Классификация и основные свойства проводников

Проводниковые материалы различают по агрегатному состоянию:

– газы и пары;

– жидкие проводники;

– твёрдые проводники.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряжённостях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряжённость электрического поля превзойдёт некоторое критическое значение Е_кр, обеспечивающее начало ударной ионизации, то газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Правда, большинство металлов (за исключением ртути) имеют высокую температуру плавления, поэтому их трудно использовать в качестве проводников.

Среди твёрдых проводников наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. Среди них выделим и рассмотрим две основные группы:

а) металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,05 . Они используются для проводов, жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п.;

б) сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при нормальной температуре ρ ≥ 0,3 . Они используются при изготовлении резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники – материалы, которые обладают ничтожно малым сопротивлением при весьма низких температурах.

Проводниковые материалы по носителям заряда можно разбить на два рода. У проводников первого рода ток обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля. К ним относятся металлы как в твёрдом, так и жидком состоянии.

У проводников второго рода прохождение тока связано с движением ионов и выделением их на электродах. К проводникам второго рода относятся электролиты и расплавленные ионные кристаллы.

Основные свойства проводниковых материалов

Удельная проводимость γ (обратная величина – удельное сопротивление ρ). Запишем дифференциальную форму закона Ома:

J = γ·Е,

где J – плотность тока, А/м²; γ – удельная проводимость, См/м; Е – напряжённость электрического поля, В/м.

Удельная проводимость металлов не зависит от напряжённости электрического поля в весьма широких пределах. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением ρ = 1/γ и измеряется в . Диапазон значений удельных сопротивлений достаточно узок. У чистых металлов: серебро – 1,6·10^-8 , медь – 1,72·10^-8 , алюминий – 2,8·10^-8 , а у сплавов до 1 000 . Причем чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления. Примеси, искажая решётку, приводят к увеличению удельного сопротивления.

Температурный коэффициент удельного сопротивления. С ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это объясняется тем, что при увеличении температуры усиливаются колебания кристаллической решётки металла и у электронов возникает всё больше и больше препятствий на пути. Изменение удельного сопротивления можно характеризовать температурным коэффициентом:

ТК_ρ = α_ρ = .

Значения α_ρ для чистых металлов близки между собой и составляют α_ρ ≈ (3–5)·10^-3 К^-1. А у некоторых металлов он немного выше, в том числе у ферромагнитных (железо, никель, кобальт) – α_ρ ≈(6–6,5)·10^-3 К^-1.

При изменении температуры в узких диапазонах допустима кусочно-линейная аппроксимация:

ρ₂ = ρ₁·[1+α_ρ·(Т₂ – Т₁)],

где ρ₁ и ρ₂ – удельные сопротивления металла при температурах Т₁ и Т₂, причем Т₂ > Т₁.

Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. При переходе из твёрдого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение сопротивления. Удельное сопротивление увеличивается у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объём, т. е. уменьшают плотность. У некоторых металлов (галлий, висмут, сурьма и др.) при плавлении наоборот объём уменьшается, и удельное сопротивление падает.

Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушения правильной структуры ведут к увеличению их удельного сопротивления. Зависимость удельного сопротивления сплава двух металлов от изменения содержания каждого из них от 0 до 100 % имеет максимум при некотором соотношении компонентов. А вот у температурного коэффициента α_ρ закономерность обратная: у чистых металлов высокие значения температурного коэффициента, а у сплавов α_ρ меньше и даже может приобретать небольшое отрицательное значение.

Термоэлектродвижущая сила. Если спаять два разных металлических проводника А и В, то между ними возникает контактная разность потенциалов U_AB.

Причины появления этой разности потенциалов две:

а) различие значений работы выхода электронов из разных металлов;

б) разная концентрация электронов в металлах.

Если температура спаев одинакова, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. А если температура у спаев разная, то возникает термоэлектрическая движущая сила:

U=C·(T₁-T₂),

где C – постоянный для этой пары проводников коэффициент термо-э. д. с.

Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), используется для измерения температур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо-э. д. с.

Теплопроводность металлов. Мощность теплового потока от конденсатора определяется уравнением Фурье:

∆P_т = γ_т ∆S,

где – градиент температуры, ∆S – площадь корпуса конденсатора,

γ_т – теплопроводность, .

За передачу тепла через металл в основном ответственны свободные электроны. Поэтому теплопроводность γ_т металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Чем больше у металла электрическая проводимость γ, тем больше и его теплопроводность.

Температурный коэффициент линейного расширения. Температурный коэффициент линейного расширения определяется по формуле:

= = ,

где – температурный коэффициент линейного расширения, К^-1.

Для чистых металлов _R » и можно пренебречь и принять α_R ≈ α_ρ.

Для сплавов, у которых α_ρ невелико, пренебрегать нельзя.

Механические свойства проводников. Проводники часто кроме электрической несут и механическую нагрузку, поэтому для них очень важны механические свойства. Для проводников (как и для диэлектриков) обычно указывают предел прочности при растяжении _в и относительное удлинение при разрыве . Кроме того, у них определяют твердость, выносливость и т. д. Об определении этих механических свойств будет изложено в разделе «Конструкционные материалы».