Зависимость электрического сопротивления от температуры
Vložit
- čas přidán 13. 05. 2020
- Сопротивление полупроводников падает с ростом температуры из-за увеличения концентрации свободных носителей заряда, а сопротивление металлов наоборот растёт.
Наш канал с дополнительными материалами
t.me/getaclass_channel
Новосибирский Государственный Университет
www.nsu.ru/n/
Физический факультет НГУ
Электроны не хотят бежать по слишком горячему проводу. Я бы тоже не побежал. Электроны - молодцы!
Ещё как хотят, просто их сложнее заставить передавать заряды
наоборот же по хододному стеклу не хотят, а при нагреве стекла лампочка загорается,значит электроны побежали, и цепь замкнулась
@@konstantin5130 то что хочет бегать по горячему стеклу называется йог!
При нагревании металлов, в их кристаллической решётке растёт амплитуда колебаний атомов, и как следствие электроны чаще с ними сталкиваются, и сопротивление растёт.
а что мешает электронам проходить сквозь атомы ?? есть p-орбитали , d-орбитали, и электрон там путешествует через область ядра без особых суперпроблем ))) external-content.duckduckgo.com/iu/?u=https%3A%2F%2Fmriya-urok.com%2Fapp%2Fuploads%2F2016%2F05%2Fpic2_2_2_1.gif&f=1&nofb=1
@@RobotN001 но на это у электронов уходит больше времени.
@@RobotN001 Мешает неоднородное в пространтсве и времени электрическое поле, которое создают колеблющиеся атомы.
Как много интересных версий! Еще к вечеру зайду сюда почитать накопившиеся предположения 🤗
Как не введу название лабораторной работы по физике - у вас всегда найдётся теория, которую мне как раз и нужно сдавать. Спасибо огромное. Тащу в вузе
Как мне кажется, причина вот в чем: при нагревании металлов в их кристаллических решетках начинаются более активные колебания положительно заряженных ионов, в отличие от состояния металла при нормальной (ну т.е. в какой он находился до непосредственного нагревания) температуре. В следствии этого начинается более активное взаимодействие электронов с положительными ионами, поэтому мы видим увеличения сопротивления (ну т.е., если можно так выразиться, электронам "труднее пробраться" через активно колеблющееся положительные ионы металла )
так колебания в механике наоборот помогают скользить ))) известный эффект преобразования сухого трения (эффект Жуковского) например. или вибростол там с песком или смесями ...
@@RobotN001 , ну как мне кажется, скольжение одно, а прохождение электронов через положительно заряженные ионы это другое. Во время их прохождения они все время "сталкиваются" с колеблющимися электронами (ну термин "сталкиваются" не совсем верен, т.к. они не касаясь друг друга отталкиваются из за разных зарядов, но это не имеет большого значения в данной ситуации), в следствии чего они "плохо проходят" через металл.
А я надеялась от Вас услышать! Опыт супер!
Официалбный ответ таков, что из-за более интенсивных колебаний молекул металла создаётся больше препятствий движению электронов.
Я очень далек от этой темы, но мои мысли по этому поводу:
1) На счет нагретого стекла, то что она становится проводником, это да, но в данном опыте не может ли ещё влиять налет углерода от газовой горелки?
2) А на счет возрастания сопротивления проводника при повышении температуры, недавно слышал такое определение "представьте, что вам нужно пройти из одного конца автобуса в другой, а автобус при этом едет на большой скорости по ухабам и вы на своём пути, постоянно сталкиваетесь с другими пассажирами и они замедляют вашу скорость"
углерод конечно может влиять, но он осаждается обычно не в виде крупных зёрен графита, а в виде нано-частиц сажи. и даже если ток пошёл бы через углерод, то он бы очень быстро бы пыхнул и сгорел бы на кислороде, как это происходит при замыкании графитовых стержней от механических карандашей ))
Опыт со стеклом взорвал мой мозг. То что сопротивление меняется с изменением температуры знал, но что можно пропустить ток через не проводящий до этого материал...
не существует непроводящих материалов, просто разное напряжение пробоя))) Если интересно, ознакомтесь с зонной теорией проводимости
Не знал что стекло может проводить ток, интересно! Схема, напоминает динамик с микрофоном в одном из предыдущих видео. Последовательно соедегеные ЛН и стекло со впачными внутрь проводниками - получилась схема с положительной обратной связью по питанию. Для её запуска, нужно стеклянный изолятор вначале нагреть, то есть добавить энергию снаружи, достаточную, что бы преодолеть гистерезис, а дальше система заведётся, и сама будет себя поддерживать, но при условии, что обратная связь по току будет больше единицы, если обратная связь будет меньше еденицы, то стекло будет остывать и лампочка погаснет
Здравствуйте, спасибо Вам за видео. При нагреве металлов, их атомы начинают интенсивно колебаться с небольшими амплитудами осуществляя передачу тепловой энергии соседним атомам. А электронам проходить сквозь атомную решётку металлов становится сложнее ( в металлах в протекании тока учавствуют только электроны), так как они чаще сталкиваются с атомами металлов, передавая им свою энергию в качестве того же тепла. Кстати, подавляющее большинство ламп накаливания перегорает в момент включения, потому что через неё проходят огромные токи в виду малого сопротивления непрогретой нити накала и происходит скачок, лампа сначала разогревается чуть сильнее чем когда выходит на стабильную температуру.
Есть лампы у которых при нагреве сопротивление падает.
@@schetnikov Трудно точно сказать. Возможно потому что "дорога" электрона становится более извилистой, так как молекулярная сетка становится менее стабильна в геометрическом смысле. А при замораживании нити накала молекулы выстраиваются в ровную кристаллическую решётку и появляться сверхпроводимость. Ну как-то так у меня это в голове отложилось когда я читал книгу по электротехнике.
@@schetnikov Обычно пишут что растет "сечение рассеяния". Электрончики летят по дрейфу и взаимодействуют с центрами рассеяния тем чаще чем больше их и больше их сечение. Грубый пример: имеем прозрачное стекло - свет проходит его быстро, если мы сделаем его "молочным", то свет будет блуждать внутри толщи постоянно отражаясь от дефектов стекла и проведет внутри гораздо больше времени.
@@schetnikov В умных учебниках пишут что происходит рассеяние подвижных электронов на потенциале неподвижных ионов решетки. Например упругое рассеяние - с изменением лишь направления движения. Сечение рассеяния - некий эффективный параметр - если электро в это сечение влетает, то считается что акт рассеяния происходит, если не влетает, то не происходит и электрон летит дальше до следующего центра рассеяния со своим сечением захвата. Кажется на эти темы нас муштровал Тимур Сезгирович Шамирзаев (работает в ИФП, и может и в НГУ), но это было давно. Вернее всего спросить академика Чаплика, правда он может ответить так, что придется у когорто еще спрашивать что означает этот ответ ;)
@@schetnikov Нет. По сути столкновения нет. "Свободные" электроны (задействованные в протекании тока) наталкиваются на электроны атомов, которые жёстко привязаны к своим орбитам. Ну а там всё проще, минус от минуса отталкивается и свободный электрон передаёт часть своей энергии этому атому в виде толчка (тепла). Вот как-то так мне это представляется.
По классической теории всё наглядно и очень просто объясняется (решётка колеблется: соудорений больше )‚ но при рассмотрении тонкостей обнаружилось, что не всё так просто. Пришлось применять квантовую теорию проводимости, где всё сходится, но с наглядностью не очень. Электрическое сопротивление объясняется рассеиванием электронных волн на атомах кристаллической решётки...
обо што они там рассеиваются ? и волнение волн кстати становится интенсивнее при нагреве ))
@@GidraBOG стареешь , не бережёшь себя, небось ещё в шутеры играешь ? )
А также при нагреве решётка расширяется, а от этого площадь проходимости увеличивается.
Спасибо!
При нагревании кристалическая решётка спирали начинает силь нее колебаться. Это приводит к тому что электроны испытывают большее количество соударений с узлами кристаллической решётки из-за этого падает скорость их перемещения. В полупроводниках из-за нагрева количество свободных электронов возрастает поэтому сопротивление падает.
а если это ртуть ? какая кристаллическая решётка у ртути ? ))) она же жидкая, и вполне проводит ток
@@RobotN001 А кто сказал что у жидкости нет решётки? Просто она не имеет той стабильности какая есть у твёрдых тел. Ради справедливости можно провести такой эксперимент. Взять припой и замерить его сопротивление в твёрдом состоянии и жидком. Что-то мне подсказывает что оно будет разным.
@@user-my1zo4gv5u , ладно-ладно ) можно назвать это мгновенной кристаллической решёткой ) но тогда получается, что решётка жидкой ртути при комнатной температуре колеблется очень-очень сильно ! ибо она жидкая! а если скажем заставить металл также колебаться как ртуть, заставить нагревая скажем железо до плавления, то сопротивление расплавленного железа будет куда больше, чем ртути при комнатной температуре. хотя казалась бы, что степень колебаний в этих телах одинаковая.
При протекании тока остаточный малое количество не откаченного воздуха начинает нагреваться и активно бомбардировать нить и саму колбу что приводит к ещё большему накаливанию нити до белого каления. Ещё Тесла говорил в лекциях. Можно так же зажечь лампу подняв сопротивление нити путём повышения потенциала и частоты
Подключив электрическую лампочку, к источнику напряжения 230 вольт. Необходимо учитывать, что диаметр вольфрамовой нити остается постоянный. Соответственно сила тока, проходящая через нить накаливания, не может увеличиться физически. Тогда, по известной формуле - R=U/I, возрастёт и сопротивление лампочки. Всем Спасибо.
С чего это диаметр остается постоянный? От нагревания вольфрам как и все металлы расширяется - диаметр нити увеличивается.
хороший ролик
В металле при нагревани становится больше фононов. Значит, вероятность рассеяния электронов в единицу времени возрастает, уменьшается время свободного пробега, то есть, растет сопротивление. Кроме того, электрон-электронное рассеяние тоже растет с температурой, но это менее значимый эффект.
процесс квантового рассеяния электронов отнимает ли у них энергию в среднем ?
@@RobotN001 Электрон-фонноное рассеяние - это неупругий процесс, и энергия из электронной системы переходит в систему фононов, что приводит к наблюдаемому нагреванию проводника.
👍👏🏼🦾есть табель с сопротивление / температура для стекла ? 🧐
О! При нагревании атомы вещества спирали начинают колебаться с большей амплитудой из за этого в какой-то момент изменяется суммарный заряд что вызывает более сильное притяжение электронов в орбиталях. Кстати, при сильном нагреве постоянный магнит теряет магнитное поле. Как раз таки из за того что электронам внешней орбитали сложнее перепрыгнуть на орбиталь соседнего атома.
а для существования постоянных магнитов электронам надо перескакивать на соседние атомы ? хмм, интересно.
@@RobotN001 Такое объяснение магнетизма в металлах я прочёл в книге "Материалы электронной техники".
Чтобы объяснить изменение эффекта проводимости металла от температуры надо для начала понять, как вообще это сопротивление возникает. Ведь ! Казалось бы, есть разность потенциалов на концах, оно по сути создаёт электрическое поле ускоряющее электроны. Ну ускорялись бы они быстрее и быстрее бы... ан нет.
Ну в сверхпроводниках движение электронов тоже не ускоряется, хоть и ни кто не препятствует их движению
@@Dimon__1976 , противоречиво. если не препятствует, то сопротивление нулевое, то падение напряжения на кабеле нулевое, а значит никакого ускоряющего поля нет (в первом приближении в установившемся процессе)
@@RobotN001 Тоже противоречиво...Рассмотрим последовательное соединение сопротивления и сверхпроводника, далее приложим к этой цепи разность потенциалов...потечёт ток по этой цепи, притом сила тока будет равной как в сопротивлении так и в сверхпроводнике (соединение последовательное). Далее измеряем разность потенциалов на сопротивлении (будет некоторое значение), и на сверхпроводнике (разность потенциалов будет равна нулю, но ток то течёт)))) )
@@RobotN001 Если нет сопротивления, то достаточно очень маленького падения напряжения ( электрического давления на електроны ), чтобы тёк весь ток, создаваемый источником тока.
Совсем нулевое эл.давление сложно представить, но с множеством нулей после запятой, неизмеряемое приборами, возможно.
Всё равно что делить на ноль в законе Ома.
@@Dimon__1976 Я представляю, что эл. давление, т.е. разность потенциалов не изменяется в сверхпроводнике или на столько мало, что приборы не могут определить, потому что эл.давление не тратится на преодоление сопротивления. Электроны без сопротивления перемещаются от атома к атому из-за их близости или отсутствия колебаний атомов. При тем-ре выше НЕсверхпроводимости, атомы всегда колеблются, и электроны не успевают моментально перескочить с атома на атом. Возникают временные задержки, между "перемещением" электрона от атома к атому, приводящие к уменьшению общего кол-ва "задействованных" электронов за секунду,
а ток в амперах - это кол-во электронов за секунду.
Не уверен, но Гугл пишет, что значения сопротивления высчитывают через напряжение и ток. Вот бы напрямую его посчитать.
Вихревые токи как катушка индуктивности препятствует нарастанию тока иначе говоря противоЭДС
👍👍👍👏
Атомы в кристаллической решетке металла становятся более подвижны, что препятствует движению электронов
аморфный полупроводник! мам моя!!!
Движущиеся электрон создаёт магнитное поле которое препятствует движению этого электрона. В результате сопротивление возрастает.
т.е. микро-эффект-холла усреднённый по разным направлениям ? o_O интересно
Эффективное сечение атомов растет из-за увеличения их амплитуды колебаний в решётках кристаллических, так что электронам сложнее пробираться через материал, вроде как
удельное сопротивление зависит от скорости движения электронов, поэтому при увеличении температуры растет удельное сопротивление и в следствии сопротивление всего проводника
4:20 Но эти измерения на переменном токе. Не правильней бы было измерять на постоянном токе?
Или я ошибаюсь, и разницы в расчетах нет если измерения тока и напряжения проводились на переменном режиме?
У мультиметра есть режим измерения напряжения и силы переменного тока
Сила переменного тока и его напряжение измеряются как раз так, чтобы давать те же результаты, что и те же величины у постоянного тока. Омметр в каждой точке делит напряжение на ток и всегда получает одно и то же число. Более того, мы даже можем измерить мощность теплопотерь п4ремножив напряжение на ток. Все дело в том, что когда в розетке напряжение 220В, то его амплитуда на самом деле 220*sqrt2 В, как раз для этих целей
@@timurpryadilin8830 , у нас тут очень тонкие физические эксперименты )) а если попадётся материал с нелинейной ВАХ , особенно попадающей на область 220-310В ?
а можна я попробую без формул?
что если мы посмотрим не на количество енергии в ядрах на количество енергии в иликтронах.
перенос тока обязан толйко одной состовляючей движения иликтронов -- вдолй оси провода.
когда мы нагреваем проводник, количество движения иликтронов возрастает (бредположим?) изотропно.
и приложеное к ним поле будед передаватй им импулс вдолй оси, но доля етого импулйса относителйно всего "интеграла" импулйсов будет менйше.
но они же всё равно продолжат переноситй ток в том же направлении и количстве?
да, если бы не было ядер, то да.
но ядра естй, и количество взаимодействия с ядрами (бредположим?) пропорционалйно количеству движения.
тоестй при нагревании електроны болйше испытывают событий при которых они могут передатй свой импулйс ядрам.
но тот компонент импулйса который переносит ток, он же никуда не деваеца?!
да, никуда, но толйко В ПРОМЕЖУТКАХ МЕЖДУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ.
и вот ети промежутки нагревание скорачивает.
приколись, иликтрон летит по (бредположим!) прямой под углом к полю (жорсткое такое бредположение конечно, но нам ето сейчас не сильно важно, ето такая очень короткая прямая) -- скока разстояние он пролетит вдолй поля стока тока он и перенесёт, и тут мы увеличиваем модуль его количество движения (греем) етот додатый импульс не обязан совпадать с направлением тока, НО матожидание его проекции на направление тока =0 (понятно почему?) тоесть на осевой компонент -- на ток -- влияния не будед, а вот радиальный компонент вырастет, тоесть для переноса того же количества тока електрон улетит В СТОРОНУ на болйшую дистанцию чем и увеличит свою вероятность долететй до ядра и после етого уже ничего никуда не носить.
Стекло - песок. Песок - кремний. Кремний - полупроводник. Холодное - не проводит, горячее - проводит))
Ну... не бросайтесь только палками это теория, понятно же ? :)
====================================
Электрический ток - направленное движение электронов. Но теплота металла означает что его атомы движутся. Электрон обладает зарядом а одноименные заряды не любят соседствовать, поэтому пока внешний источник ЭДС бездействует - в атоме металла происходит неторопливое движение этих электронов. Два атома с одинаковым количеством электронов выталкивают один из электронов третьему атому у которого его как-раз не хватает. Когда этот атом в металле переместится на другое место - он может встретить такого же товарища и они с кем-нибудь снова обменяются электронами. Это порождает целую цепочку эффектов и происходит постоянное движение электронов. Грубо говоря "передвинь один электрон - и перераспределить придется все". Если металл заморозить - то и движения электронов внутри него не будет. Они упорядочатся один раз и достигнут какого-то стабильного состояния.
При возникновении внешней движущей силы - электронов в атомах со стороны источника больше и они быстро перемещаются вдоль проводника постоянно перераспределяясь по пути. Но если металл хорошо разогреть - то происходят затраты на постоянный взаимообмен электронами между атомами и создается что-то вроде пробки. Чем горячее металл - тем больше подобных ситуаций и в конце-концов дальнейшее увеличение силы - не приводит к более активному перемещению массы электронов вдоль проводника. Если же остудить до абсолютного нуля - взаимного перемешивания всей этой каши не происходит вообще - поэтому ток проходит свободно...
Про стекло интересно.. т.е. расплавив стекло на плоском электроде, и пуская постоянный ток можно будет вырастить кремниевую пластину на одном из электродов ??? хммм... хотя это будет очень грязный полупроводник наверное..
Уменьшается время свободного пробега электрона.
да, но почему ? o_O
@@RobotN001 Считается, что с увеличением температуры возрастает число фононов - квантов колебания кристаллической решетки. Взаимодействие электронов с бо́льшим числом фононов приводит к уменьшению времени свободного пробега => уменьшению дрейфовой скорости электронов => уменьшению тока => возрастанию сопротивления. Интересно, что у аморфных сплавов отрицательный ТКС, т.е. сопротивление снижается с увеличением температуры.
@@schetnikov А что скажете про аморфные сплавы? Я не знаю, у всех ли так, но с тем, что я имел дело, было именно так. И статьи ещё какие-то читал.
Наверное ,атомы металла начинают больше качатся с повышением температуры , и электроны начинают больше сталкиваться с этими атомами , и растёт сопротивление . (я могу ошибаться)
@@schetnikov Спасибо .
При увеличении температуры возрастает кинетическая энергия движения атомов вещества. Из-за этого их частота колебаний растёт, число столкновений с носителями заряда растёт. Поэтому электрическая энергия переходит в тепловую и сопротивление резко увеличивается.
начали с самого нетипичного ))
Сопротивление льда больше, чем жидкой воды, сопротивление снега еще больше. А вода, как хим. соединение - самое.
А я не понимаю, почему в стекле носители - ионы, а не оторванные от них электроны? Они же куда легче и "мельче"...
Оторванный электрон от одного иона достаётся другому.
@@schetnikov , я не понял. Почему они (электроны) должны перепрыгивать? На сколько я понял кислодод имеет большую электроотрицательность чем кремний. Поэтому тот электрон, что был их общим, остаётся с кислородом. Кремний отправляется на поиски свободного электрона. А кислород пытается найти себе более "надёжную" пару, с который можно организовать более прочный союз.
в водных электролитах действительно преобладают ионы ,а не электроны , причём положительные ... o_O
Возможно, если ионная, то отрицательные заряды заняты другой работой, а положительный заряд начинается отталкиваться от положительного потенциала и других положительных зарядов. А вообще это зависит от выбранной системы отсчёта поэтому и электронная проводимость тоже верна
Это потому, что вы обсалютно не знаете что такое электричество.
При разагреве металлов движения энергии замедляется, в других металлах как оксид ванадия или кремния ускоряется.
Ой как у вас свет то мерцает... на камеру очень видно такие "волны"(
Алексей Иванов кстати это интересный эффект. Можно попросить Андрея Ивановича разобрать его подробнее
Андрей Щетников Мне не мешает) но просто сам эффект появления полос (или сетки) при съемке, как мне кажется, весьма занятный. В повседневной жизни мы часто с ним сталкиваемся, но почему так происходит многие не знают. Поэтому предлагаю как идею для нового ролика.
Vadim Agadullin я думаю, что это мало относится к физике, потому что невооруженным глазом этих «волн» не видно. Они появляются при «построчном» снятии данных с матрицы камеры (см. «Эффект изгибания лопастей винта вертолёта»)
@@ayaweb бывают эффекты, где надо наблюдать за интенсивностью свечения чего-либо )) например за светодиодом аудиоколонок )
@@ayaweb я грыз морковь и когда глядел на электронные часы (LED), то цифры гнулись. я видел невооруженным глазом
Эта зависимость жутко пакостит: ноль нагрелся, сопротивление выросло, ток уменьшился. В результате ноль обгорел, а плавкий предохранитель в ГРЩ не отключился. И побежало перенапряжение по розеткам: было фазное, стало линейное.
Немножко гипотетических объяснений с привлечением зонной теории. Область проводимости металлов забита электронами очень сильно, поэтому в отличии от слабо легированных полупроводников , количества носителей в металле хватает с лихвой. Вообще область проводимости это что? Это массив разрешённых уровней энергии , находящийся там где гуляют волны налитых какбы туда электронов (уровень ферми, точнее его ширина). Массив этот сформировался благодаря тому, что квантовые системы электронов из разных атомов взаимодействуют сильно, и разрешённые уровни (которых довольно мало для очень свободного атома) расщепляются\множатся, что создаёт массу разнообразных по уровню энергии возможностей для электронов... так то электроны не любят быть похожими друг на друга энергетически, и если один электрон увидит своим взаимодействием другой электрон с такой же энергией -- то он резко захочет уйти... Короче. Есть этот массив уровней, и при нагреве металл расширяется, электроны привлекаются на службу в ударные отряды, соседние атомарные системы слабее наблюдают за энергетическими уровнями друг друга, количество уровней из-за этого уменьшается, соответственно электронам электрического тока приходится сталкиваться всё с более крупными ступеньками вверх и вниз, что в среднем приводит к всё большим потерям энергии и замедляет скорость электрического тока (т.е. сопротивление растёт).
кста, под воздействием высокого давления наблюдаются заметные изменения электросопротивления металлов))) www.inmetal.ru/167-svojstva-metallov-pod-vysokim-davleniem.html
@@schetnikov , нет, это всё равно надо адаптировать под целевую группу , а то ведь отпишутся ))
Что-то я Вас не понял. Зоны образуются потому, что электроны сильно взимодействуют только с соседними атомами, а с остальными атомами взаимодействуют слабо. Во-вторых, тепловое расширение кристалла уменьшает расстояние между разрешенными зонами, поэтому в полупроводнике проводимость растет. Количество электронных уровней от нагрева не уменьшается. Проводимость металла растет, в первую очередь, из-за роста числа фононов.
@@schetnikovТолько про фононы? :) Я не вполне понимаю, как следует объяснить. Те, кто изучал физику твердого тела, всё и так понимают. Тем, кто в школе учатся, нужно объяснить, что такое колебания решетки, как происходит рассеяние, почему число фононов растет с температурой. Я не знаю, как это сделать хорошо, опираясь только на школьные знания. Вот у Вас был фильм про броуновское движение и длину свободного пробега. Здесь все очень похоже.
Профессор Всезнамус, вы ли это?
Кристаллическая решетка металла разрушается, атомы двигаются и препятствуют движению электрического тока.
Может, при колебании атомов, каждый свободный електрон "ждёт", пока мимо него пройдёт атом с дыркой на который електрон может перескочить. Эта задержка в "перескоках" електронов может и создаёт видимость сопротивления.
А в холодном состоянии колебания нет, атомы рядом, и легче перескакивать.
Так себе представляю.
круто ! похоже на правду. но я бы ещё добавил, что пока он ждёт ему в спину давит электрическое поле, и когда двери открываются электрон вылетает такой и ударяется о следующую закрытую дверь ... от этого и нагрев )