Проводники

ПРОВОДНИКОВЫЕ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И СВРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Природа проводимости и основные характеристики проводниковых материалов

Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы.

Согласно классической теории (Друде, Лорентц) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженных в среду из свободных коллективизированных электронов, называемой " электронным газом " или " электронной жидкостью ".

Наличие свободных не локализованных электронов обуславливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания с средней скоростью порядка 10⁵м/с, приобретают некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызывает протекание электрического тока.

Плотность тока связана с напряженностью электрического поля формулой:

известной, как закон Ома в дифференциальной форме. Здесь - удельная проводимость в симменсах на метр. Удельное сопротивление:

измеряется в Ом^.м или в мкОм^.м.

На электронном уровне, согласно классической теории металлов:

где:
e - заряд электрона,
n - концентрация свободных электронов,
l - средняя длина свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки,
m - масса электрона,
V_T - средняя скорость теплового движения электрона.

Квантово-механическое описание учитывает, что электрон обладает свойствами, как частицы, так и волны, поэтому в идеальной периодической решетке электронные волны не рассеиваются. В реальных кристаллах строгая периодичность нарушается примесями, дефектами решетки (дислокации) и тепловыми колебаниями ионов.

Уточненное выражение для удельной проводимости выглядит так:

где h - постоянная Планка.

Основные характеристики проводниковых материалов:

· удельная электрическая проводимость или удельное электросопротивление r
; ,

где: электрическое сопротивление;

площадь поперечного сечения проводника;

- длина проводника.

· температурный коэффициент удельного сопротивления - T_kp

· коэффициент теплопроводности _т;

· контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо - э.д.с.);

· предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры

Характерными температурами являются:

· Т_пл - температура плавления;

· _Д - температура Дебая;

Т_кр - температура перехода в сверхпроводящее состояние.

У металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей наблюдается области:

1 - область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры. Остаточное сопротивление тем меньше, чем чище металл.

2 – область,где быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры _Д может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда;

3 - область при Т > _Д, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Т_пл.

При переходе в жидкое состояние у большинства металлов удельное сопротивление увеличивается в 1.5 - 2 раза (у висмута и галлия уменьшается).

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления T_kpопределяется так:

В справочниках часто приводится величина

В области линейной зависимости можно пользоваться выражением:

где и удельное сопротивление и температурный коэффициент в начале температурного диапазона, а удельное сопротивление при температуре T.

Дата добавления: 2014-01-07