Comment la résistance dépend de la température

Dans sa pratique, chaque électricien rencontre des conditions différentes pour le passage des porteurs de charge dans les métaux, les semi-conducteurs, les gaz et les liquides. L'amplitude du courant est affectée par la résistance électrique, qui change de différentes manières sous l'influence de l'environnement.

L'un de ces facteurs est l'exposition à la température. Puisqu'il modifie considérablement les conditions de circulation du courant, il est pris en compte par les concepteurs dans la fabrication des équipements électriques. Le personnel électricien impliqué dans la maintenance et l'exploitation des installations électriques doit utiliser ces fonctions avec compétence dans les travaux pratiques.

Effet de la température sur la résistance électrique des métaux

Dans le cours de physique de l'école, il est proposé de mener une telle expérience: prenez un ampèremètre, une pile, un morceau de fil, des fils de connexion et une torche. Au lieu d'un ampèremètre avec une batterie, vous pouvez connecter un ohmmètre ou utiliser son mode dans un multimètre.

Ensuite, vous devez assembler le circuit électrique illustré sur l'image et mesurer le courant dans le circuit.Sa valeur est indiquée sur l'échelle du milliampèremètre par une flèche noire.

Maintenant, nous amenons la flamme du brûleur au fil et commençons à le chauffer. Si vous regardez l'ampèremètre, vous verrez que l'aiguille se déplacera vers la gauche et atteindra la position marquée en rouge.

Le résultat de l'expérience montre que lorsque les métaux sont chauffés, leur conductivité diminue et leur résistance augmente.

La justification mathématique de ce phénomène est donnée par les formules directement dans l'image. Dans l'expression inférieure on voit clairement que la résistance électrique « R » du conducteur métallique est directement proportionnelle à sa température « T » et dépend de plusieurs autres paramètres.

Comment le chauffage des métaux limite le courant électrique dans la pratique

Lampes incandescentes

Chaque jour, lorsque les lumières sont allumées, nous rencontrons la manifestation de cette propriété dans les lampes à incandescence. Effectuons des mesures simples sur une ampoule de 60 watts.

Avec l'ohmmètre le plus simple, alimenté par une pile basse tension de 4,5 V, on mesure la résistance entre les contacts de la base et on voit la valeur de 59 ohms. Cette valeur appartient à un thread froid.

Nous allons visser l'ampoule dans la douille et y connecter via l'ampèremètre la tension du réseau domestique de 220 volts. L'aiguille de l'ampèremètre indiquera 0,273 ampères. Depuis Loi d'Ohm pour une section d'un circuit déterminer la résistance du fil à l'état chauffé. Il sera de 896 ohms et dépassera de 15,2 fois la lecture précédente de l'ohmmètre.

Cet excès protège le métal du corps lumineux de la combustion et de la destruction, assurant son fonctionnement à long terme sous tension.

Transitoires à la mise sous tension

Lorsque le fil fonctionne, un équilibre thermique se crée sur celui-ci entre l'échauffement par le passage du courant électrique et l'évacuation d'une partie de la chaleur vers l'environnement. Mais lors de la phase initiale de mise sous tension, lorsque la tension est appliquée, des transitoires se produisent, créant un courant d'appel, ce qui peut provoquer l'épuisement du filament.

Les processus transitoires se produisent pendant une courte période et sont causés par le fait que le taux d'augmentation de la résistance électrique lors du chauffage du métal ne suit pas le rythme de l'augmentation du courant. Après leur achèvement, le mode de fonctionnement est établi.

Lorsque la lampe brille pendant une longue période, l'épaisseur de son filament atteint progressivement un état critique, ce qui conduit à la combustion.Le plus souvent, ce moment se produit au prochain nouvel allumage.

Pour prolonger la durée de vie de la lampe, ce courant d'appel est réduit de différentes manières en utilisant :

1. dispositifs assurant une alimentation et un relâchement en douceur de la tension ;

2. circuits pour connexion en série à un filament de résistances, semi-conducteurs ou thermistances (thermistances).

Un exemple d'une façon de limiter le courant d'appel pour les luminaires automobiles est illustré sur la photo ci-dessous.

Ici, le courant est fourni à l'ampoule après la mise sous tension de l'interrupteur SA via le fusible FU et est limité par la résistance R, dont la valeur nominale est choisie de sorte que le courant d'appel pendant les transitoires ne dépasse pas la valeur nominale.

Lorsque le filament est chauffé, sa résistance augmente, ce qui entraîne une augmentation de la différence de potentiel entre ses contacts et la bobine connectée en parallèle du relais KL1.Lorsque la tension atteint la valeur de réglage du relais, le contact normalement ouvert de KL1 se ferme et contourne la résistance. Le courant de fonctionnement du mode déjà établi commencera à circuler dans l'ampoule.

Thermomètre à résistance

L'effet de la température du métal sur sa résistance électrique est utilisé dans le fonctionnement des instruments de mesure. Elles sont appelées thermomètres à résistance.

Leur élément sensible est constitué d'un fin fil métallique dont la résistance est soigneusement mesurée à certaines températures. Ce fil est monté dans un boîtier aux propriétés thermiques stables et recouvert d'un capot de protection. La structure créée est placée dans un environnement dont la température doit être surveillée en permanence.

Les conducteurs du circuit électrique sont montés sur les bornes de l'élément sensible, qui relient le circuit de mesure de résistance. Sa valeur est convertie en valeurs de température en fonction de l'étalonnage de l'appareil effectué précédemment.

Barretter — stabilisateur de courant

C'est le nom d'un appareil composé d'un cylindre scellé en verre avec de l'hydrogène gazeux et une spirale de fil métallique en fer, tungstène ou platine. Cette conception ressemble à une ampoule à incandescence en apparence, mais a une caractéristique courant-tension non linéaire spécifique.

Sur la caractéristique I - V, dans une certaine plage de celle-ci, une zone de travail est formée, qui ne dépend pas des fluctuations de la tension appliquée à l'élément chauffant. Dans cette zone, le baret compense bien l'ondulation de l'alimentation et fonctionne comme un stabilisateur de courant pour une charge connectée en série avec lui.

Le fonctionnement de la barrette repose sur les propriétés d'inertie thermique du corps du filament, qui est assurée par la faible section du filament et la conductivité thermique élevée de l'hydrogène qui l'entoure. Par conséquent, lorsque la tension de l'appareil diminue, l'évacuation de la chaleur de son filament s'accélère.

C'est la principale différence entre les lampes à incandescence et les lampes à incandescence, où afin de maintenir la luminosité de la lueur, elles cherchent à réduire la perte de chaleur par convection du filament.

Supraconductivité

Dans des conditions ambiantes normales, lorsqu'un conducteur métallique refroidit, sa résistance électrique diminue.

Lorsque la température critique est atteinte, proche de zéro degré selon le système de mesure Kelvin, il y a une chute brutale de la résistance jusqu'à zéro. La photo de droite montre une telle dépendance au mercure.

Ce phénomène, appelé supraconductivité, est considéré comme un domaine de recherche prometteur afin de créer des matériaux capables de réduire considérablement la perte d'électricité lors de sa transmission sur de longues distances.

Cependant, des études continues sur la supraconductivité révèlent un certain nombre de modèles où d'autres facteurs affectent la résistance électrique d'un métal dans la région de température critique. En particulier, lorsque le courant alternatif passe avec une augmentation de la fréquence de ses oscillations, il se produit une résistance dont la valeur atteint la plage des valeurs normales pour les harmoniques avec une période d'ondes lumineuses.

Effet de la température sur la résistance électrique / conductivité des gaz

Les gaz et l'air normal sont des diélectriques et ne conduisent pas l'électricité.Sa formation nécessite des porteurs de charge, qui sont des ions formés à la suite de facteurs externes.

Le chauffage peut provoquer une ionisation et un déplacement des ions d'un pôle du milieu à l'autre. Vous pouvez vérifier cela avec l'exemple d'une expérience simple. Prenons le même équipement qui a été utilisé pour déterminer l'effet du chauffage sur la résistance d'un conducteur métallique, mais au lieu d'un conducteur, nous connectons deux plaques métalliques séparées par une lame d'air aux conducteurs.

Un ampèremètre connecté au circuit n'affichera aucun courant. Si la flamme du brûleur est placée entre les plaques, la flèche de l'appareil s'écartera de zéro et indiquera la valeur du courant traversant le milieu gazeux.

Ainsi, il a été constaté que l'ionisation se produit dans les gaz lorsqu'ils sont chauffés, ce qui entraîne le mouvement de particules chargées électriquement et une diminution de la résistance du milieu.

La valeur du courant est affectée par la puissance de la source de tension externe appliquée et la différence de potentiel entre ses contacts. Il est capable de percer la couche isolante de gaz à des valeurs élevées. Une manifestation typique d'un tel cas dans la nature est la décharge naturelle de la foudre lors d'un orage.

Une vue approximative de la caractéristique courant-tension du flux de courant dans les gaz est indiquée dans le graphique.

Au stade initial, sous l'influence de la température et de la différence de potentiel, une augmentation de l'ionisation et du passage du courant est observée de manière approximativement linéaire. La courbe acquiert alors une direction horizontale lorsqu'une augmentation de tension n'entraîne pas d'augmentation de courant.

La troisième étape de destruction se produit lorsque la haute énergie du champ appliqué accélère les ions de sorte qu'ils commencent à entrer en collision avec des molécules neutres, en formant massivement de nouveaux porteurs de charge. En conséquence, le courant augmente fortement, formant une rupture de la couche diélectrique.

Utilisation pratique de la conductivité des gaz

Le phénomène de circulation du courant dans les gaz est utilisé dans les lampes à radioélectrons et les lampes fluorescentes.

A cet effet, deux électrodes sont placées dans un cylindre de verre scellé avec un gaz inerte :

1. anode ;

2. cathode.

Dans une lampe fluorescente, ils se présentent sous la forme de filaments qui s'échauffent lorsqu'ils sont allumés pour créer un rayonnement thermionique. La surface intérieure du flacon est recouverte d'une couche de phosphore. Il émet le spectre visible de la lumière formé par le rayonnement infrarouge émis par la vapeur de mercure bombardée par un flux d'électrons.

Le courant de décharge se produit lorsqu'une tension d'une certaine valeur est appliquée entre les électrodes situées à différentes extrémités de l'ampoule.

Lorsque l'un des filaments brûle, l'émission d'électrons de cette électrode sera perturbée et la lampe ne s'éteindra pas. Cependant, si vous augmentez la différence de potentiel entre la cathode et l'anode, une décharge gazeuse apparaîtra à nouveau à l'intérieur de l'ampoule et la luminescence du phosphore reprendra.

Cela permet d'utiliser des ampoules LED avec des filaments endommagés et de prolonger leur durée de vie. Il convient seulement de garder à l'esprit qu'en même temps, il est nécessaire d'augmenter plusieurs fois la tension, ce qui augmente considérablement la consommation d'énergie et les risques d'une utilisation en toute sécurité.

Effet de la température sur la résistance électrique des liquides

Le passage du courant dans les liquides est créé principalement en raison du mouvement des cations et des anions sous l'action d'un champ électrique externe. Seule une petite fraction de la conductivité est fournie par les électrons.

L'effet de la température sur la résistance électrique d'un électrolyte liquide est décrit par la formule indiquée sur l'image. Étant donné que la valeur du coefficient de température α est toujours négative, alors à mesure que le chauffage augmente, la conductivité augmente et la résistance diminue, comme le montre le graphique.

Ce phénomène doit être pris en compte lors de la charge de batteries automobiles liquides (et pas seulement).

Effet de la température sur la résistance électrique des semi-conducteurs

La modification des propriétés des matériaux semi-conducteurs sous l'influence de la température a permis de les utiliser comme :

• résistance thermique;

• thermocouples;

• réfrigérateurs;

• radiateurs.

Thermistances

Ce nom désigne les dispositifs semi-conducteurs qui modifient leur résistance électrique sous l'influence de la chaleur. Les leurs coefficient de température de résistance (TCR) nettement supérieur à celui des métaux.

La valeur TCR pour les semi-conducteurs peut être positive ou négative. Selon ce paramètre, ils sont divisés en thermistances positives « RTS » et négatives « NTC ». Ils ont des caractéristiques différentes.

Pour le fonctionnement de la thermistance, l'un des points de sa caractéristique courant-tension est sélectionné :

• la section linéaire est utilisée pour contrôler la température ou compenser les changements de courants ou de tensions ;

• la branche descendante de la caractéristique I — V des éléments avec TCS <0 permet l'utilisation d'un semi-conducteur comme relais.

L'utilisation d'une thermistance de relais est pratique pour surveiller ou mesurer les processus de rayonnement électromagnétique se produisant à des fréquences ultra-élevées. Cela garantit leur utilisation dans les systèmes :

1. contrôle de la chaleur ;

2. alarme incendie ;

3. régulation du débit des fluides en vrac et des liquides.

Les thermistances au silicium avec un petit TCR > 0 sont utilisées dans les systèmes de refroidissement et la stabilisation de la température des transistors.

Thermocouples

Ces semi-conducteurs fonctionnent sur la base du phénomène Seebeck : lorsque le joint de soudure de deux métaux dispersés est chauffé, une FEM se produit à la jonction d'un circuit fermé. De cette façon, ils convertissent l'énergie thermique en énergie électrique.

Une construction de deux de ces éléments s'appelle un thermocouple. Son efficacité est de 7 ÷ 10%.

Les thermocouples sont utilisés dans les thermomètres pour les appareils informatiques numériques nécessitant une taille miniature et une précision de lecture élevée, ainsi que des sources de courant à faible puissance.

Radiateurs et réfrigérateurs à semi-conducteurs

Ils fonctionnent en réutilisant des thermocouples traversés par un courant électrique. Dans ce cas, à un endroit de la jonction, il est chauffé et à l'opposé, il est refroidi.

Les connexions semi-conductrices à base de sélénium, bismuth, antimoine, tellure permettent d'assurer une différence de température dans le thermocouple jusqu'à 60 degrés. Cela a permis de créer une conception de réfrigérateur à partir de semi-conducteurs avec une température dans la chambre de refroidissement allant jusqu'à -16 degrés.