Bagaimana resistensi tergantung pada suhu

Dalam praktiknya, setiap tukang listrik menghadapi kondisi berbeda untuk lewatnya pembawa muatan dalam logam, semikonduktor, gas, dan cairan. Besarnya arus dipengaruhi oleh hambatan listrik, yang berubah dalam berbagai cara di bawah pengaruh lingkungan.

Salah satu faktor tersebut adalah paparan suhu. Karena secara signifikan mengubah kondisi aliran arus, hal itu diperhitungkan oleh perancang dalam pembuatan peralatan listrik. Tenaga listrik yang terlibat dalam pemeliharaan dan pengoperasian instalasi listrik harus secara kompeten menggunakan fungsi-fungsi tersebut dalam kerja praktek.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik logam

Dalam kursus fisika sekolah, diusulkan untuk melakukan percobaan seperti itu: ambil ammeter, baterai, seutas kabel, kabel penghubung, dan obor. Alih-alih ammeter dengan baterai, Anda dapat menghubungkan ohmmeter atau menggunakan modenya di multimeter.

Selanjutnya, Anda perlu merakit rangkaian listrik yang ditunjukkan pada gambar dan mengukur arus di rangkaian tersebut.Nilainya ditunjukkan pada skala miliammeter dengan panah hitam.

Sekarang kami membawa nyala api ke kawat dan mulai memanaskannya. Jika Anda melihat ammeter, Anda akan melihat bahwa jarum akan bergerak ke kiri dan mencapai posisi yang ditandai dengan warna merah.

Hasil percobaan menunjukkan bahwa ketika logam dipanaskan, konduktivitasnya menurun dan resistansinya meningkat.

Pembenaran matematis dari fenomena ini diberikan oleh rumus tepat di gambar. Pada ekspresi yang lebih rendah terlihat jelas bahwa hambatan listrik «R» dari konduktor logam berbanding lurus dengan suhunya «T» dan bergantung pada beberapa parameter lainnya.

Bagaimana memanaskan logam membatasi arus listrik dalam praktiknya

Lampu pijar

Setiap hari saat lampu dinyalakan, kita menjumpai manifestasi dari properti ini di lampu pijar. Mari kita lakukan pengukuran sederhana pada bola lampu 60 watt.

Dengan ohmmeter paling sederhana, ditenagai oleh baterai tegangan rendah 4,5 V, kami mengukur resistansi antara kontak pangkalan dan melihat nilai 59 ohm. Nilai ini dimiliki oleh benang dingin.

Kami akan memasang bola lampu ke soket dan menghubungkannya melalui ammeter tegangan jaringan rumah 220 volt. Jarum ammeter akan membaca 0,273 amp. Dari Hukum Ohm untuk bagian sirkuit tentukan resistansi benang dalam keadaan panas. Ini akan menjadi 896 ohm dan melebihi pembacaan ohmmeter sebelumnya sebanyak 15,2 kali.

Kelebihan ini melindungi logam dari benda bercahaya dari pembakaran dan kehancuran, memastikan operasi jangka panjangnya di bawah tegangan.

Transien pengaktifan

Saat utas bekerja, keseimbangan termal dibuat di atasnya antara pemanasan dengan arus listrik yang lewat dan pembuangan sebagian panas ke lingkungan. Tetapi pada tahap awal pengaktifan, ketika tegangan diterapkan, terjadi transien, menciptakan arus lonjakan, yang dapat menyebabkan filamen terbakar.

Proses transien terjadi dalam waktu singkat dan disebabkan oleh fakta bahwa laju peningkatan hambatan listrik saat memanaskan logam tidak mengimbangi peningkatan arus. Setelah selesai, mode operasi ditetapkan.

Ketika lampu bersinar untuk waktu yang lama, ketebalan filamennya secara bertahap mencapai keadaan kritis, yang menyebabkan pembakaran, paling sering momen ini terjadi pada sakelar baru berikutnya.

Untuk memperpanjang usia lampu, arus lonjakan ini dikurangi dengan berbagai cara menggunakan:

1. perangkat yang memberikan pasokan dan pelepasan ketegangan yang lancar;

2. sirkuit untuk sambungan seri ke filamen resistor, semikonduktor atau termistor (termistor).

Contoh salah satu cara membatasi arus masuk untuk perlengkapan pencahayaan otomotif ditunjukkan pada foto di bawah ini.

Di sini arus disuplai ke bola lampu setelah sakelar SA dihidupkan melalui sekering FU dan dibatasi oleh resistor R, nilai nominalnya dipilih sehingga arus lonjakan selama transien tidak melebihi nilai nominal.

Saat filamen dipanaskan, resistansinya meningkat, yang menyebabkan peningkatan beda potensial antara kontaknya dan koil relai KL1 yang terhubung paralel.Ketika tegangan mencapai nilai pengaturan relai, kontak KL1 yang biasanya terbuka akan menutup dan melewati resistor. Arus operasi dari mode yang sudah ada akan mulai mengalir melalui bola lampu.

Termometer resistansi

Pengaruh suhu logam pada hambatan listriknya digunakan dalam pengoperasian alat ukur. Mereka disebut termometer resistansi.

Elemen sensitifnya dibuat dengan kawat logam tipis yang hambatannya diukur dengan hati-hati pada suhu tertentu. Utas ini dipasang di rumahan dengan sifat termal yang stabil dan ditutup dengan penutup pelindung. Struktur yang dibuat ditempatkan di lingkungan yang suhunya harus terus dipantau.

Konduktor rangkaian listrik dipasang pada terminal elemen sensitif, yang menghubungkan rangkaian pengukuran resistansi. Nilainya diubah menjadi nilai suhu berdasarkan kalibrasi perangkat yang dilakukan sebelumnya.

Barretter — penstabil arus

Ini adalah nama perangkat yang terdiri dari silinder tertutup kaca dengan gas hidrogen dan spiral kawat logam yang terbuat dari besi, tungsten, atau platinum. Desain ini menyerupai bola lampu pijar, tetapi memiliki karakteristik arus-tegangan nonlinier tertentu.

Pada karakteristik I - V, dalam kisaran tertentu, zona kerja terbentuk, yang tidak bergantung pada fluktuasi tegangan yang diterapkan pada elemen pemanas. Di area ini, baret mengkompensasi riak catu daya dengan baik dan berfungsi sebagai penstabil arus untuk beban yang terhubung secara seri dengannya.

Pengoperasian jepit didasarkan pada sifat inersia termal dari badan filamen, yang disediakan oleh penampang filamen yang kecil dan konduktivitas termal yang tinggi dari hidrogen yang mengelilinginya. Oleh karena itu, ketika voltase perangkat berkurang, pembuangan panas dari filamennya dipercepat.

Ini adalah perbedaan utama antara lampu pijar dan lampu pijar, di mana untuk menjaga kecerahan pijar, mereka berupaya mengurangi kehilangan panas konvektif dari filamen.

Superkonduktivitas

Dalam kondisi ambien normal, saat konduktor logam mendingin, hambatan listriknya berkurang.

Ketika suhu kritis tercapai, mendekati nol derajat menurut sistem pengukuran Kelvin, terjadi penurunan tajam dalam resistansi ke nol. Gambar kanan menunjukkan ketergantungan merkuri.

Fenomena yang disebut superkonduktivitas ini dianggap sebagai area penelitian yang menjanjikan untuk menciptakan material yang dapat secara signifikan mengurangi kehilangan listrik selama transmisi jarak jauh.

Namun, studi lanjutan tentang superkonduktivitas mengungkap sejumlah pola di mana faktor lain memengaruhi hambatan listrik logam di wilayah suhu kritis. Secara khusus, ketika melewati arus bolak-balik dengan peningkatan frekuensi osilasinya, terjadi resistansi, yang nilainya mencapai kisaran nilai normal untuk harmonik dengan periode gelombang cahaya.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik / konduktivitas gas

Gas dan udara normal adalah dielektrik dan tidak menghantarkan listrik.Pembentukannya membutuhkan pembawa muatan, yaitu ion yang terbentuk sebagai hasil dari faktor eksternal.

Pemanasan dapat menyebabkan ionisasi dan pergerakan ion dari satu kutub medium ke kutub lainnya. Anda dapat memeriksanya dengan contoh percobaan sederhana. Mari kita ambil peralatan yang sama yang digunakan untuk menentukan efek pemanasan pada resistansi konduktor logam, tetapi alih-alih konduktor, kami menghubungkan dua pelat logam yang dipisahkan oleh ruang udara ke konduktor.

Ammeter yang terhubung ke sirkuit tidak akan menunjukkan arus. Jika nyala api ditempatkan di antara pelat, panah perangkat akan menyimpang dari nol dan menunjukkan nilai arus yang melewati media gas.

Dengan demikian, ditemukan bahwa ionisasi terjadi pada gas ketika dipanaskan, yang menyebabkan pergerakan partikel bermuatan listrik dan penurunan resistansi medium.

Nilai arus dipengaruhi oleh kekuatan sumber tegangan eksternal dan perbedaan potensial antara kontaknya. Itu mampu menembus lapisan isolasi gas pada nilai tinggi. Manifestasi khas dari kasus seperti itu di alam adalah pelepasan petir secara alami selama badai petir.

Tampilan perkiraan karakteristik arus-tegangan dari aliran arus dalam gas ditunjukkan pada grafik.

Pada tahap awal, di bawah pengaruh suhu dan perbedaan potensial, peningkatan ionisasi dan aliran arus diamati kira-kira secara linier. Kurva kemudian memperoleh arah horizontal ketika peningkatan tegangan tidak menyebabkan peningkatan arus.

Tahap ketiga penghancuran terjadi ketika energi tinggi dari medan terapan mempercepat ion sehingga mereka mulai bertabrakan dengan molekul netral, secara masif membentuk pembawa muatan baru darinya. Akibatnya, arus meningkat tajam, membentuk kerusakan lapisan dielektrik.

Penggunaan praktis konduktivitas gas

Fenomena aliran arus melalui gas digunakan dalam lampu radio-elektron dan lampu neon.

Untuk tujuan ini, dua elektroda ditempatkan dalam silinder kaca tertutup dengan gas inert:

1. anoda;

2. katoda.

Pada lampu fluoresen, dibuat dalam bentuk filamen yang memanas saat dinyalakan untuk menghasilkan radiasi termionik. Permukaan bagian dalam labu dilapisi dengan lapisan fosfor. Ini memancarkan spektrum cahaya tampak yang dibentuk oleh radiasi infra merah yang dipancarkan oleh uap merkuri yang dibombardir oleh aliran elektron.

Arus pelepasan terjadi ketika tegangan dengan nilai tertentu diterapkan di antara elektroda yang terletak di ujung bola lampu yang berbeda.

Ketika salah satu filamen terbakar, maka pancaran elektron dari elektroda ini akan terganggu dan lampu tidak akan padam. Namun, jika Anda meningkatkan perbedaan potensial antara katoda dan anoda, pelepasan gas akan muncul lagi di dalam bola lampu dan pendaran fosfor akan dilanjutkan.

Hal ini memungkinkan penggunaan bola lampu LED dengan filamen yang rusak dan memperpanjang masa pakainya. Perlu diingat bahwa pada saat yang sama perlu untuk meningkatkan voltase beberapa kali, dan ini secara signifikan meningkatkan konsumsi energi dan risiko penggunaan yang aman.

Pengaruh suhu pada hambatan listrik cairan

Bagian arus dalam cairan dibuat terutama karena pergerakan kation dan anion di bawah aksi medan listrik eksternal. Hanya sebagian kecil dari konduktivitas yang disediakan oleh elektron.

Pengaruh suhu terhadap hambatan listrik elektrolit cair dijelaskan dengan rumus yang ditunjukkan pada gambar. Karena nilai koefisien temperatur α di dalamnya selalu negatif, maka dengan meningkatnya pemanasan, konduktivitas meningkat dan resistansi menurun, seperti yang ditunjukkan pada grafik.

Fenomena ini harus diperhitungkan saat mengisi baterai otomotif cair (dan tidak hanya).

Pengaruh suhu pada hambatan listrik semikonduktor

Mengubah sifat bahan semikonduktor di bawah pengaruh suhu memungkinkan untuk menggunakannya sebagai:

• resistensi termal;

• termokopel;

• lemari es;

• pemanas.

Termistor

Nama ini berarti perangkat semikonduktor yang mengubah hambatan listriknya di bawah pengaruh panas. Milik mereka koefisien suhu resistensi (TCR) secara signifikan lebih tinggi daripada logam.

Nilai TCR untuk semikonduktor bisa positif atau negatif. Menurut parameter ini, mereka dibagi menjadi termistor «RTS» positif dan negatif «NTC». Mereka memiliki karakteristik yang berbeda.

Untuk pengoperasian termistor, salah satu titik karakteristik tegangan arusnya dipilih:

• bagian linier digunakan untuk mengontrol suhu atau mengkompensasi perubahan arus atau tegangan;

• cabang turun dari karakteristik elemen I — V dengan TCS <0 memungkinkan penggunaan semikonduktor sebagai relai.

Penggunaan termistor relai nyaman untuk memantau atau mengukur proses radiasi elektromagnetik yang terjadi pada frekuensi sangat tinggi. Ini memastikan penggunaannya dalam sistem:

1. kontrol panas;

2. alarm kebakaran;

3. pengaturan laju aliran media curah dan cairan.

Termistor silikon dengan TCR kecil > 0 digunakan dalam sistem pendingin dan stabilisasi suhu transistor.

Termokopel

Semikonduktor ini bekerja berdasarkan fenomena Seebeck: ketika sambungan solder dari dua logam terdispersi dipanaskan, EMF terjadi di persimpangan sirkuit tertutup. Dengan cara ini, mereka mengubah energi panas menjadi energi listrik.

Konstruksi dari dua elemen semacam itu disebut termokopel. Efisiensinya dalam 7 ÷ 10%.

Termokopel digunakan dalam termometer untuk perangkat komputasi digital yang membutuhkan ukuran mini dan akurasi pembacaan yang tinggi, serta sumber arus berdaya rendah.

Pemanas semikonduktor dan kulkas

Mereka bekerja dengan menggunakan kembali termokopel yang dilalui arus listrik. Dalam hal ini, di satu tempat sambungan dipanaskan, dan di tempat berlawanan didinginkan.

Koneksi semikonduktor berdasarkan selenium, bismut, antimon, telurium memungkinkan untuk memastikan perbedaan suhu dalam termokopel hingga 60 derajat. Ini memungkinkan untuk membuat desain lemari es dari semikonduktor dengan suhu di ruang pendingin hingga -16 derajat.