2.4.1.4 Odvisnost upornosti vodnikov od temperature

Specifične upornosti snovi so izmerjene pri temperaturi 20 ºC zato so merodajne za upornost vodnikov le pri 20 ºC. Električni vodniki pa so pogosto izpostavljeni delovnim temperaturam, ki so višje ali nižje od 20 ºC. To so npr. navitja elektromotorjev in transformatorjev, spirale električnih grelnikov in žarnic, vodniki električnih omrežij v zimskem času in podobno. Poglejmo, ali imajo spremembe temperature kakšen vpliv na električno upornost in s tem posredno tudi na delovanje električnih naprav.

HITRE POVEZAVE
Temperaturna odvisnost električne upornosti

SLIKA
Slika 2.4.1.4.1: Vpliv temperature na električni tok

SLIKA
Slika 2.4.1.4.2: Odvisnost specifične upornosti

SLIKA
Slika 2.4.1.4.3: Kelvinova in Celzijeva skala

SLIKA
Slika 2.4.1.4.4: Sprememba upornosti zaradi temperature

ANIMACIJA
Animacija 2.4.1.4.1: Spreminjanje upornosti vodnikov s temperaturo

PREVERI ZNANJE
Vprašanja z enim odgovorom Vprašanja z več odgovori

Vzrok spremembe električne upornosti pri spremembi temperature si razlagamo s spremembo intenzivnosti nihanja atomov tokokrog svojih osrednjih leg (sl. 2.4.1.4.1) in s spremembo števila prostih elektronov snovi. Oba pojava imata neposredni vpliv na pretok prostih elektronov skozi vodnik in s tem na prevodnost (upornost) vodnika.

Pri čistih kovinah in nekaterih zlitinah prevladuje učinek naraščanja upornosti, pri drugih zlitinah in elektrolitih pa učinek naraščanja prevodnosti.

Zaradi različnih struktur in lastnosti snovi je odvisnost specifičnih upornosti različnih snovi od temperature različna (sl. 2.4.1.4.2).

Zaradi lažje primerjave temperaturne odvisnosti upornosti snovi in možnosti računanja upornosti pri različnih temperaturah, so za vodnike iz različnih snovi, ki imajo pri temperaturi 293 K (20 °C) upornost 1 Ω, izmerjene spremembe upornosti vodnika pri spremembi temperature za 1 K.

Vrednosti koeficienta α so za različne snovi zbrane v fizikalnih in elektrotehniških priročnikih, nekaj pa jih podaja tudi pregl. 2.4.1.4.1:

Iz preglednice 2.4.1.4.1 je razvidno, da so temperaturne spremembe upornosti čistih kovin praviloma večje od sprememb upornosti zlitin, upornost npr. konstantana pa se s temperaturo praktično ne spreminja. Pri zelo majhnih vrednostih temperaturnega koeficienta α je njegov predznak odvisen od čistoče in razmerja kovin v zlitini.

Vrednosti koeficienta α so podane z enoto absolutne temperature K^-1. Kadar imamo v znanosti opraviti s temperaturo, je to vedno absolutna temperatura, merjena v Kelvinovi skali. Zato moramo tudi spremembo temperature snovi oziroma vodnika izraziti v K

Ker sta stopinji Kelvinove in Celzijeve temperaturne skale sta po velikosti enaki (slika 2.4.1.4.3), je sprememba absolutne temperature ΔT enaka spremembi Celzijeve temperature ΔJ ². Ker smo v vsakdanjem življenju navajeni na Celzijevo merjenje temperature, bomo v naših primerih računali spremembo temperature v Celzijevi skali:

Če upornost vodnika pri 20 ºC označimo z R₂₀, spremembo upornosti zaradi spremembe temperature z ΔR in upornost pri dejanski temperaturi z R_J, lahko spremembo upornosti in spremenjeno upornost določimo na osnovi sl. 2.4.1.4.4 s sklepanjem:

Pri žarnicah z volframovo žarilno nitko in uporovnih grelnikih je upornost pri 20 ºC tudi do 15-krat manjša kot pri delovnih temperaturah. Če pri izklopu napetosti v električnem omrežju (okvara, redukcije) ostanejo takšni porabniki vključeni, je lahko v trenutku, ko napetost v omrežju ponovno vklopijo, tokovni sunek v omrežje tudi do 15-krat večji od poznejšega delovnega toka. Tega varovalke razdelilnih postaj omrežja pogosto ne bi prenesle, zato je potrebno postopno vklapljanje posameznih področij porabnikov.

Še posebej pa je temperaturna odvisnost upornosti nezaželena pri uporih in drugih elektronskih elementih zahtevnejših elektronskih naprav in merilnikov. Upore za takšne primere zato izdelujemo na osnovi kovinskih oksidov z majhnim temperaturnim koeficientom upornosti ali pa jih navijemo iz žice konstantana.

Temperaturno odvisnost upornosti pa lahko uporabimo tudi koristno, npr. pri posrednem, tudi daljinskem merjenju temperature, elektronski regulaciji ogrevalnih sistemov, varovanju električnih naprav pred previsoko temperaturo in podobnem. Za take potrebe na osnovi kovinskih oksidov in polprevodniških materialov izdelujemo upore z velikimi pozitivnimi in negativnimi temperaturnimi koeficienti upornosti. Imenujemo jih termistorji.

¹ alfa, mala črka grške abecede

² theta, mala črka grške abecede

³ Enačba velja le za ožja temperaturna območja! Ker temperaturna odvisnost upornosti ni linearna funkcija, je enačba za ΔR za velike temperaturne razlike bistveno zahtevnejša.