Como a resistência depende da temperatura

Em sua prática, todo eletricista encontra diferentes condições para a passagem de portadores de carga em metais, semicondutores, gases e líquidos. A magnitude da corrente é afetada pela resistência elétrica, que muda de várias maneiras sob a influência do ambiente.

Um desses fatores é a exposição à temperatura. Por alterar significativamente as condições do fluxo de corrente, é levado em consideração pelos projetistas na fabricação de equipamentos elétricos. O pessoal elétrico envolvido na manutenção e operação de instalações elétricas deve usar essas funções com competência no trabalho prático.

Efeito da temperatura na resistência elétrica dos metais

No curso de física da escola, propõe-se a realização de tal experimento: pegue um amperímetro, uma bateria, um pedaço de fio, fios de conexão e uma tocha. Em vez de um amperímetro com bateria, você pode conectar um ohmímetro ou usar seu modo em um multímetro.

Em seguida, você precisa montar o circuito elétrico mostrado na figura e medir a corrente no circuito.Seu valor é indicado na escala de miliamperímetros por uma seta preta.

Agora trazemos a chama do queimador até o fio e começamos a aquecê-lo. Se você olhar o amperímetro, verá que a agulha se moverá para a esquerda e atingirá a posição marcada em vermelho.

O resultado do experimento mostra que, quando os metais são aquecidos, sua condutividade diminui e sua resistência aumenta.

A justificativa matemática desse fenômeno é dada pelas fórmulas logo na figura. Na expressão inferior vê-se claramente que a resistência elétrica «R» do condutor metálico é diretamente proporcional à sua temperatura «T» e depende de vários outros parâmetros.

Como o aquecimento de metais limita a corrente elétrica na prática

Lâmpadas incandescentes

Todos os dias, quando as luzes são acesas, encontramos a manifestação dessa propriedade nas lâmpadas incandescentes. Vamos realizar medições simples em uma lâmpada de 60 watts.

Com o ohmímetro mais simples, alimentado por uma bateria de baixa tensão de 4,5 V, medimos a resistência entre os contatos da base e vemos o valor de 59 ohms. Esse valor pertence a um thread frio.

Vamos aparafusar a lâmpada no soquete e conectar a ela através do amperímetro a tensão da rede doméstica de 220 volts. A agulha do amperímetro indicará 0,273 amperes. De Lei de Ohm para uma seção de um circuito determine a resistência do fio no estado aquecido. Será 896 ohms e excederá a leitura anterior do ohmímetro em 15,2 vezes.

Esse excesso protege o metal do corpo luminoso de queima e destruição, garantindo sua operação de longo prazo sob tensão.

Transientes de inicialização

Quando o fio está trabalhando, é criado nele um equilíbrio térmico entre o aquecimento pela passagem da corrente elétrica e a remoção de parte do calor para o ambiente. Mas no estágio inicial de ligar, quando a tensão é aplicada, ocorrem transientes, criando uma corrente de irrupção, que pode causar a queima do filamento.

Os processos transitórios ocorrem por um curto período de tempo e são causados ​​pelo fato de que a taxa de aumento da resistência elétrica ao aquecer o metal não acompanha o aumento da corrente. Após sua conclusão, o modo de operação é estabelecido.

Quando a lâmpada brilha por muito tempo, a espessura de seu filamento atinge gradualmente um estado crítico, o que leva à queima.Na maioria das vezes, esse momento ocorre no próximo novo acendimento.

Para prolongar a vida útil da lâmpada, essa corrente de partida é reduzida de várias maneiras usando:

1. Dispositivos que fornecem alimentação e liberação suaves de tensão;

2. circuitos para conexão em série a um filamento de resistores, semicondutores ou termistores (termistores).

Um exemplo de uma maneira de limitar a corrente de irrupção para luminárias automotivas é mostrado na foto abaixo.

Aqui, a corrente é fornecida à lâmpada após a chave SA ser ligada através do fusível FU e limitada pelo resistor R, cujo valor nominal é escolhido para que a corrente de pico durante os transientes não exceda o valor nominal.

Quando o filamento é aquecido, sua resistência aumenta, o que leva a um aumento na diferença de potencial entre seus contatos e a bobina conectada em paralelo do relé KL1.Quando a tensão atingir o valor de ajuste do relé, o contato normalmente aberto de KL1 fechará e contornará o resistor. A corrente operacional do modo já estabelecido começará a fluir pela lâmpada.

Termômetro de resistência

O efeito da temperatura do metal em sua resistência elétrica é usado na operação de instrumentos de medição. Eles são chamados termômetros de resistência.

Seu elemento sensível é feito de um fino fio de metal cuja resistência é cuidadosamente medida em determinadas temperaturas. Esta rosca é montada em um invólucro com propriedades térmicas estáveis ​​e coberta por uma capa protetora. A estrutura criada é colocada em um ambiente cuja temperatura deve ser constantemente monitorada.

Os condutores do circuito elétrico são montados nos terminais do elemento sensível, que conectam o circuito de medição de resistência. Seu valor é convertido em valores de temperatura com base na calibração do dispositivo realizada anteriormente.

Barretter - estabilizador de corrente

Este é o nome de um dispositivo que consiste em um cilindro de vidro selado com gás hidrogênio e uma espiral de fio metálico feito de ferro, tungstênio ou platina. Este projeto se assemelha a uma lâmpada incandescente na aparência, mas tem uma característica específica de tensão de corrente não linear.

Na característica I - V, em uma determinada faixa, forma-se uma zona de trabalho, que não depende das flutuações da tensão aplicada ao elemento de aquecimento. Nesta área, o baret compensa bem a ondulação da fonte de alimentação e funciona como um estabilizador de corrente para uma carga conectada em série com ele.

O funcionamento do barrete é baseado nas propriedades de inércia térmica do corpo do filamento, que é proporcionada pela pequena seção transversal do filamento e pela alta condutividade térmica do hidrogênio que o envolve. Portanto, quando a tensão do dispositivo diminui, a remoção de calor de seu filamento é acelerada.

Essa é a principal diferença entre lâmpadas incandescentes e lâmpadas incandescentes, onde para manter o brilho do brilho, buscam diminuir a perda de calor por convecção do filamento.

Supercondutividade

Sob condições ambientais normais, quando um condutor de metal esfria, sua resistência elétrica diminui.

Quando a temperatura crítica é atingida, próxima de zero graus pelo sistema de medição Kelvin, ocorre uma queda acentuada da resistência para zero. A imagem à direita mostra tal dependência de mercúrio.

Esse fenômeno, chamado de supercondutividade, é considerado uma promissora área de pesquisa a fim de criar materiais que possam reduzir significativamente a perda de eletricidade durante sua transmissão a longas distâncias.

No entanto, estudos contínuos de supercondutividade revelam vários padrões em que outros fatores afetam a resistência elétrica de um metal na região de temperatura crítica. Em particular, quando a corrente alternada passa com um aumento na frequência de suas oscilações, ocorre uma resistência, cujo valor atinge a faixa de valores normais para harmônicos com um período de ondas de luz.

Efeito da temperatura na resistência/condutividade elétrica dos gases

Os gases e o ar normal são dielétricos e não conduzem eletricidade.Sua formação requer portadores de carga, que são íons formados como resultado de fatores externos.

O aquecimento pode causar ionização e movimento de íons de um pólo do meio para outro. Você pode verificar isso com o exemplo de um experimento simples. Vamos pegar o mesmo equipamento que foi usado para determinar o efeito do aquecimento na resistência de um condutor de metal, mas em vez de um condutor, conectamos duas placas de metal separadas por um espaço aéreo aos condutores.

Um amperímetro conectado ao circuito não mostrará corrente. Se a chama do queimador for colocada entre as placas, a seta do dispositivo se desviará de zero e mostrará o valor da corrente que passa pelo meio gasoso.

Assim, verificou-se que a ionização ocorre em gases quando aquecidos, o que leva ao movimento de partículas eletricamente carregadas e à diminuição da resistência do meio.

O valor da corrente é afetado pela potência da fonte externa de tensão aplicada e pela diferença de potencial entre seus contatos. É capaz de romper a camada isolante de gases em altos valores. Uma manifestação típica de tal caso na natureza é a descarga natural de um raio durante uma tempestade.

Uma visão aproximada da característica corrente-tensão do fluxo de corrente em gases é mostrada no gráfico.

No estágio inicial, sob a influência da temperatura e da diferença de potencial, observa-se um aumento da ionização e a passagem da corrente de forma aproximadamente linear. A curva então adquire uma direção horizontal quando um aumento na tensão não leva a um aumento na corrente.

O terceiro estágio de destruição ocorre quando a alta energia do campo aplicado acelera os íons para que eles comecem a colidir com moléculas neutras, formando maciçamente novos portadores de carga a partir deles. Como resultado, a corrente aumenta acentuadamente, formando uma quebra da camada dielétrica.

Uso prático da condutividade do gás

O fenômeno do fluxo de corrente através de gases é usado em lâmpadas de rádio-elétrons e lâmpadas fluorescentes.

Para isso, dois eletrodos são colocados em um cilindro de vidro selado com um gás inerte:

1. ânodo;

2. cátodo.

Em uma lâmpada fluorescente, eles são feitos na forma de filamentos que se aquecem ao serem ligados para criar radiação termiônica. A superfície interna do frasco é revestida com uma camada de fósforo. Ele emite o espectro visível de luz formado pela radiação infravermelha emitida pelo vapor de mercúrio bombardeado por um fluxo de elétrons.

A corrente de descarga ocorre quando uma tensão de um determinado valor é aplicada entre os eletrodos localizados em diferentes extremidades do bulbo.

Quando um dos filamentos queima, a emissão de elétrons desse eletrodo será perturbada e a lâmpada não queimará. No entanto, se você aumentar a diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo, uma descarga de gás aparecerá novamente dentro da lâmpada e a luminescência do fósforo será retomada.

Isso permite o uso de lâmpadas LED com filamentos danificados e prolongando sua vida útil. Deve-se ter em mente que ao mesmo tempo é necessário aumentar a tensão várias vezes, o que aumenta significativamente o consumo de energia e os riscos de uso seguro.

Efeito da temperatura na resistência elétrica de líquidos

A passagem de corrente em líquidos é criada principalmente devido ao movimento de cátions e ânions sob a ação de um campo elétrico externo. Apenas uma pequena fração da condutividade é fornecida pelos elétrons.

O efeito da temperatura na resistência elétrica de um eletrólito líquido é descrito pela fórmula mostrada na figura. Como o valor do coeficiente de temperatura α nele é sempre negativo, à medida que o aquecimento aumenta, a condutividade aumenta e a resistência diminui, conforme mostrado no gráfico.

Este fenômeno deve ser levado em consideração ao carregar baterias automotivas líquidas (e não apenas).

Efeito da temperatura na resistência elétrica de semicondutores

A alteração das propriedades dos materiais semicondutores sob a influência da temperatura possibilitou seu uso como:

• resistência térmica;

• termopares;

• refrigeradores;

• aquecedores.

Termistores

Este nome significa dispositivos semicondutores que mudam sua resistência elétrica sob a influência do calor. deles coeficiente de temperatura de resistência (TCR) significativamente maior do que a dos metais.

O valor TCR para semicondutores pode ser positivo ou negativo. De acordo com este parâmetro, eles são divididos em termistores positivos «RTS» e negativos «NTC». Eles têm características diferentes.

Para a operação do termistor, um dos pontos de sua característica corrente-tensão é selecionado:

• a seção linear é usada para controlar a temperatura ou compensar a mudança de correntes ou tensões;

• o ramo descendente da característica I — V de elementos com TCS <0 permite o uso de um semicondutor como relé.

O uso de um termistor de relé é conveniente para monitorar ou medir processos de radiação eletromagnética que ocorrem em frequências ultra-altas. Isso garante seu uso em sistemas:

1. controle de calor;

2. alarme de incêndio;

3. regulação da vazão de meios a granel e líquidos.

Termistores de silício com um pequeno TCR > 0 são usados ​​em sistemas de resfriamento e estabilização de temperatura de transistores.

Termopares

Esses semicondutores funcionam com base no fenômeno de Seebeck: quando a junta de solda de dois metais dispersos é aquecida, ocorre uma EMF na junção de um circuito fechado. Dessa forma, eles convertem energia térmica em energia elétrica.

Uma construção de dois desses elementos é chamada de termopar. Sua eficiência está dentro de 7 ÷ 10%.

Os termopares são usados ​​em termômetros para dispositivos de computação digital que requerem tamanho em miniatura e alta precisão de leitura, bem como fontes de corrente de baixa potência.

Aquecedores e refrigeradores semicondutores

Eles funcionam reutilizando termopares por onde passa uma corrente elétrica. Nesse caso, em um local da junção é aquecido e, no oposto, é resfriado.

Conexões de semicondutores à base de selênio, bismuto, antimônio, telúrio permitem garantir uma diferença de temperatura no termopar de até 60 graus. Isso possibilitou a criação de um design de geladeira a partir de semicondutores com temperatura na câmara de resfriamento de até -16 graus.