Hệ số nhiệt độ của điện trở

Điện trở của dây dẫn thường phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn, vào chiều dài và tiết diện của nó, hay ngắn gọn hơn là vào điện trở và vào kích thước hình học của dây dẫn. Sự phụ thuộc này đã được biết rõ và được biểu thị bằng công thức:

Được mọi người biết đến và Định luật Ôm cho tiết diện đồng chất của mạch điện, từ đó có thể thấy rằng điện trở càng cao thì dòng điện càng thấp. Do đó, nếu điện trở của dây không đổi, thì khi điện áp đặt vào tăng, dòng điện sẽ tăng tuyến tính. Nhưng trong thực tế đây không phải là trường hợp. Điện trở của dây dẫn không đổi.

Bạn không cần phải đi đâu xa để lấy ví dụ. Nếu bạn kết nối bóng đèn với nguồn điện có thể điều chỉnh (với vôn kế và ampe kế) và tăng dần điện áp trên nó, đưa nó về giá trị định mức, bạn sẽ dễ dàng nhận thấy rằng dòng điện không tăng theo tuyến tính: điện áp tiến gần đến giá trị danh định của bóng đèn, dòng điện chạy qua cuộn dây của nó ngày càng chậm lại và đèn ngày càng sáng.

Không có chuyện tăng gấp đôi điện áp đặt vào cuộn dây sẽ tăng gấp đôi cường độ dòng điện. Định luật Ohm dường như không giữ được. Trên thực tế, định luật Ohm được đáp ứng và chính xác là điện trở của dây tóc bóng đèn không phải là hằng số mà nó phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hãy nhớ lại lý do cho tính dẫn điện cao của kim loại là gì. Nó được kết hợp với sự hiện diện trong kim loại của một số lượng lớn hạt mang điện - thành phần hiện tại - điện tử dẫn… Là những electron do các electron hóa trị của nguyên tử kim loại tạo thành, chung cho toàn bộ chất dẫn điện, chúng không thuộc riêng từng nguyên tử.

Dưới tác dụng của điện trường đặt vào vật dẫn, các êlectron dẫn tự do chuyển từ trạng thái hỗn loạn sang chuyển động ít nhiều có trật tự - dòng điện được hình thành. Nhưng các electron gặp trở ngại trên đường đi của chúng, sự không đồng nhất của mạng ion, chẳng hạn như khuyết tật mạng, một cấu trúc không đồng nhất gây ra bởi các dao động nhiệt của nó.

Các electron tương tác với các ion, mất động lượng, năng lượng của chúng được truyền sang các ion mạng, chuyển thành dao động ion mạng và sự hỗn loạn của chuyển động nhiệt của chính các electron tăng lên, từ đó dây dẫn nóng lên khi dòng điện chạy qua nó.

Trong chất điện môi, chất bán dẫn, chất điện phân, chất khí, chất lỏng không phân cực—lý do của điện trở có thể khác nhau, nhưng định luật Ohm rõ ràng không duy trì tuyến tính vĩnh viễn.

Do đó, đối với kim loại, sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự gia tăng thậm chí nhiều hơn các dao động nhiệt của mạng tinh thể và khả năng chống chuyển động của các electron dẫn tăng lên.Điều này có thể được nhìn thấy từ thí nghiệm với đèn: độ sáng của ánh sáng tăng lên, nhưng dòng điện tăng ít hơn. Điều này có nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ đã ảnh hưởng đến điện trở của dây tóc bóng đèn.

Kết quả là, rõ ràng là sự kháng cự dây kim loại phụ thuộc gần như tuyến tính vào nhiệt độ. Và nếu chúng ta tính đến việc khi được nung nóng, kích thước hình học của dây thay đổi một chút, thì điện trở cũng phụ thuộc gần như tuyến tính vào nhiệt độ. Những phụ thuộc này có thể được thể hiện bằng các công thức:

Hãy chú ý đến tỷ lệ cược. Giả sử rằng ở 0 ° C, điện trở của dây dẫn là R0, thì ở nhiệt độ t ° C, nó sẽ lấy giá trị R (t) và sự thay đổi tương đối của điện trở sẽ bằng α * t ° C. Hệ số tỷ lệ này α được gọi là hệ số nhiệt độ của điện trở... Nó đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở suất của chất đó vào nhiệt độ hiện tại của nó.

Hệ số này bằng số với sự thay đổi tương đối về điện trở của một dây dẫn khi nhiệt độ của nó thay đổi 1K (một độ Kelvin, tương đương với sự thay đổi nhiệt độ một độ C).

Đối với kim loại, TCR (hệ số nhiệt độ của điện trở α), mặc dù tương đối nhỏ, nhưng luôn lớn hơn 0, vì khi dòng điện chạy qua, các electron thường va chạm với các ion của mạng tinh thể, nhiệt độ càng cao, t .is chuyển động hỗn loạn nhiệt của chúng càng cao và tốc độ của chúng càng cao.Va chạm trong chuyển động hỗn loạn với các ion mạng tinh thể, các electron của kim loại mất năng lượng, mà kết quả là chúng ta thấy — điện trở tăng lên khi dây nóng lên. Hiện tượng này được sử dụng kỹ thuật trong nhiệt kế điện trở.

Do đó, hệ số nhiệt độ của điện trở α đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở của chất vào nhiệt độ và được đo bằng 1 / K — kelvin với lũy thừa -1. Giá trị có dấu ngược lại được gọi là hệ số nhiệt độ dẫn điện.

Đối với chất bán dẫn tinh khiết, TCS âm đối với chúng, nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, điều này là do khi nhiệt độ tăng, ngày càng có nhiều electron đi vào vùng dẫn, đồng thời nồng độ lỗ trống cũng tăng . Cơ chế tương tự là đặc trưng của chất điện môi rắn và không phân cực lỏng.

Chất lỏng phân cực giảm mạnh điện trở khi tăng nhiệt độ do giảm độ nhớt và tăng phân ly. Đặc tính này được sử dụng để bảo vệ các ống điện tử khỏi tác động phá hủy của dòng điện xâm nhập cao.

Đối với hợp kim, chất bán dẫn pha tạp chất, chất khí và chất điện phân, sự phụ thuộc nhiệt của điện trở phức tạp hơn so với kim loại nguyên chất. Các hợp kim có TCS rất thấp, chẳng hạn như manganin và constantan, được sử dụng trong dụng cụ đo điện.