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白熱電球の電圧電流特性が直線ではなく非線形となるのはなぜでしょうか??

A 回答 (5件)

白熱電球でも豆電球でも同じですが、フィラメントに使用されているタングステンは、温度係数の大きな物質です。



温度係数とは、体積抵抗率の温度変化の大きさを示す係数です。
具体的には、抵抗R[Ω]は、長さL[m]、断面積をS[m^2]、物質により異なる体積抵抗率をρ[Ω・m]とすれば、R=ρ・L/Sという関係がありますが、このρが温度によって変化することがわかっています。
具体的には0[℃]のときのρの値をρ0としたときに、ρ=ρ0*(1+αt+βt^2・・・)となります。一般的には一時近似でよいので、このαを温度係数と呼びます。金属ではα>0、半導体ではα<0の関係がありますので、温度上昇によって、金属では抵抗が増大し、半導体では抵抗が減少します。

白熱電球は、二千数百度の温度にすることによって発光させていますから、当然、相当抵抗が大きくなってしまうのです。

補足ですが、ニクロム線は、温度係数が非常に小さい物質です。従って、温度変化により抵抗がそれほど増大せず、定電圧でも用いるとき、電流×電圧=電力にあまり変化がありません。

また、温度係数が0の物質はなかったと思われますので、数学的な意味で厳密に言えばすべて非線形ではないでしょうか?
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この回答へのお礼

納得できました。詳しい解説どうも有難うございます!!

お礼日時:2006/10/16 22:41

ANo.3さんの最後の行


>温度が上がれば、導体は抵抗が減りますのでその結果、直線では無く非線形となります
はミスタイプでは有りませんか?半導体は確かにそのようになりますが。

ANo.4さんが非常に詳しく解説してくれましたので私は大雑把に言いますがタングステンなどの金属は温度が上がると抵抗値もあがります。
その程度ですが例えば100V100W電球の非点灯時のフィラメントの抵抗を測った事がありますか?単純に計算すれば100Ωのはずですがこれが何と10Ω弱です。つまり温度によって10倍も変化すると言う事です。

その理由ですが分かりやすく言うと温度が高いと言うのは原子の運動が激しいと言う事と同義ですがそれは金属内部の自由電子の運動を妨げると言う事でもあります。
結局高温になると電子が移動しにくくなり電気抵抗が大きくなるということです。
そのような理由があって電球が切れるのはスイッチを入れた瞬間が多いです、一瞬とはいえ定格の10倍も流れるのでフィラメントのバラツキ、磁力線などで切れる事が多いです。
このようなトラブルを防ぐためにゆっくりと電流が増える半導体の商品があります、名前は忘れましたが。
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この回答へのお礼

フィラメントの抵抗が温度によって10倍も変化するとは驚きでした!解りやすく興味深い解説有難うございました!!!!

お礼日時:2006/10/16 22:46

これは温度との関係があるのですね



導体の抵抗特性は温度が上がれば抵抗が減ります
また、白熱電球は連続使用を想定してますので、通電中の温度が上がった状態で使用します

したがって、電圧を上がれば・・導体に流れる電流が増えますが・・当然温度が上がります
温度が上がれば、導体は抵抗が減りますのでその結果、直線では無く非線形となります
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温度変化により、フィラメントの抵抗が変化するためです。

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質問削除になりそうですが。


熱による電気抵抗変化のためです。
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