Температурный коэффициент сопротивления
Электрическое сопротивление проводника в общем случае зависит от материала проводника, от его длины и от поперечного сечения, или более кратко — от удельного сопротивления и от геометрических размеров проводника. Данная зависимость общеизвестна и выражается формулой:
Известен каждому и закон Ома для однородного участка электрической цепи, из которого видно, что ток тем меньше, чем сопротивление выше. Таким образом, если сопротивление проводника постоянно, то с ростом приложенного напряжения ток должен бы линейно расти. Но в реальности это не так. Сопротивление проводников не постоянно.
За примерами далеко ходить не надо. Если к регулируемому блоку питания (с вольтметром и амперметром) подключить лампочку, и постепенно повышать напряжение на ней, доводя до номинала, то легко заметить, что ток растет не линейно: с приближением напряжения к номиналу лампы, ток через ее спираль растет все медленнее, причем лампочка светится все ярче.
Нет такого, что с увеличением вдвое приложенного к спирали напряжения, вдвое возрос и ток. Закон Ома как-будто не выполняется. На самом деле закон Ома выполняется, и точно, просто сопротивление нити накала лампы непостоянно, оно зависит температуры.
Вспомним, с чем связана высокая электрическая проводимость металлов. Она связана с наличием в металлах большого количества носителей заряда — составных частей тока — электронов проводимости. Это электроны, образующиеся из валентных электронов атомов металла, которые для всего проводника являются общими, они не принадлежат каждый отдельному атому.
Под действием приложенного к проводнику электрического поля, свободные электроны проводимости переходят из хаотичного в более-менее упорядоченное движение — образуется электрический ток. Но электроны на своем пути встречают препятствия, неоднородности ионной решетки, такие как дефекты решетки, неоднородная структура, вызванные ее тепловыми колебаниями.
Электроны взаимодействуют с ионами, теряют импульс, их энергия передается ионам решетки, переходит в колебания ионов решетки, и хаос теплового движения самих электронов усиливается, от того проводник и нагревается при прохождении по нему тока.
В диэлектриках, полупроводниках, электролитах, газах, неполярных жидкостях — причина сопротивления может быть иной, однако закон Ома, очевидно, не остается постоянно линейным.
Таким образом, для металлов, рост температуры приводит к еще большему возрастанию тепловых колебаний кристаллической решетки, и сопротивление движению электронов проводимости возрастает. Это видно по эксперименту с лампой: яркость свечения увеличилась, но ток возрос слабее. То есть изменение температуры повлияло на сопротивление нити накаливания лампы.
В итоге становится ясно, что сопротивление металлических проводников зависит почти линейно от температуры. А если принять во внимание, что при нагревании геометрические размеры проводника меняются слабо, то и удельное электрическое сопротивление почти линейно зависит от температуры. Зависимости эти можно выразить формулами:
Обратим внимание на коэффициенты. Пусть при 0°C сопротивление проводника равно R0, тогда при температуре t°C оно примет значение R(t), и относительное изменение сопротивления будет равно α*t°C. Вот этот коэффициент пропорциональности α и называется температурным коэффициентом сопротивления . Он характеризует зависимость электрического сопротивления вещества от его текущей температуры.
Данный коэффициент численно равен относительному изменению электрического сопротивления проводника при изменении его температуры на 1К (на один градус Кельвина, что равноценно изменению температуры на один градус Цельсия).
Для металлов ТКС (температурный коэффициент сопротивления α) хоть и относительно мал, но всегда больше нуля, ведь при прохождении тока электроны тем чаще сталкиваются с ионами кристаллической решетки, чем выше температура, то есть чем выше тепловое хаотичное их движение и чем выше их скорость. Сталкиваясь в хаотичном движении с ионами решетки, электроны металла теряют энергию, что мы и видим в результате — сопротивление при нагревании проводника возрастает. Данное явление используется технически в термометрах сопротивления.
Итак, температурный коэффициент сопротивления α характеризует зависимость электрического сопротивления вещества от температуры и измеряется в 1/К — кельвин в степени -1. Величину с обратным знаком называют температурным коэффициентом проводимости.
Что касается чистых полупроводников, то для них ТКС отрицателен, то есть сопротивление снижается с ростом температуры, это связано с тем, что с ростом температуры все больше электронов переходят в зону проводимости, растет при этом и концентрация дырок. Этот же механизм свойственен для жидких неполярных и твердых диэлектриков.
Полярные жидкости свое сопротивление резко уменьшают с ростом температуры из-за снижения вязкости и роста диссоциации. Это свойство применяется для защиты электронных ламп от разрушительного действия больших пусковых токов.
У сплавов, легированных полупроводников, газов и электролитов тепловая зависимость сопротивления более сложна чем у чистых металлов. Сплавы с очень малым ТКС, такие как манганин и константан, применяют в электроизмерительных приборах.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Чем отличается ткс металлов от ткс полупроводников
Температурный коэффициент сопротивления
Как вы могли заметить, значения удельных электрических сопротивлений в таблице из предыдущей статьи даны при температуре 20 ° Цельсия. Если вы предположили, что они могут измениться при изменении температуры, то оказались правы.
Зависимость сопротивления проводов от температуры, отличной от стандартной (составляющей обычно 20 градусов Цельсия), можно выразить через следующую формулу:
Константа «альфа» ( α) известна как температурный коэффициент сопротивления, который равен относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу. Так как все материалы обладают определенным удельным сопротивлением (при температуре 20 ° С) , их сопротивление будет изменяться на определенную величину в зависимости от изменения температуры . Для чистых металлов температурный коэффициент сопротивления является положительным числом, что означает увеличение их сопротивления с ростом температуры. Для таких элементов, как углерод, кремний и германий , этот коэффициент является отрицательным числом , что означает уменьшение их сопротивления с ростом температуры. У некоторых металлических сплавов температурный коэффициент сопротивления очень близок к нулю, что означает крайне малое изменение их сопротивления при изменении температуры. В следующей таблице приведены значения температурных коэффициентов сопротивления нескольких распространенных типов металлов :
| Проводник | α, на градус Цельсия |
| Никель | 0,005866 |
| Железо | 0,005671 |
| Молибден | 0,004579 |
| Вольфрам | 0,004403 |
| Алюминий | 0,004308 |
| Медь | 0,004041 |
| Серебро | 0,003819 |
| Платина | 0,003729 |
| Золото | 0,003715 |
| Цинк | 0,003847 |
| Сталь (сплав) | 0,003 |
| Нихром (сплав) | 0,00017 |
| Нихром V (сплав) | 0,00013 |
| Манганин (сплав) | 0,000015 |
| Константан (сплав) | 0,000074 |
Давайте на примере нижеприведенной схемы посмотрим, как температура может повлиять на сопротивление проводов и ее функционирование в целом:
Общее сопротивление проводов этой схемы (провод 1 + провод 2) при стандартной температуре 20 ° С составляет 30 Ом. Проанализируем схему с помощью таблицы напряжений токов и сопротивлений:
При 20 ° С мы получаем 12,5 В на нагрузке, и в общей сложности 1,5 В (0,75 + 0,75) падения напряжения на сопротивлении проводов. Если температуру поднять до 35 ° С, то при помощи вышеприведенной формулы мы легко сможем рассчитать изменение сопротивления на каждом из проводов. Для медных проводов (α = 0,004041) это изменение составит:
Пересчитав значения таблицы, мы можем увидеть к каким последствиям привело изменение температуры:
Сравнив эти таблицы можно прийти к выводу, что напряжение на нагрузке при увеличении температуры снизилось (с 12,5 до 12,42 вольт), а падение напряжения на проводах увеличилось (с 0,75 до 0,79 вольт). Изменения на первый взгляд незначительны, но они могут быть существенны для протяженных линий электропередач, связывающих электростанции и подстанции, подстанции и потребителей.
Терморезисторы
Терморезистор (от термо. и англ, resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — это прибор, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от изменения температуры.
При повышении температуры металлов происходит небольшое увеличение количества электронов за счёт поступления дополнительной энергии, но значительно увеличиваются колебания кристаллической решетки, в результате чего электрическое сопротивление металла растёт. Напомним, что металлы, в которых носителями зарядов являются квазисвободные заряды, называют проводниками I рода, а электролиты, в которых носители заряда — положительные и отрицательные ионы, — II рода.
Их применяют для измерения сравнительно невысоких температур (нс более 650 °С).
Терморезисторы отличает простота устройства, способность работать в разных климатических условиях при различных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени.
Терморезисторы изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Размеры терморезисторов варьируются в пределах от 1 — 10 мкм до 1 — 2 см.
Различают терморезисторы металлические и полупроводниковые, с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).
ТКС металлов составляет от 0,004 (никель) до 0,006 «СТ 1 (железо), для полупроводников этот коэффициент при температуре 20 °С примерно равен -0,04 °С _| .
Для проводников из чистых металлов зависимость электрического сопротивления от температуры в области низких температур от -200 до 0 °С описывается уравнением
а в области температур от 0 до 630 °С
где R и R„ — сопротивления терморезистора, соответствующие температурам / и О °С; А, В и С — коэффициенты. Например, для платины с ТКС, равным 0,00385 °СА = 3,9083• 10 3 , В = = -5,775-10 7 и С = -4,18310 12 «(Г 1 (ГОСТ Р 8.625-2006).
В диапазоне температур от 0 до 180 °С зависимость сопротивления от температуры описывается уравнением
где а = tg/? — температурный коэффициент сопротивления металла.
Измерение температуры термометром сопротивления сводится к измерению его сопротивления R с последующим переходом к температуре t по формулам или градуировочным таблицам. На рис. 3.6 показана статическая характеристика термо- рсзистора.
Рис. 3.6. Статическая характеристика терморезистора
По устройству тсрморсзисторы близки к термоэлектрическим термометрам (см. п. 3.5).
Терморезисторы, как правило, бывают проволочными (рис. 3.7). Проволочный терморезистор представляет собой гонкую проволоку из чистого металла 1 (например, платины), закреплённую в зубчатой нарезке на краях каркаса 2 из температуростойкого материала (слюда, кварц, фарфор). К концам обмотки припаивают выводы 3 из серебряной проволоки, которые изолируют фарфоровыми бусами. В тсрморсзисторах, предназначенных для измерения температуры до 100 °С, возможно применение выводов из меди. При более высокой температуре спай меди с платиной образует термопару и развиваемая сю термоэдс будет служить дополнительным источником погрешности.
Рис. 3.7. Чувствительный элемент терморезистора:
1 — проволока; 2 — каркас; 3 — выводы; 4 — чехол
Выводы 3 от чувствительного элемента подведены к головке термометра. Обмотку терморезистора заключают между двух слюдяных прокладок и помещают в тонкостенную алюминиевую трубку, а затем в чехол из нержавеющей стали 4.
Выбор для изготовления термометров сопротивления проволок из чистого металла, а не сплавов, обусловлен тем, что ТКС чистых металлов больше, чем ТКС сплавов, и, следовательно, термометры на основе чистых металлов обладают большей чувствительностью.
Наиболее дешевые платиновые тсрморсзисторы выпускают в тонкоплёночном исполнении. Они состоят из тонкой (0,6 мм) керамической подложки, на которой методом катодного ВЧ напыления наносят слой платины толщиной 2 мкм. В напылённом слое лазером выжигают орнамент в форме меандра (по названию реки Меандр в Малой Азии) и проводят тонкую доводку. Затем методом термокомпрессионной сварки изготовляют контактные выводы. После этого терморезистор покрывают для защиты от воздействия окружающей среды керамическим изолирующим слоем толщиной 10 мкм.
Термометры сопротивлений бывают одинарные и двойные. В двойных термометрах сопротивления встроены два изолированных друг от друга терморезистора, применяемые для одновременного измерения температуры двумя приборами.
Внешний вид термометра сопротивления показан на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Внешний вид термометра сопротивления
Промышленность выпускает платиновые, никелевые и медные терморезисторы (см. табл. 3.9). Наибольшее распространение получили терморезисторы из платины и меди.
Технические характеристика терморезисторов
Диапазон измерения, °С
Устройство тсрморсзистора показано на рис. 3.9.
Платиновые терморезисторы (ТСП) служат для измерения температур от -260 до 1.100 °С. Градуировочная характеристика ТСП линейна и имеет модификации 20, 21, 22. Номинальные значения терморезисторов ТСП при to = 0 могут быть равны 10, 46 или 500 Ом (G.S. Ohm — немецкий физик, 1797 — 1854). Недостатком ТСП является повышенная чувствительность к различным веществам в восстановительной среде (углерод, пары кремния, калия, натрия и т.д.) и дороговизна.
Медные терморезисторы (ТСМ) служат для измерения температур от -200 до 200 °С. Их градуировочная характеристика линейна и имеет модификации 23 и 24. Номинальные сопротивления этих терморезисторов при tn = 0 °С могут быть 10, 50 и 100 Ом. Статические характеристики ТСМ отличаются от ТСП более высокой чувствительностью. Недостаток ТСМ — невысокое удельное электрическое сопротивление и окисляемость при высоких температурах.
Рис. 3.9. Внешний вид терморезистора:
1 — головка; 2,10 — штуцера; 3 — трубка; 4 — чехол; 5 — каркас; б-спираль; 7-защитная оболочка; 8 — втулка; 9 — выводы
Основные факторы, влияющие на погрешность измерения температуры технологических объектов, — это инерционность термодатчиков, неправильная их установка, нарушение условия монтажа и эксплуатации приборов.
Инерционность термодатчиков проявляется с увеличением скорости изменения температуры объекта, так как возникает значительная разница в показаниях прибора и истинной температурой объекта.
При использовании термодатчиков в агрессивной среде и высоких давлениях за счёт использования соответствующих защитных гильз значительно увеличивается их инерционность. Для уменьшения инерционности зазор между датчиком и установочной гильзой по всей длине заполняют средой с большой теплопроводностью. При рабочей температуре 0 — 200 °С используют компрессорное масло, при температурах свыше 200 °С — чугунные или бронзовые опилки.
Термометры сопротивления по точности подразделяют на три класса, а по инерционности — на малоинерционные (до 9 с), среднеинерционные (10 — 80 с) и высокоинерционные (до 4 минут).
Динамическая характеристика терморезисторов описывается передаточной функцией К(р) вида
где К — коэффициент преобразования; Т иг — постоянная времени и время запаздывания соответственно.
Значения Тит зависят от размеров защитного чехла и его материала, теплоёмкости элементов, находящихся в чехле, а также условий теплообмена.
В соответствии с требованиями производства датчики температур имеют различную монтажную (установочную) длину в интервале 60 — 3.200 мм.
Вторичными приборами для термометров сопротивления служат логометры или измерительные мосты, проградуированные в градусах Цельсия (см. п.п. 10.1, 10.2 и 10.4).
Особенностью термометрических измерений является ограничение измерительного тока с тем, чтобы исключить разогрев рабочего тела термометра. Для проволочных тсрморсзисторов рекомендуется выбирать такой измерительный ток, чтобы мощность, рассеиваемая терморезистором, не превышала 20 — 50 мВт. Допустимая рассеиваемая мощность в термисторах значительно меньше и её рекомендуется определять экспериментально для каждого термистора.
Во избежание влияния изменения сопротивления электрических проводов резистора /?, на показания прибора применяют трёхпроводную схему присоединения терморезистора к лого- метру. При этом способе присоединения сопротивления проводов оказываются включёнными в разные плечи моста и уравновешивают друг друга. Двухпроводная схема присоединения этим преимуществом не обладает (см. гл. 10).
Основными погрешностями терморезисторов являются методические погрешности из-за нагрева током теплочувствительного элемента и из-за влияния электрических и магнитных полей.
Для полупроводниковых сопротивлений (термисторов) зависимость сопротивления от температуры нелинейна:
где В — постоянная полупроводникового материала.
ТКС полупроводникового сопротивления равен
ТКС полупроводниковых терморезисторов колеблется в диапазоне (2 — 7)-10 2 °С’. ТКС для полупроводников, как правило, отрицателен, а по абсолютному значению на порядок больше ТКС металлов.
Различают терморезисторы с положительным и отрицательным ТКС.
При повышении температуры полупроводников увеличивается амплитуда колебаний кристаллической решетки, но значительно возрастает количество носителей заряда за счёт поступления дополнительной энергии, в результате чего электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.
Термисторы обычно имеют сопротивление от единиц до нескольких сотен килоом.
Применяют термисторы для измерения температур от -100 до 300 °С.
Полупроводниковые терморезисторы изготавливают из смеси оксидов различных металлов: никеля, меди, кобальта, магния, марганца и других, которые смешивают со связующим веществом, придают необходимую форму. В процессе изготовления преобразователь подвергается обжигу при высокой температуре. При обжиге оксиды спекаются в плотную массу в виде бусинки, диска или стержня, на неё напыляют электроды и подпаивают выводы из медной проволоки. Размеры термисторов, как правило, малы — около нескольких миллиметров, а иногда и нескольких десятых миллиметра. Для защиты от внешних воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметический металлический корпус или запаивают в стекло.
Режим работы термистора зависит от того, на каком участке статической вольтамперной характеристики (рис. 3.10) выбрана рабочая точка.
В свою очередь вольтамперная характеристика зависит как от конструкции, размеров и основных параметров термистора, так и температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между термистором и окружающей средой. Терморезистор с рабочей точкой на начальном — линейном участке вольтамперной характеристики используют для измерения и контроля температуры и температурной компенсации. Термисторы с рабочей точкой на нисходящем участке вольтамперной характеристики (с отрицательным ТКС) применяют в качестве пусковых реле, реле времени, стабилизаторов температуры и напряжения, для теплового контроля, пожарной сигнализации и т.п.
К достоинствам термисторов относят: очень высокий ТКС (2,5 — 4 % на 1 °С), чувствительность в 6 — 10 раз выше чувствительности терморезисторов, малая теплоёмкость и инерционность.
Рис. 3.10. Статическая вольтамперная характеристика термистора с отрицательным ТКС (R:o = 830 кОм)
Недостатками термисторов являются нелинейная зависимость их сопротивления от температуры, отсутствие взаимозаменяемости из-за большого разброса номинального сопротивления и ТКС, а также необратимое изменение сопротивления во времени, большой разброс и нестабильность характеристик от образца к образцу. Это затрудняет получение линейной шкалы прибора и замену вышедшего из строя полупроводника. Кроме того, у них довольно мал температурный диапазон (-100 — 120 °С).
Позистор (от ср.-век. лат. posi(tivus) — положительный и . резистор) — это тсрморсзистор, имеющий на температурной шкале участок с большой положительной величиной ТКС. В ограниченном интервале температур ТКС у позисторов может достигать 30 — 50 %/°С.
Позисторы изготавливают из поликристаллических полупроводниковых материалов на основе твёрдых растворов ВаТЮз (или других соединений с аналогичной структурой кристаллической решётки), легированных редкоземельными элементами Bi, Nb, Sb (в количестве
0,1 ат. %). Все эти материалы являются сегнетоэлектриками (от названия ссгнстовой соли, т.е. натриево-калиевой соли винной кислоты NaKC4H40(,-4H20, открытой французским аптекарем Э. Сенье (Е. Seignette) в 1655 году, у которой впервые было обнаружено ссгнетоэлектричсст- во).
Сегнетоэлектричество — явление, характеризующееся обратимостью или реориентируемостью спонтанной (от лат. spontaneus — добровольный, произвольный) поляризации под действием внешнего электрического поля и сопутствующими эффектами, возникающими в сегнетодиэлектрике в определённом интервале температур (сегнетоэлектричество было открыто чешским учёным Й. Валашском в 1921 году).
В сегнетоэлектрическом состоянии (примерно до 20 °С для полупроводниковых твёрдых растворов на основе ВаТЮз) удельное сопротивление материала р уменьшается при повышении температуры (область отрицательного ТКС). В области сег- нетоэлектричсского фазового перехода удельное сопротивление р резко — на несколько порядков — увеличивается (область положительного ТКС). Скачок сопротивления может составлять 5 — 7 порядков, а при дальнейшем повышении температуры снова уменьшается.
Статическая характеристика позистора показана на рис. 3.11.
Позисторы характеризуются теми же основными параметрами, что и обычные терморезисторы, кроме того, для них часто указывают положение интервала положительного ТКС на температурной шкале, максимальную величину ТКС в %/К, кратность изменения сопротивления R в области положительного ТКС и так называемую температуру переключения, при которой сопротивление позистора увеличивается по сравнению с минимальным в заданное число раз.
Позистор кардинально отличается от обычного терморезистора тем, что его сопротивление определяется нс только температурой, но и величиной приложенного к нему напряжения.
Рис. 3.11. Статическая характеристика позистора
Позисторы применяют в качестве чувствительных элементов датчиков систем терморегулирования температур и тепловой защиты. Широко используют позисторы в качестве автоматических переключающих устройств. Их обычно изготавливают в виде относительно тонких дисков диаметром около 10 мм.
Терморезистивные материалы
Терморезистивными материалами называются электропроводящие материалы, у которых проявляется терморезистивный эффект – явление, заключающееся в изменении удельного электрического сопротивления под действием температуры.
Материалы, у которых этот эффект имеет ярко выраженный характер, используются в качестве термочувствительных элементов в датчиках температуры – терморезисторах. Чувствительность терморезистора к изменению температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который представляет собой относительное изменение сопротивления на единицу приращения температуры.
Терморезисторы бывают металлическими и полупроводниковыми. Для тех и других зависимость сопротивления от температуры имеет свои особенности.
Зависимость сопротивления металлов от температуры впервые установил английский физик Х. Дэви в 1821 г., а в 1871 г. немецкий изобретатель и промышленник В. Сименс сделал первый резистивный термометр из платиновой проволоки.
Для большинства металлов ТКС является положительным: их сопротивление растёт с ростом температуры (нагрев на 1 °С увеличивает сопротивление приблизительно на 0,5 %). Зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов объясняется зависимостью длины свободного пробега электронов от температуры. Электроны испытывают рассеяние на фононах – тепловых колебаниях кристаллической решетки, причем тем больше, чем выше температура. При этом длина свободного пробега электронов изменяется обратно пропорционально абсолютной температуре.
Металлы, из которых изготавливают терморезисторы, должны иметь большой и постоянный ТКС, а также большое удельное сопротивление; кроме того, их физические и химические свойства должны быть устойчивы при высоких температурах. Для изготовления терморезисторов используют чистые металлы: медь, платину, никель, железо, реже молибден и вольфрам. Наиболее распространенными являются платиновые и медные терморезисторы. Медь по сравнению с платиной обладает меньшим удельным сопротивлением и, кроме того, окисляется при высоких температурах. Вместе с тем она довольно дешевая и ее легко получить в химически чистом виде. Железные и никелевые терморезисторы, хотя и имеют приблизительно в полтора раза большее значение ТКС, чем медные и платиновые, однако применяются реже. Это объясняется тем, что железо и никель сильно окисляются и при этом значительно изменяют свои свойства. Сплавы металлов для изготовления терморезисторов не применяются, поскольку добавление в металл незначительного количества примесей уменьшает ТКС.
В тех случаях, когда необходимо измерять высокие температуры, приходится применять жаропрочные металлы, такие как вольфрам и молибден, хотя терморезисторы из них обладают сравнительно низкой стабильностью рабочих характеристик.
В последние годы все более широкое применение находят полупроводниковые терморезисторы, которые иначе называют термисторами. Для их изготовления используют оксиды марганца, никеля и кобальта, германий и кремний с различными примесями и др. Для термисторов характерны большой ТКС (в десятки раз больше, чем у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Термистор был изобретён С. Рубеном в 1930 г. в США.
Характерным признаком беспримесных полупроводников, отличающим их от металлов, является отрицательный ТКС; иными словами, в отличие от металлов сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры. Зависимость сопротивления от температуры для полупроводников объясняется тем, что при повышении температуры всё большее число электронов переходит в зону проводимости и, соответственно, увеличивается концентрация дырок.
По сравнению с металлическими терморезисторами полупроводниковые имеют на порядок больший ТКС (этот коэффициент является отрицательным), однако его значение непостоянно: с ростом температуры ТКС сильно падает.
Если терморезистор нагревать проходящим через него электрическим током, то его температура будет зависеть от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Но поскольку интенсивность теплообмена зависит от физических свойств газовой или жидкой среды (например, от теплопроводности, плотности, вязкости), в которой находится терморезистор, а также от скорости перемещения терморезистора относительно газовой или жидкой среды, то это позволяет использовать терморезисторы для измерения таких неэлектрических величин, как скорость, расход, плотность и др.
Рис. 1. Схема термоанемометра: 1 – платиновая проволока; 2 – манганиновые стержни; 3 – изоляционная втулка; 4 – выводы
На рис. 1 показан возможный вариант применения металлического терморезистора в термоанемометре – устройстве для измерения скорости газового потока. Терморезистор представляет собой тонкую платиновую проволоку 1, припаянную к двум манганиновым стержням 2, закрепленным в изоляционной втулке 3. С помощью выводов 4 терморезистор включается в измерительную схему. Через терморезистор пропускается ток, вызывающий его нагрев. При этом температура и, следовательно, сопротивление терморезистора определяется скоростью газового потока, в который он помещен: чем больше эта скорость, тем интенсивнее отводится теплота от терморезистора.
На аналогичном принципе основано действие электрического газоанализатора. Если два одинаковых терморезистора с собственным нагревом поместить один в камеру, наполненную воздухом, а другой – в камеру, наполненную смесью воздуха с углекислым газом СО2, то из-за различной теплопроводности воздуха и углекислого газа сопротивление терморезисторов будет разным. Поскольку теплопроводность углекислого газа значительно меньше теплопроводности воздуха, то и отвод теплоты от терморезистора в камере с углекислым газом будет меньше, чем от терморезистора в камере с воздухом. По разнице сопротивлений терморезисторов можно судить о содержании углекислого газа в газовой смеси.
Зависимость теплопроводности газа от его давления позволяет использовать терморезисторы с собственным нагревом в электрических вакуумметрах.
Рис. 2. Схема вакуумметра с терморезистором: 1 – вакуумная камера; 2 – терморезистор
Таким образом, с помощью терморезисторов можно измерять скорости и расход газов и жидкостей, давление и плотность газов, определять содержание газов в смеси. Кроме платины в таких измерительных устройствах используют вольфрам, никель, полупроводниковые материалы.
Особый практический интерес представляют терморезисторы с положительным температурным коэффициентом, изготовленные из полупроводниковой керамики на основе титаната бария BaTiO3. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Позисторный эффект проявляется при температуре, близкой к температуре перехода керамического материала из тетрагональной сегнетоэлектрической в кубическую параэлектрическую фазу. Сущность данного эффекта состоит в резком (на несколько порядков) росте сопротивления керамики при достижении температуры фазового перехода – точки Кюри. Позисторы широко используют в качестве термостатирующих и регулирующих устройств. Одной из наиболее перспективных областей использования позисторов является автомобилестроение (в частности, термостатирование систем топливоподачи автомобильных двигателей, что позволяет существенно снизить расход топлива в зимнее время или использовать зимой летнее топливо, что, в свою очередь, уменьшает токсичность выхлопных газов, способствует увеличению срока службы двигателей).