Was passiert mit dem Widerstand eines Drahtes, wenn er erhitzt wird?

Wir hatten eine kleine Diskussion im Physikunterricht. Wir sprachen über Widerstand, und sie sagte, wenn ein Draht erhitzt wird, steigt auch der Widerstand; aber ich denke, dass der Widerstand abnimmt, weil wenn etwas erhitzt wird, die Elektronen auch Energie gewinnen, wodurch sie sich mit geringerem Widerstand bewegen können. Was ist also der richtige Ansatz und die Lösung für dieses Problem?

Um darüber nachzudenken, müssen Sie zuerst darüber nachdenken, warum es überhaupt Widerstand gibt. Was verhindert, dass ein Ladungsträger in einem elektrischen Feld unbegrenzt beschleunigt.
Wie haben Sie dafür gesorgt, dass Ihr Benutzername genauso aussieht wie der von Qmechanic ?
@Qmechanic - Reinkarnation? Wer bekommt jetzt meine Referenz? Benutzer 2451 oder 147133 ?
@NowIGetToLearnWhatAHeadIs: Benutzernamen sind auf Stack Exchange-Sites nicht eindeutig.
"Was ist der richtige Ansatz" - ziemlich sicher lautet die Antwort auf diesen Teil, dass Sie, sobald Sie eine konkrete Meinungsverschiedenheit feststellen, aufhören müssen zu reden und ein Experiment durchführen :-)
Dennis hat Recht, dass wiederholte Benutzernamen erlaubt sind, aber ich möchte Sie (den neuen Qmechanic) dringend bitten, in Betracht zu ziehen, den Benutzernamen ohne Kollision zu ändern - insbesondere, da (der alte) Qmechanic ein Moderator auf dieser Site ist und nicht nur ein langer -feststehendes Mitglied. Es ist Ihre Entscheidung, aber denken Sie darüber nach.

Antworten (3)

Beides kann je nach Material zutreffen. In Metallen benötigen die Elektronen keine zusätzliche Energie, um sich zu bewegen, daher besteht der Haupteffekt der Temperatur darin, die Atome stärker zum Schwingen zu bringen, was die Bewegung der Elektronen stört und den Widerstand erhöht.

Andererseits müssen die Elektronen in einem Halbleiter eine Energiemenge ungleich Null gewinnen, bevor sie sich überhaupt bewegen können. In diesem Fall verringert eine Erhöhung der Temperatur den Widerstand aus dem von Ihnen angegebenen Grund.

Auf Wikipedia heißt es :

In der Nähe von Raumtemperatur nimmt der spezifische Widerstand von Metallen typischerweise zu, wenn die Temperatur erhöht wird, während der spezifische Widerstand von Halbleitern typischerweise abnimmt, wenn die Temperatur erhöht wird. Der spezifische Widerstand von Isolatoren und Elektrolyten kann je nach System zu- oder abnehmen.

Sie können mehr über diese Effekte auf Wikipedia hier und hier lesen .

Das Verhalten kann kompliziert sein - Phasen/Kristallstrukturen können sich auch ändern.
@jaromrax: Stimmt, aber wenn Sie über Kristallstrukturänderungen sprechen, sollten Sie wahrscheinlich auch die Auswirkungen des Glühens berücksichtigen, und in diesem Fall hängt der Widerstand nicht nur von der aktuellen Temperatur des Metalls ab, sondern von seiner gesamten Temperaturgeschichte.
Und nur um das Leben interessanter zu machen, gibt es die Klasse von Geräten, die Thermistoren genannt werden. Die übliche Herstellungstechnik besteht darin, Metalloxidpartikel zu sintern, um einen Block oder eine Scheibe zu bilden. Je nach Material können dies PTC (positiver Temperaturkoeffizient) oder NTC (negativer Temperaturkoeffizient) sein. Und einige Materialien haben im Wesentlichen einen Temperaturkoeffizienten von Null. Es hängt alles vom Material ab.
Auch das könnte für die Diskussion interessant sein. Im Internet kursieren Tabellen mit empirisch ermittelten Koeffizienten. Abhängig von diesem Koeffizienten (dh dem Material) ändert sich der Widerstand möglicherweise überhaupt nicht.

Das Problem bei der Annahme, dass "heißere" freie Elektronen in einem Metall mehr Strom leiten, besteht darin, dass ihre Bewegung in der Richtung zufällig ist und sie daher nicht zum elektrischen Strom beitragen, da es keine Nettoladungsdrift gibt.
Ihre durchschnittliche Geschwindigkeit aufgrund ihrer thermischen Bewegung ist Null.

Das Anlegen eines elektrischen Feldes beschleunigt die freien Elektronen und so gewinnen sie kinetische Energie und nun haben die freien Elektronen eine Nettogeschwindigkeit entlang des Leiters, daher stellt diese Bewegung eine Bewegung von Ladungen in eine bestimmte Richtung dar – einen elektrischen Strom.

Die freien Elektronen kollidieren jedoch mit den Gitterionen und übertragen Energie auf die Gitterionen, die nun eine größere kinetische Energie haben – die Temperatur steigt, da es zu einer ohmschen Erwärmung gekommen ist.

Die freien Elektronen haben also eine durchschnittliche Geschwindigkeit entlang des Drahtes, die als Driftgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Die Driftgeschwindigkeit liegt in der Größenordnung von 1 mm/s, während die Geschwindigkeit der freien Elektronen aufgrund ihrer thermischen Bewegung in der Größenordnung von 100 km/s liegt.

Mit mehr kinetischer Energie schwingen die Gitterionen stärker und damit kollidieren die driftenden freien Elektronen mit größerer Wahrscheinlichkeit – der Widerstand hat zugenommen.

Bei einem Metall steigt mit zunehmender Temperatur sein Widerstand, da die Gitterionen bei höheren Temperaturen stärker schwingen.

Bei vielen Halbleitern und Isolatoren erhöht eine Temperaturerhöhung die Anzahl der Ladungsträger und somit sinkt der Widerstand mit steigender Temperatur

Wenn es hilft, ist ein spezifisches Beispiel für das Erhitzen eines Leiters das Heizelement in einem Toaster. Der Strom, der durch diesen Draht fließt, ist nicht konditioniert. Das einzige, was seinen Strom begrenzt, ist, dass sein Widerstand zunimmt, wenn er sich erwärmt.
@Cort So einfach ist das nicht. Das müsstest du wissen/messen. Die Tatsache, dass der Leiter auch das Heizelement ist, beweist nur, dass er einen Widerstand ungleich Null hat, sagt aber nichts über seine Abhängigkeit von der Temperatur aus. " Es gibt keine Konditionierung des Stroms, der durch diesen Draht fließt, das einzige, was seinen Strom begrenzt, ist, dass sein Widerstand zunimmt, wenn er sich erwärmt. " Leider ist das falsch, es gibt etwas, das als Innenwiderstand bezeichnet wird . Es gibt einen Grund, warum Sie Alkalibatterien mit der Zunge prüfen, bei einer Autobatterie sollten Sie dies jedoch vermeiden.
Ich wäre überrascht, wenn der Innenwiderstand einer 120-V-Stromleitung eine wichtige Rolle spielt. Wenn dies der Fall wäre, müssten sich die Stromleitungen in Ihren Wänden erheblich erwärmen, wenn sie Strom verbrauchen. Ich habe Schätzungen zwischen 0,02 und 0,40 Ohm Innenwiderstand für diese Stromleitungen gesehen. Das Testen einer 120-V-Stromleitung mit der Zunge wird nicht empfohlen!

Beachten Sie, dass die Temperatur in Supraleitern normalerweise sehr niedrig ist, sodass eine niedrige Temperatur und eine offensichtliche Mobilitätseinschränkung nicht unvereinbar mit einem niedrigen spezifischen Widerstand sind.

Tatsächlich bedeutet mehr thermische Bewegung auch mehr Vibrationen, also, um es in sehr einfachen Worten zu skizzieren, diese wirken der elektrischen Kraft entgegen, die die Elektronen zwingt, sich zu verhalten und in einem bestimmten Zustand zu sein, aber sie wollen es nicht.

Um auf die Frage nach dem spezifischen Widerstand von Drähten zurückzukommen: Das Phänomen der Erhöhung des spezifischen Widerstands beim Erhitzen wird seit langem als natürlicher Stromregler verwendet. Die Intensität nimmt zu, also erwärmt sich der Draht durch den Joule-Effekt, sodass der spezifische Widerstand zunimmt, die Intensität abnimmt und so weiter. Beispielsweise wurden Glühbirnen als sehr billige, aber effiziente Stromregler verwendet, da der Glühfaden hohe Temperaturen erreicht und die Wirkung bemerkenswert ist.

Was passiert mit dem Widerstand eines Drahtes, wenn er erhitzt wird?
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