Come la resistenza dipende dalla temperatura

Nella sua pratica, ogni elettricista incontra condizioni diverse per il passaggio di portatori di carica in metalli, semiconduttori, gas e liquidi. L'entità della corrente è influenzata dalla resistenza elettrica, che cambia in vari modi sotto l'influenza dell'ambiente.

Uno di questi fattori è l'esposizione alla temperatura. Poiché modifica in modo significativo le condizioni del flusso di corrente, viene preso in considerazione dai progettisti nella produzione di apparecchiature elettriche. Il personale elettrico coinvolto nella manutenzione e nel funzionamento degli impianti elettrici deve utilizzare con competenza queste funzioni nel lavoro pratico.

Effetto della temperatura sulla resistenza elettrica dei metalli

Nel corso di fisica della scuola, si propone di condurre un simile esperimento: prendi un amperometro, una batteria, un pezzo di filo, fili di collegamento e una torcia. Invece di un amperometro con una batteria, puoi collegare un ohmmetro o utilizzare la sua modalità in un multimetro.

Successivamente, è necessario assemblare il circuito elettrico mostrato nell'immagine e misurare la corrente nel circuito.Il suo valore è indicato sulla scala milliamperometrica da una freccia nera.

Ora portiamo la fiamma del bruciatore sul filo e iniziamo a scaldarlo. Se guardi l'amperometro, vedrai che l'ago si sposterà a sinistra e raggiungerà la posizione contrassegnata in rosso.

Il risultato dell'esperimento mostra che quando i metalli vengono riscaldati, la loro conduttività diminuisce e la loro resistenza aumenta.

La giustificazione matematica di questo fenomeno è data dalle formule proprio in figura. Nell'espressione inferiore si vede chiaramente che la resistenza elettrica «R» del conduttore metallico è direttamente proporzionale alla sua temperatura «T» e dipende da numerosi altri parametri.

In che modo il riscaldamento dei metalli limita la corrente elettrica nella pratica

Lampade a incandescenza

Ogni giorno, quando si accendono le luci, incontriamo la manifestazione di questa proprietà nelle lampade a incandescenza. Eseguiamo semplici misurazioni su una lampadina da 60 watt.

Con il più semplice ohmmetro, alimentato da una batteria a bassa tensione da 4,5 V, misuriamo la resistenza tra i contatti della base e vediamo il valore di 59 ohm. Questo valore è di proprietà di un thread freddo.

Avviteremo la lampadina nella presa e collegheremo ad essa tramite l'amperometro la tensione della rete domestica di 220 volt. L'ago dell'amperometro leggerà 0,273 ampere. Da Legge di Ohm per una sezione di un circuito determinare la resistenza del filo allo stato riscaldato. Sarà 896 ohm e supererà la precedente lettura dell'ohmmetro di 15,2 volte.

Questo eccesso protegge il metallo del corpo luminoso dalla combustione e dalla distruzione, garantendone il funzionamento a lungo termine sotto tensione.

Transitori di accensione

Quando il filo è in funzione, su di esso si crea un equilibrio termico tra il riscaldamento dovuto al passaggio della corrente elettrica e la sottrazione di parte del calore all'ambiente. Ma nella fase iniziale dell'accensione, quando viene applicata la tensione, si verificano transitori che creano una corrente di spunto, che può causare la bruciatura del filamento.

I processi transitori si verificano per un breve periodo e sono causati dal fatto che il tasso di aumento della resistenza elettrica durante il riscaldamento del metallo non tiene il passo con l'aumento della corrente. Dopo il loro completamento, viene stabilita la modalità di funzionamento.

Quando la lampada brilla a lungo, lo spessore del suo filamento raggiunge gradualmente uno stato critico, che porta alla combustione, il più delle volte questo momento si verifica alla successiva nuova accensione.

Per prolungare la durata della lampada, questa corrente di spunto viene ridotta in vari modi utilizzando:

1. dispositivi che forniscono un'alimentazione e un rilascio regolari della tensione;

2. circuiti per il collegamento in serie a un filamento di resistori, semiconduttori o termistori (termistori).

Un esempio di un modo per limitare la corrente di spunto per gli apparecchi di illuminazione per autoveicoli è mostrato nella foto qui sotto.

Qui la corrente viene fornita alla lampadina dopo l'accensione dell'interruttore SA attraverso il fusibile FU ed è limitata dal resistore R, il cui valore nominale è scelto in modo tale che la corrente di spunto durante i transitori non superi il valore nominale.

Quando il filamento viene riscaldato, la sua resistenza aumenta, il che porta ad un aumento della differenza di potenziale tra i suoi contatti e la bobina collegata in parallelo del relè KL1.Quando la tensione raggiunge il valore di impostazione del relè, il contatto normalmente aperto di KL1 si chiuderà e bypasserà il resistore. La corrente operativa della modalità già stabilita inizierà a fluire attraverso la lampadina.

Termometro a resistenza

L'effetto della temperatura del metallo sulla sua resistenza elettrica viene utilizzato nel funzionamento degli strumenti di misura. Sono chiamati termometri a resistenza.

Il loro elemento sensibile è costituito da un sottile filo metallico la cui resistenza viene accuratamente misurata a determinate temperature. Questa filettatura è montata in un alloggiamento con proprietà termiche stabili e coperta da una copertura protettiva. La struttura creata viene posta in un ambiente la cui temperatura deve essere costantemente monitorata.

I conduttori del circuito elettrico sono montati sui terminali dell'elemento sensibile, che collegano il circuito di misura della resistenza. Il suo valore viene convertito in valori di temperatura basati sulla calibrazione precedentemente eseguita del dispositivo.

Barretter - stabilizzatore di corrente

Questo è il nome di un dispositivo costituito da un cilindro di vetro sigillato con gas idrogeno e una spirale di filo metallico di ferro, tungsteno o platino. Questo design assomiglia a una lampadina a incandescenza in apparenza, ma ha una specifica caratteristica di corrente-tensione non lineare.

Sulla caratteristica I - V, in un certo intervallo di essa, si forma una zona di lavoro che non dipende dalle fluttuazioni della tensione applicata all'elemento riscaldante. In quest'area, il baret compensa bene l'ondulazione dell'alimentazione e funziona come stabilizzatore di corrente per un carico collegato in serie con esso.

Il funzionamento della molletta si basa sulle proprietà dell'inerzia termica del corpo del filamento, fornita dalla piccola sezione trasversale del filamento e dall'elevata conducibilità termica dell'idrogeno che lo circonda. Pertanto, quando la tensione del dispositivo diminuisce, la rimozione del calore dal suo filamento accelera.

Questa è la principale differenza tra lampade ad incandescenza e lampade ad incandescenza, dove per mantenere la luminosità del bagliore cercano di ridurre la perdita di calore convettivo dal filamento.

Superconduttività

In condizioni ambientali normali, quando un conduttore metallico si raffredda, la sua resistenza elettrica diminuisce.

Quando viene raggiunta la temperatura critica, vicina a zero gradi secondo il sistema di misurazione Kelvin, si verifica un brusco calo della resistenza fino a zero. L'immagine a destra mostra una tale dipendenza per il mercurio.

Questo fenomeno, chiamato superconduttività, è considerato una promettente area di ricerca al fine di creare materiali in grado di ridurre significativamente la perdita di elettricità durante la sua trasmissione su lunghe distanze.

Tuttavia, i continui studi sulla superconduttività rivelano una serie di modelli in cui altri fattori influenzano la resistenza elettrica di un metallo nella regione della temperatura critica. In particolare, quando la corrente alternata passa con un aumento della frequenza delle sue oscillazioni, si verifica una resistenza il cui valore raggiunge l'intervallo dei valori normali per le armoniche con un periodo di onde luminose.

Effetto della temperatura sulla resistenza elettrica/conducibilità dei gas

I gas e l'aria normale sono dielettrici e non conducono elettricità.La sua formazione richiede portatori di carica, che sono ioni formati come risultato di fattori esterni.

Il riscaldamento può causare ionizzazione e movimento di ioni da un polo all'altro del mezzo. Puoi verificarlo con l'esempio di un semplice esperimento. Prendiamo la stessa apparecchiatura utilizzata per determinare l'effetto del riscaldamento sulla resistenza di un conduttore metallico, ma invece di un conduttore, colleghiamo ai conduttori due piastre metalliche separate da uno spazio d'aria.

Un amperometro collegato al circuito non mostrerà corrente. Se la fiamma del bruciatore è posta tra le piastre, la freccia del dispositivo devierà dallo zero e mostrerà il valore della corrente che attraversa il mezzo gassoso.

Pertanto, è stato riscontrato che la ionizzazione si verifica nei gas quando riscaldati, il che porta al movimento di particelle caricate elettricamente e ad una diminuzione della resistenza del mezzo.

Il valore della corrente è influenzato dalla potenza della sorgente di tensione applicata esterna e dalla differenza di potenziale tra i suoi contatti. È in grado di sfondare lo strato isolante di gas a valori elevati. Una manifestazione tipica di un caso del genere in natura è la scarica naturale dei fulmini durante un temporale.

Una vista approssimativa della caratteristica corrente-tensione del flusso di corrente nei gas è mostrata nel grafico.

Nella fase iniziale, sotto l'influenza della temperatura e della differenza di potenziale, si osserva approssimativamente linearmente un aumento della ionizzazione e del passaggio di corrente. La curva assume quindi una direzione orizzontale quando un aumento di tensione non comporta un aumento di corrente.

Il terzo stadio di distruzione si verifica quando l'elevata energia del campo applicato accelera gli ioni in modo che inizino a scontrarsi con molecole neutre, formando in modo massiccio nuovi portatori di carica da esse. Di conseguenza, la corrente aumenta bruscamente, formando una rottura dello strato dielettrico.

Uso pratico della conducibilità dei gas

Il fenomeno del flusso di corrente attraverso i gas viene utilizzato nelle lampade a radioelettroni e nelle lampade fluorescenti.

A tale scopo, due elettrodi vengono posti in un cilindro di vetro sigillato con un gas inerte:

1. anodo;

2. catodo.

In una lampada fluorescente, sono realizzati sotto forma di filamenti che si riscaldano quando vengono accesi per creare radiazioni termoioniche. La superficie interna del pallone è rivestita con uno strato di fosforo. Emette lo spettro visibile della luce formato dalla radiazione infrarossa emessa dal vapore di mercurio bombardato da un flusso di elettroni.

La corrente di scarica si verifica quando viene applicata una tensione di un certo valore tra gli elettrodi posti alle diverse estremità del bulbo.

Quando uno dei filamenti si brucia, l'emissione di elettroni di questo elettrodo verrà disturbata e la lampada non si brucerà. Tuttavia, se aumenti la differenza di potenziale tra il catodo e l'anodo, all'interno del bulbo apparirà nuovamente una scarica di gas e riprenderà la luminescenza del fosforo.

Ciò consente di utilizzare lampadine a LED con filamenti danneggiati e di prolungarne la durata. Va solo tenuto presente che allo stesso tempo è necessario aumentare più volte la tensione su di esso, e ciò aumenta notevolmente il consumo di energia ei rischi di un utilizzo sicuro.

Effetto della temperatura sulla resistenza elettrica dei liquidi

Il passaggio di corrente nei liquidi si crea principalmente a causa del movimento di cationi e anioni sotto l'azione di un campo elettrico esterno. Solo una piccola frazione della conduttività è fornita dagli elettroni.

L'effetto della temperatura sulla resistenza elettrica di un elettrolita liquido è descritto dalla formula mostrata in figura. Poiché il valore del coefficiente di temperatura α in esso è sempre negativo, all'aumentare del riscaldamento, la conduttività aumenta e la resistenza diminuisce, come mostrato nel grafico.

Questo fenomeno dovrebbe essere preso in considerazione quando si caricano batterie liquide per auto (e non solo).

Effetto della temperatura sulla resistenza elettrica dei semiconduttori

La modifica delle proprietà dei materiali semiconduttori sotto l'influenza della temperatura ha permesso di utilizzarli come:

• resistenza termica;

• termocoppie;

• frigoriferi;

• riscaldatori.

Termistori

Questo nome indica dispositivi a semiconduttore che cambiano la loro resistenza elettrica sotto l'influenza del calore. Il loro coefficiente di resistenza alla temperatura (TCR) significativamente superiore a quello dei metalli.

Il valore TCR per i semiconduttori può essere positivo o negativo. In base a questo parametro, sono divisi in termistori positivi «RTS» e negativi «NTC». Hanno caratteristiche diverse.

Per il funzionamento del termistore, viene selezionato uno dei punti della sua caratteristica corrente-tensione:

• la sezione lineare viene utilizzata per controllare la temperatura o compensare le variazioni di correnti o tensioni;

• il ramo discendente della caratteristica I - V degli elementi con TCS <0 consente l'uso di un semiconduttore come relè.

L'uso di un termistore a relè è conveniente per monitorare o misurare i processi di radiazione elettromagnetica che si verificano a frequenze ultraelevate. Ciò garantisce il loro utilizzo nei sistemi:

1. controllo del calore;

2. allarme antincendio;

3. regolazione della portata di fluidi sfusi e liquidi.

I termistori al silicio con un piccolo TCR > 0 sono utilizzati nei sistemi di raffreddamento e nella stabilizzazione della temperatura dei transistor.

Termocoppie

Questi semiconduttori funzionano sulla base del fenomeno Seebeck: quando il giunto di saldatura di due metalli dispersi viene riscaldato, si verifica un EMF alla giunzione di un circuito chiuso. In questo modo convertono l'energia termica in energia elettrica.

Una costruzione di due di questi elementi è chiamata termocoppia. La sua efficienza è compresa tra 7 ÷ 10%.

Le termocoppie sono utilizzate nei termometri per dispositivi informatici digitali che richiedono dimensioni miniaturizzate e un'elevata precisione di lettura, nonché sorgenti di corrente a bassa potenza.

Riscaldatori e frigoriferi a semiconduttore

Funzionano riutilizzando termocoppie attraverso le quali passa una corrente elettrica. In questo caso, in un punto della giunzione viene riscaldato e in quello opposto viene raffreddato.

Le connessioni a semiconduttore a base di selenio, bismuto, antimonio, tellurio consentono di garantire una differenza di temperatura nella termocoppia fino a 60 gradi. Ciò ha permesso di creare un design di un frigorifero da semiconduttori con una temperatura nella camera di raffreddamento fino a -16 gradi.