Coefficiente di temperatura della resistenza

La resistenza elettrica di un conduttore dipende solitamente dal materiale del conduttore, dalla sua lunghezza e sezione, o, più brevemente, dalla resistenza e dalle dimensioni geometriche del conduttore. Questa dipendenza è ben nota ed è espressa dalla formula:

Conosciuto da tutti e Legge di Ohm per una sezione omogenea di un circuito elettrico, da cui si può vedere che maggiore è la resistenza, minore è la corrente. Pertanto, se la resistenza del filo è costante, all'aumentare della tensione applicata, la corrente dovrebbe aumentare linearmente. Ma in realtà non è così. La resistenza dei fili non è costante.

Non devi andare lontano per gli esempi. Se colleghi una lampadina a un alimentatore regolabile (con un voltmetro e un amperometro) e aumenti gradualmente la tensione su di essa, portandola al valore nominale, vedrai facilmente che la corrente non cresce linearmente: la tensione si avvicina al valore nominale della lampada, la corrente attraverso la sua bobina cresce sempre più lentamente e la luce diventa sempre più brillante.

Non è possibile raddoppiare la tensione applicata alla bobina per raddoppiare la corrente. La legge di Ohm non sembra valere. Infatti la legge di Ohm è soddisfatta e proprio la resistenza del filamento della lampada non è costante, dipende dalla temperatura.

Ricordiamo qual è la ragione dell'elevata conduttività elettrica dei metalli. È associato alla presenza nei metalli di un gran numero di portatori di carica - componenti attuali - elettroni di conduzione… Sono elettroni formati dagli elettroni di valenza degli atomi di metallo, che sono comuni a tutto il conduttore, non appartengono ad ogni singolo atomo.

Sotto l'azione di un campo elettrico applicato al conduttore, gli elettroni di conduzione libera passano da un movimento caotico a un movimento più o meno ordinato: si forma una corrente elettrica. Ma gli elettroni incontrano ostacoli sulla loro strada, disomogeneità del reticolo ionico, come i difetti del reticolo, una struttura disomogenea causata dalle sue vibrazioni termiche.

Gli elettroni interagiscono con gli ioni, perdono slancio, la loro energia viene trasferita agli ioni reticolari, trasformata in vibrazioni ioniche reticolari, e aumenta il caos del movimento termico degli elettroni stessi, da cui il conduttore si riscalda quando la corrente lo attraversa.

Nei dielettrici, nei semiconduttori, negli elettroliti, nei gas, nei liquidi non polari, il motivo della resistenza può essere diverso, ma la legge di Ohm ovviamente non rimane permanentemente lineare.

Pertanto, per i metalli, un aumento della temperatura porta ad un aumento ancora maggiore delle vibrazioni termiche del reticolo cristallino e aumenta la resistenza al movimento degli elettroni di conduzione.Lo si può vedere dall'esperimento con la lampada: la luminosità del bagliore aumenta, ma la corrente aumenta di meno. Ciò significa che il cambiamento di temperatura ha influito sulla resistenza del filamento della lampada.

Di conseguenza, diventa chiaro che la resistenza fili metallici dipende quasi linearmente dalla temperatura. E se teniamo conto che quando riscaldato, le dimensioni geometriche del filo cambiano leggermente, anche la resistenza elettrica dipende quasi linearmente dalla temperatura. Queste dipendenze possono essere espresse dalle formule:

Prestiamo attenzione alle probabilità. Supponiamo che a 0 ° C la resistenza del conduttore sia R0, quindi a una temperatura t ° C assumerà il valore R (t), e la relativa variazione di resistenza sarà pari a α * t ° C. Questo fattore di proporzionalità α è chiamato il coefficiente di temperatura della resistenza... Caratterizza la dipendenza della resistenza elettrica della sostanza dalla sua temperatura attuale.

Questo coefficiente è numericamente uguale alla variazione relativa della resistenza elettrica di un conduttore quando la sua temperatura cambia di 1 K (un grado Kelvin, che equivale a una variazione di temperatura di un grado Celsius).

Per i metalli, TCR (coefficiente di resistenza alla temperatura α), sebbene relativamente piccolo, è sempre maggiore di zero, perché quando passa la corrente, più spesso gli elettroni si scontrano con gli ioni del reticolo cristallino, maggiore è la temperatura, t .è maggiore è il loro moto caotico termico e maggiore è la loro velocità.Collidendo in un movimento caotico con gli ioni del reticolo, gli elettroni del metallo perdono energia, cosa che vediamo come risultato: la resistenza aumenta man mano che il filo si riscalda. Questo fenomeno è utilizzato tecnicamente in termometri a resistenza.

Pertanto, il coefficiente di temperatura della resistenza α caratterizza la dipendenza della resistenza elettrica della sostanza dalla temperatura ed è misurato in 1 / K - kelvin alla potenza di -1. Il valore con il segno opposto è chiamato coefficiente di temperatura di conducibilità.

Per quanto riguarda i semiconduttori puri, per loro il TCS è negativo, cioè la resistenza diminuisce all'aumentare della temperatura, ciò è dovuto al fatto che all'aumentare della temperatura sempre più elettroni passano nella zona di conduzione, mentre aumenta anche la concentrazione di lacune . Lo stesso meccanismo è caratteristico dei dielettrici liquidi non polari e solidi.

I liquidi polari diminuiscono drasticamente la loro resistenza con l'aumentare della temperatura a causa di una diminuzione della viscosità e di un aumento della dissociazione. Questa proprietà viene utilizzata per proteggere i tubi elettronici dagli effetti distruttivi delle correnti di spunto elevate.

Per leghe, semiconduttori drogati, gas ed elettroliti, la dipendenza termica della resistenza è più complessa che per i metalli puri. Vengono utilizzate leghe con TCS molto basso, come la manganina e la costantana strumenti di misura elettrici.