Какие свойства проводниковых материалов являются главными

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

1) удельная проводимость у или обратная ей величина — удельное сопротивление р;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКр или ар;

3) коэффициент теплопроводности ут;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термоЭДС);

5) работа выхода электронов из металла;

6) предел прочности при растяжении GВ и относительное удлинение б.

Значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике л, которая, в свою очередь, определяется структурой провод-никового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению р. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов характеризует влияние температуры нагрева на электрическое сопротивление. С ростом температуры увеличивается число препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электри-ческого поля, т. е. уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления (медь и др.), у некоторых металлов (галлий, висмут, сурьма) р — уменьшение. Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьшается плотность.

Коэффициент теплопроводности ут металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков. Очевидно, что, при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость у металла, тем больше должен быть его коэффициент теплопроводности. При повышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость у уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной проводимости ут/у должно возрастать. Термоэлектродвижущая сила возникает за счет контактной разности потенциалов двух различных металлических проводников. Причина появления этой разности потенциалов заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термоЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и резисторов стремятся применять проводниковые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термоЭДС относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термоЭДС,. которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Основными характеристиками проводниковых материалов являются:

1. Удельное электрическое сопротивление.
2. Температурный коэффициент сопротивления.
3. Теплопроводность.
4. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижу-щая сила.
5. Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.

1. Удельное электрическое сопротивление р — величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:

Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S — в мм2, сопротивление проводника r — в ом, тогда размерность удельного сопротивления

Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены на стр. 97.

2. Температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры.

Средняя величина температурного коэффициента сопротивления в интервале температур t2°—t1° может быть найдена по формуле:

Данные температурных коэффициентов сопротивления различных проводниковых материалов приведены на стр. 95.

3. Теплопроводность — величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой веще-

Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяют специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловливается теми же электронами проводимости, что н электропроводность.

4. Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила.

Как было указано выше, положительные ионы металла расположены в узлах кристаллической решетки, образующей как бы ее каркас. Свободные электроны заполняют решетку наподобие газа, который называют иногда «электронным газом». Давление электронного газа в металле пропорционально абсолютной температуре и числу свободных электронов в единице объема, которое зависит от свойств металла. При соприкосновении двух разнородных металлов в месте соприкосновения происходит выравнивание давления электронного газа. В результате диффузии электронов металл, у которого число электронов уменьшается, заряжается положительно, а металл, у которого число электронов увеличивается, заряжается отрицательно. В месте контакта возникает разность потенциалов. Эта разность пропорциональна разности температур металлов и зависит от их вида. В замкнутой цепи возникает термоэлектрический ток. Э. д. с, которая создает этот ток, называется термоэлектродвижущей силой (термо-э. д. с).

Явление контактной разности потенциалов применяется в технике для измерения температуры при помощи термопар (см. 56). При измерении малых токов и напряжений в цепи в местах соединения различных металлов может возникнуть большая разность потенциалов, которая будет искажать результаты измерений. В этом случае необходимо подобрать материалы так, чтобы точность измерения была высокой.

5. Временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении.

При выборе проводов, помимо сечения, материала проводов, изоляции, необходимо учитывать их механическую прочность. Особенно это касается проводов воздушных линий электропередач. Провода испытывают растяжение. Под действием

УРОК №7

Электрическое сопротивление

Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему[1].

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиямиимпеданса и волнового сопротивления. Сопротивлением (резистором) также называют радиодеталь, предназначенную для введения в электрические цепи активного сопротивления.

Сопротивление (часто обозначается буквой R или r) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

где

R — сопротивление, Ом;

U — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, В;

I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, А.

Единицы и размерности

Размерность электрического сопротивления в Международной системе величин: dim R = L2MT −3I −2. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единицей сопротивления является ом (русское обозначение: Ом; международное: Ω). В системе СГС как таковой единица сопротивления не имеет специального названия, однако в её расширениях (СГСЭ, СГСМ и гауссова система единиц) используются[2]:

· статом (в СГСЭ и гауссовой системе, 1 statΩ = (109c−2) с/см = 898 755 178 736,818 Ом (точно) ≈ 8,98755·1011 Ом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением 1 статвольт течёт ток 1 статампер);

· абом (в СГСМ, 1 abΩ = 1·10−9 Ом = 1 наноом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением1 абвольт течёт ток 1 абампер).

Размерность сопротивления в СГСЭ и гауссовой системе равна TL−1 (то есть совпадает с размерностью обратнойскорости, с/см), в СГСМ — LT−1 (то есть совпадает с размерностью скорости, см/с)[3].

Обратной величиной по отношению к сопротивлению является электропроводность, единицей измерения которой в системе СИ служит сименс (1 См = 1 Ом−1), в системе СГСЭ (и гауссовой) статсименс и в СГСМ — абсименс[4].

Физика явления

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.

Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м².
Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.

Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.

Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры (в некотором диапазоне) растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.

Рекомендуемые страницы:

1. Удельное электрическое сопротивление р — величина, характеризующая способность материала оказывать сопротивление электрическому току. Удельное сопротивление выражается формулой:

Для длинных проводников (проводов, шнуров, жил кабелей, шин) длину проводника l обычно выражают в метрах, площадь поперечного сечения S — в мм2, сопротивление проводника r — в ом, тогда размерность удельного сопротивления

Данные удельных сопротивлений различных металлических проводников приведены на стр. 97.