Електричната спроводливост е способност на телото да помине електрична струја под влијание на електрично поле. За да се карактеризира овој феномен, се користи вредноста на специфичната електрична спроводливост σ. Како што покажува теоријата, вредноста на σ може да се изрази преку концентрацијата n на носителите на слободни полнеж, нивниот полнеж e, масата m, времето на слободното патување τ e, должината на слободната патека λe и просечната брзина на наносот< v >носачи на полнење. За металите, слободните електрони дејствуваат како слободни носители на полнеж, така што:

σ = ne 2 · те / m = (n · e 2 / m) · (λe /< v >) = e n u

каде што u е мобилноста на превозникот, т.е. физичка количина нумерички еднаква на брзината на наносот добиена од носачите во полето со единица сила, имено

u =< v >/ E = (e τ e) / m

Во зависност од σ, сите супстанции се делат; на спроводници - со σ > 10 6 (Ohm m) -1, диелектрици - со σ > 10 -8 (Ohm m) -1 и полупроводници - со средна вредност σ.

Од гледна точка на теоријата на опсегот, поделбата на супстанциите на спроводници, полупроводници и диелектрици се определува според тоа како валентниот појас на кристалот е исполнет со електрони на 0 K: делумно или целосно.

Енергијата што им се дава на електроните дури и со слабо електрично поле е споредлива со растојанието помеѓу нивоата во енергетскиот опсег. Ако има слободни нивоа во зоната, тогаш електроните возбудени од надворешно електрично поле ќе ги пополнат. Квантната состојба на електронскиот систем ќе се промени, а во кристалот ќе се појави преференцијално (насочно) движење на електроните против полето, т.е. електрична енергија. Таквите тела (слика 10.1, а) се проводници.

Ако валентниот опсег е целосно исполнет, тогаш промената во состојбата на електронскиот систем може да се случи само кога тие ќе поминат низ јазот на опсегот. Енергијата на надворешното електрично поле не може да изврши таква транзиција. Преуредувањето на електроните во целосно исполнета зона не предизвикува промена во квантната состојба на системот, бидејќи Самите електрони не се разликуваат.

Кај таквите кристали (сл. 10.1,б), надворешното електрично поле нема да предизвика појава на електрична струја, и тие ќе бидат непроводници (диелектрици). Од оваа група супстанции беа изолирани оние со појасна празнина ΔE ≤ 1 eV (1 eV = 1,6 · 10 -19 J).

Преминот на електроните низ јазот на опсегот во таквите тела може да се постигне, на пример, преку термичко возбудување. Во овој случај, дел од нивоата - валентниот појас - се ослободува и нивоата на следната слободна лента (спроводна лента) се делумно пополнети. Овие супстанции се полупроводници.

Според изразот (10.1), промената на електричната спроводливост (електричен отпор) на телата со температура може да биде предизвикана од промена на концентрацијата n на носителите на полнеж или промена на нивната подвижност u.

Метали

Квантните механички пресметки покажуваат дека за металите концентрацијата n на слободните носители на полнеж (електрони) е еднаква на:

n = (1 / 3π 2) · (2mE F / ђ 2) 3/2

каде што ђ = h / 2π = 1,05 · 10 -34 J · s е нормализираната Планкова константа, E F е енергијата на Ферми.

Бидејќи E F практично не зависи од температурата Т, концентрацијата на носителите на полнеж не зависи од температурата. Следствено, температурната зависност на електричната спроводливост на металите целосно ќе биде одредена од подвижноста u на електроните, како што следува од формулата (10.1). Потоа во регионот со висока температура

u ~ λ e / ~ Т -1

и во регионот со ниски температури

u ~ λ e / ~const(T).

Степенот на подвижност на носачот на полнеж ќе се определува со процеси на расејување, т.е. интеракција на електрони со периодично решеткасто поле. Бидејќи полето на идеалната решетка е строго периодично, а состојбата на електроните е неподвижна, расејувањето (појавата на електричен отпор на металот) може да биде предизвикано само од дефекти (атомите на нечистотија, нарушувања на структурата итн.) и термички вибрации на решетката (фонони).

Близу 0 К, каде што интензитетот на топлинските вибрации на решетката и концентрацијата на фононот се блиску до нула, преовладува расејувањето од нечистотии (расфрлање електрон-нечистотија). Во овој случај, спроводливоста практично не се менува, како што следува од формулата (10.4) и отпорноста

има константна вредност, која се нарекува специфичен резидуален отпор ρ одмор или специфичен отпор на нечистотија ρ приближно, т.е.

ρ одмор (или ρ приближно) = конст (Т)

При високи температури кај металите, механизмот за расејување електрон-фонон станува доминантен. Со овој механизам на расејување, електричната спроводливост е обратно пропорционална со температурата, како што може да се види од формулата (10.3), а отпорноста е директно пропорционална на температурата:

Зависноста на отпорноста ρ од температурата е прикажана на сл. 10.2

На температури различни од 0 K и доволно голема количина на нечистотии, може да се појави расејување на електрон-фонон и електрони-нечистотија; вкупната отпорност има форма

ρ = ρ приближно + ρ f

Изразот (10.6) го претставува правилото на Матисен за адитивноста на отпорот. Треба да се забележи дека и електрон-фононот и електрон-нечистотијата расејувањето се хаотични по природа.

Полупроводници

Квантните механички пресметки на подвижноста на носачот кај полупроводниците покажаа дека, прво, со зголемување на температурата, подвижноста на носачот u се намалува, а одлучувачки фактор во одредувањето на подвижноста е механизмот на расејување кој предизвикува најмала подвижност. Второ, зависноста на мобилноста на носачот на полнеж од нивото на допинг (концентрација на нечистотија) покажува дека при ниско ниво на допинг мобилноста ќе се определи со расејување со решетки вибрации и затоа не треба да зависи од концентрацијата на нечистотијата.

При високи нивоа на допинг, тој треба да се одреди со расејување од јонизираниот допант и да се намалува со зголемување на концентрацијата на допант. Така, промената во подвижноста на носителите на полнеж не треба да има забележлив придонес во промената на електричниот отпор на полупроводникот.

Во согласност со изразот (10.1), главниот придонес за промената на електричната спроводливост на полупроводниците треба да се направи со промена на концентрацијата n на носителите на полнеж.

Главната карактеристика на полупроводниците е активационата природа на спроводливоста, т.е. изразена зависност на концентрацијата на носачот од надворешни влијанија, како што се температура, зрачење итн. Ова се објаснува со тесноста на јазот на опсегот (ΔE< 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Електричната спроводливост на хемиски чистите полупроводници се нарекува сопствена спроводливост. Внатрешната спроводливост на полупроводниците се јавува како резултат на транзицијата на електроните (n) од горните нивоа на валентниот опсег до проводниот опсег и формирањето на дупки (p) во валентниот опсег:

σ = σ n + σ ρ = e n n u n + e n ρ u ρ

каде n n и n ρ е концентрацијата на електроните и дупките,
u n и u ρ - според нивната подвижност,
e е надоместокот на превозникот.

Со зголемување на температурата, концентрацијата на електроните во проводниот опсег и дупките во валентниот опсег се зголемува експоненцијално:

n n = u не · exp(-ΔE / 2kT) = n ρ = n ρo · exp(-ΔE / 2kT)

каде n не и n pо се концентрациите на електроните и дупките на T → ∞,
k = 1,38 · 10 –23 J/K - Болцманова константа.

На слика 10.3а е прикажан график на зависноста на логаритамот на електричната спроводливост ln σ на внатрешниот полупроводник од инверзната температура 1 / T: ln σ = = ƒ(1 / T). Графикот е права линија, чиј наклон може да се користи за одредување на јазот на опсегот ∆E.

Електричната спроводливост на допираните полупроводници се должи на присуството на центри за нечистотија во нив. Температурната зависност на таквите полупроводници се одредува не само од концентрацијата на мнозинските носители, туку и од концентрацијата на носачите обезбедени од центрите за нечистотии. На сл. 10.3b покажува графикони на зависноста ln σ = ƒ (1 / T) за полупроводници со различни степени на допинг (n1< n2 < n3, где n – концентрация примеси).

За лесно допирани полупроводници, транзициите кои вклучуваат нивоа на нечистотии преовладуваат во регионот со ниски температури. Како што се зголемува температурата, се зголемува концентрацијата на носителите на нечистотии, што значи дека се зголемува и спроводливоста на нечистотијата. По постигнување на t. A (види Сл. 10.3, b; крива 1) - температурата на трошење на нечистотијата T S1 - сите носители на нечистотии ќе се префрлат на проводната лента.

Над температурата T S1 и до температурата на премин кон внатрешна спроводливост T i1 (види точка B, крива 1, Сл. 10.3, b), електричната спроводливост опаѓа и отпорот на полупроводникот се зголемува. Над температурата T i1 преовладува внатрешна електрична спроводливост, т.е. Поради термичко возбудување, сопствените носители на полнеж се движат во проводниот појас. Во регионот на внатрешна спроводливост, σ се зголемува, а ρ се намалува.

За силно допирани полупроводници, во кои концентрацијата на нечистотија е n ~ 10 26 m–3, т.е. е пропорционална со концентрацијата на носителите на полнеж во металите (види крива 3, Сл. 10.3б), зависноста на σ од температурата се забележува само во областа на внатрешната спроводливост. Со зголемување на концентрацијата на нечистотии, вредноста на интервалот AB (AB > A"B" > A"B") се намалува (види Сл. 10.3,b).

И во регионот на спроводливост на нечистотија и во регионот на внатрешна спроводливост, преовладува механизмот на расејување електрон-фонон. Во регионот на исцрпување на нечистотијата (интервали AB, A"B", A"B") во близина на температурата T S преовладува расејување на електрони-нечистотија. Како што се зголемува температурата (транзиција кон T i), расејувањето на електрон-фонон почнува да доминира. Така, интервалот AB (A"B" или A"B"), наречен регион на исцрпување на нечистотијата, е исто така регион на премин од механизмот на спроводливост на нечистотијата до механизмот на внатрешна спроводливост.

Електронската спроводливост на металите првпат беше експериментално докажана од германскиот физичар Е. Рике во 1901 година. Електричната струја се пренесувала низ три полирани цилиндри цврсто притиснати еден до друг - бакар, алуминиум и бакар повторно - долго време (над една година). . Вкупното полнење поминато во ова време беше еднакво на 3,5·10 6 C. Бидејќи масите на атомите на бакар и алуминиум значително се разликуваат една од друга, масите на цилиндрите би требало значително да се променат доколку носителите на полнеж се јони.

Експерименталните резултати покажаа дека масата на секој цилиндар остана непроменета. Во контактните површини беа пронајдени само помали траги од меѓусебна пенетрација на метали, што не ги надминуваше резултатите од вообичаената дифузија на атомите во цврсти материи. Следствено, слободните носители на полнеж во металите не се јони, туку честички кои се исти и во бакар и во алуминиум. Само електроните би можеле да бидат такви честички.

Директен и убедлив доказ за валидноста на оваа претпоставка е добиен во експериментите извршени во 1913 година од Л. И. Манделштам и Н. Д. Папалекси и во 1916 година од Т. Стјуарт и Р. Толман.

На калем е намотана жица, чии краеви се залемени на два метални дискови изолирани еден од друг (слика 1). Галванометар е прикачен на краевите на дисковите со помош на лизгачки контакти.

Макарата се доведува во брза ротација, а потоа нагло запира. По ненадејно запирање на серпентина, слободните наелектризирани честички ќе се движат по проводникот по инерција некое време, и, следствено, ќе се појави електрична струја во серпентина. Струјата ќе постои за кратко, бидејќи поради отпорот на проводникот, наелектризираните честички се инхибираат и нарачаното движење на честичките престанува.

Насоката на струјата покажува дека таа се создава со движење на негативно наелектризираните честички. Полнењето пренесено во овој случај е пропорционално на односот на полнежот на честичките што ја создаваат струјата до нивната маса, т.е. . Затоа, со мерење на полнежот што минува низ галванометарот за време на целото постоење на струјата во колото, беше можно да се одреди односот. Испадна дека е еднакво на 1,8·10 11 C/kg. Оваа вредност се совпаѓа со односот на полнежот на електронот и неговата маса, пронајден порано од други експерименти.

Така, електричната струја во металите се создава со движење на честички на електронски негативно наелектризирани. Според класичната електронска теорија за спроводливост на металите (П. Друд, 1900, Х. Лоренц, 1904), металниот проводник може да се смета како физички систем од комбинација од два потсистеми:

1. слободни електрони со концентрација од ~ 10 28 m -3 и
2. позитивно наелектризираните јони кои вибрираат околу рамнотежна положба.

Појавата на слободни електрони во кристал може да се објасни на следниов начин.

Кога атомите се комбинираат во метален кристал, надворешните електрони најслабо поврзани со јадрото на атомот се одвојуваат од атомите (сл. 2). Затоа, позитивните јони се наоѓаат на јазлите на металната кристална решетка, а електроните кои не се поврзани со јадрата на нивните атоми се движат во просторот меѓу нив. Овие електрони се нарекуваат бесплатноили спроводливи електрони. Тие вршат хаотично движење слично на движењето на молекулите на гасот. Затоа, собирањето на слободни електрони во металите се нарекува електронски гас.

Ако надворешно електрично поле се примени на проводник, тогаш случајното хаотично движење на слободните електрони е надредено со насочено движење под влијание на силите на електричното поле, што генерира електрична струја. Брзината на движење на самите електрони во проводникот е неколку фракции од милиметар во секунда, но електричното поле што произлегува во проводникот се шири по целата должина на спроводникот со брзина блиска до брзината на светлината во вакуум (3, 10 8 m/s).

Бидејќи електричната струја во металите е формирана од слободни електрони, спроводливоста на металните проводници се нарекува електронска спроводливост.

Електроните, под влијание на постојана сила што дејствува од електричното поле, добиваат одредена брзина на подредено движење (тоа се нарекува дрифт). Оваа брзина не се зголемува дополнително со текот на времето, бидејќи кога се судираат со јони на кристалната решетка, електроните ја пренесуваат кинетичката енергија стекната во електричното поле во кристалната решетка. На прво приближување, можеме да претпоставиме дека на средната слободна патека (ова е растојанието што електронот го минува помеѓу два последователни судири со јони), електронот се движи со забрзување и неговата брзина на движење се зголемува линеарно со времето

Во моментот на судир, електронот ја пренесува кинетичката енергија на кристалната решетка. Потоа повторно се забрзува, а процесот се повторува. Како резултат на тоа, просечната брзина на нарачаното движење на електроните е пропорционална на јачината на електричното поле во проводникот и, следствено, на потенцијалната разлика на краевите на проводникот, бидејќи , каде l е должината на проводникот.

Познато е дека јачината на струјата во проводникот е пропорционална на брзината на нарачаното движење на честичките

што значи, според претходното, јачината на струјата е пропорционална со потенцијалната разлика на краевите на спроводникот: I ~ U. Ова е квалитативно објаснување на Омовиот закон заснован на класичната електронска теорија за спроводливост на металите.

Сепак, во оваа теорија се појавија тешкотии. Од теоријата произлезе дека отпорноста треба да биде пропорционална на квадратниот корен на температурата (), во меѓувреме, според искуството, ~ T. Покрај тоа, топлинскиот капацитет на металите, според оваа теорија, треба да биде значително поголем од топлината капацитет на монатомски кристали. Во реалноста, топлинскиот капацитет на металите малку се разликува од топлинскиот капацитет на неметалните кристали. Овие тешкотии беа надминати само во квантната теорија.

Во 1911 година, холандскиот физичар Г. Камерлинг-Онес, проучувајќи ја промената на електричниот отпор на живата при ниски температури, открил дека на температура од околу 4 K (т.е. на -269 ° C) отпорноста нагло се намалува (сл. 3 ) речиси до нула. Г. Камерлинг-Онес го нарече овој феномен на електричен отпор кој исчезнува суперспроводливост.

Подоцна беше откриено дека повеќе од 25 хемиски елементи - метали - стануваат суперпроводници на многу ниски температури. Секој од нив има своја критична температура за премин во состојба со нулта отпорност. Нејзината најниска вредност е за волфрам - 0,012 K, највисока за ниобиум - 9 K.

Суперспроводливоста е забележана не само кај чистите метали, туку и кај многу хемиски соединенија и легури. Освен тоа, самите елементи што го сочинуваат суперспроводливото соединение можеби не се суперпроводници. На пример, NiBi, Au 2 Bi, PdTe, PtSbи други.

Супстанциите во суперспроводлива состојба имаат необични својства:

1. електричната струја во суперпроводник може да постои долго време без извор на струја;
2. Невозможно е да се создаде магнетно поле во супстанција во суперспроводлива состојба:
3. магнетното поле ја уништува состојбата на суперспроводливост. Суперспроводливоста е феномен објаснет од гледна точка на квантната теорија. Неговиот прилично сложен опис оди подалеку од опсегот на училишниот курс по физика.

До неодамна, широката употреба на суперспроводливост беше попречена од тешкотии поврзани со потребата за ладење до ултра ниски температури, за што се користеше течен хелиум. Сепак, и покрај сложеноста на опремата, недостатокот и високата цена на хелиумот, од 60-тите години на 20 век, суперспроводливи магнети се создадени без термички загуби во нивните намотки, што овозможи практично да се добијат силни магнетни полиња во релативно големи количини. Токму овие магнети се потребни за да се создадат инсталации за контролирана термонуклеарна фузија со магнетна плазма затворање и за моќни забрзувачи на наелектризирани честички. Суперпроводниците се користат во различни мерни инструменти, првенствено во инструменти за мерење на многу слаби магнетни полиња со екстремна прецизност.

Во моментов, во далноводите, 10 - 15% од енергијата се троши за надминување на отпорот на жиците. Суперспроводливите линии, или барем поврзувањата со големите градови, ќе донесат огромни заштеди. Друга област на примена на суперспроводливост е транспортот.

Врз основа на суперспроводливи филмови, создадени се голем број логички и складишни елементи за компјутери со голема брзина. Во вселенските истражувања, ветувачко е да се користат суперспроводливи соленоиди за заштита од радијација на астронаутите, приклучување на бродови, нивно сопирање и ориентација и за плазма ракетни мотори.

Во моментов се создадени керамички материјали кои имаат суперспроводливост на повисоки температури - над 100K, односно на температура над точката на вриење на азот. Способноста да се ладат суперпроводници со течен азот, кој има по ред поголема топлина на испарување, значително ја поедноставува и намалува цената на целата криогена опрема и ветува огромен економски ефект.

Класичната теорија за електричната спроводливост на металите настанала на почетокот на дваесеттиот век. Нејзин основач бил германскиот физичар Карл Рике. Тој експериментално утврдил дека поминувањето на полнење низ метал не вклучува пренос на атоми на спроводници, за разлика од течните електролити. Сепак, ова откритие не објасни што точно е носител на електричните импулси во металната структура.

Експериментите на научниците Стјуарт и Толман, спроведени во 1916 година, ни овозможија да одговориме на ова прашање. Тие беа во можност да утврдат дека најмалите наелектризирани честички - електроните - се одговорни за пренос на електрична енергија во металите. Ова откритие ја формираше основата на класичната електронска теорија за електричната спроводливост на металите. Од овој момент започна нова ера на истражување на металните проводници. Благодарение на добиените резултати, денес имаме можност да користиме апарати за домаќинство, опрема за производство, машини и многу други уреди.

Како се разликува електричната спроводливост на различни метали?

Електронската теорија за електричната спроводливост на металите беше развиена во истражувањето на Пол Друд. Тој успеа да открие такво својство како отпор, што се забележува кога електричната струја поминува низ проводник. Во иднина, ова ќе овозможи да се класифицираат различни супстанции според нивното ниво на спроводливост. Од добиените резултати, лесно е да се разбере кој метал е погоден за производство на одреден кабел. Ова е многу важна точка, бидејќи неправилно избраниот материјал може да предизвика пожар како резултат на прегревање од преминот на вишокот на напонска струја.

Сребрениот метал има најголема електрична спроводливост. На температура од +20 степени Целзиусови, тоа е 63,3 * 104 сантиметри-1. Но, правењето жици од сребро е многу скапо, бидејќи тоа е прилично редок метал, кој главно се користи за производство на накит и украсни предмети или монети од шипки.

Металот со најголема електрична спроводливост меѓу сите елементи од основната група е бакар. Неговиот индикатор е 57 * 104 сантиметри-1 на температура од +20 степени Целзиусови. Бакарот е еден од најчестите проводници што се користат за домаќинство и индустриски цели. Добро издржува постојани електрични оптоварувања, издржлив е и сигурен. Високата точка на топење ви овозможува да работите долго време во загреана состојба без проблеми.

Во однос на изобилството, само алуминиумот може да се натпреварува со бакарот, кој е на четвртото место по електрична спроводливост по златото. Се користи во мрежи со низок напон, бидејќи има речиси половина од точката на топење на бакар и не може да издржи екстремни оптоварувања. Понатамошната распределба на местата може да се најде со гледање на табелата за електрична спроводливост на металите.

Вреди да се напомене дека секоја легура има многу помала спроводливост од чистата супстанција. Ова се должи на спојување на структурната мрежа и, како последица на тоа, нарушување на нормалното функционирање на електроните. На пример, во производството на бакарна жица, се користи материјал со содржина на нечистотија не повеќе од 0,1%, а за некои видови кабли овој индикатор е уште построг - не повеќе од 0,05%. Сите дадени индикатори се електричната спроводливост на металите, која се пресметува како однос помеѓу густината на струјата и големината на електричното поле во проводникот.

Класична теорија на електрична спроводливост на металите

Основните принципи на теоријата за електрична спроводливост на металите содржат шест точки. Прво: високото ниво на електрична спроводливост е поврзано со присуството на голем број слободни електрони. Второ: електричната струја се јавува преку надворешно влијание врз металот, при што електроните се движат од случајно движење во наредено движење.

Трето: јачината на струјата што минува низ метален проводник се пресметува според законот на Ом. Четврто: различниот број на елементарни честички во кристалната решетка доведува до нееднаков отпор на металите. Петто: електричната струја во колото се јавува веднаш по почетокот на изложеноста на електрони. Шесто: како што се зголемува внатрешната температура на металот, се зголемува и нивото на неговата отпорност.

Природата на електричната спроводливост на металите се објаснува со втората точка од одредбите. Во тивка состојба, сите слободни електрони хаотично ротираат околу јадрото. Во овој момент, металот не е во можност самостојно да репродуцира електрични полнежи. Но, штом ќе поврзете надворешен извор на влијание, електроните веднаш се редат во структурирана низа и стануваат носители на електрична струја. Со зголемување на температурата, електричната спроводливост на металите се намалува.

Ова се должи на фактот што молекуларните врски во кристалната решетка слабеат, елементарните честички почнуваат да ротираат во уште похаотичен редослед, па формирањето на електрони во синџир станува покомплицирано. Затоа, неопходно е да се преземат мерки за да се спречи прегревање на проводниците, бидејќи тоа негативно влијае на нивните карактеристики на изведба. Механизмот на електрична спроводливост на металите не може да се промени поради сегашните закони на физиката. Но, можно е да се неутрализираат негативните надворешни и внатрешни влијанија кои се мешаат во нормалниот тек на процесот.

Метали со висока електрична спроводливост

Електричната спроводливост на алкалните метали е на високо ниво, бидејќи нивните електрони се слабо прицврстени за јадрото и лесно се редат во саканата низа. Но, оваа група се карактеризира со ниски точки на топење и огромна хемиска активност, што во повеќето случаи не дозволува нивна употреба за производство на жици.

Металите со висока електрична спроводливост кога се отвораат се многу опасни за луѓето. Допирањето на гола жица ќе резултира со електрично изгореници и моќно празнење на сите внатрешни органи. Ова често резултира со моментална смрт. Затоа, за безбедност на луѓето се користат специјални изолациски материјали.

Во зависност од примената, тие можат да бидат цврсти, течни или гасовити. Но, сите типови се дизајнирани за една функција - изолирање на електричната струја внатре во колото за да не може да влијае на надворешниот свет. Електричната спроводливост на металите се користи во речиси сите области на современиот човечки живот, така што обезбедувањето безбедност е врвен приоритет.

Електрична спроводливост на метали

Кога металот е изложен на електрично (или магнетно) поле (или температурна разлика), во него се појавуваат текови на наелектризирани честички и енергија.

Појавата на овие текови или струи обично се нарекува кинетички ефекти или преносни феномени, инаку транспортни ефекти, што значи влијание на стационарни полиња врз стационарни спроводници. Во овој случај, струјата или флуксот се пропорционални на потенцијалната разлика (или температурната разлика), а коефициентот на пропорционалност се одредува само од геометриските димензии на проводникот и физичките својства на самиот метал.

За единечни геометриски димензии, овој коефициент зависи само од својствата на даден метал и е негова основна физичка карактеристика, која се нарекува кинетички коефициент. Кога проводникот е во наизменично поле, струите што произлегуваат во него зависат не само од геометриските димензии и кинетичкиот коефициент, туку и од фреквенцијата на наизменичното поле, обликот на проводникот и релативната положба на елементите на електрично коло.

Отпорот на проводникот под наизменична струја значително зависи од неговата фреквенција, што е предизвикано од ефектот на центрифугирање - поместување на струјата од центарот на проводникот до периферијата. Од многуте можни кинетички феномени, два се најпознати во технологијата: електрична спроводливост - способност на супстанцијата да спроведува постојана електрична струја под влијание на електрично поле што не се менува со текот на времето, и топлинска спроводливост - слично во однос на температурната разлика и протокот на топлина. И двете од овие појави се изразени (квантитативно) со законите на Ом и Фурие, соодветно:

j = γ E; ω = k Т.

каде што j е густината на струјата, A/m;

γ - кинетички коефициент на електрична спроводливост);

Е - јачина на електричното поле V/m;

ω - густина на топлинска струја;

Т – температурна разлика;

k – коефициент на топлинска спроводливост.

Во пракса, обично се користи електричен отпор или едноставно отпорност, Ohm m

Меѓутоа, за проводниците е дозволено да се користи несистемската мерна единица Ohm mm2/m или се препорачува да се користи еквивалентната SI единица μOhm/m. Премин од една единица во друга во овој случај: 1 Ohm m = 10 6 μOhm m = 10 6 Ohm mm2/m.

Отпорот на проводник со произволни димензии со постојан пресек се одредува со:

каде што l е должината на проводникот, m;

S – површина на проводникот, m2.

Металите обично се карактеризираат како пластични материи со карактеристичен „метален“ сјај кои се добри спроводници на електричната струја и топлината.

Следниве се типични за електричната спроводливост на металите: ниска вредност на отпорност при нормална температура, значително зголемување на отпорноста со зголемување на температурата, доста блиску до директна пропорционалност; кога температурата паѓа на температури блиску до апсолутната нула, отпорот на металите се намалува до многу мали вредности, што изнесува 10-3 за најчистите метали или дури и помал дел од отпорот при нормални температури, + 20 0C.

Тие се карактеризираат и со присуство на врска помеѓу електричната спроводливост и топлинската спроводливост, што е опишано со емпирискиот закон Видеман-Франц бидејќи односот k / γ е приближно ист за различни материјали на иста температура. Количникот на k / γ поделен со апсолутната температура T (L0 = k / (γ T)). наречен Лоренцовиот број, е (за сите метали) вредност која малку се разликува на сите температури.

Теоријата на кинетичките појави кај металите може да го објасни обликот на зависностите на кинетичките коефициенти од температура, притисок и други фактори, а со нејзина помош е можно и да се пресметаат нивните вредности. За да го направите ова, размислете за внатрешната структура на металите.

Основната идеја на оваа гранка на физиката се појавила на крајот на 19 и 20 век: металните атоми се јонизираат, а валентните електрони одвоени од нив се слободни, т.е. припаѓаат на целиот кристал.

Јоните се строго подредени и формираат правилна кристална решетка; нивната интеракција со негативно наелектризираниот облак од слободни електрони е таква што го прави кристалот стабилна, стабилна формација.

Присуството на слободни електрони добро ја објаснува високата електрична спроводливост на металите, а нивната делокализација обезбедува висока пластичност. Тоа значи дека најкарактеристична карактеристика на внатрешната структура на металните спроводници е присуството на патувачки електрони, што ја потврдува нивната електронска структура. Во неговиот наједноставен модел, збирката на патувачки електрони се објаснува како електронски гас во кој честичките се во хаотично термичко движење.

Се воспоставува рамнотежа (ако ги занемариме судирите меѓу електроните) поради судирот на електроните со јоните. Бидејќи термичкото движење не е целосно подредено, тогаш, и покрај полнењето на електроните, не се забележува струја (макроскопска) во колото. Ако надворешно електрично поле се примени на проводник, тогаш слободните електрони, откако добиле забрзување, се редат во наредена компонента, која е ориентирана по полето.

Бидејќи јоните на местата на решетката се неподвижни, редот во движењето на електроните ќе се манифестира како макроскопска електрична струја. Специфичната спроводливост во овој случај може да се изрази земајќи ја предвид просечната слободна патека λ на електрон во полето со јачина на забрзување E:

λ = e E τ / (2 m) како γ = e2 n λ / (2 m vτ),

каде што e е електронскиот полнеж;

n е бројот на слободни електрони по единица волумен на метал;

λ е просечна слободна патека на електрон помеѓу два судири;

m е електронската маса;

v τ е просечна брзина на топлинско движење на слободен електрон во металот.

Земајќи ги предвид одредбите на квантната механика

γ = K p2/3 / λ,

каде K е нумерички коефициент.

Опсегот на отпорност на металните проводници при нормална температура е само три реда на големина. За различни метали, брзините на хаотичното термичко движење на електроните на одредена температура се приближно исти.

Концентрациите на слободните електрони се разликуваат малку, така што вредноста на отпорноста главно зависи од средната слободна патека на електроните во даден проводник, а се одредува според структурата на материјалот на спроводникот. Сите чисти метали со најправилна кристална решетка имаат минимални вредности на отпорност. Нечистотиите, искривувајќи ја решетката, доведуваат до зголемување на отпорноста

Температурниот коефициент на отпорност или просечниот температурен коефициент на отпорност се изразува како

α = 1 / ρ (dρ / dt); α` = 1 / ρ (ρ2 - ρ1) / (T2 - T1),

каде ρ1 и ρ2 се отпорностите на спроводникот на температурите T1 и T2, соодветно, на T2 > T1.

Техничките референтни книги обично ја даваат вредноста α`, со која приближно можете да го одредите ρ на произволна температура Т:

ρ = ρ1 (1 + αρ` (T - T1)).

Овој израз ја дава точната вредност на отпорноста p само за линеарна зависност ρ(T). Во други случаи, овој метод е приближен; колку е потесен температурниот интервал што се користи за одредување на αρ`, толку е потесен.

Отпорноста на повеќето метали, кои се зголемуваат во волуменот кога се топат, ја намалува нивната густина. За метали кои го намалуваат нивниот волумен за време на топењето, отпорноста се намалува; Овие метали вклучуваат галиум, антимон и бизмут.

Отпорноста на легурите е секогаш поголема од онаа на чистите метали. Ова е особено забележливо ако при фузија формираат цврст раствор, т.е. се кристализираат заедно за време на зацврстувањето и атомите на едниот метал влегуваат во решетката на другиот.

Ако легура од два метали создава посебна кристализација и зацврстен раствор - мешавина од кристали на секоја од компонентите, тогаш специфичната спроводливост γ на таквата легура се менува со промена на составот речиси линеарно. Во цврсти раствори, оваа зависност (од содржината на секој метал) не е линеарна и има максимум што одговара на одреден сооднос на компоненти од легура.

Понекогаш во одреден сооднос меѓу компонентите формираат хемиски соединенија (меѓуметални соединенија), а немаат метална спроводливост, туку се електронски полупроводници.

Температурниот коефициент на линеарно проширување на проводниците се одредува на ист начин како и за диелектриците користејќи ја формулата

ТКl = α(l) = l / l (dl / dТ), (3.1)

каде TKl = α(l) - температурен коефициент на линеарно проширување K-1

Овој коефициент мора да биде познат за да може да се процени работата на материјалите за парење во различни структури, како и да се исклучи пукање или нарушување на вакумското поврзување на метал со стакло или керамика при промена на температурата. Покрај тоа, тој е вклучен во пресметката на температурниот коефициент на електричниот отпор на жиците

ТКR = α(R) = α(ρ) - α(l).

ТермоЕМФ на проводници

ThermoEMF се јавува кога два различни проводници (или полупроводници) доаѓаат во контакт ако температурата на нивните споеви не е иста. Ако два различни спроводници дојдат во контакт, меѓу нив се јавува разлика во контактниот потенцијал. За металите А и Б

Ucb - Uc + K T / e ln(n0с / nob),

каде U c и U b се потенцијалите на контактирање на метали; концентрација на електрони во соодветните метали;

К е Болцмановата константа;

Т - температура;

e е апсолутната вредност на електронскиот полнеж.

Ако температурата на металните споеви е иста, тогаш збирот на потенцијалната разлика во затворено коло е нула. Ако температурите на слоевите се различни (Т2 и Т1, на пример), тогаш во овој случај

U = K / e (T1 - T2) ln (nc / nb). (3.2)

Во пракса, изразот (3.2) не се забележува секогаш, а зависноста на thermoEMF од температурата може да биде нелинеарна. Жицата составена од две изолирани жици од различни метали или легури се нарекува термоспој и се користи за мерење на температурите.

Во такви случаи, тие се обидуваат да користат материјали кои имаат голем и стабилен термоЕМФ коефициент. за мерење високи температури, понекогаш е неопходно (особено при мерење на температури во агресивни средини) да се користат термопарови со пониски коефициенти на thermoEdS, но да издржат високи температури и да не оксидираат во агресивни средини.

Легурите за термопарови имаат различни комбинации, вклучително и една електрода што може да биде направена од чист метал. Најчести се никел и бакар-никел легури. За температури во опсег од 1000 - 1200 0C, се користат термопарови хромел-алумел (TCA), при повисоки температури се користат електроди од платина-платина-родиум; во овие легури, родиумот се движи од 6,7 до 40,5%. Марките на таквите термопарови се како што следува: PlRd-7, PlRd-10, PlRd-30, PlRd-40.

Електричната спроводливост ја карактеризира способноста на телото да спроведува електрична струја. Спроводливост - вредност на отпорот. Во формулата, тој е обратно пропорционален на електричниот отпор, и тие всушност се користат за означување на истите својства на материјалот. Спроводливоста се мери во Сименс: [Sm]=.

Видови на електрична спроводливост:

— Електронска спроводливост, каде носители на полнеж се електроните. Оваа спроводливост е првенствено карактеристична за металите, но е присутна до еден или друг степен во речиси секој материјал. Како што се зголемува температурата, електронската спроводливост се намалува.

— Јонска спроводливост. Постои во гасовити и течни медиуми каде што има слободни јони кои исто така носат полнежи, движејќи се низ волуменот на медиумот под влијание на електромагнетно поле или друго надворешно влијание. Се користи во електролити. Како што се зголемува температурата, јонската спроводливост се зголемува бидејќи се произведуваат повеќе високоенергетски јони и вискозноста на медиумот се намалува.

— Спроводливост на дупката. Оваа спроводливост е предизвикана од недостаток на електрони во кристалната решетка на материјалот. Всушност, електроните повторно пренесуваат полнеж овде, но се чини дека тие се движат по решетката, зафаќајќи секвенцијално слободни простори во неа, за разлика од физичкото движење на електроните во металите. Овој принцип се користи кај полупроводниците, заедно со електронската спроводливост.

Првите материјали што почнаа да се користат во електротехниката беа историски металите и диелектриците (изолатори кои имаат ниска електрична спроводливост). Полупроводниците сега се широко користени во електрониката. Тие заземаат средна позиција помеѓу спроводниците и диелектриците и се карактеризираат со тоа што количината на електрична спроводливост во полупроводниците може да се регулира со различни влијанија. Повеќето модерни проводници се направени од силициум, германиум и јаглерод. Покрај тоа, може да се користат и други супстанции за да се направи ПП, но тие се користат многу поретко.

Тековниот пренос со минимални загуби е важен. Во овој поглед, металите со висока електрична спроводливост и, соодветно, низок електричен отпор играат важна улога. Најдобро во овој поглед е среброто (62.500.000 S/m), потоа бакарот (58.100.000 S/m), златото (45.500.000 S/m), алуминиумот (37.000.000 S/m). Во согласност со економската изводливост, најчесто се користат алуминиум и бакар, додека бакарот е малку инфериорен во спроводливоста од среброто. Сите други метали немаат индустриско значење за производство на проводници.