Проводниковые материалы
Проводниковыми называются материалы, у которых отсутствует запрещенная зона и, которые обладают высокими значениями удельной проводимости.
Типичные примеры проводниковых материалов: токоведущие жилы проводов и кабелей различных типов, обмотки трансформаторов и электродвигателей, шины распределительных устройств, плавкие вставки предохранителей, различного рода контакты, припои, термоэлементы, сплавы высокого электрического сопротивления (резистивные сплавы), например, манганин, хромель, алюмель, копель, нихром, константан и т.п.
Классификация проводниковых материалов
проводники могут быть в трех агрегатных состояниях:
газообразные;
жидкие;
твердые.
Все газы и пары металлов при низких значениях напряженности электрического поля являются диэлектриками и, если к ним приложить поле, достаточное для появления фотонной и ударной ионизаций, они становятся проводниками. Если в межэлектродном промежутке будет высока концентрация положительных ионов и электронов, то наступит пробой такого промежутка, который сопровождается зажиганием электрической дуги, представляющий собой сильно ионизированную (газоразрядную) плазму.
К жидким проводниковым материалам относятся:
электролиты на основе растворов кислот, солей, щелочей;
ртуть (температура плавления -39 );
расплавы металлов.
Электролиты применяются в аккумуляторных батареях. Ртуть используется в контактных термометрах и магнитогидродинамических аппаратах (реле). Расплавы металлов получаются, например, с помощью дуговых электросталеплавильных печей.
К твердым проводникам относятся:
неметаллические проводники или электроугольные изделия (т.е. изделия на основе графита, сажи, антрацита);
чистые металлы (медь, алюминий, железо, серебро, золото, платина), на основе которых изготавливают жилы кабельных линий, провода воздушных линий электропередач, шины распределительных устройств, электрические контакты, электропроводящие дорожки в микросхемах электронных устройств и т.п.;
сплавы металлов (сплавы высокого резистивного сопротивления) – манганин, константан, хромель, алюмель, копель, нихром. Применяются в нагревательных элементах, электрических сушилках, утюгах и т.п.;
сверхпроводники и криопроводники, т.е. такие материалы, у которых при их глубоком охлаждении и изоляции от окружающей среды, электрический ток, наведенный в контуре, будет довольно долго (годами) циркулировать в нем без уменьшения своей силы и без всякого подвода энергии извне (за исключением подвода энергии, необходимой для работы охлаждающего устройства).
Все металлы и расплавы металлов являются проводниками 1-го рода, т.е. обладают электронной электропроводностью. Растворы электролитов и расплавы ионных кристаллов являются проводниками 2-го рода, т.е. обладают ионной электропроводностью, связанной с переносом вещества в материале.
Электропроводность металлов и сплавов металлов. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов и сплавов металлов
Электропроводность чистых металлов зависит от структуры их кристаллической решетки и температуры окружающей среды. Плотность тока в проводниковом материале (закон Ома в дифференциальной форме) определяется формулой:
,
[
],
где
- удельная объемная проводимость
проводника, [
],
Е
– напряженность электрического поля,
[
].
В
соответствии с законом Ома удельная
объемная проводимость металлических
проводников не зависит от напряженности
электрического поля при изменении
последней в весьма широких пределах,
т.е.
.
Согласно классической электронной теории металлов их удельная объемная проводимость может быть выражена следующим образом:
,
где
е=
- заряд электрона,
n0
– концентрация
электронов в единице объема металла,
[
]=
,
- средняя длина свободного пробега электрона в металле (между двумя соударениями с узлами его кристаллической решетки), [ ]=м,
-
масса электрона,
-
скорость хаотического теплового движения
электронов в металле, [
]=
.
При увеличении температуры наблюдается усиление колебаний узлов кристаллической решетки металла, что приводит к снижению . Рост температуры не приводит к росту концентрации электронов в единице объема металла, а также практически не влияет на . В общем случае изменение удельного сопротивления (изменение удельной проводимости ) проводникового материала при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления:
,
[
]=
.
В
частном случае (в узком интервале рабочих
температур
)
справедлива кусочно-линейная аппроксимация
зависимости
:
,
где
- удельное сопротивление проводникового
материала, соответствующее начальной
температуре, Ом*м,
-
удельное сопротивление проводникового
материала, соответствующее конечной
температуре, Ом*м,
-
начальная температура, К,
-
конечная температура, К.
В связи с тем, что у чистых металлов с ростом температуры удельная объемная проводимость снижается, а удельное объемное сопротивление увеличивается, у них >0.
В сплавах металлов температурный коэффициент удельного сопротивления может быть:
<0;
>0;
=0.
Кроме того, что у чистых металлов всегда положителен, он во всех случаях больше значения сплавов:
.
Структура кристаллической решетки сплавов металлов существенно отличается от относительно правильной кристаллической решетки чистых металлов. У сплавов металлов она зависит от способа их получения – горячего (несколько металлов расплавляются в одной форме, в которой затем совместно охлаждаются и кристаллизуются) или холодного (электролизного) (например, к ванне с раствором медного купороса подводится напряжение и сквозь нее протягивается стальная проволока, которая равномерно по всей поверхности покрывается осаждающейся на ней медью).
Большое влияние на структуру решетки сплава металлов оказывает горячий способ его получения. В этом случае атомы одного металла глубоко проникают в кристаллическую решетку другого металла и при остывании и затвердевании образуют очень прочное соединение. У большинства сплавов >0. Это объясняется тем, что кристаллическая решетка сплавов имеет дефекты, сдвиги, дислокации, микротрещины и не является симметричной. В результате, как и у чистых металлов, в таких сплавах наблюдается уменьшение средней длины свободного пробега электронов с ростом температуры Т. Однако в сплавах металлов в отличие от чистых металлов при увеличении температуры Т наблюдается некоторое увеличение концентрации электронов в единице объема . Это объясняется различной степенью электроотрицательности металлов, входящих в сплав, а также различием между их работами выхода. Металл с меньшей электроотрицательностью будет отдавать валентные электроны со своей внешней электронной оболочки, которые могут переходить к более электроотрицательному металлу, увеличивая таким образом значение , но поскольку уменьшается быстрее, чем увеличивается , то >0. Когда снижение полностью компенсируется возрастанием =0. Классическая электронная теория металлов не позволяет объяснить, почему в некоторых сплавах металлов <0. С точки зрения квантовой механики электроны рассматриваются как электронная волна. В связи с этим при увеличении температуры и коллективном усилении колебаний узлов кристаллической решетки сплава металлов (фононов) наблюдается некоторое возрастание длины свободного пробега электронов за счет их волновой природы и степени уменьшения их рассеяния на фононах. Таким образом, за счет возрастания с ростом температуры Т в таких сплавах наблюдается рост (уменьшение ), что приводит к <0.
На
величину
сплавов металлов влияет количество
металлов, входящих в сплав, степень их
электроотрицательности, а также
процентное соотношение между ними. Так,
например, для медно-никелевого сплава
при концентрации никеля менее 20% и более
60% наблюдается
>0.
Если эта концентрация находится в
пределах 20-60%, то
.
При
плавлении большинство металлов
увеличивает свой объем, т.е. уменьшают
свою плотность (например, медь –
температура плавления около 1100
).
При переходе меди в расплавленное
состояние наблюдается скачкообразное
увеличение ее удельного сопротивления.
У редкоземельных металлов (сурьма,
висмут, галлий), которые с ростом
температуры при плавлении уменьшают
свой объем и увеличивают плотность,
наблюдается уменьшение удельного
сопротивления.