« Física - Grado 10 "
Qué cantidad física llamada resistencia
¿De qué y cómo depende la resistencia de un conductor metálico?
Diferentes sustancias tienen diferentes resistividades. ¿Depende la resistencia del estado del conductor? de su temperatura? La respuesta debe venir de la experiencia.
Si pasa la corriente de la batería a través de una espiral de acero y luego comienza a calentarla en la llama de un quemador, el amperímetro mostrará una disminución en la intensidad de la corriente. Esto significa que a medida que cambia la temperatura, cambia la resistencia del conductor.
Si a una temperatura igual a 0 ° C, la resistencia del conductor es R 0, y a una temperatura t es igual a R, entonces el cambio relativo en la resistencia, como muestra la experiencia, es directamente proporcional al cambio en la temperatura t :
El coeficiente de proporcionalidad α se denomina coeficiente de temperatura de resistencia.
Coeficiente de temperatura de resistencia- un valor igual a la relación del cambio relativo en la resistencia del conductor al cambio en su temperatura.
Caracteriza la dependencia de la resistencia de una sustancia con la temperatura.
El coeficiente de temperatura de la resistencia es numéricamente igual al cambio relativo en la resistencia del conductor cuando se calienta en 1 K (en 1 °C).
Para todos los conductores metálicos, el coeficiente α > 0 y cambia ligeramente con la temperatura. Si el intervalo de cambio de temperatura es pequeño, entonces el coeficiente de temperatura se puede considerar constante e igual a su valor promedio en este rango de temperatura. Para metales puros
En las soluciones de electrolitos, la resistencia no aumenta al aumentar la temperatura, sino que disminuye. Para ellos α< 0. Например, для 10%-ного раствора sal de mesaα \u003d -0.02 K -1.
Cuando el conductor se calienta dimensiones geométricas cambiar ligeramente. La resistencia de un conductor cambia principalmente debido a cambios en su resistividad. Puedes encontrar la dependencia de esta resistividad con la temperatura, si sustituyes los valores en la fórmula (16.1) 
Los cálculos conducen al siguiente resultado:
ρ = ρ 0 (1 + αt), o ρ = ρ 0 (1 + αΔT), (16.2)
donde ΔT es el cambio en la temperatura absoluta.
Como a cambia poco con un cambio en la temperatura del conductor, podemos suponer que resistividad conductor depende linealmente de la temperatura (Fig. 16.2).
El aumento de la resistencia puede explicarse por el hecho de que, al aumentar la temperatura, aumenta la amplitud de las oscilaciones de los iones en los nodos de la red cristalina, por lo que los electrones libres chocan con ellos con mayor frecuencia, perdiendo su dirección de movimiento. Aunque el coeficiente a es bastante pequeño, teniendo en cuenta la dependencia de la resistencia con la temperatura al calcular los parámetros aparatos de calefacción absolutamente necesario. Entonces, la resistencia del filamento de tungsteno de una lámpara incandescente aumenta más de 10 veces cuando pasa una corriente a través de él debido al calentamiento.
Para algunas aleaciones, por ejemplo, para una aleación de cobre y níquel (Konstantin), el coeficiente de temperatura de resistencia es muy pequeño: α ≈ 10 -5 K -1; la resistencia específica de Konstantin es grande: ρ ≈ 10 -6 Ohm m Estas aleaciones se utilizan para la fabricación de resistencias de referencia y resistencias adicionales para instrumentos de medición, es decir, en los casos en que se requiere que la resistencia no cambie notablemente con la temperatura fluctuaciones
También existen tales metales, por ejemplo, níquel, estaño, platino, etc., cuyo coeficiente de temperatura es mucho más alto: α ≈ 10 -3 K -1 . La dependencia de su resistencia con la temperatura se puede utilizar para medir la temperatura en sí, lo que se lleva a cabo en termómetros de resistencia.
Los dispositivos hechos de materiales semiconductores también se basan en la dependencia de la resistencia de la temperatura: termistores. Se caracterizan por un gran coeficiente de resistencia a la temperatura (decenas de veces mayor que este coeficiente para los metales), estabilidad de las características a lo largo del tiempo. La resistencia nominal de los termistores es mucho mayor que la de las termorresistencias metálicas, suele ser de 1, 2, 5, 10, 15 y 30 kΩ.
Por lo general, el alambre de platino se toma como el principal elemento de trabajo de un termómetro de resistencia, cuya dependencia de la temperatura es bien conocida. Los cambios de temperatura se juzgan por el cambio en la resistencia del alambre, que se puede medir Estos termómetros pueden medir temperaturas muy bajas y muy altas, cuando los termómetros líquidos convencionales no son adecuados.
Superconductividad.
La resistencia de los metales disminuye al disminuir la temperatura. ¿Qué sucede cuando la temperatura se acerca al cero absoluto?
En 1911, el físico holandés X. Kamerling-Onnes descubrió un fenómeno notable: superconductividad. Descubrió que cuando el mercurio se enfría en helio líquido, su resistencia primero cambia gradualmente y luego, a una temperatura de 4,1 K, cae muy bruscamente a cero (Fig. 16.3).
El fenómeno de la caída de la resistencia de un conductor a cero a una temperatura crítica se denomina superconductividad.
Descubrimiento de Kamerling-Onnes, por el que fue premiado en 1913 premio Nobel, condujo al estudio de las propiedades de las sustancias a temperaturas bajas Oh. Más tarde, se descubrieron muchos otros superconductores.
La superconductividad de muchos metales y aleaciones se observa a temperaturas muy bajas, a partir de unos 25 K. Las tablas de referencia dan las temperaturas de transición al estado superconductor de algunas sustancias.
La temperatura a la que una sustancia se vuelve superconductora se llama temperatura crítica.
La temperatura crítica depende no sólo de composición química sustancias, sino también en la estructura del propio cristal. Por ejemplo, el estaño gris tiene una estructura de diamante con una red cristalina cúbica y es un semiconductor, mientras que el estaño blanco tiene una celda unitaria tetragonal y es un metal dúctil blando de color blanco plateado capaz de pasar a un estado superconductor a una temperatura de 3,72 k
Las sustancias en estado superconductor presentaban marcadas anomalías en sus propiedades magnéticas, térmicas y otras, por lo que sería más correcto hablar no de un estado superconductor, sino de un estado especial de la materia observado a bajas temperaturas.
Si se crea una corriente en un conductor de anillo, que está en un estado superconductor, y luego se elimina la fuente de corriente, entonces la fuerza de esta corriente no cambia durante un tiempo arbitrariamente largo. En un conductor ordinario (no superconductor), la corriente eléctrica en este caso se detiene.
Los superconductores son ampliamente utilizados. Así, se están construyendo potentes electroimanes con devanado superconductor, que crean un campo magnético durante largos periodos de tiempo sin consumir energía. Después de todo no se genera calor en el devanado superconductor.
Sin embargo, es imposible obtener un campo magnético arbitrariamente fuerte usando un imán superconductor. Un campo magnético muy fuerte destruye el estado superconductor. Tal campo también puede ser creado por la corriente en el propio superconductor.Por lo tanto, para cada conductor en el estado superconductor, existe un valor crítico de la intensidad de la corriente, que no se puede exceder sin violar el estado superconductor.
Los imanes superconductores se utilizan en aceleradores. partículas elementales, generadores magnetohidrodinámicos que convierten la energía mecánica de un chorro de gas ionizado caliente que se mueve en un campo magnético en energía eléctrica.
Una explicación de la superconductividad solo es posible sobre la base de la teoría cuántica. Fue entregado solo en 1957 por los científicos estadounidenses J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer y el científico soviético, el académico N. N. Bogolyubov.
En 1986 se descubrió la superconductividad a alta temperatura. Se han obtenido compuestos de óxidos complejos de lantano, bario y otros elementos (cerámica) con una temperatura de transición al estado superconductor de unos 100 K. Esta es superior al punto de ebullición del nitrógeno líquido a presión atmosférica (77 K).
La superconductividad a alta temperatura en un futuro cercano ciertamente conducirá a una nueva revolución técnica en toda la ingeniería eléctrica, ingeniería de radio, diseño de computadoras. Ahora, el progreso en esta área se ve obstaculizado por la necesidad de enfriar los conductores a las temperaturas de ebullición del costoso gas: el helio.
El mecanismo físico de la superconductividad es bastante complicado. De una manera muy simplificada, se puede explicar de la siguiente manera: los electrones se combinan en una línea regular y se mueven sin chocar con una red cristalina formada por iones. Este movimiento difiere significativamente del movimiento térmico ordinario, en el que un electrón libre se mueve al azar.
Se espera que sea posible crear superconductores y temperatura ambiente. Los generadores y motores eléctricos se volverán extremadamente compactos (varias veces más pequeños) y económicos. La electricidad puede transmitirse a cualquier distancia sin pérdida y acumularse en dispositivos simples.
A medida que aumenta la temperatura del conductor, aumenta el número de colisiones de electrones libres con átomos. Por lo tanto, disminuye velocidad media movimiento direccional de los electrones, que corresponde a un aumento de la resistencia del conductor.
Por otro lado, a medida que aumenta la temperatura, aumenta el número de electrones e iones libres por unidad de volumen del conductor, lo que conduce a una disminución de la resistencia del conductor.
Según el predominio de uno u otro factor, al aumentar la temperatura, la resistencia aumenta (metales), disminuye (carbón, electrolitos) o permanece casi invariable (aleaciones metálicas, como el mangaín).
Con ligeros cambios de temperatura (0-100 °C), el aumento relativo de la resistencia correspondiente al calentamiento en 1 °C, denominado coeficiente de temperatura de resistencia a, permanece constante para la mayoría de los metales.
Denotando - resistencia a temperaturas, podemos escribir una expresión para el aumento relativo de resistencia a medida que la temperatura aumenta de a:
Los valores del coeficiente de temperatura de resistencia para varios materiales se dan en la tabla. 2-2.
De la expresión (2-18) se sigue que
La fórmula resultante (2-20) permite determinar la temperatura del cable (devanado), si mide su resistencia en valores dados o conocidos.
Ejemplo 2-3. Determine la resistencia de los alambres de varilla de aire a temperaturas si la longitud de la línea es de 400 m y la sección transversal de los alambres de cobre
Resistencia del cable de línea a la temperatura
Una de las características de cualquier material conductor es la dependencia de la resistencia con la temperatura. Si se representa como un gráfico en donde por eje horizontal se anotan los intervalos de tiempo (t), y a lo largo de la vertical, el valor de la resistencia óhmica (R), luego aparecerá una línea discontinua. La dependencia de la resistencia con la temperatura consta esquemáticamente de tres secciones. El primero corresponde a un ligero calentamiento; en este momento, la resistencia cambia muy levemente. Esto sucede hasta cierto momento, después del cual la línea en el gráfico sube bruscamente: esta es la segunda sección. El tercer y último componente es una línea recta que sube desde el punto en que se detuvo el crecimiento de R, en un ángulo relativamente pequeño con respecto al eje horizontal.
significado físico de este gráfico es el siguiente: la dependencia de la resistencia de la temperatura en el conductor se describe de forma sencilla hasta que el poder calorífico supera algún valor que es característico de este material. Pongamos un ejemplo abstracto: si a una temperatura de +10°C la resistencia de una sustancia es de 10 Ohm, entonces hasta los 40°C el valor de R prácticamente no cambiará, permaneciendo dentro del error de medida. Pero ya a 41 ° C habrá un salto en la resistencia de hasta 70 ohmios. Si el aumento adicional de temperatura no se detiene, entonces por cada grado subsiguiente habrá 5 ohmios adicionales.
Esta propiedad es ampliamente utilizado en varios dispositivos eléctricos, por lo que es natural dar datos sobre el cobre como uno de los materiales más comunes en Por lo tanto, para un conductor de cobre, el calentamiento por cada grado adicional conduce a un aumento de la resistencia en medio por ciento de la específica valor (se puede encontrar en las tablas de referencia, dado para 20 ° C, 1 m de longitud con una sección de 1 mm2).
Cuando ocurre en un conductor metálico, aparece una corriente eléctrica, un movimiento dirigido de partículas elementales que tienen carga. Los iones ubicados en los nodos del metal no pueden mantener los electrones en sus órbitas exteriores durante mucho tiempo, por lo que se mueven libremente por todo el volumen del material de un nodo a otro. Este movimiento caótico se debe a la energía externa: el calor.
Aunque el hecho del movimiento es obvio, no está dirigido, por lo que no se considera como una corriente. Cuando aparece un campo eléctrico, los electrones se orientan de acuerdo con su configuración, formando un movimiento dirigido. Pero dado que el efecto térmico no ha desaparecido en ninguna parte, las partículas que se mueven al azar chocan con el campo dirigido. La dependencia de la resistencia de los metales con la temperatura muestra la cantidad de interferencia con el paso de la corriente. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la R del conductor.
La conclusión obvia: al reducir el grado de calentamiento, puede reducir la resistencia. (alrededor de 20°K) se caracteriza precisamente por una disminución significativa en el movimiento caótico térmico de las partículas en la estructura de la materia.
La propiedad considerada de los materiales conductores ha encontrado una amplia aplicación en ingeniería eléctrica. Por ejemplo, la dependencia de la resistencia del conductor con la temperatura se usa en sensores electronicos. Conociendo su valor para cualquier material, es posible fabricar un termistor, conectarlo a un dispositivo de lectura digital o analógico, realizar la graduación de escala apropiada y usarlo como alternativa.La mayoría de los sensores de temperatura modernos se basan en este principio, porque la confiabilidad es más alto, y el diseño es más simple.
Además, la dependencia de la resistencia con la temperatura permite calcular el calentamiento de los devanados de motores eléctricos.
Resistencia térmica, termistor o termistor son tres nombres para un mismo dispositivo, cuya resistencia cambia según se caliente o se enfríe.
Ventajas del termistor:
- facilidad de fabricación;
- excelente desempeño bajo cargas pesadas;
- trabajo estable;
- el pequeño tamaño del producto permite su uso en sensores en miniatura;
- baja inercia térmica.
Tipos de termistores y su principio de funcionamiento.
La base del sensor es un elemento resistivo, para cuya fabricación se utilizan semiconductores, metales o aleaciones, es decir, elementos en los que se observa una pronunciada dependencia de la resistencia con la temperatura. Todos los materiales que se utilizan en su creación deben tener un alto coeficiente de resistencia a la temperatura específica.
Para la producción de termistores, se utilizan los siguientes materiales y sus óxidos:
- platino;
- níquel;
- cobre;
- manganeso;
- cobalto.
También se pueden usar ciertos haluros metálicos y calcogenuros.
Si se usa un elemento resistivo de metal, se hace en forma de alambre. Si es un semiconductor, entonces, con mayor frecuencia en forma de placa.
¡Importante! Los materiales de los que está hecha la resistencia térmica deben tener un gran coeficiente de resistencia de temperatura negativa (NTC) o positivo (PTK).
Si el coeficiente es negativo, cuando se calienta, la resistencia del termistor cae, si es positivo, aumenta.
Termistores metálicos
La corriente en los metales se forma debido al movimiento de electrones. Su concentración no aumenta durante el calentamiento, pero aumenta la velocidad del movimiento caótico. Así, cuando se calienta, aumenta la resistividad del conductor.
La dependencia de la resistencia de los metales con la temperatura no es lineal y tiene la forma:
Rt = R0(1 + A t + B t2 + ...), donde:
- Rt y R0 - resistencia del conductor a temperatura t y 0°C, respectivamente,
- A, B son coeficientes que dependen del material. El coeficiente A se llama coeficiente de temperatura.
Si la temperatura no supera los 100 ° C, la resistencia del conductor se calcula mediante la siguiente fórmula:
Rt = R0(1 + A t),
y el resto de los coeficientes se desprecian.
Cada tipo de termistor tiene ciertas limitaciones de uso. Entonces, por ejemplo, los sensores de cobre se pueden usar en el rango de temperatura de -50°С a +180°С, platino - de -200 a +650°С, dispositivos de níquel - hasta 250-300°С.
Termistores semiconductores
Para la fabricación de termistores se utilizan óxidos de CuO, CoO, MnO, etc. Durante la fabricación, el polvo se sinteriza en una pieza de la forma deseada. Para evitar daños al elemento resistivo durante el funcionamiento, se cubre con una capa protectora.
En los dispositivos semiconductores, la dependencia de la resistividad de los indicadores de temperatura tampoco es lineal. Con su aumento en el sensor, el valor de R cae bruscamente debido a un aumento en la concentración de portadores de carga eléctrica (huecos y electrones). En este caso, se habla de sensores con un coeficiente de temperatura negativo. Sin embargo, hay termistores de coeficiente positivo que se comportan como metales cuando se calientan, es decir R aumenta. Dichos sensores se denominan positores (sensores PTC).
La fórmula para la dependencia de la resistencia de un termistor semiconductor con la temperatura es:
Dónde:
- A es una constante que caracteriza la resistencia del material en t = 20°С;
- T es la temperatura absoluta en grados Kelvin (T = t + 273);
- B es una constante que depende de propiedades físicas semiconductor.
Construcción de termistores metálicos.
Hay dos tipos principales de diseño de instrumentos:
- devanado;
- filamento delgado.
En el primer caso, el sensor está hecho en forma de espiral. El alambre se enrolla alrededor de un cilindro de vidrio o cerámica, o se coloca dentro de él. Si el bobinado se realiza en un cilindro, necesariamente se cubre con una capa protectora desde arriba.
En el segundo caso se utiliza un sustrato fino de cerámica, zafiro, óxido de cobre, zirconio, etc. Se rocía sobre él una fina capa de metal, que además se aísla desde arriba. La capa de metal está hecha en forma de pista y se llama meandro.
Para tu información. Para proteger el termistor, se coloca en una caja de metal o se cubre con una capa aislante especial en la parte superior.
No existen diferencias fundamentales en el funcionamiento de ambos tipos de sensores, pero los dispositivos de película funcionan en un rango de temperatura más estrecho.
Los dispositivos en sí se pueden hacer no solo en forma de varillas, sino también de cuentas, discos, etc.
Aplicaciones de termistor
Si la resistencia térmica se coloca en cualquier medio, su temperatura dependerá de la intensidad del intercambio de calor entre esta y el medio. Depende de varios factores: las propiedades físicas del medio (densidad, viscosidad, etc.), la velocidad del medio, la relación inicial de los indicadores de temperatura del medio y el termistor, etc.
Por lo tanto, conociendo la dependencia de la resistencia del conductor con la temperatura, es posible determinar los indicadores cuantitativos del medio mismo, por ejemplo, velocidad, temperatura, densidad, etc.
Una de las características importantes del termistor es su precisión de medición, es decir, cuánto difieren las lecturas reales del termistor de las de laboratorio. La precisión del dispositivo se caracteriza por una clase de tolerancia, que determina la desviación máxima de los indicadores declarados. La clase de tolerancia se da en función de la temperatura. Por ejemplo, los valores de tolerancia para los sensores de platino de clase AA son ±(0,1 + 0,0017 |T|), clase A - ±(0,15 + 0,002 |T|).
¡Importante! Naturalmente, al crear resistencia térmica, los desarrolladores se esfuerzan por minimizar las pérdidas asociadas con la conductividad térmica y la radiación del propio dispositivo durante el funcionamiento.
Los termistores se utilizan ampliamente en electrónica de radio, sistemas de control térmico, sistemas contra incendios, etc.
Video
La resistencia de los metales se debe a que los electrones que se mueven en un conductor interactúan con los iones de la red cristalina y pierden parte de la energía que adquieren en un campo eléctrico.
La experiencia demuestra que la resistencia de los metales depende de la temperatura. Cada sustancia se puede caracterizar por un valor constante para ella, llamado temperatura coeficiente de resistencia α. Este coeficiente es igual al cambio relativo en la resistividad del conductor cuando se calienta 1 K: α =
donde ρ 0 es la resistividad a una temperatura T 0 = 273 K (0 ° C), ρ es la resistividad a una temperatura dada T. Por lo tanto, la dependencia de la resistividad de un conductor metálico con la temperatura se expresa función lineal: ρ = ρ 0 (1+αT).
La dependencia de la resistencia con la temperatura se expresa mediante la misma función:
R = R0 (1+αT).
Los coeficientes de temperatura de resistencia de los metales puros difieren relativamente poco entre sí y son aproximadamente iguales a 0,004 K-1. Un cambio en la resistencia de los conductores con un cambio de temperatura conduce al hecho de que su característica de corriente-voltaje no es lineal. Esto es especialmente notable en los casos en que la temperatura de los conductores cambia significativamente, por ejemplo, cuando está funcionando una lámpara incandescente. La figura muestra su característica de voltios - amperios. Como se puede ver en la figura, la intensidad de la corriente en este caso no es directamente proporcional al voltaje. Sin embargo, no se debe pensar que esta conclusión contradice la ley de Ohm. La dependencia formulada en la ley de Ohm es válida sólo con resistencia constante. La dependencia de la resistencia de los conductores metálicos con la temperatura se utiliza en varios dispositivos automáticos y de medición. El más importante de estos es termómetro de resistencia. La parte principal de la termorresistencia es un alambre de platino enrollado en un marco de cerámica. El alambre se coloca en un ambiente cuya temperatura se va a determinar. Al medir la resistencia de este cable y conocer su resistencia en t 0 \u003d 0 ° С (es decir, R0), calcule la temperatura del medio utilizando la última fórmula.
Superconductividad. Sin embargo, hasta finales del siglo XIX. era imposible comprobar cómo la resistencia de los conductores depende de la temperatura en la región de temperaturas muy bajas. Sólo a principios del siglo XX. El científico holandés G. Kamerling-Onnes logró convertir el gas más difícil de condensar, el helio, en estado líquido. El punto de ebullición del helio líquido es de 4,2 K. Esto permitió medir la resistencia de algunos metales puros cuando se enfrían a una temperatura muy baja.
En 1911, el trabajo de Kamerling-Onnes terminó con un gran descubrimiento. Al investigar la resistencia del mercurio durante su enfriamiento constante, descubrió que a una temperatura de 4,12 K, la resistencia del mercurio descendía abruptamente a cero. Posteriormente, logró observar el mismo fenómeno en varios otros metales cuando se enfriaban a temperaturas cercanas al cero absoluto. El fenómeno de la pérdida completa de metal. resistencia eléctrica a cierta temperatura se llama superconductividad.
No todos los materiales pueden convertirse en superconductores, pero su número es bastante grande. Sin embargo, se encontró que muchos de ellos tenían una propiedad que dificultaba mucho su uso. Resultó que para la mayoría de los metales puros, la superconductividad desaparece cuando están en un fuerte campo magnético. Por lo tanto, cuando una corriente significativa fluye a través de un superconductor, crea un campo magnético a su alrededor y desaparece la superconductividad. Sin embargo, este obstáculo resultó ser superable: se encontró que algunas aleaciones, por ejemplo, niobio y circonio, niobio y titanio, etc., tienen la propiedad de mantener su superconductividad en valores grandes fuerza actual. Esto permitió un uso más generalizado de la superconductividad.