저항에 대한 온도의 영향

온도와 전기 저항 간의 관계를 이해하는 것은 물리학 및 전기 공학의 기초입니다. 온도는 저항에 큰 영향을 미칩니다. 이 현상은 전자 장치를 설계 및 작동하고 다양한 산업 응용 분야에서 매우 중요합니다.

 

온도 변화의 영향은 도체의 저항을 증가시키며 도체의 저항은 온도에 비례합니다. 따라서 온도가 상승하면 도체 저항이 증가합하고 도체의 저항률은 온도에 따라 변하며 저항이 증가합니다.

 

도체의 저항은 물리적 치수의 변화에 따라 변하며 길이에 비례하고 면적에 반비례합니다. 따라서 특정 값의 저항은 특정 와이어 길이와 직경을 갖습니다. 그러나 도체의 물리적 치수의 변화가 없더라도 도체 물질의 저항은 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있습니다. 이에 반하여, 절연 재료와 반도체의 저항은 온도가 증가함에 따라 감소합니다.

 

도체의 저항에 대한 온도의 영향은 온도가 증가함에 따라 저항 값이 증가하는 것입니다. 도체의 저항은 온도에 비례합니다. 도체의 온도가 상승하면 저항이 증가합니다. 도체의 저항률은 온도에 따라 변하며 저항이 증가합니다.

 

 

 

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1. 전기 저항의 기초

전기 저항은 재료가 전류의 흐름에 얼마나 반대하는지를 측정한 것입니다. 옴(Ω)으로 정량화되며 재료의 특성, 치수 및 온도에 의해 결정됩니다. 옴의 법칙은 저항(R)에 대한 기본 방정식을 제공합니다.

 

 

여기서 V는 전압이고 I는 전류입니다.

 

 

 

 

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2. 저항에 대한 온도의 영향

온도가 저항에 미치는 영향은 주로 도체, 반도체 및 절연체로 분류되는 재료마다 다릅니다.

 

다음 유형의 재료의 저항에 대한 온도의 영향에 대해 알아보겠습니다. 

• 도체
• 절연체
• 반도체

 

 

 

 

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1) 도체 저항에 대한 온도의 영향

금속과 같은 전도성 재료에서는 온도가 증가함에 따라 저항이 증가합니다. 이 동작은 원자의 열 교반이 증가하여 전자가 더 자주 산란되어 전자의 흐름을 방해하기 때문입니다. 수학적으로 이 관계는 저항 온도 계수(α)를 사용하여 표현할 수 있습니다.

 

 

저항의 온도 계수는 온도 변화에 따른 저항의 변화를 보여줍니다. 온도 측정을 위해 도체의 이 속성을 사용합니다.

 

다음 재료는 거의 선형 저항 및 온도 그래프를 가지고 있습니다. 

• 저항 온도 감지기(RTD) -Pt-100, Cu-54
• 서미스터

 

- 저항이 온도에 따라 증가하는 이유

많은 자유 전자가 흐르는 도체에서 원자의 진동은 자유 전자와 포로 전자 사이의 충돌로 이어집니다. 각 충돌은 자유 전자로부터 에너지를 흡수하고 저항을 일으킵니다. 원자가 물질 내에서 더 많이 부딪힐수록 더 많은 충돌이 발생합니다.

저항이 변하는 이유는 회로에 흐르는 전류에 따라 달라지는 온도 때문입니다. 전류의 흐름은 전기장의 영향으로 한 원자에서 다른 원자로 전자가 이동하는 것입니다. 전자는 음전하를 밀어내고 양전하를 끌어당기는 매우 작고 음전하를 띤 입자입니다. 따라서 전위의 적용으로 전자는 원자에서 원자로, 마지막으로 양극 단자로 이동합니다.

 

일부 전자만 자유롭게 이동할 수 있습니다. 그러나 각 원자 내의 다른 전자는 특정 원자에 너무 단단히 붙어 있어 전기장으로도 전자를 밀어낼 수 없습니다. 따라서 물질에 흐르는 전류는 "자유 전자"의 움직임으로 인한 것이며, 원자에 단단히 결합 된 물질과 비교하여 물질 내의 자유 전자의 수는 물질이 좋은 전도체(많은 자유 전자)인지 또는 좋은 절연체(자유 전자가 거의 없음)인지 여부를 결정하는 것입니다.

 

물질의 원자 구조에 대한 열의 영향은 원자를 진동시키는 것이며 온도가 높을수록 원자가 더 격렬하게 진동합니다. 전자의 충돌로 인한 원자의 진동은 열을 발생시킵니다. 충돌은 전자 흐름의 경로를 방해하므로 온도가 증가함에 따라 도체의 저항이 증가합니다.

 

 

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2) 절연체 저항에 대한 온도의 영향

절연체는 자유 전자가 너무 적어서 전류가 거의 흐르지 않습니다. 거의 모든 전자는 원자핵에 단단히 결합되어 있습니다. 상온에서 결합을 끊는 것은 매우 어렵습니다. 절연 물질을 가열하면 원자가 진동하고 충분히 가열되면 원자는 포로 전자의 일부를 자유롭게 흔들 수 있을 만큼 충분히 격렬하게 진동하여 자유 전자를 생성하여 전류 운반체가 됩니다.

 

따라서 자유 전자는 원자 밴드에서 전도 밴드까지 도달하여 전류가 흐르게 합니다. 따라서 고온에서는 절연체의 저항이 떨어지고 일부 절연 재료에서는 저항이 상당히 급격히 떨어집니다.

따라서 절연체의 저항은 온도가 증가함에 따라 감소합니다.

 

3) 반도체 저항에 대한 온도의 영향

반도체에서 저항은 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 반도체 재료의 저항은 온도가 증가함에 따라 비선형적으로 감소합니다. 따라서, 반도체 소자들은 비선형 또는 비-옴 특성을 나타낸다.

이 재료는 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하면 양의 온도 계수를 갖는다고 합니다.

 

온도가 증가함에 따라 저항이 감소하면 재료는 음의 온도 계수를 갖는다고합니다.

 

 

 

일반적으로 도체는 양의 온도 계수를 갖는 반면 절연체는 음의 온도 계수(고온에서)를 갖습니다.

두 그룹 내의 다른 재료는 서로 다른 온도 계수를 갖습니다. 전자 회로에 사용되는 저항기를 구성하기 위해 선택된 재료는 정비례 온도 계수가 매우 낮습니다. 사용시 이러한 재료로 만든 저항기는 저항률이 약간만 증가합니다. 따라서 저항기 제조에 이러한 재료를 사용하면 주어진 온도 범위에서 값이 약간만 변경되는 구성 요소가 생성됩니다. 발열체로 사용되는 저항은 정비례 온도 계수가 매우 낮습니다.

 

 

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예시:

0°C 온도에서 백금 저항 온도계의 저항은 2.75Ω이고 100 0°C에서 3.75Ω입니다. 알 수 없는 온도에서 저항은 3.0Ω입니다. 알 수 없는 온도의 값을 찾습니다.

 

 

 

R0 및 R100 값에서 저항의 온도 계수(α)를 계산합니다.

 

 

 

 

 

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α 값을 사용하여 저항 3.0 Ω에서 온도를 계산할 수 있습니다.

 

 

백금 저항 온도계의 저항은 25 0°C에서 3 Ω입니다.

 

온도가 저항에 미치는 영향은 전자 시스템의 설계 및 작동에서 핵심 개념입니다. 도체, 반도체 및 절연체는 다양한 온도에서 뚜렷한 거동을 나타냅니다. 도체의 저항은 온도가 상승함에 따라 증가하는 반면 절연체와 반도체의 저항은 온도가 증가함에 따라 감소합니다.