> Beroende av motstånd på temperatur
Ta reda på hur motståndet beror på temperaturen: jämförelse av beroendet av motståndet hos material och resistivitet på temperatur, halvledare.
Resistans och resistivitet baseras på temperatur och är linjära till sin natur.
Lärande mål
- Jämför temperaturberoendet av specifikt och ordinärt motstånd för stora och små fluktuationer.
Huvudpunkter
- När temperaturen ändras med 100°C ändras resistiviteten (ρ) med ΔT som: p = p 0 (1 + αΔT), där ρ 0 är den initiala resistiviteten och α är resistivitetens temperaturkoefficient.
- Med betydande temperaturförändringar märks en icke-linjär förändring i resistivitet.
- Objektets motstånd är direkt proportionellt mot det specifika motståndet och uppvisar därför samma temperaturberoende.
Villkor
- En halvledare är ett ämne med elektriska egenskaper som kännetecknar den som en bra ledare eller isolator.
- Temperaturkoefficienten för resistivitet är en empirisk storhet (α) som beskriver förändringen i resistans eller resistivitet med temperaturen.
- Resistivitet är graden till vilken ett material motstår elektriskt flöde.
Materialets resistans baseras på temperatur, så det är möjligt att spåra resistivitetens beroende av temperatur. Vissa är kapabla att bli supraledare (noll motstånd) på mycket låga temperaturer, och andra – på höga. Atomernas vibrationshastighet ökar över långa avstånd, så elektroner som rör sig genom metallen kolliderar oftare och ökar motståndet. Resistiviteten ändras med temperaturen ΔT:
Motståndet hos ett visst kvicksilverprov når noll vid en extremt låg temperatur (4,2 K). Om indikatorn är över detta märke, finns det ett plötsligt hopp i motstånd, och sedan en nästan linjär ökning med temperaturen
p = p 0 (1 + αΔT), där ρ 0 är den initiala resistiviteten och α är resistivitetens temperaturkoefficient. Med allvarliga temperaturförändringar kan α ändras, och för att hitta p kan det krävas en olinjär ekvation. Det är därför de ibland lämnar ett suffix av den temperatur vid vilken ämnet förändrades (till exempel α15).
Det är värt att notera att α är positivt för metaller, och resistiviteten ökar med temperaturen. Typiskt är temperaturkoefficienten +3 × 10 -3 K -1 till +6 × 10 -3 K -1 för metaller med ca. rumstemperatur. Det finns legeringar som är speciellt utvecklade för att minska temperaturberoendet. Till exempel har manganin α nära noll.
Glöm inte också att α är negativ för halvledare, det vill säga deras resistivitet minskar med ökande temperatur. De är utmärkta ledare vid höga temperaturer eftersom ökad temperaturblandning ökar mängden gratis laddning som är tillgänglig för att överföra ström.
Motståndet hos ett föremål är också baserat på temperatur, eftersom R 0 står i direkt proportion till p. Vi vet att för en cylinder R = ρL/A. Om L och A inte förändras mycket med temperaturen så har R samma temperaturberoende som ρ. Det visar sig:
R = R 0 (1 + αΔT), där R 0 är det initiala motståndet, och R är motståndet efter att temperaturen T ändrats.
Låt oss titta på temperatursensorns motstånd. Många termometrar fungerar enligt detta schema. Det vanligaste exemplet är termistorn. Detta är en halvledarkristall med ett starkt temperaturberoende. Enheten är liten, så den kommer snabbt i termisk balans med den mänskliga delen den vidrör.
Termometrar är baserade på automatisk mätning temperaturmotstånd termistor
Specifik resistans, och därför motståndet hos metaller, beror på temperaturen och ökar med temperaturen. Temperaturberoendet av ledarmotståndet förklaras av det faktum att
- intensiteten av spridning (antal kollisioner) av laddningsbärare ökar med ökande temperatur;
- deras koncentration ändras när ledaren värms upp.
Erfarenhet visar att vid temperaturer som inte är för höga och inte för låga, uttrycks beroendet av resistivitet och ledarmotstånd på temperaturen med formlerna:
var är resistiviteterna för ledarsubstansen vid 0°C respektive t°C; R 0 , R t - ledarresistans vid 0°C och t°C, - resistanstemperaturkoefficient: mätt i SI i Kelvin minus första potensen (K -1). För metallledare är dessa formler tillämpliga från och med temperaturer på 140 K och högre.
Ämnen kännetecknas av beroendet av förändringen i motståndet vid upphettning på typen av ämne. Det är numeriskt lika med den relativa förändringen i resistans (resistivitet) hos ledaren när den värms upp med 1 K.
var är medelvärdet temperatur koefficient motstånd i intervallet.
För alla metallledare > 0 och varierar något med temperaturen. För rena metaller = 1/273 K -1. I metaller är koncentrationen av fria laddningsbärare (elektroner) n = const och ökningen sker på grund av en ökning av intensiteten av spridning av fria elektroner på joner i kristallgittret.
För elektrolytlösningar 0, till exempel, för en 10% lösning bordssalt= -0,02 K-1. Motståndet hos elektrolyter minskar med ökande temperatur, eftersom ökningen av antalet fria joner på grund av dissociationen av molekyler överstiger ökningen i dispersionen av joner under kollisioner med lösningsmedelsmolekyler.
Formlerna för R och Rs beroende av temperatur för elektrolyter liknar formlerna ovan för metallledare. Det bör noteras att detta linjära beroende endast bevaras i ett litet temperaturområde, i vilket = konst. Vid stora temperaturintervall blir elektrolytmotståndets beroende av temperaturen olinjärt.
Grafiskt visas beroendet av motståndet hos metallledare och elektrolyter på temperaturen i figurerna 1, a, b.
Vid mycket låga temperaturer, nära absolut noll (-273 °C), sjunker motståndet hos många metaller plötsligt till noll. Detta fenomen kallas supraledning. Metallen går in i ett supraledande tillstånd.
Metallresistans beroende av temperatur används i motståndstermometrar. Vanligtvis används platinatråd som termometrisk kropp av en sådan termometer, vars beroende av motstånd på temperaturen har studerats tillräckligt.
Temperaturförändringar bedöms av förändringar i trådresistans, som kan mätas. Sådana termometrar låter dig mäta mycket låga och mycket höga temperaturer när konventionella vätsketermometrar är olämpliga.
Erfarenheter i enlighet med de allmänna övervägandena i § 46 visar att motståndet hos en ledare också beror på dess temperatur.
Låt oss linda flera meter tunn (0,1-0,2 mm i diameter) järntråd 1 i form av en spiral och ansluta den till en krets som innehåller ett batteri av galvaniska celler 2 och en amperemeter 3 (fig. 81). Vi väljer motståndet för denna tråd så att amperemeternålen vid rumstemperatur avviker nästan hela skalan. Efter att ha noterat amperemeteravläsningarna värmer vi kraftigt tråden med en ficklampa. Vi kommer att se att när den värms upp minskar strömmen i kretsen, vilket innebär att trådens motstånd ökar när den värms upp. Detta resultat inträffar inte bara med järn, utan också med alla andra metaller. När temperaturen stiger ökar motståndet hos metaller. För vissa metaller är denna ökning signifikant: för rena metaller när den värms upp till 100°C når den 40-50%; för legeringar är det vanligtvis mindre. Det finns speciella legeringar där motståndet nästan inte förändras med ökande temperatur; som till exempel konstantan (från latinska ord constans - konstant) och manganin. Constantan används för att göra vissa mätinstrument.
Ris. 81. Ett experiment som visar trådresistansens beroende av temperaturen. Vid uppvärmning ökar trådens motstånd: 1 – tråd, 2 – batteri av galvaniska celler, 3 – amperemeter
Annars förändras elektrolyternas motstånd vid upphettning. Låt oss upprepa det beskrivna experimentet, men introducera någon form av elektrolyt i kretsen istället för en järntråd (fig. 82). Vi kommer att se att amperemeteravläsningarna ökar hela tiden när elektrolyten värms upp, vilket gör att elektrolyternas motstånd minskar när temperaturen ökar. Observera att motståndet hos kol och vissa andra material också minskar vid upphettning.
Ris. 82. Ett experiment som visar elektrolytmotståndets beroende av temperaturen. Vid uppvärmning minskar elektrolytens motstånd: 1 – elektrolyt, 2 – batteri av galvaniska celler, 3 – amperemeter
Metallernas motståndsberoende på temperatur används för att konstruera motståndstermometrar. I sin enklaste form är det en tunn platinatråd lindad på en glimmerplatta (fig. 83), vars resistans vid olika temperaturer är välkänd. En motståndstermometer placeras inuti kroppen vars temperatur du vill mäta (till exempel i en ugn), och lindningens ändar är anslutna till kretsen. Genom att mäta lindningsmotståndet kan temperaturen bestämmas. Sådana termometrar används ofta för att mäta mycket höga och mycket låga temperaturer, vid vilka kvicksilvertermometrar inte längre är användbara.
Ris. 83. Motståndstermometer
Ökningen av motståndet hos en ledare när den värms upp med 1°C, dividerat med initialmotståndet, kallas motståndets temperaturkoefficient och betecknas vanligtvis med bokstaven. Generellt sett beror själva motståndets temperaturkoefficient på temperaturen. Värdet har en betydelse, till exempel om vi höjer temperaturen från 20 till 21°C, och en annan om vi höjer temperaturen från 200 till 201°C. Men i många fall är förändringen över ett ganska brett temperaturområde obetydlig, och medelvärdet över detta område kan användas. Om motståndet hos en ledare vid temperatur är lika med , och vid temperatur är lika med , då medelvärdet
. (48.1)
Vanligtvis tas resistansen vid en temperatur på 0°C som värde.
Tabell 3. Genomsnittlig temperaturkoefficient för motstånd för vissa ledare (i intervallet från 0 till 100 ° C)
|
Ämne |
Ämne |
||
|
Volfram |
|||
|
Constantan |
|||
|
Manganin |
I tabell Tabell 3 visar värdena för vissa ledare.
48.1. När du tänder en glödlampa skiljer sig strömmen i kretsen i första ögonblicket från strömmen som flyter efter att glödlampan börjat lysa. Hur förändras strömmen i en krets med en kollampa och en lampa med en metalltråd?
48.2. Motståndet för en avstängd glödlampa med en volframglödtråd är 60 ohm. När den är helt uppvärmd ökar glödlampans motstånd till 636 ohm. Vad är temperaturen på det varma glödtråden? Använd tabellen. 3.
48.3. Motståndet hos en elektrisk ugn med nickellindning i ouppvärmt tillstånd är 10 ohm. Vad blir motståndet för denna ugn när dess lindning värms upp till 700°C? Använd tabellen. 3.
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 när den värms upp, 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 lindningen 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
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 betecknat - 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