كيف تعتمد المقاومة على درجة الحرارة

في ممارسته ، يواجه كل كهربائي ظروفًا مختلفة لمرور حاملات الشحنة في المعادن وأشباه الموصلات والغازات والسوائل. يتأثر حجم التيار بالمقاومة الكهربائية التي تتغير بطرق مختلفة تحت تأثير البيئة.

أحد هذه العوامل هو التعرض لدرجة الحرارة. نظرًا لأنه يغير ظروف التدفق الحالي بشكل كبير ، فإنه يأخذ في الاعتبار من قبل المصممين في تصنيع المعدات الكهربائية. يجب أن يستخدم الموظفون الكهربائيون المشاركون في صيانة وتشغيل التركيبات الكهربائية هذه الوظائف بكفاءة في العمل العملي.

تأثير درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية للمعادن

في دورة الفيزياء المدرسية ، يُقترح إجراء مثل هذه التجربة: خذ مقياس التيار الكهربائي ، وبطارية ، وقطعة من الأسلاك ، وأسلاك توصيل وشعلة. بدلاً من مقياس التيار الكهربائي ببطارية ، يمكنك توصيل مقياس الأومتر أو استخدام وضعه في مقياس متعدد.

بعد ذلك ، تحتاج إلى تجميع الدائرة الكهربائية الموضحة في الصورة وقياس التيار في الدائرة.يشار إلى قيمته على مقياس الملليمتر بواسطة سهم أسود.

الآن نأتي بشعلة الموقد إلى السلك ونبدأ في تسخينها. إذا نظرت إلى مقياس التيار الكهربائي ، فسترى أن الإبرة ستتحرك إلى اليسار وتصل إلى الموضع المحدد باللون الأحمر.

تظهر نتيجة التجربة أنه عندما يتم تسخين المعادن ، تقل موصليةها وتزداد مقاومتها.

يتم إعطاء التبرير الرياضي لهذه الظاهرة من خلال الصيغ الموجودة في الصورة. في التعبير السفلي ، يُلاحظ بوضوح أن المقاومة الكهربائية «R» للموصل المعدني تتناسب طرديًا مع درجة حرارته «T» وتعتمد على عدة معايير أخرى.

كيف يحد تسخين المعادن من التيار الكهربائي في الممارسة

المصابيح المتوهجة

كل يوم عندما تضاء الأنوار ، نواجه مظهر من مظاهر هذه الخاصية في المصابيح المتوهجة. لنقم بإجراء قياسات بسيطة على لمبة 60 واط.

باستخدام أبسط مقياس أوم ، مدعوم ببطارية منخفضة الجهد 4.5 فولت ، نقيس المقاومة بين جهات اتصال القاعدة ونرى قيمة 59 أوم. هذه القيمة مملوكة لخيط بارد.

سنقوم بربط المصباح في المقبس وربطه من خلال مقياس التيار الكهربائي بجهد الشبكة المنزلية البالغ 220 فولت. ستقرأ إبرة مقياس التيار الكهربائي 0.273 أمبير. من قانون أوم لقسم من الدائرة تحديد مقاومة الخيط في حالة التسخين. سيكون 896 أوم ويتجاوز قراءة الأومتر السابقة بمقدار 15.2 مرة.

يحمي هذا الفائض معدن الجسم المضيء من الاحتراق والدمار ، مما يضمن تشغيله على المدى الطويل تحت الجهد.

العابرين بالطاقة

عندما يعمل الخيط ، يتم إنشاء توازن حراري عليه بين التسخين بالتيار الكهربائي المار وإزالة جزء من الحرارة إلى البيئة. ولكن في المرحلة الأولى من التبديل ، عندما يتم تطبيق الجهد ، تحدث عابرات ، مما يؤدي إلى حدوث تيار تدفق ، مما قد يؤدي إلى احتراق الشعيرة.

تحدث العمليات العابرة لفترة قصيرة وتنتج عن حقيقة أن معدل الزيادة في المقاومة الكهربائية عند تسخين المعدن لا يواكب الزيادة في التيار. بعد اكتمالها ، يتم تحديد طريقة التشغيل.

عندما يضيء المصباح لفترة طويلة يصل سمك خيوطه تدريجيًا إلى حالة حرجة تؤدي إلى الاحتراق ، وغالبًا ما تحدث هذه اللحظة عند المفتاح الجديد التالي قيد التشغيل.

لإطالة عمر المصباح ، يتم تقليل تيار التدفق هذا بطرق مختلفة باستخدام:

1. الأجهزة التي توفر الإمداد السلس وتحرير التوتر ؛

2. دوائر توصيل متسلسلة بخيوط من المقاومات أو أشباه الموصلات أو الثرمستورات (الثرمستورات).

يظهر مثال على طريقة واحدة للحد من تدفق التيار لتركيبات إضاءة السيارات في الصورة أدناه.

هنا يتم توفير التيار إلى المصباح بعد تشغيل المفتاح SA من خلال فتيل FU ويكون مقيدًا بالمقاوم R ، ويتم اختيار القيمة الاسمية له بحيث لا يتجاوز تيار التدفق أثناء العبور القيمة الاسمية.

عندما يتم تسخين الفتيل ، تزداد مقاومته ، مما يؤدي إلى زيادة فرق الجهد بين جهات الاتصال الخاصة به والملف المتوازي المتصل لمرحل KL1.عندما يصل الجهد إلى قيمة إعداد الترحيل ، فإن جهة الاتصال المفتوحة عادة لـ KL1 ستغلق وتتجاوز المقاوم. سيبدأ تيار التشغيل للوضع المحدد بالفعل في التدفق عبر المصباح.

ميزان الحرارة المقاومة

يتم استخدام تأثير درجة حرارة المعدن على مقاومته الكهربائية في تشغيل أدوات القياس. يطلق عليهم موازين الحرارة المقاومة.

يتكون عنصرها الحساس من سلك معدني رفيع يتم قياس مقاومته بعناية عند درجات حرارة معينة. يتم تثبيت هذا الخيط في غلاف ذي خصائص حرارية مستقرة ومغطى بغطاء واقي. يتم وضع الهيكل الذي تم إنشاؤه في بيئة يجب مراقبة درجة حرارتها باستمرار.

يتم تثبيت موصلات الدائرة الكهربائية على أطراف العنصر الحساس ، والتي تربط دائرة قياس المقاومة. يتم تحويل قيمته إلى قيم درجة الحرارة بناءً على المعايرة التي تم إجراؤها مسبقًا للجهاز.

Barretter - المثبت الحالي

هذا هو اسم الجهاز الذي يتكون من أسطوانة زجاجية مختومة بغاز الهيدروجين ولولب من الأسلاك المعدنية المصنوعة من الحديد أو التنجستن أو البلاتين. يشبه هذا التصميم المصباح الكهربائي المتوهج في المظهر ، ولكنه يتميز بخاصية جهد تيار غير خطي محدد.

على خاصية I - V ، في نطاق معين منها ، يتم تشكيل منطقة عمل ، والتي لا تعتمد على تقلبات الجهد المطبق على عنصر التسخين. في هذه المنطقة ، يقوم القضيب بتعويض تموج إمداد الطاقة جيدًا ويعمل كمثبت حالي للحمل المتصل به على التوالي.

يعتمد تشغيل المشبك على خصائص القصور الذاتي الحراري لجسم الفتيل ، والذي يتم توفيره من خلال المقطع العرضي الصغير للخيوط والتوصيل الحراري العالي للهيدروجين المحيط به. لذلك ، عندما ينخفض ​​جهد الجهاز ، تتسارع إزالة الحرارة من خيوطه.

هذا هو الفرق الرئيسي بين المصابيح المتوهجة والمصابيح المتوهجة ، حيث تسعى إلى تقليل فقد الحرارة بالحمل الحراري من الفتيل من أجل الحفاظ على سطوع التوهج.

الموصلية الفائقة

في ظل الظروف المحيطة العادية ، عندما يبرد موصل معدني ، تقل مقاومته الكهربائية.

عندما يتم الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة ، بالقرب من درجة الصفر وفقًا لنظام قياس كلفن ، هناك انخفاض حاد في مقاومة الصفر. تظهر الصورة الصحيحة مثل هذا الاعتماد على الزئبق.

تعتبر هذه الظاهرة ، التي تسمى الموصلية الفائقة ، مجالًا واعدًا للبحث من أجل إنتاج مواد يمكن أن تقلل بشكل كبير من فقدان الكهرباء أثناء نقلها لمسافات طويلة.

ومع ذلك ، تكشف الدراسات المستمرة عن الموصلية الفائقة عن عدد من الأنماط حيث تؤثر العوامل الأخرى على المقاومة الكهربائية للمعدن في منطقة درجة الحرارة الحرجة. على وجه الخصوص ، عند مرور التيار المتردد مع زيادة في تواتر تذبذباته ، تحدث مقاومة تصل قيمتها إلى نطاق القيم العادية للتوافقيات مع فترة موجات ضوئية.

تأثير درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية / توصيل الغازات

الغازات والهواء العادي هي عوازل ولا توصل الكهرباء.يتطلب تكوينه حاملات شحنة ، وهي عبارة عن أيونات تكونت نتيجة لعوامل خارجية.

يمكن أن يتسبب التسخين في تأين وحركة الأيونات من قطب من الوسط إلى آخر. يمكنك التحقق من ذلك بمثال تجربة بسيطة. لنأخذ نفس المعدات التي تم استخدامها لتحديد تأثير التسخين على مقاومة الموصل المعدني ، ولكن بدلاً من الموصل ، نقوم بتوصيل لوحين معدنيين مفصولين بمساحة هوائية للموصلات.

لن يظهر مقياس التيار المتصل بالدائرة أي تيار. إذا تم وضع شعلة الموقد بين الألواح ، فإن سهم الجهاز سينحرف عن الصفر ويظهر قيمة التيار المار عبر وسط الغاز.

وهكذا وجد أن التأين يحدث في الغازات عند تسخينها مما يؤدي إلى حركة الجسيمات المشحونة كهربائيًا وانخفاض مقاومة الوسط.

تتأثر قيمة التيار بقوة مصدر الجهد الخارجي المطبق وفرق الجهد بين جهات الاتصال الخاصة به. إنه قادر على اختراق الطبقة العازلة للغازات بقيم عالية. المظهر النموذجي لمثل هذه الحالة في الطبيعة هو التصريف الطبيعي للبرق أثناء عاصفة رعدية.

يظهر الرسم البياني عرضًا تقريبيًا لخاصية الجهد الحالي لتدفق التيار في الغازات.

في المرحلة الأولية ، تحت تأثير درجة الحرارة وفرق الجهد ، لوحظ زيادة في التأين ومرور التيار بشكل خطي تقريبًا. ثم يكتسب المنحنى اتجاهًا أفقيًا عندما لا تؤدي زيادة الجهد إلى زيادة التيار.

تحدث المرحلة الثالثة من التدمير عندما تسرع الطاقة العالية للحقل المطبق الأيونات بحيث تبدأ في الاصطدام مع الجزيئات المحايدة ، مما يؤدي إلى تكوين حوامل شحنة جديدة منها بشكل كبير. نتيجة لذلك ، يزداد التيار بشكل حاد ، مما يؤدي إلى انهيار الطبقة العازلة.

الاستخدام العملي لتوصيل الغاز

تُستخدم ظاهرة التدفق الحالي عبر الغازات في مصابيح الإلكترون والمصابيح الفلورية.

لهذا الغرض ، يتم وضع قطبين في اسطوانة زجاجية محكمة الغلق مع غاز خامل:

1. الأنود.

2. الكاثود.

في مصباح الفلورسنت ، يتم تصنيعها على شكل خيوط تسخن عند تشغيلها لتوليد إشعاع حراري. السطح الداخلي للقارورة مغطى بطبقة من الفوسفور. ينبعث منه الطيف المرئي للضوء الناتج عن الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من بخار الزئبق الذي يقذفه تيار من الإلكترونات.

يحدث تيار التفريغ عندما يتم تطبيق جهد بقيمة معينة بين الأقطاب الكهربائية الموجودة في نهايات مختلفة من المصباح.

عندما تحترق إحدى الخيوط ، فإن انبعاث الإلكترون لهذا القطب سوف ينزعج ولن يحترق المصباح. ومع ذلك ، إذا قمت بزيادة فرق الجهد بين الكاثود والأنود ، فسيظهر تفريغ الغاز مرة أخرى داخل المصباح وسيستأنف التلألؤ الفوسفوري.

يتيح ذلك استخدام مصابيح LED ذات الشعيرات التالفة وإطالة عمر خدمتها. يجب ألا يغيب عن البال فقط أنه في نفس الوقت من الضروري زيادة الجهد عليه عدة مرات ، وهذا يزيد بشكل كبير من استهلاك الطاقة ومخاطر الاستخدام الآمن.

تأثير درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية للسوائل

يتم إنشاء مرور التيار في السوائل بشكل أساسي بسبب حركة الكاتيونات والأنيونات تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. يتم توفير جزء صغير فقط من الموصلية بواسطة الإلكترونات.

يتم وصف تأثير درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية للإلكتروليت السائل بالصيغة الموضحة في الصورة. نظرًا لأن قيمة معامل درجة الحرارة α فيها دائمًا ما تكون سالبة ، فعند زيادة التسخين ، تزداد الموصلية وتقل المقاومة ، كما هو موضح في الرسم البياني.

يجب أن تؤخذ هذه الظاهرة في الاعتبار عند شحن بطاريات السيارات السائلة (وليس فقط).

تأثير درجة الحرارة على المقاومة الكهربائية لأشباه الموصلات

أتاح تغيير خصائص المواد شبه الموصلة تحت تأثير درجة الحرارة إمكانية استخدامها على النحو التالي:

• المقاومة الحرارية؛

• المزدوجات الحرارية.

• ثلاجات.

• سخانات.

الثرمستورات

يعني هذا الاسم أجهزة أشباه الموصلات التي تغير مقاومتها الكهربائية تحت تأثير الحرارة. لهم معامل درجة الحرارة للمقاومة (TCR) أعلى بكثير من المعادن.

يمكن أن تكون قيمة TCR لأشباه الموصلات موجبة أو سلبية. وفقًا لهذه المعلمة ، يتم تقسيمها إلى ثرمستورات موجبة «RTS» وسلبية «NTC». لديهم خصائص مختلفة.

لتشغيل الثرمستور ، يتم تحديد إحدى نقاط خاصية الجهد الحالي:

• يستخدم القسم الخطي للتحكم في درجة الحرارة أو التعويض عن التيارات أو الفولتية المتغيرة ؛

• يسمح الفرع التنازلي للخاصية I - V للعناصر مع TCS <0 باستخدام أشباه الموصلات كمرحل.

يعد استخدام الثرمستور المرحل مناسبًا لرصد أو قياس عمليات الإشعاع الكهرومغناطيسي التي تحدث عند الترددات العالية جدًا. هذا يضمن استخدامها في الأنظمة:

1. التحكم في الحرارة.

2. إنذار الحريق.

3. تنظيم معدل تدفق الوسائط السائبة والسوائل.

تستخدم الثرمستورات السيليكونية ذات TCR الصغيرة> 0 في أنظمة التبريد وتثبيت درجة حرارة الترانزستورات.

المزدوجات الحرارية

تعمل أشباه الموصلات هذه على أساس ظاهرة Seebeck: عندما يتم تسخين مفصل اللحام لمعدنين مشتتين ، يحدث EMF عند تقاطع دائرة مغلقة. بهذه الطريقة ، يقومون بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

يسمى بناء عنصرين من هذا القبيل بالمزدوجة الحرارية. كفاءتها في حدود 7 10٪.

تُستخدم المزدوجات الحرارية في موازين الحرارة لأجهزة الحوسبة الرقمية التي تتطلب حجمًا صغيرًا ودقة قراءة عالية ، فضلاً عن مصادر تيار منخفضة الطاقة.

سخانات وثلاجات أشباه الموصلات

وهي تعمل من خلال إعادة استخدام المزدوجات الحرارية التي يمر من خلالها تيار كهربائي. في هذه الحالة ، يتم تسخينه في مكان واحد من التقاطع ، وفي مكان آخر يتم تبريده.

تسمح وصلات أشباه الموصلات القائمة على السيلينيوم والبزموت والأنتيمون والتيلوريوم بضمان اختلاف درجة الحرارة في المزدوجة الحرارية حتى 60 درجة. هذا جعل من الممكن إنشاء تصميم للثلاجة من أشباه الموصلات مع درجة حرارة في حجرة التبريد تصل إلى -16 درجة.