Классификация проводниковых материалов

Проводники ‒ это материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность.

Большую часть проводниковых материалов составляют металлы. Из 118 химических элементов (приложение 1) к металлам относят [4]: 6 элементов в группе щелочных металлов:  Li, Na, K, Rb, Cs, Fr; 4 элемента в группе щёлочноземельных металлов: Ca, Sr, Ba, Ra; а также вне определённых групп ‒ Be и Mg; 30 элементов в группе переходных металлов: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg; 7 элементов в группе лёгких металлов: Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi; 7 элементов в группе полуметаллов: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po; 14 элементов в группе лантаноиды + лантан (La): Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; 14 элементов в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний (Ac):Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.

Металлические проводники классифицируют по признакам [1]:

1. По составу:

а) чистые материалы:

- материалы высокой проводимости;

- металлы различного назначения (см. п.5 настоящей классификации);

- сверхпроводящие материалы.

б) металлические сплавы:

- материалы высокой проводимости;

- сплавы различного назначения (см. п.5 настоящей классификации);

- сверхпроводящие материалы;

- неметаллические проводниковые материалы:

- проводящие модификации углерода;

- оксидные проводящие материалы;

- контактолы;

- керметы.

2. По величине проводимости:

- «хорошие проводники» ‒ это большинство металлов. Они хорошо проводят ток, пластичны;

- «плохие проводники» ‒ висмут, сурьма, мышьяк;

- полуметаллы ‒ элементы V группы Периодической системы – хрупкие, плохо проводят ток.

3. По положению в Периодической системе (приложение 1):

- щелочные металлы ‒ Na и другие металлы группы Iа;

- благородные металлы (одновалентные металлы подгруппы Iб);

- щелочноземельные металлы (Са, Sr, Ba, Ra из подгруппы IIа);

- многовалентные простые (остальные металлы II гр, подгр. IIIа и IVа);

- актиниды (Ас и металлы с большими атомными номерами);

- переходные;

- редкоземельные.

Электрические свойства металлов внутри каждой группы весьма близки, а между группами могут сильно отличаться. Например, благородные металлы (золото, серебро и медь) все имеют малое сопротивление, а редкоземельные (гадолиний, церий и др.) ‒ очень большое.

4. По особенности строения электронных оболочек:

- нормальные металлы;

- переходные металлы.

По мере увеличения порядкового номера химических элементов в периодической системе, происходит заполнение электронных оболочек в последовательности, определяемой квантово-механической теорией [2]. Однако при некоторых порядковых номерах энергии двух соседних оболочек оказываются очень близкими, благодаря чему заполняется не очередная, а последующая оболочка. Элементы, в которых происходит такой «сбой» называются переходными, все они являются металлами и образуют в таблице Менделеева (приложение 1) несколько рядов: 3d (от скандия до цинка), 4d (иттрит-кадмий), 5d (гафний-ртуть), 4f (редкоземельные металлы или лантаноиды – от лантана до лютеция).

Остальные металлы называются нормальными. Переходные металлы представляют собой важнейшую для техники группу металлов, в том числе для электротехники:

- магнитные – железо, кобальт, никель;

- конструкционные – титан, железо;

- проводящие – медь, железо, кобальт, никель;

- с высоким сопротивлением – вольфрам, молибден.

5. В соответствии с их применением:

а) металлы высокой проводимости для токопроводящих цепей – медь, алюминий, серебро;

б) металлы и сплавы различного назначения:

- тугоплавкие металлы;

- металлы со средним значением температуры плавления;

- металлы с маленькой температурой плавления;

- благородные металлы;

- припои;

- контактные материалы;

- материалы и сплавы для термопар;

- сплавы для электровакуумных приборов.