« Fysik - 10:e klass"
Som fysisk kvantitet kallas motstånd
Vad och hur beror motståndet hos en metallledare?
Olika ämnen har olika resistivitet. Beror motståndet på ledarens tillstånd? på dess temperatur? Erfarenhet bör ge svaret.
Om du för ström från batteriet genom en stålspiral och sedan börjar värma det i brännarlågan, kommer amperemetern att visa en minskning av strömstyrkan. Detta betyder att när temperaturen ändras ändras ledarens motstånd.
Om ledarens resistans vid en temperatur på 0 °C är lika med R 0 och vid en temperatur t är den lika med R, är den relativa resistansändringen, som erfarenheten visar, direkt proportionell mot temperaturändringen t:
Proportionalitetskoefficienten α kallas motståndets temperaturkoefficient.
Temperaturkoefficient för motstånd- ett värde lika med förhållandet mellan den relativa förändringen i ledarens motstånd och förändringen i dess temperatur.
Det kännetecknar beroendet av ett ämnes motståndskraft på temperaturen.
Resistansens temperaturkoefficient är numeriskt lika med den relativa förändringen i ledarens motstånd när den värms upp med 1 K (med 1 °C).
För alla metallledare är koefficienten α > 0 och ändras något med temperaturen. Om temperaturändringsintervallet är litet kan temperaturkoefficienten anses vara konstant och lika med dess medelvärde över detta temperaturintervall. För rena metaller
För elektrolytlösningar ökar inte motståndet med ökande temperatur, utan minskar. För dem α< 0. Например, для 10%-ного раствора bordssalt a = -0,02 K-1.
När ledaren är uppvärmd, den geometriska dimensionerändras något. Motståndet hos en ledare förändras främst på grund av en förändring i dess resistivitet. Du kan hitta beroendet av denna resistivitet på temperatur om du ersätter värdena i formeln (16.1) 
Beräkningarna leder till följande resultat:
ρ = ρ 0 (1 + αt), eller ρ = ρ 0 (1 + αΔТ), (16,2)
där ΔT är förändringen i absolut temperatur.
Eftersom a ändras lite när temperaturen på ledaren ändras kan vi anta det resistivitet ledaren beror linjärt på temperaturen (Fig. 16.2).
Ökningen av motstånd kan förklaras av det faktum att med ökande temperatur ökar amplituden av vibrationer av joner vid noderna i kristallgittret, så fria elektroner kolliderar med dem oftare och förlorar därigenom rörelseriktningen. Även om koefficienten a är ganska liten, med hänsyn till motståndets beroende av temperatur vid beräkning av parametrar uppvärmningsanordningar absolut nödvändigt. Således ökar motståndet hos volframtråden i en glödlampa med mer än 10 gånger när ström passerar genom den på grund av uppvärmning.
För vissa legeringar, till exempel en legering av koppar och nickel (Konstantin), är motståndstemperaturkoefficienten mycket liten: α ≈ 10 -5 K -1; Konstantins resistivitet är hög: ρ ≈ 10 -6 Ohm m Sådana legeringar används för tillverkning av standardresistorer och extra resistorer för mätinstrument, d.v.s. i de fall det krävs att resistansen inte ändras märkbart med temperaturfluktuationer.
Det finns också metaller, till exempel nickel, tenn, platina, etc., vars temperaturkoefficient är betydligt högre: α ≈ 10 -3 K -1. Beroendet av deras motstånd på temperaturen kan användas för att mäta själva temperaturen, vilket görs i motståndstermometrar.
Enheter gjorda av halvledarmaterial är också baserade på motståndets beroende av temperatur - termistorer. De kännetecknas av en stor motståndskoefficient för temperatur (tiotals gånger högre än för metaller) och egenskapernas stabilitet över tiden. Termistorvärdena är betydligt högre än metallresistanstermometrar, vanligtvis 1, 2, 5, 10, 15 och 30 kΩ.
Vanligtvis tas platinatråd som det huvudsakliga arbetselementet i en motståndstermometer, vars temperaturberoende är välkänt. Temperaturförändringar härleds från förändringen i trådmotståndet, som kan mätas. Sådana termometrar gör det möjligt att mäta mycket låga och mycket höga temperaturer när konventionella vätsketermometrar är olämpliga.
Superledningsförmåga.
Metallernas motstånd minskar med sjunkande temperatur. Vad händer när temperaturen närmar sig absolut noll?
1911 upptäckte den holländska fysikern H. Kamerlingh-Onnes ett anmärkningsvärt fenomen - supraledning. Han upptäckte att när kvicksilver kyls i flytande helium ändras dess motstånd först gradvis och sedan vid en temperatur på 4,1 K sjunker mycket kraftigt till noll (Fig. 16.3).
Fenomenet att en ledares motstånd sjunker till noll vid en kritisk temperatur kallas supraledning.
Upptäckten av Kamerlingh Onnes, som han belönades för 1913 Nobelpriset, innebar studier av ämnens egenskaper vid låga temperaturerÅh. Senare upptäcktes många andra supraledare.
Superledningsförmåga hos många metaller och legeringar observeras vid mycket låga temperaturer - från cirka 25 K. Referenstabeller anger temperaturerna för övergången till det supraledande tillståndet för vissa ämnen.
Den temperatur vid vilken ett ämne går in i ett supraledande tillstånd kallas kritisk temperatur.
Den kritiska temperaturen beror inte bara på kemisk sammansättning substans, men också på själva kristallens struktur. Till exempel har grått tenn strukturen av diamant med ett kubiskt kristallgitter och är en halvledare, och vitt tenn har en tetragonal enhetscell och är en silvervit, mjuk, seg metall som kan övergå till ett supraledande tillstånd vid en temperatur av 3,72 K.
För ämnen i ett supraledande tillstånd noterades skarpa anomalier i magnetiska, termiska och ett antal andra egenskaper, så det är mer korrekt att inte tala om ett supraledande tillstånd, utan om ett speciellt tillstånd av materia som observeras vid låga temperaturer.
Om en ström skapas i en ringledare som är i ett supraledande tillstånd, och sedan strömkällan tas bort, ändras inte styrkan på denna ström under någon längre tid. I en vanlig (icke supraledande) ledare stannar den elektriska strömmen i detta fall.
Supraledare används ofta. Således byggs kraftfulla elektromagneter med supraledande lindning som skapar ett magnetfält under långa tidsperioder utan att förbruka energi. Trots allt Det finns ingen värmeutveckling i den supraledande lindningen.
Det är dock omöjligt att erhålla ett godtyckligt starkt magnetfält med hjälp av en supraledande magnet. Ett mycket starkt magnetfält förstör det supraledande tillståndet. Ett sådant fält kan också skapas av en ström i själva supraledaren. Därför finns det för varje ledare i ett supraledande tillstånd ett kritiskt strömvärde, som inte kan överskridas utan att bryta det supraledande tillståndet.
Supraledande magneter används i acceleratorer elementarpartiklar, magnetohydrodynamiska generatorer som omvandlar den mekaniska energin från en stråle av het joniserad gas som rör sig i ett magnetfält till elektrisk energi.
En förklaring av supraledning är möjlig endast på basis av kvantteorin. Den gavs först 1957 av de amerikanska vetenskapsmännen J. Bardin, L. Cooper, J. Schrieffer och den sovjetiska vetenskapsmannen, akademikern N. N. Bogolyubov.
1986 upptäcktes supraledning vid hög temperatur. Komplexa oxidföreningar av lantan, barium och andra grundämnen (keramer) med en övergångstemperatur till det supraledande tillståndet på ca 100 K har erhållits. Detta är högre än kokpunkten för flytande kväve vid atmosfärstryck (77 K).
Hög temperatur supraledning inom en snar framtid kommer säkert att leda till en ny teknisk revolution inom all elektroteknik, radioteknik, datordesign. För närvarande hämmas framstegen inom detta område av behovet att kyla ledare till kokpunkten för den dyra gasen helium.
Den fysiska mekanismen för supraledning är ganska komplex. Det kan förklaras mycket enkelt så här: elektroner förenas i en regelbunden linje och rör sig utan att kollidera med ett kristallgitter som består av joner. Denna rörelse skiljer sig markant från vanlig termisk rörelse, där en fri elektron rör sig kaotiskt.
Vi får hoppas att det ska gå att skapa supraledare även kl rumstemperatur. Generatorer och elmotorer kommer att bli extremt kompakta (flera gånger mindre) och ekonomiska. Elektricitet kan överföras över vilket avstånd som helst utan förlust och ackumuleras i enkla enheter.
När temperaturen på ledaren ökar ökar antalet kollisioner mellan fria elektroner och atomer. Följaktligen minskar det medelhastighet riktningsrörelse av elektroner, vilket motsvarar en ökning av ledarens motstånd.
Å andra sidan, när temperaturen ökar, ökar antalet fria elektroner och joner per volymenhet av ledaren, vilket leder till en minskning av ledarens motstånd.
Beroende på dominansen av en eller annan faktor, med ökande temperatur, ökar motståndet antingen (metaller), eller minskar (kol, elektrolyter), eller förblir nästan oförändrat (metallegeringar, till exempel mangain).
Vid mindre temperaturförändringar (0-100°C) förblir den relativa resistansökningen motsvarande uppvärmning med 1°C, kallad temperaturkoefficienten för motstånd a, konstant för de flesta metaller.
Efter att ha angett motstånd vid temperaturer kan vi skriva ett uttryck för den relativa ökningen av motstånd när temperaturen ökar från till:
Temperaturkoefficient för resistansvärden för olika material ges i tabellen. 2-2.
Av uttryck (2-18) följer att
Den resulterande formeln (2-20) gör det möjligt att bestämma temperaturen på tråden (lindningen) genom att mäta dess motstånd vid givna eller kända värden.
Exempel 2-3. Bestäm resistansen för luftledningstrådarna vid temperaturer om ledningslängden är 400 m och koppartrådarnas tvärsnitt
Motstånd hos ledningstrådar vid temperatur
En av egenskaperna hos alla elektriskt ledande material är motståndets beroende av temperaturen. Om det är avbildat som en graf över var horisontell axel tidsintervall (t) är markerade, och längs den vertikala linjen - värdet på ohmskt motstånd (R), får du en bruten linje. Motståndets beroende av temperatur består schematiskt av tre sektioner. Den första motsvarar lätt uppvärmning - vid denna tidpunkt ändras motståndet mycket lite. Detta händer tills en viss punkt, varefter linjen på grafen går skarpt upp - detta är den andra sektionen. Den tredje och sista komponenten är en rät linje som sträcker sig uppåt från den punkt där tillväxten av R stannade, i en relativt liten vinkel mot den horisontella axeln.
Fysisk mening i denna graf är följande: motståndets beroende av ledarens temperatur beskrivs som enkelt tills mängden uppvärmning överstiger något värde som är karakteristiskt specifikt för av detta material. Låt oss ge ett abstrakt exempel: om vid en temperatur på +10 °C resistansen hos ett ämne är 10 ohm, så kommer upp till 40 °C värdet på R praktiskt taget inte att förändras, förbli inom mätfelet. Men redan vid 41°C blir det ett hopp i motståndet till 70 Ohm. Om den ytterligare ökningen av temperaturen inte slutar, kommer det att finnas ytterligare 5 ohm för varje efterföljande grad.
Denna fastighet används ofta i olika elektriska apparater, så det är naturligt att tillhandahålla data om koppar som ett av de vanligaste materialen i. Så för en kopparledare leder uppvärmning för varje ytterligare grad till en ökning av motståndet med en halv procent av den specifika värde (finns i referenstabeller, angivna för 20°C, 1 m längd med en sektion på 1 mm2).
När det förekommer i en metallledare uppstår en elektrisk ström - den riktade rörelsen av elementarpartiklar med en laddning. Joner som finns i metallnoder kan inte hålla elektroner i sina yttre banor under lång tid, så de rör sig fritt genom hela materialets volym från en nod till en annan. Denna kaotiska rörelse orsakas av extern energi - värme.
Även om rörelsen är uppenbar, är den inte riktad och betraktas därför inte som en ström. När ett elektriskt fält uppträder är elektronerna orienterade i enlighet med dess konfiguration och bildar en riktad rörelse. Men eftersom den termiska effekten inte har försvunnit någonstans kolliderar kaotiskt rörliga partiklar med riktade fält. Beroendet av metallresistans på temperaturen visar mängden störningar med strömpassage. Ju högre temperatur, desto högre R på ledaren.
Den uppenbara slutsatsen: genom att minska uppvärmningsgraden kan du minska motståndet. (cirka 20°K) kännetecknas exakt av en signifikant minskning av den termiska kaotiska rörelsen av partiklar i substansens struktur.
Denna egenskap hos ledande material har fått bred tillämpning inom elektroteknik. Till exempel används ledarmotståndets beroende av temperatur i elektroniska sensorer. Genom att känna till dess värde för något material kan du göra en termistor, ansluta den till en digital eller analog avläsningsenhet, utföra lämplig skalkalibrering och använda den som ett alternativ De flesta moderna temperatursensorer är baserade på just denna princip, eftersom tillförlitligheten är högre och designen är enklare.
Dessutom gör motståndets beroende av temperatur det möjligt att beräkna uppvärmningen av elmotorlindningar.
Termisk resistans, termistor eller termistor är tre namn för samma enhet, vars resistans ändras beroende på dess uppvärmning eller kylning.
Fördelar med en termistor:
- enkel tillverkning;
- utmärkt prestanda under tunga belastningar;
- stabilt arbete;
- produktens små dimensioner gör att den kan användas i miniatyrsensorer;
- låg termisk tröghet.
Typer av termistorer och deras funktionsprincip
Basen för sensorn är ett resistivt element, för tillverkning av vilket halvledare, metaller eller legeringar används, det vill säga element där det finns ett uttalat motståndsberoende på temperatur. Alla material som används i deras skapelse måste ha en hög specifik temperaturkoefficient för motstånd.
Följande material och deras oxider används för tillverkning av termistorer:
- platina;
- nickel;
- koppar;
- mangan;
- kobolt.
Halider och kalkogenider av vissa metaller kan också användas.
Om ett metallresistivt element används, är det gjort i form av en tråd. Om halvledare, då oftast i form av en platta.
Viktig! Materialen som den termiska resistansen är gjord av måste ha en stor negativ temperaturkoefficient (NTC) eller positiv temperaturkoefficient (PTK).
Om koefficienten är negativ, minskar termistorns resistans vid uppvärmning, om den är positiv ökar den.
Metall termistorer
Ström i metaller bildas på grund av elektronernas rörelse. Deras koncentration ökar inte vid upphettning, men hastigheten på kaotiska rörelser ökar. Sålunda, vid uppvärmning, ökar resistiviteten hos ledaren.
Beroendet av metallresistans på temperaturen är olinjärt och har formen:
Rt = R0(1 + At + B t2 + …), där:
- Rt och R0 – ledarresistans vid temperaturer t respektive 0°С,
- A, B – koefficienter som beror på materialet. Koefficient A kallas temperaturkoefficient.
Om temperaturen inte överstiger 100°C, beräknas ledarresistansen med hjälp av följande formel:
Rt = R0(1 + A t),
och de återstående koefficienterna försummas.
Varje typ av termistor har vissa begränsningar för användning. Till exempel kan kopparsensorer användas i temperaturområdet från -50 °C till +180 °C, platinasensorer - från -200 till +650 °C, nickelenheter - upp till 250-300 °C.
Halvledar termistorer
För tillverkning av termistorer används oxider CuO, CoO, MnO, etc. Under tillverkningen sintras pulvret till en del av önskad form. För att förhindra skador på det resistiva elementet under drift är det täckt med ett skyddande lager.
I halvledarenheter är resistivitetens beroende av temperatur inte heller linjärt. När det ökar sjunker R-värdet i sensorn kraftigt på grund av en ökning av koncentrationen av elektriska laddningsbärare (hål och elektroner). I det här fallet talar vi om sensorer med en negativ temperaturkoefficient. Det finns dock termistorer med positiv koefficient, som vid uppvärmning beter sig som metaller, d.v.s. R ökar. Sådana sensorer kallas posistorer (PTC-sensorer).
Formeln för beroendet av motståndet hos en halvledartermistor på temperaturen är:
Var:
- A är en konstant som kännetecknar materialets resistans vid t = 20°C;
- T – absolut temperatur i grader Kelvin (T = t + 273);
- B är en konstant beroende på fysikaliska egenskaper halvledare.
Konstruktion av metalltermistorer
Det finns två huvudtyper av enhetsdesign:
- lindning;
- tunnflätad.
I det första fallet är sensorn gjord i form av en spiral. Tråden lindas antingen runt en cylinder gjord av glas eller keramik, eller placeras inuti den. Om lindning utförs längs en cylinder, måste den täckas med ett skyddande lager ovanpå.
I det andra fallet används ett tunt substrat av keramik, safir, kopparoxid, zirkonium etc. Ett tunt lager av metall sprayas på den, som är extra isolerad ovanpå. Metallskiktet är gjort i form av en bana och kallas en meander.
För din information. För att skydda termistorn placeras den i ett metallhölje eller täcks med ett speciellt isolerande lager ovanpå.
Det finns inga grundläggande skillnader i driften av båda typerna av sensorer, men filmenheter fungerar i ett smalare temperaturområde.
Själva enheterna kan tillverkas inte bara i form av stavar, utan också pärlor, skivor etc.
Tillämpningar av termistorer
Om ett termiskt motstånd placeras i någon miljö, kommer dess temperatur att bero på intensiteten av värmeväxlingen mellan den och omgivningen. Detta beror på ett antal faktorer: mediets fysiska egenskaper (densitet, viskositet, etc.), mediets rörelsehastighet, det initiala förhållandet mellan temperaturindikatorerna för mediet och termistorn, etc.
Genom att känna till ledarmotståndets beroende av temperatur är det alltså möjligt att bestämma kvantitativa indikatorer för själva mediet, till exempel hastighet, temperatur, densitet, etc.
En av de viktiga egenskaperna hos en termistor är dess mätnoggrannhet, det vill säga hur mycket de verkliga termistoravläsningarna skiljer sig från laboratorievärdena. Anordningens noggrannhet kännetecknas av en toleransklass, som bestämmer den maximala avvikelsen från de angivna värdena. Toleransklassen anges som en funktion av temperaturen. Till exempel är toleransvärdena för klass AA platinasensorer ±(0,1 + 0,0017 |T|), klass A - ±(0,15 + 0,002 |T|).
Viktig! Naturligtvis, när man skapar ett termiskt motstånd, strävar utvecklare efter att minimera förluster under drift i samband med värmeledningsförmåga och strålningsemission av själva enheten.
Termistorer används ofta i radioelektronik, termiska kontrollsystem, brandsystem, etc.
Video
Motståndet hos metaller beror på att elektroner som rör sig i en ledare interagerar med joner i kristallgittret och därigenom förlorar en del av energin som de får i ett elektriskt fält.
Erfarenheten visar att motståndet hos metaller beror på temperaturen. Varje ämne kan karakteriseras av ett konstant värde för det, kallat temperaturkoefficient för motstånd α. Denna koefficient är lika med den relativa förändringen i ledarens resistivitet när den värms upp med 1 K: α =
där ρ 0 är resistiviteten vid temperatur T 0 = 273 K (0°C), ρ är resistiviteten vid en given temperatur T. Därför uttrycks beroendet av en metallledares resistivitet på temperaturen linjär funktion: ρ = ρ 0 (1+ αT).
Motståndets beroende av temperatur uttrycks av samma funktion:
R = Ro (1+ aT).
Temperaturkoefficienterna för motståndet för rena metaller skiljer sig relativt lite från varandra och är ungefär lika med 0,004 K -1. En förändring i ledarnas resistans med en förändring i temperatur leder till att deras strömspänningskarakteristik inte är linjär. Detta är särskilt märkbart i de fall då ledarnas temperatur ändras avsevärt, till exempel när man använder en glödlampa. Figuren visar dess volt-amperekarakteristik. Som framgår av figuren är strömstyrkan i detta fall inte direkt proportionell mot spänningen. Man ska dock inte tro att denna slutsats strider mot Ohms lag. Det beroende som formuleras i Ohms lag är endast giltigt med konstant motstånd. Beroendet av motståndet hos metallledare på temperaturen används i olika mät- och automatiska enheter. Den viktigaste av dem är motståndstermometer. Huvuddelen av motståndstermometern är en platinatråd lindad på en keramisk ram. Tråden placeras i ett medium vars temperatur måste bestämmas. Genom att mäta motståndet hos denna tråd och känna till dess motstånd vid t 0 = 0 °C (dvs. R 0), beräkna mediets temperatur med den sista formeln.
Superledningsförmåga. Dock fram till slutet av 1800-talet. det var omöjligt att kontrollera hur ledarnas motstånd beror på temperaturen i området med mycket låga temperaturer. Först i början av 1900-talet. Den holländska forskaren G. Kamerlingh Onnes lyckades omvandla den svåraste att kondensera gasen - helium - till ett flytande tillstånd. Kokpunkten för flytande helium är 4,2 K. Detta gjorde det möjligt att mäta motståndet hos vissa rena metaller när de kyls till en mycket låg temperatur.
1911 kulminerade Kamerlingh Onnes arbete i en stor upptäckt. Genom att studera kvicksilvrets motstånd när det ständigt kyldes, upptäckte han att vid en temperatur på 4,12 K sjönk kvicksilvrets motstånd abrupt till noll. Därefter kunde han observera samma fenomen i ett antal andra metaller när de kyldes till temperaturer nära absolut noll. Fenomenet med fullständig förlust av metall elektrisk resistans vid en viss temperatur kallas supraledning.
Inte alla material kan bli supraledare, men deras antal är ganska stort. Många av dem visade sig dock ha en egenskap som avsevärt försvårade deras användning. Det visade sig att för de flesta rena metaller försvinner supraledning när de befinner sig i ett starkt magnetfält. Därför, när en betydande ström flyter genom en supraledare, skapar den ett magnetfält runt sig själv och supraledning försvinner i den. Trots detta visade sig detta hinder vara överkomligt: det visade sig att vissa legeringar, till exempel niob och zirkonium, niob och titan, etc., har egenskapen att bibehålla sin supraledning vid stora värden strömstyrka. Detta möjliggjorde mer utbredd användning av supraledning.