Как влияет нагрев на величину сопротивления
Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается в результате увеличения скорости движения атомов в материале проводника с возрастанием температуры. Удельное сопротивление электролитов и угля при нагревании, наоборот, уменьшается, так как у этих материалов, кроме увеличения скорости движения атомов и молекул, возрастает число свободных электронов и ионов в единице объема.
Некоторые сплавы, обладающие большим удельным сопротивлением, чем составляющие их металлы, почти не меняют удельного сопротивления с нагревом (константан, манганин и др.). Это объясняется неправильной структурой сплавов и малым средним временем свободного пробега электронов.
Величина, показывающая относительное увеличение сопротивления при нагреве материала на 1° (или уменьшение при охлаждении на 1°), называется температурным коэффициентом сопротивления .
Если температурный коэффициент обозначить через α , удельное сопротивление при to =20 о через ρ o , то при нагреве материала до температуры t1 его удельное сопротивление p1 = ρ o + αρ o (t1 — to) = ρ o(1 + ( α (t1 — to))
и соответственно R1 = Ro (1 + ( α (t1 — to))
Температурный коэффициент а для меди, алюминия, вольфрама равен 0,004 1/град. Поэтому при нагреве на 100° их сопротивление возрастает на 40%. Для железа α = 0,006 1/град, для латуни α = 0,002 1/град, для фехрали α = 0,0001 1/град, для нихрома α = 0,0002 1/град, для константана α = 0,00001 1/град, для манганина α = 0,00004 1/град. Уголь и электролиты имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Температурный коэффициент для большинства электролитов равен примерно 0,02 1/град.
Свойство проводников изменять свое сопротивления в зависимости от температуры используется в термометрах сопротивления . Измеряя сопротивление, определяют расчетным путем окружающую температуру.Константан, манганин и другие сплавы, имеющие очень небольшой температурный коэффициент сопротивления применяют для изготовления шунтов и добавочных сопротивлений к измерительным приборам.
Пример 1. Как изменится сопротивление Ro железной проволоки при нагреве ее на 520°? Температурный коэффициент а железа 0,006 1/град. По формуле R1 = Ro + Ro α (t1 — to) = Ro + Ro 0,006 ( 520 — 20 ) = 4 Ro , то есть сопротивление железной проволоки при нагреве ее на 520° возрастет в 4 раза.
Пример 2. Алюминиевые провода при температуре -20° имеют сопротивление 5 ом. Необходимо определить их сопротивление при температуре 30°.
R2 = R1 — α R1 (t2 — t1) = 5 + 0 , 004 х 5 (30 — (-20)) = 6 ом.
Свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление при нагреве или охлаждении используется для измерения температур. Так, термосопротивления , представляющие собой проволоку из платины или чистого никеля, вплавленные в кварц, применяются для измерения температур от -200 до +600°. Полупроводниковые термосопротивления с большим отрицательным коэффициентом применяются для точного определения температур в более узких диапазонах.
Полупроводниковые термосопротивления, применяемые для измерения температур называют термисторами .
Термисторы имеют высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления, то есть при нагреве их сопротивление уменьшается. Термисторы выполняют из оксидных (подвергнутых окислению) полупроводниковых материалов, состоящих из смеси двух или трех окислов металлов. Наибольшее распространение имеют медно-марганцевые и кобальто-марганцевые термисторы. Последние более чувствительны к температуре.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Нагревание проводников электрическим током
Одним из свойств электрического тока является нагрев проводников, по которым он протекает. Этот эффект был замечен многими исследователями, но его понимание пришло только выяснения механизма взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами проводников. Нагрев приводит к выделению тепла и повышению температуры, а количество выделяемого тепла можно рассчитать с помощью формулы закона Джоуля-Ленца.
Почему нагреваются проводники
Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В проводниках этими частицами выступают отрицательно заряженные электроны. Воздействие электрического поля сообщает электронам дополнительную кинетическую энергию. В процессе движения они сталкиваются с атомами (или молекулами) проводника, отдавая часть приобретенной энергии. По этой причине начинает увеличиваться внутренняя энергия вещества, что приводит к повышению температуры и выделению тепла.
Если взять обычную лампочку накаливания и подключить ее к источнику напряжения через реостат (переменное сопротивление), то можно наблюдать тепловой эффект от протекания тока. Постепенно увеличивая ток, мы можем сначала на ощупь почувствовать, что стеклянная колба лампочки постепенно начнет нагреваться, а затем увидим, как начинает светиться раскаленная нить накаливания.
Заметим, что в этом эксперименте подводящие провода сильно не нагреваются и не светятся. Это происходит потому, что сопротивление нити накаливания намного больше сопротивления подводящих проводов .
Закон Джоуля-Ленца
На основании этого и других экспериментов можно сделать следующие предположения:
- чем больше сопротивление, тем сильнее нагреваются проводники. То есть количество теплоты Q, которое выделяется при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорционально величине сопротивления проводника R;
- чем больше сила тока, тем большее количества тепла выделяется. При возрастании тока большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени, то есть число столкновений возрастает, а значит больше энергии передается атомам проводника.
Формулу для вычисления количества тепла получили независимо друг от друга в 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль и российский ученый Эмилий Ленц:
Q — количество теплоты, Дж;
Согласно закону Ома:
где U — напряжение, В.
Пользуясь этой формулой, закон Джоуля-Ленца может быть представлен еще в одном варианте, когда известно напряжение на участке проводника, а сила тока неизвестна:
Формулы закона Джоуля-Ленца справедливы тогда, когда работа, совершаемая электрическим током идет исключительно на нагревание. Если в цепи есть потребление энергии на выполнение механической работы (электродвигатель) или на совершение химических реакций (электролит), то для расчета необходимо применять другие формулы.
Плюсы и минусы от нагрева электрическим током
- Плюсы. Нагревание проводников электрическим током находит свое применение в различных полезных приборах и устройствах: электроплитах, чайниках, кофеварках, кипятильниках, фенах, утюгах, обогревателях.
- Минусы. Очень часто инженерам-электронщикам приходится бороться с этим эффектом для того, чтобы, например, обеспечить работоспособность электронных плат, которые напичканы огромным количеством электронных деталей, микросхем и т.д. Все эти элементы греются в соответствие с законом Джоуля-Ленца. И если не предпринять меры для принудительного охлаждения с помощью металлических радиаторов или вентиляторов (кулеров), то платы быстро выйдут из строя от перегрева.
Часто для быстрого соединения проводов многие пользуются способом “скрутки”. Это приводит к значительному увеличению сопротивления, а следовательно, место “скрутки” будет греться сильнее, чем остальная часть проводки. Поэтому скрутка проводов часто бывает причиной пожаров в домах и квартирах. Для улучшения контакта требуется хорошо пропаять это место.
Что мы узнали?
Итак, мы поговорили кратко о нагревании проводников электрическим током. Нагрев проводников происходит из-за того, что электроны, движущиеся упорядоченно с определенной скоростью, сталкиваются с атомами вещества и отдают часть своей энергии, которая переходит в тепло. Количество тепла можно определить, применив формулу Джоуля-Ленца.
Чем больше сопротивление, тем проводник нагревается больше или меньше?
Спорим уже полгода с папой, он говорит что чем сопротивление проводника больше, тем он слабее нагревается.
Его аргументы:
1) если взять 2 лампочки на 100 и 60 Вт например, то в 100 ваттной лампочке сопротивление меньше ( измеряли сами) , а она горит сильнее (то есть нагревается вольфрамовая нить сильнее). В 60 ваттной наоборот.
2) воздух можно принять не за диэлектрик, а за проводник с колоссальным сопротивлением. Почему же тогда воздух вокруг розетки не нагревается, ведь там по сути 2 дырки — 2 конца проводника, а воздух между ними резистор с огромным сопротивлением.
Мои же аргументы за то, что чем больше сопротивление, тем сильнее нагревается резистор.
1) Закон Джоуля-Ленца Q=I^2*R*t
2) Все нагревательные элементы имеют большое сопротивление, все ясно.
3) Чем больше сопротивление, тем больше электронов сталкиваются с частицами вещества, что и вызывает нагревание.
4) Провода делают из металлов низкого сопротивления для того, что бы не было потерь энергии на их нагрев.
Необоснованные ответы не интересуют, мы тоже не дураки. Знаю, что многие придерживаются моей точки зрения, но как обьяснить эффект с лампочкой?
Лучший ответ
при постоянном напряжении (а оно таково в электрической сети) количество выделевшейся теплоты обратно пропорционально сопротивлению Q=U^2*t/R (1). кто-то может возразить (пункт 1): а почему нельзя считать Q по формле Q=J^2R*t (2), мол тогда Q прямопропорционально сопротивлению. возражения таковы: при росте R в n раз напряжение U не меняется, поэтому Q уменьшается в n раз Qn=U^2*t/nR=Q/n, в то же время при росте R в n раз сила тока уменьшается в n раз Jn=U/nR=J/n и Q уменьшается в n раз, т. к. сила тока в формуле стоит в квадрате. Qn=(J^2/n^2)*nR*t=Q/n. возражение по пункту 3. нагревание определяется не количеством электронов, а их суммарной ктинетической энергией, если Q=mV^2/2, то Qn=nm(V/n)^2/2=mV^2/2n=Q/n, т. к. скорость уменьшается в n раз. (опять квадрат сыграл свою роль) . пунк 2. нагревательные элементы имеют большое сопротивление, чтобы ограничить выделение теплоты и не допустить перегорания. укорачивая спираль плитки, мы вызываем более сильный нагрев ее и повышаемшанс ее перегорания. на 4 нет места.
Остальные ответы
Если проводник подключается к источнику определенного напряжения, то чем меньше его сопротивление, тем больше нагрев. Потому что, по закону Ома, больше ток! Вот тут и работает Джоуль-Ленц.
Но если проводник включен в цепь с определенным током, то чем меньше сопротивление, тем меньше греется. Опять Джоуль-Ленц, и ваш пункт 4). Здесь ток определяется другими элементами цепи.
Чуваки вы чё , вот сопротивляется человек вам же трудно будет его заломать , а если он принял свою судьбу не брыкается вам же легче будет ,сопротивление от слова сопротивляться ,чуваки.
Нагрев проводников , Теория
Вопрос вот какой: Как известно ТЭНы нагреваются из-за того, что они обладают большим сопротивлением протекающему току.
В тоже время они имеют большую мощность. Например, средний ТЭН имеет 2 кВт. Питающее напряжение-220В.
т.е. ток через ТЭН = 9А. Сопротивление ТЭНа = 24 Ома.
Разве это большое сопротивление?
Или для материала из которого сделан ТЭН это большое сопротивление?
Почему же он так сильно нагревается?
Dimka1
Просмотр профиля
14.6.2013, 10:57
Группа: Пользователи
Сообщений: 3767
Регистрация: 2.1.2013
Пользователь №: 29924
Цитата(Гость_Александр_* @ 14.6.2013, 10:49)
Вопрос вот какой: Как известно ТЭНы нагреваются из-за того, что они обладают большим сопротивлением протекающему току.
маленьким, поэтому и греются.
с2н5он
Просмотр профиля
14.6.2013, 11:15
Группа: Модераторы
Сообщений: 22753
Регистрация: 12.7.2009
Из: Вологодская область
Пользователь №: 14996
U=IxR почитайте при большем или меньшем сопротивлении будет больший ток, вследствие которого будет больший нагрев
интереснее всего в этом вранье то, что оно враньё от первого до последнего слова
14.6.2013, 11:41
Чем большее сопротивление оказывают частицы проводника прохождению электрического тока, тем больше энергии теряют электроны, тем сильнее нагревается проводник, так как вся потерянная электронами энергия превращается в тепло.
с2н5он
Просмотр профиля
14.6.2013, 12:34
Группа: Модераторы
Сообщений: 22753
Регистрация: 12.7.2009
Из: Вологодская область
Пользователь №: 14996
формулу в студию
интереснее всего в этом вранье то, что оно враньё от первого до последнего слова
ORGANIZM®
Просмотр профиля
14.6.2013, 12:51
Группа: Пользователи
Сообщений: 1240
Регистрация: 9.7.2011
Из: Новороссийск
Пользователь №: 23506
С2НОН
+ апельсиновый сок И нагрев пошел, хотя тока из холодильника Или аналог из теории общей электротехники. I=U/R. Чем ближе сопротивление к нулю, тем выше ток и, следовательно нагрев. Ну и, разумеется, нихром — провод с высоким удельным сопротивлением на метр и высокой температурой плавления. Поэтому применяют именно его. Вольфрам канешна круче, но очень уж дорого.
Сообщение отредактировал ORGANIZM® — 14.6.2013, 13:09
зелёный желторот.
зелёный желторотик
Просмотр профиля
14.6.2013, 14:13
Группа: Пользователи
Сообщений: 2729
Регистрация: 1.5.2011
Из: Белоозёрский (Воскресенский район, М.О.)
Пользователь №: 22661
А по-моему, вся разница в том, что перепутаны (вернее, смешаны в одно) проводник тока и потребитель тока.
Провода, которые от электростанции до розетки, имеют условное нулевое сопротивление. Но если в розетку воткнуть ножницы (тоже с сопротивлением — условный 0 Ом) — вот и будет нагрев.
«Умный в гору не пойдёт, умный гору обойдёт. » — сказал муравей, подползая к рельсам.
с2н5он
Просмотр профиля
14.6.2013, 15:42
Группа: Модераторы
Сообщений: 22753
Регистрация: 12.7.2009
Из: Вологодская область
Пользователь №: 14996
Цитата(зелёный желторотик @ 14.6.2013, 15:13)
имеют условное нулевое сопротивление.
логичнее сказать не имеет места разница потенциалов, условно равна нулю
интереснее всего в этом вранье то, что оно враньё от первого до последнего слова
15.6.2013, 21:13
Цитата(Гость_Александр_* @ 14.6.2013, 10:49)
Вопрос вот какой: Как известно ТЭНы нагреваются из-за того, что они обладают большим сопротивлением протекающему току.
В тоже время они имеют большую мощность. Например, средний ТЭН имеет 2 кВт. Питающее напряжение-220В.
т.е. ток через ТЭН = 9А. Сопротивление ТЭНа = 24 Ома.
Разве это большое сопротивление?
Или для материала из которого сделан ТЭН это большое сопротивление?
Почему же он так сильно нагревается?
Профессионалы вообще-то должны в какой-то степени владеть ТОЭ. Но если нет — то все же.
Выделяемая мощность (измеренная в ваттах) определяется как произведение напряжения (измеренного в вольтах) на ток (измеренный в амперах). Мощность, в свою очередь, по законам термодинамики преобразуется рано или поздно в тепло. Энтропия есть такой неотъемлемый элемент нашей природы, если бы ее не было, и нас бы не было.
А большое это сопротивление или малое — вопрос философский. Главное, что разработчики ТЭН приняли именно это сопротивление, оптимально соответствующее поставленной задаче. Возьмем сопротивление в 10 раз больше — при том же напряжении будет выделяться в 10 раз меньше мощность (по формуле S=U2/R). Тьфу, напряжение в квадрате занести в сторку сообщения не могу. Если сопротивление будет бесконечным, мощность будет нулевой. Если же сопротивление будет куда меньше (практически нулевым), то там опять же мощность ниже. Вся мощность будет выделяться в питающих проводах.
13.7.2013, 16:37
Представим эквивалентную схему замещения данного случая.
Это будет последовательное соединение следующих элементов (для простоты возьмем, что это цепь постоянного тока — в данном случае непринципиально) — источник ЭДС генератора, внутреннее сопротивление генератора — Rген, сопротивление электрической сети (вместе с сопротивлением коммутационной аппаратуры и контактов) — Rсеть, сопротивление ТЭНов — Rтэн (ну или сопротивление нагрузки любого типа).
В электроэнергетике всегда будет верно соотношение
Rтэн >> (много больше, чем) Rген+Rсеть (причем это не зависит от фактического значения — Rтэн), отсюда и следствие, что на Rтэн (то есть на нагревательном элементе) выделяется тепла много больше, чем в генераторе и сети, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, так как при последовательном соединении ток одинаков для всех элементов цепи.
Возьмем случай максимума выделяемой мощности на нагрузке, из теории электротехники мы знаем, что это возможно, когда Rтэн=Rген+Rсеть, но в данном случае КПД передачи электрической энергии от генератора до нагрузки будет равен 50%. С энергетической точки зрения это нерационально, а вот в радиотехнике данный режим очень типичен, так как энергетические показатели в радиотехнике уже не играют такой роли, как в электроэнергетике.
haramamburu
Просмотр профиля
15.7.2013, 0:48
Группа: Пользователи
Сообщений: 4022
Регистрация: 27.9.2009
Из: Дмитров
Пользователь №: 15685
чем глупее вопрос.. тем больше философии..
Задавая вопрос, необходимо знать ответ процентов на 70. В противном случае задавать его бессмысленно:
из ответа все равно ничего не будет понятно.
ScorpionXXX
Просмотр профиля
15.7.2013, 9:32
Группа: Пользователи
Сообщений: 412
Регистрация: 31.12.2006
Пользователь №: 7989
Читал одну книжку там было написано про это.
дело в то что проводники имеют атомную-кристаллическую структуру. Электроны двигаясь по проводнику под действием магнитного поля сталкиваются с протонами (или нейтронами или еще с чем-то) и при этом выделятся энергия (тепло). Разные проводники имеют разную структуру где-то электроны могут проскочить менее задевая своих собратьев, где-то более. Беря проводник большего сечения мы даем больше возможности проскочить без столкновений. Ну и конечно плотность тока, т.е. больше электронов и соответственно больше нагрев.
Из всего вышесказанного можно понять что в нормальных условиях тепло всегда выделяется при любом токе, только выделение тепла в определенном случае может быть мало и за счет процесса теплообмена с окружающей средой нам кажется что проводник не греется, но на самом деле он нагревается только тепло сразу попадает во внешнюю среду. Тока много как в ТЭНе процесс теплообмена не справляется и тен начинает нагреваться.
конечно все что я написал не претендует на научную работу, но на пальцах вроде понятно.
24.7.2013, 7:21
ТЭН нагревается по причине выделение тепловой энергии на ограниченной площади. Теоритечески ТЭН можно сделать из отрезка изолированного проводника, с медной жило, сеч. 1,5 мм2, длиной 1000м, уложеного на максимально компактной площади. При подключенни к источнику напряжения 220 в ( сетевое 1 ф напряжение) получим примерно 4 кВт тепловыделения, при номинальной токовой нагрузке на проводник.
ink_elec
Просмотр профиля
24.7.2013, 7:36
Группа: Пользователи
Сообщений: 2308
Регистрация: 6.3.2010
Из: г. Павлодар
Пользователь №: 17599