Печать
Опубликовано: 09 марта 2014 09 марта 2014
Просмотров: 4596 4596

 Основными проводниками, применяемыми в технике, являются металлы и сплавы. В настоящее время не существует общепринятой классификации проводниковых материалов. Металлические проводящие материалы классифицируются по разным признакам:

 

1.  По составу: чистые металлы и сплавы.

  2.  По значению проводимости: хорошие и плохие проводники. К хорошим проводникам относится большинство металлов, к плохим — относятся элементы V группы периодической системы элементов: висмут, сурьма, мышьяк, которые хрупки, плохо проводят ток.

  3.  По положению в периодической системе элементов Д. И. Менделеева металлы подразделяют на: щелочные (Naи другие металлы подгруппы 1а), благородные (к ним в физике в отличие от техники относят только одновалентные металлы подгруппы Iб), щелочноземельные (Са, Sr, Ва, Raиз подгруппы IIа), многовалентные простые (остальные металлы II группы, а также из подгруппы IIIaи IVa), актиниды (Ас и металлы с большими атомными номерами), переходные и редкоземельные. Электрические свойства металлов внутри названных групп весьма близки, а между группами могут сильно отличаться.

  4. По особенности строения электронных оболочек: нормальные и переходные металлы. Переходные металлы образуют в таблице Менделеева несколько рядов: 3d (от скандия до никеля), 4d (иттрий — палладий), 5d (лантан — платина) и 4f (редкоземельные металлы или лантаноиды — от церия до лютеция). Переходные металлы представляют собой важнейшую для техники группу металлов, в том числе для электротехники (магнитные, конструкционные, проводящие, с высоким сопротивлеиием и другие материалы, имеющие основой переходные металлы).

Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

Плотность тока в металлах определяется выражением:

J=enV=enµE=γE,

где μ=V/Е – подвижность носителей заряда; γ – удельная электропроводность проводника; n – концентрация носителей; е – заряд электрона.

Величина подвижности ограничена рассеянием электронов в результате столкновения с тепловыми колебаниями решетки (фононами) и дефектами решетки. Концентрация свободных электронов в чистых металлах различаются незначительно, температурное изменение n также мало. Поэтому величина подвижности определяется в основном средней длиной свободного пробега (среднее расстояние, проходимое частицей без столкновений), зависящей, в свою очередь, от химической природы атомов и типа кристаллической решетки.

Удельное электрическое сопротивление проводника:

ρ=1/γ=RS/l,

где R,S и l – соответственно сопротивление, сечение и длина проводника. Согласно правилу Маттиссена удельное сопротивление несверхпроводящих металлов складывается из сопротивления, обусловленного рассеянием электронов на фононах ρT и остаточного сопротивления ρост , обусловленного рассеянием носителей на статических дефектах структуры – примесных атомах, вакансиях, дефектах: ρ= ρT + ρост.

С ростом температуры амплитуда тепловых колебаний атомов и связанные с ней флуктуации  решетки усиливаются, что усиливает рассеяние электронов и вызывает возрастание удельного сопротивления металла.

Относительное изменение удельного сопротивление при изменение температуры на один кельвин (градус) называют температурным коэффициентом удельного сопротивления, который также зависит от Т:

αρ=1/ρ/dT.

При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппроксимация зависимости проводника от температуры; в этом случае принимают, что

ρ 2 = ρ 1[1 + αρ (Т2 – Т1)],

где ρ2, ρ1— удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т1 и Т2 соответственно (Т2> Т1); αρ” — так называемый средний температурный коэффициент удельного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т1 до Т2.

Электроны в металлах определяют как электропроводность, так и обеспечивают высокую теплопроводность. При прочих одинаковых условиях, чем больше удельная электропроводность металла, тем выше и его теплопроводность. Связь между величинами удельной электропроводности и коэффициентом теплопроводности γт выражается эмпирическим законом Видемана-Франца-Лоренца:

γT/ γ = L0T ,

где L0 – число Лоренца, Т – абсолютная температура, К. В табл.1 приведено число Лоренца для некоторых металлов.

Таблица 1.

Число Лоренца для некоторых металлов

Металл

Символ

L0·108, В2·К-2

Металл

Символ

L0·1082·К-2

Алюминий

Al

2,1

Натрий

Na

2,1

Вольфрам

W

3,7

Никель

Ni

1,5

Железо

Fe

2,9

Олово

Sn

2,5

Золото

Au

2,4

Платина

Pt

2,6

Иридий

Ir

2,5

Серебро

Ag

2,3

Кадмий

Cd

2,5

Свинец

Pb

2,5

Медь

Cu

2,2

Цинк

Zn

2,4

Молибден

Mo

2,6