

3. Toplu ortam ve sıvı akışının düzenlenmesi.

Küçük TCR>0 değerine sahip silikon termistörler, soğutma sistemlerinde ve transistörlerin sıcaklık stabilizasyonunda kullanılır.

Termoelementler

Bu yarı iletkenler Seebeck fenomeni temelinde çalışır: iki farklı metalin lehimlenmiş alanı ısıtıldığında, kapalı devrenin birleşim yerinde bir emf üretilir. Bu şekilde termal enerjiyi elektriğe dönüştürürler.

Bu tür iki elemanın yapısına termokupl denir. Verimliliği %7-10 aralığındadır.

Termoelementler, minyatür boyutlar ve yüksek okuma doğruluğu gerektiren dijital bilgi işlem cihazlarının sıcaklık ölçerlerinde ve ayrıca düşük güçlü akım kaynakları olarak kullanılır.

Yarı iletken ısıtıcılar ve buzdolapları

İçinden elektrik akımı geçen termokuplların kullanımını tersine çevirerek çalışırlar. Bu durumda bağlantının bir yerinde ısıtılır, diğer yerinde ise soğutulur.

Selenyum, bizmut, antimon ve tellür bazlı yarı iletken bağlantılar, termoelementte 60 dereceye kadar sıcaklık farkı sağlamayı mümkün kılar. Bu, soğutma odasındaki sıcaklıkların -16 dereceye kadar düştüğü yarı iletkenlerden yapılmış bir soğutma kabini tasarımı oluşturmayı mümkün kıldı.

Metallerin direnci, bir iletken içinde hareket eden elektronların kristal kafesin iyonlarıyla etkileşime girmesi ve dolayısıyla elektrik alanında kazandıkları enerjinin bir kısmını kaybetmesinden kaynaklanmaktadır.

Deneyimler, metallerin direncinin sıcaklığa bağlı olduğunu göstermektedir. Her madde kendisi için sabit bir değerle karakterize edilebilir. sıcaklık direnci katsayısı α. Bu katsayı, iletkenin 1 K kadar ısıtıldığında direncindeki bağıl değişime eşittir: α =

burada ρ 0, T 0 = 273 K (0°C) sıcaklığındaki özdirençtir, ρ, belirli bir T sıcaklığındaki özdirençtir. Dolayısıyla, bir metal iletkenin özdirencinin sıcaklığa bağımlılığı doğrusal bir fonksiyonla ifade edilir: ρ = ρ 0 (1+ αT).

Direncin sıcaklığa bağımlılığı aynı fonksiyonla ifade edilir:

R = R 0 (1+ aT).

Saf metallerin sıcaklık direnç katsayıları birbirinden nispeten az farklılık gösterir ve yaklaşık olarak 0,004 K -1'e eşittir. İletkenlerin direncinde sıcaklık değişimiyle meydana gelen değişiklik, akım-gerilim özelliklerinin doğrusal olmamasına yol açar. Bu, özellikle iletkenlerin sıcaklığının önemli ölçüde değiştiği durumlarda, örneğin akkor lamba çalıştırıldığında fark edilir. Şekil volt-amper karakteristiğini göstermektedir. Şekilden de görülebileceği gibi bu durumda akım gücü, voltajla doğru orantılı değildir. Ancak bu sonucun Ohm kanununa aykırı olduğu düşünülmemelidir. Ohm yasasında formüle edilen bağımlılık yalnızca geçerlidir sürekli dirençle. Metal iletkenlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı çeşitli ölçüm ve otomatik cihazlarda kullanılmaktadır. Bunlardan en önemlisi direnç termometresi. Direnç termometresinin ana kısmı seramik bir çerçeve üzerine sarılmış bir platin teldir. Tel, sıcaklığının belirlenmesi gereken bir ortama yerleştirilir. Bu telin direncini ölçerek ve t 0 = 0 °C'deki direncini bilerek (örn. R0), Son formülü kullanarak ortamın sıcaklığını hesaplayın.

Süperiletkenlik. Ancak 19. yüzyılın sonuna kadar. çok düşük sıcaklıkların olduğu bölgede iletkenlerin direncinin sıcaklığa nasıl bağlı olduğunu kontrol etmek imkansızdı. Sadece 20. yüzyılın başında. Hollandalı bilim adamı G. Kamerlingh Onnes, yoğunlaştırılması en zor gazı - helyumu - sıvı hale dönüştürmeyi başardı. Sıvı helyumun kaynama noktası 4,2 K'dir. Bu, bazı saf metallerin çok düşük bir sıcaklığa soğutulduklarında direncini ölçmeyi mümkün kıldı.

1911'de Kamerlingh Onnes'in çalışmaları büyük bir keşifle sonuçlandı. Sürekli soğutulan cıvanın direncini inceleyerek 4,12 K sıcaklıkta cıvanın direncinin aniden sıfıra düştüğünü keşfetti. Daha sonra, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklara soğutulduklarında aynı fenomeni diğer bazı metallerde de gözlemleyebildi. Belirli bir sıcaklıkta bir metalin elektriksel direncinin tamamen kaybolması olgusuna süperiletkenlik denir.

Tüm malzemeler süperiletken olamaz ancak sayıları oldukça fazladır. Ancak birçoğunun kullanımlarını önemli ölçüde engelleyen bir özelliğe sahip olduğu tespit edildi. Çoğu saf metal için süperiletkenliğin, güçlü bir manyetik alan içindeyken ortadan kaybolduğu ortaya çıktı. Bu nedenle, bir süperiletkenden önemli bir akım geçtiğinde, kendi etrafında bir manyetik alan oluşturur ve içindeki süperiletkenlik kaybolur. Bununla birlikte, bu engelin aşılabilir olduğu ortaya çıktı: niyobyum ve zirkonyum, niyobyum ve titanyum vb. gibi bazı alaşımların süperiletkenliklerini yüksek akım değerlerinde koruma özelliğine sahip olduğu bulundu. Bu, süperiletkenliğin daha yaygın kullanımına izin verdi.

Her maddenin kendine ait bir direnci vardır. Ayrıca direnç iletkenin sıcaklığına bağlı olacaktır. Aşağıdaki deneyi yaparak bunu doğrulayalım.

Akımı çelik bir spiralden geçirelim. Spiralli bir devrede bir ampermetreyi seri bağlıyoruz. Bir miktar değer gösterecektir. Şimdi spirali alevde ısıtacağız gaz ocağı. Ampermetrenin gösterdiği akım değeri azalacaktır. Yani akım gücü iletkenin sıcaklığına bağlı olacaktır.

Sıcaklığa bağlı olarak direnç değişimi

0 derece sıcaklıkta iletkenin direnci R0'a eşit olsun ve t sıcaklığında direnç R'ye eşit olsun, o zaman dirençteki nispi değişiklik t sıcaklığındaki değişiklikle doğru orantılı olacaktır:

• (R-R0)/R=a*t.

Bu formülde a, sıcaklık katsayısı olarak da adlandırılan orantı katsayısıdır. Bir maddenin sahip olduğu direncin sıcaklığa bağımlılığını karakterize eder.

Sıcaklık direnci katsayısı sayısal olarak iletkenin 1 Kelvin ısıtıldığında direncindeki bağıl değişime eşittir.

Tüm metaller için sıcaklık katsayısı sıfırdan fazla. Sıcaklık değişiklikleriyle biraz değişecektir. Bu nedenle sıcaklık değişimi küçükse sıcaklık katsayısının sabit ve bu sıcaklık aralığındaki ortalama değere eşit olduğu düşünülebilir.

Elektrolit çözeltilerinin direnci sıcaklık arttıkça azalır. Yani onlar için sıcaklık katsayısı şu şekilde olacaktır: sıfırdan az.

İletkenin direnci, iletkenin direncine ve iletkenin boyutuna bağlıdır. İletkenin boyutları ısıtıldığında biraz değiştiği için iletkenin direncindeki değişimin ana bileşeni özdirençtir.

İletken direncinin sıcaklığa bağlılığı

İletkenin direncinin sıcaklığa bağımlılığını bulmaya çalışalım.

Yukarıda elde ettiğimiz formülde R=p*l/S R0=p0*l/S direnç değerlerini yerine koyalım.

Aşağıdaki formülü elde ederiz:

• p=p0(1+a*t).

Bu bağımlılık aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Direncin neden arttığını anlamaya çalışalım

Sıcaklığı arttırdığımızda kristal kafesin düğüm noktalarındaki iyonların titreşimlerinin genliği artar. Bu nedenle serbest elektronlar onlarla daha sık çarpışacaktır. Bir çarpışma durumunda hareketlerinin yönünü kaybederler. Sonuç olarak akım azalacaktır.

§ 46'daki genel hususlara uygun olarak deneyim, bir iletkenin direncinin aynı zamanda sıcaklığına da bağlı olduğunu göstermektedir.

Birkaç metre ince (0,1-0,2 mm çapında) demir teli 1 spiral şeklinde saralım ve bunu bir galvanik hücre pili 2 ve bir ampermetre 3 içeren bir devreye bağlayalım (Şek. 81). Bu telin direncini, oda sıcaklığında ampermetre iğnesinin neredeyse tüm ölçeği saptıracağı şekilde seçiyoruz. Ampermetre okumalarını not ettikten sonra teli bir meşale kullanarak kuvvetlice ısıtıyoruz. Isındıkça devredeki akımın azaldığını, yani telin ısıtıldığında direncinin arttığını göreceğiz. Bu sonuç sadece demirde değil diğer tüm metallerde de ortaya çıkar. Sıcaklık arttıkça metallerin direnci artar. Bazı metaller için bu artış önemlidir: saf metaller için 100°C'ye ısıtıldığında %40-50'ye ulaşır; alaşımlar için genellikle daha azdır. Direncin artan sıcaklıkla neredeyse değişmediği özel alaşımlar vardır; Bunlar örneğin konstantan (Latince constans kelimesinden - sabit) ve manganindir. Köstence bazı ölçüm aletlerinin yapımında kullanılır.

Pirinç. 81. Tel direncinin sıcaklığa bağımlılığını gösteren bir deney. Isıtıldığında telin direnci artar: 1 – tel, 2 – galvanik hücre bataryası, 3 – ampermetre

Aksi halde ısıtıldığında elektrolitlerin direnci değişir. Açıklanan deneyi tekrarlayalım, ancak devreye demir tel yerine bir tür elektrolit ekleyelim (Şekil 82). Elektrolit ısıtıldığında ampermetre okumalarının sürekli arttığını göreceğiz, bu da sıcaklık arttıkça elektrolitlerin direncinin azaldığı anlamına gelir. Kömürün ve diğer bazı malzemelerin de ısıtıldığında direncinin azaldığını unutmayın.

Pirinç. 82. Elektrolit direncinin sıcaklığa bağımlılığını gösteren bir deney. Isıtıldığında elektrolitin direnci azalır: 1 – elektrolit, 2 – galvanik hücre bataryası, 3 – ampermetre

Metallerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı, direnç termometreleri oluşturmak için kullanılır. En basit haliyle, çeşitli sıcaklıklardaki direnci iyi bilinen bir mika plakası üzerine sarılmış ince bir platin teldir (Şekil 83). Sıcaklığını ölçmek istediğiniz gövdenin içine (örneğin bir fırına) direnç termometresi yerleştirilir ve sargının uçları devreye bağlanır. Sargı direnci ölçülerek sıcaklık belirlenebilir. Bu tür termometreler sıklıkla çok yüksek ve çok düşük sıcaklıkları ölçmek için kullanılır; bu durumda cıvalı termometreler artık uygulanamaz.

Pirinç. 83. Direnç termometresi

Bir iletkenin 1°C ısıtıldığında direncindeki artışın başlangıç ​​direncine bölümü, direncin sıcaklık katsayısı olarak adlandırılır ve genellikle harfle gösterilir. Genel olarak konuşursak, direncin sıcaklık katsayısının kendisi sıcaklığa bağlıdır. Değerin bir anlamı vardır; örneğin sıcaklığı 20°C'den 21°C'ye çıkardığımızda, sıcaklığı 200°C'den 201°C'ye çıkardığımızda başka bir anlam. Ancak birçok durumda oldukça geniş bir sıcaklık aralığındaki değişim önemsizdir ve bu aralığın üzerindeki ortalama değer kullanılabilir. Bir iletkenin sıcaklıktaki direnci eşitse ve sıcaklıkta eşitse, ortalama değer

. (48.1)

Genellikle 0°C sıcaklıktaki direnç değer olarak alınır.

Tablo 3. Bazı iletkenlerin ortalama sıcaklık direnç katsayısı (0 ila 100 ° C aralığında)

Tabloda Tablo 3'te bazı iletkenlere ait değerler gösterilmektedir.

48.1. Bir ampulü yaktığınızda ilk anda devrede oluşan akım ile ampul yanmaya başladıktan sonra akan akım farklıdır. Karbon lambalı ve metal filamanlı lambalı bir devrede akım nasıl değişir?

48.2. Tungsten filamanlı kapalı bir akkor ampulün direnci 60 ohm'dur. Tamamen ısıtıldığında ampulün direnci 636 ohm'a çıkar. Sıcak filamanın sıcaklığı nedir? Masayı kullanın. 3.

48.3. Isıtılmamış durumda nikel sargılı bir elektrikli fırının direnci 10 Ohm'dur. Sargısı 700°C'ye ısıtıldığında bu fırının direnci ne olacaktır? Masayı kullanın. 3.