Часть 2. Проводниковые материалы

Глава 3. Общие представления

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях - газы.

Твердыми проводниками являются металлы и их сплавы, а также некоторые модификации углерода. К жидким проводникам относят расплавленные металлы, а также водные растворы солей, кислот, щелочей (электролиты). Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при сравнительно низких температурах, достаточно малых значениях напряженности электрического поля являются хорошими диэлектриками. Однако, при очень высоких температурах и при высоких напряженностях электрического поля в газах начинаются ионизационные процессы. В этом случае газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве количества свободных электронов и положительно заряженных ионов в единице объема представляют собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Следовательно, металлы в твердом и жидком состоянии обладают электронной электропроводностью и называются проводниками I-го рода.

Механизм прохождения тока через электролиты обусловлен направленным движением положительно и отрицательно заряженных ионов. Следовательно, электролиты обладают ионной электропроводностью и называются проводниками II рода. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза. В соответствии с законами Фарадея состав и свойства электролита при прохождении через него электрического тока меняются со временем.

В связи с этим, с точки зрения использования в технике наибольший интерес представляют электронные (металлические) проводники. Металлические проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электро- и радиотехнике. С точки зрения зонной теории твердых тел проводники – это вещества, у которых валентная зона вплотную примыкает или перекрывается зоной проводимости (см. Общие положения).

Согласно классической электронной теории металлов твердый проводник представляют в виде системы узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится «электронный газ». «Электронный газ» образован коллективизированными (свободными) электронами. В коллективизированное состояние от каждого атома отделяется один или два электрона.

Применяя представления и законы статистики обычных газов к «электронному газу» дало возможность математически описать найденные ранее экспериментально законы: закон электропроводности (закон Ома); закон потерь электрической энергии (закон Джоуля-Ленца), а также установить связь между электропроводностью и теплопроводностью (закон Видемана-Франца-Лорентца). Но ряд вопросов не мог быть разрешен с помощью классической электронной теории. Например: а) несоответствие теоретических и экспериментальных зависимостей электропроводности от температуры; б) теоретическая теплоемкость металлов выше экспериментальной и т.д. Применяя законы квантовой механики, эти затруднения легко могут быть разрешены. В отличие от классической электронной теории, согласно квантовой механике электронный газ находится в состоянии «вырождения». В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры. Следовательно, тепловое движение практически не изменяет энергию электрона. В состоянии аналогичном обычному газу, электронный газ приходит лишь при температурах порядка 1000 К. Наличие свободных (коллективизированных) электронов объясняет хорошую электропроводность и теплопроводность металлов. Их делокация («размазанность») по всему объему обеспечивает их высокую пластичность.