Как изменяется сопротивление при повышении температуры — причины, физические законы и механизмы влияния теплового воздействия на электропроводность

Изменение сопротивления при повышении температуры – явление, известное уже давно, которое лежит в основе работы многих технических устройств. Интерес к этому явлению связан с его широким применением в различных областях науки и техники. Особенно актуально это явление в электронике и электротехнике, где точность измерения сопротивления играет важную роль.

Сопротивление – это электрическая характеристика материала, обозначающая его способность ограничивать ток. Когда тело нагревается, происходит изменение его сопротивления. Это связано с изменением физических и химических свойств материала под воздействием повышенной температуры.

В основе изменения сопротивления при повышении температуры лежит термическое движение атомов и молекул вещества. Под влиянием повышенной температуры они начинают двигаться быстрее, что приводит к увеличению электрического сопротивления материала. Сопротивление считается положительным температурным коэффициентом, если оно увеличивается с ростом температуры.

Причиной изменения сопротивления при повышении температуры также может быть изменение внутренней структуры материала. Например, металлы при нагревании могут испытывать дилатацию, то есть увеличение своих размеров. Это приводит к увеличению расстояния между атомами и, как следствие, к увеличению сопротивления. В таком случае говорят о структурных изменениях в материале, вызванных повышением температуры.

Почему меняется сопротивление при повышении температуры?

При повышении температуры электроны получают дополнительную энергию, что приводит к их увеличенной скорости и возбуждению некоторых электронов с меньшей энергией на более высокие энергетические уровни. При этом электроны сталкиваются с атомами вещества, вызывая фононные колебания и передавая им энергию. В результате таких столкновений сопротивление увеличивается.

Кроме того, при повышении температуры происходит расширение решетки кристалла вещества. При этом расстояние между атомами увеличивается, что влияет на проходимость электронов через материал. Увеличение расстояния между атомами приводит к увеличению вероятности столкновений электронов с атомами и, следовательно, увеличению сопротивления вещества.

Также важную роль при изменении сопротивления при повышении температуры играет концентрация свободных носителей заряда. При повышении температуры некоторые связанные электроны могут освобождаться, что приводит к увеличению концентрации свободных электронов и, соответственно, уменьшению сопротивления вещества.

Терморезистивный эффект может быть обнаружен в различных материалах, таких как металлы, полупроводники и полимеры. В целом, понимание механизмов изменения сопротивления при повышении температуры является важным для разработки и оптимизации электрических и термических устройств, а также для проведения более глубоких исследований в области физики твердого тела.

Физические причины изменения сопротивления

Вторая причина изменения сопротивления – изменение уровня электронной подвижности в проводнике. При повышении температуры амплитуды тепловых колебаний атомов и молекул проводника возрастают, что приводит к увеличению вероятности столкновений электронов с примесями и дефектами решетки. Увеличение числа столкновений приводит к увеличению сопротивления проводника.

Третья причина изменения сопротивления – изменение концентрации свободных носителей заряда в проводнике. При повышении температуры некоторые свободные электроны получают энергию, достаточную для покидания атомов и превращения в ионы. Насыщение ионами проводника приводит к уменьшению плотности свободных носителей заряда и увеличению его сопротивления.

Термические механизмы изменения сопротивления

Изменение сопротивления при повышении температуры обусловлено различными термическими механизмами. В физике существуют два основных механизма изменения сопротивления в зависимости от температуры: термопереход и тепловое разделение.

Термопереход, или эффект Редклиффа (по имени физика Артура Редклиффа), воздействует на материалы, обладающие электрическим полярным моментом. При повышении температуры электроны, находящиеся в атомах или молекулах материала, начинают получать больше тепловой энергии, что приводит к увеличению амплитуды и частоты их тепловых колебаний. Это, в свою очередь, приводит к возникновению сил, воздействующих на электронный облако. В результате изменяется средняя позиция электронов, а значит и электрическое сопротивление материала.

Тепловое разделение – это механизм, обусловленный изменением подвижности носителей заряда при повышении температуры. При нагреве материала электроны получают больше тепловой энергии, что приводит к увеличению скорости их теплового движения. Обычно электроны двигаются с определенной средней скоростью, но в результате теплового движения некоторые электроны могут получать достаточно энергии, чтобы преодолеть энергетический барьер, который ограничивает их движение. Это приводит к увеличению вероятности прохождения электронов через материал, а, следовательно, к уменьшению сопротивления.

Таблица ниже представляет сравнительные данные о механизмах изменения сопротивления в зависимости от температуры для различных материалов:

Изменение сопротивления в зависимости от температуры играет важную роль во множестве технических приложений. Понимание термических механизмов изменения сопротивления позволяет разрабатывать материалы с требуемыми электрофизическими свойствами, а также использовать позитивные эффекты уменьшения или увеличения сопротивления в различных устройствах.