Как и почему изменяется электрическое сопротивление металлов при увеличении температуры

Как влияет нагрев на величину сопротивления

Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема.

Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.

Величина, показывающая относительное увеличение сопротивления при нагреве материала на 1° (или уменьшение при охлаждении на 1°), называется температурным коэффициентом сопротивления .

Если температурный коэффициент обозначить через α , удельное сопротивление при to =20 о через ρ o , то при нагреве материала до температуры t1 его удельное сопротивление p1 = ρ o + αρ o (t1 — to) = ρ o(1 + ( α (t1 — to))

и соответственно R1 = Ro (1 + ( α (t1 — to))

Температурный коэффициент а для меди, алюминия, вольфрама равен 0,004 1/град. Поэтому при нагреве на 100° их сопротивление возрастает на 40%. Для железа α = 0,006 1/град, для латуни α = 0,002 1/град, для фехрали α = 0,0001 1/град, для нихрома α = 0,0002 1/град, для константана α = 0,00001 1/град, для манганина α = 0,00004 1/град. Уголь и электролиты имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент для большинства электролитов равен примерно 0,02 1/град.

Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термометрах сопротивления . Измеряя сопротивление, определяют расчетным путем окружающую температуру.Константан, манганин и другие сплавы, имеющие очень небольшой температурный коэффициент сопротивления применяют для изготовления шунтов и добавочных сопротивлений к измерительным приборам.

Пример 1. Как изменится сопротивление Ro железной проволоки при нагреве ее на 520°? Температурный коэффициент а железа 0,006 1/град. По формуле R1 = Ro + Ro α (t1 — to) = Ro + Ro 0,006 ( 520 — 20 ) = 4 Ro , то есть сопротивление железной проволоки при нагреве ее на 520° возрастет в 4 раза.

Пример 2. Алюминиевые провода при температуре -20° имеют сопротивление 5 ом. Необходимо определить их сопротивление при температуре 30°.

R2 = R1 — α R1 (t2 — t1) = 5 + 0 , 004 х 5 (30 — (-20)) = 6 ом.

Свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при нагреве или охлаждении используется для измерения температур. Так, термосопротивления , представляющие собой проволоку из платины или чистого никеля, вплавленные в кварц, применяются для измерения температур от -200 до +600°. Полупроводниковые термосопротивления с большим отрицательным коэффициентом применяются для точного определения температур в более узких диапазонах.

Полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температур называют термисторами .

Термисторы имеют высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагреве их сопротивление уменьшается. Термисторы выполняют из оксидных (подвергнутых окислению) полупроводниковых материалов, состоящих из смеси двух или трех окислов металлов. Наибольшее распространение имеют медно-марганцевые и кобальто-марганцевые термисторы. Последние более чувствительны к температуре.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Как и почему изменяется электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это свойство материала противостоять движению электрического тока. Оно определяет, как легко или трудно ток может протекать через материал. Изменение электрического сопротивления может быть вызвано различными факторами и имеет важные последствия для различных электрических и электронных устройств.

Один из ключевых факторов, влияющих на изменение электрического сопротивления, — это изменение физических свойств материала, через который протекает электрический ток. Например, при изменении температуры материала, его сопротивление может меняться.

Обычно сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры, в то время как у полупроводников оно может уменьшаться. Это объясняется изменением количества свободных электронов и тепловым движением атомов в материале.

Другой фактор, влияющий на изменение сопротивления, — это геометрия проводника или элемента схемы. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально его площади поперечного сечения. Это объясняет, почему тонкий провод имеет большее сопротивление, чем толстый провод той же длины и материала.

Например, если длина проводника увеличивается или его сечение уменьшается, сопротивление также увеличивается. Это связано с увеличением пути, который должен пройти электрический ток, или с уменьшением количества свободных носителей заряда.

Сопротивление также может изменяться под воздействием внешнего поля, например, магнитного или электрического.

В некоторых материалах сопротивление может меняться в зависимости от приложенного напряжения или тока. Это явление называется переменным сопротивлением и используется в различных устройствах, таких как резисторы с переменным сопротивлением или термисторы, которые меняют свое сопротивление в зависимости от температуры.

Почему возникает сопротивление

Сопротивление возникает из-за взаимодействия электрического тока с материалом, через который он проходит. Это взаимодействие проявляется в виде различных физических явлений, которые препятствуют свободному движению заряженных частиц (обычно электронов) внутри материала.

Основные факторы, влияющие на возникновение сопротивления, включают:

• Столкновения электронов: При движении электронов через материал они могут сталкиваться с атомами, ионы или другими дефектами в структуре материала. Эти столкновения вызывают изменение направления движения электронов и приводят к рассеянию энергии, что создает сопротивление.
• Ионизация и диссоциация: В некоторых материалах, особенно в газах и электролитах, электрический ток вызывает ионизацию или диссоциацию молекул. Это приводит к образованию положительных и отрицательных зарядов, которые создают электрическое поле, препятствующее движению заряженных частиц и создающее сопротивление.
• Влияние температуры: Повышение температуры материала может увеличить его сопротивление. Это связано с увеличением количества столкновений электронов с атомами, ионами или фононами (квантами колебаний решетки) вещества при повышении их теплового движения.
• Геометрические факторы: Форма и размеры проводника также влияют на его сопротивление. Более узкий или длинный проводник имеет большее сопротивление по сравнению с широким и коротким проводником той же материальной составляющей.

Сопротивление можно описать с помощью закона Ома, который говорит о том, что сила тока, протекающего через проводник, пропорциональна напряжению, приложенному к этому проводнику, и обратно пропорциональна его сопротивлению: Закон Ома для участка цепи

Почему уменьшается сопротивление

Уменьшение электрического сопротивления может происходить по разным причинам в зависимости от материала и условий. Вот несколько основных причин, почему сопротивление может уменьшаться:

• Сопротивление может уменьшаться при повышении температуры. Это объясняется тепловым движением атомов в материале, которое увеличивает подвижность электронов и, следовательно, уменьшает их столкновения с примесями или другими дефектами в материале. В результате сопротивление уменьшается, и электрический ток может легче протекать через материал.
• Добавление примесей или легирование материала может изменить его электрические свойства, включая сопротивление. Некоторые примеси могут увеличить концентрацию свободных носителей заряда или улучшить их подвижность, что приводит к уменьшению сопротивления. Примером такого материала является легированный полупроводник, используемый в транзисторах или диодах.
• Изменение структуры материала может также влиять на его сопротивление. Например, в некоторых материалах, таких как металлы, сопротивление может уменьшаться при растяжении или деформации материала. Это связано с изменением межатомных расстояний и электронной структуры материала.
• В наномасштабных структурах, таких как квантовые точки или нанопроволоки, эффекты квантовой механики могут приводить к уменьшению сопротивления. В этих структурах электроны ограничены пространством и имеют ограниченное количество доступных энергетических состояний, что может способствовать более свободному движению электронов и уменьшению сопротивления.

Почему увеличивается сопротивление

Увеличение электрического сопротивления также может быть обусловлено различными факторами. Вот несколько основных причин, почему сопротивление может увеличиваться:

• Сопротивление может увеличиваться при повышении температуры. Это происходит из-за увеличения количества столкновений электронов с атомами материала, вызванных их более активным тепловым движением. В результате увеличивается электрическое сопротивление.
• Если поверхность проводника окисляется или загрязняется, это может привести к увеличению его сопротивления. Окисленные слои или наличие загрязнений на поверхности могут создавать дополнительное сопротивление для протекающего тока.
• Изменение состава материала может привести к увеличению его сопротивления. Например, добавление примесей или изменение концентрации свободных носителей заряда может увеличить сопротивление материала.
• В некоторых материалах сопротивление может увеличиваться с увеличением напряжения или тока. Это происходит из-за эффектов насыщения, связанных с наличием ограниченного количества свободных носителей заряда или ограничений на их движение в материале.

У каких материалов сопротивление повышается с увеличением температуры, а у каких уменьшается?

В общем случае, повышение температуры может привести как к увеличению, так и к уменьшению сопротивления в зависимости от материала. Однако существуют два основных класса материалов, у которых сопротивление ведет себя по-разному при изменении температуры: металлы и полупроводники.

В большинстве металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры. Это связано с увеличением количества столкновений электронов с атомами вещества при повышении их теплового движения.

При повышении температуры атомы колеблются более интенсивно, создавая больше препятствий для свободного движения электронов. Таким образом, в металлах сопротивление возрастает при повышении температуры.

В отличие от металлов, у большинства полупроводников сопротивление уменьшается с увеличением температуры.

При повышении температуры энергия теплового движения стимулирует свободные электроны в полупроводнике, делая их более подвижными. Это уменьшает вероятность их столкновений с примесями или дефектами, что ведет к снижению сопротивления полупроводника.

Однако стоит отметить, что существуют исключения в обоих классах материалов, и некоторые металлы и полупроводники могут иметь необычное поведение сопротивления при изменении температуры.

Также стоит учесть, что речь идет о поведении сопротивления в определенном температурном диапазоне, и за пределами этого диапазона могут действовать другие факторы, которые могут изменить характеристики материала.

Для чего нужно знать как изменяется сопротивление

Изменение электрического сопротивления имеет важное значение для работы электрических устройств.

Например, сопротивление проводников в электрической цепи определяет потери энергии в виде тепла и эффективность передачи энергии.

Контроль сопротивления в различных электрических и электронных устройствах позволяет регулировать и управлять электрическим током, обеспечивая надлежащую работу устройств.

Изменение сопротивления также играет важную роль в различных электронных приборах и датчиках.

Например, термисторы используются для измерения и контроля температуры. Их сопротивление меняется с изменением температуры, что позволяет определить и регулировать тепловые процессы в системе.

Другой пример — фотодиоды и фоторезисторы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от освещенности. Это позволяет использовать их для измерения светового потока или автоматического регулирования освещенности.

Изменение сопротивления также может быть использовано для защиты электрических цепей от повреждений. Резисторы используются в цепях сброса напряжения, чтобы предотвратить повышенные значения тока при перегрузке или коротком замыкании. Они действуют как ограничители тока, поглощая избыточную энергию и предотвращая повреждение устройств.

Наконец, изменение электрического сопротивления играет важную роль в области микроэлектроники.

Материалы с переменным сопротивлением, такие как ферромагнитные материалы или полупроводники, используются для создания элементов памяти или регулирования сигналов в электронных устройствах.

Также, полевые транзисторы, которые управляют током с помощью изменения сопротивления в канале, являются ключевыми компонентами микроэлектронных устройств.

Изменение электрического сопротивления играет значимую роль в функционировании электрических устройств и систем. Оно позволяет контролировать ток, измерять различные параметры, регулировать энергию и обеспечивать надежность работы устройств. Понимание этих процессов важно для разработки новых технологий и оптимизации существующих электрических и электронных устройств.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Как изменяется сопротивление при нагреве металлов

В школьном курсе физики описано, как изменяется сопротивление проводников при нагреве — оно увеличивается.

Коэффициент относительного увеличения удельного сопротивления при нагреве для большинства металлов близок к 1/273 =0,0036 1/°С (отличия находятся в пределах 0,0030 — 0,0044). А как изменяется сопротивление металла при его плавлении?

На рис.1 показан график изменения удельного сопротивления меди при нагреве. Как видно, при температуре плавления наблюдается скачок сопротивления в 2,07 раза.

Таким образом, от нормальной температуры (20°С) до температуры плавления удельное сопротивление меди увеличивается в 5,3 раза (коэффициент К1), при плавлении увеличивается еще в 2,07 раза (коэффициент К2), а всего в 10,82 раза (коэффициент КЗ = К1К2).

Рис. 1. График изменения удельного сопротивления меди при нагреве.

Эти коэффициенты приведены для различных металлов в таблице, где В — сопротивление километрового отрезка провода из данного металла сечением 1 мм2, Тпл — температура плавления металла (металлы расположены в порядке возрастания сопротивления).

* Ввиду особых свойств никеля данные не приводятся (см. ниже).

** Данных обнаружить не удалось.

*** Нормальной температурой для ртути считается температура плавления (-39°С).

Для никеля удельное сопротивление ведет себя весьма необычно (рис.2). Вначале оно нарастает, но только до температуры 358°С, а затем резко уменьшается и при температуре выше 400°С становится меньше, чем при комнатной температуре.

Рис. 2. График изменения удельного сопротивления никеля при нагреве.

Весьма необычным металлом является висмут. У него удельное сопротивление при плавлении резко уменьшается, причем так, что сопротивление расплавленного металла ниже, чем у твердого при комнатной температуре.

Можно еще обратить внимание на высокое значение коэффициента К1 для вольфрама. Вот почему у лампочек накаливания сопротивление нити накала в момент включения во много раз меньше, чем в рабочем режиме (отчего они чаще всего и перегорают).

Статья была опубликована в журнале «РА-Электрик»

• Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры. RS — триггер
• Как воздействует электромагнитное излучение электроприборов на человека
• Как обнаружить короткозамкнутые витки

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Интересные факты, В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Зависимость сопротивления от температуры

Электрическое сопротивление металлов находится в прямой зависимости от температуры. Чем выше температура металлического провода, тем выше скорость теплового движения частиц. Следовательно растёт количество столкновений свободных электронов, и снижение их свободного пробега τ . Снижение свободного пробега уменьшает удельную проводимость и, одновременно, увеличивает удельное электрическое сопротивление материала.

Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании наоборот уменьшается, поскольку кроме уменьшения времени τ повышается концентрация носителей зарядов.

Температурный коэффициент сопротивления

В узких границах изменения температуры 0-100°С относительное приращение сопротивления Δr большинство металлических проводов пропорционально приращению температуры Δt = t₁ — t₂.

Обозначения через r₁ и r₂ сопротивления при температурах t₁ и t₂ можно выразить формулой

где α — Температурный коэффициент сопротивления, численно равен относительному приращению сопротивления при нагревании проводника на 1°С.

Температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов приблизительно равен α = 0,004°С -1 , это значит, что их сопротивление увеличится на 4%, при росте температуры на 10°С.

Некоторых сплавы, например, как манганин и константан обладают повышенным удельным сопротивлением и крайне низким температурным коэффициентом сопротивления. Так как обладают неправильной структурой и небольшим временем «свободного» пробега электронов. Данные сплавы нашли широкое применение при изготовлении образцовых катушек сопротивления и резисторов с постоянным (независимым от температуры) сопротивлением.

Материал такие как уголь и электролиты обладают отрицательным коэффициентом сопротивления α ≈ -0,02 на 1°С.

Явление сверхпроводимости

В ряде материалов и сплавов при снижении температуры до очень низких значений порядка единиц или десятка градусов Кельвина (0 К ≈ -273°С) возникает явление сверхпроводимости. Температура при которой наступает это явление, называется критической (Т_кр) или «точкой скачка».

Проводник в котором возникает явление сверхпроводимости называют сверхпроводником. В таком проводнике может протекать электрический ток, даже если к его концам не будет приложено напряжения иначе говоря сопротивление проводника будет стремится к нулю. В таких проводниках не выделяется тепло даже при значительной плотности тока, т.е. электроны в нём не встречают препятствий и не сталкиваются при свободном движении.

Также, сверхпроводники не имеют магнитного поля. Даже если ранее оно присутствовало, то при критических температурах поле пропадет, поскольку в поверхностном слое 10 -5 см образуются токи, магнитное поле которых компенсирует внешнее магнитное поле.

Состояние сверхпроводимости разрушает как сильное внешнее магнитное поле, так и поле, вызванное большим электрическим током, проходящим через сверхпроводник. Данное обстоятельство затрудняет получение в сверхпроводнике больших токов и больших плотностей тока.