« Fizika - 10. razred"
Koji fizička količina zove otpor
Od čega i kako ovisi otpor metalnog provodnika?
Različite supstance imaju različitu otpornost. Da li otpor zavisi od stanja provodnika? na njegovoj temperaturi? Iskustvo bi trebalo dati odgovor.
Ako propuštate struju iz baterije kroz čeličnu spiralu, a zatim je počnete zagrijavati u plamenu plamenika, ampermetar će pokazati smanjenje jačine struje. To znači da kako se temperatura mijenja, otpor provodnika se mijenja.
Ako je na temperaturi od 0 °C otpor vodiča jednak R 0, a na temperaturi t jednak R, tada je relativna promjena otpora, kao što pokazuje iskustvo, direktno proporcionalna promjeni temperature t:
Koeficijent proporcionalnosti α naziva se temperaturni koeficijent otpora.
Temperaturni koeficijent otpora- vrijednost jednaka omjeru relativne promjene otpora provodnika i promjene njegove temperature.
Karakterizira ovisnost otpornosti tvari o temperaturi.
Temperaturni koeficijent otpora numerički je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča kada se zagrije za 1 K (za 1 °C).
Za sve metalne provodnike koeficijent α > 0 i neznatno se mijenja s temperaturom. Ako je raspon temperaturnih promjena mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim njegovoj prosječnoj vrijednosti u ovom temperaturnom rasponu. Za čiste metale
Za otopine elektrolita otpor se ne povećava s povećanjem temperature, već se smanjuje. Za njih α< 0. Например, для 10%-ного раствора kuhinjska soα = -0,02 K -1.
Kada se provodnik zagreje, on geometrijske dimenzije neznatno promijeniti. Otpor provodnika se mijenja uglavnom zbog promjene njegove otpornosti. Možete pronaći ovisnost ove otpornosti o temperaturi ako zamijenite vrijednosti u formuli (16.1) 
Proračuni dovode do sljedećeg rezultata:
ρ = ρ 0 (1 + αt), ili ρ = ρ 0 (1 + αΔT), (16.2)
gdje je ΔT promjena apsolutne temperature.
Budući da se malo mijenja kada se promijeni temperatura provodnika, možemo pretpostaviti da otpornost provodnik linearno zavisi od temperature (slika 16.2).
Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da se s povećanjem temperature povećava amplituda vibracija iona u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, čime gube smjer kretanja. Iako je koeficijent a prilično mali, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi pri izračunavanju parametara uređaji za grijanje apsolutno neophodno. Dakle, otpor volframove niti žarulje sa žarnom niti povećava se za više od 10 puta kada struja prolazi kroz nju zbog zagrijavanja.
Za neke legure, na primjer leguru bakra i nikla (Konstantin), temperaturni koeficijent otpornosti je vrlo mali: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantinova otpornost je visoka: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takve legure se koriste za izradu standardnih otpornika i dodatnih otpornika za mjerne instrumente, odnosno u slučajevima kada je potrebno da se otpor ne mijenja primjetno s temperaturnim kolebanjima.
Postoje i metali, na primjer nikl, kalaj, platina itd., čiji je temperaturni koeficijent znatno veći: α ≈ 10 -3 K -1. Ovisnost njihovog otpora o temperaturi može se koristiti za mjerenje same temperature, što se i radi u otporni termometri.
Uređaji napravljeni od poluprovodničkih materijala takođe se zasnivaju na zavisnosti otpora od temperature - termistori. Odlikuje ih veliki temperaturni koeficijent otpornosti (desetine puta veći od metala) i stabilnost karakteristika tokom vremena. Ocjene termistora su znatno veće od metalnih otpornih termometara, obično 1, 2, 5, 10, 15 i 30 kΩ.
Obično se platinasta žica uzima kao glavni radni element otpornog termometra, čija je ovisnost otpora o temperaturi dobro poznata. Promjene temperature su zaključene iz promjene otpora žice, koja se može izmjeriti. Takvi termometri omogućavaju mjerenje vrlo niskih i vrlo visokih temperatura kada su konvencionalni termometri za tekućinu neprikladni.
Superprovodljivost.
Otpor metala opada sa padom temperature. Šta se dešava kada se temperatura približi apsolutnoj nuli?
Godine 1911., holandski fizičar H. Kamerlingh-Onnes otkrio je izuzetan fenomen - superprovodljivost. Otkrio je da kada se živa ohladi u tekućem helijumu, njen otpor se prvo postepeno menja, a zatim na temperaturi od 4,1 K veoma naglo pada na nulu (slika 16.3).
Fenomen pada otpora provodnika na nulu na kritičnoj temperaturi naziva se superprovodljivost.
Otkriće Kamerlingh Onnesa, za koje je nagrađen 1913 nobelova nagrada, obuhvatio je studije svojstava supstanci na niske temperature Oh. Kasnije su otkriveni mnogi drugi supravodiči.
Superprovodljivost mnogih metala i legura uočava se na veoma niskim temperaturama - počevši od oko 25 K. Referentne tabele daju temperature prelaska u supravodljivo stanje nekih supstanci.
Temperatura na kojoj supstanca prelazi u supravodljivo stanje naziva se kritična temperatura.
Kritična temperatura ne zavisi samo od hemijski sastav supstance, ali i na strukturu samog kristala. Na primjer, sivi kalaj ima strukturu dijamanta s kubičnom kristalnom rešetkom i poluvodič je, a bijeli kalaj ima tetragonalnu jediničnu ćeliju i srebrno-bijeli je, mekani, duktilni metal koji može prijeći u supravodljivo stanje na temperaturi od 3,72 K.
Za tvari u supravodljivom stanju zabilježene su oštre anomalije u magnetskim, toplinskim i nizom drugih svojstava, pa je ispravnije govoriti ne o supravodljivom stanju, već o posebnom stanju materije uočenom na niskim temperaturama.
Ako se u prstenastom provodniku koji je u supravodljivom stanju stvori struja, a zatim se izvor struje ukloni, tada se jačina te struje ne mijenja za bilo koje vrijeme. U običnom (nesuperprovodljivom) vodiču električna struja u ovom slučaju prestaje.
Superprovodnici se široko koriste. Tako se grade moćni elektromagneti sa supravodljivim namotom, koji stvaraju magnetsko polje tokom dužih vremenskih perioda bez trošenja energije. Nakon svega U supravodljivom namotu nema stvaranja toplote.
Međutim, nemoguće je dobiti proizvoljno jako magnetsko polje korištenjem supravodljivog magneta. Vrlo jako magnetsko polje uništava supravodljivo stanje. Takvo polje može biti stvoreno i strujom u samom supravodniku. Stoga za svaki provodnik u supravodljivom stanju postoji kritična vrijednost struje, koja se ne može prekoračiti bez narušavanja supravodljivog stanja.
Superprovodljivi magneti se koriste u akceleratorima elementarne čestice, magnetohidrodinamički generatori koji pretvaraju mehaničku energiju mlaza vrućeg joniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju.
Objašnjenje supravodljivosti moguće je samo na osnovu kvantne teorije. Dali su ga tek 1957. američki naučnici J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski naučnik, akademik N. N. Bogolyubov.
Godine 1986. otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost. Dobijena su složena oksidna jedinjenja lantana, barijuma i drugih elemenata (keramika) sa temperaturom prelaska u supravodljivo stanje od oko 100 K, što je više od tačke ključanja tečnog azota pri atmosferskom pritisku (77 K).
Visokotemperaturna supravodljivost u bliskoj budućnosti sigurno će dovesti do novog tehnička revolucija u cjelokupnoj elektrotehnici, radiotehnici, kompjuterskom dizajnu. Trenutno je napredak u ovoj oblasti otežan potrebom da se provodnici hlade do tačke ključanja skupog gasa helijuma.
Fizički mehanizam supravodljivosti je prilično složen. To se može objasniti vrlo jednostavno na sljedeći način: elektroni se udružuju u pravilnu liniju i kreću se bez sudara s kristalnom rešetkom koja se sastoji od jona. Ovo kretanje se značajno razlikuje od običnog toplotnog kretanja, u kojem se slobodni elektron kreće haotično.
Moramo se nadati da će biti moguće stvarati supraprovodnike čak i na sobnoj temperaturi. Generatori i elektromotori će postati izuzetno kompaktni (manji za nekoliko puta) i ekonomični. Električna energija se može prenositi na bilo koju udaljenost bez gubitaka i akumulirati u jednostavnim uređajima.
Kako temperatura provodnika raste, povećava se broj sudara između slobodnih elektrona i atoma. Shodno tome, smanjuje se prosječna brzina usmjereno kretanje elektrona, što odgovara povećanju otpora provodnika.
S druge strane, kako temperatura raste, raste broj slobodnih elektrona i iona po jedinici volumena provodnika, što dovodi do smanjenja otpora provodnika.
Ovisno o prevlasti jednog ili drugog faktora, s povećanjem temperature, otpor se ili povećava (metali), ili smanjuje (ugalj, elektroliti), ili ostaje gotovo nepromijenjen (metalne legure, na primjer mangain).
Uz manje promjene temperature (0-100°C), relativno povećanje otpora koje odgovara zagrijavanju za 1°C, nazvano temperaturni koeficijent otpora a, ostaje konstantno za većinu metala.
Označavajući otpor na temperaturama, možemo napisati izraz za relativno povećanje otpora kako temperatura raste od do:
Vrijednosti temperaturnog koeficijenta otpora za razni materijali date su u tabeli. 2-2.
Iz izraza (2-18) slijedi da
Rezultirajuća formula (2-20) omogućava određivanje temperature žice (namotaja) mjerenjem njenog otpora na datim ili poznatim vrijednostima.
Primjer 2-3. Odrediti otpor zračnih žica na temperaturama ako je dužina vodova 400 m i poprečni presjek bakrenih žica
Otpornost vodova na temperaturu
Jedna od karakteristika svakog električno provodljivog materijala je ovisnost otpora o temperaturi. Ako je prikazano kao grafikon gdje horizontalna osa vremenski intervali (t) su označeni, a duž okomite linije - vrijednost omskog otpora (R), dobićete isprekidanu liniju. Ovisnost otpora o temperaturi shematski se sastoji od tri dijela. Prvi odgovara laganom zagrijavanju - u ovom trenutku otpor se vrlo malo mijenja. To se događa do određene točke, nakon čega linija na grafikonu naglo ide gore - ovo je drugi odjeljak. Treća i posljednja komponenta je prava linija koja se proteže prema gore od tačke u kojoj je rast R stao, pod relativno malim uglom u odnosu na horizontalnu os.
Fizičko značenje ovog grafikona je kako slijedi: ovisnost otpora od temperature provodnika opisuje se kao jednostavna sve dok količina zagrijavanja ne pređe neku vrijednost karakterističnu za ovog materijala. Dajemo apstraktan primjer: ako je na temperaturi od +10 ° C otpor tvari 10 Ohma, tada se do 40 ° C vrijednost R praktično neće promijeniti, ostajući unutar greške mjerenja. Ali već na 41°C doći će do skoka otpora na 70 Ohma. Ako se daljnji porast temperature ne zaustavi, tada će za svaki sljedeći stupanj biti dodatnih 5 Ohma.
Ova nekretnina ima široku primenu u raznim električnim uređajima, pa je prirodno dati podatke o bakru kao jednom od najčešćih materijala u Tako, za bakarni provodnik, zagrevanje za svaki dodatni stepen dovodi do povećanja otpora za pola procenta specifičnog. vrijednost (može se naći u referentnim tabelama, datim za 20°C, dužine 1 m sa presjekom od 1 sq. mm).
Kada se pojavi u metalnom vodiču, pojavljuje se električna struja - usmjereno kretanje elementarnih čestica s nabojem. Joni koji se nalaze u metalnim čvorovima nisu u stanju dugo zadržati elektrone u svojim vanjskim orbitama, pa se slobodno kreću po cijeloj zapremini materijala od jednog čvora do drugog. Ovo haotično kretanje uzrokovano je vanjskom energijom - toplinom.
Iako je činjenica kretanja očigledna, ono nije usmjereno, pa se stoga ne smatra strujom. Kada se pojavi električno polje, elektroni su orijentirani u skladu sa svojom konfiguracijom, formirajući usmjereno kretanje. Ali budući da toplinski efekat nije nigdje nestao, haotično pokretne čestice sudaraju se s usmjerenim poljima. Ovisnost otpora metala o temperaturi pokazuje količinu smetnji pri prolasku struje. Što je temperatura viša, veći je R provodnika.
Očigledan zaključak: smanjenjem stepena zagrijavanja, možete smanjiti otpor. (oko 20°K) precizno karakteriše značajno smanjenje termičkog haotičnog kretanja čestica u strukturi supstance.
Ovo svojstvo provodljivih materijala našlo je široku primjenu u elektrotehnici. Na primjer, ovisnost otpora vodiča o temperaturi koristi se u elektronski senzori. Znajući njegovu vrijednost za bilo koji materijal, možete napraviti termistor, spojiti ga na digitalni ili analogni uređaj za očitavanje, izvršiti odgovarajuću kalibraciju skale i koristiti ga kao alternativu viši i dizajn je jednostavniji.
Osim toga, ovisnost otpora o temperaturi omogućava izračunavanje zagrijavanja namotaja elektromotora.
Toplotni otpor, termistor ili termistor su tri naziva za isti uređaj, čiji se otpor mijenja ovisno o zagrijavanju ili hlađenju.
Prednosti termistora:
- jednostavnost proizvodnje;
- odlične performanse pod velikim opterećenjem;
- stabilan rad;
- male dimenzije proizvoda omogućavaju da se koristi u minijaturnim senzorima;
- niska toplotna inercija.
Vrste termistora i njihov princip rada
Osnova senzora je otporni element, za čiju proizvodnju se koriste poluvodiči, metali ili legure, odnosno elementi u kojima postoji izražena ovisnost otpora o temperaturi. Svi materijali koji se koriste u njihovoj izradi moraju imati visok specifični temperaturni koeficijent otpornosti.
Za proizvodnju termistora koriste se sljedeći materijali i njihovi oksidi:
- platina;
- nikal;
- bakar;
- mangan;
- kobalt.
Mogu se koristiti i halogenidi i halkogenidi određenih metala.
Ako se koristi metalni otporni element, izrađuje se u obliku žice. Ako je poluvodič, onda najčešće u obliku ploče.
Bitan! Materijali od kojih se izrađuje toplinska otpornost moraju imati veliki negativni temperaturni koeficijent (NTC) ili pozitivni temperaturni koeficijent (PTK).
Ako je koeficijent negativan, onda kada se zagrije, otpor termistora se smanjuje, ako je pozitivan, povećava se.
Metalni termistori
Struja u metalima nastaje zbog kretanja elektrona. Njihova koncentracija se ne povećava kada se zagrijavaju, ali se povećava brzina haotičnog kretanja. Dakle, kada se zagrije, otpornost vodiča raste.
Ovisnost otpora metala od temperature je nelinearna i ima oblik:
Rt = R0(1 + A t + B t2 + …), gdje je:
- Rt i R0 – otpor provodnika na temperaturama t i 0°S, respektivno,
- A, B – koeficijenti koji zavise od materijala. Koeficijent A naziva se temperaturni koeficijent.
Ako temperatura ne prelazi 100°C, tada se otpor vodiča izračunava prema sljedećoj formuli:
Rt = R0(1 + A t),
a preostali koeficijenti se zanemaruju.
Svaki tip termistora ima određena ograničenja za upotrebu. Na primjer, bakarni senzori se mogu koristiti u temperaturnom rasponu od -50°C do +180°C, platinasti senzori - od -200 do +650°C, uređaji od nikla - do 250-300°C.
Poluprovodnički termistori
Za proizvodnju termistora koriste se oksidi CuO, CoO, MnO itd. Prilikom proizvodnje prah se sinteruje u dio željenog oblika. Kako bi se spriječilo oštećenje otpornog elementa tijekom rada, on je prekriven zaštitnim slojem.
U poluvodičkim uređajima, ovisnost otpora o temperaturi također nije linearna. Kako se povećava, R vrijednost u senzoru naglo opada zbog povećanja koncentracije nosilaca električnog naboja (rupa i elektrona). U ovom slučaju govorimo o senzorima s negativnim temperaturnim koeficijentom. Međutim, postoje termistori sa pozitivnim koeficijentom, koji se kada se zagreju ponašaju kao metali, tj. R se povećava. Takvi senzori se nazivaju posistori (PTC senzori).
Formula za ovisnost otpora poluvodičkog termistora od temperature je:
gdje:
- A je konstanta koja karakterizira otpor materijala na t = 20°C;
- T – apsolutna temperatura u stepenima Kelvina (T = t + 273);
- B je konstanta koja zavisi od fizička svojstva poluprovodnik.
Konstrukcija metalnih termistora
Postoje dvije glavne vrste dizajna uređaja:
- namotavanje;
- tanke pletenice
U prvom slučaju senzor je napravljen u obliku spirale. Žica je ili namotana oko cilindra od stakla ili keramike, ili je smještena unutar njega. Ako se namotavanje vrši duž cilindra, onda ga odozgo mora prekriti zaštitnim slojem.
U drugom slučaju koristi se tanka podloga od keramike, safira, bakrenog oksida, cirkonija itd. Na njega se prska tanak sloj metala, koji je odozgo dodatno izoliran. Metalni sloj je napravljen u obliku staze i naziva se meandar.
Za tvoju informaciju. Kako bi zaštitio termistor, stavlja se u metalno kućište ili prekriva posebnim izolacijskim slojem na vrhu.
Nema suštinskih razlika u radu oba tipa senzora, ali filmski uređaji rade u užem temperaturnom rasponu.
Sami uređaji mogu se napraviti ne samo u obliku šipki, već i perli, diskova itd.
Primjena termistora
Ako se toplinski otpor postavi u bilo koje okruženje, njegova temperatura će ovisiti o intenzitetu razmjene topline između njega i okoline. To zavisi od niza faktora: fizičkih svojstava medija (gustina, viskoznost itd.), brzine kretanja medija, početnog odnosa indikatora temperature medija i termistora itd.
Dakle, znajući ovisnost otpora provodnika o temperaturi, moguće je odrediti kvantitativne pokazatelje samog medija, na primjer, brzinu, temperaturu, gustoću itd.
Jedna od bitnih karakteristika termistora je tačnost mjerenja, odnosno koliko se stvarna očitanja termistora razlikuju od laboratorijskih. Točnost uređaja karakterizira klasa tolerancije, koja određuje maksimalno odstupanje od navedenih vrijednosti. Klasa tolerancije je određena kao funkcija temperature. Na primjer, vrijednosti tolerancije platinastih senzora klase AA su ±(0,1 + 0,0017 |T|), klase A - ±(0,15 + 0,002 |T|).
Bitan! Naravno, pri stvaranju toplinske otpornosti, programeri nastoje minimizirati gubitke tijekom rada povezane s toplinskom provodljivošću i emisijom zračenja samog uređaja.
Termistori se široko koriste u radio elektronici, sistemima termičke kontrole, protivpožarnim sistemima itd.
Video
Otpor metala nastaje zbog činjenice da elektroni koji se kreću u vodiču stupaju u interakciju s ionima kristalne rešetke i na taj način gube dio energije koju steknu u električnom polju.
Iskustvo pokazuje da otpornost metala zavisi od temperature. Svaka supstanca se može okarakterizirati konstantnom vrijednošću za nju, tzv temperaturni koeficijent otpora α. Ovaj koeficijent je jednak relativnoj promeni otpornosti provodnika kada se zagreje za 1 K: α =
gdje je ρ 0 otpornost na temperaturi T 0 = 273 K (0°C), ρ je otpornost na datoj temperaturi T. Dakle, ovisnost otpornosti metalnog provodnika od temperature je izražena linearna funkcija: ρ = ρ 0 (1+ αT).
Ovisnost otpora o temperaturi izražava se istom funkcijom:
R = R 0 (1+ αT).
Temperaturni koeficijenti otpornosti čistih metala se relativno malo razlikuju jedan od drugog i približno su jednaki 0,004 K -1. Promjena otpora vodiča s promjenom temperature dovodi do činjenice da njihova strujno-naponska karakteristika nije linearna. Ovo je posebno uočljivo u slučajevima kada se temperatura provodnika značajno mijenja, na primjer pri radu žarulje sa žarnom niti. Na slici je prikazana njegova volt-amperska karakteristika. Kao što se može vidjeti sa slike, jačina struje u ovom slučaju nije direktno proporcionalna naponu. Međutim, ne treba misliti da je ovaj zaključak u suprotnosti s Ohmovim zakonom. Zavisnost formulisana u Ohmovom zakonu važi samo sa stalnim otporom. Ovisnost otpora metalnih provodnika o temperaturi koristi se u raznim mjernim i automatskim uređajima. Najvažnija od njih je otporni termometar. Glavni dio otpornog termometra je platinasta žica namotana na keramički okvir. Žica se stavlja u medij čiju temperaturu treba odrediti. Mjerenjem otpora ove žice i poznavanjem njenog otpora pri t 0 = 0 °C (tj. R 0), izračunajte temperaturu medija koristeći posljednju formulu.
Superprovodljivost. Međutim, sve do kraja 19. stoljeća. bilo je nemoguće provjeriti kako otpor provodnika ovisi o temperaturi u području vrlo niskih temperatura. Tek početkom 20. veka. Holandski naučnik G. Kamerlingh Onnes uspeo je da najteži za kondenzaciju gas - helijum - transformiše u tečno stanje. Tačka ključanja tečnog helijuma je 4,2 K. To je omogućilo mjerenje otpornosti nekih čistih metala kada se ohlade na vrlo nisku temperaturu.
Godine 1911. rad Kamerlingha Onnesa kulminirao je velikim otkrićem. Proučavajući otpor žive dok se stalno hladila, otkrio je da je na temperaturi od 4,12 K otpor žive naglo pao na nulu. Nakon toga, bio je u mogućnosti da primijeti istu pojavu u brojnim drugim metalima kada su ohlađeni na temperature blizu apsolutne nule. Fenomen potpunog gubitka metala električni otpor na određenoj temperaturi naziva se supravodljivost.
Ne mogu svi materijali postati supravodnici, ali njihov broj je prilično velik. Međutim, za mnoge od njih je utvrđeno da imaju svojstvo koje značajno otežava njihovu upotrebu. Pokazalo se da za većinu čistih metala supravodljivost nestaje kada su u jakom magnetnom polju. Stoga, kada kroz supravodnik teče značajna struja, on stvara magnetsko polje oko sebe i u njemu nestaje supravodljivost. Ipak, pokazalo se da je ova prepreka premostiva: otkriveno je da neke legure, na primjer niobij i cirkonij, niobij i titan, itd., imaju svojstvo održavanja svoje supravodljivosti pri velike vrijednosti jačina struje. To je omogućilo širu upotrebu supravodljivosti.