Hoe weerstand hangt af van de temperatuur

In zijn praktijk komt elke elektricien andere omstandigheden tegen voor de doorgang van ladingsdragers in metalen, halfgeleiders, gassen en vloeistoffen. De grootte van de stroom wordt beïnvloed door de elektrische weerstand, die onder invloed van de omgeving op verschillende manieren verandert.

Een van deze factoren is blootstelling aan temperatuur. Omdat het de omstandigheden van de stroom aanzienlijk verandert, wordt hiermee rekening gehouden door ontwerpers bij de vervaardiging van elektrische apparatuur. Elektrisch personeel dat betrokken is bij het onderhoud en de bediening van elektrische installaties, moet deze functies vakkundig gebruiken in de praktijk.

Effect van temperatuur op de elektrische weerstand van metalen

In de cursus natuurkunde op school wordt voorgesteld om zo'n experiment uit te voeren: neem een ​​ampèremeter, een batterij, een stuk draad, verbindingsdraden en een zaklamp. In plaats van een ampèremeter met een batterij, kunt u een ohmmeter aansluiten of de modus ervan gebruiken in een multimeter.

Vervolgens moet u het op de afbeelding getoonde elektrische circuit in elkaar zetten en de stroom in het circuit meten.De waarde wordt aangegeven op de milliampèremeterschaal door een zwarte pijl.

Nu brengen we de vlam van de brander naar de draad en beginnen deze te verwarmen. Als u naar de ampèremeter kijkt, ziet u dat de naald naar links beweegt en de rood gemarkeerde positie bereikt.

Het resultaat van het experiment laat zien dat wanneer metalen worden verwarmd, hun geleidbaarheid afneemt en hun weerstand toeneemt.

De wiskundige rechtvaardiging van dit fenomeen wordt gegeven door de formules rechts in de afbeelding. In de onderste uitdrukking is duidelijk te zien dat de elektrische weerstand «R» van de metalen geleider recht evenredig is met zijn temperatuur «T» en afhangt van verschillende andere parameters.

Hoe het verwarmen van metalen elektrische stroom in de praktijk beperkt

Gloeilampen

Elke dag wanneer de lichten aan zijn, komen we de manifestatie van deze eigenschap tegen in gloeilampen. Laten we eenvoudige metingen uitvoeren aan een lamp van 60 watt.

Met de eenvoudigste ohmmeter, gevoed door een 4,5 V laagspanningsbatterij, meten we de weerstand tussen de contacten van de basis en zien we de waarde van 59 ohm. Deze waarde is eigendom van een koude draad.

We schroeven de lamp in het stopcontact en verbinden hem via de ampèremeter met de spanning van het thuisnetwerk van 220 volt. De naald van de ampèremeter geeft 0,273 ampère aan. Van De wet van Ohm voor een deel van een circuit bepaal de weerstand van de draad in verwarmde toestand. Het zal 896 ohm zijn en de vorige ohmmeterwaarde met 15,2 keer overschrijden.

Deze overmaat beschermt het metaal van het lichtgevende lichaam tegen verbranding en vernietiging, waardoor het langdurig onder spanning blijft werken.

Power-on-transiënten

Wanneer de draad werkt, ontstaat er een thermisch evenwicht tussen de verwarming door de passerende elektrische stroom en de afvoer van een deel van de warmte naar de omgeving. Maar in de beginfase van het inschakelen, wanneer spanning wordt aangelegd, treden transiënten op, waardoor een inschakelstroom ontstaat, waardoor de gloeidraad kan doorbranden.

Voorbijgaande processen vinden korte tijd plaats en worden veroorzaakt door het feit dat de snelheid waarmee de elektrische weerstand toeneemt bij het verwarmen van het metaal geen gelijke tred houdt met de toename van de stroom. Nadat ze zijn voltooid, wordt de werkingsmodus vastgesteld.

Als de lamp lang brandt, bereikt de dikte van de gloeidraad geleidelijk een kritieke toestand, wat leidt tot verbranding.Meestal doet dit moment zich voor bij de volgende nieuwe inschakeling.

Om de levensduur van de lamp te verlengen, wordt deze inschakelstroom op verschillende manieren verminderd met behulp van:

1. apparaten die zorgen voor een soepele aan- en afvoer van spanning;

2. schakelingen voor serieschakeling op een gloeidraad van weerstanden, halfgeleiders of thermistors (thermistors).

Een voorbeeld van een manier om de inschakelstroom voor autoverlichtingsarmaturen te beperken, wordt weergegeven op de onderstaande foto.

Hier wordt de stroom aan de lamp geleverd nadat de schakelaar SA is ingeschakeld via de FU-zekering en wordt deze begrensd door de weerstand R, waarvan de nominale waarde zo is gekozen dat de inschakelstroom tijdens transiënten de nominale waarde niet overschrijdt.

Wanneer de gloeidraad wordt verwarmd, neemt de weerstand toe, wat leidt tot een toename van het potentiaalverschil tussen de contacten en de parallel geschakelde spoel van het KL1-relais.Wanneer de spanning de relaisinstellingswaarde bereikt, zal het normaal open contact van KL1 sluiten en de weerstand omzeilen. De bedrijfsstroom van de reeds gevestigde modus begint door de lamp te stromen.

Weerstandsthermometer

Het effect van de temperatuur van het metaal op zijn elektrische weerstand wordt gebruikt bij de werking van meetinstrumenten. Ze worden genoemd weerstand thermometers.

Hun gevoelige element is gemaakt met een dunne metalen draad waarvan de weerstand zorgvuldig wordt gemeten bij bepaalde temperaturen. Deze schroefdraad is gemonteerd in een behuizing met stabiele thermische eigenschappen en afgedekt met een beschermkap. De gecreëerde structuur wordt in een omgeving geplaatst waarvan de temperatuur constant moet worden bewaakt.

De geleiders van het elektrische circuit zijn gemonteerd op de klemmen van het gevoelige element, die het weerstandsmeetcircuit verbinden. De waarde wordt omgezet in temperatuurwaarden op basis van de eerder uitgevoerde kalibratie van het apparaat.

Barretter - huidige stabilisator

Dit is de naam van een apparaat dat bestaat uit een met glas afgesloten cilinder met waterstofgas en een spiraal van metaaldraad van ijzer, wolfraam of platina. Dit ontwerp lijkt qua uiterlijk op een gloeilamp, maar heeft een specifieke niet-lineaire stroom-spanningskarakteristiek.

Op de I - V-karakteristiek wordt in een bepaald bereik ervan een werkzone gevormd, die niet afhankelijk is van de fluctuaties van de spanning die op het verwarmingselement wordt aangelegd. In dit gebied compenseert de baret de rimpel van de voeding goed en werkt hij als een stroomstabilisator voor een ermee in serie geschakelde belasting.

De werking van de haarspeld is gebaseerd op de eigenschappen van de thermische traagheid van het filamentlichaam, die wordt geleverd door de kleine doorsnede van het filament en de hoge thermische geleidbaarheid van de waterstof eromheen. Daarom, wanneer de spanning van het apparaat afneemt, versnelt de verwijdering van warmte uit de gloeidraad.

Dit is het belangrijkste verschil tussen gloeilampen en gloeilampen, waar ze, om de helderheid van de gloed te behouden, proberen het convectieve warmteverlies van de gloeidraad te verminderen.

Supergeleiding

Onder normale omgevingsomstandigheden, wanneer een metalen geleider afkoelt, neemt de elektrische weerstand af.

Wanneer de kritische temperatuur is bereikt, dicht bij nul graden volgens het Kelvin-meetsysteem, is er een scherpe daling van de weerstand naar nul. De rechter foto toont zo'n afhankelijkheid voor kwik.

Dit fenomeen, supergeleiding genaamd, wordt beschouwd als een veelbelovend onderzoeksgebied om materialen te creëren die het verlies van elektriciteit tijdens de transmissie over lange afstanden aanzienlijk kunnen verminderen.

Voortdurende onderzoeken naar supergeleiding onthullen echter een aantal patronen waarin andere factoren de elektrische weerstand van een metaal in het kritieke temperatuurgebied beïnvloeden. Met name wanneer wisselstroom passeert met een toename van de frequentie van zijn oscillaties, treedt er een weerstand op waarvan de waarde het bereik van normale waarden bereikt voor harmonischen met een periode van lichtgolven.

Effect van temperatuur op de elektrische weerstand / geleidbaarheid van gassen

Gassen en normale lucht zijn diëlektrica en geleiden geen elektriciteit.De vorming ervan vereist ladingsdragers, dit zijn ionen die worden gevormd als gevolg van externe factoren.

Verwarming kan ionisatie en beweging van ionen van de ene pool van het medium naar de andere veroorzaken. U kunt dit controleren met het voorbeeld van een eenvoudig experiment. Laten we dezelfde apparatuur nemen die werd gebruikt om het effect van verwarming op de weerstand van een metalen geleider te bepalen, maar in plaats van een geleider verbinden we twee metalen platen gescheiden door een luchtruimte met de geleiders.

Een ampèremeter die op het circuit is aangesloten, geeft geen stroom aan. Als de vlam van de brander tussen de platen wordt geplaatst, wijkt de pijl van het apparaat af van nul en toont de waarde van de stroom die door het gasmedium gaat.

Zo werd gevonden dat ionisatie optreedt in gassen bij verhitting, wat leidt tot de beweging van elektrisch geladen deeltjes en een afname van de weerstand van het medium.

De waarde van de stroom wordt beïnvloed door het vermogen van de extern aangelegde spanningsbron en het potentiaalverschil tussen de contacten. Het is in staat om bij hoge waarden de isolerende laag van gassen te doorbreken. Een typische manifestatie van zo'n geval in de natuur is de natuurlijke ontlading van bliksem tijdens een onweersbui.

Een geschatte weergave van de stroom-spanningskarakteristiek van de stroom in gassen wordt weergegeven in de grafiek.

In de beginfase wordt onder invloed van temperatuur en potentiaalverschil een toename van ionisatie en stroomdoorgang ongeveer lineair waargenomen. De curve krijgt dan een horizontale richting wanneer een toename van de spanning niet leidt tot een toename van de stroom.

De derde fase van vernietiging vindt plaats wanneer de hoge energie van het aangelegde veld ionen versnelt, zodat ze beginnen te botsen met neutrale moleculen, waardoor er massaal nieuwe ladingsdragers worden gevormd. Als gevolg hiervan neemt de stroom sterk toe, waardoor de diëlektrische laag kapot gaat.

Praktisch gebruik van gasgeleiding

Het fenomeen van stroom door gassen wordt gebruikt in radio-elektronenlampen en fluorescentielampen.

Hiervoor worden twee elektroden in een afgesloten glazen cilinder met een inert gas geplaatst:

1. anode;

2. kathode.

In een fluorescentielamp zijn ze gemaakt in de vorm van gloeidraden die opwarmen wanneer ze worden ingeschakeld om thermische straling te creëren. Het binnenoppervlak van de kolf is bedekt met een laag fosfor. Het zendt het zichtbare lichtspectrum uit dat wordt gevormd door infrarode straling die wordt uitgezonden door kwikdamp die wordt gebombardeerd door een stroom elektronen.

De ontlaadstroom treedt op wanneer een spanning van een bepaalde waarde wordt aangelegd tussen de elektroden die zich aan verschillende uiteinden van de lamp bevinden.

Wanneer één van de gloeidraden doorbrandt, dan wordt de elektronenemissie van deze elektrode verstoord en zal de lamp niet doorbranden. Als u echter het potentiaalverschil tussen de kathode en de anode vergroot, verschijnt er weer een gasontlading in de lamp en wordt de fosforluminescentie hervat.

Dit maakt het gebruik van LED-lampen met beschadigde gloeidraden mogelijk en verlengt hun levensduur. Houd er alleen rekening mee dat het tegelijkertijd nodig is om de spanning erop meerdere keren te verhogen, en dit verhoogt het energieverbruik en de risico's van veilig gebruik aanzienlijk.

Effect van temperatuur op de elektrische weerstand van vloeistoffen

De doorgang van stroom in vloeistoffen wordt voornamelijk veroorzaakt door de beweging van kationen en anionen onder invloed van een extern elektrisch veld. Slechts een klein deel van de geleidbaarheid wordt geleverd door elektronen.

Het effect van temperatuur op de elektrische weerstand van een vloeibare elektrolyt wordt beschreven door de formule in de afbeelding. Aangezien de waarde van de temperatuurcoëfficiënt α daarin altijd negatief is, neemt de geleidbaarheid toe naarmate de verwarming toeneemt en neemt de weerstand af, zoals weergegeven in de grafiek.

Met dit fenomeen moet rekening worden gehouden bij het opladen van vloeibare autobatterijen (en niet alleen).

Effect van temperatuur op de elektrische weerstand van halfgeleiders

Het veranderen van de eigenschappen van halfgeleidermaterialen onder invloed van temperatuur maakte het mogelijk om ze te gebruiken als:

• thermische weerstand;

• thermokoppels;

• koelkasten;

• kachels.

Thermistors

Deze naam betekent halfgeleiderapparaten die hun elektrische weerstand veranderen onder invloed van warmte. Van hen temperatuur weerstandscoëfficiënt (TCR) aanzienlijk hoger dan die van metalen.

De TCR-waarde voor halfgeleiders kan positief of negatief zijn. Volgens deze parameter zijn ze verdeeld in positieve «RTS» en negatieve «NTC» thermistoren. Ze hebben verschillende kenmerken.

Voor de werking van de thermistor wordt een van de punten van zijn stroom-spanningskarakteristiek geselecteerd:

• lineaire sectie wordt gebruikt om de temperatuur te regelen of veranderende stromen of spanningen te compenseren;

• de dalende tak van de I — V-karakteristiek van elementen met TCS <0 maakt het gebruik van een halfgeleider als relais mogelijk.

Het gebruik van een relaisthermistor is handig voor het bewaken of meten van elektromagnetische stralingsprocessen die optreden bij ultrahoge frequenties. Dit zorgt voor hun gebruik in systemen:

1. warmtebeheersing;

2. brandalarm;

3. regeling van het debiet van bulkmedia en vloeistoffen.

Siliciumthermistors met een kleine TCR > 0 worden gebruikt in koelsystemen en temperatuurstabilisatie van transistors.

Thermokoppels

Deze halfgeleiders werken op basis van het Seebeck-fenomeen: wanneer de soldeerverbinding van twee verspreide metalen wordt verwarmd, ontstaat er een EMF op de kruising van een gesloten circuit. Op deze manier zetten ze thermische energie om in elektrische energie.

Een constructie van twee van dergelijke elementen wordt een thermokoppel genoemd. De efficiëntie ligt binnen 7 ÷ 10%.

Thermokoppels worden gebruikt in thermometers voor digitale computerapparatuur die miniatuurformaat en hoge leesnauwkeurigheid vereisen, evenals stroombronnen met laag vermogen.

Halfgeleiderverwarmers en koelkasten

Ze werken door hergebruik van thermokoppels waar een elektrische stroom doorheen gaat. In dit geval wordt het op de ene plaats van de kruising verwarmd en op de andere plaats gekoeld.

Halfgeleiderverbindingen op basis van selenium, bismut, antimoon, tellurium zorgen voor een temperatuurverschil in het thermokoppel tot 60 graden. Hierdoor was het mogelijk om van halfgeleiders een ontwerp te maken van een koelkast met een temperatuur in de koelkamer tot -16 graden.