Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào

Trong thực tế của mình, mỗi thợ điện gặp phải các điều kiện khác nhau để các hạt tải điện đi qua trong kim loại, chất bán dẫn, chất khí và chất lỏng. Độ lớn của dòng điện bị ảnh hưởng bởi điện trở, điện trở này thay đổi theo nhiều cách khác nhau dưới tác động của môi trường.

Một trong những yếu tố này là tiếp xúc với nhiệt độ. Vì nó thay đổi đáng kể các điều kiện của dòng điện nên nó được các nhà thiết kế tính đến khi sản xuất thiết bị điện. Nhân viên điện liên quan đến việc bảo trì và vận hành lắp đặt điện phải sử dụng thành thạo các chức năng này trong công việc thực tế.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của kim loại

Trong khóa học vật lý ở trường, người ta đề xuất tiến hành một thí nghiệm như vậy: lấy một ampe kế, một cục pin, một đoạn dây điện, các dây nối và một ngọn đuốc. Thay vì ampe kế có pin, bạn có thể kết nối ôm kế hoặc sử dụng chế độ của nó trong đồng hồ vạn năng.

Tiếp theo, bạn cần lắp ráp mạch điện như trong hình và đo cường độ dòng điện trong mạch.Giá trị của nó được biểu thị trên thang đo miliammeter bằng một mũi tên màu đen.

Bây giờ chúng tôi mang ngọn lửa của đầu đốt vào dây và bắt đầu đốt nóng nó. Nếu nhìn vào ampe kế, bạn sẽ thấy kim sẽ dịch chuyển sang trái và đến vị trí được đánh dấu màu đỏ.

Kết quả thí nghiệm chứng tỏ khi đun nóng kim loại thì tính dẫn điện giảm, điện trở tăng.

Sự biện minh toán học của hiện tượng này được đưa ra bởi các công thức ngay trong hình. Trong biểu thức bên dưới, rõ ràng điện trở «R» của dây dẫn kim loại tỷ lệ thuận với nhiệt độ «T» của nó và phụ thuộc vào một số thông số khác.

Cách nung nóng kim loại hạn chế dòng điện trong thực tế

đèn sợi đốt

Mỗi ngày khi bật đèn, chúng ta bắt gặp biểu hiện của tính chất này ở đèn sợi đốt. Hãy thực hiện các phép đo đơn giản trên bóng đèn 60 watt.

Với ôm kế đơn giản nhất, chạy bằng pin điện áp thấp 4,5 V, chúng tôi đo điện trở giữa các điểm tiếp xúc của đế và thấy giá trị là 59 ôm. Giá trị này được sở hữu bởi một chủ đề lạnh.

Chúng tôi sẽ vặn bóng đèn vào ổ cắm và kết nối với nó thông qua ampe kế điện áp của mạng gia đình là 220 volt. Kim ampe kế sẽ đọc 0,273 ampe. Từ Định luật Ôm cho một đoạn mạch xác định điện trở của sợi ở trạng thái nóng. Nó sẽ là 896 ohms và vượt quá chỉ số ohmmeter trước đó 15,2 lần.

Phần thừa này bảo vệ kim loại của thân phát sáng khỏi bị cháy và phá hủy, đảm bảo hoạt động lâu dài dưới điện áp.

Quá độ bật nguồn

Khi luồng đang hoạt động, một sự cân bằng nhiệt được tạo ra trên nó giữa quá trình đốt nóng bằng dòng điện đi qua và loại bỏ một phần nhiệt ra môi trường. Nhưng trong giai đoạn đầu bật, khi điện áp được đặt vào, quá độ sẽ xảy ra, tạo ra dòng điện khởi động, có thể làm dây tóc bị cháy.

Các quá trình nhất thời xảy ra trong một thời gian ngắn và được gây ra bởi thực tế là tốc độ tăng điện trở khi nung nóng kim loại không theo kịp tốc độ tăng dòng điện. Sau khi hoàn thành, phương thức hoạt động được thiết lập.

Khi đèn chiếu sáng trong một thời gian dài, độ dày của dây tóc dần đạt đến trạng thái tới hạn dẫn đến cháy, thời điểm này thường xảy ra ở lần bật công tắc mới tiếp theo.

Để kéo dài tuổi thọ của bóng đèn, dòng khởi động này được giảm theo nhiều cách khác nhau bằng cách sử dụng:

1. các thiết bị cung cấp và giải phóng căng thẳng trơn tru;

2. mạch điện nối tiếp với dây tóc bằng điện trở, chất bán dẫn hoặc điện trở nhiệt (thermistor).

Một ví dụ về một cách để hạn chế dòng điện khởi động cho thiết bị chiếu sáng ô tô được hiển thị trong ảnh bên dưới.

Ở đây, dòng điện được cung cấp cho bóng đèn sau khi bật công tắc SA thông qua cầu chì FU và được giới hạn bởi điện trở R, giá trị danh nghĩa của giá trị này được chọn sao cho dòng điện khởi động trong quá trình chuyển tiếp không vượt quá giá trị danh định.

Khi dây tóc nóng lên, điện trở của nó tăng lên, dẫn đến tăng hiệu điện thế giữa các tiếp điểm của nó và cuộn dây nối song song của rơle KL1.Khi điện áp đạt đến giá trị cài đặt của rơle, tiếp điểm thường mở của KL1 sẽ đóng lại và bỏ qua điện trở. Dòng điện hoạt động của chế độ đã thiết lập sẽ bắt đầu chạy qua bóng đèn.

Điện trở kế

Ảnh hưởng của nhiệt độ của kim loại đến điện trở của nó được sử dụng trong hoạt động của các dụng cụ đo. Chúng được gọi là nhiệt kế điện trở.

Phần tử nhạy cảm của chúng được làm bằng một dây kim loại mỏng có điện trở được đo cẩn thận ở những nhiệt độ nhất định. Sợi này được gắn trong vỏ có đặc tính nhiệt ổn định và được phủ một lớp vỏ bảo vệ. Cấu trúc được tạo ra được đặt trong môi trường có nhiệt độ phải được theo dõi liên tục.

Các dây dẫn của mạch điện được gắn trên các đầu của phần tử nhạy cảm, kết nối mạch đo điện trở. Giá trị của nó được chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ dựa trên quá trình hiệu chuẩn thiết bị đã thực hiện trước đó.

Barretter - ổn định hiện tại

Đây là tên của một thiết bị bao gồm một xi lanh thủy tinh kín chứa khí hydro và một dây kim loại xoắn ốc làm bằng sắt, vonfram hoặc bạch kim. Thiết kế này trông giống như một bóng đèn sợi đốt, nhưng có một đặc tính điện áp dòng điện phi tuyến tính cụ thể.

Trên đặc tính I - V, trong một phạm vi nhất định của nó, một vùng làm việc được hình thành, không phụ thuộc vào sự dao động của điện áp đặt vào phần tử gia nhiệt. Trong lĩnh vực này, baret bù gợn nguồn điện tốt và hoạt động như một bộ ổn định dòng điện cho tải mắc nối tiếp với nó.

Hoạt động của barrette dựa trên đặc tính quán tính nhiệt của thân dây tóc, được cung cấp bởi tiết diện nhỏ của dây tóc và tính dẫn nhiệt cao của hydro bao quanh nó. Do đó, khi điện áp của thiết bị giảm, quá trình loại bỏ nhiệt khỏi dây tóc của nó sẽ tăng tốc.

Đây là điểm khác biệt chính giữa đèn sợi đốt và đèn sợi đốt, trong đó để duy trì độ sáng của ánh sáng, chúng tìm cách giảm tổn thất nhiệt đối lưu từ dây tóc.

siêu dẫn

Trong điều kiện môi trường bình thường, khi một dây dẫn kim loại nguội đi, điện trở của nó giảm.

Khi đạt đến nhiệt độ tới hạn, gần bằng 0 độ theo hệ thống đo lường Kelvin, điện trở giảm mạnh về không. Hình bên phải cho thấy sự phụ thuộc như vậy đối với thủy ngân.

Hiện tượng này, được gọi là siêu dẫn, được coi là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn nhằm tạo ra các vật liệu có thể làm giảm đáng kể sự thất thoát điện năng trong quá trình truyền tải trên một khoảng cách dài.

Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp tục về tính siêu dẫn tiết lộ một số kiểu trong đó các yếu tố khác ảnh hưởng đến điện trở của kim loại trong vùng nhiệt độ tới hạn. Đặc biệt, khi dòng điện xoay chiều chạy qua với sự gia tăng tần số dao động của nó, một điện trở xảy ra, giá trị của nó đạt đến phạm vi giá trị bình thường đối với sóng hài với chu kỳ sóng ánh sáng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở/độ dẫn điện của chất khí

Khí và không khí bình thường là chất điện môi và không dẫn điện.Sự hình thành của nó đòi hỏi các hạt mang điện, là các ion được hình thành do các yếu tố bên ngoài.

Sự gia nhiệt có thể gây ra sự ion hóa và chuyển động của các ion từ cực này sang cực khác của môi trường. Bạn có thể kiểm tra điều này bằng ví dụ về một thí nghiệm đơn giản. Chúng ta hãy sử dụng cùng một thiết bị đã được sử dụng để xác định ảnh hưởng của nhiệt đối với điện trở của dây dẫn kim loại, nhưng thay vì dây dẫn, chúng ta nối hai tấm kim loại cách nhau một khoảng không khí với dây dẫn.

Một ampe kế được kết nối với mạch sẽ không hiển thị dòng điện. Nếu ngọn lửa của đầu đốt được đặt giữa các tấm, mũi tên của thiết bị sẽ lệch khỏi 0 và hiển thị giá trị của dòng điện đi qua môi trường khí.

Do đó, người ta thấy rằng quá trình ion hóa xảy ra trong chất khí khi đun nóng, dẫn đến sự chuyển động của các hạt tích điện và giảm điện trở của môi trường.

Giá trị của dòng điện bị ảnh hưởng bởi công suất của nguồn điện áp bên ngoài và hiệu điện thế giữa các tiếp điểm của nó. Nó có khả năng phá vỡ lớp khí cách nhiệt ở các giá trị cao. Một biểu hiện điển hình của trường hợp như vậy trong tự nhiên là sự phóng điện tự nhiên của sét trong cơn giông bão.

Một cái nhìn gần đúng về đặc tính dòng điện-điện áp của dòng điện trong khí được thể hiện trong biểu đồ.

Ở giai đoạn ban đầu, dưới tác động của nhiệt độ và chênh lệch điện thế, sự gia tăng ion hóa và dòng điện đi qua được quan sát gần như tuyến tính. Sau đó, đường cong có hướng nằm ngang khi tăng điện áp không dẫn đến tăng dòng điện.

Giai đoạn phá hủy thứ ba xảy ra khi năng lượng cao của trường ứng dụng tăng tốc các ion để chúng bắt đầu va chạm với các phân tử trung tính, tạo thành khối lượng lớn các hạt mang điện mới từ chúng. Kết quả là dòng điện tăng mạnh, tạo thành hiện tượng đánh thủng lớp điện môi.

Ứng dụng thực tế của độ dẫn khí

Hiện tượng dòng điện chạy qua chất khí được sử dụng trong đèn điện tử vô tuyến và đèn huỳnh quang.

Với mục đích này, hai điện cực được đặt trong một xi lanh thủy tinh kín có khí trơ:

1. cực dương;

2. cực âm.

Trong đèn huỳnh quang, chúng được tạo ra ở dạng dây tóc nóng lên khi được bật để tạo ra bức xạ nhiệt. Bề mặt bên trong của bình được phủ một lớp photpho. Nó phát ra phổ ánh sáng nhìn thấy được hình thành bởi bức xạ hồng ngoại phát ra từ hơi thủy ngân bị bắn phá bởi một dòng điện tử.

Dòng phóng điện xảy ra khi một điện áp có giá trị nhất định được đặt giữa các điện cực nằm ở các đầu khác nhau của bóng đèn.

Khi một trong các dây tóc bị cháy, thì sự phát xạ điện tử của điện cực này sẽ bị xáo trộn và đèn sẽ không bị cháy. Tuy nhiên, nếu bạn tăng hiệu điện thế giữa cực âm và cực dương, thì bên trong bóng đèn sẽ lại xuất hiện hiện tượng phóng khí và quá trình phát quang phốt pho sẽ tiếp tục.

Điều này cho phép sử dụng bóng đèn LED có dây tóc bị hỏng và kéo dài tuổi thọ của chúng. Chỉ nên nhớ rằng đồng thời cần phải tăng điện áp trên nó nhiều lần và điều này làm tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng và rủi ro sử dụng an toàn.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của chất lỏng

Dòng điện chạy qua trong chất lỏng được tạo ra chủ yếu do sự chuyển động của các cation và anion dưới tác dụng của điện trường ngoài. Chỉ một phần nhỏ của độ dẫn được cung cấp bởi các điện tử.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của chất điện phân lỏng được mô tả bằng công thức trong hình. Vì giá trị của hệ số nhiệt độ α trong nó luôn âm, nên khi gia nhiệt tăng, độ dẫn điện tăng và điện trở giảm, như thể hiện trong biểu đồ.

Hiện tượng này cần được tính đến khi sạc pin ô tô (và không chỉ) ở dạng lỏng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở của chất bán dẫn

Việc thay đổi tính chất của vật liệu bán dẫn dưới tác động của nhiệt độ giúp chúng có thể được sử dụng như:

• cách nhiệt;

• cặp nhiệt điện;

• tủ lạnh;

• lò sưởi.

điện trở nhiệt

Tên này có nghĩa là các thiết bị bán dẫn thay đổi điện trở dưới tác động của nhiệt. của họ hệ số nhiệt độ của điện trở (TCR) cao hơn đáng kể so với kim loại.

Giá trị TCR cho chất bán dẫn có thể dương hoặc âm. Theo tham số này, chúng được chia thành các điện trở nhiệt «RTS» dương và «NTC» âm. Họ có những đặc điểm khác nhau.

Đối với hoạt động của nhiệt điện trở, một trong những điểm của đặc tính điện áp hiện tại của nó được chọn:

• phần tuyến tính được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ hoặc bù cho sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp;

• nhánh giảm dần của đặc tính I—V của các nguyên tố có TCS < 0 cho phép dùng chất bán dẫn làm rơle.

Việc sử dụng một nhiệt điện trở rơle thuận tiện cho việc theo dõi hoặc đo các quá trình bức xạ điện từ xảy ra ở tần số siêu cao. Điều này đảm bảo việc sử dụng chúng trong các hệ thống:

1. kiểm soát nhiệt;

2. chuông báo cháy;

3. quy định tốc độ dòng chảy của chất lỏng và phương tiện số lượng lớn.

Nhiệt điện trở silicon có TCR nhỏ > 0 được sử dụng trong hệ thống làm mát và ổn định nhiệt độ của bóng bán dẫn.

cặp nhiệt điện

Các chất bán dẫn này hoạt động trên cơ sở hiện tượng Seebeck: khi mối hàn của hai kim loại phân tán được nung nóng, EMF xảy ra tại điểm nối của một mạch kín. Bằng cách này, chúng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện.

Cấu trúc của hai phần tử như vậy được gọi là cặp nhiệt điện. Hiệu quả của nó nằm trong khoảng 7 ÷ 10%.

Cặp nhiệt điện được sử dụng trong nhiệt kế cho các thiết bị máy tính kỹ thuật số yêu cầu kích thước thu nhỏ và độ chính xác đọc cao, cũng như nguồn dòng điện thấp.

Máy sưởi bán dẫn và tủ lạnh

Chúng hoạt động bằng cách tái sử dụng các cặp nhiệt điện mà dòng điện chạy qua. Trong trường hợp này, ở một điểm của đường giao nhau, nó được làm nóng và ở điểm đối diện, nó được làm mát.

Các kết nối bán dẫn dựa trên selen, bismuth, antimon, Tellurium cho phép đảm bảo chênh lệch nhiệt độ trong cặp nhiệt điện lên đến 60 độ. Điều này cho phép tạo ra thiết kế tủ lạnh từ chất bán dẫn với nhiệt độ trong buồng làm mát xuống tới -16 độ.