En nyckel till effektiv elektroteknik: Introduktion till temperaturkoefficienten för motstånd
Temperaturkoefficienten för motstånd (TCR) mäter hur ett material motstånd förändras med temperaturen.Den här egenskapen är viktig för att utforma och förbättra elektroniska delar som används i många branscher.När temperaturen ökar rör sig vägen och molekylerna i materialförändringar och påverkar deras elektriska och fysiska egenskaper.Den här artikeln förklarar TCR med enkel matematik, visar dess betydelse i material som metaller och halvledare och belyser dess imponerande roll i vardagliga elektronik- och säkerhetssystem, såsom de i kärnreaktorer.Att veta hur temperatur påverkar material hjälper ingenjörer och forskare att förutsäga beteende och se till att tekniken fungerar bra i olika temperaturer.Katalog
Figur 1: Temperaturkoefficient
Temperaturkoefficient`
Temperaturkoefficienten, betecknad som a, mäter den relativa förändringen i en fysisk egenskap R som svar på en förändring i temperaturen DT.Förhållandet representeras matematiskt av formeln:
Där a uttrycks som en omvänd temperatur, vanligtvis i enheter som 1/k eller k - 1.När αΔT förblir mindre än 1 kan en linjär tillnärmning appliceras effektivt.Denna tillnärmning möjliggör beräkning av R vid en given temperatur T baserat på dess kända värde vid en referenstemperatur T0, uttryckt som:
där ΔT representerar skillnaden mellan T och T0.Denna linjära tillvägagångssätt förenklar uppskattningarna men är i allmänhet endast tillämplig när temperaturskillnaden är liten och a är relativt konstant.Användningen av temperaturkoefficienter sträcker sig över olika vetenskapliga och industriella tillämpningar, särskilt för att karakterisera de elektriska och magnetiska egenskaperna hos material, såväl som deras reaktivitet, med typiska värden mellan 2 och 3 för de flesta reaktioner.
Motståndskoefficient
Bild 2: Motstånd och temperaturillustration
Temperaturkoefficienten för motstånd (TCR) mäter hur ett materials elektriska motstånd förändras med temperaturen.Vid utformning av elektriska komponenter som fungerar pålitligt vid ett temperaturområde behövs detta attribut.TCR är särskilt värdefullt för metaller, där motstånd vanligtvis stiger när temperaturen ökar.Detta händer eftersom högre temperaturer orsakar fler elektronkollisioner, vilket bromsar flödet av elektrisk ström.
Förhållandet mellan motstånd och temperatur visas av ekvationen:
I denna formel:
R är motståndet vid temperatur t,
Rdomare är referensmotståndet,
a är temperaturkoefficienten för motstånd,
Tdomare är referenstemperaturen.
Ingenjörer måste veta denna ekvation för att säkerställa att elektriska komponenter fungerar bra vid olika temperaturer.Att förstå TCR hjälper till att välja rätt material och utformningssystem som minimerar de negativa effekterna av temperaturförändringar.
Förhållandet mellan temperatur och motstånd
Bild 3: Temperaturmotståndet
Förhållandet mellan temperatur och motstånd hos ledare ges av:
Här:
RT är motståndet vid temperatur t,
R0 är det initiala motståndet vid en baslinjetemperatur t0,
a är temperaturkoefficienten för motstånd.
Denna formel visar att motståndsförändring är beroende av det initiala motståndet, temperaturförändringen och TCR a.För ledare, när temperaturen ökar, leder den ökade kinetiska energin hos elektroner till mer frekventa kollisioner och därigenom ökar resistiviteten.Den totala förändringen i resistivitet beror främst på förändringar i medeltiden mellan kollisioner, trots den försumbara förändringen i antalet laddningsbärare.Att förstå denna dynamik är bra för att skapa material som passar specifika temperaturförhållanden, vilket säkerställer tillförlitligheten hos elektriska anordningar i olika miljöer.
Typer av temperaturkoefficient
Det finns två huvudtyper av temperaturkoefficienter: positiva och negativa.Metaller uppvisar vanligtvis en positiv koefficient, vilket innebär att deras motstånd ökar med temperaturen.Däremot visar halvledare och isolatorer ofta en negativ koefficient, där ökad temperatur leder till ett högre antal laddningsbärare, vilket minskar det totala motståndet.Att välja rätt material för en given applikation beror på denna dikotomi, särskilt i system som måste reglera temperaturen exakt.
Bild 4: Positiv och negativ temperaturkoefficient
Positiv temperaturkoefficient för motstånd (PTC)
Material med en positiv temperaturkoefficient (PTC) av motstånd ökar deras motstånd när de blir varmare.Denna kvalitet gör dem bra för situationer där tillförlitlig temperaturkontroll behövs.PTC-material kan självreglera, vilket innebär att de undviker överhettning genom att naturligt begränsa sin högsta driftstemperatur.När temperaturen ökar stiger deras motstånd, vilket minskar strömflödet och kontrollerar värmeproduktionen.
Olika material, som vissa gummi och sammansatta polymerer, är utformade för att visa detta beteende.De är gjorda för att ha en kraftig ökning av motståndet vid vissa temperaturer.Denna snabba förändring i motstånd är mycket användbar för säkerhetskänsliga användningar, där att hålla ett specifikt temperaturområde är bra för att undvika fel eller faror.Exempel inkluderar överströmsskydd i elektriska kretsar och självreglerande uppvärmningselement i hushållsenheter.Modern teknik kan inte fungera utan PTC -material på grund av deras inneboende säkerhet samt deras styrka och pålitlighet.
Figur 5: visar värdet på motståndsökningar
Negativ temperaturkoefficient (NTC)
Material med en negativ temperaturkoefficient (NTC) av motstånd sänker deras motstånd när de blir varmare.För många applikationer som kräver exakta kontroller och känsliga temperaturmätningar är NTC -material värdefulla.Deras minskande motstånd med stigande temperaturer gör dem perfekta för temperatursensorer och termistorer som används i allt hemifrån till komplexa industrisystem.
NTC -material ger temperatursensoråterkoppling så att styrsystem kan justera ventilatorer, värmare eller kylare.I elektriska system är hantering av Inrush -strömmar en annan viktig användning.När effekten först appliceras kan NTC -termistorer begränsa strömmen av ström genom att ha högre motstånd vid lägre temperaturer, som sedan sjunker när de värms upp.Denna funktion hjälper till att skydda känsliga elektroniska delar från skador på grund av höga startströmmar, vilket förbättrar livslängden och tillförlitligheten hos elektroniska system.
Figur 6: visar värdet på motstånd lägre
Temperaturkoefficient för motståndsexempel
Platinresistenstermometrar är exemplifierande tillämpningar av temperaturkoefficienten för resistivitet.Att bestämma smältpunkten för tenn genom att observera förändringen i motstånd ger praktisk insikt i användbarheten av temperaturkoefficienter i verkliga applikationer, vilket betonar deras betydelse i vetenskapliga och industriella mätningar.
Exempel: En platinresistenstermometer har en motstånd R0 = 50,0 Ω vid T0 = 20 ºC.a för Pt är 3,92 × 10-3 (ºC) -1.Termometern är nedsänkt i ett kärl som innehåller smältbenn, vid vilken punkt R ökar till 91,6Ω.Vad är smältpunkten för tenn?
Elasticitetskoefficient
Huvudegenskapen för ett material som beskriver hur dess elastiska modul, eller styvhet, varierar med temperatur är dess temperaturkoefficient för elasticitet.Elastisk modul, även känd som Youngs modul, mäter ett materials styvhet.Det dikterar hur mycket ett materiellt deformeras under stress och definieras som förhållandet mellan stress (kraft per enhetsområde) till belastning (deformation som svar på stress).I allmänhet indikerar en högre elastisk modul ett styvare material.Den elastiska modulen minskar i allmänhet när temperaturen ökar, även om detta förhållande varierar mellan material.Denna minskning inträffar eftersom stigande temperaturer ökar atom- eller molekylvibrationer, vilket minskar de krafter som bidrar till ett materials styvhet.När materialet värms upp, vibrerar atomerna mer kraftfullt, vilket orsakar tillfälliga feljusteringar i strukturen och resulterar i minskad styvhet.
Bild 7: Elastisk modul
Temperaturkoefficienten för elasticitet kvantifierar förändringen i styvhet med temperatur.Det uttrycks vanligtvis som en bråkförändring i modulen per grad av temperaturförändring.En negativ koefficient betyder att den elastiska modulen minskar när temperaturen ökar.För många olika typer av tillämpningar är förmågan att förutsäga materiellt beteende under olika värmeförhållanden viktig, och denna koefficient hjälper till med det.
Material som omfattas av termiska spänningar, som de som används inom flyg-, fordonsindustrin och byggindustrin, kräver en förståelse för temperaturkoefficienten för elasticitet.Termisk spänning uppstår när ett material genomgår en temperaturförändring samtidigt som man begränsas, vilket orsakar expansion eller sammandragning.Om materialet inte kan deformera fritt på grund av miljö- eller strukturella begränsningar, byggs stress upp, vilket potentiellt leder till misslyckande.
Reaktivitetskoefficient
Temperaturkoefficienten för reaktivitet kvantifierar förändringar i reaktorreaktivitet med temperaturen.En negativ temperaturkoefficient är idealisk eftersom det betyder att när reaktorns temperatur stiger minskar dess reaktivitet.Eftersom det minskar reaktorns kraftuttag när den värms upp, hjälper detta negativa återkopplingssystem till att minimera överhettning och möjliga olyckor.
Flera faktorer påverkar temperaturkoefficienten för reaktivitet, inklusive förändringar i bränslegenskaper, moderatoregenskaper och övergripande reaktorkonfiguration.När temperaturen ökar expanderar kärnbränslet och minskar dess densitet, vilket minskar neutroninteraktioner och sänker reaktivitet.I reaktorer som använder en moderator, såsom vatten, för att bromsa neutroner, minskar temperaturen moderatorens densitet, vilket gör det mindre effektivt att bromsa neutroner och därmed minska reaktiviteten.Högre temperaturer påverkar också absorptionens tvärsnitt av resonanssabsorbenter i reaktorbränslet, vilket förbättrar deras förmåga att fånga neutroner, vilket sänker reaktiviteten.
En självreglerande säkerhetsfunktion som måste vara närvarande för att förhindra överhettning av reaktor och garantera stabila operationer är en negativ temperaturkoefficient för reaktivitet.Det fungerar som en automatisk kontrollmekanism och upprätthåller säkra effektnivåer utan extern intervention.Till exempel, om reaktiviteten oväntat ökar, vilket får reaktorn att överhettas, reducerar den negativa temperaturkoefficienten automatiskt reaktiviteten, kyler reaktorn och stabiliserar operationerna.
Materiella variationer och deras tillämpningar
Temperaturkoefficienten för motstånd varierar särskilt mellan olika material, en detalj som fångas i omfattande tabeller som listar koefficienterna för olika metaller och legeringar vid 20 ° C.Metaller som nickel och järn har höga positiva koefficienter, vilket indikerar betydande förändringar i motstånd med temperaturförändringar.Omvänt uppvisar legeringar som Nichrome och Constantan minimala eller något negativa koefficienter, vilket gör dem lämpliga för applikationer som kräver stabil motstånd mellan temperaturförändringar, såsom i precisionsmotstånd och temperaturkänsliga kretsar.
Bild 8: Tabell över temperaturkoefficienter motstånd för vanliga metaller
Praktiska konsekvenser i kretsdesign
Att utforma kretsar som måste fungera under specifika termiska förhållanden kräver en förståelse för och förmåga att beräkna temperaturkoefficienten för motstånd.Till exempel kan en standard elektronisk krets som arbetar vid 20 ° C uppleva betydande motståndsförändringar om temperaturen ökar till 35 ° C, särskilt om den använder kopparledningar (α = 0,004041).
Bild 9: En exempelkrets för att se hur temperaturen påverkar trådmotståndet
Bild 10: Lösning med formeln
Dessa motståndsförändringar kan förändra spänningsfördelningen över kretskomponenterna, vilket påverkar den totala effekteffektiviteten och värmehanteringen.Denna funktion är särskilt nödvändig för storskaliga applikationer där temperaturfluktuationer märks över långa avstånd, såsom kraftöverföring.
Slutsats
Inom samtida vetenskap och teknik är det fördelaktigt att studera temperaturkoefficienten för resistens (TCR) för många tillämpningar och material.TCR är bäst för att förbättra enhetens prestanda och säkerhet, från grundläggande principer i metaller och halvledare till praktiska användningar i elektroniska kretsar.Dess roll i säkerhetssystem, som kärnreaktorer, visar hur anmärkningsvärt det är för stabilitet och förebyggande av misslyckanden.Att förstå och hantera TCR är fortfarande relevant eftersom material utsätts för hårdare miljöer och tekniska framsteg.Att behärska TCR gör det möjligt för ingenjörer att skapa mer effektiva och anpassningsbara elektroniska system.
Vanliga frågor [FAQ]
1. Varför har metaller en negativ temperaturkoefficient för motstånd?
Metaller har en negativ temperaturkoefficient för motstånd eftersom när deras temperatur ökar vibrerar atomerna i metallen mer intensivt.Detta ökade atomvibration orsakar oftare kollisioner av elektroner (som bär elektrisk ström) med de vibrerande atomerna, vilket ökar resistensen.Emellertid ökar också elektronernas förmåga att röra sig genom metallen med temperaturen, ofta med en hastighet som överstiger ökningen av kollisioner.Som ett resultat minskar metallens totala motstånd med temperaturen.
2. Vad händer när temperaturkoefficienten för motstånd är negativ?
När temperaturkoefficienten för motstånd är negativ, minskar motståndet hos ett material när temperaturen ökar.Detta beteende är typiskt i metaller, vilket innebär att de blir bättre ledare av el vid högre temperaturer.
3. Vad är meningen med temperaturkoefficient för motstånd?
Temperaturkoefficienten för motstånd kvantifierar hur motståndet hos ett material förändras med temperaturen.Det uttrycks vanligtvis som en fraktionerad motståndsförändring per grad av temperaturförändring.En positiv koefficient indikerar en ökning av motståndet med stigande temperaturer, medan en negativ koefficient indikerar en minskning.
4. Vilket material har inte en negativ temperaturkoefficient för motstånd?
Isolatorer och halvledare har vanligtvis inte en negativ temperaturkoefficient för motstånd.Till skillnad från metaller visar dessa material ofta en ökning av motståndet när temperaturen ökar, vilket motsvarar en positiv temperaturkoefficient.
5. Vad är nolltemperaturkoefficienten för motstånd?
En nolltemperaturkoefficient för motstånd innebär att ett materials motstånd förblir konstant oavsett temperaturförändringar.För vissa applikationer, där det måste upprätthålla konstant elektrisk prestanda under en mängd olika temperaturer, är denna funktion ganska önskvärd.
6. Vilket material har noll temperaturkoefficient för motstånd?
Vissa legeringar, såsom manganin (sammansatt av koppar, mangan och nickel), och specifika formuleringar av nickel och järn, är konstruerade för att ha en nolltemperaturkoefficient för motstånd vid ett visst temperaturområde.Precisionsmotstånd och andra komponenter som kräver konsekvent motstånd Använd dessa material.
Q7.Vad är fördelen med en negativ temperaturkoefficient?
Fördelen med en negativ temperaturkoefficient är att den gör det möjligt för enheter att självreglera sin temperatur genom motstånd.När en metall värms upp och dess motstånd minskar kan den till exempel hantera mer elektrisk ström utan ytterligare uppvärmning, vilket potentiellt kan förhindra överhettning i elektriska kretsar.Den här egenskapen är användbar i applikationer som värmeelement och temperatursensorer.