4.3. Свойства проводников.▲

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

– удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ,

– температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или α_ρ,

– теплопроводность γ_т,

– контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,

– работа выхода электронов из металла,

– предел прочности при растяжении σ_ρи относительное удлинение при разрыве ∆l/l.

4.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников.▲

Связь плотности тока J, А/м², и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:

J=Eγ(4.1)

Здесь γ, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома γ не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина ρ=1/γ, обратная удельной проводимости и называемая

удельным сопротивлением, для имеющего сопротивлениеRпроводника длинойlс постоянным поперечным сечениемSвычисляется по формуле:

ρ = R·S/l. (4.2)

Единица СИ для удельного сопротивления — Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ 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. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, 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 ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

4.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.▲

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.

4.3.3.Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении.▲

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.3.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.

Рис.4.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры.

Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С.

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.

Глава 4. Основные свойства и характеристики проводниковых материалов.

4.1. Удельное сопротивление или удельная проводимость проводников.

Поскольку каждый атом проводникового материала отдает в «электронный газ» как минимум один электрон, концентрация свободных носителей зарядов в проводниках чрезвычайно велика. Так, например, концентрация (

n) свободных электронов в Ag – 5,9 10²⁸, Cu – 8,5 10²⁸, Al – 8,3 10²⁸ [м^-3]. Величина концентрации свободных электронов практически не зависит от температуры, что резко отличает проводниковые материалы от полупроводниковых и диэлектрических.

Диапазон значений удельного сопротивления  металлических проводников (при нормальной температуре) – от 0,016 для серебра и до  10 МкОм м для некоторых сплавов, т.е. он охватывает всего три порядка. Значения  некоторых металлов даны в табл.4.1.

Удельная проводимость  проводников выражается в единицах, обратных единицам , обычно – в МСм/м.

Согласно классической теории металлов под действием электрического поля напряженностью Е свободные электроны помимо скорости тепловых движений V_t приобретают компонент «электрической» скорости V_э, имеющий направление, противоположное направлению вектора Е.

Таблица 4.1.

металл	Тпл, оС	D, Мr/м2	С, Дж/ (кг К)	, Вт /(мК)	ТК 10-6 К-1	, мкОм м	ТК, 10-4 К-1	Wв.э, эВ
Ртуть Hg Галлий Ga Натрий Na Индий In Олово Sn Кадмий Cd Свинец Pb Цинк Zn Магний Mg Алюминий Аl Серебро Ag Золото Au Медь Cu Бериллий Be Никель Ni Кобальт Co Железо Fe Палладий Pa Титан Ti Платина Pt Торий Th Цирконий Zr Ниобий Nb Молибден Mo Тантал Ta Рений Re Вольфрам W	-38,9 29,7 97,7 156 232 321 327 420 651 657 961 1063 1083 1284 1455 1490 1535 1554 1680 1773 1850 1860 2415 2620 2970 3180 3380	13,55 5,91 0,97 7,28 7,31 8,65 11,4 7,14 1,74 2,70 10,5 19,3 8,94 1,83 8,90 8,71 7,87 12,2 4,5 21,4 11,5 6,4 8,6 10,2 16,6 20,5 19,3	138 385 1260 243 226 230 130 390 1040 922 234 126 385 200 444 435 452 243 577 134 113 276 272 264 142 138 218	10 — 125 25 65 93 35 111 167 209 415 293 390 167 95 79 73 72 15 71 — 17 50 151 54 71 168	61 183 70 25 23 30 29 31 26 24 19 14 16 13 13 12 11 12 8 9 11 5,4 7,2 5,1 6,5 4,7 4,4	0,958 0,56 0,046 0,09 0,12 0,076 0,21 0,059 0,045 0,028 0,016 0,024 0,0172 0,04 0,073 0,062 0,098 0,11 0,42 0,105 0,186 0,41 0,18 0,057 0,135 0,21 0,055	9 50 47 44 42 37 40 42 42 40 38 43 60 65 60 60 38 44 39 23 45 30 46 38 32 46	405 2,3 4,4 4,0 4,4 3,6 4,3 4,4 4,8 4,3 3,9 5,0 — 4,5 4,8 4,1 5,3 3,3 3,8 4,0 4,2 4,1 4,8 4,5

Примечание: Металлы расположены в порядке возрастающей температуры плавления Т_ПЛ. Для Т_ПЛ даны значения при нормальном давлении; плотность D, удельная теплоемкость С, коэффициент теплопроводности  и др. – при нормальных температуре и давлении.

При геометрическом сложении скоростей свободных электронов в некотором объеме металла хаотически направленные скорости V_t дают в сумме нуль, а V_э определяют дрейф электронов. В промежутках между двумя последовательными соударениями свободного электрона с узлами кристаллической решетки V_э равномерно возрастает от нуля с ускорением а = F/m, где F –действующая на электрон сила, равная F = E; – заряд электрона иm – его масса. При обычных условиях для металлов v_t>>v_э (v_тпорядка 10⁵ м/с, а v_э при Е = 1 В/м порядка всего лишь 10^-3 м/с), так что среднее время свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки опреде­ляется как отношение средней длины свободного пробегак средней скорости теплового движения электронов:. Полагая, что кине­тическая энергия теплового движения электронаmv_т²/2 определяется, как и энергия молекулы идеального газа, выражением 1,5кТ (где к — постоянная Больцмана, Т — термодинамическая температура) и используя формулы (0.1) и (0.3), получаем выражение для удельного сопротивления металла, в которое входит и температура Т:

. (4.1)

Таким образом, при независимости n и от температуры  метал­лов должно быть обратно пропорционально . Современная кван­товая физика вносит существенные уточнения в изложенные элементар­ные рассуждения (в частности, изменяется форма зависимости  от Т), но сущность решения не изменяется.

Для различных металлов  в основном определяется значением , которое в свою очередь зависит от структуры проводника. Чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характе­ризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению. Такой же вывод можно сделать, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электрон­ных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины волны электрона; нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн. В металлическом проводнике, где длина волны электрона порядка 5 , микродефекты создают значительное рассеяние, уменьшающее подвиж­ность электронов и, следовательно, приводят к росту.

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

Введем понятие температурного коэффициента, которым будем поль­зоваться и в дальнейшем. Температурный коэффициент (ТК) какого-либо параметра z материала или радиоэлектронного компонента — это логарифмическая производная этого параметра по температуре:

^. (4.2)

Размерность ТК обратна размерности температуры и все ТК выра­жаются в (К^-1). Положительный знак ТК z при z > 0 соответствует случаю, когда z при возрастании T в окрестностях данной точки воз­растает, и наоборот. Если z, в свою очередь, является функцией не­скольких зависящих от T величин вида

,

где A, m, … — постоянные, то

TK_z = m TKx + n Tky + … (4.3)

Величина удельного сопротивления металлов при повышении Т возрастает. Следовательно, температурный коэффициент удель­ного сопротивления металлов

. (4.4)

величина положительная. Согласно классической теории, ТК чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к ТК объема идеаль­ных газов, т. е. к 1/273 = 0,00367 К^-1.

При фазовом переходе из одного агрегатного состояния в другое сопротивление металлов растет скачкообразно (рис.4.1).

Рост металлов при повышении температуры обусловлен тем, что возрастает с ростом температуры, амплитуда ангармонических тепловых колебаний узлов кристаллической решетки. Вследствие этого возрастает вероятность столкновения дрейфующих под действием сил электрического поля электронов с этими узлами. При этом уменьшается длина свободного пробега электрона и уменьшается его подвижность.

Изменение удельного сопротивления металлов при деформациях.

Изменение  при упругом растяжении или сжатии можно приближенно оценивать формулой

, (4.5)

где  — удельное сопротивление ме­талла при механическом напряжении ;

_о — удельное сопротивление ме­талла, не подверженного механическо­му воздействию;

s — коэффициент, характеризующий данный металл.

Знак «плюс» в (4.5) соответствует растяжению, «минус» — сжатию.

Изменение  при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний узлов кристаллической решетки металла. При растяжении эти амплитуды увеличиваются, при сжатии – уменьшаются. Увеличение амплитуды колебаний узлов обусловливает уменьшение подвижности носителей зарядов и, как следствие, возрастание . Уменьшение амплитуды колебаний, наоборот, приводит к уменьшению .

Пластическая деформация, как правило, повышает  металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига)  может быть вновь снижено до первоначального зна­чения.

Иногда наблюдающееся при де­формациях сжатия уменьшение удельного сопротивления объяс­няется вторичными явлениями — уплотнением металла, разрушением оксидных пленок и т.д.

При воздействии высоких гид­ростатических давлений характер изменения  у различных металлов может быть весьма различным: при этом могут наблюдаться повышения, понижения и обусловленные полиморфическими переходами (изменения кристаллической структуры вещества) скачкообразные изменения . Такие скачки  (висмута, бария, таллия, свинца и др.) при изменении гидростатичес­кого давления используют в качестве реперных точек при измерениях высоких давлений.

Удельное сопротивление сплавов.

Как указывалось, примеси и нару­шения правильной структуры метал­лов ведут к увеличению их удельно­го сопротивления.

Значительное возрастание на­блюдается при сплавлении двух ме­таллов в том случае, если они об­разуют твердый раствор, т.е. со­здают при отвердевании совместную кристаллизацию и атомы одного ме­талла входят в кристаллическую ре­шетку другого.

Зависимость удельного сопротив­ления сплава двух металлов, обра­зующих твердый раствор, от процент­ного содержания каждого из них представлена на рис.4.2 (кривая а). Кривая имеет максимум, соответствующий некоторому соотношению содержанию компонентов в сплаве при уменьшении содержания каждого из них  падает, приближаясь к соответствующим значениям  чистых металлов. Обычно на­блюдается определенная закономер­ность и в изменении ТК: относи­тельно высокими значениями ТК обладают чистые металлы, а у спла­вов ТК меньше и даже может приоб­ретать небольшие по абсолютной ве­личине отрицательные значения (рис.4.2 кривая б). Это объясняется тем, что у сплавов изменение  вызывается не только изменением подвижности но­сителей заряда, но в некоторых слу­чаях и возрастанием концентрации но­сителей при повышении температуры.

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллизацию (т. е. компоненты сплава не образуют твердого раствора, и искажение кристаллической решетки каждого из компонентов не имеет места), то  сплава приближенно определяется арифметическим правилом смешения.

Проводники и непроводники — Таблица

Примеры

К проводникам относятся: К твердым —  все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.) К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей. К газообразным относятся ионизированные газы.

К полупроводникам относятся: 1.элементы 4й группы химической таблицы Менделеева: кремний Si, галлий Ga, (химически чистый элемент является собственным полупроводником) ; 2.соединения: карбид кремния SiC и Арсенид галлия GaAs.,(химически чистое соединение элементов является собственным полупроводником) ; 3. полупроводниковыми свойствами обладают оксиды некоторых металлов.

Диэлектрики бывают твердые-все неметаллы; жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

Свойства

Свойства проводников: 1) Электрические Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю Физические плотность температура плавления 2) Механические Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках 3) Химические Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Основные свойства полупроводников: 1) По проводимости занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками (ну, на то и полупроводники ) 2) Обратная зависимость проводимости от температуры — при повышении температуры сопротивление уменьшается (у проводников наоборот) 3) Сильная зависимость проводимости от внешнего внешних воздействий (температуры, электрического поля) и примесей — главное свойство, обуславливающее применение полупроводников.

Основне свойства диэлектриков: 1)Электрические свойства Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины. Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины. 2) Физико-химические свойства Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств. Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до — 120 Смачиваемость-способность материала отторгать влагу. 3)Химические Должны противостоять активной(агрессивной) среде Способность склеиваться Растворение в лаках и растворителях, склеиваться 4) Механические Защита металлических проводников от коррозии Радиационная стойкость Вязкость(для жидких диэлектриков) Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие Предел прочности, твердостиОсновне свойства диэлектриков: 1)Электрические свойства Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины. Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины. 2) Физико-химические свойства Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств. Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до — 120 Смачиваемость-способность материала отторгать влагу. 3)Химические Должны противостоять активной(агрессивной) среде Способность склеиваться Растворение в лаках и растворителях, склеиваться 4) Механические Защита металлических проводников от коррозии Радиационная стойкость Вязкость(для жидких диэлектриков) Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие Предел прочности, твердости Обработка инструментом

Электростатические свойства проводников

2014-05-24

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим проводник в электростатическое поле. Под действием электрических сил движение свободных электронов станет направленным. Определенный участок на поверхности проводника приобретает отрицательный заряд, а противоположная — положительного.

Таким образом, на поверхности проводника появляются приведены (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным. Описанное явление называется электростатической индукцией.

? Электростатическая индукция — это явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают электрические заряды.

Индуцированные заряды, возникающие создают свое электрическое поле напряженностью ‘, направлено в сторону, противоположную напряженности 0 внешнего поля. Процесс перераспределения зарядов в проводнике будет продолжаться до тех пор, пока создаваемое индуцированными зарядами поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее поле. Напряженность = 0 + ‘ результирующего поля внутри проводника равна нулю.

Свойство 2. Поверхность проводника является эквипотенциальной.

Это утверждение является следствием соотношения между напряженностью поля и разностью потенциалов:

Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов также равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы, т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сконцентрирован на его поверхности.

Это свойство является следствием закона Кулона и свойства одноименных зарядов отталкиваться.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля проводника направлен перпендикулярно к его поверхности.

Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника вектор напряженности электростатического поля направлен под углом к поверхности проводника. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальная n, перпендикулярная к поверхности, и тангенциальная, направлена по касательной к поверхности.

Под действием электроны направлено двигаться по поверхности, но это не означает, что по поверхности проводника протекает ток, а это, в свою очередь, противоречит електростатичности. Следовательно, в случае равновесия зарядов = 0, а = n.

Свойство 5. Электрические заряды распределяются на поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступлениях проводника и меньше на его впадинах.

Рассмотрим проводник неправильной формы. Любое заряженное тело на больших расстояниях от него можно считать точечным зарядом, эквипотенциальные поверхности которого имеют вид концентрических сфер. Таким образом, по мере удаления от проводника эквипотенциальные поверхности вблизи проводника, повторяющие форму его поверхности, должны постепенно и плавно приобретать вид сферы. Но это возможно только в том случае, если эквипотенциальные поверхности будут сгущенные у выступлений проводника и разреженные у впадин.

Там, где эквипотенциальные поверхности расположены гуще, напряженность поля, перпендикулярная к поверхности проводника, больше, а там, где расположены реже, — напряженность поля меньше.

категория: Физика

Свойства и применение проводников

Среди списка проводниковых материалов обладающих таким свойством как высокая проводимость находятся алюминий, медь и кое-какие сплавы: фосфористая бронза, латунь и много других. Эти материалы нашли широкое применение в изготовлении катушек использующихся в электромашинах, аппаратах и приборах. Чем больше механическая прочность и меньше удельное сопротивление проводника, тем он считается лучше. В разных случаях использования, требования к этим свойствам меняются. К примеру, для кабеля, натягиваемого между столбами линии электропередачи или контактной сети, необходим проводник с определенной механической прочностью на разрыв. А при создании катушки электромашин или аппаратов нужен проводник с как можно меньшим значением удельного сопротивления, в том числе, если из-за этого будет снижаться механическая прочность. В целях того, чтобы достичь наименьшего удельного сопротивления металл должен быть абсолютно без примесным. Потому как показатель удельного сопротивления увеличивается при добавлении любой примеси. Даже если к основному металлу добавить другой с меньшим удельным сопротивлением, все равно общий показатель сопротивления будет повышаться. Происходит это вследствие того, что если добавить любое, самое малое количество примеси происходит искажение кристаллической решетки металла. Кроме того, это проявляется и при механической деформации. Поэтому при обработке металлов давлением у него увеличивается удельное сопротивление. Тот же эффект имеет место и при производстве проволоки для проводов. Латунь и медь применяется в изготовлении разных деталей проводящих ток. Провода из меди получаются с помощью прокатки или протяжки. Изделие обладает свойствами высокой механической прочности и твердости. Эта медь имеет марку МП. Применяется в производстве проводов без изоляции, распределительных шин, пластин коллекторов и другие. Если твердотянутую медь пропустить через термическую обработку с температурой отжига 330-350 °С, получится мягкая медь марки ММ. Данный продукт получается гибким и способен к существенному вытягиванию. Это происходит вследствие того, что во время такого нагрева структура меди рекристаллизируется, исчезают внутренние напряжения, появившиеся при протяжке. Материал получается «вязким», а электропроводность тоже возрастает. Такая медь используется в производстве кабеля, провода с изоляцией и прочее. Бронза (сплав меди с иными металлами) тоже применяется как проводник. Бронза обладает большой механической прочностью и большим удельным сопротивлением. Кадмиевая бронза применяется в производстве пластин для коллекторов, кабелей. Бериллиевая бронза идет на пружины, щеткодержатели, скользящие контакты, ножи рубильников. Латунь, при тех же свойствах, хорошо сопротивляется истиранию и удобна в штамповке, вытягивании. Ее можно паять и сваривать. Следующим по популярности проводником можно назвать алюминий. При волочении готовый продукт выходит достаточно твердый, а при последующей термообработке приобретает гибкость. Широкое распространение получила технология добавления в алюминиевый сплав такие элементы как медь, марганец, кремний и магний с целью увеличения прочностных и механических свойств. В итоге таких добавлений получаются разные сплавы алюминия, такие как дюралюминиевый, силуминовый и прочие. Бывает два вида твердости алюминия : АТ – твердый алюминий и АМ – мягкий алюминий. Провода и другие детали из алюминия на стыках скрепляют при помощи заклепок и сварки , потому что паять алюминий обычным методом затруднительно по причине наличия на поверхности деталей алюминиевой окиси. Ее температура плавления примерно равна 2000 °С. В нашем рассказе о свойствах материала мы ушли в теорию, а с практичной точки зрения данные материалы никак не поддаются профессиональной видеосъемке, даже на самую мощную профессиональную видеокамеру, поскольку частицы составляющие материал слишком малы. Даже профессиональные видеооператоры не смогут снять частицы на профессиональную технику с применением мощных прожекторов — источников света. Зато профессиональная видеосъёмка отлично подойдёт и будет уместна при торжествах и других праздничных событиях. .