抵抗が温度にどのように依存するか

電気技師は仕事の現場で、金属、半導体、気体、液体中の電荷キャリアの通過に関するさまざまな条件に遭遇します。電流の大きさは電気抵抗の影響を受け、環境の影響によりさまざまに変化します。

これらの要因の 1 つは温度への曝露です。電流の流れの条件が大きく変化するため、電気機器の設計者はこれを考慮します。電気設備の保守と運用に携わる電気担当者は、実際の作業でこれらの機能を適切に使用する必要があります。

金属の電気抵抗に対する温度の影響

学校の物理コースでは、電流計、バッテリー、ワイヤー、接続ワイヤー、トーチなどの実験を行うことが提案されています。バッテリー付きの電流計の代わりに、抵抗計を接続したり、マルチメーターでそのモードを使用したりできます。

次に、図に示す電気回路を組み立て、回路内の電流を測定する必要があります。その値はミリメートルスケールで黒い矢印で示されます。

次に、バーナーの炎をワイヤーに当てて加熱し始めます。電流計を見ると針が左に移動し、赤い印の位置に達することがわかります。

実験の結果、金属を加熱すると導電率が低下し、抵抗が増加することがわかりました。

この現象の数学的正当性は、図中の数式によって示されます。下の式では、金属導体の電気抵抗«R»がその温度«T»に直接比例し、他のいくつかのパラメータに依存することが明確にわかります。

実際に金属を加熱することで電流がどのように制限されるか

白熱灯

私たちは毎日照明が点灯すると、白熱灯のこの特性の発現に遭遇します。 60ワットの電球で簡単な測定を実行してみましょう。

4.5 V の低電圧バッテリーで駆動される最も単純な抵抗計を使用して、ベースの接点間の抵抗を測定すると、59 オームという値が表示されます。この値はコールド スレッドによって所有されます。

電球をソケットにねじ込み、電流計を介して220ボルトのホームネットワークの電圧に接続します。電流計の針は 0.273 アンペアを示します。から 回路の一部に関するオームの法則 加熱された状態での糸の抵抗を測定します。これは 896 オームとなり、以前のオーム計の測定値を 15.2 倍上回ります。

この余分な部分は、発光体の金属を燃焼や破壊から保護し、電圧下での長期間の動作を保証します。

電源投入時の過渡現象

スレッドが動作しているとき、流れる電流による加熱と熱の一部の環境への除去との間で熱バランスが形成されます。しかし、スイッチオンの初期段階では、電圧が印加されると過渡現象が発生し、突入電流が発生し、フィラメントが焼損する可能性があります。

過渡プロセスは短時間に発生しますが、これは金属を加熱するときの電気抵抗の増加速度が電流の増加に追いつかないという事実によって引き起こされます。それらが完了すると、動作モードが確立されます。

ランプが長時間点灯すると、フィラメントの太さが徐々に臨界状態に達し、燃焼につながりますが、ほとんどの場合、この瞬間は次に新しくスイッチを入れたときに発生します。

ランプの寿命を延ばすために、この突入電流は次のようなさまざまな方法で削減されます。

1. 張力の供給と解放をスムーズに行う装置。

2. 抵抗器、半導体、またはサーミスタ（サーミスタ）のフィラメントに直列接続する回路。

自動車照明器具の突入電流を制限する 1 つの方法の例を下の写真に示します。

ここで、電流は、スイッチ SA がオンになった後、FU ヒューズを介して電球に供給され、抵抗 R によって制限されます。抵抗 R の公称値は、過渡時の突入電流が公称値を超えないように選択されます。

フィラメントが加熱されると、その抵抗が増加し、その接点と KL1 リレーの並列接続されたコイル間の電位差が増加します。電圧がリレー設定値に達すると、KL1 の常開接点が閉じて抵抗をバイパスします。すでに確立されているモードの動作電流がバルブに流れ始めます。

測温抵抗体

金属の温度が電気抵抗に及ぼす影響は、測定機器の操作に使用されます。という 測温抵抗体.

それらの敏感な要素は細い金属線で作られており、その抵抗は特定の温度で注意深く測定されます。このスレッドは安定した熱特性を備えたハウジングに取り付けられ、保護カバーで覆われています。作成された構造は、温度を常に監視する必要がある環境に置かれます。

電気回路の導体は感応素子の端子に取り付けられ、抵抗測定回路に接続されます。その値は、以前に実行されたデバイスのキャリブレーションに基づいて温度値に変換されます。

バレッター — 電流安定装置

これは、水素ガスが封入されたガラス製の密閉シリンダーと、鉄、タングステン、または白金で作られた金属線の螺旋で構成される装置の名前です。この設計は、外観は白熱電球に似ていますが、特定の非線形電流電圧特性を持っています。

I-V特性では、その特定の範囲で、発熱体に印加される電圧の変動に依存しない動作ゾーンが形成されます。この領域では、バレーは電源リップルを適切に補償し、それに直列に接続された負荷の電流安定化装置として機能します。

バレッタの動作は、フィラメントの小さな断面積とそれを取り囲む水素の高い熱伝導率によってもたらされるフィラメント本体の熱慣性の特性に基づいています。したがって、デバイスの電圧が低下すると、フィラメントからの熱の除去が加速します。

これが白熱灯と白熱灯の主な違いであり、白熱灯は輝きの明るさを維持するためにフィラメントからの対流による熱損失を低減しようとします。

超電導

通常の周囲条件下では、金属導体が冷えると電気抵抗が減少します。

ケルビン測定システムによると 0 度に近い臨界温度に達すると、抵抗がゼロまで急激に低下します。右の図は、水銀に対するそのような依存性を示しています。

超電導と呼ばれるこの現象は、長距離伝送時の電力損失を大幅に削減できる材料を作成するための有望な研究分野と考えられています。

しかし、超伝導の継続的な研究により、他の要因が臨界温度領域における金属の電気抵抗に影響を与える多くのパターンが明らかになりました。特に、交流がその振動周波数の増加とともに通過すると、抵抗が発生し、その値は光波の周期で高調波の通常の値の範囲に達します。

気体の電気抵抗/伝導率に対する温度の影響

気体と通常の空気は誘電体であり、電気を通しません。その形成には、外部要因の結果として形成されるイオンである電荷キャリアが必要です。

加熱によりイオン化が引き起こされ、媒体のある極から別の極へイオンが移動することがあります。簡単な実験の例でこれを確認できます。金属導体の抵抗に対する加熱の影響を測定するために使用したのと同じ装置を考えてみましょう。ただし、導体の代わりに、空気層によって分離された 2 つの金属板を導体に接続します。

回路に接続された電流計には電流が表示されません。バーナーの炎がプレートの間に置かれると、装置の矢印はゼロから外れ、ガス媒体を通過する電流の値を示します。

このように、加熱するとガス中でイオン化が起こり、帯電した粒子が移動し、媒体の抵抗が減少することがわかりました。

電流の値は、外部から印加される電圧源の電力とその接点間の電位差の影響を受けます。高い値でガスの断熱層を突破することができます。自然界におけるこのような場合の典型的な兆候は、雷雨中の雷の自然放電です。

ガス中の電流の流れの電流-電圧特性の概略をグラフに示します。

初期段階では、温度と電位差の影響により、イオン化の増加と電流の通過がほぼ直線的に観察されます。電圧の増加が電流の増加につながらない場合、曲線は水平方向になります。

破壊の第 3 段階は、印加された場の高エネルギーによってイオンが加速され、中性分子と衝突し始め、中性分子から新しい電荷キャリアが大量に形成されるときに発生します。その結果、電流が急激に増加し、誘電体層が破壊されます。

ガス伝導率の実用化

ガス中を電流が流れる現象は、ラジオ電子ランプや蛍光灯に利用されています。

この目的のために、2 つの電極が不活性ガスとともに密閉されたガラスシリンダー内に配置されます。

1. アノード;

2. カソード。

蛍光灯では、スイッチを入れると加熱して熱電子放射を生成するフィラメントの形で作られています。フラスコの内面はリンの層でコーティングされています。電子の流れが衝突した水銀蒸気によって放射される赤外線によって形成される可視スペクトルの光を放射します。

放電電流は、バルブの両端にある電極間に特定の値の電圧が印加されると発生します。

フィラメントの 1 つが切れると、この電極の電子放出が妨げられ、ランプは切れなくなります。ただし、陰極と陽極の間の電位差を大きくすると、バルブ内でガス放電が再び発生し、蛍光体の発光が再開されます。

これにより、フィラメントが損傷した LED 電球の使用が可能になり、寿命が延びます。同時に、電圧を数回上げる必要があり、これによりエネルギー消費量が大幅に増加し、安全な使用のリスクが高まることに注意してください。

液体の電気抵抗に対する温度の影響

液体中の電流の流れは、主に外部電場の作用下でのカチオンとアニオンの移動によって発生します。導電性のほんの一部だけが電子によって提供されます。

液体電解質の電気抵抗に対する温度の影響は、図に示す式で説明されます。温度係数αの値は常に負であるため、グラフに示すように、加熱が増加すると導電率が増加し、抵抗が減少します。

この現象は、自動車用の液体バッテリー (だけではありません) を充電するときに考慮する必要があります。

半導体の電気抵抗に対する温度の影響

温度の影響下で半導体材料の特性を変化させることで、それらを次のように使用できるようになりました。

• 熱抵抗。

• 熱電対。

• 冷蔵庫;

• ヒーター。

サーミスタ

熱の影響で電気抵抗が変化する半導体デバイスのことを指します。彼らのもの 抵抗温度係数 (TCR) 金属に比べてかなり高い。

半導体の TCR 値は正または負の値になります。このパラメータに従って、それらは正の«RTS»サーミスタと負の«NTC»サーミスタに分けられます。それぞれに異なる特徴があります。

サーミスタの動作のために、その電流電圧特性の点の 1 つが選択されます。

• 線形セクションは、温度を制御したり、電流や電圧の変化を補償したりするために使用されます。

• TCS <0 の要素の I_V 特性の下降分岐により、半導体をリレーとして使用できます。

リレー サーミスタの使用は、超高周波で発生する電磁放射プロセスを監視または測定するのに便利です。これにより、システム内での使用が保証されます。

1. 熱制御。

2.火災警報器。

3. バルク媒体および液体の流量の調整。

TCR > 0 の小さなシリコン サーミスタは、冷却システムとトランジスタの温度安定化に使用されます。

熱電対

これらの半導体はゼーベック現象に基づいて動作します。つまり、2 つの分散した金属のはんだ接合部が加熱されると、閉回路の接合部に EMF が発生します。このようにして、熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。

このような 2 つの要素からなる構造は熱電対と呼ばれます。その効率は 7 ÷ 10% 以内です。

熱電対は、小型サイズと高い読み取り精度、および低電力電流源を必要とするデジタル コンピューティング デバイス用の温度計に使用されます。

半導体ヒーターおよび冷蔵庫

電流が流れる熱電対を再利用することで機能します。この場合、接合部の一方の場所では加熱され、反対側の場所では冷却されます。

セレン、ビスマス、アンチモン、テルルをベースにした半導体接続により、熱電対の温度差を最大 60 度まで確保できます。これにより、冷却室内の温度が-16度まで下がる冷蔵庫の設計を半導体から作成することが可能になりました。