معامل درجة حرارة المقاومة
تعتمد المقاومة الكهربائية للموصل عادةً على مادة الموصل ، وعلى طوله ومقطعه العرضي ، أو بشكل أكثر إيجازًا على المقاومة وعلى الأبعاد الهندسية للموصل. هذا الاعتماد معروف جيدًا ويتم التعبير عنه بالصيغة التالية:
معروف للجميع و قانون أوم لقسم متجانس من الدائرة الكهربائية، حيث يمكن ملاحظة أنه كلما زادت المقاومة ، انخفض التيار. وبالتالي ، إذا كانت مقاومة السلك ثابتة ، فعند زيادة الجهد المطبق ، يجب أن يزداد التيار خطيًا. لكن في الواقع ليس هذا هو الحال. مقاومة الأسلاك ليست ثابتة.
ليس عليك أن تذهب بعيدًا للحصول على أمثلة. إذا قمت بتوصيل مصباح كهربائي بمصدر طاقة قابل للتعديل (بمقياس الفولتميتر ومقياس التيار الكهربائي) وقمت بزيادة الجهد عليه تدريجياً ، ليصل إلى القيمة الاسمية ، فسترى بسهولة أن التيار لا ينمو بشكل خطي: يقترب الجهد من القيمة الاسمية للمصباح ، ينمو التيار من خلال ملفه ببطء أكثر ويصبح الضوء أكثر سطوعًا.
لا يوجد شيء مثل مضاعفة الجهد المطبق على الملف سوف يضاعف التيار. لا يبدو أن قانون أوم صحيح. في الواقع ، تم استيفاء قانون أوم ومقاومة خيوط المصباح ليست ثابتة ، فهي تعتمد على درجة الحرارة.
لنتذكر ما هو سبب التوصيل الكهربائي العالي للمعادن. يرتبط بوجود عدد كبير من حاملات الشحنة في المعادن - المكونات الحالية - إلكترونات التوصيل... هذه إلكترونات تتكون من إلكترونات التكافؤ لذرات المعدن ، وهي مشتركة بين الموصل بأكمله ، ولا تنتمي إلى كل ذرة على حدة.
تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق على الموصل ، تنتقل إلكترونات التوصيل الحر من حركة فوضوية إلى حركة منظمة بشكل أو بآخر - يتم تكوين تيار كهربائي. لكن الإلكترونات تواجه عقبات في طريقها ، عدم تجانس الشبكة الأيونية ، مثل عيوب الشبكة ، وهي بنية غير متجانسة ناتجة عن اهتزازاتها الحرارية.
تتفاعل الإلكترونات مع الأيونات ، وتفقد الزخم ، وتنتقل طاقتها إلى أيونات الشبكة ، وتتحول إلى اهتزازات أيونية شبكية ، وتزداد فوضى الحركة الحرارية للإلكترونات نفسها ، والتي ترتفع درجة حرارة الموصل عند مرور التيار خلالها.
في المواد العازلة وأشباه الموصلات والإلكتروليت والغازات والسوائل غير القطبية - قد يكون سبب المقاومة مختلفًا ، لكن من الواضح أن قانون أوم لا يظل خطيًا بشكل دائم.
وهكذا ، بالنسبة للمعادن ، تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة أكبر في الاهتزازات الحرارية للشبكة البلورية ، وتزداد مقاومة حركة إلكترونات التوصيل.يمكن ملاحظة ذلك من تجربة المصباح: يزداد سطوع التوهج ، لكن التيار يزيد بدرجة أقل. هذا يعني أن التغير في درجة الحرارة أثر على مقاومة فتيل المصباح.
ونتيجة لذلك يتضح أن المقاومة أسلاك معدنية يعتمد خطيًا تقريبًا على درجة الحرارة. وإذا أخذنا في الاعتبار أنه عند تسخينها ، تتغير الأبعاد الهندسية للسلك قليلاً ، فإن المقاومة الكهربائية تعتمد أيضًا بشكل خطي تقريبًا على درجة الحرارة. يمكن التعبير عن هذه التبعيات بواسطة الصيغ:
دعونا ننتبه إلى الاحتمالات. لنفترض أنه عند 0 درجة مئوية تكون مقاومة الموصل R0 ، ثم عند درجة حرارة t ° C ستأخذ القيمة R (t) ، والتغير النسبي في المقاومة سيكون مساويًا لـ α * t ° C. عامل التناسب هذا يُطلق على α معامل درجة الحرارة للمقاومة ... وهو يميز اعتماد المقاومة الكهربائية للمادة على درجة حرارتها الحالية.
هذا المعامل يساوي عدديًا التغير النسبي في المقاومة الكهربائية للموصل عندما تتغير درجة حرارته بمقدار 1 كلفن (درجة واحدة كلفن ، وهو ما يعادل تغيرًا بدرجة واحدة مئوية في درجة الحرارة).
بالنسبة للمعادن ، فإن TCR (معامل درجة الحرارة للمقاومة α) ، على الرغم من صغره نسبيًا ، يكون دائمًا أكبر من الصفر ، لأنه عندما يمر التيار ، غالبًا ما تصطدم الإلكترونات بأيونات الشبكة البلورية ، وكلما ارتفعت درجة الحرارة ، t هي. كلما زادت حركتهم الحرارية الفوضوية وزادت سرعتهم.تصطدم إلكترونات المعدن بحركة فوضوية بأيونات الشبكة ، وتفقد الطاقة ، وهو ما نراه نتيجة لذلك - تزداد المقاومة مع ارتفاع درجة حرارة السلك. يتم استخدام هذه الظاهرة تقنيًا في موازين الحرارة المقاومة.
وهكذا ، فإن معامل درجة الحرارة للمقاومة α يميز اعتماد المقاومة الكهربائية للمادة على درجة الحرارة ويقاس بـ 1 / K - kelvin إلى القوة -1. تسمى القيمة ذات العلامة المعاكسة معامل درجة الحرارة للتوصيل.
بالنسبة لأشباه الموصلات النقية ، فإن TCS سلبي بالنسبة لها ، أي تقل المقاومة مع زيادة درجة الحرارة ، ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه مع زيادة درجة الحرارة ، يمر المزيد والمزيد من الإلكترونات إلى منطقة التوصيل ، بينما يزداد تركيز الثقوب أيضًا . تتميز نفس الآلية بخصائص العوازل السائلة غير القطبية والصلبة.
تقلل السوائل القطبية من مقاومتها بشكل حاد مع زيادة درجة الحرارة بسبب انخفاض اللزوجة وزيادة التفكك. تُستخدم هذه الخاصية لحماية أنابيب الإلكترون من التأثيرات المدمرة للتيارات العالية الاندفاع.
بالنسبة للسبائك وأشباه الموصلات المخدرة والغازات والإلكتروليتات ، يكون الاعتماد الحراري للمقاومة أكثر تعقيدًا من الاعتماد على المعادن النقية. تُستخدم السبائك التي تحتوي على نسبة منخفضة جدًا من TCS ، مثل المنجانين والكونستانتان أدوات القياس الكهربائية.