Jak odpor závisí na teplotě

Každý elektrikář se ve své praxi setkává s různými podmínkami pro průchod nosičů náboje v kovech, polovodičích, plynech a kapalinách. Velikost proudu je ovlivněna elektrickým odporem, který se vlivem prostředí různě mění.

Jedním z těchto faktorů je vystavení teplotě. Protože výrazně mění podmínky toku proudu, berou jej konstruktéři v úvahu při výrobě elektrických zařízení. Elektrický personál zapojený do údržby a provozu elektrických instalací musí tyto funkce při praktické práci kvalifikovaně používat.

Vliv teploty na elektrický odpor kovů

Ve školním kurzu fyziky se navrhuje provést takový experiment: vezměte ampérmetr, baterii, kus drátu, spojovací dráty a svítilnu. Místo ampérmetru s baterií můžete připojit ohmmetr nebo použít jeho režim v multimetru.

Dále je třeba sestavit elektrický obvod zobrazený na obrázku a změřit proud v obvodu.Jeho hodnota je na miliampérmetrové stupnici vyznačena černou šipkou.

Nyní přivedeme plamen hořáku k drátu a začneme jej zahřívat. Když se podíváte na ampérmetr, uvidíte, že se ručička posune doleva a dosáhne červeně označené polohy.

Výsledek experimentu ukazuje, že při zahřívání kovů klesá jejich vodivost a zvyšuje se jejich odpor.

Matematické zdůvodnění tohoto jevu dávají vzorce přímo na obrázku. V dolním výrazu je jasně vidět, že elektrický odpor «R» kovového vodiče je přímo úměrný jeho teplotě «T» a závisí na několika dalších parametrech.

Jak ohřívání kovů omezuje elektrický proud v praxi

Žárovky

Každý den se při rozsvícení světel setkáváme s projevem této vlastnosti u žárovek. Proveďme jednoduchá měření na 60 wattové žárovce.

Nejjednodušším ohmmetrem, napájeným nízkonapěťovou baterií 4,5 V, změříme odpor mezi kontakty základny a vidíme hodnotu 59 ohmů. Tuto hodnotu vlastní studené vlákno.

Žárovku zašroubujeme do objímky a připojíme k ní přes ampérmetr napětí domácí sítě 220 voltů. Ručička ampérmetru bude ukazovat 0,273 ampéru. Z Ohmův zákon pro část obvodu určit odpor závitu v zahřátém stavu. Bude to 896 ohmů a překročí předchozí hodnotu ohmmetru 15,2krát.

Tento přebytek chrání kov svítícího tělesa před spálením a zničením a zajišťuje jeho dlouhodobý provoz pod napětím.

Přechodové jevy při zapnutí

Při práci závitu se na něm vytváří tepelná rovnováha mezi ohřevem procházejícím elektrickým proudem a odvodem části tepla do okolí. Ale v počáteční fázi zapínání, když je přiloženo napětí, dochází k přechodovým jevům, které vytvářejí náběhový proud, který může způsobit spálení vlákna.

Přechodné procesy probíhají krátkodobě a jsou způsobeny tím, že rychlost nárůstu elektrického odporu při ohřevu kovu nedrží krok s nárůstem proudu. Po jejich dokončení se nastaví provozní režim.

Při delším svícení žárovky se tloušťka jejího vlákna postupně dostává do kritického stavu, což vede k hoření, nejčastěji tento okamžik nastává při dalším novém zapnutí.

Pro prodloužení životnosti lampy je tento zapínací proud redukován různými způsoby pomocí:

1. zařízení zajišťující plynulé dodávání a uvolňování napětí;

2. obvody pro sériové připojení k vláknu rezistorů, polovodičů nebo termistorů (termistorů).

Příklad jednoho způsobu omezení zapínacího proudu pro automobilová svítidla je uveden na fotografii níže.

Zde je proud přiváděn do žárovky po sepnutí spínače SA přes FU pojistku a je omezen rezistorem R, jehož jmenovitá hodnota je zvolena tak, aby zapínací proud při přechodových dějích nepřekročil jmenovitou hodnotu.

Při zahřívání vlákna se jeho odpor zvyšuje, což vede ke zvýšení rozdílu potenciálů mezi jeho kontakty a paralelně zapojenou cívkou relé KL1.Když napětí dosáhne hodnoty nastavení relé, normálně otevřený kontakt KL1 se sepne a přemostí rezistor. Žárovkou začne protékat provozní proud již zavedeného režimu.

Odporový teploměr

Vliv teploty kovu na jeho elektrický odpor se využívá při provozu měřicích přístrojů. Se nazývají odporové teploměry.

Jejich citlivý prvek je vyroben z tenkého kovového drátu, jehož odpor je pečlivě měřen při určitých teplotách. Tento závit je namontován v pouzdře se stabilními tepelnými vlastnostmi a krytý ochranným krytem. Vytvořená konstrukce je umístěna v prostředí, jehož teplotu je nutné neustále sledovat.

Vodiče elektrického obvodu jsou namontovány na svorkách citlivého prvku, které spojují obvod měření odporu. Jeho hodnota je převedena na hodnoty teploty na základě dříve provedené kalibrace zařízení.

Barretter — stabilizátor proudu

Tak se nazývá zařízení sestávající ze skleněného zataveného válce s plynným vodíkem a spirály kovového drátu ze železa, wolframu nebo platiny. Tento design svým vzhledem připomíná žárovku, ale má specifickou nelineární charakteristiku proud-napětí.

Na I — V charakteristice se v jejím určitém rozsahu vytváří pracovní zóna, která nezávisí na kolísání napětí aplikovaného na topné těleso. V této oblasti baret dobře kompenzuje zvlnění zdroje a funguje jako proudový stabilizátor pro zátěž zapojenou do série.

Činnost barrety je založena na vlastnostech tepelné setrvačnosti tělesa vlákna, kterou zajišťuje malý průřez vlákna a vysoká tepelná vodivost vodíku, který ho obklopuje. Proto, když napětí zařízení klesá, zrychluje se odvod tepla z jeho vlákna.

To je hlavní rozdíl mezi žárovkami a žárovkami, kde se za účelem udržení jasu záře snaží snížit konvekční tepelné ztráty z vlákna.

Supravodivost

Za normálních okolních podmínek, když se kovový vodič ochladí, jeho elektrický odpor klesá.

Při dosažení kritické teploty blízké nule stupňů podle Kelvinova systému měření dochází k prudkému poklesu odporu k nule. Pravý obrázek ukazuje takovou závislost na rtuti.

Tento jev, nazývaný supravodivost, je považován za slibnou oblast výzkumu s cílem vytvořit materiály, které mohou výrazně snížit ztráty elektřiny při jejím přenosu na velké vzdálenosti.

Pokračující studie supravodivosti však odhalují řadu vzorů, kde jiné faktory ovlivňují elektrický odpor kovu v oblasti kritické teploty. Zejména při průchodu střídavého proudu se zvýšením frekvence jeho kmitů vzniká odpor, jehož hodnota dosahuje rozsahu normálních hodnot pro harmonické s periodou světelných vln.

Vliv teploty na elektrický odpor / vodivost plynů

Plyny a normální vzduch jsou dielektrika a nevedou elektrický proud.Jeho tvorba vyžaduje nosiče náboje, což jsou ionty vzniklé v důsledku vnějších faktorů.

Zahřívání může způsobit ionizaci a pohyb iontů z jednoho pólu média na druhý. Můžete si to ověřit na příkladu jednoduchého experimentu. Vezměme stejné zařízení, jaké bylo použito pro stanovení vlivu ohřevu na odpor kovového vodiče, ale místo vodiče připojíme k vodičům dvě kovové desky oddělené vzduchovou mezerou.

Ampérmetr připojený k obvodu neukáže žádný proud. Pokud je plamen hořáku umístěn mezi deskami, bude se šipka zařízení odchylovat od nuly a bude ukazovat hodnotu proudu procházejícího plynným médiem.

Bylo tedy zjištěno, že v plynech při zahřívání dochází k ionizaci, což vede k pohybu elektricky nabitých částic a snížení odporu média.

Hodnota proudu je ovlivněna výkonem vnějšího přiloženého zdroje napětí a rozdílem potenciálů mezi jeho kontakty. Je schopen prorazit izolační vrstvu plynů při vysokých hodnotách. Typickým projevem takového případu v přírodě je přirozený výboj blesku při bouřce.

Přibližný pohled na proudově-napěťovou charakteristiku toku proudu v plynech ukazuje graf.

V počáteční fázi je pod vlivem teplotního a potenciálového rozdílu přibližně lineárně pozorován nárůst ionizace a průchod proudu. Křivka pak nabývá vodorovného směru, když zvýšení napětí nevede ke zvýšení proudu.

Třetí stupeň destrukce nastává, když vysoká energie aplikovaného pole urychluje ionty tak, že se začnou srážet s neutrálními molekulami a masivně z nich tvoří nové nosiče náboje. V důsledku toho se proud prudce zvyšuje a dochází k rozpadu dielektrické vrstvy.

Praktické využití vodivosti plynů

Fenomén toku proudu plyny se využívá u radioelektronových výbojek a zářivek.

Za tímto účelem jsou dvě elektrody umístěny v uzavřeném skleněném válci s inertním plynem:

1. anoda;

2. katoda.

V zářivce jsou vyrobeny ve formě vláken, která se po zapnutí zahřívají a vytvářejí termionické záření. Vnitřní povrch baňky je potažen vrstvou fosforu. Vyzařuje viditelné spektrum světla tvořené infračerveným zářením emitovaným rtuťovými parami bombardovanými proudem elektronů.

Výbojový proud nastane, když se mezi elektrody umístěné na různých koncích baňky přivede napětí o určité hodnotě.

Když jedno z vláken vyhoří, bude emise elektronů této elektrody narušena a lampa nevyhoří. Pokud však zvýšíte potenciálový rozdíl mezi katodou a anodou, pak se uvnitř baňky opět objeví výboj plynu a obnoví se luminiscence fosforu.

To umožňuje použití LED žárovek s poškozenými vlákny a prodloužení jejich životnosti. Je třeba mít na paměti, že současně je nutné několikrát zvýšit napětí na něm, což výrazně zvyšuje spotřebu energie a rizika bezpečného používání.

Vliv teploty na elektrický odpor kapalin

Průchod proudu v kapalinách vzniká především pohybem kationtů a aniontů působením vnějšího elektrického pole. Pouze malý zlomek vodivosti zajišťují elektrony.

Vliv teploty na elektrický odpor kapalného elektrolytu popisuje vzorec uvedený na obrázku. Vzhledem k tomu, že hodnota teplotního koeficientu α v něm je vždy záporná, pak se zvyšujícím se ohřevem roste vodivost a klesá odpor, jak ukazuje graf.

S tímto jevem je třeba počítat při nabíjení tekutých automobilových (nejen) baterií.

Vliv teploty na elektrický odpor polovodičů

Změna vlastností polovodičových materiálů vlivem teploty umožnila jejich použití jako:

• teplotní odolnost;

• termočlánky;

• chladničky;

• ohřívače.

Termistory

Tento název znamená polovodičová zařízení, která vlivem tepla mění svůj elektrický odpor. Jejich teplotní koeficient odporu (TCR) výrazně vyšší než u kovů.

Hodnota TCR pro polovodiče může být kladná nebo záporná. Podle tohoto parametru se dělí na kladné «RTS» a záporné «NTC» termistory. Mají různé vlastnosti.

Pro provoz termistoru je vybrán jeden z bodů jeho proudově napěťové charakteristiky:

• lineární sekce se používá k regulaci teploty nebo kompenzaci měnících se proudů nebo napětí;

• sestupná větev I — V charakteristiky prvků s TCS <0 umožňuje použití polovodiče jako relé.

Použití reléového termistoru je vhodné pro monitorování nebo měření procesů elektromagnetického záření probíhajících na ultravysokých frekvencích. To zajišťuje jejich použití v systémech:

1. regulace tepla;

2. požární poplach;

3. regulace průtoku sypkých médií a kapalin.

Křemíkové termistory s malým TCR > 0 se používají v chladicích systémech a teplotní stabilizaci tranzistorů.

Termočlánky

Tyto polovodiče pracují na základě Seebeckova jevu: když se pájený spoj dvou rozptýlených kovů zahřeje, na přechodu uzavřeného okruhu dojde k EMF. Tímto způsobem přeměňují tepelnou energii na elektrickou energii.

Konstrukce dvou takových prvků se nazývá termočlánek. Jeho účinnost se pohybuje v rozmezí 7 ÷ 10 %.

Termočlánky se používají v teploměrech pro digitální výpočetní zařízení vyžadující miniaturní rozměry a vysokou přesnost čtení, stejně jako zdroje proudu s nízkým výkonem.

Polovodičové ohřívače a chladničky

Fungují tak, že znovu využívají termočlánky, kterými prochází elektrický proud. V tomto případě se na jednom místě křižovatky zahřívá a na opačném ochlazuje.

Polovodičové spoje na bázi selenu, bismutu, antimonu, teluru umožňují zajistit teplotní rozdíl v termočlánku až 60 stupňů. To umožnilo vytvořit design chladničky z polovodičů s teplotou v chladící komoře do -16 stupňů.