Sıcaklık direnci katsayısı

Bir iletkenin elektriksel direnci genellikle iletkenin malzemesine, uzunluğuna ve kesitine veya daha kısaca iletkenin direncine ve geometrik boyutlarına bağlıdır. Bu bağımlılık iyi bilinir ve aşağıdaki formülle ifade edilir:

Herkes tarafından bilinen ve Bir elektrik devresinin homojen bir bölümü için Ohm yasasıDirenç ne kadar yüksekse, akımın o kadar düşük olduğu görülebilmektedir. Bu nedenle, telin direnci sabitse, uygulanan voltaj arttıkça akım doğrusal olarak artmalıdır. Ama gerçekte durum böyle değil. Tellerin direnci sabit değildir.

Örnekler için uzağa gitmenize gerek yok. Ayarlanabilir bir güç kaynağına (voltmetre ve ampermetre ile) bir ampul bağlarsanız ve üzerindeki voltajı kademeli olarak artırarak nominal değere getirirseniz, akımın doğrusal olarak büyümediğini kolayca göreceksiniz: voltaj Lambanın nominal değeri, bobininden geçen akım giderek daha yavaş büyür ve ışık giderek daha parlak hale gelir.

Bobine uygulanan voltajın iki katına çıkarılması akımın iki katına çıkması gibi bir durum söz konusu değildir. Ohm yasası geçerli görünmüyor. Aslında, Ohm yasası yerine getirilir ve tam olarak lambanın filamanının direnci sabit değildir, sıcaklığa bağlıdır.

Metallerin yüksek elektrik iletkenliğinin sebebinin ne olduğunu hatırlayalım. Çok sayıda yük taşıyıcının - mevcut bileşenlerin - metallerdeki varlığı ile ilişkilidir. iletim elektronları... Bunlar, tüm iletken için ortak olan metal atomlarının değerlik elektronlarından oluşan elektronlardır, her bir atoma ait değildirler.

İletkene uygulanan bir elektrik alanının etkisi altında, serbest iletim elektronları kaotikten az ya da çok düzenli harekete geçer - bir elektrik akımı oluşur. Ancak elektronlar yollarında engellerle karşılaşırlar, iyon örgüsünün homojensizlikleri, örneğin örgü kusurları, termal titreşimlerinin neden olduğu homojen olmayan bir yapı.

Elektronlar iyonlarla etkileşime girer, momentum kaybeder, enerjileri kafes iyonlarına aktarılır, kafes iyon titreşimlerine dönüştürülür ve elektronların kendilerinin termal hareketinin kaosu artar, bu da iletken içinden akım geçtiğinde ısınır.

Dielektriklerde, yarı iletkenlerde, elektrolitlerde, gazlarda, polar olmayan sıvılarda - direncin nedeni farklı olabilir, ancak Ohm yasası açıkça sürekli doğrusal kalmaz.

Bu nedenle, metaller için sıcaklıktaki bir artış, kristal kafesin termal titreşimlerinde daha da büyük bir artışa yol açar ve iletken elektronların hareketine karşı direnç artar.Bu, lamba ile yapılan deneyden görülebilir: ışımanın parlaklığı artar, ancak akım daha az artar. Bu, sıcaklıktaki değişikliğin lamba filamanının direncini etkilediği anlamına gelir.

Sonuç olarak, direncin ortaya çıktığı açıktır. metal teller neredeyse lineer olarak sıcaklığa bağlıdır. Ve ısıtıldığında telin geometrik boyutlarının biraz değiştiğini hesaba katarsak, o zaman elektrik direnci de neredeyse doğrusal olarak sıcaklığa bağlıdır. Bu bağımlılıklar aşağıdaki formüllerle ifade edilebilir:

Oranlara dikkat edelim. 0 ° C'de iletkenin direncinin R0 olduğunu, ardından t ° C sıcaklıkta R (t) değerini alacağını ve dirençteki bağıl değişimin α * t ° C'ye eşit olacağını varsayalım. Bu orantı faktörü α denir sıcaklık direnci katsayısı... Maddenin elektrik direncinin mevcut sıcaklığına bağımlılığını karakterize eder.

Bu katsayı, bir iletkenin sıcaklığı 1 K değiştiğinde (sıcaklıktaki bir santigrat derece değişime eşdeğer bir derece Kelvin) bir iletkenin elektrik direncindeki nispi değişikliğe sayısal olarak eşittir.

Metaller için, TCR (sıcaklık direnci katsayısı α), nispeten küçük olmasına rağmen, her zaman sıfırdan büyüktür, çünkü akım geçtiğinde, elektronlar kristal kafesin iyonlarıyla daha sık çarpışır, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, t . termal kaotik hareketleri ve hızları ne kadar yüksek olursa.Kafes iyonlarıyla kaotik hareketle çarpışan metalin elektronları enerji kaybeder ve bunun sonucunda tel ısındıkça direncin arttığını görürüz. Bu fenomen teknik olarak dirençli termometreler.

Bu nedenle, sıcaklık direnci katsayısı α, maddenin elektrik direncinin sıcaklığa bağımlılığını karakterize eder ve 1 / K - kelvin cinsinden -1 gücüne ölçülür. Ters işaretli değere sıcaklık iletkenlik katsayısı denir.

Saf yarı iletkenlere gelince, TCS onlar için negatiftir, yani sıcaklık arttıkça direnç azalır, bunun nedeni sıcaklık arttıkça iletken bölgeye giderek daha fazla elektron geçerken deliklerin konsantrasyonu da artar. . Aynı mekanizma, sıvı polar olmayan ve katı dielektriklerin karakteristiğidir.

Polar sıvılar, viskozitedeki azalma ve ayrışmadaki artış nedeniyle artan sıcaklıkla dirençlerini keskin bir şekilde azaltır. Bu özellik, elektron tüplerini yüksek ani akımların yıkıcı etkilerinden korumak için kullanılır.

Alaşımlar, katkılı yarı iletkenler, gazlar ve elektrolitler için direncin termal bağımlılığı saf metallere göre daha karmaşıktır. Manganin ve konstantan gibi çok düşük TCS'ye sahip alaşımlar, elektrik ölçüm aletleri.