Kada se zagrije, povećava se kao rezultat povećanja brzine kretanja atoma u materijalu provodnika s povećanjem temperature. Specifični otpor elektrolita i uglja pri zagrijavanju se, naprotiv, smanjuje, jer se u ovim materijalima, osim povećanja brzine kretanja atoma i molekula, povećava broj slobodnih elektrona i iona po jedinici volumena.

Neke legure, koje imaju više od sastavnih metala, gotovo ne mijenjaju otpor zagrijavanjem (konstantan, manganin itd.). Ovo se objašnjava nepravilnom strukturom legura i kratkim srednjim slobodnim putem elektrona.

Naziva se vrijednost koja pokazuje relativno povećanje otpora kada se materijal zagrije za 1° (ili se smanji kada se ohladi za 1°).

Ako je temperaturni koeficijent označen sa α, otpornost na to = 20 o sa ρ o, onda kada se materijal zagrije na temperaturu t1, njegova otpornost p1 = ρ o + αρ o (t1 - to) = ρ o(1 + (α (t1 -to))

i prema tome R1 = Ro (1 + (α (t1 - do))

Temperaturni koeficijent a za bakar, aluminijum, volfram je 0,004 1/deg. Stoga, kada se zagrije za 100°, njihov otpor se povećava za 40%. Za gvožđe α = 0,006 1/deg, za mesing α = 0,002 1/deg, za fechral α = 0,0001 1/deg, za nihrom α = 0,0002 1/deg, za konstantan α = 0,00001 1/deg , za 0,00001 1/deg α = 0,04 in0. 1/deg. Ugalj i elektroliti imaju negativan temperaturni koeficijent otpora. Temperaturni koeficijent za većinu elektrolita je približno 0,02 1/deg.

Koristi se svojstvo provodnika da mijenja svoj otpor u zavisnosti od temperature otporni termometri. Mjerenjem otpora proračunom se utvrđuje temperatura okoline.Za izradu šantova i dodatnih otpora mjernih instrumenata koriste se konstantan, manganin i druge legure sa vrlo malim temperaturnim koeficijentom otpornosti.

Primjer 1. Kako će se promijeniti otpor Ro željezne žice kada se zagrije na 520°? Temperaturni koeficijent a gvožđa je 0,006 1/deg. Prema formuli R1 = Ro + Ro α (t1 - to) = Ro + Ro 0,006 (520 - 20) = 4Ro, odnosno otpor željezne žice kada se zagrije za 520° povećat će se 4 puta.

Primjer 2. Aluminijske žice na temperaturi od -20° imaju otpor od 5 oma. Potrebno je odrediti njihovu otpornost na temperaturi od 30°.

R2 = R1 - α R1(t2 - t1) = 5 + 0,004 x 5 (30 - (-20)) = 6 oma.

Svojstvo materijala da mijenja svoje električni otpor Prilikom grijanja ili hlađenja koristi se za mjerenje temperature. dakle, termička otpornost, koje su žice napravljene od platine ili čistog nikla, topljenog u kvarc, koriste se za mjerenje temperatura od -200 do +600°. Za to se koriste poluvodički toplinski otpori sa velikim negativnim koeficijentom precizna definicija temperature u užim rasponima.

Termički otpori poluvodiča koji se koriste za mjerenje temperature nazivaju se termistori.

Termistori imaju visok negativni temperaturni koeficijent otpora, odnosno kada se zagriju, njihov otpor se smanjuje. napravljen od oksidnih (podložnih oksidaciji) poluvodičkih materijala koji se sastoje od mješavine dva ili tri metalna oksida. Najčešći su bakar-mangan i kobalt-mangan termistori. Potonji su osjetljiviji na temperaturu.

6.2. Električni otpor provodnika. Promjene otpora provodnika u zavisnosti od temperature i pritiska. Superprovodljivost

Iz izraza je jasno da električna provodljivost vodiča, a samim tim i električna otpornost i otpor zavise od materijala vodiča i njegovog stanja. Stanje provodnika može varirati ovisno o različitim vanjski faktori pritisak (mehaničko naprezanje, vanjske sile, kompresija, rastezanje itd., tj. faktori koji utiču na kristalnu strukturu metalnih provodnika) i temperaturu.

Električni otpor vodiča (otpor) zavisi od oblika, veličine, materijala vodiča, pritiska i temperature:

. (6.21)

U ovom slučaju, ovisnost električne otpornosti vodiča i otpora vodiča od temperature, kako je eksperimentalno utvrđeno, opisuje se linearnim zakonima:

; (6.22)

, (6.23)

gdje su  t i  o, R t i R o, respektivno, specifični otpori i otpori provodnika pri t = 0 o C;

ili

. (6.24)

Iz formule (6.23), temperaturna zavisnost otpora provodnika određena je relacijama:

, (6.25)

gdje je T termodinamička temperatura.

G Ovisnost otpora provodnika o temperaturi prikazana je na slici 6.2. Grafikon zavisnosti otpornosti metala od apsolutne temperature T prikazan je na slici 6.3.

WITH Prema klasičnoj elektronskoj teoriji metala, u idealnoj kristalnoj rešetki (idealni provodnik), elektroni se kreću bez električnog otpora ( = 0). Sa stanovišta modernih koncepata, razlozi koji uzrokuju pojavu električnog otpora u metalima su strane nečistoće i defekti. kristalna rešetka, kao i termičko kretanje atoma metala čija amplituda zavisi od temperature.

Matthiessenovo pravilo kaže da je ovisnost električne otpornosti o temperaturi (T) složena funkcija koja se sastoji od dva nezavisna člana:

, (6.26)

gdje je  ost – rezidualni otpor;

 id je idealna otpornost metala, koja odgovara otporu apsolutno čistog metala i određena je samo termičkim vibracijama atoma.

Na osnovu formule (6.25), otpornost idealnog metala treba da teži nuli kada je T  0 (kriva 1 na slici 6.3). Međutim, otpornost kao funkcija temperature je zbir nezavisnih članova  id i  mirovanje. Stoga, zbog prisustva nečistoća i drugih defekata u kristalnoj rešetki metala, otpornost (T) sa padom temperature teži nekoj konstantnoj konačnoj vrijednosti res (kriva 2 na slici 6.3). Ponekad prelazeći minimum, blago se povećava sa daljim padom temperature (kriva 3 na slici 6.3). Vrijednost rezidualnog otpora ovisi o prisutnosti defekata u rešetki i sadržaju nečistoća, a raste s povećanjem njihove koncentracije. Ako se broj nečistoća i defekata u kristalnoj rešetki svede na minimum, ostaje još jedan faktor koji utiče na električnu otpornost metala - toplotna vibracija atoma, koja prema kvantna mehanika, ne prestaje čak ni na temperaturi apsolutne nule. Kao rezultat ovih vibracija, rešetka prestaje biti idealna, a u prostoru nastaju promjenjive sile čije djelovanje dovodi do raspršivanja elektrona, tj. pojava otpora.

Naknadno je otkriveno da otpor nekih metala (Al, Pb, Zn, itd.) i njihovih legura na niskim temperaturama T (0,1420 K), koje se nazivaju kritičnim, karakteristika svake supstance, naglo opada na nulu, tj. . metal postaje apsolutni provodnik. Ovu pojavu, nazvanu supravodljivost, prvi je otkrio 1911. G. Kamerlingh Onnes za živu. Utvrđeno je da pri T = 4,2 K živa očigledno potpuno gubi otpor na električnu struju. Smanjenje otpora se javlja vrlo oštro u intervalu od nekoliko stotinki stepena. Nakon toga, gubitak otpornosti je uočen u drugim čistim supstancama i u mnogim legurama. Temperature prijelaza u supravodljivo stanje variraju, ali su uvijek vrlo niske.

Uzbudljivo struja u prstenu od supravodljivog materijala (na primjer, korištenjem elektromagnetne indukcije), može se primijetiti da se njegova snaga ne smanjuje tijekom nekoliko godina. Ovo nam omogućava da pronađemo gornju granicu otpornosti supraprovodnika (manje od 10 -25 Ohmm), koja je mnogo manja od otpornosti bakra na niskim temperaturama (10 -12 Ohmm). Stoga se pretpostavlja da je električni otpor supravodiča nula. Otpor prije prelaska u supravodljivo stanje može biti vrlo različit. Mnogi od superprovodnika sobnoj temperaturi imaju prilično visok otpor. Prijelaz u supravodljivo stanje uvijek se događa vrlo naglo. U čistim monokristalima zauzima temperaturni raspon manji od hiljaditi dio stepena.

WITH Među čistim supstancama, aluminij, kadmijum, cink, indijum i galijum pokazuju supravodljivost. Tokom istraživanja pokazalo se da struktura kristalne rešetke, homogenost i čistoća materijala imaju značajan uticaj na prirodu prelaska u supravodljivo stanje. To se, na primjer, može vidjeti na slici 6.4, koja prikazuje eksperimentalne krivulje prelaska u supravodljivo stanje kalaja različite čistoće (kriva 1 - monokristalni kalaj; 2 - polikristalni kalaj; 3 - polikristalni kalaj sa nečistoćama).

Godine 1914. K. Onnes je otkrio da je supravodljivo stanje uništeno magnetnim poljem kada magnetna indukcija B prelazi neku kritičnu vrijednost. Kritična vrijednost indukcije ovisi o materijalu supravodiča i temperaturi. Kritično polje koje uništava supravodljivost može biti stvoreno i samom supravodljivom strujom. Stoga postoji kritična jačina struje pri kojoj se supravodljivost uništava.

Godine 1933. Meissner i Ochsenfeld su otkrili da unutar supravodljivog tijela nema magnetnog polja. Kada se supravodič koji se nalazi u vanjskom konstantnom magnetskom polju ohladi, u trenutku prijelaza u supravodljivo stanje, magnetsko polje je potpuno pomjereno iz svog volumena. Ovo razlikuje supravodič od idealnog vodiča, u kojem, kada otpor padne na nulu, indukcija magnetsko polje treba da ostane nepromenjen u zapremini. Fenomen pomaka magnetnog polja iz zapremine provodnika naziva se Meissnerov efekat. Meissnerov efekat i odsustvo električnog otpora su najvažnija svojstva superprovodnik.

Odsustvo magnetnog polja u volumenu provodnika nam omogućava da zaključimo iz opšti zakoni magnetnog polja, da u njemu postoji samo površinska struja. To je fizički realno i stoga je potrebno tanki sloj blizu površine. Magnetno polje struje uništava vanjsko magnetsko polje unutar provodnika. U tom pogledu, supravodič se formalno ponaša kao idealni dijamagnetik. Međutim, on nije dijamagnetičan, jer je njegova unutrašnja magnetizacija (vektor magnetizacije) nula.

Čiste supstance u kojima se opaža fenomen supravodljivosti su malobrojne. Superprovodljivost se najčešće opaža kod legura. U čistim supstancama se javlja samo Meissnerov efekat, a kod legura magnetsko polje nije potpuno izbačeno iz volumena (uočava se djelomični Meissnerov efekat).

Supstance u kojima se uočava potpuni Meissnerov efekat nazivaju se supravodičima prve vrste, a delimični supravodiči druge vrste.

Superprovodnici drugog tipa u svom volumenu imaju kružne struje koje stvaraju magnetsko polje, koje, međutim, ne ispunjava cijeli volumen, već se u njemu raspoređuje u obliku pojedinačnih filamenata. Što se tiče otpora, on je jednak nuli, kao i kod supravodiča tipa I.

Po svojoj fizičkoj prirodi, supravodljivost je superfluidnost tečnosti koja se sastoji od elektrona. Superfluidnost nastaje usled prestanka razmene energije između superfluidne komponente tečnosti i njenih ostalih delova, što rezultira nestankom trenja. Bitna je u ovom slučaju mogućnost „kondenzacije“ tečnih molekula na najnižem energetskom nivou, odvojenih od ostalih nivoa prilično širokim energetskim jazom, koji interakcijske sile nisu u stanju da prevaziđu. Ovo je razlog isključivanja interakcije. Da bi se moglo pronaći mnogo čestica na najnižem nivou, potrebno je da se povinuju Bose-Einstein statistici, tj. imao cjelobrojni spin.

Elektroni se pokoravaju Fermi-Dirac statistici i stoga se ne mogu „kondenzirati“ na najnižem energetskom nivou i formirati superfluidnu elektronsku tečnost. Sile odbijanja između elektrona su u velikoj mjeri kompenzirane privlačnim silama pozitivnih jona kristalne rešetke. Međutim, zbog termičkih vibracija atoma u čvorovima kristalne rešetke, između elektrona može nastati privlačna sila i oni se zatim spajaju u parove. Parovi elektrona se ponašaju kao čestice sa cjelobrojnim spinom, tj. pridržavati se Bose-Einstein statistike. Mogu da se kondenzuju i formiraju struju superfluidne tečnosti od elektronskih parova, koja formira supravodljivu električnu struju. Iznad najnižeg energetskog nivoa nalazi se energetski jaz koji elektronski par nije u stanju da savlada zbog energije interakcije sa drugim naelektrisanjem, tj. ne može promijeniti svoje energetsko stanje. Stoga ne postoji električni otpor.

Mogućnost formiranja elektronskih parova i njihova superfluidnost objašnjava se kvantnom teorijom.

Praktična upotreba supravodljivih materijala (u namotajima supravodljivih magneta, u kompjuterskim memorijskim sistemima, itd.) otežana je zbog njihovih niskih kritičnih temperatura. Trenutno otkrivena i aktivno istražena keramičkih materijala, koji poseduju supravodljivost na temperaturama iznad 100 K (superprovodnici visoke temperature). Fenomen supravodljivosti se objašnjava kvantnom teorijom.

Ovisnost otpora provodnika o temperaturi i pritisku koristi se u tehnologiji za mjerenje temperature (otporni termometri) i velikih pritisaka koji se brzo mijenjaju (električni mjerači naprezanja).

U SI sistemu, električna otpornost provodnika se mjeri u Ohmm, a otpor se mjeri u Ohmima. Jedan om je otpor provodnika u kojem teče jednosmjerna struja od 1A na naponu od 1V.

Električna provodljivost je veličina određena formulom

. (6.27)

SI jedinica provodljivosti je simens. Jedan simens (1 cm) - vodljivost dela kola sa otporom od 1 Ohm.

Govoreći o Ohmovom zakonu (§ 1.7), naglasili smo zahtjev da fizičkim uslovima poput temperature i pritiska. Činjenica je da obično otpor vodiča ovisi o temperaturi:

Otpor metalnih žica se povećava zagrijavanjem.

Za bakarne žice Za svaki porast temperature od 2,5 °C, otpor se povećava za približno 1% (stoti dio njihove prvobitne otpornosti), ili otpor raste za 0,4% za svaki porast temperature od 1 °C. Gore navedene vrijednosti otpornosti odgovaraju temperaturi od 20 °C.

Neka, na primjer, želite odrediti otpornost bakra na temperaturi od 45 °.

Znamo da je na 20 °C bio jednak 0,0178 Ohm na 1 m dužine sa poprečnim presjekom od 1 mm2. Znamo da se svakih 2,5° povećava za 1%, tj.

Nova temperatura prelazi 20°C za 25°C.

To znači da je željena otpornost 10% veća od 0,0178: otpornost na 45° jednaka je Ohmu po 1 m sa poprečnim presjekom od 1 mm2.

Ovisnost otpora o temperaturi često se koristi za određivanje temperature bakrenih žica u električnim strojevima.

Ista zavisnost otpora od temperature koristi se za projektovanje električnih termometara na osnovu merenja otpora komada žice (često namotanog u obliku spirale) koji se nalazi u prostoriji čiju temperaturu žele da odrede.

Sa ovim mjerenjem temperature, lako je koncentrirati praćenje temperature na jednom mjestu različitim dijelovima prostorije (na primjer, u hladnjacima) ili razne dijelove industrijskih instalacija.

U tom slučaju možete koristiti jedan mjerni uređaj s pokazivačem pomicanjem prekidača u različite položaje: sa svakim novim položajem, žičane spirale, koje se nalaze, na primjer, na različitim podovima hladnjaka, uključuju se za mjerenje.

Primjer 2: Otpor namotaja električna mašina na 20 ° C bio je jednak 60 Ohma. Nakon sat vremena rada mašine, otpor namotaja se povećao na 69,6 Ohma. Odredite koliko je vruć namotaj ako za svakih 10 °C porasta temperature otpor poraste za 4%. ,

Prije svega, tražimo za koliko posto je povećan otpor:

Sada lako nalazimo da je temperatura porasla za 40°C, tj. postala je jednaka 20 + 40 = 60°C.

Naravno, sada se mora postaviti pitanje: da li se otpor mijenja? električne lampe kada se filament zagreva u njima? Odgovor: da, naravno, otpor žarne niti hladne lampe je manji od otpora u radnom stanju. Na ovo se odnosi naša napomena u § 1.7.

Napominjemo samo da se vrlo često nelinearnost karakteristike objašnjava čisto električnim fenomenima. To je slučaj u slučaju varistora, čije su karakteristike prikazane na sl. 1.14.

U broju merni instrumenti a u specijalnoj opremi često se traži da se njihov otpor ne mijenja s temperaturom. Za takve proizvode razvijene su legure čija otpornost praktično ne zavisi od temperature.

Od ovih legura najčešće se koriste manganin i konstantan.

Mnogi provodnici primjetno mijenjaju svoj otpor kada su rastegnuti ili komprimirani. Ovo svojstvo provodnika je takođe postalo važno tehnička primena: danas se o pritiscima i malim pomacima koji nastaju, na primjer, pod opterećenjem greda, šina, dijelova strojeva itd., često sudi promjenama električnog otpora posebno proizvedenih elemenata.

Otpor bakra se mijenja s temperaturom, ali prvo moramo odlučiti da li je riječ o električnoj otpornosti provodnika (omskom otporu), koja je važna za istosmjerno napajanje preko Etherneta, ili govorimo o signalima u podatkovnim mrežama, i onda govorimo o insercionim gubicima tokom širenja elektromagnetnog talasa u medijumu upredene parice i zavisnosti slabljenja od temperature (i frekvencije, što nije ništa manje važno).

Otpornost bakra

U međunarodnom SI sistemu, otpornost provodnika se mjeri u Ohm∙m. U IT području se češće koristi nesistemska dimenzija Ohm∙mm 2 /m, što je pogodnije za proračune, jer su poprečni presjeci vodiča obično naznačeni u mm 2. Vrijednost 1 Ohm∙mm 2 /m je milion puta manja od 1 Ohm∙m i karakterizira otpornost tvari, čiji homogeni provodnik dužine 1 m i površine poprečnog presjeka od 1 mm 2 daje otpor od 1 Ohm.

Otpornost čistog električnog bakra na 20°C je 0,0172 Ohm∙mm 2 /m. IN raznih izvora možete pronaći vrijednosti do 0,018 Ohm∙mm 2 /m, što se može primijeniti i na električni bakar. Vrijednosti variraju ovisno o obradi kojoj je materijal podvrgnut. Na primjer, žarenje nakon izvlačenja (“izvlačenje”) žice smanjuje otpornost bakra za nekoliko posto, iako se provodi prvenstveno radi promjene mehaničkih, a ne električnih svojstava.

Otpornost bakra ima direktne implikacije za Power over Ethernet aplikacije. Samo dio originala jednosmerna struja, uveden u provodnik, doći će do krajnjeg kraja provodnika - određeni gubici na tom putu su neizbježni. Na primjer, PoE tip 1 zahtijeva da od 15,4 W napajanih iz izvora, najmanje 12,95 W dođe do napajanog uređaja na drugom kraju.

Otpornost bakra varira s temperaturom, ali za IT temperature promjene su male. Promjena otpornosti se izračunava pomoću formula:

ΔR = α R ΔT

R 2 = R 1 (1 + α (T 2 - T 1))

gdje je ΔR promjena otpornosti, R je otpornost na temperaturi koja se uzima kao osnovni nivo (obično 20°C), ΔT je temperaturni gradijent, α je temperaturni koeficijent otpornosti za dati materijal (dimenzija °C -1 ). U rasponu od 0°C do 100°C, za bakar je prihvaćen temperaturni koeficijent od 0,004 °C -1. Izračunajmo otpornost bakra na 60°C.

R 60°C = R 20°C (1 + α (60°C - 20°C)) = 0,0172 (1 + 0,004 40) ≈ 0,02 Ohm∙mm 2 /m

Otpornost se povećala za 16% s porastom temperature za 40°C. Tokom rada kablovski sistemi, naravno, upredeni par ne bi trebalo biti blizu visoke temperature, ovo ne bi trebalo dozvoliti. Kada je pravilno dizajniran i instaliran sistem temperatura kablova se malo razlikuje od uobičajenih 20°C i tada će promjena otpora biti mala. Prema zahtjevima telekomunikacijskih standarda, otpor bakarni provodnik Dužine 100 m u kablovima upredenih parica kategorije 5e ili kategorije 6 ne smije prelaziti 9,38 oma na 20°C. U praksi se proizvođači uklapaju u ovu vrijednost s marginom, pa čak i pri temperaturama od 25°C ÷ 30°C otpor bakrenog vodiča ne prelazi ovu vrijednost.

Slabljenje signala upredenog para / Gubitak umetanja

Kada se elektromagnetski val širi kroz bakrenu upredenu paricu, dio njegove energije se rasipa duž putanje od bližeg do udaljenog kraja. Što je temperatura kabla viša, signal se više slabi. Na visokim frekvencijama slabljenje je veće nego na niskim frekvencijama, i više visoke kategorije Prihvatljive granice za ispitivanje gubitka umetanja su strože. U tom slučaju, sve granične vrijednosti su postavljene na temperaturu od 20°C. Ako je na 20°C originalni signal stigao na krajnji kraj 100 m dugog segmenta s nivoom snage P, tada će se na povišenim temperaturama takva snaga signala primijetiti na manjim udaljenostima. Ako je potrebno osigurati istu snagu signala na izlazu segmenta, tada ćete ili morati instalirati više kratki kabl(što nije uvijek moguće) ili odaberite marke kablova sa nižim prigušenjem.

• Za zaštićene kablove na temperaturama iznad 20°C, promena temperature od 1 stepen dovodi do promene slabljenja od 0,2%
• Za sve vrste kablova i bilo koje frekvencije na temperaturama do 40°C, promjena temperature od 1 stepen dovodi do promjene slabljenja od 0,4%
• Za sve vrste kablova i bilo koje frekvencije na temperaturama od 40°C do 60°C, promena temperature od 1 stepen dovodi do promene slabljenja od 0,6%
• Kablovi kategorije 3 mogu doživjeti promjenu slabljenja od 1,5% po stepenu Celzijusa

Već početkom 2000. Standard TIA/EIA-568-B.2 preporučuje smanjenje maksimalne dozvoljene trajne dužine veze/kanala kategorije 6 ako je kabl instaliran u okruženjima s povišenom temperaturom, a što je temperatura viša, segment bi trebao biti kraći.

S obzirom da je plafon frekvencije u kategoriji 6A dvostruko veći nego u kategoriji 6, temperaturna ograničenja za takve sisteme će biti još stroža.

Danas, prilikom implementacije aplikacija PoE Govorimo o maksimalnoj brzini od 1 gigabita. Međutim, kada se koriste 10-Gigabitne aplikacije, Power over Ethernet nije opcija, barem ne još. Dakle, ovisno o vašim potrebama, kada se temperatura promijeni, morate uzeti u obzir ili promjenu otpornosti bakra ili promjenu slabljenja. U oba slučaja ima najviše smisla osigurati da se kablovi drže na temperaturama blizu 20°C.