Strana 10 z 21

Výrobky vyrobené z rôznych materiálov spolupracujú v elektroinštaláciách. Široko používané: konštrukčné a elektrotechnické ocele, meď, hliník, bronz, mosadz, olovo, cín, striebro, nikel, zlato, volfrám, platina, zliatiny rôznych kovov, uhlie, grafit, káblový papier, guma, priadza, polyvinylchlorid, polyetylén , textolit, ebonit, vlákna, mazacie a izolačné oleje, organické a silikátové sklo, porcelán, lepidlá, laky, tmely, bitúmen, kremík, selén, germánium, polovodiče na báze oxidu medi, kyslé a alkalické elektrolyty atď. Jedným slovom je ťažké nájsť materiál, ktorý sa nepoužíva v elektrotechnike. A každý z materiálov má jedinečné vlastnosti.
Vlastnosti materiálov určujú preferované oblasti ich použitia, ako aj podmienky, za ktorých nie je možné materiály použiť. Výborná je napríklad guma izolačný materiál. Ale ak sú drôty s gumovou izoláciou položené na miestach, kde je olej, guma navlhne. Za týchto podmienok je potrebná plastová izolácia. Alebo iný príklad.
Drôty s gumovou izoláciou nemôžu byť priamo pripojené k vykurovacím zariadeniam, pretože guma bude horieť. Tu potrebujete tepelne odolnú silikónovú izoláciu. Príkladov možno uviesť donekonečna.
Výrobcovia elektrotechnických výrobkov sa spoliehajú na vlastnosti materiálov, no pri opravách sa niekedy uchyľujú k neprijateľným náhradám. Dôvody výmeny sú rôzne. V niektorých prípadoch jednoducho nevedia, že napríklad mosadz nemôže vždy nahradiť červenú meď – typický prípad je diskutovaný vyššie v cvičení 20. V iných prípadoch nie je vhodný materiál; napríklad pre vlhkú miestnosť potrebujete textolitový panel a ten je nahradený getinaxom, ale getinax absorbuje vlhkosť, čo značne zhoršuje izoláciu panelu. Po tretie, ľudia sú v pokušení jednoduchosť spracovania: mosadz sa ľahko vŕta, ale červená meď sa ťažko vŕta.
Príslušné odseky pojednávajú o vplyve rôznych faktorov na materiály a výrobky. V tejto časti sa zameriame len na tepelné javy. Najprv však zdôraznime okolnosť, ktorá má zásadný význam: na porovnanie vlastností materiálov sa porovnávajú ich parametre za rovnakých podmienok. Konkrétne hodnoty spĺňajú tieto identické podmienky, t.j. určený pre konkrétnu jednotku (podiel).
Takže napríklad špecifická vodivosť medi a hliníka je 54 a 32. To znamená, že meď je elektricky vodivejšia - 54: 32 ^ 1,6 krát. Vyplýva to z fyzikálneho významu mernej vodivosti, čo nie je nič iné ako dĺžka vodiča v metroch s prierezom 1 mm 2 (prierezová jednotka), pri ktorej je jeho odpor 1 Ohm (odporová jednotka). V našom príklade, aby ste získali 1 Ohm, musíte vziať buď 54 m medeného alebo 32 m hliníkového drôtu s prierezom 1 mm 2.
Pri dostatočne vysokej teplote sa kovy a ich zliatiny topia a horia organické látky - uhlie, papier atď. Teploty topenia rôznych kovov a ich zliatin sú rôzne. Napríklad teploty topenia (čísla sú zaokrúhlené) volfrámu, ocele, niklu, medi, striebra, mosadze, hliníka, zinku, olova, cínu sú 3410, 1530, 1455,1083,981,900,658,419, 327,232 °C.
Ako je zrejmé z uvedených údajov, medzi kovmi sú veľmi žiaruvzdorné kovy, napríklad volfrám, a kovy s nízkou teplotou topenia - olovo, cín, zinok. Volfrám sa používa na výrobu vlákien žiaroviek (prevádzková teplota asi 2500 °C) a impulzných reléových kontaktov, vysokofrekvenčných spínacích elektromagnetov s výraznou indukčnosťou. V týchto prípadoch sú prúdy zvyčajne malé a krátkodobé a kontakty sú zahrievané hlavne vysokoteplotnou iskrou.
Tavné články pre zotrvačné poistky sú vyrobené z kovov s nízkou teplotou topenia, najmä olova; Poistkové vložky sú zvyčajne zinkové.
Mäkké spájky sú: cín (čistý cín sa používa len v špeciálnych prípadoch) a zliatiny cínu a olova. Napríklad spájka cín-olova GYUS-40 obsahuje 40 % cínu. Dôležité informácie o spájkovaní sú obsiahnuté v cvičení 23.
Cvičenie 23. Spájkovanie a zváranie sú široko používané na pripojenie vodičov.
Odpovedzte na otázky: 1. Aký je zásadný rozdiel medzi spájkovaním a zváraním? Uveďte príklady použitia spájkovania a zvárania. 2. Prečo je pri spájkovaní olovených káblových spojov potrebná špeciálna starostlivosť? 3. Aké sú výhody a nevýhody mäkkých spájok a čo robiť, ak je ich použitie neprijateľné? 4. Čo je tok? 5. Prečo sa prehriata spájkovačka „nespájkuje“? Čo robia skúsení inštalatéri medzi spájkovaním?
Odpovede. 1. Spájkovanie je spájanie častí výrobku pomocou roztaveného spájkovacieho kovu. Pri spájkovaní sa neroztavia spájané časti výrobku, ale roztaví sa iba spájka, ktorá má nižšiu teplotu topenia. Medzi spájanými časťami teda neexistuje priame spojenie. Zváranie je proces spájania kovov buď lokálnym legovaním, alebo spoločnou plastickou deformáciou, v dôsledku čoho vznikajú silné väzby medzi atómami spájaných kovov. Typické príklady spájkovania: pripojenie medených vodičov na kolíky konektora, kontaktné dosky relé, polovodičové diódy atď. Hliník sa tiež spájkuje, ale spájkovanie hliníka je oveľa náročnejšie a vyžaduje špeciálnu spájku. Hliníkové vodiče sa spárujú tavným zváraním, napríklad v odbočných skriniach osvetľovacích sietí. Prípojnicové spoje a odbočky z nich sa zhotovujú zváraním za studena, t.j. tlakové zváranie.
Teplota topenia olova je o niečo vyššia ako teplota topenia spájky, čo uľahčuje prehriatie a roztavenie oloveného plášťa kábla pri spájkovaní.
S mäkkými cín-cínovými spájkami je ľahké pracovať, ale nie sú dostatočne mechanicky pevné. Preto sú spojené časti produktu. ak je možné mechanické zaťaženie, je potrebné ich pred spájkovaním upevniť (vodiče prekrútiť, prevliecť cez otvory v driekoch kontaktných pružín relé, konektorov atď.).
Okrem toho, ak je v núdzových režimoch možné silné zahrievanie spájkovacích oblastí, môže dôjsť k zmäknutiu spájky a oxidácii zahriateho povrchu. Po ochladení spájky už spojenie nebude fungovať, pretože v tomto prípade nie je žiadny tok.
Ak je potrebná vysoká mechanická pevnosť alebo je možné silné zvýšenie teploty, potom sa používajú tvrdé spájky, napríklad na báze mosadze. Ale teplota spájkovania je v tomto prípade oveľa vyššia.
Tavidlo je látka, ktorá v roztavenom stave rozpúšťa oxidy, t.j. čistí spájkované povrchy. Nevyčistené povrchy nie sú spájkované. Pri spájkovaní medi, mosadze a bronzu mäkkými spájkami sa ako tavivo používa kolofónia. Pri spájkovaní ocele sa kolofónia nedá použiť. Musíte použiť kyselinu chlorovodíkovú, leptanú zinkom. Po spájkovaní kyselinou je potrebné miesto, kam by sa mohol dostať, dôkladne umyť, inak dôjde k korózii vodičov.
Ak necháte spájkovačku prehriať, kolofónia začne horieť a namiesto čistenia povrchu ju znečistí. Aby sa spájkovačka neprehrievala (pri spájkovaní sa neprehrieva, keďže teplo sa využíva na roztavenie spájky), položí sa na kovový predmet, ktorý odvádza prebytočné teplo.
Niektoré kovy v roztavenom stave rozpúšťajú viac žiaruvzdorných kovov. Takže roztavený cín rozpúšťa meď. Tento jav sa využíva pri výrobe poistkových vložiek z medeného drôtu. Na medený drôt je natavená cínová guľa. Pri zahriatí na teplotu výrazne nižšiu, ako je teplota topenia medi, sa gulička roztaví a rozpustí meď: poistka rýchlo vybuchne.
Legovaním rôznych kovov v presne definovaných pomeroch sa získajú zliatiny s požadovanými vlastnosťami. Napríklad nichrom a fechral môžu pracovať pri teplotách okolo 1000 °C, preto sa používajú v elektrických vykurovacích zariadeniach.
Rheotan a nikel majú vysoký odpor, ale netolerujú vysoké teploty - to sú reostatické zliatiny.
Hlavná vlastnosť manganínu - praktická stálosť odolnosti pri zmenách teploty - určuje hlavnú oblasť jeho použitia. Manganín sa používa na výrobu bočníkov na pripojenie ampérmetrov, prídavných odporov k voltmetrom, odporových zásobníkov a iných presných odporových prvkov v elektrických meracích zariadeniach.
Teplotný koeficient rozťažnosti invaru je približne 12-krát menší ako teplotný koeficient rozťažnosti ocele, vďaka čomu invar slúži ako jedna zo zložiek termobimetalu (pozri nižšie, cvičenie 29).
Konštantné n, chromel a alumel sú materiály pre termočlánky, kompenzačné drôty pre ne atď.
Jedným slovom, každá zliatina je určená na konkrétny účel, a preto nie je vždy prijateľná výmena. Napríklad, ak je vykurovacia špirála vyrobená nie z nichrómu, ale z niklu (jej rozmery budú približne rovnaké), bude horieť.
Pri zahrievaní spoja rôznych kovov (zliatin) termálna energia sa priamo premieňa na elektrickú energiu: vzniká termoEMF. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, thermoEMF je úmerné teplote, na čom je založené jeho meranie pomocou termočlánkov. Termočlánok sa umiestni na miesto výrobku, kde je potrebné merať teplotu a pripojí sa k milivoltmetru (pri dodržaní množstva požiadaviek, napr. pomocou špeciálnych kompenzačných vodičov a pod.). Milivoltmetrová stupnica je odstupňovaná v stupňoch Celzia.
Významné termoEMF sú vyvinuté termočlánkami zostavenými z polovodičov. Dostatočný výkon na prevádzku rádia poskytuje termočlánok umiestnený na skle petrolejovej lampy.
Ako teplota stúpa elektrický odpor kovov pribúda a uhlia, elektrolytov a polovodičových prvkov ubúda. Ako veľmi sa mení odpor, možno vypočítať pomocou teplotného koeficientu odporu. Ak je kladný, potom so zvyšujúcou sa teplotou sa odpor zvyšuje, preto prúd klesá, ale vo vinutiach elektromagnetov, sietí, meracích prístrojov, svietidiel - v rôznej miere. Preto sú dôsledky zmeny prúdu rôzne. Typické prípady sú diskutované v cvičení 24.
Cvičenie 24. Prúd prechádzajúci cez kovové časti elektrickej inštalácie ich zahrieva: odpor sa zvyšuje.
Odpovedzte na otázky a zhodnoťte, v ktorých prípadoch je nárast odporu výrazný: 1. Pri teplote 10 °C je odpor vinutia elektromagnetu R 500 Ohmov a nap. medený drôt 1 Ohm. Elektromagnet sa zahreje až na 60 °C. Ako sa zmení prúd v obvode? Zmení sa výrazne odpor napájacieho vodiča? Bude vyhrievaný elektromagnet „silnejší“ alebo „slabší“? 2. Za rovnakých podmienok sa drôt zahreje o 40 °C. Zmení sa tým prúdová sila v obvode? Uvažujme dva prípady: a) drôt sa zahrieva zaťažovacím prúdom; b) drôt bol bez záťaže, ale zohriaty, lebo bol omylom položený v blízkosti potrubia teplej vody 3. Divadelné lustre s desiatkami výkonných lámp sa nezapínajú na plný výkon hneď, ale postupne Robia to „pre krásu“ alebo sú na to vážnejšie dôvody 4. Teplota miestnosti, v ktorej je voltmeter inštalovaný, sa pohybuje od 10 do 35 °C, pričom presnosť merania zostáva v prijateľných medziach.Ako sa to dosiahne?Predpokladajme, že teplotné koeficienty odporu pre meď sú 0,004 a pre manganín 0,000008 stupňov." 5. Teplota vinutia elektromagnetu bola uvedená vyššie. Je však celkom zrejmé, že vonkajšie časti vinutia sú chladené lepšie a teda chladnejšie ako vnútorné časti. O akej teplote hovoríme?
Odpovede. 1. Teplotný koeficient odporu medi je 0,004 deg-1 - To znamená, že pri zahriatí na 100 °C sa odpor zvýši o 40 % a pri zahriatí na 60 °C o 24 %. Prúd zodpovedajúcim spôsobom klesá. Odpor drôtu je 0,2 % hodnoty odporu. Je taký malý, že by sa nemal brať do úvahy. Je zaujímavé, že so znižovaním prúdu (v dôsledku zahrievania vinutia elektromagnetu) teplota drôtu klesá (nie stúpa) a tým klesá jeho odpor. Ale tieto zmeny sú malé a bezvýznamné. V dôsledku poklesu prúdu sa MMF znižuje: elektromagnet sa stáva „slabším“ (pozri vyššie, cvičenie 1).
Pri zahriatí na 40 °C sa odpor drôtu zvýši o 16% a v našom príklade sa bude rovnať 1,16 Ohm. Ale odpor obvodu zostane prakticky rovnaký (501 Ohm % 501,16 Ohm). Pre prípad a) je ohrev záťažovým prúdom normálnym javom, pre prípad b) by sa malo prípustné zaťaženie drôtu výrazne znížiť.
Prevádzková teplota vlákna žiarovky je viac ako 2500 °C. Preto je odpor vlákna žiarovky pred jej zapnutím približne 10-krát menší ako odpor horiacej žiarovky. preto je nábehový prúd vysoký a je potrebné ho znížiť.
Odpor rámu voltmetra je zanedbateľný v porovnaní s dodatočným odporom, pretože je vyrobený z manganínu a odpor manganínu je takmer stabilný. 1. liter a ak by dodatočný odpor nebol manganín, ale meď, tak pri rovnakom napätí by sa hodnoty voltmetra pri 10 °C líšili od hodnôt pri 35 °C o 10-12 %.
V stave prvej otázky je počiatočná teplota 10 °C a ohrev 60 °C. Preto je teplota vinutia 10 + 60 = 70 °C. Ako teplota vinutia sa berie priemerná teplota, t.j. vypočítané z výsledkov meraní odporu.
Jeho meranie pomocou odporových teplomerov je založené na závislosti odporu kovov od teploty.
Ak je teplotný koeficient odporu záporný, zahrievanie vedie k lavínovému zvýšeniu prúdu a musí byť obmedzené. Prúd totiž ohrieva vodič (polovodič) so záporným odporovým koeficientom. Odpor klesá, prúd stúpa atď.
Napríklad automatické riadenie teplôt ložísk je založené na lavínovom zvýšení prúdu pri zahrievaní polovodičových odporov (termistorov). Meranie a riadenie teploty na základe teplotnej závislosti odporu vodičov a polovodičov je znázornené v cvičeniach 25 a 26.

Ryža. 9. Meranie teploty pomocou termistora s kladným teplotným koeficientom odporu (a) a regulácia teploty termistorom so záporným teplotným koeficientom odporu 16) - k úlohám 25 a 26
Cvičenie 25. Na obr. 9, a zobrazuje: napájací zdroj (+,"), merací prístroj I"R - pomerový merač.
odpor RK1 a trimovací odpor R. V mieste, kde je potrebné merať teplotu, napríklad v olejovej nádrži, sa inštaluje termistor s príslušnou výstužou a meracie zariadenie sa inštaluje na ovládací panel.
Odpovedzte na otázky: 1. Čo je znázornené na obrázku termistora RK1: lomka a písmeno 2. Aká elektrická veličina je úmerná nameranej teplote? 3. Prečo sa na meranie prúdu nepoužíva len miliampérmeter, ale pomerový meter? 4. Prečo sa do obvodu zavádza ladiaci odpor?
Odpovede. 1- Lomka, štandardný znak lineárnej samoregulácie, zdôrazňuje, že odpor sa mení priamo úmerne so zmenami teploty a tento proces prebieha sám o sebe, t.j. bez akýchkoľvek vonkajších vplyvov. Písmeno označuje fyzikálnu veličinu, v našom prípade teplotu, pod vplyvom ktorej dochádza k samoregulácii.
Úmerné sile prúdu.
Údaj miliampérmetra závisí nielen od odporu (ktorý je potrebný), ale aj od zmien napätia napájacieho zdroja, čo vnáša do merania chybu. Pomerové merače (pomerové merače) nemajú túto nevýhodu: ich hodnoty sú prakticky nezávislé od zmien napätia. Faktom je, že protipôsobiaci moment v pomerovom merači nevytvára pružina (ako v miliampérmetri), ale elektricky, t.j. pomocou druhého vinutia na obr. 9 a je znázornená zelenou čiarou. V skutočnosti, čím je napätie nižšie, tým menší prúd prechádza pracovným vinutím (červená na obr. 9a).
Ale prúd vytvárajúci protichodný krútiaci moment klesá v rovnakom rozsahu. Keď sa napätie zvyšuje, prúdy v pracovnom aj protismernom vinutí sa zvyšujú rovnako.
4. Pomerové meradlá na meranie teploty sú kalibrované na základe určitej hodnoty odporu napájacích vodičov. Pomocou ladiaceho odporu R sa táto hodnota nastavuje počas nastavovania.
Cvičenie 26. Na obr. Obrázok 9.6 ukazuje diagram na monitorovanie teploty ložiska mechanizmu. Snímač teploty polovodičový termistor (termistor) RK2 - inštalovaný v ložiskovom štíte a zapojený sériovo s vinutím relé K. Stabilizované napájacie napätie z transformátora 75 pomocou odbočiek zo sekundárneho vinutia sa volí tak, aby pri teplote nižšej ako nastavená hodnota (napríklad pod 80 °C) sa udržiava tepelná rovnováha. To znamená, že teplo generované prúdom prechádzajúcim cez termistor je úplne odvádzané riadeným médiom a odpor termistora je tisíce ohmov. Ak stúpajúca teplota dosiahne danú nastavenú hodnotu, potom sa tepelná rovnováha naruší, teplota termistora sa zvýši a jeho elektrický odpor sa zníži. Zníženie odporu spôsobuje nové zvýšenie prúdu a ďalšie zahrievanie termistora.
Proces prebieha ako lavína a rýchlo vedie k činnosti relé. Jeho kontakty môžu byť použité v akomkoľvek obvode, napríklad v obvode signalizačnej lampy III., ako v našom príklade.
Odpovedzte na otázky: I. Čo znamená prerušovaná čiara v označení termistora RK2 a nápis t°1 2. Vysvetlite účel stabilizácie napájacieho napätia. Čo v označení transformátora 7*5 označuje stabilizáciu? 3. Na čo slúžia odbočky zo sekundárneho vinutia transformátora a spínača 5? 4. Posúďte, či sa nastavenie teploty zvýši alebo zníži, ak sa zvýši napätie dodávané zo sekundárneho vinutia transformátora. 5. Z diagramu je vidieť, že po zopnutí relé K jeho kontakt skratuje termistor. Čo by sa stalo s termistorom bez tohto kontaktu?
Odpovede. 1. Prerušovaná čiara označuje nelineárnu samoreguláciu: to znamená, že odpor termistora sa nemení úmerne teplote, ale oveľa prudšie. Nápis -t označuje fyzikálnu veličinu teplotu a znamienko mínus záporný teplotný koeficient odporu. To znamená, že s rastúcou teplotou sa odpor nezvyšuje (ako pri odporovom teplomere, cvičenie 25), ale klesá.
Bez stabilizácie napätia by zmeny napätia zmenili nastavenú hodnotu teploty. Stabilizácia je naznačená prerušovanou čiarou v označení transformátora 75.
Kohútiky slúžia na nastavenie napätia zodpovedajúceho požadovanému nastaveniu pomocou spínača 5.
Keď sa napätie zvyšuje, tepelná rovnováha sa ustanoví pri nižšej teplote regulovaného prostredia, preto sa požadovaná hodnota teploty znižuje.
zhorel by.
Zmeny teploty vždy vedú k zmenám veľkosti telies. Tepelná rozťažnosť je v niektorých prípadoch škodlivá. V dôsledku rôznych koeficientov tepelnej rozťažnosti materiálov, z ktorých sú elektrické stroje vyrobené (oceľ, meď, izolácia), vznikajú ťahové sily vedúce k mechanickému opotrebovaniu izolácie. Príklady vážnych porúch v prevádzke elektrických inštalácií sú uvedené v cvičení 27.

Ryža. 10. Tepelná rozťažnosť môže narušiť prevádzku elektroinštalácie - pre cvičenie 27
Aby tepelná rozťažnosť neviedla k poruchám, prijíma sa množstvo opatrení, napríklad pneumatiky nie sú pevne upevnené, sú v nich vyrobené pružné vložky atď.
Cvičenie 27. Nižšie sú uvedené tri príklady zlyhania elektrickej inštalácie v dôsledku tepelnej rozťažnosti.
Prípad A. Mimo prevádzky vykurovacie teleso Výmenník tepla bol nahradený tyčou 1, na ktorú bol cez azbestovú izoláciu 2 navinutý nichrómový drôt 3. Tyč bola dobre izolovaná od telesa výmenníka tepla. Jeden koniec drôtu bol pripojený k telesu výmenníka tepla a druhý k tyči a napájanie bolo napájané, ako je znázornené na obr. 10, a. Pár minút po zapnutí vybuchla poistka 4. Pred ďalším zapnutím bol megohmetrom zmeraný izolačný odpor tyče - telesa. Izolácia bola vysoká. Keď som ho nabudúce zapol, stalo sa to isté: po niekoľkých minútach vypadla poistka.
Prípad B. Porcelánový izolátor 5 je vystužený prírubou b (obr. 10.6), ako spojivo 7 bol použitý dostupný cement. Počas horúceho počasia sa v izolátore vytvorila trhlina.
Prípad B. Kábel 8 (obr. 10,c), uložený pod koľajnicami 9, bol chránený pred mechanickým poškodením kusom rúry 10. Na jar sa kábel poškodil, a to presne v potrubí.
Odpovedzte na otázky: 1. Prečo vyhorela poistka v prípade A, napriek tomu, že izolácia meraná megaohmetrom pred zapnutím bola kompletná? 2. Čo spôsobilo prasknutie izolátora v prípade B? 3. Ako došlo k poškodeniu kábla? Akú chybu ste urobili pri inštalácii?
Odpovede. 1. Po zapnutí sa tyč zahriala a predĺžila. Jeho ľavý koniec sa dotkol telesa výmenníka tepla: došlo ku skratu. Kým sme sa chystali získať megaohmmeter, tyč sa trochu ochladila a vytvorila sa medzera 5 (pozri obr. 10, a).
Cement pri zahrievaní expandoval. Odolnú liatinovú prírubu nemohol „darovať“. Preto krehkejší porcelán praskal.
Počas dňa sa sneh roztopil a potrubie sa naplnilo vodou. V noci voda zamrzla. A keďže objem ľadu je väčší ako objem vody, z ktorej ľad vznikol, ľad stlačil kábel. Inštalatéri boli povinní utesniť konce potrubia, aby voda nemohla preniknúť do potrubia.
Dôležitá je tepelná rozťažnosť užitočné aplikácie. Preto je pôsobenie expanzných teplomerov, tepelných alarmov a niektorých verzií priamočinných termostatov založené na tepelnej rozťažnosti (príklad je uvedený v cvičení 28).
Cvičenie 28. Na obr. 11,o schematicky znázorňuje priamočinný termostat. Keď sa teplota vody v chladiacom plášti 1 akéhokoľvek mechanizmu zvýši, pracovná tekutina obsiahnutá v tepelnom valci 2 expanduje a cez spojovaciu rúrku 3 prenáša tlak na tyč 6, ktorá zase tlačí na ventil 7. Ventil pohyb pokračuje, kým sa tlak pracovnej tekutiny a odpor vratnej pružiny nevyrovnajú 8. Zvyšujúci sa prietok vody znižuje teplotu v chladiacom plášti. Tlak pracovnej tekutiny v tepelnom valci klesá a pružina zdvihne ventil, čím sa zníži prietok vody. Ventil teda „dýcha“ a vpúšťa toľko vody, koľko je potrebné, aby jeho teplota zostala na danej úrovni.
Odpovedzte na otázky: 1. Na čo (obr. 11, o) slúžia vlnité rúrky (mechy) 5 a ručné koleso 4""? 2. Na základe čoho sa termostat nazýva priamočinný termostat?
Odpovede. 1. Vlnité kovové rúrky oddeľujú vzduch, chladiacu vodu a pracovnú kvapalinu. Pôsobia ako tesnenia, ale sú oveľa pokročilejšie vďaka svojej úplnej tesnosti a pohyblivosti bez trenia.
Ručné koleso sa používa na zaskrutkovanie alebo odskrutkovanie tyče pripevnenej k základni horného mechu, inými slovami na jej natiahnutie alebo stlačenie. Vďaka tomu vzniká počiatočný tlak pracovnej tekutiny, t.j. Termostat je nastavený na požadovanú hodnotu teploty.
2. Termometrický systém pôsobí priamo na ventil bez akýchkoľvek medzipohonov.
Tepelná rozťažnosť je základom pre vytvorenie termobimetalu, ktorý je široko používaný ako prvok citlivý na teplotu v automatických spínačoch, tepelných relé (na ochranu motorov pred preťažením), regulátoroch teploty a jednoduchých časových relé používaných v telefonovaní a často aj v automatizácii.

Ryža. 11. Tepelná rozťažnosť má mnoho užitočných aplikácií – k cvičeniam 28 a 29
Thermobimetal (obr. 11d) je vyrobený z dvoch zváraných dosiek s rôznymi koeficientmi teplotnej rozťažnosti a dostatočne elastický, aby nedochádzalo k zvyškovým deformáciám. Jedným z kovov môže byť zliatina - invar, ktorý má nevýznamný koeficient tepelnej rozťažnosti, druhý - bronz. Pri zahriatí (teplota v t je väčšia ako počiatočná teplota v) sa termobimetalová platňa ohne v jednom smere a pri ochladení (teplota v t je väčšia ako počiatočná teplota v) sa termobimetalová platňa ohne v jednom smere a po ochladení (in2 menej ako in) - v inom. V niektorých konštrukciách vedie ohyb k prepínaniu kontaktov, zatiaľ čo v iných sa uvoľní západka mechanizmu. Príklady sú uvedené v cvičení 29.
Cvičenie 29. Na obr. 11.6 je znázornená schéma najjednoduchšieho bimetalového časového relé, takzvanej tepelnej skupiny, inštalovanej na tele telefónneho relé. Na bimetalovú dosku 13 je navinuté vyhrievacie vinutie 11 vyrobené z izolovaného nichrómového drôtu. Keď je kontakt 9 zopnutý, prúd vstupuje do vinutia cez nastaviteľný odpor 10. Doska 13 sa zahrieva, ohýba a po určitom čase zatvára kontakt prinitovaný na doštičky 12 a 13.
Na obr. 11, c znázorňuje bimetalový tepelný alarm. Bimetalová doska 17 je namontovaná na konzole 16. Pri normálnej teplote vody sú kontakty otvorené. Keď teplota stúpne, jeden kontakt sa uzavrie, napríklad 18, a rozsvieti sa zelená kontrolka. Keď teplota klesne, ďalší kontakt 15 sa zatvorí a rozsvieti červenú kontrolku.
Schematický diagram ochranné tepelné relé je znázornené na obr. 11, d. Zaťažovací prúd / prechádza cez bimetalovú dosku 21, kontakt 22, kontaktný mostík 24 a kontakt 25. Vratná pružina 26 je stlačená (obrázok vľavo). Pri výraznom a dlhotrvajúcom preťažení sa bimetalová doska ohne (obrázok vpravo) a uvoľní páku 20. Pružina 26 zdvihne časť 23, páka 20 sa otáča okolo osi O a kontakt sa otvorí.
Odpovedzte na otázky: 1. Časové relé na obr. 11.6 je bimetalová doska 14, na ktorej nie sú žiadne kontakty ani vinutia. Nie sú zbytočným detailom? 2. Ako sa nastavuje požadované časové oneskorenie? Prečo by sa mala inštalovať „elektricky“ (zmenou sily prúdu), a nie ohýbaním pružiny 12, t.j. zväčšenie medzery medzi kontaktmi týmto spôsobom? 3. Aká je zásadná nevýhoda bimetalového časového relé? 4. Na obr. 11 je nad bimetalovou doskou znázornená vložka 19. Na čo sa používa a ako sa určuje jej dĺžka? 5. V čom spočíva zásadná výhoda konštrukcie, ktorej schéma je na obr. 11, d?
Odpovede. 1. Doska 14 je potrebná na kompenzáciu teplotných zmien životné prostredie. Faktom je, že doska 13 sa ohýba nielen pod vplyvom vykurovacieho vinutia, ale aj pod vplyvom teploty okolia. V rovnakom rozsahu sa však ohýba doska 14. Keď teplota stúpne, zdvihne dosku 12 cez posúvač a pri poklese teploty sa od nej vzďaľuje: doska 12 sa v dôsledku svojej pružnosti ohýba smerom nadol. Výsledkom je, že pri akejkoľvek teplote okolia zostáva medzera medzi doskami 12 a 13 prakticky nezmenená. V moderných tepelných relé na ochranu elektromotorov pred preťažením sa teplotná kompenzácia realizuje približne rovnakým spôsobom.
Nastavenie požadovaného nastavenia pomocou nastaviteľného odporu neporušuje mechanické vlastnosti relé a ohýbanie dosiek, aj keď nevedie k zvyškovej deformácii, v každom prípade urýchľuje starnutie.
Nastavenie závisí od zmien napájacieho napätia vykurovacieho vinutia.
Bez vložky 19 by jedna časť bimetalového pásika 17 bola v kontrolovanom prostredí - to je dobré. Ale jeho druhá časť, vyčnievajúca z média, by merala teplotu vzduchu, a to je zlé. Riadené prostredie musí prúdiť okolo celého bimetalového pásu. Táto podmienka určuje dĺžku vloženia.
Konštrukcia umožňuje, aj napriek pomalému ohýbaniu bimetalovej platne, rýchle otvorenie okruhu, čo je absolútne nevyhnutné. Ak konštrukcia neposkytuje rýchle otvorenie, musia sa prijať špeciálne opatrenia na ochranu kontaktov pred zničením.
Dôležitá poznámka. Prvoradé je umiestnenie snímačov na sledovanie parametrov procesu – teplota, hladina, tlak, prietok, rýchlosť, pohyb a pod., ako aj hĺbka ich ponorenia do kontrolovaného prostredia. Nie je teda napríklad ani zďaleka ľahostajné, kam namontovať tepelný valec termostatu, termočlánku alebo odporového teplomera. Faktom je, že teploty v spodnej a hornej časti nádrže transformátora sú odlišné (zohriaty olej stúpa). Teploty vody v blízkosti jej vstupu do chladiaceho plášťa a na jej výstupe sú rôzne.
Alebo iný príklad. Ak je nesprávne zvolené miesto inštalácie pojazdového alebo koncového spínača, potom sa pohyblivá časť mechanizmu zastaví na nesprávnom mieste. Vo všeobecnosti je to všetko oveľa zložitejšie, ako by sa na prvý pohľad mohlo zdať a často práve zlé umiestnenie snímača je dôvodom nevyhovujúceho fungovania automatiky. Ale pri projektovaní sa tieto najdôležitejšie okolnosti podceňujú a niekedy sa jednoducho nedajú brať do úvahy bez účasti úpravcov.
Izolácia je obzvlášť citlivá na zvýšenie teploty. Guma a papier pri zahrievaní praskajú a drobia sa; papier, kartón, izolačný olej, priadza a niektoré plasty, ako napríklad nesamozhášací polyetylén, sa môžu vznietiť. Pri zahrievaní organické sklo a vlákna mäknú, strácajú mechanickú pevnosť a často sa deformujú. Impregnačná hmota vyteká z kondenzátorov a vnútri sa tvoria vzduchové bubliny, ktoré sú elektricky menej pevné (pozri nižšie, § 7) ako impregnačná hmota.
Vosk, parafín, zmäkčovacie farby a laky, ktoré sa niekedy používajú pri opravách elektrických zariadení, prenikajú v roztavenej forme na povrch kotiev a pôsobia ako lepidlo. V dôsledku toho sa kotva relé nemusí uvoľniť alebo sa uvoľní s výrazným oneskorením, čo naruší činnosť automatizácie.
Prehriatie polovodičových zariadení je mimoriadne nebezpečné. Polovodičové súčiastky strácajú v dôsledku prehriatia svoje izolačné vlastnosti a kým selénové usmerňovače sa po poruche zvyčajne obnovujú, germánové a kremíkové usmerňovače beznádejne zlyhávajú a vyžadujú si výmenu.
Malo by sa osobitne zdôrazniť, že polovodičové zariadenia majú nelineárne charakteristiky; inými slovami, vodivosť zariadení má jasnú závislosť od teploty. To znamená, že aj „nie veľmi prehriaty“ produkt (napríklad počítač), ak je navrhnutý bez riadneho zohľadnenia tepelného režimu, môže „zrazu“ začať robiť chyby. Ale po dostatočnom ochladení opäť funguje správne až do ďalšieho prehriatia.
Prípustná teplota, t.j. Teplota, pri ktorej je zabezpečená dlhodobá prevádzka izolácie, je určená triedou jej tepelnej odolnosti. V deň izolácie elektrických strojov sú triedy tepelnej odolnosti označené písmenami Y, A, E, B, F, H a C, ktoré zodpovedajú prípustným teplotám 90, 105, 120, 130, 155, 180 a viac ako 180 ° C - všetko závisí od materiálu. Napríklad trieda E (120 °C) zahŕňa syntetické organické materiály (filmy, vlákna, živice, zlúčeniny atď.), trieda F (155 °C) zahŕňa materiály na báze sľudy, azbestu a sklolaminátu, používané v kombinácii so syntetickými zlúčeninami. , atď.
Prehrievanie je klamlivý jav. Ak nie je príliš veľký, jeho následky nie sú hneď zjavné a keď sa objavia, je už neskoro na akékoľvek opatrenia – výrobok je poškodený. Vonkajšie časti sa navyše vždy ohrievajú menej ako vnútorné, najmä pri intenzívnom vetraní, a to je často zavádzajúce. Jednotlivé žily viacžilových káblov sa môžu prehrievať, ale zatiaľ to tiež nebude badať.
Mnohé kritické časti elektrických inštalácií nielenže nemajú, ale ani nemôžu mať ochranu proti prehriatiu. Na prvý pohľad je takéto tvrdenie nepravdepodobné. Uvažujme však napríklad 58 prehrievajúcu sa cievku relé, stykača alebo magnetického štartéra. Kým sa jeho izolácia úplne nezničí prehriatím, prúd v obvode sa nemôže zvýšiť a teda ani poistka ani istič nebude chránená.
Prirodzene vyvstáva otázka: prečo taká ochrana, ktorá nechráni? Ochrana chráni, nie však cievky, ale elektroinštaláciu pred skratom a po vyhorení cievky preruší aj skratový prúd, čím zabráni poškodeniu samotnej elektroinštalácie.
Napriek negatívnemu vplyvu vykurovania je v zásade nemožné vyhnúť sa uvoľňovaniu tepla: pretože existuje prúd, znamená to, že existuje teplo. Uvoľňovanie tepla však neznamená, že sa izolácia nevyhnutne prehrieva a nemôže dostatočne dlho a dobre fungovať.
Pri splnení podmienok tepelného (tepelného) odporu sa izolácia zohreje v prijateľných medziach a slúži garantovanú dobu. Tepelný odpor sa vyjadruje rôznymi spôsobmi. Uveďme si pár príkladov.
Napätie nie je vyššie ako 110 % menovitého napätia. To znamená, že napätie na svorkách výrobku (relé, motor, kondenzátor atď.) by sa nemalo zvýšiť o viac ako 10%. Zdá sa, že ide o neprimerane prísnu požiadavku. Je to však celkom opodstatnené. V obvodoch s aktívnym odporom je prúd skutočne úmerný napätiu. To znamená, že zvýšenie napätia napríklad o 30 % spôsobí zvýšenie prúdu o 30 %. Ale množstvo tepla je úmerné druhej mocnine prúdu, preto sa uvoľní o 69% viac tepla ako pri menovitom napätí.
Trvalý prúd 5 A, dvojnásobné preťaženie nie viac ako 10 s - pozri vyššie, cvičenie 15.
Maximálny výkon 15 W - pozri vyššie, cvičenia 5 a 15.
Teplota nie vyššia ako 55 ° C.
Zložka striedavého napätia nie je väčšia ako 5%. Podobné podmienky sú zvyčajne nastavené pre kondenzátory, pretože pri zapnutí na pulzujúce napätie pod vplyvom striedavej zložky prechádza cez kondenzátor prúd, ktorý zahrieva a ničí kondenzátor (pozri vyššie, cvičenie 4).
Izolačný odpor sa výrazne mení s teplotou. Takže napríklad, ak sa vodivosť elektrického kartónu pri 20 ° C berie ako jednota, potom pri teplotách 30, 40 a 50 ° C sa vodivosť zvýši 4, 13 a 37 krát. Izolačný odpor klesá o rovnakú hodnotu. Takáto ostrá závislosť sa ukáže, ak urobíme jednoduchý experiment. Studený elastický papier, ktorý je výborným izolantom, zohrejeme na 130 - 140 °C: papier skrehne a skrehne. Ďalším zahrievaním papier zhnedne a nakoniec zuhoľnatene. Inými slovami, z izolácie sa zmení na vodič.
Z toho vyplýva pre prax najdôležitejší záver: pri posudzovaní výsledkov merania izolačného odporu a najmä pri porovnávaní nových meraní s predchádzajúcimi si treba dávať pozor na teplotu. Inými slovami, pred tvrdením, že izolácia sa zhoršila, musia byť výsledky nového merania privedené (prepočítané) na teplotu predchádzajúceho merania. Je jasné, že nehovoríme o teplote média, ale o teplote vinutia: napríklad v rozvodni môže byť zima, ale vinutie transformátora odpojeného na kontrolu je horúce.
Izolačný odpor nemožno merať, ak je teplota vinutia záporná. Zároveň vlhkosť zamrzne, menovite zmáčanie izolácie je najpravdepodobnejším dôvodom zhoršenia izolácie.
Extrémne teplo na kovových častiach elektrických zariadení môže byť škodlivé. Pozrime sa na dva typické príklady.
Pri dlhodobých skratoch ich môže prúd, ak prechádza cez pružiny (kontaktné, ako u mnohých reléových verzií, alebo vratné pružiny), žíhať. V dôsledku toho sa stráca elasticita.
Pri poškodení izolácie v primárnych obvodoch si poruchový prúd I často nájde cestu k zemi cez olovené plášte riadiacich káblov. Z plášťov prúd prechádza do konzol, podnosov a iných uzemnených konštrukcií. Prechodový odpor R medzi plášťami kábla a konštrukciami je však vysoký, a preto môže byť sila tepelných strát I2R v mieste prechodu prúdu taká významná, že plášte vyhoria. V tomto prípade môže dôjsť aj k poškodeniu izolácie žíl: objaví sa slabé miesto, ktoré nie je chránené pred prenikaním vlhkosti.

Strana 1

Odpor kovových vodičov a ich kontaktov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Je potrebné vziať do úvahy, že kovové vodiče a ich kontakty môžu mať vyššiu teplotu ako elektrolyt v elektrolyzéri v dôsledku dodatočného zahrievania kovu Joulovým teplom. Prehriatie kovových vodičov a ich kontaktov môže byť obzvlášť významné, ak konštrukcia elektrolyzéra neposkytuje dobré podmienky na chladenie vnútorných vodičov a kontaktov s elektrolytom a (voľne prúdiacim vzduchom) vonkajších vodičov a kontaktov.

Odpor kovového vodiča sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, pretože počet prúdových nosičov v kove sa prakticky nemení a zvyšuje sa počet zrážok elektrónov s iónmi kovovej kryštálovej mriežky. Naopak, odpor polovodiča klesá s rastúcou teplotou, pretože počet prúdových nosičov sa prudko zvyšuje. Iné faktory tu zohrávajú menšiu úlohu.

Odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou a znižuje sa s klesajúcou teplotou. Každá hodnota teploty zodpovedá určitej hodnote odporu vodiča.

Odpor kovových vodičov je spôsobený zrážkou voľných elektrónov s iónmi kryštálovej mriežky. Voľné elektróny vo vodiči podliehajú chaotickému pohybu ako molekuly ideálneho plynu. Keď je zapnuté elektrické pole, chaotický pohyb elektrónov je superponovaný na riadený pohyb - takzvaný drift elektrónov v smere opačnom k ​​vektoru intenzity poľa. Počas procesu driftu sa elektróny zrážajú s iónmi kryštálovej mriežky, s ktorými sa stretávajú v ich ceste.

Odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. V polovodičoch odpor výrazne klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

Odpor kovových vodičov a ich kontaktov a strata napätia v nich sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Navyše vďaka ich dodatočnému ohrevu Joulovým teplom môžu mať vyššiu teplotu ako elektrolyt.

Odpor kovových vodičov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Odolnosť kovového vodiča závisí aj od teploty: so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje odpor r.

Odolnosť kovových vodičov triedy I ovplyvňujú okrem teploty aj ďalšie faktory, najmä aktívne pole.

Teplotná závislosť odporu kovových vodičov je široko používaná v technológii na vytváranie odporových teplomerov. Umiestnením špirály so známym odporom R0 do pece a meraním jej odporu Rt je možné podľa (15.10) určiť teplotu t pece. Na druhej strane má táto teplotná závislosť škodlivý vplyv na činnosť presných elektrických meracích prístrojov, pričom pri zmene vonkajších podmienok mení ich odpor.

Teplotná závislosť odporu kovových vodičov je široko používaná v technológii na vytváranie odporových teplomerov. Rb možno určiť podľa (15.10) teploty i pece. Na druhej strane má táto teplotná závislosť škodlivý vplyv na činnosť presných elektrických meracích prístrojov, pričom pri zmene vonkajších podmienok mení ich odpor.

Fenomén závislosti odporu kovových vodičov od teploty je v praxi široko používaný. Je základom princípu činnosti prístrojov na meranie teploty, nazývaných odporové teplomery. Jedným z najčastejšie používaných je platinový odporový teplomer, ktorého teplotne citlivým prvkom je tenký platinový drôt bifilárne navinutý na sľudovej platni.

Pri zahrievaní vodiča sa jeho geometrické rozmery mierne menia. Odpor vodiča sa mení hlavne v dôsledku zmien jeho rezistivity. Závislosť tohto odporu od teploty nájdete: .

Keďže sa pri zmene teploty vodiča mení len málo, môžeme predpokladať, že rezistivita vodiča závisí lineárne od teploty (obr. 1).

Ryža. 1

Hoci je koeficient pomerne malý, pri výpočte vykurovacích zariadení je jednoducho potrebné zohľadniť závislosť odporu od teploty. Odpor volfrámového vlákna žiarovky sa teda zvyšuje viac ako 10-krát, keď ním prechádza prúd.

Niektoré zliatiny, ako napríklad zliatina medi a niklu, majú veľmi malý teplotný koeficient odporu:

; Odpor konštantánu je vysoký: . Takéto zliatiny sa používajú na výrobu referenčných odporov a dodatočných odporov meracie prístroje, t.j. v prípadoch, keď sa vyžaduje, aby sa pri teplotných výkyvoch výrazne nemenil odpor.

V odporových teplomeroch sa využíva závislosť odporu kovu od teploty. Hlavným pracovným prvkom takéhoto teplomeru je zvyčajne platinový drôt, ktorého závislosť od teploty je dobre známa. Zmeny teploty sa posudzujú podľa zmien odporu drôtu, ktoré je možné merať. Takéto teplomery umožňujú merať veľmi nízke a veľmi vysoké teploty, keď sú bežné kvapalinové teplomery nevhodné.

Odpor kovov sa zvyšuje lineárne so zvyšujúcou sa teplotou. Pre roztoky elektrolytov klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

V.Supravodivosť

Ryža. 2

V roku 1911 holandský fyzik Kamerlingh Onnes objavil pozoruhodný jav – supravodivosť. Zistil, že pri ochladzovaní ortuti v tekutom héliu sa jej odpor najskôr postupne mení a potom pri teplote veľmi prudko klesá na nulu (obr. 2). Tento jav sa nazýval supravodivosť. Neskôr boli objavené mnohé ďalšie supravodiče. Supravodivosť nastáva pri veľmi nízkych teplotách – asi .

Ak sa v prstencovom vodiči, ktorý je v supravodivom stave, vytvorí prúd, a potom sa zdroj elektrického prúdu vylúči, potom sa sila tohto prúdu nemení nijako dlho. V obyčajnom nesupravodivom vodiči elektriny zastaví.

Supravodiče sú široko používané. Tak sú postavené výkonné elektromagnety so supravodivým vinutím, ktoré vytvárajú magnetické pole počas dlhých časových úsekov bez spotreby energie. V supravodivom vinutí sa totiž neuvoľňuje žiadne teplo.

Je však nemožné získať ľubovoľne silné magnetické pole pomocou supravodivého magnetu. Veľmi silné magnetické pole ničí supravodivý stav. Takéto pole môže byť vytvorené prúdom v samotnom supravodiči. Preto pre každý vodič v supravodivom stave existuje kritická hodnota sily prúdu, ktorú nemožno prekročiť bez porušenia tohto stavu.

Ak by bolo možné vytvárať supravodivé materiály pri teplotách blízkych izbovej teplote, potom by bol problém prenosu energie cez drôty bez strát vyriešený. Fyzici momentálne pracujú na riešení.

Mnohé kovy a zliatiny úplne strácajú svoju odolnosť pri nižších teplotách, t.j. stať sa supravodičmi. Nedávno bola objavená vysokoteplotná supravodivosť.

VI.Elektrický prúd v polovodičoch

Ryža. 3

Polovodiče sa najzreteľnejšie líšia od vodičov v povahe závislosti elektrickej vodivosti od teploty. Merania ukazujú, že pre množstvo prvkov (kremík, germánium, selén atď.) a zlúčenín (PbS, CdS atď.) sa rezistivita s rastúcou teplotou nezvyšuje, ako pri kovoch, ale naopak extrémne prudko klesá. (Obr. 3). Takéto látky sa nazývajú polovodiče.

Štruktúra polovodičov.

Aby ste zapli tranzistorový prijímač, nemusíte nič vedieť. Na jeho vytvorenie ste však museli veľa vedieť a mať mimoriadny talent. Pochopenie toho, ako funguje tranzistor vo všeobecnosti, nie je také ťažké. Najprv sa musíte zoznámiť s mechanizmom vedenia v polovodičoch. A aby ste to dosiahli, budete sa musieť ponoriť do podstaty väzieb, ktoré držia atómy polovodičového kryštálu blízko seba. Predstavte si napríklad kremíkový kryštál.

Kremík je štvormocný prvok. To znamená, že vo vonkajšom obale atómu sú štyri elektróny, ktoré sú relatívne slabo viazané na jadro. Počet najbližších susedov každého atómu kremíka je tiež štyri. Plochý diagram štruktúry kryštálu kremíka je znázornený na obrázku 4.

Interakcia páru susedných atómov sa uskutočňuje pomocou párovej elektronickej väzby, ktorá sa nazýva kovalentná väzba. Na vzniku tejto väzby sa podieľa jeden valenčný elektrón z každého atómu, ktoré sa odštiepia od atómov (kolektivizované kryštálom) a pri svojom pohybe trávia väčšinu času v priestore medzi susednými atómami. Ich záporný náboj drží kladné ióny kremíka blízko seba.

Párovo-elektrónové väzby kremíka sú dosť pevné a nelámu sa pri nízkych teplotách. Preto kremík pri nízkych teplotách nevedie elektrický prúd. Valenčné elektróny zapojené do väzby atómov sú pevne pripojené k elektrickej mriežke a vonkajšej elektrické pole nemá výrazný vplyv na ich pohyb. Kryštál germánia má podobnú štruktúru.

Základné vlastnosti kovových vodičov

Medzi najdôležitejšie parametre charakterizujúce vlastnosti vodivých materiálov patria: 1) merná vodivosť γ alebo jej prevrátená hodnota - rezistivita ρ, 2) teplotný koeficient rezistivity. TKρ alebo α ρ , 3) súčiniteľ tepelnej vodivosti λ T(predtým sa označoval γ T), 4) merná tepelná kapacita s; 5) špecifické teplo topenia r T .

Vzťah medzi hustotou prúdu δ, (A/m²) a intenzitou elektrického poľa E(V/m), v kovovom vodiči, ako už bolo uvedené vyššie, je dané známym vzorcom δ = γE, nazývaná diferenciálna forma Ohmovho zákona.

Pre vodič s odporom R dĺžka l a konštantný prierez S, rezistivita ρ vypočítané podľa vzorca

ρ = RS/l.

Na meranie ρ materiály vodičov, je povolené použiť nesystémovú jednotku Ohm·mm²/m. Vzťah medzi týmito jednotkami odporu je nasledujúci:

Ohm mm2/m=µOhm m.

Rozsah odporu ρ kovových vodičov pri normálnych teplotách je dosť úzky: od 0,036 pre striebro a do približne 3,4 μΩ m pre zliatiny železa, chrómu a hliníka.

Odpor vodiča závisí od frekvencie prúdu, ktorý ním preteká. Je známe, že pri vysokých frekvenciách sa prúdová hustota mení naprieč prierezom vodiča. Na povrchu je maximum a pri prenikaní hlbšie do vodiča klesá. Prúd sa presúva na povrch vodiča. Tento jav sa nazýva povrchový efekt.Čím je frekvencia vyššia, tým je silnejšia. Pretože plocha prierezu, cez ktorý preteká prúd, sa zmenšila, odpor drôtu striedavý prúd bol väčší ako jeho odpor DC. Za hĺbku prieniku prúdu do vodiča pri danej frekvencii sa považuje hĺbka, pri ktorej hustota prúdu klesá e = 2,72-krát v porovnaní s jej hodnotou na povrchu vodiča.

Teplotný koeficient rezistivity kovov.

Koncentrácia voľných elektrónov n v kovovom vodiči s rastúcou teplotou zostáva prakticky nezmenená, ale ich priemerná rýchlosť tepelného pohybu sa zvyšuje. Zvyšujú sa aj vibrácie uzlov kryštálovej mriežky. Kvantum elastických vibrácií média sa zvyčajne nazýva fonón. Malé tepelné vibrácie kryštálovej mriežky možno považovať za súbor fonónov. S rastúcou teplotou sa zväčšujú amplitúdy tepelných vibrácií atómov, t.j. zväčšuje sa prierez guľového objemu, ktorý zaberá vibrujúci atóm.

So zvyšujúcou sa teplotou sa teda v dráhe elektrónového driftu pod vplyvom elektrického poľa objavuje stále viac prekážok. To vedie k tomu, že stredná voľná dráha elektrónu λ klesá, pohyblivosť elektrónov sa znižuje a v dôsledku toho sa znižuje vodivosť kovov a zvyšuje sa odpor. Zmena merného odporu vodiča pri zmene jeho teploty o 3 K, vo vzťahu k hodnote merného odporu tohto vodiča pri danej teplote, sa nazýva teplotný koeficient merného odporu. TK ρ alebo . Teplotný koeficient odporu sa meria v K -3. Teplotný koeficient odporu kovov je kladný. Ako vyplýva z definície uvedenej vyššie, diferenciálny výraz pre TK ρ má tvar:

.

Tepelná kapacita charakterizuje schopnosť látky absorbovať teplo Q pri zahriatí. Tepelná kapacita S akéhokoľvek fyzického tela je hodnota rovnajúca sa množstvu tepelnej energie absorbovanej týmto telesom, keď sa zahreje o 3 K bez zmeny jeho fázového stavu. Tepelná kapacita sa meria v J/K. Tepelná kapacita kovových materiálov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Preto tepelná kapacita S určený s nekonečne malou zmenou jeho stavu:

Pomer tepelnej kapacity S k telesnej hmotnosti m nazývaná špecifická tepelná kapacita s:

.

Špecifická tepelná kapacita sa meria v J/(kg∙K). Žiaruvzdorné materiály sa vyznačujú nízkymi hodnotami mernej tepelnej kapacity, zatiaľ čo nízkotaviteľné materiály naopak vysokými hodnotami mernej tepelnej kapacity.

Tepelná vodivosť nazývaný prenos tepelnej energie Q v nerovnomerne zohriatom médiu v dôsledku tepelného pohybu a interakcie jeho častíc. K prenosu tepla v akomkoľvek prostredí alebo akomkoľvek telese dochádza z teplejších častí do studených. V dôsledku prestupu tepla sa vyrovnáva teplota prostredia alebo telesa. V kovoch sa tepelná energia prenáša vodivými elektrónmi. Počet voľných elektrónov na jednotku objemu kovu je veľmi veľký. Preto je tepelná vodivosť kovov spravidla oveľa väčšia ako tepelná vodivosť dielektrík. Čím menej nečistôt kovy obsahujú, tým vyššia je ich tepelná vodivosť. S pribúdajúcimi nečistotami sa znižuje ich tepelná vodivosť.

Ako je známe, proces prenosu tepla je opísaný Fourierovým zákonom:

.

Tu – hustota tepelného toku, t.j. množstvo tepla prechádzajúceho pozdĺž súradnice X cez jednotku plochy prierezu za jednotku času, J/m 2 ∙s,

– teplotný gradient pozdĺž súradnice X, K/m,

– súčiniteľ úmernosti, nazývaný súčiniteľ tepelnej vodivosti (predtým označovaný), W/K∙m.

Pojem tepelná vodivosť teda zodpovedá dvom pojmom: ide o proces prenosu tepla a koeficient úmernosti, ktorý tento proces charakterizuje.

Teplota a teplo topenia. Teplo absorbované pevným kryštalickým telesom pri jeho prechode z jednej fázy do druhej sa nazýva teplo fázového prechodu. Konkrétne sa nazýva teplo absorbované kryštalickou pevnou látkou pri jej prechode z pevnej látky na kvapalinu teplo fúzie a teplota, pri ktorej dochádza k topeniu (pri konštantnom tlaku), sa nazýva bod topenia a označujú T PL.. Množstvo tepla, ktoré sa musí dodať na jednotku hmotnosti pevného kryštalického telesa pri teplote T PL previesť ho do tekutého stavu je tzv špecifické teplo topenia r PL a meria sa v MJ/kg alebo kJ/kg. Podľa teploty tavenia sa rozlišujú žiaruvzdorné kovy, ktoré majú teplotu tavenia vyššiu ako má železo, t.j. vyššie ako 3539 0 C a nízkotaviteľné s teplotou topenia nižšou ako 500 0 C. Teplotný rozsah od 500 0 C do 3539 0 C sa vzťahuje na priemerné hodnoty teploty topenia.

Pracovná funkcia elektrónu opúšťajúceho kov. Skúsenosti ukazujú, že voľné elektróny prakticky neopúšťajú kov pri bežných teplotách. Je to spôsobené tým, že v povrchovej vrstve kovu sa vytvára prídržné elektrické pole. Toto elektrické pole možno považovať za potenciálnu bariéru, ktorá bráni elektrónom uniknúť z kovu do okolitého vákua. Zádržná potenciálna bariéra je vytvorená z dvoch dôvodov. Po prvé v dôsledku príťažlivých síl z prebytočného kladného náboja, ktorý v kove vznikol v dôsledku úniku elektrónov z kovu, a po druhé v dôsledku odpudivých síl z predtým emitovaných elektrónov, ktoré vytvorili elektrónový oblak blízko povrchu kovu. kov. Tento elektrónový oblak spolu s vonkajšou vrstvou kladných mriežkových iónov tvorí elektrickú dvojvrstvu, ktorej elektrické pole je podobné ako pri kondenzátore s paralelnými doskami. Hrúbka tejto vrstvy sa rovná niekoľkým medziatómovým vzdialenostiam (30 -30 -30 -9 m). Nevytvára elektrické pole vo vonkajšom priestore, ale vytvára potenciálnu bariéru, ktorá zabraňuje úniku voľných elektrónov z kovu.

Skúsenosti v súlade so všeobecnými úvahami § 46 ukazujú, že odpor vodiča závisí aj od jeho teploty.

Navinieme niekoľko metrov tenký (priemer 0,1-0,2 mm) železný drôt 1 vo forme špirály a zapojíme ho do obvodu obsahujúceho batériu galvanických článkov 2 a ampérmeter 3 (obr. 81). Odpor tohto drôtu volíme tak, aby sa pri izbovej teplote ručička ampérmetra odchyľovala takmer po celej stupnici. Po zaznamenaní hodnôt ampérmetra silne zahrievame drôt pomocou horáka. Uvidíme, že ako sa zahrieva, prúd v obvode klesá, čo znamená, že odpor drôtu sa pri zahrievaní zvyšuje. Tento výsledok sa vyskytuje nielen pri železe, ale aj pri všetkých ostatných kovoch. So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje odolnosť kovov. Pre niektoré kovy je toto zvýšenie významné: pre čisté kovy pri zahriatí na 100°C dosahuje 40-50%; pre zliatiny je to zvyčajne menej. Existujú špeciálne zliatiny, v ktorých sa odpor takmer nemení so zvyšujúcou sa teplotou; Sú to napríklad konštantan (z latinského slova constans – konštanta) a manganín. Constantan sa používa na výrobu niektorých meracích prístrojov.

Ryža. 81. Experiment ukazujúci závislosť odporu drôtu od teploty. Pri zahrievaní sa zvyšuje odpor vodiča: 1 – vodič, 2 – batéria galvanických článkov, 3 – ampérmeter

V opačnom prípade sa pri zahrievaní zmení odpor elektrolytov. Zopakujme popísaný pokus, ale namiesto železného drôtu zaveďte do obvodu nejaký druh elektrolytu (obr. 82). Uvidíme, že hodnoty ampérmetra sa neustále zvyšujú, keď sa elektrolyt zahrieva, čo znamená, že odpor elektrolytov klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Všimnite si, že odpor uhlia a niektorých ďalších materiálov tiež klesá pri zahrievaní.

Ryža. 82. Experiment ukazujúci závislosť odporu elektrolytu od teploty. Pri zahrievaní klesá odpor elektrolytu: 1 – elektrolyt, 2 – batéria galvanických článkov, 3 – ampérmeter

Pri konštrukcii odporových teplomerov sa využíva závislosť odporu kovov od teploty. V najjednoduchšej forme je to tenký platinový drôt navinutý na sľudovej platni (obr. 83), ktorého odolnosť pri rôznych teplotách je dobre známa. Vo vnútri telesa, ktorého teplotu chcete merať (napríklad v rúre), je umiestnený odporový teplomer a konce vinutia sú pripojené k obvodu. Meraním odporu vinutia je možné určiť teplotu. Takéto teplomery sa často používajú na meranie veľmi vysokých a veľmi nízkych teplôt, pri ktorých už ortuťové teplomery nie sú použiteľné.

Ryža. 83. Odporový teplomer

Zvýšenie odporu vodiča pri jeho zahriatí o 1 °C, delené počiatočným odporom, sa nazýva teplotný koeficient odporu a zvyčajne sa označuje písmenom. Všeobecne povedané, samotný teplotný koeficient odporu závisí od teploty. Hodnota má jeden význam, ak napríklad zvýšime teplotu z 20 na 21°C a druhý, ak zvýšime teplotu z 200 na 201°C. Ale v mnohých prípadoch je zmena v pomerne širokom rozsahu teplôt nevýznamná a možno použiť priemernú hodnotu v tomto rozsahu. Ak je odpor vodiča pri teplote rovný , a pri teplote rovná , potom je priemerná hodnota

. (48.1)

Zvyčajne sa ako hodnota berie odpor pri teplote 0 °C.

Tabuľka 3. Priemerný teplotný koeficient odporu niektorých vodičov (v rozsahu od 0 do 100 °C)

Látka		Látka
Volfrám
		Constantan
		manganín

V tabuľke Tabuľka 3 zobrazuje hodnoty pre niektoré vodiče.

48.1. Keď zapnete žiarovku, prúd v obvode sa v prvom momente líši od prúdu, ktorý preteká potom, čo žiarovka začne svietiť. Ako sa mení prúd v obvode s uhlíkovou žiarovkou a žiarovkou s kovovým vláknom?

48.2. Odpor vypnutej žiarovky s volfrámovým vláknom je 60 ohmov. Pri plnom zahriatí sa odpor žiarovky zvýši na 636 ohmov. Aká je teplota horúceho vlákna? Použite tabuľku. 3.

48.3. Odpor elektrickej pece s niklovým vinutím v nevyhrievanom stave je 10 Ohmov. Aký bude odpor tejto pece, keď sa jej vinutie zahreje na 700°C? Použite tabuľku. 3.