Электропроводность металлов

Содержание

1. Введение ………..2
2. Общие сведения и классификация……….3-5
3. Электропроводность металлов ……….5-8
4. Свойство металлов ……….8-11

 

Введение

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление r при нормальной температуре не более 0,05 мкОм×м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие r при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм×м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

 К жидким проводникам  относятся расплавленные металлы  и различные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока; только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39°С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Механизм прохождения электрического тока в металлах и металлических сплавах, находящихся в твердом и жидком состоянии, обусловлен направленным движением свободных (коллективизированных) электронов, называемых электронами проводимости. Отсюда

тип электропроводности металлических проводников электронный(металлический), и они являются проводниками первого рода. Механизм прохождения электрического тока в растворах (преимущественно водных) и расплавах электролитов (кислот, оснований и солей) обусловлен направленным движением катионов и анионов, поэтому тип электропроводности электролитов ионный, и они являются проводниками второго рода. Прохождение электрического тока через электролит связано с переносом ионов растворенного или расплавленного вещества и выделением их на электродах. В результате состав электролита изменяется. Электролиты широко используют в гальванотехнике и при очистке металлов (рафинированная медь, электролитическое железо и др.).

Углеродистые материалы (графит, пиролитический углерод, сажа) имеют электропроводность в направлении базисной плоскости, близкую по своей природе к электропроводности металлов.

В ионизированных газах и парах веществ, в том числе в парах металлов, электрический ток обусловлен движением электронов и ионов, образующихся в сильных электрических полях или при высокой температуре (выше 5000°С), или под действием ионизирующего излучения (см. гл. 3.2 и 5.2). Ионизация и, следовательно, электропроводность газов и паров под действием электрического

напряжения наступают при напряженности поля Е, равной и выше критической Екр. Сильно ионизированный газ при равенстве концентраций положительных и отрицательных зарядов является электропроводящей средой и называется плазмой. Количественно электропроводность проводников оценивается удельной электропроводностью у или обратной ей величиной — удельным электрическим сопротивлением р. р = 1/у.В СИ удельная электропроводность у измеряется в См/м, а удельное электрическое сопротивление р — в Ом м. Для измерения р иногда используют внесистемную единицу Оммм2/м:

1 Ом м = 106мкОмм = 106Оммм2/м

Металлические проводники: Наиболее широкое применение в технике получили твердые металлические проводники, которые являются основным видом проводниковых материалов в электро- и радиотехнике. У твердых металлических проводников высокая электро- и теплопроводность, характерный металлический блеск и высокая пластичность. Высокая электро- и теплопроводность металлических проводников обусловлена большой концентрацией n электронов проводимости. У серебра n= 5,9*10^28, меди n= 8,5*10^28, алюминия л = 8,3- 10^28 м-3; подвижность электронов этих металлов составляет 6,6*10^-5, 4,3*10^-5 и 2,7*10^-5 м2/(В с), соответственно. Удельное электрическое сопротивление р металлических проводников изменяется в относительно узком интервале — от 1,6*10-8 (Ag) до —1-10-5 Ом м (сплав Fe-Cr-Co-Al) при нормальной температуре.

Классификация металлических    проводников.

Металлические проводники подразделяются на следующие основные группы. Металлы высокой проводимости— это металлы (Ag, Си, Аи, А1 и др.) и их сплавы, имеющие при нормальной температуре р не более

0,1 мкОм м, использующиеся для изготовления проводов, кабелей, токопроводящих шин, обмоток трансформаторов, машин и т.п.. Основные свойства металлов этой группы приведены в табл. 12.1

Сверхпроводники —это материалы (чистые металлы, например, Hg, Pb, А1, сплавы, например, Nb-Ti, V-Ga и др.), обладающие при температурах, близких к абсолютному нулю, ничтожно малым удельным сопротивлением.

Криопроводники— это обычно металлы высокой проводимости (например, Cu, Al, Be), которые при криогенных температурах ( Т <—195°С) приобретают высокую удельную электропроводность.

Провода и кабели с токопроводящими жилами из криопроводников эксплуатируют при температурах жидких водорода (-252,6°С), неона (—245,7°С) или азота (—195,6°С).

Сплавы высокого сопротивления— это сплавы (константан, нихромы и др.), образующие твердые растворы (см. гл. 10.3.2). Они имеют при нормальной температуре р не менее 0,3 мкОм м и используются для изготовления электронагревательных элементов, реостатов, резисторов и т.п

 

 

 

 

 

 Электропроводность металлов.

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля—Ленца.

Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

 

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов.

Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

 

Свойства проводников.

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

1. удельная проводимость g или обратная ей величина — удельное сопротивление r,

2. температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr или ar,

3. коэффициент теплопроводности gт,

4. контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС),

5. работа выхода электронов из металла,

6. предел прочности при растяжении sр и относительное удлинение перед разрывом Dl/l.

Удельная  проводимость и   удельное сопротивление  проводников. Связь плотности тока J (в амперах на квадратный метр) и напряженности электрического поля (в вольтах на метр) в проводнике дается известной формулой:

 

J=gE

(7-1)

 

 

(дифференциальная  форма закона Ома); здесь g (в сименсах на метр) параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью: в соответствии с законом Ома у металлических проводников не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении последней в весьма широких пределах. Величина r = 1/g, обратная удельной проводимости и называемая удельным сопротивлением, для имеющего сопротивление R проводника длиной l с постоянным поперечным сечением S вычисляется по формуле

 

r = RS/l

(7-2)

 

 

Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Для измерения r проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом×мм2/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление в омах, численно равно r материала в Ом×мм2/м.

Диапазон значений удельного сопротивления r металлических проводников (при нормальной температуре) довольно узок: от 0,016 для серебра и до примерно 10 мкОм×м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Удельная проводимость металлических проводников согласно классической теории металлов может быть выражена следующим образом:

 

g = (e2n0l)/(2mvT)

(7-3)

 

 

где е — заряд электрона; n0 — число свободных электронов в единице объема металла; l — средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; т — масса электрона; vT — средняя скорость теплового движения свободного электрона в металле.

Преобразование выражения (2-3) на основе положений квантовой механики приводит к формуле

 

g = K02/3l

(7-4)

 

 

где K — численный  коэффициент;  остальные обозначения — прежние.

Для различных металлов скорости хаотического теплового движения электронов vT (при определенной температуре) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрации свободных электронов п0 (например, для меди и никеля это различие меньше 10 %). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления r) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике l, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению r. К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона около 0,5 нм, микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвижность электронов, и, следовательно, приводит к росту r материала.

Температурный коэффициент  удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона l. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 2-1). Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов, (кельвин в минус первой степени)