Теплопроводность металлов

Передача теплоты металлами осуществляется благодаря наличию в них свободных электронов. Чем больше электропроводность металлов, тем больше его теплопроводность. При увеличении температуры коэффициент теплопроводности металлов увеличивается , а удельная объемная проводимость снижается, соответственно отношение должно увеличиваться. Математически это выражается законом Видемана-Франца-Лоренца:

,

где - коэффициент теплопроводности металла, ,

- удельная объемная проводимость металла, ,

Т – термодинамическая температура, К,

L - постоянная (число) Лоренца, .

Постоянная (число) Лоренца определяется из соотношения:

L = ,

где – постоянная Больцмана,

– заряд электрона.

Работа выхода электрона из металла

Предположим, что металл находится в вакууме. Поскольку все электроны в металлах находятся в так называемых потенциальных ямах, то для их выхода из металла в вакуум, необходимо сообщить некоторую энергию или работу против сил, действующих на поверхностном слое, разделяющем металл и вакуум. Эту работу называют работой выхода. Согласно классической электронной теории металлов работа выхода электрона из металла определяется:

,

где e – заряд электрона, Кл,

- потенциал вакуума, В,

- потенциал металла, В.

Единицей измерения работы выхода является электронвольт (эВ).

В связи с тем, что , эта работа является отрицательной, а величина называется потенциалом выхода электрона из металла. Для того, чтобы электрон смог выйти из металла в вакуум нужно выполнить условие:

,

где m – масса электрона, кг,

- нормальная (перпендикулярная поверхности) составляющая скорости движения электрона, .

зависит от материала и от состояния его поверхности.

Термо-эдс в металлах

Если соединить между собой два различных металла (пайкой, сваркой), то между ними возможно появление контактной разности потенциалов. Электроны из одного металла (с меньшей ) будут переходить в другой металл (с большей ), т.е. в более электроотрицательный металл. При этом увеличится их концентрация и возникнет контактная термоэлектродвижущая сила. На таком принципе построены термопары. В термопаре по изменению показаний милливольтметра, подключенного к ней, можно с использованием специальных таблиц пересчета вычислить температуру, которая действует на термопару.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников

Температурный коэффициент линейного расширения проводникового материала определяется по формуле:

, К^-1,

где l – начальная длина проводника, м,

- изменение длины проводника при изменении температуры, .

Этот коэффициент, как и для диэлектриков, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряженных материалов в той или иной конструкции (возможность растрескивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т.п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода:

, К^-1.

У чистых металлов << и поэтому . У сплавов металлов значение весьма мало и поэтому . При нормальной температуре у легкоплавких металлов высок, а у тугоплавких мал.

Механические свойства проводников характеризуют пределом прочности при растяжении σ_р и относительным удлинением перед разрывом ∆l/l, а также хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σ_р и увеличению ∆l/l.