איך ההתנגדות תלויה בטמפרטורה

בתרגול שלו, כל חשמלאי נתקל בתנאים שונים למעבר נושאי מטען במתכות, מוליכים למחצה, גזים ונוזלים. עוצמת הזרם מושפעת מההתנגדות החשמלית, המשתנה בדרכים שונות בהשפעת הסביבה.

אחד הגורמים הללו הוא חשיפה לטמפרטורה. מכיוון שהוא משנה באופן משמעותי את תנאי הזרימה הנוכחית, הוא נלקח בחשבון על ידי מעצבים בייצור ציוד חשמלי. אנשי חשמל המעורבים בתחזוקה ותפעול של מתקנים חשמליים חייבים להשתמש בפונקציות אלה בצורה מוכשרת בעבודה מעשית.

השפעת הטמפרטורה על ההתנגדות החשמלית של מתכות

בקורס פיזיקה בבית הספר, מוצע לערוך ניסוי כזה: קח מד זרם, סוללה, חתיכת חוט, חוטי חיבור ולפיד. במקום מד זרם עם סוללה, ניתן לחבר מד אוהם או להשתמש במצבו במולטימטר.

לאחר מכן, עליך להרכיב את המעגל החשמלי המוצג בתמונה ולמדוד את הזרם במעגל.ערכו מצוין בסולם המיליאממטר בחץ שחור.

כעת אנו מביאים את להבת המבער אל החוט ומתחילים לחמם אותו. אם תסתכל על מד הזרם תראה שהמחט תנוע שמאלה ותגיע למצב המסומן באדום.

תוצאת הניסוי מראה שכאשר מתכות מתחממות, המוליכות שלהן יורדת וההתנגדות שלהן עולה.

ההצדקה המתמטית של תופעה זו ניתנת על ידי הנוסחאות ממש בתמונה. בביטוי התחתון ניתן לראות בבירור שההתנגדות החשמלית «R» של מוליך המתכת עומדת ביחס ישר לטמפרטורת «T» שלו ותלויה במספר פרמטרים אחרים.

כיצד חימום מתכות מגביל את הזרם החשמלי בפועל

מנורות ליבון

בכל יום כאשר האורות נדלקים, אנו נתקלים בביטוי של תכונה זו במנורות ליבון. בואו נבצע מדידות פשוטות על נורה של 60 וואט.

עם מד האוהם הפשוט ביותר, המופעל על ידי סוללת 4.5 וולט במתח נמוך, אנו מודדים את ההתנגדות בין המגעים של הבסיס ורואים את הערך של 59 אוהם. ערך זה נמצא בבעלות חוט קר.

נבריג את הנורה לשקע ונחבר אליה דרך מד הזרם את מתח הרשת הביתית של 220 וולט. מחט מד הזרם תקרא 0.273 אמפר. מ חוק אוהם לקטע של מעגל לקבוע את ההתנגדות של החוט במצב מחומם. זה יהיה 896 אוהם ויחרוג מקריאת מד האוהם הקודמת פי 15.2.

עודף זה מגן על המתכת של הגוף הזוהר מפני שריפה והרס, ומבטיח את פעולתו לטווח ארוך תחת מתח.

ארעיות הפעלה

כאשר החוט עובד נוצר עליו איזון תרמי בין החימום על ידי הזרם החשמלי העובר לבין הוצאת חלק מהחום לסביבה. אבל בשלב הראשוני של ההפעלה, כאשר מתח מופעל, מתרחשים זמני ארע, ויוצרים זרם פריצה, שעלול לגרום לשריפה של חוט הלהט.

תהליכים חולפים מתרחשים לזמן קצר ונגרמים מהעובדה שקצב העלייה בהתנגדות החשמלית בעת חימום המתכת אינו עומד בקצב העלייה בזרם. לאחר השלמתם נקבע אופן הפעולה.

כאשר המנורה מאירה במשך זמן רב, עובי החוט שלה מגיע בהדרגה למצב קריטי, מה שמוביל לצריבה. לרוב, הרגע הזה מתרחש במתג החדש הבא.

כדי להאריך את חיי המנורה, זרם הכניסה הזה מופחת בדרכים שונות באמצעות:

1. מכשירים המספקים אספקה ​​חלקה ושחרור מתח;

2. מעגלים לחיבור סדרתי לפילמנט של נגדים, מוליכים למחצה או תרמיסטורים (תרמיסטורים).

דוגמה לדרך אחת להגביל את זרם הכניסה עבור גופי תאורה לרכב מוצגת בתמונה למטה.

כאן הזרם מסופק לנורה לאחר הפעלת המתג SA דרך נתיך ה-FU והוא מוגבל על ידי הנגד R, שערכו הנומינלי נבחר כך שזרם הפריצה בזמן ארעיות לא יעלה על הערך הנומינלי.

כאשר החוט מחומם, ההתנגדות שלו עולה, מה שמוביל לעלייה בהפרש הפוטנציאל בין המגעים שלו לסליל המחובר המקביל של ממסר KL1.כאשר המתח מגיע לערך הגדרת הממסר, המגע הפתוח בדרך כלל של KL1 ייסגר ויעקוף את הנגד. זרם ההפעלה של המצב שכבר הוקם יתחיל לזרום דרך הנורה.

מדחום התנגדות

השפעת הטמפרטורה של המתכת על ההתנגדות החשמלית שלה משמשת בפעולת מכשירי מדידה. הם נקראים מדי חום התנגדות.

האלמנט הרגיש שלהם עשוי מחוט מתכת דק שהתנגדותו נמדדת בקפידה בטמפרטורות מסוימות. חוט זה מותקן בתוך בית בעל תכונות תרמיות יציבות ומכוסה בכיסוי מגן. המבנה שנוצר ממוקם בסביבה שיש לנטר כל הזמן את הטמפרטורה שלה.

המוליכים של המעגל החשמלי מותקנים על המסופים של האלמנט הרגיש, המחברים את מעגל מדידת ההתנגדות. הערך שלו מומר לערכי טמפרטורה המבוססים על הכיול שבוצע קודם לכן של המכשיר.

Barretter - מייצב זרם

זהו שמו של מכשיר המורכב מצילינדר אטום מזכוכית עם גז מימן וספירלה של חוט מתכת עשוי ברזל, טונגסטן או פלטינה. עיצוב זה דומה לנורת ליבון במראהו, אך יש לו מאפיין ספציפי של מתח זרם לא ליניארי.

על המאפיין I - V, בטווח מסוים שלו, נוצר אזור עבודה שאינו תלוי בתנודות המתח המופעל על גוף החימום. באזור זה, הברט מפצה היטב את אדוות אספקת החשמל ועובד כייצב זרם לעומס המחובר איתו בסדרה.

פעולת הסיכה מבוססת על תכונות האינרציה התרמית של גוף החוט, הניתנת על ידי החתך הקטן של החוט והמוליכות התרמית הגבוהה של המימן המקיף אותו. לכן, כאשר המתח של המכשיר יורד, הוצאת החום מהחוט שלו מואצת.

זהו ההבדל העיקרי בין מנורות ליבון למנורות ליבון, כאשר על מנת לשמור על בהירות הזוהר, הן מבקשות להפחית את איבוד החום ההסעתי מהלהט.

מוליכות על

בתנאי סביבה רגילים, כאשר מוליך מתכת מתקרר, ההתנגדות החשמלית שלו יורדת.

כאשר מגיעים לטמפרטורה הקריטית, קרוב לאפס מעלות לפי מערכת המדידה של קלווין, יש ירידה חדה בהתנגדות לאפס. התמונה הימנית מראה תלות כזו בכספית.

תופעה זו, המכונה מוליכות-על, נחשבת לתחום מחקר מבטיח במטרה ליצור חומרים שיכולים להפחית משמעותית את אובדן החשמל במהלך ההולכה שלו למרחקים ארוכים.

עם זאת, מחקרים מתמשכים של מוליכות-על מגלים מספר דפוסים שבהם גורמים אחרים משפיעים על ההתנגדות החשמלית של מתכת באזור הטמפרטורה הקריטי. בפרט, כאשר זרם חילופין עובר עם עלייה בתדירות התנודות שלו, מתרחשת התנגדות, שערכה מגיע לטווח הערכים הנורמליים עבור הרמוניות עם תקופה של גלי אור.

השפעת הטמפרטורה על ההתנגדות החשמלית / מוליכות של גזים

גזים ואוויר רגיל הם דיאלקטריים ואינם מוליכים חשמל.היווצרותו דורשת נושאי מטען, שהם יונים הנוצרים כתוצאה מגורמים חיצוניים.

חימום עלול לגרום ליינון ולתנועה של יונים מקוטב אחד של המדיום למשנהו. אתה יכול לבדוק זאת באמצעות דוגמה של ניסוי פשוט. ניקח את אותו הציוד ששימש לקביעת השפעת החימום על ההתנגדות של מוליך מתכת, אבל במקום מוליך, אנו מחברים שני לוחות מתכת המופרדים על ידי חלל אוויר אל מוליכים.

מד זרם המחובר למעגל לא יראה זרם. אם להבת המבער ממוקמת בין הלוחות, החץ של המכשיר יחרוג מאפס ויראה את ערך הזרם העובר בתווך הגז.

כך, נמצא כי יינון מתרחש בגזים בחימום, מה שמוביל לתנועת חלקיקים טעונים חשמלית ולירידה בהתנגדות של המדיום.

ערך הזרם מושפע מהספק של מקור המתח החיצוני המופעל ומהפרש הפוטנציאל בין המגעים שלו. הוא מסוגל לפרוץ את שכבת הבידוד של הגזים בערכים גבוהים. ביטוי אופייני למקרה כזה בטבע הוא פריקה טבעית של ברק במהלך סופת רעמים.

תצוגה משוערת של המאפיין זרם-מתח של זרימת הזרם בגזים מוצגת בגרף.

בשלב הראשוני, בהשפעת הפרש הטמפרטורה והפוטנציאל, נצפית עלייה ביינון ומעבר הזרם באופן ליניארי בערך. לאחר מכן העקומה מקבלת כיוון אופקי כאשר עלייה במתח אינה מובילה לעלייה בזרם.

השלב השלישי של ההרס מתרחש כאשר האנרגיה הגבוהה של השדה המיושם מאיצה יונים כך שהם מתחילים להתנגש במולקולות ניטרליות, ויוצרות מהן נשאי מטען חדשים באופן מסיבי. כתוצאה מכך, הזרם גדל בחדות, ויוצר התמוטטות של השכבה הדיאלקטרית.

שימוש מעשי במוליכות גז

התופעה של זרימת זרם דרך גזים משמשת במנורות רדיו-אלקטרון ובמנורות פלורסנט.

לשם כך, שתי אלקטרודות ממוקמות בגליל זכוכית אטום עם גז אינרטי:

1. אנודה;

2. קתודה.

במנורת פלורסנט, הם עשויים בצורה של חוטים המתחממים כאשר מופעלים על מנת ליצור קרינה תרמיונית. המשטח הפנימי של הבקבוק מצופה בשכבת זרחן. הוא פולט את הספקטרום הנראה של האור הנוצר מקרינת אינפרא אדומה הנפלטת מאדי כספית המופגזים על ידי זרם אלקטרונים.

זרם הפריקה מתרחש כאשר מתח בעל ערך מסוים מופעל בין האלקטרודות הממוקמות בקצוות שונים של הנורה.

כאשר אחד החוטים נשרף, פליטת האלקטרונים של האלקטרודה הזו תופרע והמנורה לא תישרף. עם זאת, אם תגדיל את הפרש הפוטנציאל בין הקתודה לאנודה, אז תופיע שוב פריקת גז בתוך הנורה וזוהר הזרחן תתחדש.

זה מאפשר שימוש בנורות LED עם חוטים פגומים והארכת חיי השירות שלהן. צריך רק לזכור שבמקביל יש צורך להגביר את המתח בו מספר פעמים, וזה מגדיל משמעותית את צריכת האנרגיה ואת הסיכונים בשימוש בטוח.

השפעת הטמפרטורה על ההתנגדות החשמלית של נוזלים

מעבר הזרם בנוזלים נוצר בעיקר עקב תנועת קטיונים ואניונים בפעולת שדה חשמלי חיצוני. רק חלק קטן מהמוליכות מסופק על ידי אלקטרונים.

השפעת הטמפרטורה על ההתנגדות החשמלית של אלקטרוליט נוזלי מתוארת על ידי הנוסחה המוצגת בתמונה. מכיוון שהערך של מקדם הטמפרטורה α בו תמיד שלילי, אז ככל שהחימום עולה, המוליכות עולה וההתנגדות יורדת, כפי שמוצג בגרף.

יש לקחת את התופעה הזו בחשבון בעת ​​טעינת סוללות רכב נוזליות (ולא רק).

השפעת הטמפרטורה על ההתנגדות החשמלית של מוליכים למחצה

שינוי המאפיינים של חומרים מוליכים למחצה בהשפעת הטמפרטורה איפשר להשתמש בהם כ:

• התנגדות תרמית;

• צמדים תרמיים;

• מקררים;

• מחממים.

תרמיסטורים

שם זה פירושו התקני מוליכים למחצה המשנים את ההתנגדות החשמלית שלהם בהשפעת חום. שֶׁלָהֶם מקדם התנגדות טמפרטורה (TCR) גבוה משמעותית מזה של מתכות.

ערך TCR עבור מוליכים למחצה יכול להיות חיובי או שלילי. על פי פרמטר זה, הם מחולקים לתרמיסטורים חיוביים «RTS» ושליליים «NTC». יש להם מאפיינים שונים.

עבור פעולת התרמיסטור, נבחרה אחת מהנקודות של מאפיין המתח הנוכחי שלו:

• קטע ליניארי משמש לשליטה בטמפרטורה או לפיצוי על זרמים או מתחים משתנים;

• הענף היורד של I - V המאפיין אלמנטים עם TCS <0 מאפשר שימוש במוליך למחצה כממסר.

השימוש בתרמיסטור ממסר נוח לניטור או מדידה של תהליכי קרינה אלקטרומגנטית המתרחשים בתדרים גבוהים במיוחד. זה מבטיח את השימוש בהם במערכות:

1. בקרת חום;

2. אזעקת אש;

3. ויסות קצב זרימת החומרים והנוזלים בתפזורת.

תרמיסטורי סיליקון עם TCR קטן > 0 משמשים במערכות קירור וייצוב טמפרטורה של טרנזיסטורים.

צמדים תרמיים

מוליכים למחצה אלה פועלים על בסיס תופעת Seebeck: כאשר מפרק הלחמה של שתי מתכות מפוזרות מחומם, מתרחש EMF בצומת של מעגל סגור. בדרך זו, הם ממירים אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית.

בנייה של שני אלמנטים כאלה נקראת צמד תרמי. היעילות שלו היא בטווח של 7 ÷ 10%.

צמדים תרמיים משמשים במדחום עבור התקני מחשוב דיגיטליים הדורשים גודל מיניאטורי ודיוק קריאה גבוה, כמו גם מקורות זרם נמוך.

תנורי חימום ומקררים מוליכים למחצה

הם פועלים על ידי שימוש חוזר בצמדים תרמיים שדרכם עובר זרם חשמלי. במקרה זה, במקום אחד של הצומת הוא מחומם, ובמקום ההפוך הוא מקורר.

חיבורי מוליכים למחצה המבוססים על סלניום, ביסמוט, אנטימון, טלוריום מאפשרים להבטיח הפרש טמפרטורה בצמד התרמי עד 60 מעלות. זה איפשר ליצור עיצוב של מקרר ממוליכים למחצה עם טמפרטורה בתא הקירור עד -16 מעלות.