Чем выше температура тем сопротивление. Зависимость сопротивления металлов от температуры

Ток, периодически меняющийся по величине и направлению, называется переменным током. Представление о переменном токе можно получить, если медленно вращать ручку действующей модели генератора, подключенного к гальванометру. Отклонение стрелки гальванометра то вправо, то влево говорит о периодическом изменении величины и направления тока в цепи, т. е. о переменном токе.

Переменный ток, используемый в производстве и быту, изменяется по синусоидальному закону:

i = I m sinω t ,

где i - значение переменного тока в любой момент времени, называемое мгновенным значением переменного тока. Величина I m , стоящая перед знаком синуса, называется амплитудой переменного тока.

Действующим значением переменного тока называется постоянный ток, который за время одного периода оказывает такое тепловое (механическое и др.) действие, как и данный переменный ток. Действующее значение для данного переменного тока есть величина постоянная и равная амплитудному значению, деленному на √2 , т. е.

Все определения и соотношения действующего значения переменного тока справедливы и для переменного напряжения.

Амперметр и вольтметр, работа которых основана на тепловом или механическом действии, при измерении переменного тока и напряжения показывают их действующие значения.

1. Мгновенное значение - величина тока соответствующая данному моменту времени

2. Амплитуда - это наибольшее положительное или отрицательное значение переменного тока. Величина ω , стоящая под знаком синуса, является угловой скоростью. Произведение угловой скорости на время (ωt ) представляет собой угол, возрастающий со временем.

Графиком переменного тока является синусоида (см. рис.).

Амплитуда - максимальное мгновенное значение (наибольшее значение, которого достигает переменный ток).

Здесь амплитуда 20 мА

3. Периодом (T ) называется время, в течение которого происходит полное изменение (колебание) тока в проводнике.

Обозначается буквой Т

кликните по картинке чтобы увеличить

За один период совершается одно колебание переменного тока, т. е. период это время одного колебания. Одно колебание состоит из двух движений тока.

Частотой (f ) называется величина, выражающаяся числом полных колебаний тока за одну секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). При частоте в 1 Гц происходит одно полное колебание тока за одну секунду.

Стандартной частотой переменного тока в СССР является частота 50 Гц, что соответствует 50 полным колебаниям тока за одну секунду.

Частота - величина, обратная периоду. Следовательно,

f = 1/T или T = 1/f

Переменный ток, как и постоянный, оказывает тепловое, механическое, магнитное и химическое действия. В формулы расчета теплового, механического, магнитного и химического действий переменного тока подставляется действующее значение переменного тока.

5. Фаза - это состояние переменного тока за определенный период времени

кликните по картинке чтобы увеличить

Переменные величины могут совпадать по фазе. Это значит что они одновременно достигают нулевых значений и одновременно достигают максимальных значений одинаковых направлений.

Здесь токи I1 и I2 совпадают по фазе

кликните по картинке чтобы увеличить

Здесь напряжения U1 и U2 находятся в противофазе.

Это значит что они одновременно достигают нулевых и максимальных значений противоположных направлений.

Если переменные величины не совпадают по фазе, то говорят что они сдвинуты по фазе.Сдвиг по фазе выражается в градусах или в долях периода. Весь период 360 0 , так как период получается за один полный оборот проводника по окружности в магнитном поле.

кликните по картинке чтобы увеличить

Здесь напряжение отстает от тока на 90 0 , т. е. ток и напряжение сдвинуты по фазе на 90 0 .

Действительно в начале ток уже достиг максимума, а напряжение находится на нуле. Напряжение достигнет максимума через 90 0 .

Сдвиг по фазе обозначается греческой буквой φ например φ=90 0 .

Допустим, что до отключения в цепи рис. 4.5, а был установившийся ток I = U/r и энергия магнитного поля катушки составляла

WL = I 2 L /2.

Казалось бы, после размыкания выключателя ток должен мгновенно прекратиться. Однако на основании первого закона коммутации при t = 0+ ток сохраняет свое прежнее значение.

Возникает как будто несоответствие: цепь разомкнута, ток есть. В действительности при размыкании выключатели происходит следующее. Ток уменьшается, и в катушке индуктируется значительная ЭДС. При этом напряжение между контактами выключателя, равное сумме напряжения сети и ЭДС самоиндукции, пробивает воздушный промежуток между контактами - возникает электрическая дуга и электрическая цепь оказывается замкнутой. По мере увеличения расстояния между контактами сопротивление дуги возрастает, ток и ЭДС уменьшаются и цепь оказывается разомкнутой. За время переходного процесса энергия магнитного поля катушки выделяется в виде теплоты в электрической дуге и сопротивлении катушки.

Переходный процесс в этом случае получается довольно сложным вследствие того, что сопротивление дуги нелинейное и изменяется во времени.

Отключение цепи с индуктивностью вызывает обгорание контактов размыкающего устройства и появление значительных ЭДС и напряжения на выводах катушки, превышающих в несколько раз напряжение сети (это может привести к пробою изоляции катушки).

Во избежание этого в силовых цепях, обладающих значительной индуктивностью (обмотки возбуждения генераторов и двигателей постоянного тока, синхронных двигателей, магнитных плит и т. п.), параллельно обмоткам включают разрядные резисторы (рис. 4.5, б ).

В этом случае после отключения выключателя катушка индуктивности (r , L ) оказывается замкнутой на разрядное сопротивление r р . Ток в цепи будет убывать значительно медленнее. По этой причине значение возникающей ЭДС будет существенно меньше, чем без разрядного резистора, и возникшая слабая дуга исчезает почти мгновенно. В последующих рассуждениях и выводах предполагается, что дуга между контактами не возникает и цепь размыкается мгновенно.

Уравнение цепи, составленное по второму закону Кирхгофа, имеет вид

e = i (r + r p ).

Заменив e в (4.29), получим

Ldi/dt + i (r + r p ) = 0.

Решением дифференциального уравнения будет выражение

i = Aept .

Из характеристического уравнения pL+ (r + r p )= 0 определяют показатель степени р:

Подставив это выражение в (4.31), получим

i = Ae - t/T ,

где Т = L / (r + r p ) - постоянная времени цепи.

Значение А определяют из начальных условий на основании первого закона коммутации: приt = 0+

i = I нач =U/r и A = U/r.

Выражение тока в цепи имеет вид

Подставив в (4.29) значение i из (4.32), получим ЭДС

Напряжение на выводах катушки равно напряжению на разрядном резисторе:

В начальный момент при t = 0+

e нач = I нач (r + r p ),

u к.нач = I нач r p .

Из выражений (4.33) и (4.34) вытекает, что начальные значения e нач и u к.нач зависят от сопротивления разрядного резистора. При больших значениях r р они могут оказаться чрезмерно большими и опасными для изоляция установки.

На рис. 4.5, в изображены графики i (t ) и u к (t ) катушки после отключения цепи для двух значений r р , r р > r" р .

На практике обычно выбирают r р в 4-8 раз больше собственного сопротивления обмотки индуктивной катушки:

r р = (4÷8)r .

Время, в течение которого совершается один цикл колебания (полное изменение ЭДС) или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания переменного тока

Период измеряется в секундах и обозначают латинской буквой Т . Так же нашли применение более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс) - одна тысячная секунды и микросекунда (мкс) - одна миллионная секунды.

1 мс =0,001сек =10 -3 сек.
1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10 -6 сек.
1000 мкс = 1 мс .

Чем быстрее осуществляется изменение ЭДС, тем меньше период колебания и тем выше частота. Поэтому, частота и период тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Математическая связь между периодом и частотой описывается формулами.

Частота обозначается латинской буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах . Одна тысяча герц называется килогерцем (кГц) , а миллион герц - мегагерцем (МГц) . Используется так же физическая единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.

1000 Гц = 10 3 Гц = 1 кГц;
1000 000 Гц = 10 6 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;
1000 000 000 Гц = 10 9 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;

f = 1/T или Т = 1/f

Например, известно, что частота тока в электрической сети перемнного тока равна 50 Гц, то период будет равен 0,02 секунды

Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми частотами, так как их способно воспринимать ухо человека. Далее идут ультразвуковые частоты это упругие волны диапазона чуть выше звукового от 20 кГц и более, высокой частоты, отлично демонстрирует работу ультразвука . А вот например некоторые радиопередатчики или мобильные телефоны работают на частотах уже МГц и даже ГГц. Поэтому высокие частоты получили название радиочастоты. Кроме того используется и более высокие частоты, например в антеннах радиолокационных станций, спутниковой связи, ГЛОНАСС, GPS частотный диапазон от 40 ГГц и даже выше.

Максимальное значение, которого достигает ЭДС или сила тока в течении периода, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока. Легко увидеть по рисунку, что амплитуда в масштабе определяется длиной радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно латинскими символами Im, Em и Um .

Скорость вращения радиуса-вектора, или изменение величины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой частотой переменного тока и обозначается греческим символом ω (омега). Угол поворота радиуса-вектора в любой момент относительно его начального расположения измеряется не в градусах, а в специальных единицах - радианах . Радиан это угловая величина дуги окружности, длина которой соответствует радиусу этой окружности. Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2π .

Тогда, 1 рад = 360°/2π

Значит, конец радиуса-вектора в течение одного периода проходит путь, равный 6,28 радиан (2π). Так как в течение секунды радиус-вектор сделает число оборотов, соответствующее частоте переменного тока f, то за секунду его конец пройдет путь, равный 6,28 × f радиан. Это выражение, говорящее о скорости вращения радиуса-вектора, является угловой частотой переменного тока ω .

ω= 6,28×f = 2fπ

Угол поворота радиуса-вектора в любой возможный момент относительно его начального положения называется фазой переменного тока . Фаза характеризует величину ЭДС или тока в какое-то произвольное конкретное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза говорит о том, убывает ли ЭДС или возрастает, в произвольный момент времени

Полный цикл (оборот) радиуса-вектора равен 360° градусов. С началом нового цикла радиуса-вектора изменение ЭДС осуществляется в том же порядке, что и в течение первого оборота. Поэтому, все фазы ЭДС будут идти в прежнем порядке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370 градусов будет такой же, как и при повороте на десять градусов. В обоих случаях радиус-вектор займет одинаковое положение, и, поэтому, мгновенные значения ЭДС будут в обоих случаях одинаковыми по фазе.

На основании классической электронной теории проводимости металлов можно объяснить закон Джоуля-Ленца.

Упорядоченное движение электронов происходит под действием сил поля. Как и выше, будем считать, что в момент соударения с положительными ионами кристаллической решётки электроны полностью передают ей свою кинетическую энергию. К концу свободного пробега скорость электрона , а кинетическая энергия

(14.9)

Мощность, выделяемая единицей объёма металла (плотность мощности), равна произведению энергии одного электрона на число соударений в секундуи на концентрациюn электронов:

(14.10)

Учитывая (14.7), имеем

- закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

Если нас интересует энергия, выделяемая проводником длиной ℓ, площадью поперечного сечения S за промежуток времени dt, то выражение (14.10) нужно умножить на объём проводника V=St и время dt:

Учитывая, что
(гдеR– сопротивление проводника), получаем закон Джоуля-Ленца в виде

§ 14.3 Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость. Закон Видемана-Франца

Удельное сопротивление зависит не только от рода вещества, но и от его состояния, в частности, от температуры. Зависимость удельного сопротивления от температуры можно охарактеризовать, задавая температурный коэффициент сопротивления данного вещества:

(14.11)

Он даёт относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на один градус.

Рисунок 14.3

ρ=ρ 0 (1+αt) (14.12)

где ρ 0 – удельное сопротивление при 0ºС, ρ – его значение при температуре tºС.

Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным. У всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры, а следовательно для металлов

α >0. У всех электролитов в отличии от металлов сопротивление при нагревании всегда уменьшается. Сопротивление графита с повышением температуры также уменьшается. Для таких веществ α <0.

На основании электронной теории электропроводности металлов можно объяснить зависимость сопротивления проводника от температуры. С повышением температуры его удельное сопротивление увеличивается, а электропроводимость уменьшается. Анализируя выражение (14.7), видим, что электропроводимость пропорциональна концентрации электронов проводимости и средней длине свободного пробега <ℓ> , т.е. чем больше <ℓ> , тем меньшую помеху для упорядоченного движения электронов представляют соударения. Электропроводимость обратно пропорциональна средней тепловой скорости < υ τ > . Тепловая скорость при повышении температуры возрастает пропорционально
, что приводит к уменьшению электропроводимости и увеличению удельного сопротивления проводников. Анализируя формулу (14.7), можно, кроме того, объяснить зависимость γ и ρ от рода проводника.

При очень низких температурах порядка 1-8ºК сопротивление некоторых веществ резко падает в миллиарды раз и практически становится равным нулю.

Это явление, впервые открыто голландским физиком Г.Камерлинг-Оннесом в 1911 г.. называется сверхпроводимостью . В настоящее время сверхпроводимость установлена у целого ряда чистых элементов (свинца, олова, цинка, ртути, алюминия и др), а также у большого числа сплавов этих элементов друг с другом и с другими элементами. На рис. 14.3 схематически показана зависимость сопротивления сверхпроводников от температуры.

Теория сверхпроводимости была создана в 1958 г. Н.Н. Боголюбовым. Согласно этой теории, сверхпроводимость – это движение электронов в кристаллической решётке без соударений друг с другом и с атомами решётки. Все электроны проводимости движутся как один поток невязкой идеальной жидкости, не взаимодействуя между собой и с решёткой, т.е. не испытывая трения. Поэтому сопротивление сверхпроводников равно нулю. Сильное магнитное поле, проникая в сверхпроводник, отклоняет электроны, и, нарушая «ламинарное течение» электронного потока, вызывает соударение электронов с решёткой, т.е. возникает сопротивление.

В сверхпроводящем состоянии между электронами происходит обмен квантами энергии, что приводит к созданию между электронами сил притяжения, которые больше кулоновских сил отталкивания. При этом образуются пары электронов (куперовские пары) с взаимно скомпенсированными магнитными и механическими моментами. Такие пары электронов движутся в кристаллической решётке без сопротивления.

Одним из важнейших практических применений сверхпроводимости является применение её в электромагнитах со сверхпроводящей обмоткой. Если бы не существовало критического магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость, то с помощью таких электромагнитов можно было бы получать магнитные поля в десятки и сотни миллионов ампер на сантиметр. Получать такие большие постоянные поля с помощью обычных электромагнитов невозможно, так как для этого потребовались бы колоссальные мощности, и был бы практически невозможен отвод тепла, выделяемого при поглощении обмоткой столь больших мощностей. В сверхпроводящем электромагните расход мощности источника тока ничтожен, а расход мощности на охлаждение обмотки до гелиевой температуре (4,2ºК) на четыре порядка ниже, чем в обычном электромагните, создающем такие же поля. Сверхпроводимость применяется и для создания систем памяти электронных математических машин (криотронные элементы памяти).

В 1853 г. Видеман и Франц опытным путём установили, что отношение теплопроводности λ к электропроводности γ для всех метал лов при одной и той же температуре одинаково и пропорционально их термодинамической температуре.

Это заставляет предполагать, что теплопроводность в металлах, так же как и электропроводность, обусловлена движением свободных электронов. Будем считать, что электроны подобны одноатомному газу, коэффициент теплопроводности которого, согласно кинетической теории газов, равен

(14.13)

(n – концентрация атомов, m -масса атома, <ℓ> -средняя длина свободного пробега электрона, c V -удельная теплоёмкость).

Для одноатомного газа

(k -постоянная Больцмана, М –молярная масса).

(14.14)

Из уравнений (14.7) и (14.14) находим отношение теплопроводности и электропроводности металла:

(14.15)

Из кинетической теории газов известно, что
, тогда

(14.16)

(k и е – постоянные величины).

Поэтому отношение теплопроводности и электропроводности металла пропорционально термодинамической температуре, что и было установлено законом Видемана-Франца. Так как k =1,38∙10 -23 Дж/К; е = 1,6∙10 -19 Кл, то

(14.17)

Закон Видемана-Франца для большинства металлов выполняется при температуре 100-400 К, но при низкой температуре закон существенно нарушается. Имеются металлы (бериллий, марганец) которые совсем не подчиняются закону Видемана-Франца. Выход из непреодолимых противоречий был найден в квантовой электронной теории металлов.

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт.

Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр . Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сила тока будет зависеть от температуры проводника.

Изменение сопротивления в зависимости от температуры

Пусть при температуре 0 градусов, сопротивление проводника равняется R0, а при температуре t сопротивление равно R, тогда относительное изменение сопротивления будет прямо пропорционально изменению температуры t:

• (R-R0)/R=a*t.

В данной формуле а - коэффициент пропорциональности, который называют еще температурным коэффициентом. Он характеризует зависимость сопротивления, которым обладает вещество, от температуры.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться. Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур.

Растворы электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается. То есть для них температурный коэффициент будет меньше нуля.

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника. Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры

Попытаемся найти зависимость удельного сопротивления проводника от температуры.

Подставим в полученную выше формулу значения сопротивлений R=p*l/S R0=p0*l/S.

Получим следующую формулу:

• p=p0(1+a*t).

Данная зависимость представлена на следующем рисунке.

Попробуем разобраться, почему увеличивается сопротивление

Когда мы повышаем температуру, то увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.