Wie der Widerstand von der Temperatur abhängt

Jeder Elektriker trifft in seiner Praxis auf unterschiedliche Bedingungen für den Durchgang von Ladungsträgern in Metallen, Halbleitern, Gasen und Flüssigkeiten. Die Stärke des Stroms wird durch den elektrischen Widerstand beeinflusst, der sich unter dem Einfluss der Umgebung auf verschiedene Weise ändert.

Einer dieser Faktoren ist die Temperaturbelastung. Da es die Bedingungen des Stromflusses erheblich verändert, wird es von Konstrukteuren bei der Herstellung elektrischer Geräte berücksichtigt. Elektrofachkräfte, die mit der Wartung und dem Betrieb elektrischer Anlagen befasst sind, müssen diese Funktionen in der Praxis kompetent anwenden.

Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand von Metallen

Im Schulphysikkurs wird vorgeschlagen, ein solches Experiment durchzuführen: Nehmen Sie ein Amperemeter, eine Batterie, ein Stück Draht, Verbindungsdrähte und eine Taschenlampe. Anstelle eines Amperemeters mit Batterie können Sie ein Ohmmeter anschließen oder dessen Modus in einem Multimeter verwenden.

Als nächstes müssen Sie den im Bild gezeigten Stromkreis zusammenbauen und den Strom im Stromkreis messen.Sein Wert wird auf der Milliamperemeter-Skala durch einen schwarzen Pfeil angezeigt.

Nun bringen wir die Flamme des Brenners an den Draht und beginnen ihn zu erhitzen. Wenn Sie auf das Amperemeter schauen, sehen Sie, dass sich die Nadel nach links bewegt und die rot markierte Position erreicht.

Das Ergebnis des Experiments zeigt, dass beim Erhitzen von Metallen ihre Leitfähigkeit abnimmt und ihr Widerstand zunimmt.

Die mathematische Begründung dieses Phänomens finden Sie in den Formeln rechts im Bild. Im unteren Ausdruck ist deutlich zu erkennen, dass der elektrische Widerstand „R“ des Metallleiters direkt proportional zu seiner Temperatur „T“ ist und von mehreren anderen Parametern abhängt.

Wie das Erhitzen von Metallen den elektrischen Strom in der Praxis begrenzt

Glühlampen

Jeden Tag, wenn das Licht eingeschaltet wird, erleben wir die Manifestation dieser Eigenschaft in Glühlampen. Führen wir einfache Messungen an einer 60-Watt-Glühbirne durch.

Mit dem einfachsten Ohmmeter, gespeist von einer 4,5-V-Niederspannungsbatterie, messen wir den Widerstand zwischen den Kontakten des Sockels und sehen den Wert von 59 Ohm. Dieser Wert gehört einem kalten Thread.

Wir schrauben die Glühbirne in die Fassung und verbinden sie über das Amperemeter mit der Spannung des Heimnetzes von 220 Volt. Die Nadel des Amperemeters zeigt 0,273 Ampere an. Aus Ohmsches Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises Bestimmen Sie den Widerstand des Fadens im erhitzten Zustand. Er beträgt 896 Ohm und übersteigt den vorherigen Ohmmeter-Wert um das 15,2-fache.

Dieser Überschuss schützt das Metall des Leuchtkörpers vor Verbrennung und Zerstörung und gewährleistet so seinen langfristigen Betrieb unter Spannung.

Einschalttransienten

Bei der Arbeit des Fadens entsteht an ihm ein thermisches Gleichgewicht zwischen der Erwärmung durch den fließenden elektrischen Strom und der Abfuhr eines Teils der Wärme an die Umgebung. Doch in der Anfangsphase des Einschaltens, wenn Spannung angelegt wird, treten Transienten auf, die einen Einschaltstrom erzeugen, der zum Durchbrennen des Glühfadens führen kann.

Transiente Prozesse treten für kurze Zeit auf und werden dadurch verursacht, dass der Anstieg des elektrischen Widerstands beim Erhitzen des Metalls nicht mit dem Anstieg des Stroms Schritt hält. Nach deren Abschluss wird die Funktionsweise festgelegt.

Wenn die Lampe längere Zeit leuchtet, erreicht die Dicke ihres Glühfadens allmählich einen kritischen Zustand, der zum Durchbrennen führt. Meistens tritt dieser Moment beim nächsten erneuten Einschalten auf.

Um die Lebensdauer der Lampe zu verlängern, wird dieser Einschaltstrom auf verschiedene Weise reduziert:

1. Geräte, die eine reibungslose Spannungsversorgung und -entlastung ermöglichen;

2. Schaltungen zur Reihenschaltung zu einem Heizfaden aus Widerständen, Halbleitern oder Thermistoren (Thermistoren).

Ein Beispiel für eine Möglichkeit zur Begrenzung des Einschaltstroms für Kfz-Beleuchtungskörper ist auf dem Foto unten dargestellt.

Hier wird der Strom nach dem Einschalten des Schalters SA über die FU-Sicherung der Glühlampe zugeführt und durch den Widerstand R begrenzt, dessen Nennwert so gewählt ist, dass der Einschaltstrom bei Transienten den Nennwert nicht überschreitet.

Wenn der Glühfaden erhitzt wird, erhöht sich sein Widerstand, was zu einer Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen seinen Kontakten und der parallel geschalteten Spule des KL1-Relais führt.Wenn die Spannung den Relais-Einstellwert erreicht, schließt der Schließerkontakt von KL1 und überbrückt den Widerstand. Der Betriebsstrom des bereits eingerichteten Modus beginnt durch die Glühbirne zu fließen.

Widerstandsthermometer

Der Einfluss der Temperatur des Metalls auf seinen elektrischen Widerstand wird beim Betrieb von Messgeräten genutzt. Sie heißen Widerstandsthermometer.

Ihr empfindliches Element besteht aus einem dünnen Metalldraht, dessen Widerstand bei bestimmten Temperaturen sorgfältig gemessen wird. Dieser Faden ist in einem thermisch stabilen Gehäuse montiert und mit einer Schutzhülle abgedeckt. Die erstellte Struktur wird in eine Umgebung gebracht, deren Temperatur ständig überwacht werden muss.

Die Leiter des Stromkreises werden an den Anschlüssen des empfindlichen Elements montiert, die den Widerstandsmesskreis verbinden. Sein Wert wird basierend auf der zuvor durchgeführten Kalibrierung des Geräts in Temperaturwerte umgerechnet.

Barretter – Stromstabilisator

Dies ist der Name eines Geräts, das aus einem glasversiegelten Zylinder mit Wasserstoffgas und einer Spirale aus Metalldraht aus Eisen, Wolfram oder Platin besteht. Dieses Design ähnelt im Aussehen einer Glühbirne, weist jedoch eine spezifische nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie auf.

Auf der I-V-Kennlinie wird in einem bestimmten Bereich eine Arbeitszone gebildet, die nicht von den Schwankungen der an das Heizelement angelegten Spannung abhängt. In diesem Bereich gleicht das Baret die Welligkeit der Stromversorgung gut aus und fungiert als Stromstabilisator für eine in Reihe geschaltete Last.

Die Funktionsweise der Barrette basiert auf den Eigenschaften der thermischen Trägheit des Filamentkörpers, die durch den kleinen Querschnitt des Filaments und die hohe Wärmeleitfähigkeit des ihn umgebenden Wasserstoffs gewährleistet wird. Wenn daher die Spannung des Geräts abnimmt, beschleunigt sich die Wärmeabfuhr aus seinem Glühfaden.

Dies ist der Hauptunterschied zwischen Glühlampen und Glühlampen, bei denen zur Aufrechterhaltung der Helligkeit des Glühens versucht wird, den konvektiven Wärmeverlust des Glühfadens zu verringern.

Supraleitung

Unter normalen Umgebungsbedingungen verringert sich beim Abkühlen eines Metallleiters sein elektrischer Widerstand.

Bei Erreichen der kritischen Temperatur, die nach dem Kelvin-Messsystem nahe Null Grad liegt, sinkt der Widerstand stark auf Null. Das rechte Bild zeigt eine solche Abhängigkeit für Quecksilber.

Dieses als Supraleitung bezeichnete Phänomen gilt als vielversprechendes Forschungsgebiet, um Materialien zu schaffen, die den Stromverlust bei der Übertragung über große Entfernungen deutlich reduzieren können.

Fortlaufende Studien zur Supraleitung zeigen jedoch eine Reihe von Mustern, bei denen andere Faktoren den elektrischen Widerstand eines Metalls im kritischen Temperaturbereich beeinflussen. Insbesondere wenn Wechselstrom mit zunehmender Schwingungsfrequenz fließt, entsteht ein Widerstand, dessen Wert den Bereich normaler Werte für Harmonische mit einer Periode von Lichtwellen erreicht.

Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand / die Leitfähigkeit von Gasen

Gase und normale Luft sind Dielektrika und leiten keinen Strom.Für seine Bildung sind Ladungsträger erforderlich, das sind Ionen, die durch äußere Faktoren entstehen.

Durch Erhitzen kann es zu Ionisierung und Bewegung von Ionen von einem Pol des Mediums zum anderen kommen. Dies können Sie am Beispiel eines einfachen Experiments überprüfen. Nehmen wir die gleiche Ausrüstung, die zur Bestimmung des Einflusses der Erwärmung auf den Widerstand eines Metallleiters verwendet wurde, aber statt eines Leiters verbinden wir zwei durch einen Luftraum getrennte Metallplatten mit den Leitern.

Ein an den Stromkreis angeschlossenes Amperemeter zeigt keinen Strom an. Wenn die Flamme des Brenners zwischen den Platten platziert wird, weicht der Pfeil des Geräts von Null ab und zeigt den Wert des Stroms an, der durch das Gasmedium fließt.

So wurde festgestellt, dass in Gasen beim Erhitzen eine Ionisierung auftritt, die zur Bewegung elektrisch geladener Teilchen und zu einer Verringerung des Widerstands des Mediums führt.

Der Wert des Stroms wird durch die Leistung der extern angelegten Spannungsquelle und die Potenzialdifferenz zwischen ihren Kontakten beeinflusst. Es ist in der Lage, bei hohen Werten die Isolierschicht von Gasen zu durchbrechen. Eine typische Erscheinungsform eines solchen Falles in der Natur ist die natürliche Blitzentladung während eines Gewitters.

Eine ungefähre Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Stromflusses in Gasen ist in der Grafik dargestellt.

Im Anfangsstadium ist unter dem Einfluss von Temperatur und Potentialdifferenz eine annähernd lineare Zunahme der Ionisation und des Stromdurchgangs zu beobachten. Die Kurve nimmt dann eine horizontale Richtung an, wenn ein Spannungsanstieg nicht zu einem Stromanstieg führt.

Die dritte Stufe der Zerstörung tritt auf, wenn die hohe Energie des angelegten Feldes Ionen beschleunigt, so dass sie beginnen, mit neutralen Molekülen zu kollidieren und aus ihnen massiv neue Ladungsträger zu bilden. Dadurch steigt der Strom stark an und es kommt zu einem Durchbruch der dielektrischen Schicht.

Praktische Anwendung der Gasleitfähigkeit

Das Phänomen des Stromflusses durch Gase wird in Radioelektronenlampen und Leuchtstofflampen genutzt.

Dazu werden zwei Elektroden in einen mit einem Inertgas verschlossenen Glaszylinder gebracht:

1. Anode;

2. Kathode.

In einer Leuchtstofflampe bestehen sie aus Glühfäden, die sich beim Einschalten erwärmen und thermionische Strahlung erzeugen. Die Innenfläche des Kolbens ist mit einer Phosphorschicht überzogen. Es strahlt das sichtbare Lichtspektrum aus, das durch Infrarotstrahlung entsteht, die von Quecksilberdampf ausgeht, der von einem Elektronenstrom beschossen wird.

Der Entladestrom entsteht, wenn zwischen den Elektroden an verschiedenen Enden der Glühlampe eine Spannung mit einem bestimmten Wert angelegt wird.

Wenn einer der Glühfäden durchbrennt, wird die Elektronenemission dieser Elektrode gestört und die Lampe brennt nicht durch. Wenn Sie jedoch die Potentialdifferenz zwischen Kathode und Anode erhöhen, kommt es erneut zu einer Gasentladung im Inneren des Kolbens und die Leuchtstofflumineszenz wird wieder aufgenommen.

Dies ermöglicht den Einsatz von LED-Lampen mit beschädigten Glühfäden und verlängert deren Lebensdauer. Es ist lediglich zu bedenken, dass gleichzeitig die Spannung um ein Vielfaches erhöht werden muss, was den Energieverbrauch und die Risiken einer sicheren Verwendung erheblich erhöht.

Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand von Flüssigkeiten

Der Stromdurchgang in Flüssigkeiten entsteht hauptsächlich durch die Bewegung von Kationen und Anionen unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes. Nur ein kleiner Teil der Leitfähigkeit wird durch Elektronen bereitgestellt.

Der Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand eines flüssigen Elektrolyten wird durch die im Bild gezeigte Formel beschrieben. Da der Wert des Temperaturkoeffizienten α darin immer negativ ist, nimmt mit zunehmender Erwärmung die Leitfähigkeit zu und der Widerstand ab, wie in der Grafik dargestellt.

Dieses Phänomen sollte beim Laden flüssiger Autobatterien (und nicht nur) berücksichtigt werden.

Einfluss der Temperatur auf den elektrischen Widerstand von Halbleitern

Die Veränderung der Eigenschaften von Halbleitermaterialien unter Temperatureinfluss ermöglichte deren Verwendung als:

• thermischer Widerstand;

• Thermoelemente;

• Kühlschränke;

• Heizungen.

Thermistoren

Mit diesem Namen sind Halbleiterbauelemente gemeint, die unter Hitzeeinwirkung ihren elektrischen Widerstand verändern. Ihre Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) deutlich höher als bei Metallen.

Der TCR-Wert für Halbleiter kann positiv oder negativ sein. Nach diesem Parameter werden sie in positive „RTS“- und negative „NTC“-Thermistoren unterteilt. Sie haben unterschiedliche Eigenschaften.

Für den Betrieb des Thermistors wird einer der Punkte seiner Strom-Spannungs-Kennlinie ausgewählt:

• Der lineare Abschnitt wird zur Temperaturregelung oder zum Ausgleich sich ändernder Ströme oder Spannungen verwendet.

• Der absteigende Zweig der I-V-Kennlinie von Elementen mit TCS <0 ermöglicht die Verwendung eines Halbleiters als Relais.

Die Verwendung eines Relais-Thermistors eignet sich zur Überwachung oder Messung elektromagnetischer Strahlungsprozesse, die bei ultrahohen Frequenzen auftreten. Dies gewährleistet ihren Einsatz in Systemen:

1. Wärmekontrolle;

2. Feueralarm;

3. Regulierung der Durchflussmenge von Massenmedien und Flüssigkeiten.

Silizium-Thermistoren mit einem kleinen TCR > 0 werden in Kühlsystemen und zur Temperaturstabilisierung von Transistoren eingesetzt.

Thermoelemente

Diese Halbleiter funktionieren auf der Grundlage des Seebeck-Phänomens: Wenn die Lötverbindung zweier verteilter Metalle erhitzt wird, entsteht an der Verbindungsstelle eines geschlossenen Stromkreises eine EMF. Auf diese Weise wandeln sie thermische Energie in elektrische Energie um.

Eine Konstruktion aus zwei solchen Elementen wird Thermoelement genannt. Sein Wirkungsgrad liegt innerhalb von 7 ÷ 10 %.

Thermoelemente werden in Thermometern für digitale Computergeräte verwendet, die eine Miniaturgröße und eine hohe Ablesegenauigkeit sowie Stromquellen mit geringer Leistung erfordern.

Halbleiterheizgeräte und Kühlschränke

Sie funktionieren durch die Wiederverwendung von Thermoelementen, durch die ein elektrischer Strom fließt. In diesem Fall wird es an einer Stelle der Verbindungsstelle erwärmt und an der gegenüberliegenden Stelle abgekühlt.

Halbleiterverbindungen auf Basis von Selen, Wismut, Antimon und Tellur ermöglichen die Gewährleistung einer Temperaturdifferenz im Thermoelement von bis zu 60 Grad. Dies ermöglichte die Konstruktion eines Kühlschranks aus Halbleitern mit einer Temperatur in der Kühlkammer bis zu -16 Grad.