Как изменяется сопротивление материала при нагреве

Зависимость сопротивления нихрома от температуры

Во время нагревания удельное сопротивление металла увеличивается в связи с активацией Броуновского движения атомов. Часть сплавов, имеющих большее удельное сопротивление, практически не меняют его с ростом температуры (манганин, константан). Это связано с особой структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.

Изменение проводимости

Температурный коэффициент сопротивления — отражает изменение проводимости при нагревании или охлаждения материала. Если температурный коэффициент обозначить через α, удельное сопротивление при 20 °C через Ro, то во время нагревания материала до температуры t° его удельное сопротивление R1 = Ro (1 + (α(t1 — to))

Материал	Температурный коэффициент α1/град
Алюминий	0,004
Вольфрам	0,004
Железо	0,006
Константан	0,00001
Латунь	0,002
Манганин	0,00004
Медь	0,004
Нихром	0,0002
Фехраль	0,0001
Электролиты	0,02

Приведём пример. Температурный коэффициент фехрали = 0,0001 /1 градус, а для нихрома α= 0,0002 / 1 градус. Это означает, что нагревание на 100 °C, повышает электросопротивление фехрали на 1%, а нихрома на 2%.

Отрезок нихромовой проволоки 1 м

Поперечное сечение (мм)	Электросопротивление t° 20 °C (ом)	Электросопротивление t° 100 °C (ом)	Электросопротивление t° 1000 °C (ом)
0,3	15,71	16,05	19,1
0,5	5,6	5,612	5,72
0,7	2,89	2,95	3,4,7
0,9	1,7	1,734	2,04
1,0	1,4	1,428	1,68
1,5	0,62	0,632	0,742
2,0	0,35	0,357	0,42
2,5	0,22	0,224	0,264
3,0	0,16	0,163	0,192
4,0	0,087	0,0887	0,104
5,0	0,056	0,0673	0,079
6,0	0,039	0,0398	0,0468
7,0	0,029	0,0296	0,0348
8,0	0,022	0,0224	0,0264
9,0	0,017	0,01734	0,0204
10,0	0,014	0,01428	0,0168

Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термомопарах для измерения температуры металлургических процессов, а также в печах сушки и обжига.

Поставщик

Поставщик «Ауремо» — признанный эксперт на рынке цветного и нержавеющего металлопроката- предлагает купить по доступной цене нихром, фехраль, термопары:. Большой выбор на складе. Соответствие ГОСТ и международным стандартам качества. Всегда в наличии нихром, фехраль, термопары, цена — оптимальная от поставщика. Оптовым заказчикам цена — льготная. Обращайтесь по номерам телефонов из раздела «Контакты», мы всегда открыты для предложений. Приглашаем к партнёрскому сотрудничеству.

Купить по выгодной цене

Поставщик «Ауремо» предлагает на выгодных условиях купить нихром, фехраль, термопары, цена — обусловлена технологическими особенностями производства без включения дополнительных затрат. На сайте компании отображена самая оперативная информация, есть каталог продукции и прайс-листы. Под заказ можно купить продукцию нестандартных параметров. Цена заказа зависит от объема и дополнительных условий поставки.

Зависимость сопротивления от температуры

Сопротивлением в физике называют свойство проводника препятствовать прохождению направленному потоку зарядов по проводнику.

геометрических параметров и размеров (длина, площадь поперечного сечения);
удельного сопротивления — ρ.

Сопротивление определяется по формуле:

Аналогично зависимость сопротивления от температуры:

Явление сверхпроводимости показано на следующем графике.

В отличие от проводников, полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть их сопротивление уменьшается с ростом температуры.

Где применяется зависимость сопротивления от температуры

Взаимное влияние температуры и сопротивления используют при изготовлении:

Электропечей и других нагревательных устройств. Нагревательные элементы изготавливают из жаропрочных материалов, обладающих большим удельным сопротивлением. В этом случае при относительно небольшом значении напряжения будет происходить достаточно сильный нагрев элемента.
Ламп накаливания. Принцип действия аналогичен с нагревательным элементом с той разницей, что нить накаливания изготавливают из материалов, излучающих свет при нагревании.
Реле, используемого в системах контроля тепла и пожарных сигнализациях. Принцип работы релейного терморезистора основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление при изменении температуры.
Люминесцентных ламп и жидкостных аккумуляторных батарей, в работе которых применяется эффект изменения проводимости газов и жидкостей под влиянием различных температур.
Плавких предохранителей, где при увеличении напряжения растет сопротивление и, как следствие, температура. Предохранитель плавится и тем самым размыкает цепь.

Также ведется активная работа по дальнейшему исследованию сверхпроводимости. Возможно, в будущем это позволит передавать электроэнергию на большие расстояния без потерь, не увеличивая при этом напряжении в цепи.

Т. Зависимость сопротивления от температуры

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что

возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры;
изменяется их концентрация при нагревании проводника.

Опыт показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:

\(~\rho_t = \rho_0 (1 + \alpha t) ,\) \(~R_t = R_0 (1 + \alpha t) ,\)

где ρ₀, ρ_t — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °С и t °C; R₀, R_t — сопротивления проводника при 0 °С и t °С, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К -1 ). Для металлических проводников эти формулы применимы начиная с температуры 140 К и выше.

Температурный коэффициент сопротивления вещества характеризует зависимость изменения сопротивления при нагревании от рода вещества. Он численно равен относительному изменению сопротивления (удельного сопротивления) проводника при нагревании на 1 К.

где \(~\mathcal h \alpha \mathcal i\) — среднее значение температурного коэффициента сопротивления в интервале ΔΤ.

Для всех металлических проводников α > 0 и слабо изменяется с изменением температуры. У чистых металлов α = 1/273 К -1 . У металлов концентрация свободных носителей зарядов (электронов) n = const и увеличение ρ происходит благодаря росту интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки.

Формулы зависимости ρ и R от температуры для электролитов аналогичны приведенным выше формулам для металлических проводников. Необходимо отметить, что эта линейная зависимость сохраняется лишь в небольшом диапазоне изменения температур, в котором α = const. При больших же интервалах изменения температур зависимость сопротивления электролитов от температуры становится нелинейной.

Графически зависимости сопротивления металлических проводников и электролитов от температуры изображены на рисунках 1, а, б.

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), сопротивление многих металлов скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Металл переходит в сверхпроводящее состояние.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве термометрического тела такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры достаточно изучена.

Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 256-257.

IV. Зависимость сопротивления проводника от температуры

Если пропустить ток от аккумулятора через стальную спираль, а за тем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означает, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Если при температуре, равной , сопротивление проводника равно , а при температуре оно равно , то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры: .

Коэффициент пропорциональности называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводников и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры не велик, то температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых металлов .

При нагревании проводника его геометрические размеры меняются не значительно. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротивления. Можно найти зависимость этого удельного сопротивления от температуры: .

Так как мало меняется при изменении температуры проводника, то можно считать, что удельное сопротивление проводника линейно зависит от температуры (рис. 1).

Х отя коэффициент довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов просто необходим. Так, сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при прохождении по ней тока более чем в 10 раз.

У некоторых сплавов, на пример у сплава меди с никелем, температурный коэффициент сопротивления очень мал:

; удельное сопротивление константа не велико: . Такие сплавы используют для изготовления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к измерительным приборам, т.е. в тех случаях, когда требуется, чтобы сопротивление заметно не менялось при колебаниях температуры.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве основного рабочего элемента такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры хорошо известна. Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры не пригодны.

Удельное сопротивление металлов растет линейно с увеличением температуры. У растворов электролитов оно уменьшается при увеличении температуры.

V. Сверхпроводимость

Р ис. 2

В 1911 г. Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечательное явление–сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии еесопротивление сначала меняется постепенно, а за тем при температуре очень резко падает до нуля (рис. 2). Это явление было названо сверх проводимостью. Позже было открыто много других сверхпроводников. Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах–около .

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а за тем устранить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверхпроводящем проводнике электрический ток прекращается.

Сверхпроводники находят широкое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой, которые создают магнитное поле на протяжении длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.

Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано током в самом сверхпроводнике. Поэтому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии существует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая этого состояния, нельзя.

Если бы удалось создать сверх проводящие материалы при температурах, близких к комнатным, то была бы решена проблема передачи энергии по проводам без потерь.В настоящее время физики работают над ее решением.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже полностью теряют сопротивление, т.е. становятся сверхпроводниками. Недавно была открыта высокотемпературная сверхпроводимость.