Как изменяется электрическое сопротивление металлов и полупроводников при повышении температуры
Обновлено: 22.09.2024
В полупроводниках с донорными и акцепторными примесями в области низких температур, когда средняя энергия тепловых колебаний решетки kТ>n) и электропроводность такого полупроводника обусловлена, в основном, перемещением дырок проводимости, называется дырочной электропроводностью, а полупроводник – полупроводником n- типа.
Для примесной электропроводности характерна сильная зависимость электропроводности от концентрации примесей. Так, например, при изменении концентрации примеси в Ge в 30 раз примесная электропроводность меняется вЭлектропроводность собственного полупроводника (собственная электропроводность) складывается из электронной и дырочной проводимостей.
Следовательно, электропроводность как собственных, так и примесных полупроводников определяется концентрацией свободных носителей зарядов (электронов или дырок), а также их подвижностью.
Если механизм образования свободных носителей заряда в полупроводнике обусловлен действием теплового поля, то зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры:
а) в случае собственного полупроводника: ,
n= A ∙ exp-где: А− постоянная, зависящая от свойств полупроводника; ΔW– энергия активации электрона (ширина запрещенной зоны); k– постоянная Больцмана; Т– температура в К .
б) в случае примесного полупроводника:
∙ exp-где ΔWi– энергия активации i – ой примеси. [6]
Качественно температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике приведены на рисунке 1. При Т→0К концентрация свободных носителей заряда определяется фоновыми носителями, имеющимися в полупроводнике за счет несовершенстве технологии, нарушениями кристаллической структуры и неконтролируемыми примесями (участок 1-2). При повышении температуры проводника электроны с донорных уровней (в случае донорного полупроводника) переходят в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни (в случае акцепторного полупроводника), и чем выше температура, тем большее число примесных атомов будет активировано(участок 2-3). Когда энергии теплового поля станет достаточно для полной активации примесей (точка 3), произойдет истощение примесных уровней. Все электроны донорной примеси перейдут в зону проводимости, а все атомы акцепторной примеси захватят из валентной зоны максимально возможное количество электронов. При дальнейшем повышении температуры концентрация свободных носителей заряда будет оставаться постоянной (область насыщения 3-4), т.к. примесные уровни истощены, а энергии теплового поля (kТ) недостаточно для активации собственных носителей заряда. В точке 4 энергия теплового поля становиться достаточной для активации собственных носителей заряда в полупроводнике. Начинаются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости и чем выше температура, тем больше актов активации собственных носителей заряда будет наблюдаться в полупроводнике (участок 4-5). [6]
Рисунок 1-Температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике.
Наличие в реальных кристаллах полупроводников различного рода дефектов (например, ионов и атомов примесей, дислокаций), а также тепловых колебаний узлов кристаллической решетки приводит к рассеянию свободных носителей зарядов. Наиболее существенную роль в рассеянии свободных носителей зарядов играют ионы примесей и тепловые колебания 14 узлов кристаллической решетки, которые, в основном, и определяют величину подвижности. С повышением температуры тепловая скорость движения свободного носителя возрастает и время нахождения этого носителя в поле иона, изменяющего его движение, уменьшается. Поэтому носитель будет иметь меньшее отклонение, и его рассеяние с повышением температуры будет уменьшаться пропорционально выражению:
μ≈
Рисунок 2- Зависимость подвижности носителей зарядов от температуры.
Увеличение подвижности носителей зарядов на первом участке рисунка 2 объясняется тем, что рассеяние на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки незначительно из-за малой амплитуды колебаний в этой области температур. Преобладающим является уменьшение времени нахождения носителей зарядов в поле иона примеси. На 2-м участке наоборот, преобладающим является увеличение рассеяния на тепловых колебаниях.
С учётом зависимостей для концентрации и подвижности свободных носителей зарядов от температуры, удельная электропроводность собственного полупроводника зависит от температуры следующим образом:
γ≈A∙Множитель A∙ , если ΔW>>kT. Следовательно, для не слишком высоких температур можно считать:
A∙где γ0– условная проводимость.
На рисунке 3 изображена зависимость lnγ от обратной температуры. Отрезок прямой (1-2) в области низких температур характеризует примесную электропроводность. На «переходном» участке (2-3) примеси «истощены», а небольшое снижение электропроводности обусловлено рассеянием свободных носителей зарядов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки. В области высоких температур (участок 3-4) проявляется собственная электропроводность.
Рисунок 3- Типичная зависимость электропроводности примесного полупроводника от температуры
В целом, возрастание электропроводности полупроводников с повышением температуры происходит вследствие того, что рост числа свободных носителей зарядов оказывает на электропроводность большее влияние, чем в уменьшение их подвижности.
При исследовании температурной зависимости проводимости полупроводников часто используется величиной удельного сопротивления:
p= где DW – энергия активации; B= Одной из важнейших характеристик полупроводника является температурный коэффициент удельного сопротивлениятак какρ=
Полупроводниковый прибор, при построении которого используется зависимость электрического сопротивления от температуры, предназначенный для регистрации изменения температуры называется терморезистором или термистором. Он представляет собой объемное нелинейное полупроводниковое сопротивление с большим отрицательным температурным коэффициентом. Материал для изготовления термисторов служат смеси окислов различных металлов: Cu, Mn, Zn, Co, Ti, Ni и др.
Из числа отечественных терморезисторов наибольшее распространение получили:
а) кобальто-марганцевые (КМТ);
б) медно-марганцевые (ММТ);
в) медно-кобальто-марганцевые (СТЗ).
Источником энергии, способствующим образования свободных носителей зарядов в полупроводнике, может быть и ионизация под действием электрического поля. До некоторой величины напряженности электрического поля концентрация и подвижность носителей заряда не зависят от Е. Следовательно, и электропроводность полупроводников в этом случае не зависит от напряженности электрического поля. Электрические поля, которые практически не влияют на величины подвижности и концентрации носителей заряда называются слабыми. Электрические поля, при которых подвижность и концентрация носителей зарядов зависят отнапряженности электрического поля, называются сильными. Минимальная напряженность закон Ома не выполняется: величина плотности тока не пропорциональна напряженности поля. Для большинства полупроводников величина В/м. [2]
Подвижность свободных носителей зарядов под влиянием внешнего электрического поля для большинства полупроводников изменяется слабо. Этим изменением можно пренебречь, но концентрация носителей зарядов при Е> n=где Е < b -коэффициент нелинейности, E-напряженность электрического поля.
С точки зрения зонной теории этот факт объясняется следующим образом. При воздействии внешнего электрического поля с напряженностью Е на полупроводник его энергетические зоны становятся наклонными, что во внешнем электрическом поле Е, электрон e приобретает дополнительную энергию, равную:
где х– координата нахождения электрона. Прибавляя эту энергию к энергии электрона в полупроводнике в отсутствие внешнего электрического поля, получается наклон энергетических зон во внешнем электрическом поле.
Рисунок 4- Энергетические зоны донорного полупроводника в случае сильного электрического поля.
Как видно из рисунка 4, в сильном электрическом полу (E>106 В/м), при наклоне зон возможен переход электрона с локальных уровней и из валентной зоны без изменения энергии путем туннельного просачивания электронов через запрещенную зону (горизонтальные переходы 1 и 2). Этот механизм увеличения концентрации свободных носителей заряда под действием сильного электрического поля называется электростатической ионизацией. [6] Если свободный электрон под действием внешнего электрического поля приобретает энергию, достаточную для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости или с локальных уровней в зону проводимости, то возможна ударная ионизация.
При T=const электропроводность и удельное сопротивление полупроводника в зависимости от напряженности электрического поля можно найти из выражения:
γгде – соответственно проводимость и сопротивление при Е≤Εк
На рисунке 5 приведена зависимость lnγ от напряженности внешнего электрического поля. Участок 1-2 соответствует выполнению закона Ома (внешнее электрическое поле не вызывает изменения концентрации носителей зарядов). Участок 2-3 характеризует увеличение концентрации свободных носителей заряда под действием внешнего электрического поля. Полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) полупроводников от напряженности электрического поля, называется варистором.
В качестве материалов для изготовления варисторов используют карбид кремния и селен. Варисторы представляют собой нелинейные полу- проводниковые сопротивления (резисторы).
Рисунок 5-Зависимость электропроводности полупроводника от напряженности приложенного электрического поля
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что полупроводники отличаются от металлов и диэлектриков возможностью изменять свою электрическую проводимость под воздействием различных факторов: температуры, освещения, радиоактивного излучения и др. Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как элементов, так и химических соединений.
Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество - способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.
Благодаря своим свойствам полупроводники получили большое распространение. Полупроводниковые приборы используются для выпрямления переменного тока (диод), преобразования или смещения частот, усиления и генерации электрических колебаний (транзисторы, СВЧ- диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды), преобразования тепловой энергии и энергии излучения в электрическую (термоэлементы и фотоэлементы), для преобразования электрической энергии в световую (фосфоры, светоизлучающие диоды, лазеры). Так же применяются в качестве «датчиков» для измерения температуры. Регистрации светового и корпускулярного излучения (фоторезисторы и дозиметры), для измерения давления (тензодатчики) и магнитных полей (датчики Холла)
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бушманов Б.Н., Хромов Ю.А. Физика твердого тела. Высшая школа, 1971
2. Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976
3. Богуславский Л. И., Ванников А. В., Органические полупроводники и биополимеры, М., 1968;
4. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.- М.: Наука,1977.
5. Киреев П.С. Физика полупроводников. Изд. 2-е, Высшая школа,1975.
6. Дудкин А.Н., Ким В.С. Электротехническое материаловедение. Т.:2004г. Учебное пособие.
Как зависит сопротивление от температуры
В своей практической деятельности каждый электрик встречается с разными условиями прохождения носителей зарядов в металлах, полупроводниках, газах и жидкостях. На величину тока влияет электрическое сопротивление, которое различным образом изменяется под влиянием окружающей среды.
Одним из таких факторов является температурное воздействие. Поскольку оно значительно изменяет условия протекания тока, то учитывается конструкторами в производстве электрооборудования. Электротехнический персонал, участвующий в обслуживании и эксплуатации электроустановок, обязан грамотно использовать эти особенности в практической работе.
Влияние температуры на электрическое сопротивление металлов
В школьном курсе физики предлагается провести такой опыт: взять амперметр, батарейку, отрезок проволоки, соединительные провода и горелку. Вместо амперметра с батарейкой можно подключить омметр или использовать его режим в мультиметре.
Далее необходимо собрать электрическую схему, показанную на картинке и замерить величину тока в цепи. Его значение показано на шкале миллиамперметра стрелкой черного цвета.
Теперь поднесем пламя горелки к проволоке и станем ее нагревать. Если смотреть на амперметр, то будет видно, что стрелка станет перемещаться влево и достигнет положения, отмеченного красным цветом.
Результат опыта демонстрирует, что при нагревании металлов их проводимость уменьшается, а сопротивление возрастает.
Математическое обоснование этого явления приведено формулами прямо на картинке. В нижнем выражении хорошо видно, что электрическое сопротивление «R» металлического проводника прямо пропорционально его температуре «Т» и зависит еще от нескольких параметров.
Как нагрев металлов ограничивает электрический ток на практике
Ежедневно при включении освещения мы встречаемся с проявлением этого свойства у ламп накаливания. Проведем несложные измерения на лампочке с мощностью 60 ватт.
Самым простым омметром, питающемся от низковольтной батарейки 4,5 V, замерим сопротивление между контактами цоколя и увидим значение 59 Ом. Этой величиной обладает нить накала в холодном состоянии.
Вкрутим лампочку в патрон и через амперметр подключим к ней напряжение домашней сети 220 вольт. Стрелка амперметра покажет 0,273 ампера. По закону Ома для участка цепи определим сопротивление нити в нагретом состоянии. Оно составит 896 Ом и превысит предыдущее показание омметра в 15,2 раза.
Такое превышение предохраняет металл тела накала от перегорания и разрушения, обеспечивая его длительную работоспособность под напряжением.
Переходные процессы при включении
При работе нити накала на ней создается тепловой баланс между нагревом от проходящего электрического тока и отводом части тепла в окружающую среду. Но, на первоначальном этапе включения при подаче напряжения возникают переходные процессы, создающие бросок тока, который может привести к перегоранию нити.
Переходные процессы протекают за короткое время и вызваны тем, что скорость возрастания электрического сопротивления от нагрева металла не успевает за увеличением тока. После их окончания устанавливается рабочий режим.
Во время длительного свечения лампы постепенно толщина ее нити доходит до критического состояния, которое приводит к перегоранию. Чаще всего этот момент возникает при очередном новом включении.
Для продления ресурса лампы различными способами уменьшают этот бросок тока, используя:
1. устройства, обеспечивающие плавную подачу и снятие напряжения;
2. схемы последовательного подключения к нити накала резисторов, полупроводников или терморезисторов (термисторов).
Пример одного из способов ограничения пускового тока для автомобильных светильников показан на картинке ниже.
Здесь ток на лампочку подается после включения тумблера SA через предохранитель FU и ограничивается резистором R, у которого номинал подбирается так, чтобы бросок тока во время переходных процессов не превышал номинальное значение.
При нагреве нити накала ее сопротивление возрастает, что ведет к увеличению разности потенциалов на ее контактах и параллельно подключенной обмотке реле KL1. Когда напряжение достигнет величины уставки реле, то нормально открытый контакт KL1 замкнется и зашунтирует резистор. Через лампочку начнет протекать рабочий ток уже установившегося режима.
Влияние температуры металла на его электрическое сопротивление используется в работе измерительных приборов. Их называют термометрами сопротивления.
Их чувствительный элемент выполняют тонкой проволочкой из металла, сопротивление которой тщательно замерено при определенных температурах. Эту нить монтируют в корпусе со стабильными термическими свойствами и закрывают защитным чехлом. Созданная конструкция помещается в среду, температуру которой необходимо постоянно контролировать.
На выводы чувствительного элемента монтируются провода электрической схемы, которыми подключается цепь замера сопротивления. Его величина пересчитывается в значения температуры на основе ранее произведенной калибровки прибора.
Бареттер — стабилизатор тока
Так называют прибор, состоящий из стеклянного герметичного баллона с газообразным водородом и металлической проволочной спиралью из железа, вольфрама или платины. Эта конструкция по внешнему виду напоминает лампочку накаливания, но она обладает специфической вольт-амперной нелинейной характеристикой.
На ВАХ в определенном ее диапазоне образуется рабочая зона, которая не зависит от колебаний приложенного на тело накала напряжения. На этом участке бареттер хорошо компенсирует пульсации питания и работает в качестве стабилизатора тока на подключенной последовательно к нему нагрузке.
Работа бареттера основана на свойстве тепловой инерции тела накала, которая обеспечивается маленьким сечением нити и высокой теплопроводностью окружающего ее водорода. За счет этого при снижении напряжения на приборе ускоряется отвод тепла с его нити.
Это основное отличие бареттера от осветительных ламп накаливания, в которых для поддержания яркости свечения стремятся уменьшить конвективные потери тепла с нити.
В обычных условиях среды при охлаждении металлического проводника происходит уменьшение его электрического сопротивления.
При достижении критической температуры, близкой к нулю градусов по системе измерения Кельвина, происходит резкое падение сопротивления до нулевого значения. На правой картинке показана такая зависимость для ртути.
Это явление, названное сверхпроводимостью, считается перспективной областью для исследований с целью создания материалов, способных значительно снизить потери электроэнергии при ее передаче на огромные расстояния.
Однако, продолжающиеся изучения сверхпроводимости выявили ряд закономерностей, когда на электрическое сопротивление металла, находящегося в области критических температур, влияют другие факторы. В частности, при прохождении переменного тока с повышением частоты его колебаний возникает сопротивление, величина которого доходит до диапазона обычных значений у гармоник с периодом световых волн.
Влияние температуры на электрическое сопротивление/проводимость газов
Газы и обычный воздух являются диэлектриками и не проводят электрический ток. Для его образования нужны носители зарядов, которыми выступают ионы, образующиеся в результате воздействия внешних факторов.
Нагрев способен вызвать ионизацию и движение ионов от одного полюса среды к другому. Убедиться в этом можно на примере простого опыта. Возьмем то же оборудование, которым пользовались для определения влияния нагрева на сопротивление металлического проводника, только вместо проволоки к проводам подключим две металлические пластины, разделенные воздушным пространством.
Подсоединенный к схеме амперметр покажет отсутствие тока. Если между пластинами поместить пламя горелки, то стрелка прибора отклонится от нулевого значения и покажет величину проходящего через газовую среду тока.
Таким образом установили, что в газах при нагревании происходит ионизация, приводящая к движению электрически заряженных частиц и снижению сопротивления среды.
На значении тока сказывается мощность внешнего приложенного источника напряжения и разность потенциалов между его контактами. Она способна при больших значениях пробить изоляционный слой газов. Характерным проявлением подобного случая в природе является естественный разряд молнии во время грозы.
Примерный вид вольт-амперной характеристики протекания тока в газах показан на графике.
На начальном этапе под действие температуры и разности потенциалов наблюдается рост ионизации и прохождение тока примерно по линейному закону. Затем кривая приобретает горизонтальное направление, когда увеличение напряжения не вызывает рост тока.
Третий этап пробоя наступает тогда, когда высокая энергия приложенного поля так разгоняет ионы, что они начинают соударяться с нейтральными молекулами, массово образуя из них новые носители зарядов. В результате ток резко возрастает, образуя пробой диэлектрического слоя.
Практическое использование проводимости газов
Явление протекания тока через газы используется в радиоэлектронных лампах и люминесцентных светильниках.
Для этого внутри герметичного стеклянного баллона с инертным газом располагают два электрода:
У люминесцентной лампы они выполнены в виде нитей накала, которые разогреваются при включении для создания термоэлектронной эмиссии. Внутренняя поверхность колбы покрыта слоем люминофора. Он излучает видимый нами спектр света, образующийся при инфракрасном облучении, исходящем от паров ртути, бомбардируемых потоком электронов.
Ток газового разряда возникает при приложении напряжения определенной величины между электродами, расположенными по разным концам колбы.
Когда одна из нитей накала перегорит, то на этом электроде нарушится электронная эмиссия и лампа гореть не будет. Однако, если увеличить разность потенциалов между катодом и анодом, то снова возникнет газовый разряд внутри колбы и свечение люминофора возобновится.
Это позволяет использовать светодиодные колбы с нарушенными нитями накала и продлять их ресурс работы. Только следует учитывать, что при этом в несколько раз надо поднять на ней напряжение, А это значительно повышает потребляемую мощность и риски безопасного использования.
Влияние температуры на электрическое сопротивление жидкостей
Прохождение тока в жидкостях создается в основном за счет движения катионов и анионов под действием приложенного извне электрического поля. Лишь незначительную часть проводимости обеспечивают электроны.
Влияние температуры на величину электрического сопротивления жидкого электролита описывается формулой, приведенной на картинке. Поскольку в ней значение температурного коэффициента α всегда отрицательно, то с увеличением нагрева проводимость возрастает, а сопротивление падает так, как показано на графике.
Это явление необходимо учитывать при зарядке жидкостных автомобильных (и не только) аккумуляторных батарей.
Влияние температуры на электрическое сопротивление полупроводников
Изменение свойств полупроводниковых материалов под воздействием температуры позволило использовать их в качестве:
Таким названием обозначают полупроводниковые приборы, изменяющие свое электрическое сопротивление под влиянием тепла. Их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) значительно выше, чем у металлов.
Величина ТКС у полупроводников может иметь положительное или отрицательное значение. По этому параметру их разделяют на позитивные «РТС» и негативные «NTC» термисторы. Они обладают различными характеристиками.
Для работы терморезистора выбирают одну из точек на его вольт-амперной характеристике:
линейный участок применяют для контроля температуры либо компенсации изменяющихся токов или напряжений;
нисходящая ветвь ВАХ у элементов с ТКС
Применение релейного терморезистора удобно при контроле или измерениях процессов электромагнитных излучений, происходящих на сверхвысоких частотах. Это обеспечило их использование в системах:
1. контроля тепла;
2. пожарной сигнализации;
3. регулирования расхода сыпучих сред и жидкостей.
Кремниевые терморезисторы с маленьким ТКС>0 используют в системах охлаждения и стабилизации температуры транзисторов.
Эти полупроводники работают на основе явления Зеебека: при нагреве спаянного места двух разрозненных металлов на стыке замкнутой цепи возникает ЭДС. Таким способом они превращают тепловую энергию в электричество.
Конструкцию из двух таких элементов называют термопарой. Ее КПД лежит в пределах 7÷10%.
Термоэлементы используют в измерителях температур цифровых вычислительных устройств, требующих миниатюрные габариты и высокую точность показаний, а также в качестве маломощных источников тока.
Полупроводниковые нагреватели и холодильники
Они работают за счет обратного использования термоэлементов, через которые пропускают электрический ток. При этом на одном месте спая происходит его нагрев, а на противоположном — охлаждение.
Полупроводниковые спаи на основе селена, висмута, сурьмы, теллура позволяют обеспечить разность температур в термоэлементе до 60 градусов. Это позволило создать конструкцию холодильного шкафа из полупроводников с температурой в камере охлаждения до -16 градусов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Как влияет нагрев на величину сопротивления
Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.
Величина, показывающая относительное увеличение сопротивления при нагреве материала на 1° (или уменьшение при охлаждении на 1°), называется температурным коэффициентом сопротивления .
Если температурный коэффициент обозначить через α , удельное сопротивление при to =20 о через ρ o , то при нагреве материала до температуры t1 его удельное сопротивление p1 = ρ o + αρ o (t1 - to) = ρ o(1 + ( α (t1 - to))
и соответственно R1 = Ro (1 + ( α (t1 - to))
Температурный коэффициент а для меди, алюминия, вольфрама равен 0,004 1/град. Поэтому при нагреве на 100° их сопротивление возрастает на 40%. Для железа α = 0,006 1/град, для латуни α = 0,002 1/град, для фехрали α = 0,0001 1/град, для нихрома α = 0,0002 1/град, для константана α = 0,00001 1/град, для манганина α = 0,00004 1/град. Уголь и электролиты имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент для большинства электролитов равен примерно 0,02 1/град.
Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термометрах сопротивления . Измеряя сопротивление, определяют расчетным путем окружающую температуру.Константан, манганин и другие сплавы, имеющие очень небольшой температурный коэффициент сопротивления применяют для изготовления шунтов и добавочных сопротивлений к измерительным приборам.
Пример 1. Как изменится сопротивление Ro железной проволоки при нагреве ее на 520°? Температурный коэффициент а железа 0,006 1/град. По формуле R1 = Ro + Ro α (t1 - to) = Ro + Ro 0,006 ( 520 - 20 ) = 4 Ro , то есть сопротивление железной проволоки при нагреве ее на 520° возрастет в 4 раза.
Пример 2. Алюминиевые провода при температуре -20° имеют сопротивление 5 ом. Необходимо определить их сопротивление при температуре 30°.
R2 = R1 - α R1 (t2 - t1) = 5 + 0 , 004 х 5 (30 - (-20)) = 6 ом.
Свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при нагреве или охлаждении используется для измерения температур. Так, термосопротивления , представляющие собой проволоку из платины или чистого никеля, вплавленные в кварц, применяются для измерения температур от -200 до +600°. Полупроводниковые термосопротивления с большим отрицательным коэффициентом применяются для точного определения температур в более узких диапазонах.
Полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температур называют термисторами .
Термисторы имеют высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагреве их сопротивление уменьшается. Термисторы выполняют из оксидных (подвергнутых окислению) полупроводниковых материалов, состоящих из смеси двух или трех окислов металлов. Наибольшее распространение имеют медно-марганцевые и кобальто-марганцевые термисторы. Последние более чувствительны к температуре.
Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость
На этом уроке мы вспомним, что такое сопротивление проводника и от каких параметров оно зависит. Выясним, как изменяется сопротивление проводника при изменении его температуры. Узнаем, что называют температурным коэффициентом сопротивления. А также поговорим о явлении сверхпроводимости.
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, приобретя 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 ρ0, 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 R0 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 .
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.
Читайте также: