Характеристики проводниковых материалов

ЛЕКЦИЯ № 14

Тема: «ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

Классификация проводниковых материалов

Проводниковые материалы предназначены для передачи электрической энергии, преобразования электрической энергии в тепловую, тепловой энергии в электрическую, а также для других целей.

По агрегатному состоянию различают:

· твердые проводниковые материалы – металлы, металлические сплавы, керамические проводниковые материалы, углеродные материалы;

· жидкие проводниковые материалы – расплавленные металлы и электролиты;

· газообразные проводниковые материалы – ионизированные газы, пары металлов и др.

По типу проводимости различают:

· проводники с электронной проводимостью – металлы и металлические сплавы;

· проводники с ионной проводимостью – электролиты;

проводники со смешанной проводимостью- – ионизированные газы, пары металлов и др.

1. Удельная электропроводность металлических проводников:

, (1)

где n – концентрация электронов, е – заряд электрона, λ – длина свободного пробега электрона, m_e – масса электрона; v _т – средняя скорость теплового движения электрона.

2. Удельное сопротивление:

, [Ом·м, Ом·мм²/м = мкОм·м] (2)

где R – сопротивление проводника, S – площадь поперечного сечения проводника, l – длина проводника.

Сопротивление металлических проводников обусловлено рассеянием энергии электронов проводимости на дефектах кристаллической решетки и тепловых колебаниях узлов решетки (фононах). При этом электроны передают часть своей энергии ионам металла и вызывают его нагрев.

Количество выделяющегося тепла определяется по закону Джоуля-Ленца:

Q = U ²/R, (3)

где U – напряжение.

3. Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления:

, К^-1. (4)

Средний температурный коэффициент удельного электрического сопротивления в интервале температур Δ T = T ₂ – T ₁:

,(5)

откуда:

ρ₂ = ρ₁(1 + TК_ρ ∙Δ T). (6)

где ρ₁ и ρ₂ – удельные электрические сопротивления при температурах T ₁и T ₂, соответственно.

Зависимость удельного сопротивления ρ проводников от различных факторов

Зависимость ρ от напряженности электрического поля

В отличие от диэлектриков проводимостьпроводниковых материаловпрактически не зависит от напряженности электрического поля (рис. 14.1). Для проводниковых материалов справедлив закон Ома:

j = σ Е, (7)

где j – плотность тока, Е – напряженность электрического поля.

Рис. 14.1. Зависимость проводимости проводника σ и плотности тока j от напряженности электрического поля Е

Влияние примесей

Примеси, образующие с основным металлом неограниченные твердые растворы мало изменяют ρ, например, в сплаве Сu – Ag. Примеси, образующие с основным металлом сплавы-механические смеси, ограниченные твердые растворы или химические соединения значительно увеличивают ρ, например, в сплавах Сu – Al и Сu – Fe (рис. 14.2).

Рис.14.2. Влияние содержания примесей на удельное сопротивление меди

Удельное сопротивление сплавов

Для сплавов, где компоненты образуют механические смеси зависимость ρ от состава сплава имеет линейный характер, например в сплаве Сu – W (рис.27.3, I). Для сплавов неограниченных (рис. 27.3, II) и ограниченных (рис. 27.3, III) твердых растворов, а также с компонентами, образующими химические соединения (рис.3, 27.VI) зависимость имеет экстремальный характер.

ρ, Ом·м

Сu – W Сu – Ag Сu – Al Сu –Fe

Рис.14.3. Влияние типа сплава на зависимость удельного сопротивления от состава сплава

Влияние механической деформации

В результате холодной пластической деформации металла просходит искажение кристаллической решетки, увеличивается количества дефектов решетки (вакансий, дислокаций и пр.), что приводит к уменьшению λ (см. формулу 1) и увеличению ρ. При рекристаллизационном отжиге, то есть при нагреве металла выше Т = 0,2 – 0,4 Т _пл образуются новые неискаженные зерна, уменьшается количество дефектов кристаллической решетки и уменьшается ρ.

Влияние температуры (см. рис.14.4)

Для идеального проводника без дефектов кристаллической решетки (участок 01, рис.27.4) при Т = 0К λ = ∞, ρ = 0. Увеличение ρ при увеличении Т здесь связано с увеличением интенсивности теплового хаотического колебания узлов кристаллической решетки и уменьшением λ.

Для реального проводника:

- на участке I сопротивление обусловлено наличием примесей и дефектами кристаллической решетки (ρ_деф), ρ = ρ_деф;

- на участке II сопротивление увеличивается виду увеличения количества частот фононов, на которых рассеивается энергия электронов;

Рис. 14. 4. Влияние температуры на удельное сопротивление металлов:

T _θ - температура Дебая

- при Т = Т _пл происходит резкое изменение объема металла; если объем увеличивается, то происходит уменьшение n (см. формулу 1) и увеличение ρ (участок аd), если объем уменьшается, то n увеличивается, а ρ уменьшается (участок аb);

- на участках III, bc и de увеличение ρ связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки и уменьшением λ.

На участках I, II и III сопротивление обусловлено как дефектами кристаллической решетки (ρ_деф), так и тепловыми колебаниями ее узлов различной частоты (ρ_тепл.), ρ = ρ_деф + ρ_тепл.

Влияние магнитного поля

Магнитное поле искривляет траекторию движения электронов проводимости, уменьшает λ и увеличивает ρ.

Дата добавления: 2017-01-13