Меню

При повышении температуры проводника сила тока в нем

При повышении температуры проводника сила тока в нем

При повышении температуры проводника увеличивается число столкновений свободных электронов с атомами. Следовательно, уменьшается средняя скорость направленного движения электронов, что соответствует увеличению сопротивления проводника.

С другой стороны, при повышении температуры возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема проводника, что приводит к уменьшению сопротивления проводника.

В зависимости от преобладания того или иного фактора при повышении температуры сопротивление или увеличивается (металлы), или уменьшается (уголь, электролиты), или остается почти неизменным (сплавы металлов, например мангаиин).

При незначительных изменениях температуры (0-100°С) относительное приращение сопротивления соответствующее нагреванию на 1° С, называемое температурным коэффициентом сопротивления а, для большинства металлов остается постоянным.

Обозначив — сопротивления при температурах , можем написать выражение относительного приращения сопротивления при повышении температуры от до :

Значения температурного коэффициента сопротивления для различных материалов даны в табл. 2-2.

Из выражения (2-18) следует, что

Полученная формула (2-20) дает возможность определить температуру провода (обмотки), если измерить его сопротивление при заданных или известных величинах .

Пример 2-3. Определить сопротивление проводов воздушной липни при температурах если длина линии 400 м, а сечение медных проводов

Сопротивление проводов линии при температуре

Сопротивление тех же проводов при температуре —10° С

Пример 2-4. Сопротивление медной обмотки электродвигателя при температуре составляет .

После часовой работы сопротивление той же обмотки Ом. Определить температуру обмотки электродвигателя после часовой работы.

Источник



Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Повышение — температура — проводник

Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. [1]

С повышением температуры проводника увеличивается амплитуда колебательного движения ионов в узлах кристаллической решетки Это приводит к возрастанию числа столкновений свободных электронов с ионами, а следовательно, к уменьшению средней скорости направленного движения электронов, а значит, и удельной электрической проводимости, что соответствует увеличению сопротивления проводника. Подобное явление характерно для металлов. В проводниках второго рода ( например, электролитах) при повышении температуры возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема проводника и сопротивление проводника уменьшается. К таким проводникам относятся уголь и графит. [2]

При повышении температуры проводников , состоящих из металлов, их электропроводность уменьшается. [3]

При повышении температуры проводника увеличивается число столкновений свободных электронов с атомами. Следовательно, уменьшается средняя скорость направленного движения электронов, что соответствует увеличению сопротивления проводника. [4]

Если с повышением температуры проводника повышается его сопротивление, то говорят, что материал имеет положительный температурный коэффициент сопротивления. Если же с повышением температуры сопротивление уменьшается, то материал имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления. [5]

Выделяемое тепло расходуется на повышение температуры проводника и частично распространяется в окружающую среду. [6]

Часть выделяемого тепла идет на повышение температуры проводника , а часть отдается в окружающую среду. Находящиеся в воздухе шины охлаждаются главным образом путем конвекции, обусловленной движением воздуха вблизи поверхности проводника. Отвод ieiwia путем лучеиспускания невелик вследствие сравнительно малых температур нагрева проводников. Отвод тепла за счет теплопроводности ничтожен из-за малой теплопроводности воздуха. [7]

Часть выделяемого тепла идет на повышение температуры проводника , а часть отдается в окружающую среду. Находящиеся в воздухе шины охлаждаются главным образом путем конвекции, обусловленной движением воздуха вблизи поверхности проводника. Отвод тепла путем лучеиспускания невелик вследствие сравнительно малых температур нагрева проводников. Отвод тепла за счет теплопроводности ничтожен из-за малой теплопроводности воздуха. [8]

Часть выделяемого тепла идет на повышение температуры проводника , а часть отдается в окружающую среду. [9]

Часть выделенной энергии в виде тепла идет на повышение температуры проводника , а часть отдается в окружающую среду. Находящиеся в воздухе шины охлаждаются в основном конвекцией, обусловленной движением воздуха вблизи поверхности проводника. Отвод тепла лучеиспусканием невелик из-за сравнительно малых температур нагрева проводника. Отвод тепла за счет теплопроводности также невелик из-за малой теплопроводности воздуха. Температура токопровода при прохождении тока повышается до наступления теплового равновесия, когда количество тепла, выделяемого в проводнике, становится равным количеству тепла, отводимого с его поверхности в окружающую среду. [10]

Читайте также:  Если стукнуло током ребенка что делать

При прохождении электрического тока в проводниках выделяется тепло, что сопровождается повышением температуры проводника ; указанное свойство используется при устройстве плавких предохранителей. [11]

Если измерение производится повторно и при другой температуре, то обязательно будет некоторая разница в величине сопротивления, так как при повышении температуры проводника увеличивается и его сопротивление. [12]

При расчете температуры элементов аппаратов в режиме короткого замыкания благодаря малой длительности этого режима можно пренебречь теплом, отдаваемым во внешнюю среду, и считать, что все тепло расходуется на повышение температуры проводника . [13]

В результате неоднородности атомов, неправильности их расположения и хаотического колебательного движения ионов решетки свободные электроны при направленном движении сталкиваются с ионами решетки и отдают им часть своей энергии, увеличивая их хаотическое движение, что приводит к повышению температуры проводника . [14]

Электропроводимость полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. [15]

Источник

§ 2.5. Зависимость электрического сопротивления от температуры

Изменение температуры проводника вызывает изменение его сопротивления. Вот некоторые предварительные соображения.

С одной стороны, повышение температуры проводников приводит к увеличению числа столкновений упорядоченно движущихся заряженных частиц с частицами, составляющими проводник. В результате уменьшается средняя скорость направленного движения заряженных частиц, и соответственно уменьшается сила тока. Следовательно, увеличение температуры может привести к увеличению сопротивления.

С другой стороны, повышение температуры может привести к увеличению числа свободных заряженных частиц проводника в единице объема (например, число ионов раствора электролита растет с повышением температуры). Это обстоятельство способствует увеличению силы тока. Следовательно, повышение температуры может привести и к уменьшению сопротивления проводника.

В зависимости от преобладания того или другого фактора с увеличением температуры сопротивление проводника может или увеличиваться (металлы), или уменьшаться (растворы электролитов, уголь), или оставаться практически неизменным (специальные сплавы).

Все это подтверждается на опыте. Включим в цепь последовательно электрическую лампу и железную проволоку, свернутую спиралью. Нагревая спираль на горелке, мы увидим, что свечение лампы становится менее ярким. Если в цепь вместо лампы включить амперметр, то он покажет, что при нагревании железной спирали сила тока в цепи уменьшается. Отсюда следует, что при нагревании проволоки ее сопротивление увеличивается. Точно таким же образом можно провести опыты с другими металлами, сплавами металлов, растворами электролитов.

Если при 0 °С сопротивление проводника равно R, а при температуре t оно равно R, то относительное изменение сопротивления как показывает опыт, с большой степенью точности можно считать пропорциональным изменению температуры Δt:

Коэффициент пропорциональности а называют температурным коэффициентом сопротивления. Он характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводников α > 0 и незначительно меняется с изменением температуры. Если интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых (не имеющих примесей) металлов

У растворов электролитов α -1 .

При нагревании геометрические размеры проводника меняются мало. Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения удельного сопротивления. Зависимость удельного сопротивления от температуры легко найти, если в формулу (2.5.1) подставить значения R = ρ и R = ρ . После простых преобразований найдем, что

Читайте также:  Синхронный двигатель ток переменный или постоянный 1

Таким образом, удельное сопротивление линейно зависит от температуры. На рисунке 2.14 эта зависимость изображена для металлических проводников, а на рисунке 2.15 — для растворов электролитов.

Рис. 2.14 и 2.15

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим. Так, сопротивление вольфрамовой нити обыкновенной лампы накаливания увеличивается при прохождении тока по ней более чем в 10 раз!

У некоторых сплавов, например у сплава меди с никелем — константана, температурный коэффициент сопротивления очень мал: α = 10 -5 К -1 . Еще меньше температурный коэффициент сопротивления у манганина. Эти сплавы одновременно обладают большим удельным сопротивлением. Поэтому они используются для изготовления эталонных сопротивлений, магазинов сопротивлений, применяются для изготовления шунтов и добавочных сопротивлений к измерительным приборам (см. § 2.8) и т. д., т. е. в тех случаях, когда сопротивление не должно изменяться при колебаниях температуры.

В таблице 4 приведены значения температурного коэффициента сопротивления для некоторых чистых веществ и сплавов.

Источник

Закон Джоуля-Ленца

Электричество – неотъемлемый признак нашей эпохи. Абсолютно всё вокруг завязано на нём. Любой современный человек, даже без технического образования, знает, что электрический ток, текущий по проводам, способен в некоторых случаях нагревать их, зачастую до очень высоких температур. Казалось бы, это заведомо всем известно и не стоит упоминания. Однако, как объяснить это явление? Почему и как происходит нагрев проводника?

Опыты Ленца

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц “застрял” с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи “источник энергии – проводник – потребитель энергии” сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

Закон Джоуля-Ленца

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало – невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший “нагреватель” – стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся – тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Закон Джоуля-Ленца

В итоге, спустя десятилетие, в 1843 году Эмилий Ленц выставил на всеобщее обозрение научного сообщества результат своих опытов в виде закона. Однако, оказалось, что его опередили! Пару лет назад английский физик Джеймс Прескотт Джоуль уже проводил аналогичные опыты и также представил общественности свои результаты. Но, тщательно проверив все работы Джеймса Джоуля, русский учёный выяснил что собственные опыты гораздо точнее, наработан больший объём исследований, потому, русской науке есть чем дополнить английское открытие.

Читайте также:  Токи короткого замыкания для подстанции

Научное сообщество рассмотрело оба результата исследований и объединила их в одно, тем самым закон Джоуля переименовали в закон Джоуля-Ленца. Закон утверждает, что количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока , равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток. Или формулой:

Q — количество выделяемого тепла (Джоули)

I — сила тока, протекающего через проводник (Амперы)

R — сопротивление проводника (Омы)

t — время прохождения тока через проводник (Секунды)

Почему греется проводник

Как же объясняется нагрев проводника? Почему он именно греется, а не остаётся нейтральным или охлаждается? Нагрев происходит из-за того, что свободные электроны, перемещающиеся в проводнике под действием электрического поля, бомбардируют атомы молекул металла, тем самым передавая им собственную энергию, которая переходит в тепловую. Если изъясняться совсем просто: преодолевая материал проводника, электрический ток как бы “трётся”, соударяется электронами о молекулы проводника. Ну а , как известно, любое трение сопровождается нагревом. Следовательно, проводник будет нагреваться пока по нему бежит электрический ток.

нихромовая нагретая спираль

Из формулы также следует – чем выше удельное сопротивление проводника и чем выше сила тока протекающего по нему, тем выше будет нагрев . Например, если последовательно соединить проводник-медь (удельное сопротивление 0,018 Ом·мм²/м) и проводник-алюминий (0,027 Ом·мм²/м), то при протекании через цепь электрического тока алюминий будет нагреваться сильнее чем медь из-за более высокого сопротивления. Поэтому, кстати, не рекомендуется в быту делать скрутки медных и алюминиевых проводов друг с другом – будет неравномерный нагрев в месте скрутки. В итоге – подгорание с последующим пропаданием контакта.

Применение закона Джоуля-Ленца в жизни

Открытие закона Джоуля-Ленца имело огромные последствия для практического применения электрического тока. Уже в 19 веке стало возможным создать более точные измерительные приборы, основанные на сокращении проволочной спирали при её нагреве протекающим током определённой величины – первые стрелочные вольтметры и амперметры. Появились первые прототипы электрических обогревателей, тостеров, плавильных печей – использовался проводник с высоким удельным сопротивлением, что позволяло получить довольно высокую температуру.

Были изобретены плавкие предохранители, биметаллические прерыватели цепи (аналоги современных тепловых реле защиты), основанные на разнице нагрева проводников с разным удельным сопротивлением. Ну и, конечно же, обнаружив что при определённой силе тока проводник с высоким удельным сопротивлением способен нагреться докрасна , данный эффект использовали в качестве источника света. Появились первые лампочки.

Проводник (угольная палочка, бамбуковая нить, платиновая проволока и т.д.) помещали в стеклянную колбу, откачивали воздух для замедления процесса окисления и получали незатухаемый, чистый и стабильный источник света – электрическую лампочку

лампа эдисона

Заключение

Таки образом, можно сказать что на законе Джоуля-Ленца держится чуть ли не вся электрика и электротехника. Открыв этот закон, появилась возможность уже заранее предсказать некоторые будущие проблемы в освоении электричества. Например, из-за нагрева проводника передача электрического тока на большое расстояние сопровождается потерями этого тока на тепло. Соответственно, чтобы компенсировать эти потери нужно занизить передаваемый ток, компенсируя это высоким напряжением. А уже на оконечном потребителе, понижать напряжение и получать более высокий ток.

Закон Джоуля-Ленца неотступно следует из одной эпохи технологического развития в другую. Даже сегодня мы постоянно наблюдаем его в быту – закон проявляется всюду, и не всегда люди ему рады. Сильно греющийся процессор персонального компьютера, пропадание света из-за обгоревшей скрутки «медь-алюминий»,выбитая вставка-предохранитель, выгоревшая из-за высокой нагрузки электропроводка – всё это тот самый закон Джоуля-Ленца.

Источник