ב- 2024/08/10 527

מפתח להנדסת חשמל יעילה: מבוא למקדם ההתנגדות לטמפרטורה

מקדם הטמפרטורה של התנגדות (TCR) מודד כיצד ההתנגדות של החומר משתנה עם הטמפרטורה.נכס זה חשוב לתכנון ושיפור חלקים אלקטרוניים המשמשים בענפים רבים.ככל שהטמפרטורות עולות, הדרך בה אטומים ומולקולות נעים בתוך שינויים בחומרים, ומשפיעים על תכונותיהם החשמליות והפיזיקליות.מאמר זה מסביר TCR עם מתמטיקה פשוטה, מראה את חשיבותו בחומרים כמו מתכות ומוליכים למחצה, ומדגיש את תפקידה המרשים במערכות האלקטרוניקה והבטיחות היומיומיות, כמו אלה בכורים גרעיניים.הידיעה כיצד הטמפרטורה משפיעה על חומרים מסייעת למהנדסים ומדענים לחזות התנהגות ולהבטיח שהטכנולוגיה עובדת היטב בטמפרטורות שונות.

קָטָלוֹג

איור 1: מקדם טמפרטורה

מקדם טמפרטורה

מקדם הטמפרטורה, המכונה α, מודד את השינוי היחסי ברכוש פיזי R בתגובה לשינוי בטמפרטורה DT.הקשר מיוצג באופן מתמטי על ידי הנוסחה:

כאשר α בא לידי ביטוי כטמפרטורה הפוכה, בדרך כלל ביחידות כמו 1/k או K - 1.כאשר αΔT נשאר פחות מ- 1, ניתן ליישם קירוב ליניארי ביעילות.קירוב זה מאפשר חישוב R בכל טמפרטורה נתונה t על סמך ערכו הידוע בטמפרטורת התייחסות T0, המתבטא כ:

כאשר ΔT מייצג את ההבדל בין T ל- T0.גישה לינארית זו מפשטת את ההערכות אך בדרך כלל ישים רק כאשר הפרש הטמפרטורה הוא קטן ו- α קבוע יחסית.השימוש במקדמי טמפרטורה משתרע על יישומים מדעיים ותעשייתיים שונים, במיוחד באפיון התכונות החשמליות והמגנטיות של חומרים, כמו גם התגובה שלהם, עם ערכים אופייניים הנעים בין 2 ל -3 עבור מרבית התגובות.

מקדם הטמפרטורה של התנגדות

איור 2: איור התנגדות וטמפרטורה

מקדם הטמפרטורה של התנגדות (TCR) מודד כיצד ההתנגדות החשמלית של החומר משתנה עם הטמפרטורה.בעת תכנון רכיבים חשמליים המתפקדים באופן אמין בטווח של טמפרטורות, יש צורך בתכונה זו.TCR הוא בעל ערך במיוחד למתכות, כאשר ההתנגדות בדרך כלל עולה ככל שהטמפרטורה עולה.זה קורה מכיוון שטמפרטורות גבוהות יותר גורמות להתנגשויות אלקטרוניות יותר, שמאטות את זרימת הזרם החשמלי.

הקשר בין התנגדות לטמפרטורה מוצג על ידי המשוואה:

בנוסחה זו:

R הוא ההתנגדות בטמפרטורה t,

ר '_Ref היא התנגדות ההתייחסות,

α הוא מקדם הטמפרטורה של התנגדות,

T_Ref היא טמפרטורת ההתייחסות.

מהנדסים צריכים לדעת משוואה זו כדי להבטיח שרכיבים חשמליים יופיעו היטב בטמפרטורות שונות.הבנת ה- TCR מסייעת בבחירת החומרים הנכונים ובעיצוב מערכות הממזערות את ההשפעות השליליות של שינויי טמפרטורה.

קשר בין טמפרטורה להתנגדות

איור 3: התנגדות הטמפרטורה

הקשר בין טמפרטורה להתנגדות במוליכים ניתן על ידי:

כָּאן:

ר '_T היא ההתנגדות בטמפרטורה t,

ר '₀ היא ההתנגדות הראשונית בטמפרטורת הבסיס T₀-

α הוא מקדם הטמפרטורה של התנגדות.

נוסחה זו מראה ששינוי ההתנגדות תלוי בהתנגדות הראשונית, בשינוי הטמפרטורה וב- TCR α.עבור מוליכים, ככל שהטמפרטורה עולה, האנרגיה הקינטית המוגברת של האלקטרונים מובילה להתנגשויות תכופות יותר, ובכך מגדילה את ההתנגדות.השינוי הכולל בהתנגדות נובע בעיקר משינויים בזמן הממוצע בין התנגשויות, למרות השינוי הזניח במספר נושאי המטען.הבנת הדינמיקה הזו טובה ליצירת חומרים המתאימים לתנאי טמפרטורה ספציפיים, מה שמבטיח את האמינות של מכשירים חשמליים בסביבות שונות.

סוגי מקדם התנגדות טמפרטורה

ישנם שני סוגים עיקריים של מקדמי טמפרטורה: חיוביים ושליליים.מתכות בדרך כלל מציגות מקדם חיובי, כלומר ההתנגדות שלהן עולה עם הטמפרטורה.לעומת זאת, מוליכים למחצה ומבודדים מציגים לעתים קרובות מקדם שלילי, בו טמפרטורה מוגברת מובילה למספר גבוה יותר של נושאי מטען, מה שמפחית את ההתנגדות הכללית.בחירת החומר הנכון ליישום נתון תלויה בדיכוטומיה זו, במיוחד במערכות שצריכות לווסת את הטמפרטורה במדויק.

איור 4: מקדם טמפרטורה חיובי ושלילי

מקדם טמפרטורה חיובי של התנגדות (PTC)

חומרים עם מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) של התנגדות מגבירים את ההתנגדות שלהם ככל שהם מתחממים יותר.איכות זו הופכת אותם נהדרים לסיטואציות בהן יש צורך בבקרת טמפרטורה אמינה.חומרי PTC יכולים לווסת את עצמם, כלומר הם נמנעים מחימום יתר על ידי הגבלה באופן טבעי את טמפרטורת ההפעלה הגבוהה ביותר שלהם.ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות שלהם עולה, שמורידה את הזרימה הנוכחית ושולטת בייצור החום.

חומרים שונים, כמו גומי ופולימרים מורכבים, נועדו להראות התנהגות זו.הם עשויים לעלות חדה בהתנגדות בטמפרטורות מסוימות.שינוי מהיר בהתנגדות זה שימושי מאוד לשימושים רגישים לבטיחות, כאשר שמירה על טווח טמפרטורות ספציפי היא טובה להימנעות מכשל בציוד או סכנות.דוגמאות לכך כוללות הגנה על זרם יתר במעגלים חשמליים ואלמנטים חימומיים המווסתים את עצמם במכשירים ביתיים.הטכנולוגיה המודרנית אינה יכולה לתפקד ללא חומרי PTC בגלל בטיחותם המובנית כמו גם כוחם ואמינותם.

איור 5: מראה את ערך ההתנגדות עולה

מקדם טמפרטורה שלילי של התנגדות (NTC)

חומרים עם מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) של התנגדות מורידים את ההתנגדות שלהם ככל שהם מתחממים יותר.עבור יישומים רבים הדורשים שליטה מדויקת ומדידות טמפרטורה רגישות, חומרי NTC הם בעלי ערך.ההתנגדות הירידה שלהם עם עליית הטמפרטורות הופכת אותם למושלמים לחיישני טמפרטורה ותרמיסטורים המשמשים בכל דבר, החל ממכשירי בית למערכות תעשייתיות מורכבות.

חומרי NTC מספקים משוב על חיישני טמפרטורה כך שמערכות בקרה יכולות להתאים מאווררים, תנורי חימום או מקררים.במערכות חשמל, טיפול בזרמי inrush הוא שימוש מרכזי נוסף.כאשר מיושמים לראשונה כוח, תרמיסטורים של NTC יכולים להגביל את גל הזרם על ידי התנגדות גבוהה יותר בטמפרטורות נמוכות יותר, אשר לאחר מכן יורדות כשהם מתחממים.תכונה זו מסייעת בהגנה על חלקים אלקטרוניים עדינים מפני נזק כתוצאה מזרמי הפעלה גבוהים, תוך שיפור אריכות החיים והאמינות של מערכות אלקטרוניות.

איור 6: מראה את ערך ההתנגדות נמוך יותר

מקדם טמפרטורה של דוגמת התנגדות

מדחומי התנגדות לפלטינה הם יישומים מופתיים של מקדם ההתנגדות לטמפרטורה.קביעת נקודת ההיתוך של הפח על ידי התבוננות בשינוי ההתנגדות מספקת תובנות מעשיות לגבי השימוש של מקדמי טמפרטורה ביישומים בעולם האמיתי, תוך הדגשת חשיבותם במדידות מדעיות ותעשייתיות.

דוגמה: למדחום התנגדות פלטינה יש התנגדות R0 = 50.0 Ω ב T0 = 20 ºC.α עבור PT הוא 3.92 × 10-3 (ºC) -1.המדחום שקוע בכלי המכיל פח נמס, ובשלב זה R עולה ל 91.6Ω.מהי נקודת ההיתוך של פח?

מקדם טמפרטורה של גמישות

המאפיין העיקרי של חומר המתאר כיצד המודולוס האלסטי, או הנוקשות שלו, משתנה עם הטמפרטורה הוא מקדם הטמפרטורה שלו של האלסטיות.מודולוס אלסטי, המכונה גם מודולוס של יאנג, מודד את הנוקשות של חומר.זה מכתיב כמה חומר מתעוות תחת לחץ ומוגדר כיחס הלחץ (כוח ליחידה) למתח (עיוות בתגובה ללחץ).באופן כללי, מודולוס אלסטי גבוה יותר מציין חומר נוקשה יותר.המודולוס האלסטי בדרך כלל פוחת ככל שהטמפרטורה עולה, אם כי קשר זה משתנה בין חומרים.ירידה זו מתרחשת מכיוון שהטמפרטורות הגוברות מגדילות את התנודות האטומיות או המולקולריות, ומפחיתים את הכוחות התורמים לקשיחות החומר.ככל שהחומר מתחמם, האטומים רוטטים בצורה נמרצת יותר, וגורמים להתאמות שגויה זמנית במבנה וכתוצאה מכך ירידה בקשיחות.

איור 7: מודולוס אלסטי

מקדם הטמפרטורה של האלסטיות מכמת את השינוי בקשיחות עם הטמפרטורה.זה בדרך כלל בא לידי ביטוי כשינוי שברירי במודולוס לכל מידה של שינוי טמפרטורה.מקדם שלילי פירושו שהמודולוס האלסטי יורד ככל שהטמפרטורה עולה.עבור סוגים רבים ושונים של יישומים, היכולת לחזות התנהגות חומרית בתנאי חום מגוונים חשובה, ומקדם זה מסייע בכך.

חומרים הנתונים למתח תרמי, כמו אלה המשמשים בתעשיות תעופה וחלל, רכב ובנייה, דורשים הבנה של מקדם הטמפרטורה של גמישות.לחץ תרמי מתרחש כאשר חומר עובר שינוי טמפרטורה תוך כדי איסור, וגורם להתרחבות או להתכווצות.אם החומר אינו יכול להתעוות בחופשיות בגלל אילוצים סביבתיים או מבניים, מתח מתבגר, מה שעלול להוביל לכישלון.

מקדם טמפרטורה של תגובתיות

מקדם הטמפרטורה של תגובתיות מכמת את השינויים בתגובת הכור עם הטמפרטורה.מקדם טמפרטורה שלילי הוא אידיאלי מכיוון שמשמעותו שככל שהטמפרטורה של הכור עולה, תגובתו פוחתת.מכיוון שהוא מקטין את תפוקת הכוח של הכור כשהוא מתחמם, מערכת משוב שלילית זו מסייעת למזער את התחממות יתר ותאונות אפשריות.

מספר גורמים משפיעים על מקדם הטמפרטורה של תגובתיות, כולל שינויים בתכונות הדלק, מאפייני המנחה ותצורת הכור הכוללת.ככל שהטמפרטורה עולה, הדלק הגרעיני מתרחב, ומקטין את צפיפותו, מה שמפחית את האינטראקציות של הנויטרונים ומוריד את התגובה.אצל כורים המשתמשים במנחה, כמו מים, כדי להאט את הנויטרונים, העלאת הטמפרטורה מפחיתה את צפיפות המנחה, מה שהופך אותו ליעיל פחות בהאטת נויטרונים ובכך מפחית את התגובה.טמפרטורות גבוהות יותר משפיעות גם על חתכי הקליטה של ​​בולמי תהודה בדלק הכור, ומשפרים את יכולתם ללכוד נויטרונים, מה שמוריד את התגובה.

תכונת בטיחות המווסתת את עצמה שחייבת להיות נוכחת למניעת התחממות יתר של הכורים והבטיח פעולות יציבות היא מקדם טמפרטורה שלילי של תגובתיות.זה משמש כמנגנון בקרה אוטומטי, ושומר על רמות כוח בטוחות ללא התערבות חיצונית.לדוגמה, אם תגובתיות עולה באופן בלתי צפוי, וגורמת להתחממות יתר של הכור, מקדם הטמפרטורה השלילי מפחית אוטומטית את התגובה, קירור הכור ומייצב את הפעולות.

וריאציות חומר ויישומים שלהם

מקדם התנגדות הטמפרטורה משתנה במיוחד בין חומרים שונים, פרט שנלכד בטבלאות מקיפות המפרטות את המקדמים למתכות וסגסוגות שונות בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס.למתכות כמו ניקל וברזל יש מקדמים חיוביים גבוהים, מה שמצביע על שינויים משמעותיים בהתנגדות עם שינויי טמפרטורה.לעומת זאת, סגסוגות כמו ניכרום וקונסטנטן מציגות מקדמים מינימליים או מעט שליליים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים הדורשים עמידות יציבה על פני שינויי טמפרטורה, כמו למשל בנגדים מדויקים ומעגלים רגישים לטמפרטורה.

איור 8: טבלת מקדמי טמפרטורה התנגדות למתכות נפוצות

השלכות מעשיות בעיצוב המעגלים

תכנון מעגלים שצריכים לפעול בתנאים תרמיים ספציפיים דורש הבנה ויכולת לחשב את מקדם ההתנגדות הטמפרטורה.לדוגמה, מעגל אלקטרוני סטנדרטי הפועל ב 20 מעלות צלזיוס עשוי לחוות שינויים משמעותיים בהתנגדות אם הטמפרטורה עולה ל 35 מעלות צלזיוס, במיוחד אם היא משתמשת בחיווט נחושת (α = 0.004041).

איור 9: מעגל דוגמה כדי לראות כיצד הטמפרטורה משפיעה על התנגדות לחוט

איור 10: פתרון באמצעות הנוסחה

שינויי התנגדות אלה יכולים לשנות את חלוקת המתח על פני רכיבי המעגל, ולהשפיע על יעילות הכוח הכוללת וניהול החום.תכונה זו נדרשת במיוחד ליישומים בקנה מידה גדול שבהם ניתן מורגשת תנודות טמפרטורה על פני מרחקים ארוכים, כמו העברת כוח.

מַסְקָנָה

במדע והנדסה עכשווי, לימוד מקדם ההתנגדות לטמפרטורה (TCR) מועיל ליישומים וחומרים רבים.TCR הוא הטוב ביותר לשיפור ביצועי המכשירים והבטיחות, מעקרונות בסיסיים במתכות ומוליכים למחצה לשימושים מעשיים במעגלים אלקטרוניים.תפקידה במערכות בטיחות, כמו כורים גרעיניים, מראה עד כמה הוא מדהים ליציבות ולמנוע כישלונות.הבנת וניהול TCR עדיין רלוונטית מכיוון שחומרים נתונים לסביבות קשות יותר והתקדמות טכנולוגית.שליטה ב- TCR מאפשרת למהנדסים ליצור מערכות אלקטרוניות יעילות ומתאימות יותר.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. מדוע יש למתכות מקדם טמפרטורה שלילי של התנגדות?

למתכות יש מקדם טמפרטורה שלילי של התנגדות מכיוון שככל שהטמפרטורה עולה, האטומים בתוך המתכת רוטטים ביתר שאת.רטט אטומי מוגבר זה גורם להתנגשויות תכופות יותר של אלקטרונים (הנושאים זרם חשמלי) עם האטומים הרטובים, ובכך מגביר את ההתנגדות.עם זאת, היכולת של האלקטרונים לעבור במתכת עולה גם היא עם הטמפרטורה, לרוב בקצב העולה על העלייה בהתנגשויות.כתוצאה מכך, ההתנגדות הכוללת של המתכת פוחתת עם הטמפרטורה.

2. מה קורה כאשר מקדם הטמפרטורה של התנגדות הוא שלילי?

כאשר מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות הוא שלילי, ההתנגדות של חומר יורדת ככל שהטמפרטורה שלו עולה.התנהגות זו אופיינית במתכות, כלומר הם הופכים למוליכי חשמל טובים יותר בטמפרטורות גבוהות יותר.

3. מה הפירוש של מקדם הטמפרטורה של התנגדות?

מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות מכמת כיצד ההתנגדות של חומר משתנה עם הטמפרטורה.זה בדרך כלל מתבטא כשינוי שברירי בהתנגדות לכל מידה של שינוי טמפרטורה.מקדם חיובי מצביע על עלייה בהתנגדות עם עליית הטמפרטורות, ואילו מקדם שלילי מעיד על ירידה.

4. לאיזה חומר אין מקדם טמפרטורה שלילי של התנגדות?

בדרך כלל מבודדים ומוליכים למחצה אינם בעלי מקדם התנגדות טמפרטורה שלילי.שלא כמו מתכות, חומרים אלה מראים לרוב עלייה בהתנגדות ככל שהטמפרטורה עולה, התואמת מקדם טמפרטורה חיובי.

5. מהו מקדם ההתנגדות לטמפרטורת האפס?

מקדם התנגדות לאפס טמפרטורה פירושו שהתנגדותו של חומר נותרה קבועה ללא קשר לשינויים בטמפרטורה.עבור יישומים מסוימים, שבהם זה צריך לשמור על ביצועים חשמליים קבועים על פני מגוון טמפרטורות, תכונה זו רצויה למדי.

6. לאיזה חומר יש מקדם התנגדות של אפס טמפרטורה?

סגסוגות מסוימות, כמו מנגנין (המורכבת מנחושת, מנגן וניקל), וניסוחים ספציפיים של ניקל וברזל, מהונדסים למקדם התנגדות של אפס טמפרטורה בטווח מסוים של טמפרטורות.נגדים מדויקים ורכיבים אחרים הדורשים התנגדות עקבית משתמשים בחומרים אלה.

Q7.מה היתרון של מקדם טמפרטורה שלילי?

היתרון של מקדם טמפרטורה שלילי הוא בכך שהוא מאפשר למכשירים לווסת את הטמפרטורה העצמית שלהם באמצעות התנגדות.לדוגמה, ככל שמתכת מתחממת והתנגדותה פוחתת, היא יכולה להתמודד עם זרם חשמלי רב יותר ללא חימום נוסף, מה שעלול למנוע התחממות יתר במעגלים חשמליים.מאפיין זה שימושי ביישומים כמו אלמנטים חימומיים וחיישני טמפרטורה.