2.3. Факторы, влияющие на удельное электрическое сопротивление металлов

У дельное сопротивление металла зависит от состояния его кристаллической решётки : дефекты решётки и тепловое движение её ионов уменьшают скорость направленного движения зарядов.

П

Рис. 2.3. Влияние пластической деформации на удельное электрическое сопротивление меди марки ММ

ластическая деформация металла искажает его кристаллическую решётку, что вызывает увеличение его удельного электрического сопротивления. Обработка металла ковкой, прокаткой, волочением при изготовлении токоведущих шин, жил проводов и кабелей повышает его твердость, механическую прочность, но увеличивает удельное электрическое сопротивление, что в большинстве случаев является отрицательным качеством проводника электрического тока (рис. 2.3).

Последствия пластической деформации металла устраняют его отжигом. Проводниковую медь отжигают при температуре около 500 ^ОС, проводниковый алюминий — около 300 ^ОС.

При отжиге восстанавливается правильная конфигурация кристаллической решётки, удельное сопротивление металла уменьшается, но ухудшаются его механические качества.

Если требуются проводники с высокой механической прочностью (провода воздушных линий электропередачи, провода контактной подвески электрифицированных железных дорог), то используют неотожжёную проволоку, называемую твёрдотянутой.

Примеси, присутствующие в металле, также искажают кристаллическую решётку и увеличивают его удельное электрическое сопротивление (рис. 2.4). Наименьшее удельное сопротивление имеет чистый металл. Добавка к меди при её плавлении 0,1 % железа увеличивает удельное сопротивление сплава на 50 %, такого же количества бериллия — на 25 %. Даже добавка 0,1 % серебра, имеющего меньшее, чем медь, удельное электрическое сопротивление, увеличивает удельное сопротивление сплава на 3 %.

Рис.2.4. Влияние примесей на удельное сопротивление меди

Температура оказывает влияние на состояние кристаллической решётки металла. При повышении температуры усиливаются хаотическое тепловое движение электронов и колебательное движение ионов в узлах решетки. Учащаются их взаимные столкновения, что увеличивает сопротивление металла упорядоченному движению электронов.

Изменившуюся величину удельного электрического сопротивления материала можно определить, воспользовавшись зависимостью (2.8).

₂ = ₁ [ 1 +  ( t₂  t₁ )] , (2.8)

где ₁ и ₂ — удельные сопротивления при температурах t₁ и t₂;

 — температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления показывает, на сколько увеличивается удельное сопротивление данного металла при повышении его температуры на один градус. Температурный коэффициент сопротивления измеряется в град^–1 и для большинства чистых металлов составляет около + 0,004 град^–1 . Знак «плюс» означает, что удельное электрическое сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры (рис.2.5). В момент расплавления металла его удельное сопротивление скачкообразно увеличивается.

Сопротивление проводника зависит от температуры так же, как и удельное электрическое сопротивление материала, из которого он выполнен (2.9):

R₂ = R₁ [ 1 +  ( t₂  t₁ )] , (2.9)

где R₁ и R₂ — сопротивления проводника при температурах t₁ и t₂ ;

 — температурный коэффициент сопротивления , град^–1 .

Я

Рис.2.6. Влияние сверхнизких температур на удельное сопротивление проводников и сверхпроводников

Рис. 2.5 Влияние температуры на удельное сопротивление алюминия и меди

вления сверхпроводимости и криопроводимости. При снижении температуры до абсолютного нуля (273 ^ОС или 0 по шкале Кельвина) удельное сопротивление металлов теоретически должно уменьшиться до  = 0 . Однако некоторые металлы утрачивают электрическое сопротивление при температурах более высоких, чем температура абсолютного нуля.

В 1911 г. голландский ученый Кемерлинг-Онесс (1853 – 1926 гг.) обнаружил, что при температуре T = 4,12 К удельное сопротивление ртути становится равным нулю, она переходит в состояние сверхпроводимости. Материалы, обладающие свойством переходить в состояние сверхпроводимости при температурах выше абсолютного нуля, называют сверхпроводниками, а температуру, при которой происходит такой переход,  критической (рис. 2.6, табл. 2.1).

Таблица 2.1

Критические температуры перехода некоторых материалов

в сверхпроводящее состояние

Материал	Критическая температура , К	Материал	Критическая температура , К
Галлий Алюминий Олово Ванадий	1,06 1,14 3,69 4,3	Тантал Лантан Свинец Ниобий	4,38 4,71 7,26 9,22

Сверхпроводимость наблюдается только при определённых условиях : температура сверхпроводника должна быть ниже критической, проходящий по проводнику ток и напряжённость магнитного поля — ниже определённых критических значений (табл.2.2).

Таблица 2.2

Наиболее перспективные сверхпроводники

Сплав	Критические значения
	Температура , К	Индукция магнитного поля, Тл	Плотность тока , А/мм2
Ванадий - галлий	16,8	 35	 500
Ниобий - олово	18,1	 25	 2000
Ниобий - титан	 10	3,8…14,5	 500
Ниобий - цирконий	 10	3,5…12,5	 500

Наиболее перспективны сплавы ниобий - олово и ванадий - галлий, но они чрезвычайно хрупки (ванадий - галлий легко растирается в порошок пальцами), поэтому их приходится помещать в оболочки из меди (рис. 2.7) и серебра или наносить на гибкие подложки. Сверхпроводниковые жилы находятся в оболочке, заполненной жидким гелием (4,2 К). Чтобы уменьшить потери холода в гелиевом контуре, его помещают во вторую охлаждающую оболочку, заполненную сравнительно дешёвым жидким азотом (77 К).

Т ехнология производства таких проводников весьма сложна, что увеличивает их стоимость.

Сплавы ниобий - цирконий и ниобий - титан достаточно пластичны и из них можно изготовлять проволоку, но стоимость её чрезвычайно высока.

У

Рис.2.7 Сверхпроводящий проводник на основе станнида ниобия:

1 — медные оболочки с 15…20 тысячами сверхпроводящих нитей,

2 — каналы с жидким гелием

казанные ограничения пока сдерживают широкое практическое применение сверхпроводников, использование которых могло бы дать колоссальный экономический эффект, позволило бы создать электроустановки более легкие, компактные, надежные и экономичные по сравнению с существующими ныне. В линиях электропередачи, трансформаторах, электродвигателях и других электроустановках из-за нагрева проводов теряется 10 % производимой электрической энергии. Широкое использование явления сверхпроводимости позволило бы избежать столь значительных потерь энергии.

Практический интерес представляет существенное снижение удельного сопротивления металлов при температурах весьма низких, но превышающих критические температуры возникновения сверхпроводимости. Это явление получило название криопроводимости.

При температуре жидкого водорода (20 К) удельное сопротивление алюминия составляет всего 0,05·10^9 Ом·м ; удельное сопротивление бериллия в жидком азоте (77 К) равно 1·10^9 Ом·м.

При криопроводимости удельное сопротивление металлов ещё не равно нулю, но уже в тысячи раз меньше, чем при комнатной температуре, да и охлаждать криопроводящие жилы жидкими водородом, азотом или воздухом (78 К) технически проще и значительно дешевле, чем жидким гелием.