Как зависит сопротивление проводника от температуры?

Любой элемент или участок электрической цепи с точки зрения электромагнитного процесса, происходящего в нем прежде всего характеризуется способностью проводить ток или препятствовать прохожд

Как зависит сопротивление проводника от температуры?

Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры

Любой элемент или участок электрической цепи с точки зрения электромагнитного процесса, происходящего в нем прежде всего характеризуется способностью проводить ток или препятствовать прохождению тока. Это свойство элементов цепи оценивается их электрической проводимостью или величиной, обратной проводимости — электрическим сопротивлением.

Большинство электротехнических устройств состоит из токопроводящих частей, выполненных из металлических проводников, снабженных обычно изоляционным покрытием или оболочкой. Электрическое сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров и свойств материала. Величина электрического сопротивления равна

где l — длина проводника, м; s — площадь поперечного сечения проводника, мм 2 ; ρ — удельное сопротивление проводника, ом · мм 2 / м; γ — удельная проводимость, м/ом · мм.

Удельное электрическое сопротивление

Удельное сопротивление и удельная проводимость учитывают свойства материала проводника и дают значения сопротивления и проводимости проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм 2 .

По величине удельного сопротивления ρ все материалы можно разделить на три группы:

проводники — металлы и их сплавы ( ρ от 0,015 до 1,2 ом · мм 2 / м);

электролиты и полупроводники ( ρ от 10 2 до 20 6 ом · мм 2 / м);

диэлектрики, или изоляторы ( ρ от 10 10 до 20 11 ом · мм 2 / м).

В электротехнических устройствах применяются материалы как с малыми, так и с большими значениями удельных сопротивлений. Если требуется, чтобы элемент цепи имел незначительное сопротивление (например соединительные провода), его следует выполнять из проводников с малым значением ρ — порядка 0,015—0,03, например из меди, серебра, алюминия.

Другие устройства, наоборот, должны иметь значительные сопротивления (электрические лампы накаливания, нагрева тельные приборы и т. д.), поэтому их токоведущие элементы следует выполнять из материалов с большим удельным сопротивлением ρ , обычно представляющих собой сплавы металлов. К ним относятся, например, манганин, константан, нихром, которые имеют значения ρ от 0,1 до 1,2.

Зависимость электрического сопротивления от температуры

Величина электрического сопротивления зависит также от температуры проводника, которая может изменяться вследствие нагревания проводника электрическим током или вследствие изменения температуры внешней среды. При изменении температуры проводника изменяется величина его удельного сопротивления. Приведенные выше значения р для некоторых материалов справедливы при температуре

Независимость сопротивления от температуры приближенно выражается так:

R t o = R 20 о · [ 1 + α· (t o -20°) ]

R t o — сопротивление проводника при температуре t o , R 20 о — то же при температуре 20°С, ом; α — температурный коэффициент электрического сопротивления, показывающий относительное изменение сопротивления проводин ка при нагревании его на 1°С.

Из этого выражения величина α равна

Для большинства металлов и их сплавов величина α > 0, т. е. при нагревании сопротивление их увеличивается и наоборот.

Для проводков из чистых металлов значения а колеблются в пределах от 0,0037 до 0,0065 на 1°С. Для сплавов высокого сопротивления α имеет весьма малые значения, в десятки и сотни раз меньшие, чем у проводников из чистых металлов. Так например, для манганина α = 0,000015 на °С.

Значения α для полупроводников электролитов отрицательны, порядка 0,02. Температурный коэффициент электрического сопротивления также отрицателен и по своему абсолютному значению в десятки раз превышает α для металлов.

Зависимость сопротивления от температуры широко используется в технике для измерения температур при помощи так называемых термометров сопротивления , у которых α должен быть большим. В ряде приборов, наоборот, применяются материалы с малым значением α для того, чтобы исключить влияние колебаний температуры на показания этих приборов.

Сопротивление переменного тока

Сопротивление одного и того же проводника для переменного тока будет больше, чем для постоянного. Это объясняется явлением так называемого поверхностного эффекта, заключающегося в том, что переменный ток вытесняется от центральной части проводника к периферийным слоям. В результате плотность тока во внутренних слоях будет меньше, чем в наружных.

Таким образом, при переменном токе сечение проводника используется как бы неполностью. Однако при частоте 50 гц различие в сопротивлениях постоянному и переменному токам незначительно и практически им можно пренебречь.

Сопротивление проводника постоянному току называют омическим, а переменному току — активным сопротивлением. Омическое и активное сопротивления зависят от материала (внутренней структуры), геометрических размеров и температуры проводника. Кроме того, в катушках со стальным сердечником на величину активного сопротивления влияют потери в стали.

К активным сопротивлениям относят электрические лампы накаливания, электрические печи сопротивления, различные нагревательные приборы, реостаты и провода, где электрическая энергия практически почти целиком превращается в тепловую.

Кроме активного сопротивления в цепях переменного тока есть индуктивное и емкостное сопротивления (смотрите — Что такое индуктивная и емкостная нагрузка).

Сопротивление изоляции

Надежность работы электрической сети и аппаратуры в значительной степени зависит от качества изоляции между токоведущими частями различных фаз, а также между токоведущими частями и землей.

Качество изоляции характеризуется величиной ее сопротивления. Определением этой величины обычно ограничиваются при контрольных испытаниях сетей и установок с напряжением меньше 1000 В. Для установок более высокого напряжения дополнительно определяются электрическая прочность и диэлектрические потери.

В зависимости от состояния сети (сеть с выключенными или включенными приемниками энергии, находящаяся или не находящаяся под напряжением) применяют различные схемы включения измерительных приборов и способы подсчета величины сопротивления изоляции. Наиболее широко для этой цели используются мегаомметры и вольтметры.

Задача определения сопротивления изоляции специфична и обширна по объему, поэтому для ее изучения рекомендуем обратиться к этой статье: Как пользоваться мегаомметром

Для чего нужен расчет проводов на нагрев

Электрическое сопротивление влияет на нагрев проводов и кабелей. Провода, соединяющие источник энергии с приемниками, должны обеспечить питание приемников с малой потерей напряжения и энергии и но при этом они не должны нагреваться проходящим по ним током выше допустимой температуры.

Превышение допустимых значений температуры приводит к повреждению изоляции проводов и, как следствие этого, к короткому замыканию, т. е. резкому повышению величины тока в цепи. Поэтому расчет проводов позволяет определить площадь их поперечного сечения, при которой потеря напряжения и нагревание проводов будут в пределах нормы.

Обычно сечение проводов и кабелей на нагрев проверяется по таблицам допустимых токовых нагрузок из ПУЭ. Если сечение не подходит по условиям нагрева, следует выбрать большее сечение, которое удовлетворяет этим требованиям.

Установки нагрева сопротивлением

Основными элементами электропечей являются электрические нагревательные элементы и теплоизоляционное устройство, предотвращающее потери тепла в окружающее пространство. В качестве материала для электрических нагревательных элементов используются жароупорные неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением (уголь, графит, карборунд) и металлические материалы (нихром, константан, фехраль и т. п.).

Применение материалов с высоким удельным сопротивлением ρ позволяет конструировать нагревательные элементы с большой площадью поперечного сечения и поверхности, а выбор материалов, обладающих небольшим коэффициентом расширения α , обеспечивает неизменяемость геометрических размеров элемента при нагреве.

Нагревательные элементы из материалов типа графита изготавливаются в виде стержней с трубчатым или сплошным сечением. Металлические нагревательные элементы изготовляются в виде проволоки или ленты.

Использование плавких предохранителей

Для защиты проводов электрической цепи от токов, превышающих допустимые значения, применяются автоматические выключатели и плавкие предохранители различных типов. В принципе плавкий предохранитель представляет собой участок электрической цепи с малой термической устойчивостью.

Плавкую вставку предохранителя обычно выполняют в виде короткого проводника малого сечения из материала с хорошей проводимостью (медь, серебро) или проводника с относительно высоким удельным сопротивлением (свинец, олово). При увеличении тока сверх значения, на которое рассчитана плавкая вставка, последняя перегорает и отключает защищаемый ею участок цепи или токоприемник.

Как зависит сопротивление проводника от температуры?

§ 60. Зависимость сопротивления от температуры

Частицы проводника (молекулы, атомы, ионы), не участвующие в образовании тока, находятся в тепловом движении, а частицы, образующие ток, одновременно находятся в тепловом и в направленном движениях под действием электрического поля. Благодаря этому между частицами, образующими ток, и частицами, не участвующими в его образовании, происходят многочисленные столкновения, при которых первые отдают часть переносимой ими энергии источника тока вторым. Чем больше столкновений, тем меньше скорость упорядоченного движения частиц, образующих ток. Как видно из формулы I = enνS, снижение скорости приводит к уменьшению силы тока. Скалярная величина, характеризующая свойство проводника уменьшать силу тока, называется сопротивлением проводника. Из формулы закона Ома сопротивление Ом — сопротивление проводника, в котором получается ток силой в 1 а при напряжении на концах проводника в 1 в.

Сопротивление проводника зависит от его длины l, поперечного сечения S и материала, который характеризуется удельным сопротивлением Чем длиннее проводник, тем больше за единицу времени столкновений частиц, образующих ток, с частицами, не участвующими в его образовании, а поэтому тем больше и сопротивление проводника. Чем меньше поперечное сечение проводника, тем более плотным потоком идут частицы, образующие ток, и тем чаще их столкновения с частицами, не участвующими в его образовании, а поэтому тем больше и сопротивление проводника.

Под действием электрического поля частицы, образующие ток, между столкновениями движутся ускоренно, увеличивая свою кинетическую энергию за счет энергии поля. При столкновении с частицами, не образующими ток, они передают им часть своей кинетической энергии. Вследствие этого внутренняя энергия проводника увеличивается, что внешне проявляется в его нагревании. Рассмотрим, изменяется ли сопротивление проводника при его нагревании.

Читайте также  Способы прозвонки проводов и кабелей


Рис. 81. Зависимость сопротивления металлов от температуры

В электрической цепи имеется моток стальной проволоки (струна, рис. 81, а). Замкнув цепь, начнем нагревать проволоку. Чем больше мы ее нагреваем, тем меньшую силу тока показывает амперметр. Ее уменьшение происходит от того, что при нагревании металлов их сопротивление увеличивается. Так, сопротивление волоска электрической лампочки, когда она не горит, приблизительно 20 ом, а при ее горении (2900° С) — 260 ом. При нагревании металла увеличивается тепловое движение электронов и скорость колебания ионов в кристаллической решетке, в результате этого возрастает число столкновений электронов, образующих ток, с ионами. Это и вызывает увеличение сопротивления проводника * . В металлах несвободные электроны очень прочно связаны с ионами, поэтому при нагревании металлов число свободных электронов практически не изменяется.

* ( Исходя из электронной теории, нельзя вывести точный закон зависимости сопротивления от температуры. Такой закон устанавливается квантовой теорией, в которой электрон рассматривается как частица, обладающая волновыми свойствами, а движение электрона проводимости через металл — как процесс распространения электронных волн, длина которых определяется соотношением де Бройля.)

Опыты показывают, что при изменении температуры проводников из различных веществ на одно и то же число градусов сопротивление их изменяется неодинаково. Например, если медный проводник имел сопротивление 1 ом, то после нагревания на 1°С он будет иметь сопротивление 1,004 ом, а вольфрамовый — 1,005 ом. Для характеристики зависимости сопротивления проводника от его температуры введена величина, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Скалярная величина, измеряемая изменением сопротивления проводника в 1 ом, взятого при 0° С, от изменения его температуры на 1° С, называется температурным коэффициентом сопротивления α. Так, для вольфрама этот коэффициент равен 0,005 град -1 , для меди — 0,004 град -1 . Температурный коэффициент сопротивления зависит от температуры. Для металлов он с изменением температуры меняется мало. При небольшом интервале температур его считают постоянным для данного материала.

Выведем формулу, по которой рассчитывают сопротивление проводника с учетом его температуры. Допустим, что R — сопротивление проводника при 0°С, при нагревании на 1°С оно увеличится на αR, а при нагревании на — на αRt° и становится R = R + αR, или

Зависимость сопротивления металлов от температуры учитывается, например при изготовлении спиралей для электронагревательных приборов, ламп: длину проволоки спирали и допускаемую силу тока рассчитывают по их сопротивлению в нагретом состоянии. Зависимость сопротивления металлов от температуры используется в термометрах сопротивления, которые применяются для измерения температуры тепловых двигателей, газовых турбин, металла в доменных печах и т. д. Этот термометр состоит из тонкой платиновой (никелевой, железной) спирали, намотанной на каркас из фарфора и помещенной в защитный футляр. Ее концы включаются в электрическую цепь с амперметром, шкала которого проградуирована в градусах температуры. При нагревании спирали сила тока в цепи уменьшается, это вызывает перемещение стрелки амперметра, которая и показывает температуру.

Величина, обратная сопротивлению данного участка, цепи, называется электрической проводимостью проводника (электропроводностью). Электропроводность проводника Чем больше проводимость проводника, тем меньше его сопротивление и тем лучше он проводит ток. Наименование единицы электропроводности Проводимость проводника сопротивлением 1 ом называется сименс.

При понижении температуры сопротивление металлов уменьшается. Но есть металлы и сплавы, сопротивление которых при определенной для каждого металла и сплава низкой температуре резким скачком уменьшается и становится исчезающе малым — практически равным нулю (рис. 81, б). Наступает сверхпроводимость — проводник практически не обладает сопротивлением, и раз возбужденный в нем ток существует долгое время, пока проводник находится при температуре сверхпроводимости (в одном из опытов ток наблюдался более года). При пропускании через сверхпроводник тока плотностью 1200 а /мм 2 не наблюдалось выделения количества теплоты. Одновалентные металлы, являющиеся наилучшими проводниками тока, не переходят в сверхпроводящее состояние вплоть до предельно низких температур, при которых проводились опыты. Например, в этих опытах медь охлаждали до 0,0156°К, золото — до 0,0204° К. Если бы удалось получить сплавы со сверхпроводимостью при обычных температурах, то это имело бы огромное значение для электротехники.

Согласно современным представлениям, основной причиной сверхпроводимости является образование связанных электронных пар. При температуре сверхпроводимости между свободными электронами начинают действовать обменные силы, отчего электроны образуют связанные электронные пары. Такой электронный газ из связанных электронных пар обладает иными свойствами, чем обычный электронный газ — он движется в сверхпроводнике без трения об узлы кристаллической решетки.

Задача 24. Для изготовления спиралей электрической плитки мастерская получила моток нихромозой проволоки, на бирке которой было написано: «Масса 8,2 кг,Λ диаметр 0,5 мм«. Определить, сколько спиралей можно изготовить из этой проволоки, если сопротивление спирали, не включенной в сеть, должно быть 22 ома. Плотность нихрома 8200 кг /м 3 .

Отсюда где S = πr 2 ; S = 3,14*0,0625 мм 2 ≈ 2*10 -7 м 2 .

Масса проволоки m = ρ1V, или m = ρ1lS, отсюда

Отв.: n = 1250 спиралей.

Задача 25. При температуре 20° С вольфрамовая спираль электрической лампочки имеет сопротивление 30 ом; при включении ее в сеть постоянного тока с напряжением 220 в по спирали идет ток 0,6 а. Определить температуру накала нити лампочки и напряженность стационарного электрического поля в нити лампы, если ее длина 550 мм.

Сопротивление спирали при горении лампы определим из формулы закона Ома для участка цепи:

тогда

Напряженность стационарного поля в нити лампы

Отв.: t 0 Г = 2518°C; Е = 400 в /м.

Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

Урок 57. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость»

Изучая закон Ома для участка цепи мы с вами ввели понятие электрического сопротивления, как физическую величину, характеризующую свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока в нём.

При этом мы с вами показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого этот проводник изготовлен:

Напомним, что электрические свойства проводника характеризуются его удельным сопротивлением.

Как вы знаете, в таблицах удельных сопротивлений веществ очень часто указывается температура, при которой удельное сопротивление было измерено. Тогда логично предположить, что сопротивление проводника должно каким-то образом зависеть от температуры.

Проверим это предположение на опыте. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и амперметра. Включим источник тока, и отметим показание амперметра.

А теперь давайте нагреем исследуемую спиральку, например, с помощью спиртовки. Не трудно увидеть, что показания амперметра начинают уменьшаться. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Объясняется этот факт достаточно просто. Вы знаете, что удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия. В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры.

Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

Если принять, что при 273 К (то есть при 0 о С) удельное сопротивление проводника равно ρ, а при температуре Т оно равно ρ, то, как показывает опыт, относительное изменение удельного сопротивления пропорционально изменению абсолютной температуры (которое, напомним, совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия):

В записанном уравнении α — это температурный коэффициент. Он численно равен относительному изменению удельного сопротивления вещества проводника при изменении его температуры на 1 К:

Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

Поскольку сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению вещества, из которого изготовлен проводник, то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения l/S, можно записать такие соотношения:

Здесь R и R — это сопротивления проводника соответственно при нуле градусов Цельсия и при данной температуре.

Отметим, что для металлических проводников эти формулы применимы при температурах более T >140 К.

У всех металлов при повышении температуры сопротивление возрастает. То для них температурный коэффициент сопротивления — это величина положительная. У растворов же электролитов наоборот с ростом температуры сопротивление уменьшается. Значит их температурный коэффициент сопротивления меньше нуля.

Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 о С температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур:

Давайте, для примера определим сопротивление алюминиевого проводника при температуре 90 о С, если при температуре 20 о С его сопротивление равно 4 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия α = 4,2 · 10 –3 К –1 .

Читайте также  Как составить схему электропроводки перед ремонтом

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах — термометрах сопротивления. Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора или слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от –263 до 1064 o С, а медные — от –50 до 180 o С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константан и манганин.

В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры обнаружил одно замечательное явление. Вначале эксперимента всё шло по плану: сопротивление металла при охлаждении постепенно уменьшалось. Однако при температуре меньше либо равной 4,12 К (по современным измерениям при 4,15 К) электрическое сопротивление ртути резко исчезало.

Явление падения до нуля сопротивления проводника при определённой температуре называется сверхпроводимостью, а проводник в этом состоянии — сверхпроводником.

Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в ноль, называют критической температурой.

Открытие Камерлинг-Оннеса, за которое в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия, повлекло за собой исследования свойств веществ при низких температурах. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой.

У веществ в сверхпроводящем состоянии были отмечены резкие аномалии магнитных, тепловых и ряда других свойств. Так, например, если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем состоянии, создать ток, а затем удалить источник тока, то сила этого тока в таком проводнике не меняется сколь угодно долго. В обычном же (несверхпроводящем) проводнике электрический ток в этом случае прекращается. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе квантовой теории. Оно было дано лишь в 1957 году американскими учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Джоном Шриффером, а также советским учёным и академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым.

Очень упрощённо механизм сверхпроводимости можно объяснить так: при критической температуре электроны объединяются в правильную шеренгу и движутся, не сталкиваясь с кристаллической решёткой, состоящей из ионов. Это движение существенно отличается от обычного теплового движения, при котором свободный электрон движется хаотично.

В 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соединения лантана, бария и других элементов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 100 К. Это выше температуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 К).

Высокотемпературная сверхпроводимость в недалёком будущем приведёт наверняка к новой технической революции во всей электротехнике, радиотехнике и конструировании компьютеров.

Как зависит сопротивление проводника от температуры?

§3. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводники

С увеличением температуры сопротивление проводника возрастает по линейному закону

где R — сопротивление при t =0° С; R — сопротивление при температуре t , α — термический коэффициент сопротивления, показывает как меняется сопротивление проводника при изменении температуры на 1 градус. Для чистых металлов при не очень низких температурах , т.е. можно записать

При определенных температурах (0,14-20 К), называемых «критическими» сопротивление проводника резко уменьшается до 0 и металл переходит в сверхпроводящее состояние. Впервые в 1911 г. Это обнаружил Камерлинг-Оннес для ртути. В 1987 г. разработаны керамики, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах превышающих 100 К, так называемые высокотемпературные сверхпроводники — ВТСП.

§4 Элементарная классическая теория электропроводности металлов

Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Наличие свободных электронов объясняется тем, что при образовании кристаллической решетки металла при сближении изолированных атомов валентные электроны, слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атома металла, становятся «свободными», обобществленными, принадлежащими не отдельному атому, а всему веществу, и могут перемещаться по всему объему. В классической электронной теории эти электроны рассматриваются как электронный газ, обладающий свойствами одноатомного идеального газа.

Электроны проводимости в отсутствии электрического поля внутри металла хаотически двигаются и сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может, привести к возникновению тока. Средняя скорость теплового движения электронов

при Т = 300 К.

2. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Выразим силу и плотность тока через скорость v упорядоченного движения электронов в проводнике.

За время dt через поперечное сечение S проводника пройдет N электронов

, ;

следовательно, даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов , обуславливавшего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения .

3. Электрический ток в цепи устанавливается за время , где L

длина цепи, с = 3·10 8 м/с — скорость света в вакууме. Электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыканием.

4. Средняя длина свободного пробега электронов λ по порядку величины должна быть равна периоду кристаллической решетки металла λ ≈ 10 -10 м.

5. С ростов температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов кристаллической решетки и электрон чаше сталкивается с колеблющимися ионами, поэтому его длина свободного пробега уменьшается, а сопротивление металла растет,

Недостатки классической теории электропроводности металлов:

1. (1)

т.к.

, n и λ ≠ f ( T ) ρ

,

т.е. из классической теории электропроводности следует, что удельное сопротивление пропорционально корню квадратному из температуры, а из опыта следует, что оно линейно зависит от температуры, ρ

2. Дает неправильное значение молярной теплоемкости металлов. Согласно закону Дюлонга и Пти Сμ = 3 R , а по классической теории С = 9 / 2 R = С μ ионной решетки = 3 R + С μ дноатомного электронного газа = 3/2 R .

3. Средняя длина свободного пробега электронов из формулы (1) при подстановке экспериментального значения ρ и теоретического значения дает 10 -8 , что на два порядка больше средней длины пробега принимаемой в теории (10 -10 ).

§5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля -Ленца

Т.к. заряд переносится в проводнике под действием электростатического поля, то его работа равна

МОЩНОСТЬ — работа, совершаемая в единицу времени

Если ток проходит по неподвижному проводнику, то вся работа тока идет на нагревание металлического проводника, и по закону сохранения энергии

УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТЬЮ тока называется количество теплоты, выделенное в единице объема, проводника за единицу времени.

— Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

§5 Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Любая точка разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников, с током называется УЗЛОМ. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а выходящий — отрицательный,

ПЕРВОЕ ПРАВИЛО КИРХГОФА: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда (заряд, вошедший в узел, равен вышедшему заряду).

ВТОРОЕ ПРАВИЛО КИРХГОФА: в любом замкнутом контуре произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС. встречающихся в контуре.

При расчете сложных цепей пстоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

  1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определится при решении задачи; если искомый ток получился положительным, то направление выбрано правильно, если отрицательным, то его истинное направление противоположно выбранному.
  2. Выбрать направление обхода контура. Произведение положительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и наоборот. ЭДС положительны, если они создают ток направленный в сторону обхода контура, против — отрицательны.
  3. Записывается первое правило для N -1 узла.
  4. Записать второе правило Кирхгофа для замкнутых контуров, которые могут быть выделены в цепи. Каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах.

Число независимых уравнений, составленных в соответствии с первым и вторым правилом Кирхгофа, оказывается равным числу различных токов, текущих в разветвленной цепи. Поэтому, если заданы ЭДС и сопротивления для всех неразветвленных участков, то могут быть вычислены все токи.

Температура и значение сопротивления проводника: какая между ними зависимость

Направленный поток заряженных частиц циркулирует по проводникам из разных материалов при различных условиях окружающей среды.

А на величину заряда влияет значение сопротивления проводников, которое коррелирует с внешними параметрами. К этим параметрам относится и температура воздуха.

Далее более детально разберем данный вопрос.

Металлы

Как реагируют металлические материалы на изменение температуры: нагрев или охлаждение? Для рассмотрения был смоделирован следующий опыт: была собрана цепь из проволоки, амперметра, провода, батарейки и нагревающей горелки.

Для снятия начальных показателей измеряют силу тока в собранной цепи. Далее с помощью горелки разогревают металлическую спираль. С ростом температуры проволоки увеличивается сопротивление, а соответственно показатели тока падают.

Читайте также  Предельно допустимый ток в проводе ПВ-1

Для опыта о влиянии температуры на сопротивление проводников берутся:

  1. Спираль из металлической проволоки
  2. Питающий элемент
  3. Амперметр

На видео можно увидеть эксперимент, описанный выше.

Существует такой параметр как сверхпроводимость проводников. При нормальных условиях окружающей среды и снижении температуры металла сопротивление падает.

Можно увидеть данную зависимость сопротивления от температуры на примере ртути. При гранично низкой температуре проводника значение сопротивления стремительно падает, приближаясь к нулю. Это и есть явление сверхпроводимости.

Газообразные вещества не способны передавать электрический поток. Для его образования нужны заряженные частицы. Такие носители называются ионами и формируются под действием окружающих условий.

Такую ситуацию подробно разберем в следующем опыте. Нам понадобятся те же устройства, что и для предыдущего, только вместо провода будут металлические пластины с небольшими разрывами между друг другом.

При исходных условиях измерительный прибор указывает на ноль. После установки горелки между проводниками можно наблюдать рост показателей силы тока.

Выше можно увидеть изображение вольт-амперной характеристики разряда в газовой среде. В графике четко видно, что после стремительного роста показатели тока становятся стабильными, несмотря на изменение напряжения.

В конце есть резкий скачек, результатом которого может быть разрушение изоляционного слоя.

А теперь разберем практическую сторону процесса изменения сопротивления при повышении температуры проводника. Простой пример применения в повседневной жизни — люминесцентные источники освещения.

Два проводника, которые называются катод и анод, помещены в колбу с инертным газом.

Что же происходит при включении? Получая питание, проводники нагреваются и происходит термоэлектронная эмиссия. Изнутри сосуд имеет специальное люминофорное покрытие, что и обеспечивает свечение.

Как взаимодействуют ртуть и люминофор? При столкновении электронов и паров ртути получается инфракрасное излучение, что и обеспечивает свечение. При подаче напряжения на катод и анод мы получаем явление проводимости газов.

Жидкости

Анионы и катионы — залог проводимости тока в жидкости, благодаря действию электрического поля. Электроны же в этом случае имеют маленько значение проводимости. Итак, перейдем к отношению сопротивления к температуре проводнике жидкости.

Для этого опыта подойдут:

  1. Электролит.
  2. Элемент питания.
  3. Прибор для измерения силы тока.

Об этой закономерности стоит помнить, проводя зарядку источников автономного питания, то есть батарей.

Полупроводники

Как коррелирует сопротивление к повышению температуры в полупроводниках? В первую очередь разберем вариант с полупроводниками. Полупроводники — приборы, у которых значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) значительно выше, нежели у металлических материалов. Они бывают положительного и отрицательного значений.

На картинке показаны изменения:

  • отрицательного ТКС;
  • положительного ТКС.

Каждая точка на ВАХ имеет параметры работы терморезисторов:

  • функции реле характерны для температуры ниже нуля;
  • для контроля изменений силы тока, температурного параметра и вольтажа используют линейные зависимости.

Терморезисторы востребованы при контроле электромагнитных излучений на ультравысоких частотах. Эти устройства часто применяют при проектировании и изготовлении сигнализирующих и охранных систем, термодатчиках, автоматических электронных дозаторах. Элементы с отрицательным ТКС актуальны для работы в охладительных установках.

Далее поговорим о термоэлементах. Работа термических элементов объясняется явлением Зеебека.

ЭДС возникает в случае повышения температурного показателя в месте соединения цепи. Тепловая энергия преобразуется в электрическую.

Для более глубокого разбора данной темы советуем прочитать руководство к изготовлению термоэлектрического генератора в домашних условиях.

И последний пункт нашей статьи — это холодильники и полупроводниковые нагреватели. Наличие полупроводников в цепи дает возможность установке иметь температурный диапазон до шестидесяти градусов.

На таком принципе и был спроектирован первый холодильник. Он обеспечивает температуру внутри установки на 16 градусов ниже. Транзит потока заряженных частиц через термоэлементы является базой для функционирования проводников.

В этой статье мы рассмотрели зависимость значений сопротивления проводников от показателей температуры. Надеемся, что изложенный материал помог Вам разобраться в интересном вопросе.

Физика. 10 класс

§ 34. Электрический ток в металлах. Сверхпроводимость

Типичными представителями класса проводников являются металлы. Какова природа электрического тока в металлах?

Природа электрического тока в металлах. В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток ( рис. 194 ).

Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком К. Рикке ( 1845–1915 ) в 1901 г. Суть опыта Рикке заключалась в следующем: по проводнику, состоявшему из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу цилиндров — двух медных и одного алюминиевого ( рис. 195 ), в течение года проходил ток одного и того же направления. За этот промежуток времени через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл. После завершения опыта взвешивание показало, что массы цилиндров остались неизменными. Это явилось экспериментальным доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются одинаковыми для всех металлов, т. е. электронами.

В 1916 г. американский физик Р. Толмен ( 1881—1948 ) и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.

В этих опытах катушку с большим числом витков тонкой проволоки подключали к гальванометру и приводили в быстрое вращение вокруг своей оси ( рис. 195.1 ). При резком торможении катушки в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. При этом экспериментально полученное отношение заряда каждой из этих частиц к её массе (удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода.

В соответствии с классической электронной теорией проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде ( 1863–1906 ) в 1900 г., металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия ( рис. 196 ).

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощённо объяснить следующим образом. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. При образовании кристалла атомы сближаются на расстояние r 0,1 нм , и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате этого их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, вследствие чего они теряют с ними связь и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются при этом в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами беспорядочно движутся подобно частицам идеального газа свободные электроны. Поэтому для описания движения электронов используют модель «электронный газ» — совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла. На рисунке 196.1 пунктирной линией изображена траектория движения одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых является током проводимости, рассматривают как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считают, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими, т. е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение и в то же время движутся упорядоченно и равноускоренно под воздействием электрического поля.

Интересно знать

Модель электронного газа позволяет теоретически объяснить природу сопротивления и обосновать закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов. Проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля ( рис. 196.2 ): где m — масса электрона, e — элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона).

Тогда модуль средней скорости его направленного движения: , где — усреднённый промежуток времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряжённости этого поля где l — длина проводника, U — напряжение между его концами. Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника .

Сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

где q — модуль заряда электронов проводимости, находящихся в проводнике, — усреднённое время прохождения этих электронов по проводнику, N — количество электронов проводимости в проводнике, n — концентрация этих электронов, V = Sl — объём проводника. Следовательно, сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника I U.

Алексей Бартош/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Gk-Rosenergo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: