溫度系數temperature coefficient)是指在溫度變化1K時,特定物理量的相對變化。

以下的公式中,R為特定的物理量,T為量測物理量時的溫度,T0為參考溫度,ΔT為量測溫度及參考溫度的溫度差,α為(線性)溫度系數。則物理量可以用以下公式表示:

此處α的因次為溫度的倒數(1/K或K−1)。

以上式子的物理量和溫度成線性關係,若物理量和溫度的多項式對數成正比,也可以在一定溫度範圍內計算溫度系數,近似此範圍內的物理量變化。若物理量是隨溫度指數增長指數衰減(例如阿倫尼烏斯方程式),只能在一個很小的溫度範圍內計算溫度系數。

溫度系數會隨應用領域的不同而不同,例如核能、電子學或磁學均有其溫度系數。物體的彈性模量也會隨溫度而變化,一般彈性模量會隨溫度升高而下降。

負溫度系數

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負溫度系數(NTC)是指一物體在一定溫度範圍內,其物理性質(例如電阻)隨溫度昇高而降低。半導體、絕緣體的電阻值都隨溫度上昇而下降。

熱導率為負溫度系數的材料自1961年起,常用在地板暖氣中。負溫度系數可以避免對地毯、豆豆椅、床墊的部份過度加熱,部份過度加熱可能會破壞木質地板,甚至會產生火災。

半導體和陶瓷的電阻為負溫度系數

電阻的溫度系數

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在設計電子元件及電路時需考慮溫度對電阻和元件的影響。導體的電阻率對溫度大致為線性變化,可以近似為下式:

 

其中

 

 只是對應某一特定溫度(例如T = 0 °C)下的電阻率[1]

不過半導體的電阻率對溫度就是指數變化:

 

其中 定義為截面積,而  則是決定其函數和特定溫度下電阻率數值的系數。

而導體而言, 即為其電阻溫度系數。半導體的電阻溫度系數則不太一致,有些文獻[2]將上述的 為半導體的電阻溫度系數。但描述半導體的電阻溫度特性時,常會整理上式,使 為常數e,以那時的 來描述半導體的電阻溫度特性。

上述性質常用在熱敏電阻中。

電阻的正溫度系數

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電阻的正溫度系數(PTC)是指材料的電阻值會隨溫度上昇而上升,若一物質的電阻溫度特性可作為工程應用,一般需要其阻值隨溫度有較大的變化,也就是溫度系數較大。溫度系數越大,代表在相同溫度變化下,其電阻增加的越多。

電阻的負溫度系數

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大部份陶瓷的電阻為負溫度系數,其統御方程式為阿倫尼烏斯方程式

 

其中R為電阻,AB為常數,而T為絕對溫度(K)。

常數B和形成及移動載流子所需的能量有關,因此若B降的越低,材料越接近絕緣體。NTC電阻的目的就是選擇適當的系數B,可以對溫度有良好的靈敏度。利用常數B可以建立以下電阻和溫度的關係:

 

其中 為溫度在 時的阻值。

半導體電阻值的負溫度系數

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半導體材料的溫度提高,會使得載流子的濃度上昇。這會讓可以重組的載流子的增加,因此提高半導體的電導率。高溫時的電導率上昇,會使電阻減少,因此半導體電阻值的溫度系數為負值。

單位

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電阻的溫度系數有時會以ppmC表示,是指當溫度在其操作溫度附近變化時,其電阻變化的比例。

正溫度系數近似的數學推導

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溫度系數的微分形式如下:

 

其中

 

 不隨 變化。

將溫度系數的微分形式積分:

 

 附近,用一階的泰勒多項式近似,可得:

 

可逆溫度系數

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殘留磁通密度(Br)對溫度的變化是磁體材料的重要特性之一。像陀螺儀行波管等應用都需要在大幅度的溫度範圍內有固定的磁場。殘留磁通密度的可逆溫度系數(reversible temperature coefficient,簡稱RTC)定義為:

 

為了滿足這些要求,在1970年代開發了溫度補償的磁鐵[3]。傳統的釤鈷磁鐵其殘留磁通密度隨溫度上昇而下降,而在特定溫度範圍內GdCo(釓鈷)磁鐵其殘留磁通密度隨溫度上昇而上昇。藉由調整合金中的比例,可將特定溫度範圍內的可逆溫度系數調整到接近零。

熱膨脹系數

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物質的大小會受因溫度而變化,熱膨脹系數可用來說明一物體隨溫度的變化。另一個類似的系數是線性熱膨脹係數,用來描述一個物體長度隨溫度的變化。由於物體的長度可以表示溫度,物體的熱膨脹特性可用來製作溫度計自動調溫器

核反應度的溫度系數

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核能工程中,核反應度(reactivity)的溫度系數是指因核反應元件或核反應冷媒溫度變化,所造成的核反應度變化(以能量的變化來表示),可定義如下:

 

其中 核連鎖反應中的有效中子增殖因子(核反應度),而T為溫度。可由上式看出 是核反應度對溫度的偏微分,也就是核反應度的溫度系數。 表示溫度變化對核反應度的影響,可應用在被動式核能安全英語passive nuclear safety。負的 常被視為是核能安全的重要指標,不過由於實際反應器的大幅度溫度變化(和理論上的均質反應器不同),限制了以此單一數值作為核能安全指標的可行性[4]

在以水為中子減速劑的核反應器,總體核反應度對溫度的變化會以核反應性對水溫度的變化來表示,不過反應器中的不同材質(如燃料或包復層)均有個自的核反應度溫度系數。水會隨着溫度升高而膨脹,因此中子在中子減速劑中運動的時間會變長,燃料的體積變化相對較小。燃料溫度變化造成的核反應度影響,會形成一種稱為都卜勒展寬的現象,是指填充材料中的快中子吸收共振,避免中子被熱化減速的現象[5]

參考資料

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  1. ^ Kasap, S. O. Principles of Electronic Materials and Devices Third. Mc-Graw Hill. 2006: 126. 
  2. ^ Alenitsyn, Alexander G.; Butikov, Eugene I.; Kondraryez, Alexander S. Concise Handbook of Mathematics and Physics. CRC Press. 1997: 331–332. ISBN 0-8493-7745-5. 
  3. ^ About Us. Electron Energy Corporation. (原始內容存檔於2009-10-29). 
  4. ^ Duderstadt & Hamilton 1976, pp. 259–261
  5. ^ Duderstadt & Hamilton 1976, pp. 556–559