Com depèn la resistència de la temperatura

En la seva pràctica, cada electricista es troba amb diferents condicions per al pas de portadors de càrrega en metalls, semiconductors, gasos i líquids. La magnitud del corrent es veu afectada per la resistència elèctrica, que canvia de diverses maneres sota la influència de l'entorn.

Un d'aquests factors és l'exposició a la temperatura. Com que canvia significativament les condicions del flux de corrent, els dissenyadors ho tenen en compte en la fabricació d'equips elèctrics. El personal elèctric implicat en el manteniment i l'explotació de les instal·lacions elèctriques ha d'utilitzar de manera competent aquestes funcions en el treball pràctic.

Efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica dels metalls

Al curs de física de l'escola, es proposa dur a terme aquest experiment: agafeu un amperímetre, una bateria, un tros de cable, cables de connexió i una torxa. En lloc d'un amperímetre amb bateria, podeu connectar un ohmetre o utilitzar el seu mode en un multímetre.

A continuació, heu de muntar el circuit elèctric que es mostra a la imatge i mesurar el corrent al circuit.El seu valor s'indica a l'escala miliamperímetre mitjançant una fletxa negra.

Ara portem la flama del cremador al filferro i comencem a escalfar-lo. Si mireu l'amperímetre, veureu que l'agulla es desplaçarà cap a l'esquerra i arribarà a la posició marcada en vermell.

El resultat de l'experiment mostra que quan els metalls s'escalfen, la seva conductivitat disminueix i la seva resistència augmenta.

La justificació matemàtica d'aquest fenomen ve donada per les fórmules de la imatge. En l'expressió inferior es veu clarament que la resistència elèctrica «R» del conductor metàl·lic és directament proporcional a la seva temperatura «T» i depèn de diversos altres paràmetres.

Com l'escalfament dels metalls limita el corrent elèctric a la pràctica

Làmpades incandescents

Cada dia, quan s'encenen els llums, ens trobem amb la manifestació d'aquesta propietat en les làmpades incandescents. Realitzem mesures senzilles en una bombeta de 60 watts.

Amb l'ohmetre més senzill, alimentat per una bateria de baixa tensió de 4,5 V, mesurem la resistència entre els contactes de la base i veiem el valor de 59 ohms. Aquest valor és propietat d'un fil fred.

Enroscarem la bombeta a l'endoll i connectarem-hi a través de l'amperímetre la tensió de la xarxa domèstica de 220 volts. L'agulla de l'amperímetre marcarà 0,273 amperes. Des de Llei d'Ohm per a una secció d'un circuit determinar la resistència del fil en estat escalfat. Serà de 896 ohms i superarà 15,2 vegades la lectura anterior de l'ohmmetre.

Aquest excés protegeix el metall del cos lluminós de la crema i la destrucció, assegurant el seu funcionament a llarg termini sota tensió.

Transitoris d'encesa

Quan el fil funciona, es crea un equilibri tèrmic sobre ell entre l'escalfament pel corrent elèctric que passa i l'eliminació de part de la calor a l'ambient. Però en l'etapa inicial d'encesa, quan s'aplica tensió, es produeixen transitoris, creant un corrent d'entrada, que pot provocar que el filament es cremi.

Els processos transitoris es produeixen durant un temps curt i són causats pel fet que la velocitat d'augment de la resistència elèctrica en escalfar el metall no segueix el ritme de l'augment del corrent. Després de la seva finalització, s'estableix el mode de funcionament.

Quan la làmpada brilla durant molt de temps, el gruix del seu filament assoleix gradualment un estat crític, que porta a la crema, que sovint es produeix al següent encendre.

Per allargar la vida útil de la làmpada, aquest corrent d'entrada es redueix de diverses maneres utilitzant:

1. dispositius que proporcionen un subministrament suau i alliberament de la tensió;

2. circuits de connexió en sèrie a un filament de resistències, semiconductors o termistors (termistors).

A la foto següent es mostra un exemple d'una manera de limitar el corrent d'entrada dels accessoris d'il·luminació d'automòbils.

Aquí el corrent es subministra a la bombeta després d'encendre l'interruptor SA a través del fusible FU i està limitat per la resistència R, el valor nominal de la qual s'escull perquè el corrent d'entrada durant els transitoris no superi el valor nominal.

Quan el filament s'escalfa, la seva resistència augmenta, la qual cosa comporta un augment de la diferència de potencial entre els seus contactes i la bobina connectada en paral·lel del relé KL1.Quan la tensió assoleix el valor de configuració del relé, el contacte normalment obert de KL1 es tancarà i passarà per la resistència. El corrent de funcionament del mode ja establert començarà a fluir per la bombeta.

Termòmetre de resistència

L'efecte de la temperatura del metall sobre la seva resistència elèctrica s'utilitza en el funcionament dels instruments de mesura. Se'ls anomena termòmetres de resistència.

El seu element sensible està fet amb un fil metàl·lic prim la resistència del qual es mesura acuradament a determinades temperatures. Aquesta rosca està muntada en una carcassa amb propietats tèrmiques estables i coberta amb una coberta protectora. L'estructura creada es col·loca en un ambient la temperatura del qual s'ha de controlar constantment.

Els conductors del circuit elèctric estan muntats als terminals de l'element sensible, que connecten el circuit de mesura de la resistència. El seu valor es converteix en valors de temperatura basats en la calibració prèviament realitzada del dispositiu.

Barretter - estabilitzador de corrent

Aquest és el nom d'un dispositiu que consisteix en un cilindre de vidre segellat amb gas hidrogen i una espiral de filferro metàl·lic fet de ferro, tungstè o platí. Aquest disseny s'assembla a una bombeta incandescent en aparença, però té una característica específica de tensió de corrent no lineal.

A la característica I - V, en un determinat rang d'aquesta, es forma una zona de treball, que no depèn de les fluctuacions de la tensió aplicada a l'element de calefacció. En aquesta àrea, el baret compensa bé la ondulació de la font d'alimentació i funciona com a estabilitzador de corrent per a una càrrega connectada en sèrie amb ella.

El funcionament de la barreta es basa en les propietats de la inèrcia tèrmica del cos del filament, que és proporcionada per la petita secció transversal del filament i l'alta conductivitat tèrmica de l'hidrogen que l'envolta. Per tant, quan la tensió del dispositiu disminueix, l'eliminació de calor del seu filament s'accelera.

Aquesta és la principal diferència entre les làmpades incandescents i les làmpades incandescents, on per mantenir la brillantor de la resplendor, busquen reduir la pèrdua de calor per convecció del filament.

Superconductivitat

En condicions ambientals normals, quan un conductor metàl·lic es refreda, la seva resistència elèctrica disminueix.

Quan s'arriba a la temperatura crítica, propera als zero graus segons el sistema de mesura Kelvin, hi ha una forta caiguda de la resistència a zero. La imatge de la dreta mostra aquesta dependència pel mercuri.

Aquest fenomen, anomenat superconductivitat, es considera una àrea prometedora d'investigació per tal de crear materials que puguin reduir significativament la pèrdua d'electricitat durant la seva transmissió a llargues distàncies.

Tanmateix, els estudis continuats de superconductivitat revelen una sèrie de patrons on altres factors afecten la resistència elèctrica d'un metall a la regió de temperatura crítica. En particular, quan passa el corrent altern amb un augment de la freqüència de les seves oscil·lacions, es produeix una resistència, el valor de la qual arriba al rang de valors normals per als harmònics amb un període d'ones lluminoses.

Efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica/conductivitat dels gasos

Els gasos i l'aire normal són dielèctrics i no condueixen l'electricitat.La seva formació requereix portadors de càrrega, que són ions formats com a conseqüència de factors externs.

L'escalfament pot provocar ionització i moviment d'ions d'un pol del medi a un altre. Podeu comprovar-ho amb l'exemple d'un experiment senzill. Prenem el mateix equip que es va utilitzar per determinar l'efecte de l'escalfament sobre la resistència d'un conductor metàl·lic, però en comptes d'un conductor connectem dues plaques metàl·liques separades per un espai d'aire als conductors.

Un amperímetre connectat al circuit no mostrarà cap corrent. Si la flama del cremador es col·loca entre les plaques, la fletxa del dispositiu es desviarà de zero i mostrarà el valor del corrent que passa pel medi de gas.

Així, es va trobar que la ionització es produeix en els gasos quan s'escalfa, la qual cosa comporta el moviment de partícules carregades elèctricament i una disminució de la resistència del medi.

El valor del corrent es veu afectat per la potència de la font de tensió aplicada externa i la diferència de potencial entre els seus contactes. És capaç de trencar la capa aïllant de gasos a alts valors. Una manifestació típica d'aquest cas a la natura és la descàrrega natural d'un llamp durant una tempesta.

Al gràfic es mostra una visió aproximada de la característica de corrent-tensió del flux de corrent en gasos.

En l'etapa inicial, sota la influència de la temperatura i la diferència de potencial, s'observa un augment de la ionització i el pas del corrent de manera aproximadament lineal. Aleshores, la corba adquireix una direcció horitzontal quan un augment de la tensió no comporta un augment del corrent.

La tercera etapa de destrucció es produeix quan l'alta energia del camp aplicat accelera els ions de manera que comencen a xocar amb molècules neutres, formant-ne massivament nous portadors de càrrega. Com a resultat, el corrent augmenta bruscament, formant una ruptura de la capa dielèctrica.

Ús pràctic de la conductivitat del gas

El fenomen del flux de corrent a través dels gasos s'utilitza en làmpades de radioelectrons i làmpades fluorescents.

Amb aquesta finalitat, es col·loquen dos elèctrodes en un cilindre de vidre segellat amb un gas inert:

1. ànode;

2. càtode.

En una làmpada fluorescent, es fabriquen en forma de filaments que s'escalfen quan s'encenen per crear radiació termoiònica. La superfície interior del matràs està recoberta amb una capa de fòsfor. Emet l'espectre visible de llum format per la radiació infraroja emesa pel vapor de mercuri bombardejat per un corrent d'electrons.

El corrent de descàrrega es produeix quan s'aplica una tensió d'un cert valor entre els elèctrodes situats a diferents extrems de la bombeta.

Quan un dels filaments es crema, l'emissió d'electrons d'aquest elèctrode es veurà alterada i la làmpada no es cremarà. Tanmateix, si augmenteu la diferència de potencial entre el càtode i l'ànode, tornarà a aparèixer una descàrrega de gas dins de la bombeta i es reprendrà la luminescència del fòsfor.

Això permet utilitzar bombetes LED amb filaments danyats i allargar la seva vida útil. Només cal tenir en compte que al mateix temps cal augmentar-ne la tensió diverses vegades, i això augmenta significativament el consum d'energia i els riscos d'un ús segur.

Efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica dels líquids

El pas del corrent en els líquids es crea principalment pel moviment de cations i anions sota l'acció d'un camp elèctric extern. Només una petita fracció de la conductivitat la proporcionen els electrons.

L'efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica d'un electròlit líquid es descriu amb la fórmula que es mostra a la imatge. Com que el valor del coeficient de temperatura α sempre és negatiu, a mesura que augmenta l'escalfament, la conductivitat augmenta i la resistència disminueix, tal com es mostra al gràfic.

Aquest fenomen s'ha de tenir en compte a l'hora de carregar bateries líquides d'automòbil (i no només).

Efecte de la temperatura sobre la resistència elèctrica dels semiconductors

El canvi de les propietats dels materials semiconductors sota la influència de la temperatura va permetre utilitzar-los com:

• resistència tèrmica;

• termoparells;

• neveres;

• escalfadors.

Termistors

Aquest nom significa dispositius semiconductors que canvien la seva resistència elèctrica sota la influència de la calor. Els seus coeficient de resistència a la temperatura (TCR) molt superior a la dels metalls.

El valor TCR dels semiconductors pot ser positiu o negatiu. Segons aquest paràmetre, es divideixen en termistors positius «RTS» i negatius «NTC». Tenen característiques diferents.

Per al funcionament del termistor, es selecciona un dels punts de la seva característica actual-tensió:

• la secció lineal s'utilitza per controlar la temperatura o compensar corrents o tensions canviants;

• la branca descendent de la característica I — V dels elements amb TCS <0 permet l'ús d'un semiconductor com a relé.

L'ús d'un termistor de relé és convenient per controlar o mesurar els processos de radiació electromagnètica que es produeixen a freqüències ultra altes. Això garanteix el seu ús en sistemes:

1. control de calor;

2. alarma d'incendi;

3. regulació del cabal de mitjans i líquids a granel.

Els termistors de silici amb un TCR petit > 0 s'utilitzen en sistemes de refrigeració i estabilització de temperatura dels transistors.

Termoparells

Aquests semiconductors funcionen sobre la base del fenomen Seebeck: quan s'escalfa la junta de soldadura de dos metalls dispersos, es produeix un EMF a la unió d'un circuit tancat. D'aquesta manera, converteixen l'energia tèrmica en energia elèctrica.

Una construcció de dos d'aquests elements s'anomena termoparell. La seva eficiència es troba dins del 7 ÷ 10%.

Els termoparells s'utilitzen en termòmetres per a dispositius informàtics digitals que requereixen una mida en miniatura i una alta precisió de lectura, així com fonts de corrent de baixa potència.

Escalfadors i refrigeradors de semiconductors

Funcionen reutilitzant termoparells pels quals passa un corrent elèctric. En aquest cas, en un lloc de la unió s'escalfa, i en el contrari, es refreda.

Les connexions de semiconductors a base de seleni, bismut, antimoni, tel·luri permeten garantir una diferència de temperatura en el termoparell de fins a 60 graus. Això va permetre crear un disseny de nevera a partir de semiconductors amb una temperatura a la cambra de refrigeració de fins a -16 graus.