Классификация свойств материалов.

В широком смысле все материалы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники это материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление меньше 10^-3 Ом/см и предназначенные для коммутации, контактирования и накопления зарядов. К проводникам относятся все металлы, а так же полуметаллы, такие как углерод (графит), мышьяк, сурьма, висмут и растворы электролитов. Основной признак металла высокая электропроводность, блеск, ковкость, химическая нестабильность в кислородосодержащих средах, т.е. коррозия. Но это все условные признаки, единственным объективным критерием позволяющим отнести материал к металлам считается наличие электропроводности при 0 градусов Кельвина. Независимо от строгого теоретического определения металлов исторически сложилось деление металлов на черные и цветные, а так же щелочноземельные.

Особенности электропроводности металлов.

В металле концентрация свободных носителей чрезвычайно велика, от 5*10²¹ до 5*10²² см^-3. Она мало зависит от внешних воздействий, что резко отличает металлы от полупроводников. Под воздействием внешнего электрического поля только небольшая часть свободных электронов перемещается на его поверхность , при дальнейшем увеличении напряженности поля смещается дополнительное количество электронов, но создать такое поле которое было бы способно вытеснить к поверхности все электроны освободив объем от электронного газа не возможно, поэтому электронное поле внутри металла помещенного между заряженными электродами отсутствует. Удельное сопротивление различных металлов отличается немного. Это тоже следствие определяющей роли в электропроводности большой и стабильной концентрации электронов. Разница в удельной электропроводности металлов объясняется различным временем свободного пробега. Связь между этими параметрами можно вывести исходя из модели электронного газа в металлах (теория Друде). Работу электрических сил при перемещении электрона на расстояние l можно выразить следующим образом (формула на доске). Отсюда видно что электрон движется под действием постоянного поля равномерно ускоренно при Е и А постоянных величинах. Однако такое перемещение его в твердом теле длиться недолго и завершается столкновением. Понятие о дрейфе вводятся для того, чтобы отличить перемещение под действием поля от теплового в котором находятся электроны и без приложения внешнего поля. Дрейф происходит с очень малой скоростью несколько миллиметров в секунду, тогда как скорость теплового движения в тысячи раз больше. Среднее время свободного пробега между двумя соударениями в электрическом поле остается тем же, что и при чистом тепловом движении. Учитывая две зависимости плотности тока и (формула на доске) получаем скорость дрейфа = (формула на доске), где τ время свободного пробега. В конечном виде уравнение Друда выражается (формула на доске), так как M N E величины постоянные удельное сопротивление металла является функцией лишь одной переменной τ, т.е. времени свободного пробега электрона. Следует заметить, что электрон под действием постоянного тока приобретает постоянную скорость, а не ускорение. Причина в пилообразном изменении скорости электронов во времени, вследствие соударений (рисунок на доске). К важнейшим параметрам, характеризующим свойство проводниковых материалов, относятся: 1. Удельная проводимость или удельное сопротивление. 2. Температурный коэффициент удельного сопротивления. 3. Коэффициент теплопроводности. 4. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила, которая обозначается (на доске). 5. Работа выхода электронов из металла. 6. Предел прочности при растяжении и относительное удлинение перед разрывом.