Teplotní koeficient odporu

Elektrický odpor vodiče obvykle závisí na materiálu vodiče, na jeho délce a průřezu, stručněji na odporu a na geometrických rozměrech vodiče. Tato závislost je dobře známá a je vyjádřena vzorcem:

Známý všem a Ohmův zákon pro homogenní úsek elektrického obvodu, z čehož je vidět, že čím vyšší odpor, tím nižší proud. Pokud je tedy odpor drátu konstantní, pak by se při zvýšení použitého napětí měl proud zvyšovat lineárně. Ale ve skutečnosti tomu tak není. Odpor vodičů není konstantní.

Pro příklady nemusíte chodit daleko. Pokud připojíte žárovku k regulovatelnému zdroji (s voltmetrem a ampérmetrem) a postupně na ní zvyšujete napětí až na jmenovitou hodnotu, snadno zjistíte, že proud neroste lineárně: napětí se blíží hodnotě nominální hodnotě žárovky, proud její cívkou roste stále pomaleji a světlo je stále jasnější.

Neexistuje nic takového, že zdvojnásobením napětí aplikovaného na cívku se zdvojnásobí proud. Zdá se, že Ohmův zákon neplatí. Ve skutečnosti je Ohmův zákon splněn a přesně odpor vlákna žárovky není konstantní, závisí na teplotě.

Připomeňme si, co je důvodem vysoké elektrické vodivosti kovů. Je spojena s přítomností velkého počtu nosičů náboje – proudových složek – v kovech vodivostní elektrony… Jsou to elektrony tvořené valenčními elektrony atomů kovu, které jsou společné celému vodiči, nepatří každému jednotlivému atomu.

Působením elektrického pole aplikovaného na vodič přecházejí volné vodivé elektrony z chaotického do více či méně uspořádaného pohybu – vzniká elektrický proud. Elektrony však na své cestě narážejí na překážky, nehomogenity iontové mřížky, jako jsou defekty mřížky, nehomogenní struktura způsobená jejími tepelnými vibracemi.

Elektrony interagují s ionty, ztrácejí hybnost, jejich energie se přenáší na mřížkové ionty, přeměňuje se na vibrace mřížkových iontů a zvyšuje se chaos tepelného pohybu samotných elektronů, od kterých se při průchodu proudu zahřívá vodič.

V dielektrikách, polovodičích, elektrolytech, plynech, nepolárních kapalinách může být důvod odporu jiný, ale Ohmův zákon zjevně nezůstává trvale lineární.

U kovů tedy zvýšení teploty vede k ještě většímu nárůstu tepelných vibrací krystalové mřížky a zvyšuje se odpor vůči pohybu vodivostních elektronů.To je vidět z experimentu s lampou: jas záře se zvyšuje, ale proud se zvyšuje méně. To znamená, že změna teploty ovlivnila odpor vlákna žárovky.

V důsledku toho je zřejmé, že odpor kovové dráty závisí téměř lineárně na teplotě. A vezmeme-li v úvahu, že při zahřátí se geometrické rozměry drátu mírně mění, pak elektrický odpor také závisí téměř lineárně na teplotě. Tyto závislosti lze vyjádřit pomocí vzorců:

Dávejme pozor na šance. Předpokládejme, že při 0 ° C je odpor vodiče R0, pak při teplotě t ° C nabude hodnoty R (t) a relativní změna odporu se bude rovnat α * t ° C. Tento faktor úměrnosti α se nazývá teplotní koeficient odporu... Charakterizuje závislost elektrického odporu látky na její aktuální teplotě.

Tento koeficient se číselně rovná relativní změně elektrického odporu vodiče, když se jeho teplota změní o 1K (jeden stupeň Kelvina, což odpovídá změně teploty o jeden stupeň Celsia).

U kovů je TCR (teplotní koeficient odporu α), i když je relativně malý, vždy větší než nula, protože při průchodu proudu se elektrony častěji srážejí s ionty krystalové mřížky, čím vyšší je teplota, t .je čím vyšší je jejich tepelný chaotický pohyb a tím vyšší je jejich rychlost.Při chaotickém pohybu s ionty mřížky elektrony kovu ztrácejí energii, což vidíme jako výsledek — odpor se zvyšuje, jak se drát zahřívá. Tento jev se využívá technicky v odporové teploměry.

Teplotní koeficient odporu α tedy charakterizuje závislost elektrického odporu látky na teplotě a měří se v 1 / K — kelvin na mocninu -1. Hodnota s opačným znaménkem se nazývá teplotní koeficient vodivosti.

Pokud jde o čisté polovodiče, je pro ně TCS negativní, to znamená, že odpor klesá s rostoucí teplotou, je to způsobeno tím, že s rostoucí teplotou prochází do vodivé zóny stále více elektronů a zároveň se zvyšuje koncentrace děr . Stejný mechanismus je charakteristický pro kapalná nepolární a pevná dielektrika.

Polární kapaliny prudce snižují svůj odpor s rostoucí teplotou v důsledku poklesu viskozity a zvýšení disociace. Tato vlastnost se využívá k ochraně elektronek před ničivými účinky vysokých zapínacích proudů.

U slitin, dopovaných polovodičů, plynů a elektrolytů je tepelná závislost odporu složitější než u čistých kovů. Používají se slitiny s velmi nízkým TCS, jako je manganin a konstantan elektrické měřicí přístroje.