Проводниковые материалы

• Природа проводимости и основные характеристики проводников

• Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы.

  Согласно классической теории (Друде, Лорентц) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженных в среду из свободных коллективизированных электронов, называемой "электронным газом" или "электронной жидкостью".

• Наличие свободных делокализованных электронов обуславливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

• Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания с средней скоростью порядка 10⁵м/с, приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызывает протекание электрического тока.

• Плотность тока J связана с напряженностью электрического поля Е формулой:

• 

• известной, как закон Ома в дифференциальной форме. Здесь  удельная проводимость в симменсах на метр. Удельное сопротивление:

• 

• измеряется в Ом^.м или в внесистемных единицах Ом^.мм²/м. Предпочтительнее пользоваться единицами СИ - мкОм^.м.

Связь между единицами удельного сопротивления:

1Ом^.м = 10⁶мкОм^.м = 10⁶Ом^.мм²/м

Согласно классической теории металлов:

где  e - заряд электрона,  n - концентрация свободных электронов,  l - средняя длина свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки,  m - масса электрона,  V_T - средняя скорость теплового движения электрона.

Квантово-механическое описание учитывает, что электрон обладает свойствами как частицы, так и волны, поэтому в идеальной периодической решетке электронные волны не рассеиваются. В реальных кристаллах строгая периодичность нарушается примесями, дефектами решетки и тепловыми колебаними ионов.

Уточненное выражение для удельной проводимости выглядит так:

где h - постоянная Планка.

Основные характеристики проводниковых материалов:

• удельная электрическая проводимость  или удельное электросопротивление    (   = 1 /   );

• температурный коэффициент удельного сопротивления - 

• коэффициент теплопроводности  _т;

• контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо - э.д.с.);

• предел прочности при растяжени б_пр и относительное удлинение при разрыве  l /l.

• Теплопроводность металла

• Отношение коэффициента теплопроводности   к удельной проводимости металла выражается законом Видемана - Франца - Лоренца:

•  /   = L_o T,

• L_o=2.45^.10^-8 В²/К² - число Лоренца,

• Т - температура.

• Этот закон выполняется для электронной составляющей теплопроводности, если считать, что столкновение электронов носит упругий характер. В некоторых металлах коэффициент теплопроводности определяется суммой электронной и решеточной составляющих.

• Термоэлектродвижущая сила

Между двумя различными металлическими проводниками в месте их соединения возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа.

Разность потенциалов U, появляющаяся на концах разомкнутой электрической цепи , состоящей из двух различных проводников, контакты которых находятся при различных температурах (Т1 и Т2) называется термоэлектродвижущей силой (эффект Зеебека)

U =   ( Т₂ - Т₁ ),

где   - относительная дифференциальная (удельная) термо - э.д.с.

Причины термо - э.д.с.:

• температурная зависимость контактной разности потенциалов;

• диффузия носителей заряда от горячих спаев к холодным;

• увлечение электронов фононами (квантами тепловой энергии).