Электропроводность металлов это определение

Электропроводность металлов это определение

В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.

Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.

Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).

Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.

Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.

Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.

Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.

Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.

Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.

Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.

Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.

Читайте также:  Установка сушилок для белья на балконе

Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.

Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.

Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.

Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.

Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.

Удельное электрическое сопротивление измеряется в Ом*м, то есть сопротивление куба вещества с ребром в 1 метр. Таким же образом электропроводность вещества характеризуется удельной электропроводностью ?, измеряемой в См/м, то есть проводимость куба вещества с ребром в 1 метр.

Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.

Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.

Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.

Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.

Электропроводность и электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры , поскольку частота и амплитуда тепловых колебаний атомов кристаллической решетки с ростом температуры так же возрастает, соответственно возрастает и сопротивление электрическому току, потоку электронов.

При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.

Температурный коэффициент сопротивления ? позволяет вычислить для конкретного материала приращение его сопротивления при определенной температуре, и численно характеризует относительное приращение сопротивления при увеличении температуры на 1 °С.

Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.

Дрейф электронов определяет величину плотности электрического тока в кристалле. Построим мысленно в объеме проводника цилиндр с основанием, равным единице площади, и образующей, равной скорости дрейфа vдр и направленной вдоль дрейфа (рис. 7.2). Все электроны, заключенные в этом цилиндре, в течение 1 с пройдут через его основание и образуют ток с плотностью

Читайте также:  Какая трава помогает от блох в квартире

, (7.8)

где n — концентрация электронов проводимости.

Vдр
Vдр
E
S=1м 2

Рис. 7.2. К расчету удельной электропроводности металла

Выражение (7.8) имеет форму закона Ома. Электропроводность σn металлов (электронная электропроводность) есть по определению коэффициент пропорциональности между плотностью тока j и напряженность электрического поля Е, т.е. j nЕ. Следовательно, из (7.6) и (7.8) имеем

. (7.9)

Величина ρn, обратная удельной электропроводности, называется удельным электросопротивлением:

. (7.10)

Таким образом, электропроводность (электросопротивление) металлов обусловлена концентрацией электронов проводимости и их подвижностью.

Концентрация электронов проводимости металлов от температуры практически не зависит.

Подвижность электронов в кристалле определяется механизмами рассеяния электронов проводимости и существенно зависит от температуры.

Электросопротивление большинства металлов обусловлено рассеянием электронов на различных видах нарушений регулярной кристаллической структуры решетки. Эти нарушения можно разделить на две группы:

1) тепловые колебания ионов кристаллической решетки (фононы);

2) статические дефекты кристаллической решетки (точечные дефекты, дислокации, статические геометрические искажения и др.).

В соответствии с этим и электросопротивление реального металла, в котором в той или иной степени присутствуют все виды рассеяния электронов проводимости, приближенно представляют в виде двух слагаемых

, (7.11)

где ρо — часть удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием электронов на статических дефектах,

ρ(T) — часть удельного электросопротивления, обусловленная рассеянием на фононах.

При комнатной температуре и выше основное значение имеет взаимодействие электронов с решеточными фононами (электрон-фононное рассеяние). Этим механизмом рассеяния обусловлена хорошо известная линейная зависимость удельного электросопротивления металлов от температуры:

. (7.11а)

Постоянная α называется температурным коэффициентом сопротивления.

При очень низких температурах, когда влиянием тепловых колебаний на рассеяние электронов можно пренебречь, сопротивление металлов практически перестает зависеть от температуры (рис. 7.3).

ρ
Т
ρ

Рис. 7.3. Зависимость удельного электро-сопротивления металла
от температуры

Предельное значение ρо, к которому стремится сопротивление металлов по мере понижения температуры к абсолютному нулю, называется остаточным сопротивлением. Остаточное сопротивление металлов является очень важной характеристикой, чувствительной к концентрации дефектов в решетке.

Например, для кристалла меди чистоты 99,999% остаточное сопротивление приблизительно в 1000 раз меньше удельного электросопротивления при комнатной температуре. Для цинка чистоты 99,99999% (один из наиболее чистых полученных в настоящее время металлов) это отношение составляет 10 7 .

В промежуточной области температур электросопротивление металлов определяется приближенной формулой:

, (7.11б)

где A и B — величины, не зависящие от температуры.

Немецкими физиками Г. Видеманом и Р. Францем в 1853 было установлено, что отношение коэффициента теплопроводности металлов χ (точнее ее электронной составляющей) к их электропроводности σn прямо пропорционально абсолютной температуре и не зависит от природы металла. Закон действует при температуре Т>θ (температуры Дебая), а в области низких температур от не действует.

Закон Видемана – Франца:

, (7.12)

где L — коэффициент пропорциональности (число Лоренца),
L=2,4∙10 -8 (Вт∙Ом/К 2 ).

Это соотношение объясняется следующим: и ток и теплопроводность металлов обусловлена электронами. Чем больше концентрация электронов и их длина свободного пробега, тем больше их электропроводность, тем больше и их теплопроводность. Их отношение при данной температуре остается неизменным.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9157 — | 7303 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Урок 294. Основы электронной теории электропроводности металлов (Январь 2020).

Электропроводность в металлах является результатом движения электрически заряженных частиц.

Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов — электронов во внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Читайте также:  Не запускается вайбер на виндовс 7

Поскольку валентные электроны свободны в движении, они могут проходить через решетку, которая образует физическую структуру металла.

Под электрическим поле свободные электроны движутся по металлу так же, как бильярдные шарики, сбивающиеся друг с другом, пропуская электрический заряд по мере их перемещения.

Передача энергии сильней, когда сопротивление мало. На бильярдном столе это происходит, когда мяч ударяет по другому одиночному шару, передавая большую часть своей энергии на следующий мяч. Если один мяч ударяет по нескольким другим шарам, каждый из них будет нести только часть энергии.

К тому же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, которые имеют один валентный электрон, который свободно перемещается и вызывает сильную реакцию отталкивания в других электронах. Это имеет место в наиболее проводящих металлах, таких как серебро, золото и медь, каждый из которых имеет единственный валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную отталкивающую реакцию.

Полупроводниковые металлы (или металлоиды) имеют большее количество валентных электронов (обычно четыре или более), поэтому, хотя они могут проводить электричество, они неэффективны в задаче.

Однако при нагревании или легировании другими элементами полупроводники, такие как кремний и германий, могут стать чрезвычайно эффективными проводниками электричества.

Проводимость в металлах должна следовать закону Ома, который утверждает, что ток прямо пропорционален электрическому полю, приложенному к металлу. Ключевой переменной при применении Закона Ома является удельное сопротивление металла.

Сопротивление противоположно электропроводности, оценивая, насколько сильно металл выступает против потока электрического тока. Это обычно измеряется через противоположные поверхности однометрового куба материала и описывается как омметр (Ω⋅m). Сопротивление часто представлено греческой буквой rho (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется сименсами на метр (S⋅m -1 ) и представлена ​​греческой буквой сигма (σ). Один сименс равен обратному одному ому.

Проводимость и сопротивление в металлах

Материал

Сопротивление
p (Ω • м) при 20 ° C

Проводимость
σ (S / m) при 20 ° C

Серебро 1. 59×10 -8 6. 30×10 7 Медь 1. 68×10 -8 5. 98×10 7 Отжиг меди 1. 72×10 -8 5. 80×10 7 Золото 2.44×10 -8 4. 52×10 7 Алюминий 2. 82×10 -8 3. 5×10 7 Кальций 3. 36×10 -8 2. 82×10 7 Бериллий 4. 00×10 -8 2. 500×10 7 Родий 4. 49×10 -8 2. 23×10 7 Магний 4. 66×10 -8 2. 15×10 7 Молибден 5. 225×10 -8 1. 914×10 7 Иридий 5. 289×10 -8 1. 891×10 7 Вольфрам 5. 49×10 -8 1. 82×10 7 Цинк 5. 945×10 -8 1. 682×10 7 Кобальт 6. 25×10 -8 1. 60×10 7 Кадмий 6. 84×10 -8 1. 46 7 Никель (электролитический) 6. 84×10 -8 1. 46×10 7 рутений 7. 595×10 -8 1. 31×10 7 Литий 8. 54×10 -8 1. 17×10 7 Железо 9. 58×10 -8 1. 04×10 7 Платина 1. 06×10 -7 9. 44×10 6 Палладий 1. 08×10 -7 9. 28×10 6 Олово 1. 15×10 -7 8. 7×10 6 Селен 1. 197×10 -7 8. 35×10 6 Тантал 1. 24×10 -7 8. 06×10 6 Ниобий 1. 31×10 -7 7. 66×10 6 Сталь (Cast) 1. 61×10 -7 6. 21×10 6 Хром 1. 96×10 -7 5. 10×10 6 Свинец 2. 05×10 -7 4. 87×10 6 Ванадий 2. 61×10 -7 3. 83×10 6 Уран 2. 87×10 -7 3. 48×10 6 Сурьма * 3. 92×10 -7 2. 55×10 6 Цирконий 4. 105×10 -7 2. 44×10 6 Титан 5. 56×10 -7 1. 798×10 6 Ртуть 9. 58×10 -7 1. 044×10 6 Германий * 4. 6×10 1 2. 17 кремния * 6. 40×10 2 1. 56×10 -3

* Примечание: удельное сопротивление полупроводников (металлоидов) сильно зависит от присутствия примесей в материале.

Исходные данные диаграммы

Eddy Current Technology Inc.
URL: // вихревые токи. com / проводимость-металлов-сортировка по удельному сопротивлению /
Википедия: Электропроводность
URL: // ru. википедия. орг / вики / Electrical_conductivity

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector