« Fizika - 10. razred
Što fizička veličina zove otpor
O čemu i kako ovisi otpor metalnog vodiča?
Različite tvari imaju različitu otpornost. Ovisi li otpor o stanju vodiča? od njegove temperature? Odgovor mora doći iz iskustva.
Ako prođete struju iz baterije kroz čeličnu spiralu, a zatim je počnete zagrijavati u plamenu plamenika, ampermetar će pokazati smanjenje jačine struje. To znači da se mijenjanjem temperature mijenja i otpor vodiča.
Ako je pri temperaturi jednakoj 0 ° C otpor vodiča R 0, a na temperaturi t jednak R, tada je relativna promjena otpora, kao što pokazuje iskustvo, izravno proporcionalna promjeni temperature t :
Koeficijent proporcionalnosti α naziva se temperaturni koeficijent otpora.
Temperaturni koeficijent otpora- vrijednost jednaka omjeru relativne promjene otpora vodiča i promjene njegove temperature.
Karakterizira ovisnost otpora tvari o temperaturi.
Temperaturni koeficijent otpora numerički je jednak relativnoj promjeni otpora vodiča pri zagrijavanju za 1 K (za 1 °C).
Za sve metalne vodiče koeficijent α > 0 i neznatno se mijenja s temperaturom. Ako je interval promjene temperature mali, tada se temperaturni koeficijent može smatrati konstantnim i jednakim njegovoj prosječnoj vrijednosti u ovom temperaturnom rasponu. Za čiste metale
U otopinama elektrolita otpor se ne povećava s povećanjem temperature, već se smanjuje. Za njih α< 0. Например, для 10%-ного раствора stolna solα \u003d -0,02 K -1.
Kada se vodič zagrije geometrijske dimenzije neznatno promijeniti. Otpor vodiča se mijenja uglavnom zbog promjene njegove otpornosti. Ovisnost ovog otpora o temperaturi možete pronaći ako zamijenite vrijednosti u formuli (16.1) 
Izračuni 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 a malo mijenja s promjenom temperature vodiča, možemo pretpostaviti da otpornost vodič linearno ovisi o temperaturi (slika 16.2).
Povećanje otpora može se objasniti činjenicom da se s povećanjem temperature povećava amplituda ionskih oscilacija u čvorovima kristalne rešetke, pa se slobodni elektroni češće sudaraju s njima, gubeći smjer gibanja. Iako je koeficijent a prilično mali, uzimajući u obzir ovisnost otpora o temperaturi pri izračunu parametara uređaji za grijanje apsolutno potrebno. 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, za leguru bakra i nikla (Konstantin), temperaturni koeficijent otpora je vrlo mali: α ≈ 10 -5 K -1; otpornost Konstantina je velika: ρ ≈ 10 -6 Ohm m. Takve legure se koriste za izradu referentnih otpornika i dodatnih otpornika za mjerne instrumente, tj. u slučajevima kada je potrebno da se otpor ne mijenja primjetno s temperaturnim fluktuacijama. .
Postoje i takvi metali, na primjer, nikal, kositar, platina itd., čiji je temperaturni koeficijent mnogo veći: α ≈ 10 -3 K -1 . Ovisnost njihovog otpora o temperaturi može se koristiti za mjerenje same temperature, koje se provodi u otporni termometri.
Uređaji izrađeni od poluvodičkih materijala također se temelje na ovisnosti otpora o temperaturi - termistori. Karakterizira ih veliki temperaturni koeficijent otpornosti (desetke puta veći od ovog koeficijenta za metale), stabilnost karakteristika tijekom vremena. Nominalni otpor termistora je mnogo veći od otpora metalnih termometara, obično je 1, 2, 5, 10, 15 i 30 kΩ.
Obično se platinasta žica uzima kao glavni radni element otpornog termometra, čija je temperaturna ovisnost dobro poznata. Promjene temperature ocjenjuju se po promjeni otpora žice koja se može mjeriti.Takvi termometri mogu mjeriti vrlo niske i vrlo visoke temperature, kada su konvencionalni termometri za tekućinu neprikladni.
Supervodljivost.
Otpor metala opada s padom temperature. Što se događa kada se temperatura približi apsolutnoj nuli?
Godine 1911. nizozemski fizičar X. Kamerling-Onnes otkrio je izvanredan fenomen - supravodljivost. Otkrio je da kada se živa ohladi u tekućem heliju, njezin se otpor prvo postupno mijenja, a zatim na temperaturi od 4,1 K vrlo naglo pada na nulu (slika 16.3).
Fenomen pada otpora vodiča na nulu na kritičnoj temperaturi naziva se supravodljivost.
Otkriće Kamerling-Onnesa, za koje je nagrađen 1913 Nobelova nagrada, dovelo je do proučavanja svojstava tvari na niske temperature Oh. Kasnije su otkriveni mnogi drugi supravodiči.
Supervodljivost mnogih metala i legura opaža se pri vrlo niskim temperaturama – počevši od oko 25 K. Referentne tablice daju temperature prijelaza u supravodljivo stanje nekih tvari.
Temperatura pri kojoj tvar postaje supravodljiva naziva se kritična temperatura.
Kritična temperatura ne ovisi samo o kemijski sastav tvari, ali i na građu samog kristala. Na primjer, sivi kositar ima dijamantnu strukturu s kubičnom kristalnom rešetkom i poluvodič je, dok bijeli kositar ima tetragonalnu jediničnu ćeliju i srebrno-bijeli je, meki, duktilni metal sposoban prijeći u supravodljivo stanje na temperaturi od 3,72 K.
Tvari u supravodljivom stanju imale su oštre anomalije u svojim magnetskim, toplinskim i nizom drugih svojstava, pa bi bilo ispravnije govoriti ne o supravodljivom stanju, nego o posebnom stanju tvari koje se promatra na niskim temperaturama.
Ako se u prstenastom vodiču, koji je u supravodljivom stanju, stvori struja, a zatim se izvor struje ukloni, tada se snaga te struje ne mijenja proizvoljno dugo vremena. U običnom (nesupervodljivom) vodiču električna struja u ovom slučaju prestaje.
Supervodiči se široko koriste. Tako se grade moćni elektromagneti sa supravodljivim namotom koji stvaraju magnetsko polje dulje vrijeme bez trošenja energije. Nakon svega u supravodljivom namotu ne stvara se toplina.
Međutim, nemoguće je dobiti proizvoljno jako magnetsko polje pomoću supravodljivog magneta. Vrlo jako magnetsko polje uništava supravodljivo stanje. Takvo polje može stvoriti i struja u samom supravodiču.Stoga za svaki vodič u supravodljivom stanju postoji kritična vrijednost jakosti struje koja se ne može prekoračiti bez narušavanja supravodljivog stanja.
U akceleratorima se koriste supravodljivi magneti elementarne čestice, magnetohidrodinamički generatori koji pretvaraju mehaničku energiju mlaza vrućeg ioniziranog plina koji se kreće u magnetskom polju u električnu energiju.
Objašnjenje supravodljivosti moguće je samo na temelju kvantne teorije. Dali su ga tek 1957. američki znanstvenici J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer i sovjetski znanstvenik, akademik N. N. Bogolyubov.
1986. godine otkrivena je visokotemperaturna supravodljivost. Dobiveni su složeni oksidni spojevi lantana, barija i drugih elemenata (keramika) s temperaturom prijelaza u supravodljivo stanje od oko 100 K. To je više od vrelišta tekućeg dušika pri atmosferskom tlaku (77 K).
Visokotemperaturna supravodljivost u bliskoj budućnosti zasigurno će dovesti do novog tehnička revolucija u cjelokupnoj elektrotehnici, radiotehnici, računalnom dizajnu. Sada je napredak u ovom području otežan potrebom da se vodiči ohlade do temperature ključanja skupog plina - helija.
Fizički mehanizam supravodljivosti prilično je kompliciran. Na vrlo pojednostavljen način, to se može objasniti na sljedeći način: elektroni se spajaju u pravilnu liniju i kreću se bez sudara s kristalnom rešetkom koja se sastoji od iona. Ovo se gibanje značajno razlikuje od običnog toplinskog gibanja, u kojem se slobodni elektron giba nasumično.
Nadamo se da će biti moguće stvoriti supravodnike i sobna temperatura. Generatori i elektromotori postat će iznimno kompaktni (nekoliko puta manji) i ekonomični. Električna energija se može prenositi na bilo koju udaljenost bez gubitaka i akumulirati u jednostavnim uređajima.
Kako temperatura vodiča raste, raste i broj sudara slobodnih elektrona s atomima. Stoga se smanjuje Prosječna brzina usmjereno kretanje elektrona, što odgovara povećanju otpora vodiča.
S druge strane, porastom temperature raste broj slobodnih elektrona i iona po jedinici volumena vodiča, što dovodi do smanjenja otpora vodiča.
Ovisno o prevlasti jednog ili drugog čimbenika, s povećanjem temperature, otpor se ili povećava (metali), ili smanjuje (ugljen, elektroliti), ili ostaje gotovo nepromijenjen (metalne legure, kao što je mangain).
Uz male 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 raznih materijala date su u tablici. 2-2.
Iz izraza (2-18) proizlazi da
Rezultirajuća formula (2-20) omogućuje određivanje temperature žice (namota), ako mjerite njezin otpor na zadanim ili poznatim vrijednostima.
Primjer 2-3. Odrediti otpor žica zračnog štapića na temperaturama ako je duljina vodova 400 m, a presjek bakrenih žica
Otpor vodova na temperaturi
Jedna od karakteristika svakog vodljivog materijala je ovisnost otpora o temperaturi. Ako je prikazano kao graf na kojem po Vodoravna os bilježe se vremenski intervali (t), a duž vertikale - vrijednost omskog otpora (R), tada će ispasti isprekidana linija. 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 određenog trenutka, nakon čega linija na grafikonu naglo ide gore - ovo je drugi odjeljak. Treća i posljednja komponenta je ravna crta koja ide gore od točke u kojoj je rast R stao, pod relativno malim kutom u odnosu na vodoravnu os.
fizičko značenje ovog grafikona je sljedeća: ovisnost otpora o temperaturi na vodiču opisuje se jednostavnim sve dok vrijednost grijanja ne prijeđe neku vrijednost koja je karakteristična za ovaj materijal. Navedimo apstraktan primjer: ako je na temperaturi od +10 ° C otpor tvari 10 Ohm, tada se do 40 ° C vrijednost R praktički neće promijeniti, ostajući unutar pogreške mjerenja. Ali već na 41 ° C doći će do skoka otpora do 70 ohma. Ako daljnji porast temperature ne prestane, tada će za svaki sljedeći stupanj postojati dodatnih 5 ohma.
Ova nekretnina ima široku primjenu u raznim električnim uređajima, stoga je prirodno dati podatke o bakru kao jednom od najčešćih materijala u Tako, za bakreni vodič, zagrijavanje za svaki dodatni stupanj dovodi do povećanja otpora za pola postotka specifičnog vrijednost (može se naći u referentnim tablicama, danim za 20 ° C, duljine 1 m s presjekom od 1 sq. mm).
Kada se dogodi u metalnom vodiču, pojavljuje se električna struja – usmjereno kretanje elementarnih čestica koje imaju naboj. Ioni koji se nalaze u čvorovima metala nisu u stanju dugo zadržati elektrone u svojim vanjskim orbitama, pa se slobodno kreću cijelim volumenom materijala od jednog čvora do drugog. Ovo kaotično kretanje nastaje zbog vanjske energije – topline.
Iako je činjenica kretanja očigledna, ono nije usmjereno, stoga se ne smatra strujom. Kada se pojavi električno polje, elektroni se orijentiraju u skladu s njegovom konfiguracijom, tvoreći usmjereno kretanje. No budući da toplinski učinak nije nigdje nestao, čestice koje se nasumično kreću sudaraju se s usmjerenim poljem. Ovisnost otpora metala o temperaturi pokazuje količinu smetnji u prolasku struje. Što je temperatura viša, to je veći R vodiča.
Očigledan zaključak: smanjenjem stupnja zagrijavanja, možete smanjiti otpor. (oko 20°K) upravo karakterizira značajno smanjenje toplinskog kaotičnog gibanja čestica u strukturi tvari.
Razmatrano svojstvo vodljivih materijala našlo je široku primjenu u elektrotehnici. Na primjer, ovisnost otpora vodiča o temperaturi koristi se u elektronički senzori. Znajući njegovu vrijednost za bilo koji materijal, možete napraviti termistor, spojiti ga na digitalni ili analogni uređaj za očitavanje, izvršiti odgovarajuću gradaciju skale i koristiti ga kao alternativu. Većina modernih temperaturnih senzora temelji se na ovom principu, jer je pouzdanost veća, a dizajn je jednostavniji.
Osim toga, ovisnost otpora o temperaturi omogućuje izračunavanje zagrijavanja namota elektromotora.
Toplinski otpor, termistor ili termistor tri su naziva za isti uređaj, čiji se otpor mijenja ovisno o zagrijavanju ili hlađenju.
Prednosti termistora:
- jednostavnost proizvodnje;
- izvrsne performanse pod velikim opterećenjem;
- stabilan rad;
- mala veličina proizvoda omogućuje korištenje u minijaturnim senzorima;
- niska toplinska inercija.
Vrste termistora i njihov princip rada
Osnova senzora je otporni element, za čiju se proizvodnju koriste poluvodiči, metali ili legure, odnosno elementi u kojima se opaža 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.
Određeni metalni halogenidi i halkogenidi također se mogu koristiti.
Ako se koristi metalni otporni element, izrađuje se u obliku žice. Ako poluvodič, onda - najčešće u obliku ploče.
Važno! Materijali od kojih se izrađuje toplinski otpor moraju imati veliki negativni temperaturni (NTC) ili pozitivni (PTK) koeficijent otpora.
Ako je koeficijent negativan, tada kada se zagrijava, otpor termistora pada, ako je pozitivan, povećava se.
Metalni termistori
Struja u metalima nastaje zbog kretanja elektrona. Njihova koncentracija se tijekom zagrijavanja ne povećava, ali se povećava brzina kaotičnog gibanja. Dakle, kada se zagrije, otpornost vodiča raste.
Ovisnost otpora metala o temperaturi je nelinearna i ima oblik:
Rt = R0(1 + A t + B t2 + ...), gdje je:
- Rt i R0 - otpor vodiča pri temperaturi t odnosno 0°C,
- A, B su koeficijenti koji ovise o materijalu. Koeficijent A naziva se temperaturni koeficijent.
Ako temperatura ne prelazi 100 ° C, tada se otpor vodiča izračunava pomoću sljedeće formule:
Rt = R0(1 + A t),
a ostali koeficijenti su zanemareni.
Svaka vrsta termistora ima određena ograničenja za korištenje. Tako se, na primjer, bakreni senzori mogu koristiti u temperaturnom rasponu od -50°S do +180°S, platina - od -200 do +650°S, uređaji od nikla - do 250-300°S.
Poluvodički termistori
Za izradu termistora koriste se oksidi CuO, CoO, MnO itd. Tijekom proizvodnje prah se sinterira u dio željenog oblika. Kako bi se spriječilo oštećenje otpornog elementa tijekom rada, prekriven je zaštitnim slojem.
U poluvodičkim uređajima ovisnost otpora o temperaturnim pokazateljima također nije linearna. S njegovim povećanjem u senzoru, vrijednost R naglo pada zbog povećanja koncentracije nositelja električnog naboja (rupa i elektrona). U ovom slučaju govorimo o senzorima s negativnim temperaturnim koeficijentom. Međutim, postoje termistori s pozitivnim koeficijentom koji se pri zagrijavanju ponašaju poput metala, t.j. R se povećava. Takvi senzori nazivaju se posistori (PTC senzori).
Formula za ovisnost otpora poluvodičkog termistora o temperaturi je:
gdje:
- A je konstanta koja karakterizira otpor materijala pri t = 20°S;
- T je apsolutna temperatura u stupnjevima Kelvina (T = t + 273);
- B je konstanta ovisno o fizikalna svojstva poluvodič.
Konstrukcija metalnih termistora
Postoje dvije glavne vrste dizajna instrumenata:
- navijanje;
- tanki filament.
U prvom slučaju, senzor je izrađen u obliku spirale. Žica je ili namotana oko cilindra od stakla ili keramike, ili je smještena unutar njega. Ako se namotavanje izvodi na cilindru, tada je nužno prekriveno zaštitnim slojem odozgo.
U drugom slučaju koristi se tanka podloga od keramike, safira, bakrenog oksida, cirkonija itd. Na njega se raspršuje tanak sloj metala koji je dodatno izoliran odozgo. Metalni sloj je izrađen u obliku staze i naziva se meandar.
Za tvoju informaciju. Kako bi zaštitio termistor, stavlja se u metalno kućište ili je na vrhu prekriven posebnim izolacijskim slojem.
Nema temeljnih razlika u radu obje vrste senzora, ali filmski uređaji rade u užem temperaturnom rasponu.
Sami uređaji mogu biti izrađeni ne samo u obliku šipki, već i perli, diskova itd.
Primjena termistora
Ako se toplinski otpor stavi u bilo koji medij, tada će njegova temperatura ovisiti o intenzitetu izmjene topline između njega i medija. Ovisi o nizu čimbenika: fizikalnim svojstvima medija (gustoća, viskoznost itd.), brzini medija, početnom omjeru indikatora temperature medija i termistora itd.
Dakle, poznavajući ovisnost otpora vodiča o temperaturi, moguće je odrediti kvantitativne pokazatelje samog medija, na primjer, brzinu, temperaturu, gustoću itd.
Jedna od bitnih karakteristika termistora je njegova mjerna točnost, odnosno koliko se stvarna očitanja termistora razlikuju od laboratorijskih. Točnost uređaja karakterizira klasa tolerancije, koja određuje maksimalno odstupanje od deklariranih pokazatelja. Klasa tolerancije data je kao funkcija temperature. Na primjer, vrijednosti tolerancije za platinaste senzore klase AA su ±(0,1 + 0,0017 |T|), klasa A - ±(0,15 + 0,002 |T|).
Važno! Naravno, pri stvaranju toplinske otpornosti, programeri nastoje minimizirati gubitke povezane s toplinskom vodljivošću i zračenjem samog uređaja tijekom rada.
Termistori se široko koriste u radioelektronici, sustavima toplinske kontrole, protupožarnim sustavima itd.
Video
Otpor metala nastaje zbog činjenice da elektroni koji se kreću u vodiču međusobno djeluju s ionima kristalne rešetke i gube dio energije koju dobivaju u električnom polju.
Iskustvo pokazuje da otpornost metala ovisi o temperaturi. Svaka tvar može se karakterizirati konstantnom vrijednošću za nju, tzv temperaturni koeficijent otpora α. Ovaj koeficijent jednak je relativnoj promjeni otpornosti vodiča kada se zagrije za 1 K: α =
gdje je ρ 0 otpornost na temperaturi T 0 = 273 K (0 °C), ρ je otpornost na danoj temperaturi T. Stoga se izražava ovisnost otpornosti metalnog vodiča o temperaturi linearna funkcija: ρ = ρ 0 (1+αT).
Ovisnost otpora o temperaturi izražava se istom funkcijom:
R = R0 (1+αT).
Temperaturni koeficijenti otpornosti čistih metala međusobno se relativno malo razlikuju i približno su jednaki 0,004 K -1 . Promjena otpora vodiča s promjenom temperature dovodi do činjenice da njihova strujno-naponska karakteristika nije linearna. To je osobito vidljivo u slučajevima kada se temperatura vodiča značajno mijenja, na primjer, kada radi žarulja sa žarnom niti. Na slici je prikazana njegova volt - amperska karakteristika. Kao što se može vidjeti iz slike, jačina struje u ovom slučaju nije izravno proporcionalna naponu. Međutim, ne treba misliti da je ovaj zaključak u suprotnosti s Ohmovim zakonom. Ovisnost formulirana u Ohmovom zakonu vrijedi samo uz stalni otpor. Ovisnost otpora metalnih vodiča o temperaturi koristi se u raznim mjernim i automatskim uređajima. Najvažniji od njih je otporni termometar. Glavni dio otpornog termometra je platinasta žica namotana na keramički okvir. Žica se postavlja u okolinu čiju temperaturu treba odrediti. Mjerenjem otpora ove žice i poznavanjem njenog otpora pri t 0 \u003d 0 ° C (tj. R0), izračunajte temperaturu medija koristeći posljednju formulu.
Supervodljivost. Međutim, do kraja XIX stoljeća. bilo je nemoguće provjeriti kako otpor vodiča ovisi o temperaturi u području vrlo niskih temperatura. Tek početkom XX stoljeća. Nizozemski znanstvenik G. Kamerling-Onnes uspio je najteže kondenzirani plin, helij, pretvoriti u tekuće stanje. Vrelište tekućeg helija je 4,2 K. To je omogućilo mjerenje otpora nekih čistih metala kada su ohlađeni na vrlo nisku temperaturu.
Godine 1911. rad Kamerling-Onnesa završio je velikim otkrićem. Istražujući otpor žive tijekom njezina stalnog hlađenja, otkrio je da je pri temperaturi od 4,12 K otpor žive naglo pao na nulu. Nakon toga, uspio je primijetiti isti fenomen u nizu drugih metala 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 supravodiči, ali njihov je broj prilično velik. Međutim, za mnoge od njih utvrđeno je da imaju svojstvo koje je uvelike ometalo njihovu upotrebu. Pokazalo se da za većinu čistih metala supravodljivost nestaje kada su u jakom magnetskom polju. Stoga, kada kroz supravodič teče značajna struja, on stvara oko sebe magnetsko polje i supravodljivost u njemu nestaje. 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.