Cтраница 1
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления в собственных материалах используется в термисторах для превращения изменения температуры в электрический сигнал. Применяемые при этом материалы чаще всего являются спрессованными порошками окислов никеля, меди, марганца и цинка. Также возможно применение германия или других полупроводников в качестве низкотемпературного термометра.
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления таких полупроводников наблюдается в областях температур, когда не все примеси ионизированы или имеет место собственная электропроводность. И в том, и в другом случае зависимость удельного сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как относительно слабым изменением их подвижности в данном случае можно пренебречь.
Отрицательный температурный коэффициент сопротивления керметных пленок (- 200 - 10 - б град 1) свидетельствует о том, что в них металлический механизм электропроводности не является преобладающим. Электросопротивление керметной пленки зависит от рецептурного состава и рассеяния при испарении, однако легко поддается подгонке при варьировании температурой и временем выдержки при заключительном отжиге. В результате отжига изменяется не только сопротивление, но и его температурный коэффициент.
Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10 - 20 раз больше, чем у металлов. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например для изготовления терморезисторов, сопротивление которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.
Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10 - 20 раз больше, чем у металлов. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например для изготовления терморезисторов, величина сопротивления ко - торых резко меняется при незначительных изменениях температуры.
Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютному значению в 10 - 20 раз больше, чем у металлов. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например для изготовления терморезисторов, сопротивление которых резко меняется при незначительных изменениях температуры.
Терморезисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, который по абсолютной величине в 10 - 20 раз больше, чем у металлов. Это свойство полупроводников используется в технике для различных целей, например, для изготовления термосопротивлений (терморезисторов), величина которых резко - меняется при незначительных изменениях температуры.
Варисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. При комнатной температуре значение этого коэффициента колеблется от - 0 3 до - 0 5 % X град-1. С уменьшением температуры оно увеличивается, с повышением температуры - уменьшается. Коэффициент нелинейности р с температурой изменяется мало.
Терморезистор имеет большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому включение его в цепь из металлических резисторов, имеющую положительный температурный коэффициент (см. рис. 8.8), может сделать характеристики цепи почти не зависящими от температуры. Таким образом, с помощью терморезисторов легко обеспечить температурную компенсацию ряда элементов электрической цепи, тепловой контроль различных механизмов, пожарную сигнализацию.
Терморезистор имеет большой отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому включение его в цепь из металлизированных резисторов, имеющих положительный температурный коэффициент (см. рис. 8.8), может сделать характеристики цепи почти не зависящими от температуры. Таким образом, с помощью терморезисторов легко обеспечить температурную компенсацию ряда элементов электрической цепи, тепловой контроль различных механизмов, пожарную сигнализацию.
Про эффект сверхпроводимости знают, наверно, все. Во всяком случае, слышали о нем. Суть этого эффекта в том, что при минус 273 °С сопротивление проводника протекающему току пропадает. Уже одного этого примера достаточно для того, чтобы понять, что существует его зависимость от температуры. А описывает специальный параметр - температурный коэффициент сопротивления.
Любой проводник препятствует протекающему через него току. Это противодействие для каждого токопроводящего материла разное, определяется оно многими факторами, присущими конкретному материалу, но речь дальше будет не об этом. Интерес в данный момент представляет его зависимость от температуры и характер этой зависимости.
Проводниками электрического тока обычно выступают металлы, у них при повышении температуры сопротивление растет, при понижении оно уменьшается. Величина такого изменения, приходящаяся на 1 °С, и называется температурный коэффициент сопротивления, или сокращённо ТКС.
Значение ТКС может быть положительным и отрицательным. Если он положительный, то при увеличении температуры растёт, если отрицательный, то уменьшается. Для большинства металлов, применяющихся как проводники электрического тока, ТКС положительный. Одним из лучших проводников является медь, температурный коэффициент сопротивления меди не то чтобы лучший, но по сравнению с другими проводниками, он меньше. Надо просто помнить, что значение ТКС определяет, каким при изменении параметров окружающей среды будет значение сопротивления. Его изменение будет тем значительнее, чем этот коэффициент больше.
Такая температурная зависимость сопротивления должна быть учтена при проектировании радиоэлектронной аппаратуры. Дело в том, что аппаратура должна работать при любых условиях окружающей среды, те же автомобили эксплуатируются от минус 40 °С до плюс 80 °С. А электроники в автомобиле много, и если не учесть влияние окружающей среды на работу элементов схемы, то можно столкнуться с ситуацией, когда электронный блок отлично работает при нормальных условиях, но отказывается работать при воздействии пониженной или повышенной температуры.
Вот эту зависимость от условий внешней среды и учитывают разработчики аппаратуры при ее проектировании, используя для этого при расчётах параметров схемы температурный коэффициент сопротивления. Существуют таблицы с данными ТКС для применяемых материалов и формулы расчетов, по которым, зная ТКС, можно определить значение сопротивления в любых условиях и учесть в режимах работы схемы возможное его изменение. Но для понимания того, ТКС, сейчас ни формулы, ни таблицы не нужны.
Надо отметить, что существуют металлы с очень маленьким значением ТКС, и именно они используются при изготовлении резисторов, параметры которых от изменений окружающей среды зависят слабо.
Температурный коэффициент сопротивления можно использовать не только для учета влияния колебаний параметров окружающей среды, но и для Для чего достаточно Зная материал, который подвергался воздействию, по таблицам можно определить, какой температуре соответствует измеренное сопротивление. В качестве такого измерителя может использоваться обычный медный провод, правда, придётся его использовать много и намотать в виде, например, катушки.
Всё вышеописанное не охватывает полностью всех вопросов использования температурного коэффициента сопротивления. Есть очень интересные возможности применения, связанные с этим коэффициентом в полупроводниках, в электролитах, но и того, что изложено, достаточно для понимания понятия ТКС.
Температурный коэффициент сопротивления (α) - относительное изменение сопротивления участка электрической цепи или удельного электрического сопротивления материала при изменении температуры на 1 , выражено в К -1. В электронике используются, в частности, резисторы из специальных металлических сплавов с низким значением α, как манганинових или константановых сплавов и полупроводниковых компонентов с большими положительными или отрицательными значениями α (термисторы). Физический смысл температурного коэффициет сопротивления выражен уравнением:
где dR - изменение электрического сопротивления R при изменении температуры на dT.
Проводники
Температурная зависимость сопротивления для большинства металлов близка к линейной для широкого диапазона температур и описывается формулой:
R T R 0 - электрическое сопротивление при начальной температуре T 0 [Ом]; α - температурный коэффициент сопротивления ; ΔT - изменение температуры, составляет TT 0 [K].При низких температурах температурная зависимость сопротивления проводников определяется правилу Матиесена .
Полупроводники
Зависимость сопротивления термистора NTC от температуры
Для полупроводниковых устройств, таких как термисторы , температурная зависимость сопротивления в основном определяется зависимостью концентрации носителей заряда от температуры. Это экспоненциальная зависимость:
R T
- электрическое сопротивление при температуре T [Ом]; R ∞
- электрическое сопротивление при температуре T = ∞ [Ом]; W g
- ширина запрещенной зоны - диапазона значений энергии, которых не иметь электрон в идеальном (бездефектной) кристалле [эВ]; k
- постоянная Больцмана [эВ / K]. Логарифмируя левую и правую части уравнения, получаем:
, Где является константой материала. Темературного коэффициент сопротивления термистора определяется уравнением:
Из зависимости R T от T имеем:
Источники
- Теоретические основы электротехники: Учебник: В 3 т. / В. С. Бойко, В. В. Бойко, Ю. Ф. Выдолоб и др..; Под общ. ред. И. М. Чиженко, В. С. Бойко. - М.: ШЦ "Издательство" Политехника "", 2004. - Т. 1: устойчивые режимы линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами. - 272 с: ил. ISBN 966-622-042-3
- Шегедин А.И. Маляр В.С. Теоретические основы электротехники. Часть 1: Учебное пособие для студентов дистанционной формы обучения электротехнических и электромеханических специальностей высших учебных заведений. - М.: Магнолия плюс, 2004. - 168 с.
- И.М.Кучерук, И.Т.Горбачук, П.П.Луцик (2006). Общий курс физики: Учебное пособие в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Киев: Техника.
На результаты измерений удельного сопротивления сильно влияют усадочные раковины, газовые пузыри, включения и другие дефекты. Более того, рис. 155 показывает, что малые количества примеси, входящей в твердый раствор, также оказывают большое влияние на измеренную проводимость. Поэтому для измерений электросопротивления изготовить удовлетворительные образцы значительно труднее, чем для
дилатометричеокого исследования. Это привело к другому методу построения диаграмм состояния, в котором измеряется температурный коэффициент сопротивления .
Температурный коэффициент сопротивления
Электросопротивление при температуре
Маттиссен установил, что увеличение сопротивления металла вследствие присутствия малого количества второго компонента в твердом растворе не зависит от температуры; отсюда следует, что для такого твердого раствора значение не зависит от концентрации. Это значит, что температурный коэффициент сопротивления пропорционален т. е. проводимости, и график коэффициента а в зависимости от состава подобен графику проводимости твердого раствора. Известно много исключений из этого правила, особенно для переходных металлов, но для большинства случаев оно приблизительно верно.
Температурный коэффициент сопротивления промежуточных фаз - обычно величина того же порядка, что и для чистых металлов, даже в тех случаях, когда само соединение имеет высокое сопротивление. Есть, однако, промежуточные фазы, температурный коэффициент которых в некотором интервале температур равен нулю или отрицателен.
Правило Маттиссена применимо, строго говоря, только к твердым растворам, но известно много случаев когда оно, повидимому, верно также для двухфазных сплавов. Если нанести температурный коэффициент сопротивления в зависимости от состава, кривая обычно имеет ту же форму, что и кривая проводимости, так что фазовое превращение можно обнаружить тем же путем. Этот метод удобно применять, когда из-за хрупкости или по другим причинам нельзя изготовить образцы, пригодные для измерений проводимости.
На практике средней температурный коэффициент между двумя температурами определяется измерением электросопротивления сплава при этих температурах. Если в рассматриваемом интервале температур не происходит фазового превращения, то коэффициент определяемый по формуле:
будет иметь такое же значение, как если интервал невелик. Для закаленных сплавов в качестве температур и
Удобно взять соответственно 0° и 100° и измерения дадут области фаз при температуре закалки. Однако, если измерения проводят при высоких температурах, интервал должен быть намного меньше, чем 100°, если граница фаз может находиться где-то между температурами
Рис. 158. (см. скан) Электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления в системе серебро-магиий (Тамман)
Большое преимущество этого метода заключается в том, что коэффициент а зависит от относительного сопротивления образца при двух температурах, и таким образом на него не влияют раковины и другие металлургические дефекты образца. Кривые проводимости и температурного коэффициента
сопротивления в некоторых системах сплавов повторяют одна другую. Рис. 158 взят из ранней работы Таммана (кривые относятся к сплавам серебра с магнием); более поздняя работа показала, что область -твердого раствора уменьшается с понижением температуры и в районе фазы существует сверхструктура. Некоторые другие границы фаз в последнее время также претерпели изменения, так что диаграмма, представленная на рис. 158, имеет лишь исторический интерес и не может быть использована для точных измерений.
|
Металл |
Удельное сопротивление ρ при 20 ºС, Ом*мм²/м |
Температурный коэффициент сопротивления α, ºС -1 |
|
Алюминий | ||
|
Железо (сталь) | ||
|
Константан | ||
|
Манганин | ||
Температурный коэффициент сопротивления α показывает на сколько увеличивается сопротивление проводника в 1 Ом при увеличении температуры (нагревании проводника) на 1 ºС.
Сопротивление проводника при температуре t рассчитывается по формуле:
r t = r 20 + α* r 20 *(t - 20 ºС)
r t = r 20 *,
где r 20 – сопротивление проводника при температуре 20 ºС, r t – сопротивление проводника при температуре t.
Плотность тока
Через медный проводник с площадью поперечного сечения S = 4 мм² протекает ток I = 10 А. Какова плотность тока?
Плотность тока J = I/S = 10 А/4 мм² = 2.5 А/мм².
[По площади поперечного сечения 1 мм² протекает ток I = 2.5 А; по всему поперечному сечению S протекает ток I = 10 А].
По шине распределительного устройства прямоугольного поперечного сечения (20х80) мм² проходит ток I = 1000 А. Какова плотность тока в шине?
Площадь поперечного сечения шины S = 20х80 = 1600 мм². Плотность тока
J = I/S = 1000 A/1600 мм² = 0.625 А/мм².
У катушки провод имеет круглое сечение диаметром 0.8 мм и допускает плотность тока 2.5 А/мм². Какой допустимый ток можно пропустить по проводу (нагрев не должен превысить допустимый)?
Площадь поперечного сечения провода S = π * d²/4 = 3/14*0.8²/4 ≈ 0.5 мм².
Допустимый ток I = J*S = 2.5 А/мм² * 0.5 мм² = 1.25 А.
Допустимая плотность тока для обмотки трансформатора J = 2.5 А/мм². Через обмотку проходит ток I = 4 А. Каким должно быть поперечное сечение (диаметр) круглого сечения проводника, чтобы обмотка не перегревалась?
Площадь поперечного сечения S = I/J = (4 А) / (2.5 А/мм²) = 1.6 мм²
Этому сечению соответствует диаметр провода 1.42 мм.
По изолированному медному проводу сечением 4 мм² проходит максимально допустимый ток 38 А (см. таблицу). Какова допустимая плотность тока? Чему равны допустимые плотности тока для медных проводов сечением 1, 10 и 16 мм²?
1). Допустимая плотность тока
J = I/S = 38 А / 4мм² = 9.5 А/мм².
2). Для сечения 1 мм² допустимая плотность тока (см. табл.)
J = I/S = 16 А / 1 мм² = 16 А/мм².
3). Для сечения 10 мм² допустимая плотность тока
J = 70 A / 10 мм² = 7.0 А/мм²
4). Для сечения 16 мм² допустимая плотность тока
J = I/S = 85 А / 16 мм² = 5.3 А/мм².
Допустимая плотность тока с увеличением сечения падает. Табл. действительна для электрических проводов с изоляцией класса В.
Задачи для самостоятельного решения
Через обмотку трансформатора должен протекать ток I = 4 А. Какое должно быть сечение обмоточного провода при допустимой плотности тока J = 2.5 А/мм²? (S = 1.6 мм²)
По проводу диаметром 0.3 мм проходит ток 100 мА. Какова плотность тока? (J = 1.415 А/мм²)
По обмотке электромагнита из изолированного провода диаметром
d = 2.26 мм (без учёта изоляции) проходит ток 10 А. Какова плотность
тока? (J = 2.5 А/мм²).
4. Обмотка трансформатора допускает плотность тока 2.5 А/мм². Ток в обмотке равен 15 А. Какое наименьшее сечение и диаметр может иметь круглый провод (без учёта изоляции)? (в мм²; 2.76 мм).