Як залежить від температури. Залежність опору від температури

Залежність опору від температури

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії

Перейти до: навігація, пошук

Опір R однорідного провідника постійного перерізу залежить від властивостей речовини провідника, його довжини та перерізу наступним чином:

Де ρ – питомий опір речовини провідника, L – довжина провідника, а S – площа перерізу. Величина, зворотна питомого опору називається питомою провідністю. Ця величина пов'язана з температурою формулою Нернст-Ейнштейна:

T – температура провідника;

D – коефіцієнт дифузії носіїв заряду;

Z – кількість електричних зарядів носія;

e – елементарний електричний заряд;

C – концентрація носіїв заряду;

Постійна Больцмана.

Отже, опір провідника пов'язаний із температурою наступним співвідношенням:

Опір також може залежати від параметрів S і I, оскільки переріз і довжина провідника також залежать від температури.

2) Ідеальний газ - математична модельгазу, в якій передбачається, що: 1) потенційної енергії взаємодії молекул можна знехтувати в порівнянні з їх кінетичною енергією; 2) сумарний обсяг молекул газу дуже малий; 3) між молекулами не діють сили тяжіння або відштовхування, зіткнення частинок між собою та зі стінками судини абсолютно пружні; 4) час взаємодії між молекулами дуже мало в порівнянні з середнім часом між зіткненнями. У розширеній моделі ідеального газучастинки, з якого він складається, мають форму пружних сфер або еліпсоїдів, що дозволяє враховувати енергію не тільки поступального, а й обертально-коливального руху, а також не лише центральні, а й нецентральні зіткнення частинок.

Тиск газу:

Газ завжди заповнює об'єм, обмежений непроникними йому стінками. Так, наприклад, газовий балон або камера шини практично рівномірно заповнені газом.

Прагнучи розширитися, газ тиск на стінки балона, камери шини або будь-якого іншого тіла, твердого або рідкого, з яким він стикається. Якщо не брати до уваги дії поля тяжіння Землі, яке при звичайних розмірах судин лише мізерно змінює тиск, то при рівновазі тиску газу в посудині нам цілком рівномірним. Це зауваження стосується макросвіту. Якщо ж уявити, що відбувається в мікросвіті молекул, що становлять газ у посудині, то ні про яке рівномірному розподілітиску не може бути й мови. У одних місцях поверхні стінки молекули газу вдаряють у стінки, тоді як інших місцях удари відсутні. Ця картина постійно безладно змінюється. Молекули газу вдаряють об стінки судин, а потім відлітають зі швидкістю майже рівної швидкостімолекули до удару.

Ідеальний газ. Для пояснення властивостей речовини в газоподібному станівикористовується модель ідеального газу. У моделі ідеального газу передбачається наступне: молекули мають зневажливо малий обсяг порівняно з обсягом судини, між молекулами не діють сили тяжіння, при зіткненнях молекул один з одним і зі стінками судини діють сили відштовхування.

Завдання до Квитка №16

1) Робота дорівнює потужність * час = (квадрат напруги) / опір * час

Опір = 220 вольт * 220 вольт * 600 секунд / 66000 джоулів = 440 Ом

1. Змінний струм. Чинне значення сили струму та напруги.

2. Фотоелектричний ефект. Закони фотоефекту. Рівняння Ейнштейна.

3. Визначте швидкість червоного світла =671 нм у склі з показником заломлення 1,64.

Відповіді на Білет №17

Змінний струм - електричний струм, який з часом змінюється за величиною та напрямом або, в окремому випадку, змінюється за величиною, зберігаючи свій напрямок у електричного ланцюганезмінним.

Чинним (ефективним) значенням сили змінного струму називають величину постійного струму, Дія якого здійснить таку ж роботу (тепловий або електродинамічний ефект), що і аналізований змінний струм за час одного періоду. У сучасної літературичастіше використовується математичне визначенняцієї величини – середньоквадратичне значення сили змінного струму.

Інакше кажучи, значення струму, що діє, можна визначити за формулою:

Для гармонійних коливаньструму Аналогічним чином визначаються діючі значення ЕРС та напруги.

Фотоефект, Фотоелектричний ефект - випромінювання електронів речовиною під дією світла (або будь-якого іншого електромагнітного випромінювання). У конденсованих (твердих і рідких) речовин виділяють зовнішній і внутрішній фотоефект.

Закони Столетова для фотоефекту:

Формулювання 1-го закону фотоефекту: Сила фотоструму прямо пропорційна щільності світлового потоку.

Згідно з 2-м законом фотоефекту, максимальна кінетична енергіяелектронів, що вириваються світлом, лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.

3-й закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (або максимальна довжина хвилі λ0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо фотоефект вже не відбувається. Теоретичне поясненняцих законів було дано 1905 року Ейнштейном. Відповідно до нього, електромагнітне випромінювання є потік окремих квантів (фотонів) з енергією hν кожен, де h - постійна Планка. При фотоефект частина падаючого електромагнітного випромінювання від поверхні металу відбивається, а частина проникає всередину поверхневого шару металу і там поглинається. Поглинувши фотон, електрон отримує від нього енергію і, роблячи роботу виходу φ, залишає метал: максимальна кінетична енергія, яку має електрон при вильоті з металу.

Закони зовнішнього фотоефекту

Закон Столетова: за незмінного спектральному складі електромагнітних випромінювань, що падають на фотокатод, фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання):

І максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою.

Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (залежна від хімічної природиречовини та стану поверхні), нижче якої фотоефект неможливий.

Рівняння Ейнштейна (іноді зустрічається назва «Рівняння Ейнштейна - Гільберта») - рівняння гравітаційного поляв загальної теоріївідносності, що зв'язують між собою метрику викривленого простору-часу з властивостями матерії, що його заповнює. Термін використовується і в однині: «рівняння Ейнштейна», оскільки в тензорному записі це одне рівняння, хоча в компонентах є системою рівнянь у приватних похідних.

Виглядають рівняння так:

Де тензор Річчі, що виходить з тензора кривизни простору-часу за допомогою згортки його по парі індексів, R - скалярна кривизна, тобто згорнутий тензор Річчі, метричний тензор,

космологічна постійна, а є тензор енергії-імпульсу матерії, (π - число пі, c - швидкість світла у вакуумі, G - гравітаційна постійна Ньютона).

Завдання до Квитка №17

до = 10 * 10 4 = 10 5 н/м=100000н/м

F=k*дельта L

дельта L = mg/k

відповідь 2 см

1. Рівняння Менделєєва-Клапейрона. Термодинамічна шкала температури. Абсолютний нуль.

2. Електричний струм у металах. Основні положення електронної теоріїметалів.

3.Яку швидкість набуває ракета за 1хв, рухаючись зі стану спокою з прискоренням 60м/с2?

Відповіді на Білет №18

1) Рівняння стану ідеального газу (іноді рівняння Клапейрона або рівняння Менделєєва – Клапейрона) – формула, що встановлює залежність між тиском, молярним об'ємомта абсолютною температурою ідеального газу. Рівняння має вигляд:

P-тиск

Vm- молярний обсяг

R- універсальна газова постійна

T- абсолютна температура, До.

Ця форма запису носить ім'я рівняння (закону) Менделєєва – Клапейрона.

Рівняння, виведене Клапейроном, містило якусь неуніверсальну газову постійну значення якої необхідно було вимірювати для кожного газу:

Менделєєв виявив, що r прямо пропорційна u коефіцієнт пропорційності R він назвав універсальною газовою постійною.

ТЕРМОДИНАМІЧНА ТЕМПЕРАТУРНА шкала (Кельвіна шкала) - абсолютна шкалатемператур, яка залежить від властивостей термометричного речовини (початок відліку - абсолютний нуль температури). Побудова термодинамічної температурної шкали заснована на другому початку термодинаміки і, зокрема, на незалежності ККД Карно циклу від природи робочого тіла. Одиниця термодинамічної температури – кельвін (К) – визначається як 1/273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води.

Абсолютний нуль температури (рідше - абсолютний нультемператури) - мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тілоу Всесвіті. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. У 1954 X Генеральна конференція з мір і ваг встановила термодинамическую температурну шкалу з однією реперною точкою - потрійною точкою води, температура якої прийнята 273,16 К (точно), що відповідає 0,01 ° C, так що за шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає температура −273,15 °C.

Електричний струм - спрямований (упорядкований) рух заряджених частинок. Такими частинками можуть бути: в металах - електрони, в електролітах - іони (катіони та аніони), у газах - іони та електрони, у вакуумі при певних умов- електрони, в напівпровідниках - електрони та дірки (електронно-діркова провідність). Іноді електричним струмом називають також струм зміщення, що виникає внаслідок зміни часу електричного поля.

Електричний струм має такі прояви:

нагрівання провідників (у надпровідниках немає виділення теплоти);

зміна хімічного складупровідників (спостерігається переважно в електролітах);

створення магнітного поля(виявляється у всіх без винятку провідників)

Теорії кислот і основ - сукупність фундаментальних фізико-хімічних уявлень, що описують природу та властивості кислот та основ. Усі вони вводять визначення кислот та основ - двох класів речовин, що реагують між собою. Завдання теорії - передбачення продуктів реакції між кислотою та основою та можливості її протікання, для чого використовуються кількісні характеристики сили кислоти та основи. Відмінності між теоріями лежать у визначеннях кислот і основ, характеристики їхньої сили і, як наслідок - у правилах передбачення продуктів реакції між ними. Всі вони мають свою область застосування, які області частково перетинаються.

Основні положення електронної теорії металів взаємодії надзвичайно поширені у природі та знаходять широке застосуванняу науковій та виробничій практиці. Теоретичні уявленняпро кислоти та основи мають важливе значенняу формуванні всіх концептуальних системхімії та надають різнобічний вплив на розвиток багатьох теоретичних концепцій у всіх основних хімічних дисциплінах. На основі сучасної теоріїкислот та основ розроблено такі розділи хімічних наук, як хімія водних і неводних розчинів електролітів, рН-метрію в неводних середовищах, гомо-і гетерогенний кислотно-основний каталіз, теорія функцій кислотності та багато інших.

Завдання на Білет №18

v=at=60м/с2*60с=3600м/с

Відповідь: 3600м/с

1. Струм у вакуумі. Електронно-променева трубка.

2. Квантова гіпотеза Планка. Квантова природа світла.

3. Жорсткість сталевого дроту дорівнює 10000 Н/м. на скільки подовжиться трос, якщо до нього підвісити вантаж масою 20 кг.

Відповіді на Білет №19

1) Для отримання електричного струму у вакуумі необхідна наявність вільних носіїв. Отримати їх можна за рахунок випромінювання електронів металами - електронної емісії (від латинського emissio - випуск).

Як відомо, при звичайних температурах електрони утримуються всередині металу, незважаючи на те, що вони здійснюють тепловий рух. Отже, поблизу поверхні існують сили, які діють електрони і спрямовані всередину металу. Це сили, що виникають внаслідок тяжіння між електронами та позитивними іонами кристалічних ґрат. В результаті поверхневому шарі металів з'являється електричне поле, а потенціал при переході із зовнішнього простору всередину металу збільшується на деяку величину Dj. Відповідно потенціальна енергіяелектрона зменшується на eDj.

Кінескоп - електронно-променевий прилад, що перетворює електричні сигналиу світлові. Широко застосовується у пристрої телевізорів, до 1990-х років використовувалися телевізори виключно на основі кінескопа. У назві приладу відобразилося слово «кінетика», що пов'язане з фігурами, що рухаються на екрані.

Основні частини:

електронна гармата, призначена для формування електронного променя, кольорових кінескопах і багатопроменевих осцилографічних трубках об'єднуються в електронно-оптичний прожектор;

екран, покритий люмінофором - речовиною, що світиться при попаданні на нього пучка електронів;

система, що відхиляє, керує променем таким чином, що він формує необхідне зображення.

2) Гіпотеза Планка - гіпотеза, висунута 14 грудня 1900 Максом Планком і полягає в тому, що при тепловому випромінюванніенергія випромінюється і поглинається не безперервно, а окремими квантами (порціями). Кожна така порція-квант має енергію Е, пропорційну частоті випромінювання:

де h або коефіцієнт пропорційності, названий згодом Постійна Планка. На основі цієї гіпотези він запропонував теоретичний висновок співвідношення між температурою тіла і випромінюванням, що випускається цим тілом - формулу Планка.

Пізніше гіпотеза Планка була підтверджена експериментально.

Висунення цієї гіпотези вважається моментом народження квантової механіки.

Квантова природа світла елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання (у вузькому значенні - світла). Це безмасова частка, здатна існувати у вакуумі, тільки рухаючись зі швидкістю світла. Електричний зарядфотона також дорівнює нулю. Фотон може бути лише у двох спинових станахз проекцією спина на напрямок руху (спіральністю) ±1. У фізиці фотони позначаються буквою.

Класична електродинаміка описує фотон як електромагнітну хвилю з круговою правою або лівою поляризацією. З погляду класичної квантової механіки, фотону як квантовій частинці властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, він виявляє одночасно властивості частки та хвилі.

Завдання до Квитка №19

F=k*дельта L

дельта L = mg/k

дельта L = 20кг * 10000н / кг / 100000н / м = 2 см

відповідь 2 см

1. Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідністьнапівпровідників з прикладу кремнію.

2. Закони відображення та заломлення світла.

3. Яку роботу здійснює електричне поле з переміщення 5х1018 електронів на ділянці ланцюга з різницею потенціалів 20 В.

Відповіді на Білет №20

Електричний струм у напівпровідниках-матеріал, який за своєю питомою провідністю займає проміжне місце між провідниками та діелектриками та відрізняється від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури та впливу різних видіввипромінювання. Основною властивістю напівпровідника є збільшення електричної провідностііз зростанням температури.

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох електрон-вольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід - до узкозонних. До напівпровідників належать багато хімічні елементи(германій, кремній, селен, телур, миш'як та інші), велика кількістьсплавів та хімічних сполук(Арсенід галію та ін). Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу - напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить майже 30% земної кори.

В своїй практичної діяльностікожен електрик зустрічається з різними умовамипроходження носіїв зарядів у металах, напівпровідниках, газах та рідинах. На величину струму впливає електричний опір, яке по-різному змінюється під впливом навколишнього середовища.

Одним із таких факторів є температурний вплив. Оскільки воно значно змінює умови протікання струму, враховується конструкторами у виробництві електроустаткування. p align="justify"> Електротехнічний персонал, що бере участь в обслуговуванні та експлуатації електроустановок, зобов'язаний грамотно використовувати ці особливості в практичній роботі.

Вплив температури на електричний опір металів

У шкільному курсіФізики пропонується провести такий досвід: взяти амперметр, батарейку, відрізок дроту, сполучні дроти та пальник. Замість амперметра з батарейкою можна підключити омметр або використовувати режим у мультиметрі.

Тепер піднесемо полум'я пальника до дроту і станемо його нагрівати. Якщо дивитися на амперметр, то буде видно, що стрілка переміщатиметься вліво і досягне положення, позначеного червоним кольором.

Результат досвіду демонструє, що з нагріванні металів їх провідність зменшується, а опір зростає.

Математичне обгрунтування цього явища наведено формулами на картинці. У нижньому вираженні добре видно, що електричний опір "R" металевого провідника прямо пропорційно його температурі "Т" і залежить ще від кількох параметрів.

Як нагрівання металів обмежує електричний струм на практиці

Лампи розжарювання

Щодня при включенні освітлення ми зустрічаємося з проявом цієї властивості ламп розжарювання. Проведемо нескладні виміри на лампочці з потужністю 60 Вт.

Найпростішим омметром, що живиться від низьковольтної батареї 4,5 V, виміряємо опір між контактами цоколя і побачимо значення 59 Ом. Цю величину має нитка розжарення в холодному стані.

Вкрутимо лампочку в патрон і через амперметр підключимо до неї напругу домашньої мережі 220 вольт. Стрілка амперметра покаже 0,273 ампера. За визначимо опір нитки у нагрітому стані. Воно становитиме 896 Ом і перевищить попереднє показання омметра у 15,2 раза.

Таке перевищення оберігає метал тіла розжарення від перегорання та руйнування, забезпечуючи його тривалу працездатність під напругою.

Перехідні процеси при включенні

При роботі нитки розжарення на ній створюється тепловий баланс між нагріванням від електричного струму, що проходить, і відведенням частини тепла в навколишнє середовище. Але, насамперед початковому етапівключення під час подачі напруги виникають перехідні процеси, що створюють кидок струму, що може призвести до перегорання нитки.

Перехідні процеси протікають за короткий часі викликані тим, що швидкість зростання електричного опору від нагрівання металу не встигає збільшенням струму. Після закінчення встановлюється робочий режим.

Під час тривалого світіння лампи поступово товщина її нитки сягає критичного стану, що призводить до перегорання. Найчастіше цей момент виникає за чергового нового включення.

Для продовження ресурсу лампи у різний спосібзменшують цей кидок струму, використовуючи:

1. пристрої, що забезпечують плавну подачу та зняття напруги;

2. схеми послідовного підключення до нитки розжарення резисторів, напівпровідників або терморезисторів (термісторів).

Приклад одного зі способів обмеження пускового струму для автомобільних світильників показано на малюнку нижче.

Тут струм на лампочку подається після включення тумблера SA через запобіжник FU і обмежується резистором R, у якого номінал підбирається так, щоб струм струму під час перехідних процесів не перевищував номінальне значення.

При нагріванні нитки розжарювання її опір зростає, що веде до збільшення різниці потенціалів на її контактах і паралельно підключеній обмотці реле KL1. Коли напруга досягне величини уставки реле, нормально відкритий контакт KL1 замкнеться і зашунтує резистор. Через лампочку почне протікати робочий струм режиму, що вже встановився.

Вплив температури металу на його електричний опір використовують у роботі вимірювальних приладів. Їх називають .

Їх чутливий елемент виконують тонким зволіканням з металу, опір якого ретельно виміряно при певних температурах. Цю нитку монтують у корпусі зі стабільними термічними властивостямита закривають захисним чохлом. Створена конструкція міститься у середу, температуру якої необхідно постійно контролювати.

На висновки чутливого елементамонтуються дроти електричної схеми, якими підключається ланцюг виміру опору. Його величина перераховується у значення температури на основі раніше виробленого калібрування приладу.

Бареттер – стабілізатор струму

Так називають прилад, що складається зі скляного герметичного балона з газоподібним воднем та металевою дротяною спіраллю із заліза, вольфраму або платини. Ця конструкція по зовнішньому виглядунагадує лампочку розжарювання, але вона має специфічну вольт-амперну нелінійну характеристику.

На ВАХ у певному її діапазоні утворюється робоча зона, яка залежить від коливань прикладеного на тіло напруження. На цій ділянці бареттер добре компенсує пульсації живлення та працює як стабілізатор струму на підключеному послідовно до нього навантаженні.

Робота бареттера заснована на властивості теплової інерції тіла розжарення, яка забезпечується маленьким перетином нитки та високою теплопровідністюнавколишнього водню. За рахунок цього при зниженні напруги на приладі прискорюється відведення тепла з нитки.

Це основна відмінність бареттера від освітлювальних ламп розжарювання, в яких для підтримки яскравості світіння прагнуть зменшити втрати конвективні тепла з нитки.

Надпровідність

У звичайних умовахсередовища при охолодженні металевого провідника відбувається зменшення електричного опору.

При досягненні критичної температури, близька до нуля градусів за системою вимірювання Кельвіна, відбувається різке падіння опору до нульового значення. На правій картинці показано таку залежність для ртуті.

Це явище, назване надпровідністю, вважається перспективною областюдля досліджень з метою створення матеріалів, здатних значно знизити втрати електроенергії під час її передачі на величезні відстані.

Однак, вивчення надпровідності, що продовжуються, виявили ряд закономірностей, коли на електричний опір металу, що знаходиться в області критичних температур, впливають інші фактори. Зокрема, при проходженні змінного струму з підвищенням частоти його коливань виникає опір, величина якого сягає діапазону звичайних значеньу гармонік із періодом світлових хвиль.

Вплив температури на електричний опір/провідність газів

Гази та звичайне повітря є діелектриками і не проводять електричний струм. Для його утворення потрібні носії зарядів, якими виступають іони, що утворюються внаслідок впливу зовнішніх факторів.

Нагрів здатний викликати іонізацію та рух іонів від одного полюса середовища до іншого. Переконатись у цьому можна на прикладі простого досвіду. Візьмемо те саме обладнання, яким користувалися для визначення впливу нагріву на опір металевого провідника, тільки замість дроту до проводів підключимо дві металеві пластинирозділені повітряним простором.

Під'єднаний до схеми амперметр покаже відсутність струму. Якщо між пластинами помістити полум'я пальника, то стрілка приладу відхилиться від нульового значення і покаже величину проходить через газове середовищеструму.

Таким чином встановили, що в газах при нагріванні відбувається іонізація, що призводить до руху електрично заряджених частинок та зниження опору середовища.

На значенні струму позначається потужність зовнішнього прикладеного джерела напруги та різниця потенціалів між його контактами. Вона здатна при великих значенняхпробити ізоляційний шар газів. Характерним проявом подібного випадку у природі є природний розряд блискавки під час грози.

Зразковий вид вольт-амперної характеристики протікання струму в газах показано на графіку.

На початковому етапі під дію температури та різниці потенціалів спостерігається зростання іонізації та проходження струму приблизно по лінійному закону. Потім крива набуває горизонтального напрямку, коли збільшення напруги не викликає зростання струму.

Третій етап пробою настає тоді, коли висока енергія прикладеного поля так розганяє іони, що вони починають судитися з нейтральними молекулами, масово утворюючи їх нові носії зарядів. В результаті струм різко зростає, утворюючи пробою діелектричного шару.

Практичне використання провідності газів

Явище протікання струму через гази використовується в радіоелектронних лампах та люмінесцентних світильниках.

Для цього всередині герметичного скляного балона з інертним газом мають два електроди:

1. анод;

2. катод.

У люмінесцентної лампивони виконані у вигляді ниток розжарення, які розігріваються при включенні до створення термоелектронної емісії. Внутрішня поверхняколби вкрита шаром люмінофора. Він випромінює видимий нами спектр світла, що утворюється при інфрачервоному опроміненні, що виходить від парів ртуті, що бомбардуються потоком електронів.

Струм газового розряду виникає при додатку напруги певної величини між електродами, розташованими по різним кінцямколби.

Коли одна з ниток розжарення перегорить, то на цьому електроді порушиться електронна емісія і лампа не горітиме. Однак, якщо збільшити різницю потенціалів між катодом та анодом, то знову виникне газовий розрядвсередині колби та свічення люмінофора відновиться.

Це дозволяє використовувати світлодіодні колби з порушеними нитками розжарення та продовжувати їхній ресурс роботи. Тільки слід враховувати, що при цьому в кілька разів треба підняти на ній напругу, а це значно підвищує споживану потужність та ризики безпечного використання.

Вплив температури на електричний опір рідин

Проходження струму в рідинах створюється в основному за рахунок руху катіонів та аніонів під дією прикладеного ззовні електричного поля. Лише незначну частину провідності забезпечують електрони.

Вплив температури на величину електричного опору рідкого електроліту описується формулою, наведеною на зображенні. Оскільки в ній значення температурного коефіцієнта завжди негативно, то зі збільшенням нагріву провідність зростає, а опір падає так, як показано на графіку.

Це явище необхідно враховувати при зарядці автомобільних рідинних (і не тільки) акумуляторних батарей.

Вплив температури на електричний опір напівпровідників

Зміна властивостей напівпровідникових матеріалів під впливом температури дозволило використовувати їх як:

термічних опорів;

термоелементів;

холодильників;

нагрівачів.

Терморезистори

Такою назвою позначають напівпровідникові прилади, що змінюють свій електричний опір під впливом тепла. Їх значно вищі, ніж у металів.

Величина ТКС у напівпровідників може мати позитивне або від'ємне значення. За цим параметром їх поділяють на позитивні РТС і негативні NTC термістори. Вони мають різні характеристики.

Для роботи терморезистора вибирають одну з точок на його вольт-амперній характеристиці:

лінійну ділянку застосовують для контролю температури або компенсації струмів, що змінюються, або напруг;

низхідна гілка ВАХ у елементів із ТКС

Застосування релейного терморезистора зручне при контролі або вимірювання процесів електромагнітних випромінювань, що відбуваються на надвисоких частотах. Це забезпечило їх використання у системах:

1. контролю тепла;

2. пожежної сигналізації;

3. регулювання витрати сипучих середовищ та рідин.

Кремнієві терморезистори з маленьким ТКС>0 використовують у системах охолодження та стабілізації температури транзисторів.

Термоелементи

Ці напівпровідники працюють на основі явища Зеєбека: при нагріванні спаяного місця двох розрізнених металів на стику замкненого ланцюга виникає ЕРС. У такий спосіб вони перетворюють теплову енергіюна електрику.

Конструкцію із двох таких елементів називають термопарою. Її ККД лежить у межах 7÷10%.

Термоелементи використовують у вимірювачах цифрових температур. обчислювальних пристроїв, що вимагають мініатюрні габарити і високу точність показань, а також як малопотужні джерела струму.

Напівпровідникові нагрівачі та холодильники

Вони працюють за рахунок зворотного використаннятермоелементів, якими пропускають електричний струм. У цьому одному місці спаю відбувається його нагрівання, але в протилежному - охолодження.

Напівпровідникові спаї на основі селену, вісмуту, сурми, телуру дозволяють забезпечити різницю температур у термоелементі до 60 градусів. Це дозволило створити конструкцію холодильної шафи із напівпровідників із температурою в камері охолодження до -16 градусів.

Питомий опір, отже, і опір металів, залежить від температури, збільшуючись із її зростанням. Температурна залежність опору провідника пояснюється тим, що

1. зростає інтенсивність розсіювання (кількість зіткнень) носіїв зарядів у разі підвищення температури;
2. змінюється їхня концентрація при нагріванні провідника.

Досвід показує, що при не надто високих і не надто низьких температурахзалежності питомого опоруі опору провідника від температури виражаються формулами:

\(~\rho_t = \rho_0 (1 + \alpha t) ,\) \(~R_t = R_0 (1 + \alpha t) ,\)

де ρ 0 , ρ t - питомі опори речовини провідника відповідно при 0 °З t°C; R 0 , R t - опору провідника при 0 ° С t°С, α - температурний коефіцієнтопору: що вимірюється в СІ в Кельвінах в мінус першого ступеня (К -1). Для металевих провідників ці формули застосовні починаючи з температури 140 і вище.

Температурний коефіцієнтОпір речовини характеризує залежність зміни опору при нагріванні від роду речовини. Він чисельно дорівнює відносній зміні опору (питомого опору) провідника при нагріванні на 1 К.

\(~\mathcal h \alpha \mathcal i = \frac(1 \cdot \Delta \rho)(\rho \Delta T) ,\)

де \(~\mathcal h \alpha \mathcal i\) - середнє значення температурного коефіцієнта опору в інтервалі Δ Τ .

Для всіх металевих провідників α > 0 і слабко змінюється зі зміною температури. У чистих металів α = 1/273 К-1. У металів концентрація вільних носіїв зарядів (електронів) n= const та збільшення ρ відбувається завдяки зростанню інтенсивності розсіювання вільних електронів на іонах кристалічних ґрат.

Для розчинів електролітів α < 0, например, для 10%-ного раствора кухонної солі α = -0,02 К-1. Опір електролітів зі зростанням температури зменшується, оскільки збільшення числа вільних іонів через дисоціацію молекул перевищує зростання розсіювання іонів при зіткненнях з молекулами розчинника.

Формули залежності ρ і Rвід температури для електролітів аналогічні наведеним вище формулам металевих провідників. Слід зазначити, що ця лінійна залежність зберігається лише у невеликому діапазоні зміни температур, у якому α = Const. При великих інтервалах зміни температур залежність опору електролітів від температури стає нелінійною.

Графічно залежності опору металевих провідників та електролітів від температури зображені на рисунках 1, а б.

За дуже низьких температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °С), опір багатьох металів стрибком падає до нуля. Це явище отримало назву надпровідності. Метал перетворюється на надпровідний стан.

Залежність опору металів від температури використовують у термометрах опору. Зазвичай як термометричне тіло такого термометра беруть платиновий дріт, залежність опору якого від температури досить вивчена.

Про зміни температури судять щодо зміни опору дроту, який можна виміряти. Такі термометри дозволяють вимірювати дуже низькі та дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.

Література

Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховування, 2004. – C. 256-257.

>>Фізика: Залежність опору провідника від температури

Різні речовини мають різні питомі опори (див. § 104). Чи залежить опір стану провідника? від його температури? Відповідь має дати досвід.
Якщо пропустити струм від акумулятора через сталеву спіраль, а потім почати нагрівати її в полум'ї пальника, амперметр покаже зменшення сили струму. Це означає, що зі зміною температури опір провідника змінюється.
Якщо при температурі, що дорівнює 0°С, опір провідника дорівнює R 0, а при температурі tвоно одно R, то відносна зміна опору, як показує досвід, прямо пропорційно до зміни температури t:

Коефіцієнт пропорційності α називають температурним коефіцієнтом опору. Він характеризує залежність опору речовини від температури. Температурний коефіцієнт опору чисельно дорівнює відносній зміні опору провідника при нагріванні на 1 К. Для всіх металевих провідників коефіцієнт α > 0 і трохи змінюється зі зміною температури. Якщо інтервал зміни температури невеликий, то температурний коефіцієнт вважатимуться постійним і рівним його середнього значення цьому інтервалі температур. У чистих металів α ≈ 1/273 K-1. У розчинів електролітів опір зі зростанням температури не збільшується, а зменшується. Для них α < 0. Например, для 10%-ного раствора поваренной соли α ≈ -0,02 K -1.
При нагріванні провідника його геометричні розміри незначно змінюються. Опір провідника змінюється переважно рахунок зміни його питомого опору. Можна знайти залежність цього питомого опору від температури, якщо формулу (16.1) підставити значення
. Обчислення призводять до наступного результату:

Так як α мало змінюється при зміні температури провідника, можна вважати, що питомий опір провідника лінійно залежить від температури ( рис.16.2).

Збільшення опору можна пояснити тим, що при підвищенні температури збільшується амплітуда коливань іонів у вузлах кристалічних ґрат, тому вільні електрони стикаються з ними частіше, втрачаючи при цьому спрямованість руху. Хоча коефіцієнт α досить малий, облік залежності опору температури при розрахунку нагрівальних приладів абсолютно необхідний. Так, опір вольфрамової нитки лампи розжарювання збільшується при проходженні по ній струму більш ніж 10 разів.
У деяких сплавів, наприклад, у сплаву міді з нікелем (константан), температурний коефіцієнт опору дуже малий: α ≈ 10 -5 K -1; питомий опір константана великий: ρ ≈ 10 -6 Ом м. Такі сплави використовують для виготовлення еталонних опорів та додаткових опорів до вимірювальним приладам, тобто в тих випадках, коли потрібно, щоб опір помітно не змінювався при коливаннях температури.
Залежність опору металів від температури використовують у термометрах опору. Зазвичай як основний робочий елемент такого термометра беруть платиновий дріт, залежність опору якого від температури добре відома. Про зміни температури судять щодо зміни опору дроту, який можна виміряти.
Такі термометри дозволяють вимірювати дуже низькі та дуже високі температури, коли звичайні рідинні термометри непридатні.
Питомий опір металів зростає лінійно зі збільшенням температури. У розчинів електролітів воно зменшується зі збільшенням температури.

???
1. Коли електрична лампочка споживає велику потужність: відразу після включення її в мережу або через кілька хвилин?
2. Якби опір спіралі електроплитки не змінювався з температурою, то її довжина при номінальній потужності має бути більшою чи меншою?

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

У металів, які не мають надпровідності, при низьких температурах через наявність домішок спостерігається область 1 – область залишкового опору, що майже не залежить від температури (рис. 10.5). Залишковий опір- r зуст тим менше, чим чистіший метал.

Мал. 10.5. Залежність питомого опору металу від температури

Швидке зростання питомого опору за низьких температур до температури Дебая Q дможе бути пояснено збудженням нових частот теплових коливань решітки, при яких відбувається розсіювання носіїв заряду. 2 .

При Т> Q д, коли спектр коливань збуджений повністю, збільшення амплітуди коливань зі зростанням температури призводить до лінійного зростання опору приблизно до Т пл - область 3 . При порушенні періодичності структури електрон відчуває розсіювання, що веде до зміни напряму руху, кінцевим довжинам вільного пробігу та провідності металу. Енергія електронів провідності у металах становить 3–15 эВ, що відповідає довжинам хвиль 3–7 Å. Тому будь-які порушення періодичності, зумовлені домішками, дефектами, поверхнею кристала чи тепловими коливаннями атомів (фононами) викликають зростання питомого опору металу.

Проведемо якісний аналіз температурної залежностіпитомого опору металів.Електронний газ у металах є виродженим та основним механізмом розсіювання електронів у галузі високих температур є розсіювання на фононах.

Призниження температури до абсолютного нуляопір нормальних металівпрагне постійного значення- залишкового опору. Винятком з цього правила є надпровідні метали та сплави, в яких опір зникає нижче за деяку критичну температуру. Тсв (температура переходу в надпровідний стан).

При збільшенні температури відхилення питомого опору від лінійної залежності у більшості металів настає поблизу температури плавлення. Тпл. Деякий відступ лінійної залежності може спостерігатися у феромагнітних металів, у яких відбувається додаткове розсіювання електронів на порушеннях спинового порядку.

При досягненні температури плавлення та переході в рідкий стану більшості металів спостерігається різке збільшення питомого опору та в деяких його зменшення. Якщо плавлення металу або сплаву супроводжується збільшенням обсягу, то питомий опір підвищується в два-чотири рази (наприклад, у ртуті в 4 рази).

У металів, обсяг яких при плавленні зменшується, навпаки, відбувається зниження питомого опору (у галію на 53%, у сурми -29% і у вісмуту -54%). Подібна аномалія може бути пояснена зростанням щільності та модуля стисливості при переході цих металів з твердого в рідкий стан. У деяких розплавлених (рідких) металів питомий опір зі зростанням температури при постійному обсязіперестає рости, в інших воно росте повільніше, ніж у твердому стані. Такі аномалії, мабуть, можна пов'язати з явищами розпорядження ґрат, які неоднаково відбуваються в різних металахпри переході їх із одного агрегатного стану до іншого.

Важливою характеристикою металів є температурний коефіцієнт питомого електричного опору, що показує відносну зміну питомого опору при зміні температури на один Кельвін (градус)

a r - позитивно, коли питомий опір зростає у разі підвищення температури. Очевидно, що величина a r також є функцією температури. В області 3 лінійної залежності r ( T) (див. малюнок 10.3) виконується співвідношення:

де r 0 та a r - питомий опір та температурний коефіцієнт питомого опору при температуріT 0 , а r - питомий опір за температуриT. Експериментальні дані показують, що більшість металів a r при кімнатній температуріприблизно 0,004 До-1. У феромагнітних металів значення a r дещо вище.

Залишковий питомий опір металів . Як говорилося вище, опір нормальних металів прагне постійного значення - залишкового опору, у міру зниження температури до абсолютного нуля. У нормальних металів (не надпровідників) залишковий опір виникає через розсіювання електронів провідності статичними дефектами

Загальну чистоту та досконалість металевого провідника можна визначати ставленням опорів r = R 273 /R 4,2 K. Для стандартної міді чистоти 99999 це відношення становить 1000. Великихзначень r можна досягти шляхом додаткових зонних переплавок та приготуванням зразків у вигляді монокристалів.

Великий експериментальний матеріал містить численні дані щодо вимірювання опору в металах, викликаного наявністю в них домішок. Можна відзначити наступні найбільш характерні зміниу металах, що викликаються легуванням. По-перше, крім фононних обурень, домішка є локальним порушеннямідеальності грати досконале у всіх інших відносинах. По-друге, легування впливає зонну структуру, зрушуючи енергію Фермі і змінюючи щільність стані та ефективну масу, тобто. параметри, що частково визначають ідеальний опір металу. По-третє, легування може змінювати пружні константи і, відповідно, коливальний спектр грат, впливаючи на ідеальний опір.

Загальний питомий опір провідника при температурах вище 0К складається із залишкового опору r зуст та питомого опору, обумовленого розсіюванням на теплових коливаннях решітки - r Т

Це співвідношення відомо як правило Матіссен про адитивність питомого опору. Часто, однак, спостерігаються значні відхилення від правила Матіссена, причому деякі з цих відхилень можуть говорити не на користь застосування основних факторів, що впливають на опір металів при введенні в них домішок. Однак другий і третій фактори, зазначені на початку цього розділу, також дають помітний внесок. Але, все ж таки більше сильний впливна опір розбавлених твердих розчинівнадає перший чинник.

Зміна залишкового опору на 1 ат. % домішки для одновалентних металів можна знайти за правилом Лінде, згідно з яким

де aі b- константи, що залежать від природи металу та періоду, який займає Періодичною системоюелементів домішковий атом;Δ Ζ - різниця валентностей металу-розчинника та домішкового атома. Значний практичний інтерес становлять розрахунки опору, зумовлені вакансіями та впровадженими атомами. Такі дефекти легко виникають при опроміненні зразка частинками. високих енергійнаприклад, нейтронами з реактора або іонами з прискорювача.