Электрический ток в металлах. видеоурок. физика 10 класс

Типовые конструкции платиновых термосопротивлений

Производители применяют различные инженерные решения при выпуске продукции этой категории. Для уточнения на стадии сравнения можно изучить официальную сопроводительную документацию либо запросить необходимые данные на сайте компании.

Типовые конструкции ТС

№	Наименование	Основные данные	Особенности
1	Strain-free	Основной элемент освобожден от нагрузок порошковой засыпкой из оксида алюминия	Разным цветом глазури, герметизирующей торцевую часть, обозначают соответствие определенному температурному диапазону
2	Hollow nnulus	Рабочий проводник наматывается на полый цилиндр	Материалы конструкции подбирают с учетом коэффициентов теплового расширения
3	Thin-film	Из металла формируют тонкий слой на изоляторе (керамической основе)	Эта модель отличается быстродействием, высокой чувствительностью
4	Проволока в стеклянной оболочке	В такой конструкции обеспечиваются идеальная герметизация проводника, надежная защита от внешних воздействий	Подобные решения используют для изготовления дорогих серий датчиков, которые рассчитаны на сложные условия эксплуатации

Типичные конструкции датчиков из платины

Преимущества и недостатки термометров сопротивления

При сравнении с термопарой можно упомянуть следующие минусы ТС:

высокую стоимость;
обязательное использование внешнего источника стабилизированного электропитания;
ограниченный рабочий диапазон.

Плюсы:

линейный график измеряемых параметров;
точность;
корректная компенсация искажений от соединительных проводов.

Выбор подходящего датчика организуют на основе подготовленных критериев. Кроме базовых технических параметров, уточняют допустимые габариты, условия эксплуатации. Для продления срока службы необходимы регулярные проверки состояния термосопротивления и других компонентов измерительной схемы.

Чем отличается термосопротивление от термопары

Коэффициент трансформации

Принцип действия ТС объясняется изменением проводимости контрольного участка цепи. Термопара, несмотря на схожее название, функционирует по-другому. Изделия этой категории создают из двух разных материалов. Соединение (рабочую спайку) помещают в зону измерений. Колебания температуры провоцируют изменение потенциалов на выходах. Эти показания фиксируют вольтметром или другим подходящим прибором.

Принцип действия, функциональные компоненты термопары и способы измерения

К сведению. Приведенные сведения объясняют главные практические отличия датчиков разного рода. Термопара фактически является генератором ЭДС, поэтому дополнительный источник тока не нужен.

Термопарный преобразователь можно применить для измерения вакуума. Для этого обеспечивают контакт чувствительного участка с нитью лампы накаливания. Колбу соединяют трубкой с рабочей зоной. Изменение разряжения газа сопровождается увеличением (уменьшением) ЭДС. После калибровки шкалы достаточно точно можно определять значение контролируемого параметра.

Зависимость от свойств материала

От чего зависит индуктивность

Для стандартизации приняли единицу измерения 1 Ом. Это сопротивление создает столбик из ртути толщиной 1 кв. мм, высотой – 1063 мм. Измерения выполняются при поддержании нулевой температуры.

Чтобы упростить расчеты, применяют удельное значение сопротивления Rуд, которое создают проводники из других материалов (Длина Х Площадь сечения = 1 000 мм х 1 кв. мм).

Удельное сопротивление (проводимость)

На рисунке обозначено Rуд (серебра) = 0,016. Это значит, что метровый проводник с нормированной площадью сечения 1 мм кв. создает электрическое сопротивление 0,016 Ом. Сведения о других материалах можно взять из справочника.

Задание

Воздушная
трехпроводная линия длиной L
выполнена проводом, марка которого дана
в таблице 2.1. Необходимо найти величину,
обозначенную знаком «?», используя
приведенный пример и выбрав по таблице
2.1 вариант с указанными в нем данными.

Следует
учесть, что в задаче, в отличие от примера,
предусмотрены расчеты, связанные с
одним проводом линии. В марках
неизолированных проводов буква указывает
на материал провода (А – алюминий; М –
медь), а число – сечение провода в
мм.

Таблица 2.1

Длина линии L, км	Марка провода	Температура провода Т, °С	Сопротивление провода RТпри температуре Т, Ом

Изучение
материала темы завершается работой с
тестами № 2 (ТОЭ-

ЭТМ/ПМ» и № 3 (ТОЭ
– ЭТМ/ ИМ)

Полупроводники

А как зависит сопротивление от нагрева в полупроводниках? Для начала поговорим о терморезисторах. Это такие устройства, которые меняют свое электрическое сопротивление под воздействием тепла. У данного полупроводника температурный коэффициент сопротивления (ТКС) на порядок выше металлов. Как положительные, так и отрицательные проводники, они имеют определенные характеристики.

Где: 1 – это ТКС меньше нуля; 2 – ТКС больше нуля.

Чтобы такие проводники, как терморезисторы приступили к работе, за основу берут любую точку на ВАХ:

если температура элемента меньше нуля, то такие проводники используются в качестве реле;
чтобы контролировать изменяющийся ток, а также, какая температура и напряжение, используют линейный участок.

Терморезисторы применяются, когда осуществляется проверка и замер электромагнитных излучений, что осуществляются на сверхвысоких частотах. Благодаря этому данные проводники используют в таких системах, как пожарной сигнализации, проверке тепла и контроль употребления сыпучих сред и жидкостей. Те терморезисторы, у которых ТКС меньше нуля, применяются в системах охлаждения.

Теперь о термоэлементах. Как влияет явление Зеебека на термоэлементы? Зависимость заключается в том, что такие проводники функционируют на основе данного явления. Когда температура места соединения повышается при нагревании, на стыке замкнутой цепи появляется ЭДС. Таким образом, проявляется их зависимость и тепловая энергия обращается в электричество. Чтобы полностью понять процесс, рекомендую изучить нашу инструкцию о том, как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Такое устройство носит название термопары. Термоэлементы применяются как источники тока малой мощности, а также для измерения температур цифрового вычислительного прибора, у которых размеры должны быть маленькие, а показания точные.

Подробнее о полупроводниках, и влияние нагрева на их сопротивление рассказывается на видео:

Ну и последнее, о чем хотелось бы рассказать — холодильники и полупроводниковые нагреватели. Полупроводниковые спаи обеспечивают в конструкции разность температур до шестидесяти градусов. Благодаря этому и был сконструирован холодильный шкаф. Температура охлаждения в такой камере достигает – 16 градусов. В основу работы элементов лежит применение термоэлементов, через которые проходит электрический ток.

Вот мы и рассмотрели зависимость сопротивления проводника от температуры. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Наверняка вы не знаете:

Что такое цветовая температура светодиодных ламп
Диэлектрические потери в диэлектриках
Сравнение характеристик мультиметров

Зависимость от геометрии

Удельное сопротивление меди

Из раздела с описанием удельных параметров понятно, что электрическое сопротивление проводника зависит от длины. Если взять образец из серебра (площадь нормированного сечения 1 кв. мм) при длине 6,8 м, несложно вычислить значение R = 6,8 * 0,016 = 0,1088 Ом.

Аналогичным образом решают иные практические задачи. Чтобы создать провод с электросопротивлением 100 Ом понадобится серебряная жила длиной 6 250 м = 100/ 0,016. Если применить металлический проводник из железа, длина составит 833 м = 100/0,12.

Следующий решающий фактор – площадь поперечного сечения. Для наглядности можно использовать пример с перекачиванием жидкости из основного бака в две разные емкости. Создать необходимый напор несложно поднятием главного резервуара на небольшую высоту. Применив трубки с разным диаметром протоков, можно увидеть разницу в скорости заполнения контрольных объемов. Если показания будут измеряться при желании несложно составить пропорциональные зависимости с учетом исходных геометрических параметров транспортных каналов.

Размерность проводников также имеет значение. Электрическое сопротивление (R) равно удельному значению для определенного материала (Rуд), умноженному на длину (L) и деленому на соответствующее поперечное сечение (S). Если известен только диаметр, то для круглой жилы можно применить классическую формулу из школьного курса геометрии:

S = (π * d2)/4 = (3,14 * d2)/4.

Длину вычисляют по преобразованному выражению:

L = S * (R/ Rуд).

Эти пропорции демонстрируют, от чего зависит сопротивление.

Жидкости

Проводники тока в жидкости – это анионы и катионы, которые движутся за счет электрического внешнего поля. Электроны обеспечивают незначительную проводимость. Рассмотрим зависимость сопротивления от температуры в жидкостях.

где:

Электролит
Батарея
Амперметр

Зависимость воздействия электролитов от нагревания прописывает формула:

Где а – отрицательный температурный коэффициент.

Как зависит R от нагрева (t) показано на графике ниже:

Такая зависимость должна учитываться, когда осуществляется зарядка аккумуляторов и батарей.

Газы

Газы выполняют роль диэлектрика и не могут проводить электроток. А для того чтобы он сформировался необходимы носители зарядов. В их роли выступают ионы, и они возникают за счет влияния внешних факторов.

Зависимость можно рассмотреть на примере. Для опыта используется такая же конструкция, что и в предыдущем опыте, только проводники заменяются металлическими пластинами. Между ними должно быть небольшое пространство. Амперметр должен указывать на отсутствие тока. При помещении горелки между пластинами, прибор укажет ток, который проходит через газовую среду.

Ниже предоставлен график вольт-амперной характеристики газового разряда, где видно, что рост ионизации на первоначальном этапе возрастает, затем зависимость тока от напряжения остается неизменная (то есть при росте напряжения ток остается прежний) и резкий рост силы тока, который приводит к пробою диэлектрического слоя.

Рассмотрим проводимость газов на практике. Прохождение электрического тока в газах применяется в люминесцентных светильниках и лампах. В этом случае катод и анод, два электрода размещают в колбе, внутри которой есть инертный газ. Как зависит такое явление от газа? Когда лампа включается, две нити накала разогреваются, и создается термоэлектронная эмиссия. Внутри колба покрывается люминофором, который излучает свет, который мы видим. Как зависит ртуть от люминофора? Пары ртути при бомбардировании их электронами образуют инфракрасное излучение, которое в свою очередь излучает свет.

Если приложить напряжение между катодом и анодом, то возникает проводимость газов.

Зависимость сопротивления от температуры

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебательное движение атомов в узлах кристаллической решетки уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

В природе, однако, имеются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и др., у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Подобные сплавы применяют в технике для изготовления различных резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по так называемому температурному коэффициенту сопротивления а. Этот коэффициент представляет собой относительное приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В табл. 1 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника Rt при любой температуре t

Rt = R (6)

где R— сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t (обычно при + 20 °С), которое может быть подсчитано по формуле (5);

t— t — изменение температуры.

Свойство металлических проводников увеличивать свое сопротивление при нагревании часто используют в современной технике для измерения температуры. Например, при испытаниях тяговых двигателей после ремонта температуру нагрева их обмоток определяют измерением их сопротивления в холодном состоянии и после работы под нагрузкой в течение установленного периода (обычно в течение 1 ч).

Резисторы

Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, ученые обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля (— 273,16 °С) некоторые металлы почти полностью утрачивают электрическое сопротивление. Они становятся идеальными проводниками, способными длительное время пропускать ток по замкнутой цепи без всякого воздействия источника электрической энергии.

Это явление названо сверхпроводимостью. В настоящее время созданы опытные образцы линий электропередачи и электрических машин, в которых используется явление сверхпроводимости. Такие машины имеют значительно меньшие массу и габаритные размеры по сравнению с машинами общего назначения и работают с очень высоким коэффициентом полезного действия.

Линии электропередачи в этом случае можно выполнить из проводов с очень малой площадью поперечного сечения. В перспективе в электротехнике будет все больше и больше использоваться это явление.

Как зависит сопротивление проводника от температуры?

Удельное сопротивление, а следовательно, и сопротивление металлов, зависит от температуры, увеличиваясь с ее ростом. Температурная зависимость сопротивления проводника объясняется тем, что возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры; изменяется их концентрация при нагревании проводника.

143. Как рассчитать сопротивление проводника, зная площадь его сечения и длину?

144. Какой металл обладает наиболее высокой удельной проводимостью: алюминий, медь, железо или вольфрам?

145. Какой металл имеет наименьшую массу при одном и том же объеме: алюминий, медь, железо или вольфрам?

146. Какой металл имеет наиболее высокую температуру плавления: алюминий, медь, железо или вольфрам?

147. Для проводов высоковольтных ЛЭП применяют композиционный материал на основе: стали и вольфрама, стали и меди, стали и серебра или стали и алюминия?

148. Почему медь не рекомендуется соединять с алюминием?

Какой металл используют для изготовления нитей накаливания в лампах накаливания?

Вольфрам

Что такое явление сверхпроводимости, и каковы условия ее возникновения?

явление резкого снижения удельного электрического сопротивления, практически до нуля, при весьма низких температурах.

151. Как взаимодействуют сверхпроводники с магнитным полем?

Что такое манганин?

сплав меди, марганца и никеля, характеризуется низким температурным коэффициентом сопротивления и применяется для изготовления резисторов.

Что такое константан?

термостабильный сплав на основе с добавкой никеля и марганца

Что такое нихром?

сплав, состоящий из 55—78% никеля, 15—23% хрома, 1,5% марганца, остальное — железо.

Что такое хромаль?

группа жаростойких сплавов на основе железа, содержащих 17—30% Cr и 4,5—6,0% Al. Сплавы характеризуются редким сочетанием высокой жаростойкости (до 1400 °С) и высокого удельного электрического сопротивления

Что такое диамагнетики?

вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент, а каждая единица объёма — намагниченность, пропорциональный магнитной индукции и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость = M/H у диамагнетиков всегда отрицательна.

Что такое парамагнетики?

Что такое ферромагнетики?

вещество или материал, в котором наблюдается явление ферромагнетизма, т. е. появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри.

Типичная кривая магнитного гистерезиса ферромагнетика. По оси ординат — намагниченность M , по оси абсцисс — напряженность магнитного поляH .Ms — намагниченность насыщения,Mr — остаточная намагниченность,Hc — коэрцитивная сила.

159. В чем физическая сущность относительной магнитной проницаемости?

Что такое магнитные домены?

макроскопические области, в которых электронные спины ориентированы взаимно параллельно.

161. Что такое магнитный гистерезис?

Акушерство
Антиноцицептивное действие
Бруцеллез
Гурты
Денежная оценка земель
Земельный кадастр
КЛЕЩЕЙ
Киста
Нарисна геометрія
Пастереллез
Половой цикл
Реалізація зерна
Сальмонеллез
Случка
Туберкулез
Туберкулин
Устройство территории
аборт
актиномикоз
блохи
бонитировка почв
виробництво зерна
гінекологія
документ
дрожжи
ефективності виробництва
жеребец
животноводство
заплідненость
землепользование
клещ
косячная случка
мтп
оценка земель
паратиф
почва
противоэрозионных
ринок зерна
самосогревания
спермії
столовые вина
сухие вина
тесты по химии
шейка матки
эндометрит

Зависимость сопротивления проводника от температуры

возрастает интенсивность рассеивания (число столкновений) носителей зарядов при повышении температуры;
изменяется их концентрация при нагревании проводника.

Опыт показывает, что при не слишком высоких и не слишком низких температурах зависимости удельного сопротивления и сопротивления проводника от температуры выражаются формулами:

\(~\rho_t = \rho_0 (1 + \alpha t) ,\)
\(~R_t = R_0 (1 + \alpha t) ,\)

где ρ, ρ_t — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при 0 °С и t °C; R, R_t — сопротивления проводника при 0 °С и t °С, α — температурный коэффициент сопротивления: измеряемый в СИ в Кельвинах в минус первой степени (К-1). Для металлических проводников эти формулы применимы начиная с температуры 140 К и выше.

Температурный коэффициент сопротивления вещества характеризует зависимость изменения сопротивления при нагревании от рода вещества. Он численно равен относительному изменению сопротивления (удельного сопротивления) проводника при нагревании на 1 К.

\(~\mathcal h \alpha \mathcal i = \frac{1 \cdot \Delta \rho}{\rho \Delta T} ,\)

где \(~\mathcal h \alpha \mathcal i\) — среднее значение температурного коэффициента сопротивления в интервале ΔΤ.

Для всех металлических проводников α > 0 и слабо изменяется с изменением температуры. У чистых металлов α = 1/273 К-1. У металлов концентрация свободных носителей зарядов (электронов) n = const и увеличение ρ происходит благодаря росту интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки.

Для растворов электролитов α < 0, например, для 10%-ного раствора поваренной соли α = -0,02 К-1. Сопротивление электролитов с ростом температуры уменьшается, так как увеличение числа свободных ионов из-за диссоциации молекул превышает рост рассеивания ионов при столкновениях с молекулами растворителя.

Формулы зависимости ρ и R от температуры для электролитов аналогичны приведенным выше формулам для металлических проводников. Необходимо отметить, что эта линейная зависимость сохраняется лишь в небольшом диапазоне изменения температур, в котором α = const. При больших же интервалах изменения температур зависимость сопротивления электролитов от температуры становится нелинейной.

Графически зависимости сопротивления металлических проводников и электролитов от температуры изображены на рисунках 1, а, б.

Рис. 1

При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С), сопротивление многих металлов скачком падает до нуля. Это явление получило название сверхпроводимости. Металл переходит в сверхпроводящее состояние.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обычно в качестве термометрического тела такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от температуры достаточно изучена.

Об изменениях температуры судят по изменению сопротивления проволоки, которое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термометры непригодны.