Теплопроводность

Теплопроводность – это способность вещества проводить тепловой поток постоянной величины под действием не изменяющейся разности температур. Количественно она описывается законом Фурье

W= æT,

где W – плотность теплового потока; T - разность температур на единичном участке длины проводника; æ - удельная теплопроводность.

Для металлов типичны:

- низкая величина удельного сопротивления при комнатной температуре (от сотых долей до единиц мкОм∙м);

- значительный рост сопротивления при повышении температуры, приблизительно прямо пропорционально росту температуры;

- при снижении до T0^о K наступает сверхпроводимость;

- отношение æ/σ приблизительно одинаково для различных металлов при одинаковой температуре.

Концентрация свободных электронов в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменной. Но поскольку колебания узлов кристаллической решетки усиливаются, появляется больше препятствий на пути движения электронов, поэтому проводимость уменьшается (удельное сопротивление увеличивается). Следовательно, температурный коэффициент удельного сопротивления α равен:

.

За передачу теплоты через металл в основном ответственны свободные электроны, так как их число в единице объема металла весьма велико, то и теплопроводность проводников намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше его коэффициент теплопроводности.

Проводники в различных агрегатных состояниях

В качестве проводников могут быть использованы вещества во всех трех состояниях. Твердые проводники делятся на следующие группы:

- металлы высокой проводимости (ρ ≥ 0,05 мкОм∙м при нормальной температуре) – применяются при изготовлении кабелей, проводов, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п.;

- сплавы высокого сопротивления (ρ ≥ 0,3 мкОм∙м при нормальной температуре) – применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Электрический ток в металлах (и жидких, и твердых) обусловлен наличием свободных электронов, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода (электролитами), являются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Сопротивление у металлов, которые при плавлении увеличивают объем (т.е. уменьшают плотность) растет, у уменьшающих объем (лед-вода) - падает. В таблице 1 приведено отношение объемов одного и того же вещества в жидком и твердом состоянии.

Таблица 1

Изменение объема вещества при переходе из жидкого состояния в твёрдое

	Hg	Cu	Au	Zn	Ag	Al	Ga	Bi
	3,2	2,4	2,28	2,19	1,9	1,64	0,58	0,43

Это объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды приводит к уменьшению подвижности электронов, следовательно, к увеличению удельного сопротивления.

Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может быть вновь снижено.

Снижение удельного сопротивления при деформациях сжатия объясняется вторичными причинами: уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т.д.