Cómo la resistencia depende de la temperatura

En su práctica, cada electricista encuentra diferentes condiciones para el paso de portadores de carga en metales, semiconductores, gases y líquidos. La magnitud de la corriente se ve afectada por la resistencia eléctrica, que cambia de varias formas bajo la influencia del medio ambiente.

Uno de estos factores es la exposición a la temperatura. Dado que cambia significativamente las condiciones del flujo de corriente, los diseñadores lo tienen en cuenta en la fabricación de equipos eléctricos. El personal eléctrico involucrado en el mantenimiento y operación de instalaciones eléctricas debe utilizar estas funciones de manera competente en el trabajo práctico.

Efecto de la temperatura sobre la resistencia eléctrica de los metales

En el curso de física de la escuela, se propone realizar un experimento de este tipo: tome un amperímetro, una batería, un trozo de cable, cables de conexión y una antorcha. En lugar de un amperímetro con batería, puede conectar un ohmímetro o usar su modo en un multímetro.

A continuación, debe ensamblar el circuito eléctrico que se muestra en la imagen y medir la corriente en el circuito.Su valor se indica en la escala de miliamperímetros con una flecha negra.

Ahora llevamos la llama del mechero al alambre y comenzamos a calentarlo. Si miras el amperímetro, verás que la aguja se moverá hacia la izquierda y llegará a la posición marcada en rojo.

El resultado del experimento muestra que cuando los metales se calientan, su conductividad disminuye y su resistencia aumenta.

La justificación matemática de este fenómeno viene dada por las fórmulas de la imagen. En la expresión inferior se ve claramente que la resistencia eléctrica «R» del conductor metálico es directamente proporcional a su temperatura «T» y depende de varios otros parámetros.

Cómo calentar metales limita la corriente eléctrica en la práctica

Lámparas incandescentes

Todos los días, cuando se encienden las luces, nos encontramos con la manifestación de esta propiedad en las lámparas incandescentes. Realicemos mediciones simples en una bombilla de 60 vatios.

Con el óhmetro más simple, alimentado por una batería de bajo voltaje de 4,5 V, medimos la resistencia entre los contactos de la base y vemos el valor de 59 ohmios. Este valor es propiedad de un subproceso frío.

Enroscaremos la bombilla en el zócalo y le conectaremos a través del amperímetro el voltaje de la red doméstica de 220 voltios. La aguja del amperímetro marcará 0,273 amperios. De Ley de Ohm para una sección de un circuito determine la resistencia del hilo en el estado calentado. Será de 896 ohmios y superará la lectura anterior del óhmetro en 15,2 veces.

Este exceso protege el metal del cuerpo luminoso de la quema y la destrucción, asegurando su funcionamiento a largo plazo bajo voltaje.

Transitorios de encendido

Cuando el hilo está en funcionamiento, se crea sobre él un equilibrio térmico entre el calentamiento por el paso de la corriente eléctrica y la evacuación de parte del calor al ambiente. Pero en la etapa inicial de encendido, cuando se aplica voltaje, ocurren transitorios que crean una corriente de entrada que puede hacer que el filamento se queme.

Los procesos transitorios ocurren por un corto tiempo y son causados ​​por el hecho de que la tasa de aumento de la resistencia eléctrica al calentar el metal no sigue el ritmo del aumento de la corriente. Después de su finalización, se establece el modo de operación.

Cuando la lámpara brilla durante mucho tiempo, el grosor de su filamento alcanza gradualmente un estado crítico, lo que conduce a la quema.La mayoría de las veces, este momento ocurre en el próximo nuevo encendido.

Para prolongar la vida útil de la lámpara, esta corriente de irrupción se reduce de varias formas mediante:

1. dispositivos que proporcionan un suministro y liberación de tensión suaves;

2. Circuitos para conexión en serie a un filamento de resistencias, semiconductores o termistores (termistores).

En la foto a continuación se muestra un ejemplo de una forma de limitar la corriente de entrada para los accesorios de iluminación de automóviles.

Aquí, la corriente se suministra a la bombilla después de encender el interruptor SA a través del fusible FU y está limitada por la resistencia R, cuyo valor nominal se elige para que la corriente de irrupción durante los transitorios no exceda el valor nominal.

Cuando el filamento se calienta, su resistencia aumenta, lo que conduce a un aumento en la diferencia de potencial entre sus contactos y la bobina conectada en paralelo del relé KL1.Cuando el voltaje alcance el valor de configuración del relé, el contacto normalmente abierto de KL1 se cerrará y desviará la resistencia. La corriente de funcionamiento del modo ya establecido comenzará a fluir a través de la bombilla.

Termómetro de resistencia

El efecto de la temperatura del metal sobre su resistencia eléctrica se aprovecha en el funcionamiento de instrumentos de medida. Se les llama termómetros de resistencia.

Su elemento sensible está hecho con un delgado alambre de metal cuya resistencia se mide cuidadosamente a ciertas temperaturas. Este hilo está montado en una carcasa con propiedades térmicas estables y cubierto con una cubierta protectora. La estructura creada se coloca en un ambiente cuya temperatura debe ser monitoreada constantemente.

Los conductores del circuito eléctrico están montados en los terminales del elemento sensible, que conectan el circuito de medición de resistencia. Su valor se convierte en valores de temperatura en función de la calibración del dispositivo realizada previamente.

Barretter - estabilizador de corriente

Este es el nombre de un dispositivo que consiste en un cilindro de vidrio sellado con gas hidrógeno y una espiral de alambre metálico de hierro, tungsteno o platino. Este diseño se parece a una bombilla de luz incandescente en apariencia, pero tiene una característica específica de corriente-voltaje no lineal.

En la característica I — V, en un cierto rango, se forma una zona de trabajo que no depende de las fluctuaciones del voltaje aplicado al elemento calefactor. En esta zona, el baret compensa bien el rizado de la fuente de alimentación y funciona como estabilizador de corriente para una carga conectada en serie con él.

El funcionamiento de la barreta se basa en las propiedades de la inercia térmica del cuerpo del filamento, que es proporcionada por la pequeña sección transversal del filamento y la alta conductividad térmica del hidrógeno que lo rodea. Por lo tanto, cuando el voltaje del dispositivo disminuye, se acelera la eliminación de calor de su filamento.

Esta es la principal diferencia entre las lámparas incandescentes y las lámparas incandescentes, donde para mantener el brillo del resplandor, buscan reducir la pérdida de calor por convección del filamento.

Superconductividad

En condiciones ambientales normales, cuando un conductor metálico se enfría, su resistencia eléctrica disminuye.

Cuando se alcanza la temperatura crítica, cercana a los cero grados según el sistema de medida Kelvin, se produce una fuerte caída de la resistencia hasta cero. La imagen de la derecha muestra tal dependencia del mercurio.

Este fenómeno, llamado superconductividad, se considera un área prometedora de investigación para crear materiales que puedan reducir significativamente la pérdida de electricidad durante su transmisión a largas distancias.

Sin embargo, los estudios continuos de superconductividad revelan una serie de patrones en los que otros factores afectan la resistencia eléctrica de un metal en la región de temperatura crítica. En particular, cuando pasa corriente alterna con un aumento en la frecuencia de sus oscilaciones, se produce una resistencia, cuyo valor alcanza el rango de valores normales para armónicos con un período de ondas de luz.

Efecto de la temperatura sobre la resistencia eléctrica/conductividad de los gases

Los gases y el aire normal son dieléctricos y no conducen la electricidad.Su formación requiere portadores de carga, que son iones formados como resultado de factores externos.

El calentamiento puede causar ionización y movimiento de iones de un polo del medio a otro. Puede verificar esto con el ejemplo de un experimento simple. Tomemos el mismo equipo que se usó para determinar el efecto del calentamiento en la resistencia de un conductor de metal, pero en lugar de un conductor, conectamos dos placas de metal separadas por un espacio de aire a los conductores.

Un amperímetro conectado al circuito no mostrará corriente. Si la llama del quemador se coloca entre las placas, la flecha del dispositivo se desviará de cero y mostrará el valor de la corriente que pasa por el medio gaseoso.

Así, se encontró que la ionización ocurre en los gases cuando se calientan, lo que conduce al movimiento de partículas cargadas eléctricamente y a una disminución en la resistencia del medio.

El valor de la corriente se ve afectado por la potencia de la fuente de tensión externa aplicada y la diferencia de potencial entre sus contactos. Es capaz de atravesar la capa aislante de gases a valores altos. Una manifestación típica de tal caso en la naturaleza es la descarga natural de un rayo durante una tormenta eléctrica.

En el gráfico se muestra una vista aproximada de la característica corriente-voltaje del flujo de corriente en los gases.

En la etapa inicial, bajo la influencia de la temperatura y la diferencia de potencial, se observa un aumento de la ionización y el paso de corriente de forma aproximadamente lineal. La curva entonces adquiere una dirección horizontal cuando un aumento en el voltaje no conduce a un aumento en la corriente.

La tercera etapa de destrucción ocurre cuando la alta energía del campo aplicado acelera los iones para que comiencen a chocar con moléculas neutras, formando masivamente nuevos portadores de carga a partir de ellas. Como resultado, la corriente aumenta bruscamente, formando una ruptura de la capa dieléctrica.

Uso práctico de la conductividad del gas.

El fenómeno del flujo de corriente a través de los gases se utiliza en lámparas de radioelectrones y lámparas fluorescentes.

Para ello, se colocan dos electrodos en un cilindro de vidrio sellado con un gas inerte:

1. ánodo;

2. cátodo.

En una lámpara fluorescente, se fabrican en forma de filamentos que se calientan cuando se encienden para crear radiación termoiónica. La superficie interna del matraz está recubierta con una capa de fósforo. Emite el espectro visible de luz formado por la radiación infrarroja emitida por el vapor de mercurio bombardeado por una corriente de electrones.

La corriente de descarga se produce cuando se aplica un voltaje de cierto valor entre los electrodos ubicados en diferentes extremos de la bombilla.

Cuando uno de los filamentos se quema, la emisión de electrones de este electrodo se verá perturbada y la lámpara no se quemará. Sin embargo, si aumenta la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, volverá a aparecer una descarga de gas dentro de la bombilla y se reanudará la luminiscencia del fósforo.

Esto permite el uso de bombillas LED con filamentos dañados y alargando su vida útil. Solo debe tenerse en cuenta que, al mismo tiempo, es necesario aumentar el voltaje varias veces, y esto aumenta significativamente el consumo de energía y los riesgos de un uso seguro.

Efecto de la temperatura sobre la resistencia eléctrica de los líquidos

El paso de corriente en los líquidos se crea principalmente por el movimiento de cationes y aniones bajo la acción de un campo eléctrico externo. Los electrones solo proporcionan una pequeña fracción de la conductividad.

El efecto de la temperatura sobre la resistencia eléctrica de un electrolito líquido se describe mediante la fórmula que se muestra en la imagen. Dado que el valor del coeficiente de temperatura α siempre es negativo, a medida que aumenta el calentamiento, aumenta la conductividad y disminuye la resistencia, como se muestra en el gráfico.

Este fenómeno debe tenerse en cuenta al cargar baterías automotrices líquidas (y no solo).

Efecto de la temperatura sobre la resistencia eléctrica de los semiconductores

Cambiar las propiedades de los materiales semiconductores bajo la influencia de la temperatura hizo posible usarlos como:

• resistencia termica;

• termopares;

• refrigeradores;

• calentadores

Termistores

Este nombre significa dispositivos semiconductores que cambian su resistencia eléctrica bajo la influencia del calor. Suyo coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) significativamente mayor que la de los metales.

El valor TCR para semiconductores puede ser positivo o negativo. Según este parámetro, se dividen en termistores positivos «RTS» y negativos «NTC». Tienen diferentes características.

Para el funcionamiento del termistor, se selecciona uno de los puntos de su característica corriente-tensión:

• la sección lineal se usa para controlar la temperatura o compensar las corrientes o voltajes cambiantes;

• la rama descendente de la característica I — V de elementos con TCS <0 permite el uso de un semiconductor como relé.

El uso de un termistor de relé es conveniente para monitorear o medir los procesos de radiación electromagnética que ocurren en frecuencias ultra altas. Esto asegura su uso en sistemas:

1. control de calor;

2. alarma contra incendios;

3. regulación del caudal de medios y líquidos a granel.

Los termistores de silicio con un TCR pequeño > 0 se utilizan en sistemas de refrigeración y estabilización de temperatura de transistores.

Termopares

Estos semiconductores funcionan sobre la base del fenómeno de Seebeck: cuando se calienta la unión de soldadura de dos metales dispersos, se produce un EMF en la unión de un circuito cerrado. De esta manera, convierten la energía térmica en energía eléctrica.

Una construcción de dos de estos elementos se llama termopar. Su eficiencia está dentro del 7 ÷ 10%.

Los termopares se utilizan en termómetros para dispositivos informáticos digitales que requieren tamaño en miniatura y alta precisión de lectura, así como fuentes de corriente de baja potencia.

Calentadores y refrigeradores de semiconductores

Funcionan reutilizando termopares por los que pasa una corriente eléctrica. En este caso, en un lugar de la unión se calienta y en el opuesto se enfría.

Las conexiones de semiconductores a base de selenio, bismuto, antimonio y telurio permiten garantizar una diferencia de temperatura en el termopar de hasta 60 grados. Esto hizo posible crear un diseño de un refrigerador a partir de semiconductores con una temperatura en la cámara de enfriamiento de hasta -16 grados.