Таблица электрической проводимости металлов. Электронная проводимость металлов
Ценность металлов напрямую определяется их химическими и физическими свойствами. В случае с таким показателем, как электропроводимость, эта связь не так прямолинейна. Самый электропроводный металл, если измерять данный показатель при комнатной температуре (+20 °C), — серебро.
Но высокая стоимость ограничивает применение деталей из серебра в электротехнике и микроэлектронике. Серебряные элементы в таких приборах применяются только в случае экономической целесообразности.
Физический смысл проводимости
Использование металлических проводников имеет давнишнюю историю. Ученые и инженеры, работающие в областях науки и техники, использующих электроэнергию, давно определились с материалами для проводов, клемм, контактов, и т. д. Определить самый электропроводный металл в мире помогает физическая величина, называемая электрической проводимостью.
Понятие проводимости обратно электрическому сопротивлению. Количественное выражение проводимости связано с единицей сопротивления, которое в международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах. Единица в системе СИ — сименс. Русское обозначение этой единицы — См, интернациональное — S. Электрической проводимостью в 1 См обладает участок электрической сети с сопротивлением в 1 Ом.
Удельная проводимость
Мера способности вещества проводить электроток называется Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.
Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр — См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора — микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.
Проводимость металлов
Само понятие как направленного потока заряженных частиц кажется более гармоничным для веществ, основанных на кристаллических решетках свойственных металлам. Носителями зарядов при возникновении электрического тока в металлах являются свободные электроны, а не ионы, как это бывает в жидких средах. Экспериментально установлено, что при возникновении тока в металлах не происходит переноса частиц вещества между проводниками.
Металлические вещества отличаются от других более свободными связями на атомарном уровне. Внутреннее устройство металлов отличается присутствием большого числа «одиноких» электронов. которые при малейшем воздействии электромагнитных сил образуют направленный поток. Поэтому не зря именно металлы являются лучшими проводниками электрического тока, и именно такие молекулярные взаимодействия отличают
Электрическая проводимость металлов таблица. Электрическая проводимость меди. Медь: характеристика
Во многих отраслях современной промышленности очень широко используется такой материал, как медь. Электропроводность у этого металла очень высокая. Этим и объясняется целесообразность его применения прежде всего в электротехнике. Из меди получаются проводники с отличными эксплуатационными характеристиками. Конечно же, используется этот металл не только в электротехнике, но и в других отраслях промышленности. Объясняется его востребованность в том числе и такими его качествами, как стойкость к коррозионным разрушениям в ряде агрессивных сред, тугоплавкость, пластичность и т.д.
Историческая справка
Медь является металлом, известным человеку с глубокой древности. Объясняется раннее знакомство людей с эти материалом прежде всего его широкой распространенностью в природе в виде самородков. Многие ученые считают, что именно медь была первым металлом, восстановленным человеком из кислородных соединений. Когда-то горные породы просто нагревали на костре и резко остужали, в результате чего они растрескивались. Позднее восстановление меди начали производить на кострах с добавлением угля и поддувом мехами. Совершенствование этого способа в конечном итоге привело к созданию Еще позже этот металл начали получать методом окислительной плавки руд.
Медь: электропроводность материала
В спокойном состоянии все свободные электроны любого металла вращаются вокруг ядра. При подключении внешнего источника воздействия они выстраиваются в определенной последовательности и становятся носителями тока. Степень способности металла пропускать сквозь себя последний и называется электропроводностью. Единицей ее измерения в Международной СИ является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом -1 .
Электропроводность меди очень высока. По этому показателю она превосходит все известные на сегодня неблагородные металлы. Лучше нее ток пропускает только серебро. Показатель электропроводности меди составляет 57х104 см -1 при температуре в +20 °С. Благодаря такому своему свойству этот металл на данный момент является самым распространенным проводником из всех используемых в производственных и бытовых целях.
Медь отлично выдерживает постоянные электрические нагрузки и к тому же отличается надежностью и долговечностью. Помимо всего прочего, этот металл характеризуется и высокой температурой плавления (1083,4 °С). А это, в свою очередь, позволяет меди долгое время работать в нагретом состоянии. По распространенности в качестве проводника тока конкурировать с этим металлом может только алюминий.
Влияние примесей на электропроводность меди
Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.
Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.
Сплавы
Разного рода добавки могут использоваться и специально для повышения прочности такого пластичного материала, как медь. Электропроводность ее они также снижают. Но зато их применение позволяет значительно продлить срок службы разного рода изделий.
Чаще всего в качестве повышающей прочность меди добавки используется Cd (0.9 %). В результате получается кадмиевая бронза. Ее проводимость составляет 90 % от проводимости меди. Иногда вместо кадмия в качестве добавки используют также алюминий. Проводимость этого металла составляет 65 % от этого же показателя меди. Для повышения прочности проводов в виде добавки могут применяться и другие материалы и вещества — олово, фосфор, хром, бериллий. В результате получается бронза определенной марки. Соединение меди с цинком называется латунью.
Характеристики сплавов
Зависеть может не только от количества имеющихся в них примесей, но и от других показателей. К примеру с повышением температуры нагрева способность меди пропускать сквозь себя ток снижается. Оказывает влияние на электропроводность такой проволоки даже способ ее изготовления. В быту и на производстве могут использоваться как мягкие отожженные медные проводники, так и твердотянутые. У первой разновидности способность пропускать сквозь себя ток выше.
Однако больше всего влияют, конечно же, используемые добавки и их количество на электропроводность меди. Таблица ниже представляет читателю исчерпывающую информацию относительно способности пропускать ток наиболее распространенных сплавов этого металла.
Сплав | Состояние (О — отожженная, Т-твердотянутая) | Электропроводность (%) |
Чистая медь | ||
Оловянная бронза (0.75 %) | ||
Кадмиевая бронза (0.9 %) | ||
Алюминиевая бронза (2,5 % А1, 2 % Sn) | ||
Фосфористая бронза (7 % Sn, 0,1 % Ρ) | ||
Электропроводность латуни и меди сравнима. Однако у первого металла этот показатель, конечно же, немного ниже. Но при этом он и выше, чем у бронз. В качестве проводника латунь используется довольно-таки широко. Ток она пропускает хуже меди, но при этом и стоит дешевле. Чаще всего из латуни делают контакты, зажимы и различные детали для радиоаппаратуры.
Медные сплавы высокого сопротивления
Такие проводниковые материалы применяют в основном при изготовлении резисторов, реостатов, измерительных приборов и электронагревательных устройств. Чаще всего для этой цели используются медные сплавы константан и манганин. Удельное сопротивление первого (86 % Cu, 12 % Mn, 2 % Ni) составляет 0.42-0.48 мкОм/м, а второго (60 % Cu, 40 % Ni) — 0.48-0.52 мкОм/м.
Связь с коэффициентом теплопроводности
Меди — 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 о С. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π 2 / 3 (k/e) 2 T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд.
Разумеется, существует подобная связь и у такого металла, как медь. Теплопроводность и электропроводность у нее очень высокие. На втором месте после серебра она находится по обоим этим показателям.
Соединение медных и алюминиевых проводов
В последнее время в быту и промышленности начало использоваться электрооборудование все более высокой мощности. Во времена С
Электропроводность металлов
Классическая теория электропроводности металлов зародилась в начале ХХ века. ЕЕ основоположником стал немецкий физик Карл Рикке. Он опытным путем установил, что прохождение заряда через металл не сопряжено с переносом атомов проводника, в отличие от жидких электролитов. Однако это открытие не объяснило, что именно является носителем электрических импульсов в структуре металла.
Ответить на это вопрос позволили опыты ученых Стюарта и Толмена, проведенные в 1916 году. Им удалось установить, что за перенос электричества в металлах отвечают мельчайшие заряженные частицы — электроны. Это открытие легло в основу классической электронной теории электропроводности металлов. С этого момента началась новая эпоха исследований металлических проводников. Благодаря полученным результатам мы сегодня имеем возможность пользоваться бытовыми приборами, производственным оборудованием, станками и многими другими устройствами.
Как отличается электропроводность разных металлов?
Электронная теория электропроводности металлов получила развитие в исследованиях Паулю Друде. Он сумел открыть такое свойство как сопротивление, которое наблюдается при прохождении электрического тока через проводник. В дальнейшем это позволит классифицировать разные вещества по уровню проводимости. Из полученных результатов легко понять, какой металл подойдет для изготовления того или иного кабеля. Это очень важный момент, так как неправильно подобранный материал может стать причиной возгорания в результате перегрева от прохождения тока избыточного напряжения.
Наибольшей электропроводностью обладает металл серебро. При температуре +20 градусов по Цельсию она составляет 63,3*104 сантиметров-1. Но изготавливать проводку из серебра очень дорого, так как это довольно редкий металл, который используется в основном для производства ювелирных и декоративных украшений или инвестиционных монет.
Металл, обладающий самой высокой электропроводностью среди всех элементов неблагородной группы — медь. Ее показатель составляет 57*104 сантиметров-1 при температуре +20 градусов по Цельсию. Медь является одним из наиболее распространенных проводников, которые используются в бытовых и производственных целях. Она хорошо выдерживает постоянные электрические нагрузки, отличается долговечностью и надежностью. Высокая температура плавления позволяет без проблем работать долгое время в нагретом состоянии.
По распространенности с медью может конкурировать только алюминий, который занимает четвертое место по электропроводности после золота. Он используется в сетях с невысоким напряжением, так как имеет почти вдвое меньшую температуру плавления, чем медь, и не способен выдерживать предельные нагрузки. С дальнейшим распределением мест можно ознакомиться, взглянув на таблицу электропроводности металлов.
Стоит отметить, что любой сплав обладает гораздо меньшей проводимостью, чем чистое вещество. Это связано со слиянием структурной сетки и как следствие нарушением нормального функционирования электронов. Например, при производстве медного провода используется материал с содержанием примесей не более 0,1%, а для некоторых видов кабеля этот показатель еще строже — не более 0,05%. Все приведенные показатели являются удельной электропроводностью металлов, которая рассчитывается как отношение между плотностью тока и величиной электрического поля в проводнике.
Классическая теория электропроводности металлов
Основные положения теории электропроводности металлов содержат шесть пунктов. Первый: высокий уровень электропроводности связан с наличием большого числа свободных электронов. Второй: электрический ток возникает путем внешнего воздействия на металл, при котором электроны из беспорядочного движения переходят в упорядоченное.
Третий: сила тока, проходящего через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертый: различное число элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к неодинаковому сопротивлению металлов. Пятый: электрический ток в цепи возникает мгновенно после начала воздействия на электроны. Шестой: с увеличением внутренней температуры металла растет и уровень его сопротивления.
Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом положений. В спокойном состоянии все свободные электроны хаотическим образом вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но стоит лишь подключить внешний источник воздействия, как электроны мгновенно выстраиваются в структурированной последовательности и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.
Это связано с тем, что слабеют молекулярные связи в кристаллической решетке, элементарные частицы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепь усложняется. Поэтому необходимо принимать меры по недопущению перегрева проводников, так как это негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Механизм электропроводности металлов невозможно изменить ввиду действующих законов физики. Но можно нивелировать негативные внешние и внутренние воздействия, которые мешают нормальному протеканию процесса.
Металлы с высокой электопроводностью
Электропроводность щелочных металлов находится на высоком уровне, так как их электроны слабо привязаны к ядру и легко выстраиваются в нужной последовательности. Но эта группа отличается невысокими температурами плавления и огромной химической активностью, что в большинстве случаев не позволяет использовать их для изготовления проводов.
Металлы с высокой электропроводностью в открытом виде очень опасны для человека. Прикосновение к оголенному проводу приведет к получению электрического ожога и воздействию мощного разряда на все внутренние органы. Зачастую это влечет мгновенную смерть. Поэтому для безопасности людей используются специальные изоляционные материалы.
В зависимости от сферы применения они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Но все типы предназначены для одной функции — изоляции электрического тока внутри цепи, чтобы он не мог оказывать воздействие на внешний мир. Электропроводность металлов используется практически во всех сферах современной жизни человека, поэтому обеспечение безопасности является первоочередной задачей.
| Материал | Проводимость | Сопротивление | |
| (% IACS) | (Сименс/м) | (Ом*м) | |
| Железо и чугун | |||
| Железо чистое | 18.00 | 1.044*107 | 9.579*10-8 |
| В слитке Iron Ingot (непр.назв.ignot) (99.9% Fe) | 15.60 | 9.048*106 | 1.105*10-7 |
| Низкоуглеродистый белый чугун | 3.25 | 5.300*10-7 | |
|
Мартенситное хромо-никелевое (стое) железо /martensitic nickel-chromium iron |
2.16 | 8.000*10-7 | |
| Высококремнистый чугун / high-silicon iron | 3.45 | 5.000*10-7 | |
| Железо-никелевые сплавы/ h igh-nickel iron | 1.0-1.2 | 1.4*10-6—1.7*10-6 | |
| Хромо-никелевое кремнистое железо / nickel-chromium-silicon iron | 1.0-1.2 | 1.5*10-6—1.7*10-6 | |
| Алюминиево-железные сплавы/ high-aluminum iron | 0.72 | 2.400*10-6 | |
| Кремнистый чугун/ medium-silicoon ductile iron | 2.0-3.0 | 5.8*10-7—8.7*10-7 | |
| Ниель-железные сплавы / high-nickel ductile (20% Ni) | 1.69 | 1.020*10-6 | |
| Углеродистые и низколегированные стали. AISI | |||
| 1008 (Отожженная) | 11.81 | 1.460*10-7 | |
| 1010 | 12.06 | 1.430*10-7 | |
| 1015 (Отожженная) | 10.84 | 1.590*10-7 | |
| 1016 (Отожженная) | 10.78 | 1.600*10-7 | |
| 1018 (Отожженная) | 10.84 | 1.590*10-7 | |
| 1020 | 10.84 | 1.590*10-7 | |
| 1022 (Отожженная) | 10.84 | 1.590*10-7 | |
| 1025 (Отожженная) | 10.84 | 1.590*10-7 | |
| 1029 (Отожженная) | 10.78 | 1.600*10-7 | |
| 1030 (Отожженная) | 10.39 | 1.660*10-7 | |
| 1035 (Отожженная) | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1040 (Отожженная) | 10.78 | 1.600*10-7 | |
| 1042 (Отожженная) | 10.08 | 1.710*10-7 | |
| 1043 (Отожженная) | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1045 (Отожженная) | 10.64 | 1.620*10-7 | |
| 1046 | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1050 (Отожженная) | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1055 | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1060 | 9.58 | 1.800*10-7 | |
| 1065 | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 1070 | 10.26 | 1.680*10-7 | |
| 1078 (Отожженная) | 9.58 | 1.800*10-7 | |
| 1080 | 9.58 | 1.800*10-7 | |
| 1095 | 9.58 | 1.800*10-7 | |
| 1137 | 10.14 | 1.700*10-7 | |
| 1141 | 10.14 | 1.700*10-7 | |
| 1151 | 10.14 | 1.700*10-7 | |
| 1524 | 8.29 | 2.080*10-7 | |
| 1524 (Отожженная) | 10.78 | 1.600*10-7 | |
| 1552 | 10.58 | 1.630*10-7 | |
| 4130 (Закаленная и отпущенная) | 7.73 | 2.230*10-7 | |
| 4140 (Закаленная и отпущенная) | 7.84 | 2.200*10-7 | |
| 4626 (Нормализованная и отпущенная) | 8.62 | 2.000*10-7 | |
| 4815 | 6.63 | 2.600*10-7 | |
| 5132 | 8.21 | 2.100*10-7 | |
| 5140 (Закаленная и отпущенная) | 7.56 | 2.280*10-7 | |
|
Холоднодеформированные нержавеющие стали отожженные AISI |
|||
| 201 | 2.50 | 6.900*10-7 | |
| 202 | 2.50 | 6.900*10-7 | |
| 301 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 302 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 302B | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 303 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 304 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 302Cu | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 304N | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 304 | 2.50 | 1.450*106 | 6.897*10-7 |
| 304 | 2.50 | 1.450*106 | 6.897*10-7 |
| 305 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 308 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 309 | 2.21 | 7.800*10-7 | |
| 310 | 2.21 | 7.800*10-7 | |
| 314 | 2.24 | 7.700*10-7 | |
| 316 | 2.33 | 7.400*10-7 | |
| 316N | 2.33 | 7.400*10-7 | |
| 316 | 2.30 | 1.334*106 | 7.496*10-7 |
| 317 | 2.33 | 7.400*10-7 | |
| 317L | 2.18 | 7.900*10-7 | |
| 321 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 329 | 2.30 | 7.500*10-7 | |
| 330 | 1.69 | 1.020*10-6 | |
| 347 | 2.36 | 7.300*10-7 | |
| 347 | 2.40 | 1.392*106 | 7.184*10-7 |
| 384 | 2.18 | 7.900*10-7 | |
| 405 | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 410 | 3.02 | 5.700*10-7 | |
| 414 | 2.46 | 7.000*10-7 | |
| 416 | 3.02 | 5.700*10-7 | |
| 420 | 3.13 | 5.500*10-7 | |
| 429 | 2.92 | 5.900*10-7 | |
| 430 | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 430F | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 431 | 2.39 | 7.200*10-7 | |
| 434 | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 436 | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 439 | 2.74 | 6.300*10-7 | |
| 440A | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 440C | 2.87 | 6.000*10-7 | |
| 444 | 2.78 | 6.200*10-7 | |
| 446 | 2.57 | 6.700*10-7 | |
| PH 13-8 Mo | 1.69 | 1.020*10-6 | |
| 15-5 PH | 2.24 | 7.700*10-7 | |
| 17-4 PH | 2.16 | 8.000*10-7 | |
| 17-7 PH | 2.08 | 8.300*10-7 | |
| Холоднодеформированные и спеченные суперсплавы (супераллои, супералои) | |||
| Elgiloy | 1.73 | 9.950*10-7 | |
| Hastelloy Хастеллой «A» | 1.40 | 8.120*105 | 1.232*10-6 |
| Hastelloy Хастеллой»B» и «C» | 1.30 | 7.540*105 | 1.326*10-6 |
| Hastelloy Хастеллой»D» | 1.50 | 8.700*105 | 1.149*10-6 |
| Hastelloy Хастеллой»X» | 1.50 | 8.700*105 | 1.149*10-6 |
| Haynes 150 | 2.13 | 8.100*10-7 | |
| Haynes 188 | 1.87 | 9.220*10-7 | |
| Haynes 230 | 1.38 | 1.250*10-6 | |
| Incoloy 800 Инкаллой | 1.74 | 9.890*10-7 | |
| Incoloy 825 | 1.53 | 1.130*10-6 | |
| Incoloy 903 | 2.83 | 6.100*10-7 | |
| Incoloy 907 | 2.47 | 6.970*10-7 | |
| Incoloy 909 | 2.37 | 7.280*10-7 | |
| Inconel 600 Инконель | 1.70 | 9.860*105 | 1.014*10-6 |
| Inconel 600 | 1.67 | 1.030*10-6 | |
| Inconel 601 | 1.45 | 1.190*10-6 | |
| Inconel 617 | 1.41 | 1.220*10-6 | |
| Inconel 625 | 1.34 | 1.290*10-6 | |
| Inconel 690 | 11.65 | 1.480*10-7 | |
| Inconel 718 | 1.38 | 1.250*10-6 | |
| Inconel X750 | 1.41 | 1.220*10-6 | |
| L-605 | 1.94 | 8.900*10-7 | |
| M-252 | 1.58 | 1.090*10-6 | |
| MP35N | 1.71 | 1.010*10-6 | |
| Nimonic? 263 | 1.50 | 1.150*10-6 | |
| Nimonic 105 | 1.32 | 1.310*10-6 | |
| Nimonic 115 | 1.24 | 1.390*10-6 | |
| Nimonic 75 | 1.39 | 1.240*10-6 | |
| Nimonic 80A | 1.36 | 1.270*10-6 | |
| Nimonic 90 | 1.46 | 1.180*10-6 | |
| Nimonic PE.16 | 1.57 | 1.100*10-6 | |
| Nimonic PK.33 | 1.37 | 1.260*10-6 | |
| Rene 41 | 1.32 | 1.308*10-6 | |
| Stellite 6B Стеллит, стелит | 1.89 | 9.100*10-7 | |
| Udimet 500 | 1.43 | 1.203*10-6 | |
| Waspaloy | 1.39 | 1.240*10-6 | |
Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов
Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов
«Физика — 10 класс»
Как движутся электроны в металлическом проводнике, когда в нём нет электрического поля?
Как изменяется движение электронов, когда к металлическому проводнику прикладывают напряжение?
Электрический ток проводят твёрдые, жидкие и газообразные тела. Чем эти проводники отличаются друг от друга?
Вы познакомились с электрическим током в металлических проводниках и с установленной экспериментально вольт-амперной характеристикой этих проводников — законом Ома.
Наряду с металлами хорошими проводниками, т. е. веществами с большим количеством свободных заряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электролитов и ионизованный газ — плазма. Эти проводники широко используются в технике.
В вакуумных электронных приборах электрический ток образуют потоки электронов.
Металлические проводники находят самое широкое применение в передаче электроэнергии от источников тока к потребителям. Кроме того, эти проводники используются в электродвигателях и генераторах, электронагревательных приборах и т. д.
Кроме проводников и диэлектриков (веществ со сравнительно небольшим количеством свободных заряженных частиц), имеется группа веществ, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества не настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, но и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название полупроводников.
Долгое время полупроводники не играли заметной практической роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключительно различные проводники и диэлектрики. Положение существенно изменилось, когда сначала была предсказана теоретически, а затем обнаружена и изучена легкоосуществимая возможность управления электрической проводимостью полупроводников.
Нет универсального носителя тока. В таблице приведены носители тока в различных средах.
Электронная проводимость металлов.
Начнём с металлических проводников. Вольт-амперная характеристика этих проводников нам известна, но пока ничего не говорилось о её объяснении с точки зрения молекулярнокинетической теории.
Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика — порядка 10 28 1/м 3 .
Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью порядка 10-4 м/с.
Экспериментальное доказательство существования свободных электронов в металлах.
Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Мандельштама и Папалекси (1913), Стюарта и Толмена (1916). Схема этих опытов такова.
На катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга (рис. 16.1). К концам дисков при помощи скользящих контактов подключают гальванометр.
Катушку приводят в быстрое вращение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток. Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.
Направление тока в этом опыте говорит о том, что он создаётся движением отрицательно заряженных частиц. Переносимый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8 • 1011 Кл/кг. Эта величина совпадала с отношением заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опытов.
Движение электронов в металле.
Свободные электроны в металле движутся хаотично. При подключении проводника к источнику тока в нём создаётся электрическое поле, и на электроны начинает действовать кулоновская сила = qe. Под действием этой силы электроны начинают двигаться направленно, т. е. на хаотичное движение электронов накладывается Скорость направленного движения увеличивается в течение некоторого времени t0 до тех пор, пока не произойдёт столкновение электронов с ионами кристаллической решётки. При этом электроны теряют направление движения, а затем опять начинают двигаться направленно. Таким образом, скорость направленного движения электрона изменяется от нуля до некоторого максимального значения, равного В результате средняя скорость упорядоченного движения электронов оказывается равной т. е. пропорциональной напряжённости электрического поля в проводнике: υ ~ Е и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как где l — длина проводника.
Сила тока в проводнике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц (см. формулу (15.2)). Поэтому можем сказать, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах проводника: I ~ U.
В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.
Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Дело в том, что условия движения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Этот факт подтверждает, например, зависимость сопротивления от температуры. Согласно классической теории металлов, в которой движение электронов рассматривается на основе второго закона Ньютона, сопротивление проводника пропорционально эксперимент же показывает линейную зависимость сопротивления от температуры.
Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Электрический ток в различных средах — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика
Электрическая проводимость различных веществ. Электронная проводимость металлов — Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость — Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости — Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы — Электрический ток в вакууме. Электронно-лучевая трубка — Электрический ток в жидкостях. Закон электролиза — Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды — Плазма — Примеры решения задач по теме «Электрический ток в различных средах»
Таблицы теплопроводимости материалов (металлы, бетон, гранит, дерево и др.)
Взято из: «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии» /под ред. Романкова. Приложение.
Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике // Издание девятое, М.: «Наука», 1982 г.
Коэффициент теплопроводности металлов
| Металл | Вт/(м•К) |
|---|---|
| Алюминий | 209,3 |
| Бронза | 47-58 |
| Железо | 74,4 |
| Золото | 312,8 |
| Латунь | 85,5 |
| Медь | 389,6 |
| Платина | 70 |
| Ртуть | 29,1 |
| Серебро | 418,7 |
| Сталь | 45,4 |
| Свинец | 35 |
| Серый чугун | 50 |
| Чугун | 62,8 |
Коэффициент теплопроводности других материалов
| Материал | Влажность массовая доля % | Вт/(м•К) |
|---|---|---|
| Бакелитовый лак | — | 0,29 |
| Бетон с каменным щебнем | 8 | 1,28 |
| Бумага обыкновенная | Воздушно-сухая | 0,14 |
| Винипласт | — | 0,13 |
| Гравий | Воздушно-сухая | 0,36 |
| Гранит | — | 3,14 |
| Глина | 15-20 | 0,7-0,93 |
| Дуб (вдоль волокон) | 6-8 | 0,35-0,43 |
| Дуб (поперек волокон) | 6-8 | 0,2-0,21 |
| Железобетон | 8 | 1,55 |
| Картон | Воздушно-сухая | 0,14-0,35 |
| Кирпичная кладка | Воздушно-сухая | 0,67-0,87 |
| Кожа | >> | 0,14-0,16 |
| Лед | — | 2,21 |
| Пробковые плиты | 0 | 0,042-0,054 |
| Снег свежевыпавший | — | 0,105 |
| Снег уплотненный | — | 0,35 |
| Снег начавший таять | — | 0,64 |
| Сосна (вдоль волокон) | 8 | 0,35-0,41 |
| Сосна (поперек волокон) | 8 | 0,14-0,16 |
| Стекло (обыкновенное) | — | 0,74 |
| Фторопласт-3 | — | 0,058 |
| Фторопласт-4 | — | 0,233 |
| Шлакобетон | 13 | 0,698 |
| Штукатурка | 6-8 | 0,791 |
Коэффициент теплопроводности асбеста и пенобетона при различных температурах
(ρa=576кг/м3, ρп=400кг/м3,λ, Вт/(м•К))
| Материал | -18oС | 0oС | 50oС | 100oС | 150oС |
|---|---|---|---|---|---|
| Асбест | — | 0,15 | 0,18 | 0,195 | 0,20 |
| Пенобетон | 0,1 | 0,11 | 0,11 | 0,13 | 0,17 |
Коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(м•К) при различных температурах
| Материал | 0oС | 50oС | 100oС |
|---|---|---|---|
| Анилин | 0,19 | 0,177 | 0,167 |
| Ацетон | 0,17 | 0,16 | 0,15 |
| Бензол | — | 0,138 | 0,126 |
| Вода | 0,551 | 0,648 | 0,683 |
| Масло вазелиновое | 0,126 | 0,122 | 0,119 |
| Масло касторовое | 0,184 | 0,177 | 0,172 |
| Спирт метиловый | 0,214 | 0,207 | — |
| Спирт этиловый | 0,188 | 0,177 | — |
| Толуол | 0,142 | 0,129 | 0,119 |
Коэффициент теплопроводности металлов (Таблица)
Теплопроводность многих металлов следует соотношению k = 2,5·10-8σT, где Т обозначает температуру в °К, а σ — электропроводность в единицах (ом·см)-1. Это соотношение, которое лучше всего оправдывается для хороших проводников электричества и при высоких температурах, можно применять и для определения коэффициентов теплопроводности.
Соотношение kpcp=const, где р обозначает плотность, а ср — удельную теплоемкость при постоянном давлении, было предложено Стормом для того, чтобы объяснить температурные изменения этих величин для некоторых металлов и сплавов.
Таблица коэффициент теплопроводности металлов
Элементы с металлической электропроводностью (числа, набранные курсивом, относятся к жидкой фазе)
Металл | Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С | ||||
— 100 | 0 | 100 | 300 | 700 | |
Алюминий | 2,45 | 2,38 | 2,30 | 2,26 | 0,9 |
Бериллий | 4,1 | 2,3 | 1,7 | 1,25 | 0,9 |
Ванадий | — | — | 0,31 | 0,34 | — |
Висмут | 0,11 | 0,08 | 0,07 | 0,11 | 0,15 |
Вольфрам | 2,05 | 1,90 | 1,65 | 1,45 | 1,2 |
Гафний | — | — | 0,22 | 0,21 | — |
Железо | 0,94 | 0,76 | 0,69 | 0,55 | 0,34 |
Золото | 3,3 | 3,1 | 3,1 | — | — |
Индий | — | 0,25 | — | — | — |
Иридий | 1,51 | 1,48 | 1,43 | — | — |
Кадмий | 0,96 | 0,92 | 0,90 | 0,95 | 0,44 (400°) |
Калий | — | 0,99 | — | 0,42 | 0,34 |
Кальций | — | 0,98 | — | — | — |
Кобальт | — | 0,69 | — | — | — |
Литий | — | 0,71 | 0,73 | — | — |
Магний | 1,6 | 1,5 | 1,5 | 1,45 | — |
Медь | 4,05 | 3,85 | 3,82 | 3,76 | 3,50 |
Молибден | 1,4 | 1,43 | — | — | 1,04 (1000°) |
Натрий | 1,35 | 1,35 | 0,85 | 0,76 | 0,60 |
Никель | 0,97 | 0,91 | 0,83 | 0,64 | 0,66 |
Ниобий | 0,49 | 0,49 | 0,51 | 0,56 | — |
Олово | 0,74 | 0,64 | 0,60 | 0,33 | — |
Палладий | 0,69 | 0,67 | 0,74 | — | — |
Платина | 0,68 | 0,69 | 0,72 | 0,76 | 0,84 |
Рений | — | 0,71 | — | — | — |
Родий | 1,54 | 1,52 | 1,47 | — | — |
Ртуть | 0,33 | 0,09 | 0.1 | 0,115 | — |
Свинец | 0,37 | 0,35 | 0,335 | 0,315 | 0,19 |
Серебро | 4,22 | 4,18 | 4,17 | 3,62 | — |
Сурьма | 0,23 | 0,18 | 0,17 | 0,17 | 0,21 |
Таллий |
| 0,41 | 0,43 | 0,49 | 0,25 (400 0) |
Тантал | 0,54 | 0,54 | — | — | — |
Титан | — | — | 0,16 | 0,15 | — |
Торий | — | 0,41 | 0,39 | 0,40 | 0,45 |
Уран | — | 0,24 | 0,26 | 0,31 | 0,40 |
Хром | — | 0,86 | 0,85 | 0,80 | 0,63 |
Цинк | 1,14 | 1,13 | 1,09 | 1,00 | 0,56 |
Цирконий | — | 0,21 | 0,20 | 0,19 | — |
Таблица коэффициент теплопроводности полупроводники и изоляторы
Вещество | Коэффициент теплопроводности при температура, °С | ||||
— 100 | 0 | 100 | 500 | 700 | |
Германий | 1,05 | 0,63 | — | — | — |
Графит | — | 0,5—4,0 | 0,5—3,0 | 0,4-1,7 | 0,4-0,9 |
Йод | — | 0,004 | — | — | — |
Углерод | — | 0,016 | 0,017 | 0,019 | 0,023 |
Селен | — | 0,0024 | — | — | — |
Кремний | — | 0,84 | — | — | — |
Сера | — | 0,0029 | 0,0023 | — | — |
Теллур | — | 0,015 | — | — | — |