Проводниковые материалы. Виды, свойства, классификация

1. Определение, классификация и назначение проводниковых материалов

Что же такое проводниковые материалы? Как видно из названия, это вещества, которые хорошо проводят электрический ток. Проводниками могут быть твердые и жидкие вещества. Металлы и их сплавы являются твердыми проводниками. Расплавы металлов, ртуть и электролиты относят к жидким проводникам. Ртуть – единственный металл, который может быть жидким при температуре 20^оС

Газы тоже могут быть проводниками, но только в состоянии ионизации. В твердых проводниках и жидких металлах присутствует электронная проводимость (они относятся к проводникам первого рода), ионная проводимость бывает у жидких растворов (они относятся к проводникам второго рода).

Металлы и их сплавы наиболее часто применяются в электротехнике и являются важными для электроэнергетики твердыми проводниковыми материалами.

Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов

Мы можем классифицировать проводниковые материалы, полагаясь на электропроводность и их назначение. Таким образом они будут разделены на несколько групп:

• Первая группа – проводники высокой проводимости. Такие проводники используют при передаче электрической энергии на большие расстояния, а также из них изготавливают обмотки электрических машин (различных генераторов, двигателей и пр.). При этом учитываются наименьшие потери.
• Вторая группа – проводники с высоким удельным сопротивлением, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую и применяются в конструкциях электропечей.
• К третьей группе отнесем непроволочные проводники, в основном электрические угли и порошки, которые широко применяются в изготовлении микрофонов и звуковой аппаратуры.
• Четвертая группа – высокоомные пленочные и композиционные материалы. Применяются такие материалы для изготовления резисторов в электро- и радиотехнике;

В пятой группе будут различные металлы, применяемые в электротехнике.

Рисунок 2 – Природа различных видов электропроводности

По классической теории электропроводности металлов электрический ток возникает при внешнем воздействии на металл, когда электроны переходят в упорядоченное движение.

В спокойном состоянии металл не может самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но с подключением внешнего источника электроны становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.

Происходит это потому, что молекулярные связи в кристаллической решетке ослабляются, элементарные частицы вращаются в еще более хаотичном порядке и усложняется построение электронов в цепь. Поэтому по мере возможностей нужно не допускать перегрева проводников, так как это меняет их эксплуатационные свойства.

Рисунок 3 – Сравнение элементов зонной теории для диэлектриков полупроводников и проводников.

С точки зрения зонной теории строения твердого тела проводники являются веществами, у которых отсутствует запрещенная зона, а зона валентных электронов частично заполнена, и внутри нее электроны могут свободно перемещаться от атома к атому. В этих условиях достаточно даже небольшого напряжения чтобы возник электрический ток.

Электронная теория об электронном газе в металлах подтверждается опытами:

1. Если ток длительно протекает сквозь контакты из двух металлов, то при этом масса этих металлов не изменяется и нет проникновения металлов друг в друга. Это говорит о том, что движение электронного газа обуславливает протекание тока, при этом не касаясь движения ионов металлов.
2. У металлов, нагретых до больших температур, увеличивается скорость теплового движения свободных электронов V_т. Самые быстрые электроны вылетают из металла и создают термоэмиссию, проникая сквозь поверхностный потенциальный заряд.
3. Если быстро двигающийся стержень резко затормозить, то возникнет смещение в направлении движения, и это поспособствует появлению разности потенциалов на концах заторможенного стержня.
4. Поперечная ЭДС может появляться в металлической пластинке, размещенной в поперечном магнитном поле.

По электронной теории металлов, большинство твердых проводников обладают кристаллической решеткой, показанной на рисунке 4. Кристаллическая решетка изображена с положительными ионами металла в узлах, красными точками показан электронный газ. Электронная теория металлов показала, как можно описать и объяснить основные законы электропроводности, найденные экспериментальным путем.

Рисунок 4 – Строение кристалла проводника – металла

2. Основные электрические и физические свойства проводников

К основным свойствам и характеристикам проводниковых материалов относят:

• удельную проводимость и удельное сопротивление, (γ и ρ);
• температурный коэффициент удельного сопротивления, (Т_кρ);
• удельную теплопроводность, (γ_т);
• термоэлектродвижущую силу и контактную разность потенциалов;
• относительное удлинение и предел прочности при растяжении (σ_рас, ∆l_сж).

Удельное сопротивление проводников.

Если принять проводник, у которого постоянное сечение S и длина l, то r можно вычислить таким образом:

(1)

Для металлических проводников при 20 ^оС значение r находится в диапазоне от 0.016 до 10 мкОм∙м.

Удельное сопротивление металлического проводника (r) по электронной теории металлов можно рассчитать с помощью следующего выражения:

(2)

где m – масса электрона;

v_т – средняя скорость теплового движения электрона;

l_ср – средняя длина свободного пробега электрона;

е – заряд электрона;

N – число свободных носителей заряда в единице объема проводника.

Значимое увеличение ρ наблюдается в сплавах двух металлов, если получается твердый раствор или при отвердевании происходит совместная кристаллизация и атомы одного металла проникают в кристаллическую решетку другого, ρ зависит от соотношения между содержанием компонентов в сплаве.

Температурный коэффициент удельного сопротивления проводниковых материалов.

У разных проводников средняя скорость теплового движения электрона примерно равна. Минимально отличается и число свободных носителей заряда в единице объема проводника, (для Cu и Ni – всего 10%). Эта величина неизменна с увеличением температуры в проводнике. При увеличении температуры увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. На пути направленного движения электронов увеличивается количество препятствий, уменьшается средняя длина свободного пробега электрона и снижается подвижность электронов. Следовательно сопротивление металлов с возрастает с повышением температуры.

Кривая изменения r, типичная для металлического проводника (меди) в зависимости от t^о, показана на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость сопротивления от температуры меди

Резкое повышение величины сопротивления меди происходит при температуре ее плавления (1083 ^оС). Средним температурным коэффициентом удельного сопротивления называется величина a_ρв уравнения (3)

(3)

Значения температурного коэффициент сопротивления для чистых металлов в твердом состоянии по своему значению близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, a_ρ «1/273» 0.004 град^-1_.

Удельное сопротивление металлов при плавлении

Когда металл переходит из твердого состояния в жидкое, у большинства металлов удельное сопротивление увеличивается, как мы это видели на примере меди (рисунок 5).

У металлов, объем которых больше в расплавленном состоянии, чем в твердом, удельное сопротивление при плавлении увеличивается. Если объем изменяется в сторону уменьшения (например лед – вода), происходит уменьшение сопротивления при плавлении (Bi ,Ga).

Сопротивление металлов при деформациях

Сопротивление при упругом растяжении или сжатии можно рассчитать по следующему выражению:

1±φσ,

где σ – механическое напряжение в сечении;

φ – коэффициент механического напряжения.

Знак плюс показывает предел прочности на растяжение, предел прочности на сжатие показывает минус.

При различных упругих деформациях изменение сопротивления можно объяснить тем, что амплитуда колебаний кристаллической решетки тоже меняется; при растяжении кристаллическая решетка увеличивается, а при сжатии – уменьшается. Если амплитуда колебаний кристаллической решетки увеличивается, то и подвижность с.н.з. увеличится, и, следовательно, понижается электропроводность γ, а возрастает удельное сопротивление.

Пластическая деформация повышает ρ металлов вследствие искажения кристаллической решетки.

Термо Э.Д.С.

При непосредственном контакте между металлами возникает разность потенциалов. По электронной теории металлов можно сделать вывод, что контактная разность потенциалов между произвольными металлами А и В равна.

(4)

где U_А, U_В – потенциалы материалов;

n_оА/n_оВ – концентрация электронов в приведенных металлах А и В.

Когда одинаковы температуры спаев, разность потенциалов в замкнутой цепи равна 0. Если же контакты имеют разную температуру Т₁ и Т_2, то возникает термо Э.Д.С.

(5)

Откуда (6)

Если выбрать два металла, имеющих большую контактную разность потенциалов и обладающих линейной зависимостью напряжения от изменения температуры, тогда их можно использовать для измерения температур в качестве термопары.

Рисунок 6 – Схема термопары

Применяются термопары в труднодоступных и недоступных для измерения температур другими способами местах (в магнитопроводах электрических машин, трансформаторов и т.д.).

Механические свойства проводников

Они характеризуются пределом прочности при растяжении σ_p и относительным удлинением при разрыве Δl/l, а также хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от наличия механической и термической обработки, от присутствия легирующих примесей и т.п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению σ_р и увеличению Δl/l. Такие параметры проводниковых материалов, как температуры кипения и плавления, удельная теплоемкость и др., не требуют особых пояснений.

3. Проводниковые материалы высокой проводимости

Такие металлы высокой проводимости, как медь и алюминий, чаще всего используются в электротехнике.

Медь получают промышленным способом переработки сульфидных руд. Там, где необходима высокая прочность, используют твердую медь: например, это контактные провода электротранспорта, коллекторные пластины, электрических машин, шины распределительных устройств. То есть там, где важна гибкость, а прочность s_р не имеет большого значения.

Медь – это весьма дорогой и редкий материал. В земной коре его содержится всего лишь 0.01%. В связи с этим для потребления меди есть ограничение. Ее применяют только в качестве коллекторных пластин, обмоточных проводов электрических машин, контактных проводов, проводящих жил гибких кабелей и монтажных проводов в радиотехнике, электротехнике и связи.

Алюминий Al – достаточно распространенный элемент, его доля имеет соотношение до 8.8% по весу в составе земной коры. Алюминий бывает в составе очень многих минералов в виде окиси Al₂O₃. Представляет из себя серебристо-белый металл в чистом виде. Алюминий считается технически чистым, когда содержит 99.5–99.7 % Al. Удельное сопротивление r_Al составляет 0.0286 мкОм м, этот показатель выше на 60%, чем у меди. Однако алюминий в 3 раза легче меди, а его электропроводность g в 2 раза выше, чем у меди, по весу. В электротехнике алюминий применяется в виде проводов ВЛЭП, обмоток трансформаторов, сборных шин, жил и защитных оболочек кабелей и т.п.

Железо Fе намного дешевле и является более доступным металлом. У него высокая механическая прочность, и иногда железо тоже используют в качестве проводникового материала, который обладает довольно высоким удельным сопротивлением, равным 0,098.