Coeficiente de temperatura de resistencia

La resistencia eléctrica de un conductor suele depender del material del conductor, de su longitud y sección transversal o, más brevemente, de la resistencia y de las dimensiones geométricas del conductor. Esta dependencia es bien conocida y se expresa mediante la fórmula:

Conocido por todos y Ley de Ohm para una sección homogénea de un circuito eléctrico, de donde se puede ver que cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente. Por lo tanto, si la resistencia del cable es constante, a medida que aumenta el voltaje aplicado, la corriente debe aumentar linealmente. Pero en realidad este no es el caso. La resistencia de los cables no es constante.

No tienes que ir muy lejos para encontrar ejemplos. Si conecta una bombilla a una fuente de alimentación ajustable (con un voltímetro y un amperímetro) y aumenta gradualmente el voltaje, llevándolo al valor nominal, verá fácilmente que la corriente no crece linealmente: el voltaje se acerca al valor nominal de la lámpara, la corriente a través de su bobina crece más y más lentamente y la luz se vuelve más y más brillante.

No existe tal cosa como que duplicar el voltaje aplicado a la bobina duplicará la corriente. La ley de Ohm no parece cumplirse. De hecho, la ley de Ohm se cumple y exactamente la resistencia del filamento de la lámpara no es constante, depende de la temperatura.

Recordemos cuál es la razón de la alta conductividad eléctrica de los metales. Está asociado a la presencia en los metales de un gran número de portadores de carga —componentes de corriente— electrones de conducción… Son electrones formados por los electrones de valencia de los átomos metálicos, que son comunes a todo el conductor, no pertenecen a cada átomo individual.

Bajo la acción de un campo eléctrico aplicado al conductor, los electrones libres de conducción pasan de un movimiento caótico a un movimiento más o menos ordenado: se forma una corriente eléctrica. Pero los electrones encuentran obstáculos en su camino, falta de homogeneidad de la red de iones, como defectos de red, una estructura no homogénea provocada por sus vibraciones térmicas.

Los electrones interactúan con los iones, pierden impulso, su energía se transfiere a los iones de la red, se transforma en vibraciones de iones de la red y aumenta el caos del movimiento térmico de los propios electrones, a partir del cual el conductor se calienta cuando la corriente lo atraviesa.

En dieléctricos, semiconductores, electrolitos, gases, líquidos no polares, la razón de la resistencia puede ser diferente, pero la ley de Ohm obviamente no permanece permanentemente lineal.

Así, para los metales, un aumento de la temperatura conduce a un aumento aún mayor de las vibraciones térmicas de la red cristalina, y aumenta la resistencia al movimiento de los electrones de conducción.Esto se puede ver en el experimento con la lámpara: el brillo del resplandor aumenta, pero la corriente aumenta menos. Esto significa que el cambio de temperatura afectó la resistencia del filamento de la lámpara.

Como resultado, queda claro que la resistencia alambres metalicos depende casi linealmente de la temperatura. Y si tenemos en cuenta que cuando se calienta, las dimensiones geométricas del cable cambian ligeramente, entonces la resistencia eléctrica también depende casi linealmente de la temperatura. Estas dependencias se pueden expresar mediante las fórmulas:

Prestemos atención a las probabilidades. Supongamos que a 0 ° C la resistencia del conductor es R0, luego a una temperatura t ° C tomará el valor R (t), y el cambio relativo en la resistencia será igual a α * t ° C. Este factor de proporcionalidad α se llama coeficiente de temperatura de resistencia... Caracteriza la dependencia de la resistencia eléctrica de la sustancia en su temperatura actual.

Este coeficiente es numéricamente igual al cambio relativo en la resistencia eléctrica de un conductor cuando su temperatura cambia en 1K (un grado Kelvin, que es equivalente a un cambio de temperatura de un grado Celsius).

Para los metales, TCR (coeficiente de temperatura de resistencia α), aunque relativamente pequeño, siempre es mayor que cero, porque cuando pasa la corriente, los electrones chocan con mayor frecuencia con los iones de la red cristalina, cuanto mayor es la temperatura, t .es cuanto mayor sea su movimiento caótico térmico y mayor su velocidad.Al chocar en un movimiento caótico con los iones de la red, los electrones del metal pierden energía, lo que vemos como resultado: la resistencia aumenta a medida que el cable se calienta. Este fenómeno se utiliza técnicamente en termómetros de resistencia.

Por lo tanto, el coeficiente de temperatura de resistencia α caracteriza la dependencia de la resistencia eléctrica de la sustancia con la temperatura y se mide en 1 / K - kelvin elevado a -1. El valor con el signo opuesto se llama coeficiente de temperatura de conductividad.

En cuanto a los semiconductores puros, el TCS es negativo para ellos, es decir, la resistencia disminuye al aumentar la temperatura, esto se debe a que a medida que aumenta la temperatura, cada vez pasan más electrones a la zona de conducción, mientras que la concentración de huecos también aumenta. . El mismo mecanismo es característico de los dieléctricos líquidos no polares y sólidos.

Los líquidos polares disminuyen drásticamente su resistencia al aumentar la temperatura debido a una disminución de la viscosidad y un aumento de la disociación. Esta propiedad se utiliza para proteger los tubos de electrones de los efectos destructivos de las altas corrientes de entrada.

Para aleaciones, semiconductores dopados, gases y electrolitos, la dependencia térmica de la resistencia es más compleja que para los metales puros. Las aleaciones con TCS muy bajo, como la manganina y el constantán, se utilizan en instrumentos de medicion electrica.