Проводниковые материалы: Виды, свойства, классификация

Проводниковые материалы играют ключевую роль в электротехнике и электроэнергетике. Эти вещества способны проводить электрический ток, что делает их незаменимыми для передачи энергии, создания электрических машин и устройств. Основными проводниками являются металлы, их сплавы, а также различные растворы и газы в ионизированном состоянии. Важнейшими характеристиками проводниковых материалов являются их электропроводность, механическая прочность, термические свойства и устойчивость к внешним воздействиям.

История исследования проводниковых материалов тесно связана с развитием электротехники. В XVIII веке, с открытиями, связанными с электрическими явлениями, ученые начали изучать вещества, способные проводить электрический ток. Одним из первых опытов был эксперимент с электростатическими машинами и применением меди в качестве проводника. С развитием науки о материалах, в частности, с появлением теории металлов и зонной теории, был сделан существенный шаг вперед в понимании того, как различные материалы могут проводить электрический ток.

На протяжении XIX и XX веков проводниковые материалы нашли свое широкое применение в кабельной и проводной промышленности, а также в производстве элементов электрических машин и устройств. В этот период также началось массовое производство сплавов и новых материалов с улучшенными характеристиками проводимости.

1. Определение, классификация и назначение проводниковых материалов

Что собой представляют проводниковые материалы? По сути, это вещества, которые обладают отличной способностью проводить электрический ток. Проводниками могут быть как твердые, так и жидкие вещества. Среди твердых проводников выделяются металлы и их сплавы. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы, ртуть и различные электролиты. Интересно, что ртуть – это единственный металл, который остается жидким при температуре 20^оС.

Также стоит отметить, что газы могут стать проводниками, но исключительно в ионизированном состоянии. В твердом состоянии проводники и жидкие металлы имеют электронную проводимость, что делает их проводниками первого рода. В то же время, растворы веществ в жидкой фазе обладают ионной проводимостью, что относят их к проводникам второго рода.

В электротехнике и электроэнергетике, а также для большинства других применений, как правило, используются именно твердые проводники, такие как металлы и их сплавы, поскольку они показывают наилучшие результаты по проводимости в этих сферах.

Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов

Проводниковые материалы могут быть классифицированы по их электропроводности и назначению. Это деление позволяет выделить несколько категорий проводников, каждый из которых используется в определенной области. Рассмотрим их подробнее:

• Первая группа включает проводники с высокой проводимостью. Эти материалы применяются в тех случаях, когда необходимо передавать электрическую энергию на большие расстояния или использовать их для изготовления обмоток электрических машин, например, генераторов и двигателей. Важно, чтобы потери энергии были минимальными.
• Во вторую группу входят проводники с высоким удельным сопротивлением. Такие материалы способны преобразовывать электрическую энергию в тепло и чаще всего применяются в конструкциях электропечей.
• Третью группу составляют непроволочные проводники, к которым относятся электрические угли и порошки. Они широко используются при изготовлении микрофонов и звуковой аппаратуры.
• Четвертая группа включает высокоомные пленочные и композиционные материалы. Такие материалы находят применение в производстве резисторов для электро- и радиотехники.

Еще одна группа – это металлы, которые активно используются в электротехнике.

Рисунок 2 – Природа различных видов электропроводности

По классической теории электропроводности, металлы проводят электрический ток, когда внешний фактор заставляет электроны начать двигаться упорядоченно. В своем спокойном состоянии металл не может генерировать электрический ток, но как только подключается внешний источник энергии, электроны начинают перемещаться, и возникает электрический ток.

При этом важно помнить, что с повышением температуры проводимость металлов значительно снижается. Это происходит из-за ослабления молекулярных связей в кристаллической решетке металла, что увеличивает хаотичность движения частиц и снижает упорядоченность электронов. Поэтому, чтобы избежать перегрева проводников, необходимо контролировать их температуру, так как это напрямую влияет на их эксплуатационные характеристики.

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

С точки зрения зонной теории, проводники – это такие вещества, у которых нет запрещенной зоны, а зона валентных электронов частично заполнена. Это позволяет электронам свободно перемещаться от одного атома к другому. Даже небольшое напряжение может вызвать электрический ток.

Электронная теория металлов, в свою очередь, подтверждается множеством экспериментов:

1. Когда ток долго течет через контакты из разных металлов, масса этих металлов не меняется, и они не проникают друг в друга. Это подтверждает, что движение электронов обуславливает ток, а ионы металлов не участвуют в этом процессе.
2. Когда металл нагревается до высоких температур, скорость теплового движения электронов возрастает, и наиболее быстрые электроны покидают металл, создавая термоэмиссию.
3. Если быстро движущийся стержень резко затормозить, происходит смещение в направлении движения, что может вызвать разницу потенциалов на концах стержня.
4. Также поперечная ЭДС может появиться в металлической пластинке, которая размещена в поперечном магнитном поле.

В свете теории о электронном газе металлов, большинство твердых проводников имеют кристаллическую решетку, как показано на рисунке 4. Этот элемент структуры металлов, состоящий из положительных ионов, позволяет электронам двигаться в свободном состоянии. Электронная теория дает точные объяснения экспериментальных наблюдений электропроводности.

Рисунок 4 – Строение кристалла проводника – металла

2. Основные электрические и физические свойства проводников

Основные характеристики проводниковых материалов включают:

• 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 рассматривать проводник с постоянным сечением S и длиной l, то его удельное сопротивление r можно вычислить по следующей формуле:

(1)

Для металлических проводников при температуре 20 ^оС значение r варьируется от 0.016 до 10 мкОм∙м.

Согласно электронной теории металлов, удельное сопротивление проводника можно рассчитать с помощью формулы:

(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.

Значительное увеличение удельного сопротивления наблюдается при образовании твердых растворов в сплавах двух металлов, когда атомы одного металла проникают в кристаллическую решетку другого, а сопротивление зависит от состава сплава.

Температурный коэффициент удельного сопротивления проводниковых материалов.

Для различных проводников характерна примерно одинаковая скорость теплового движения электронов, и только незначительно различается концентрация свободных носителей заряда. Однако с повышением температуры амплитуда колебаний атомов решетки увеличивается, что приводит к большему количеству препятствий для движения электронов. Это приводит к увеличению сопротивления при повышении температуры.

На рисунке 5 показана зависимость сопротивления меди от температуры.

Рисунок 5 – Зависимость сопротивления от температуры меди

Когда температура меди достигает точки плавления (1083 ^оС), сопротивление резко возрастает. Температурный коэффициент удельного сопротивления можно рассчитать с использованием следующей формулы:

(3)

Температурный коэффициент удельного сопротивления для большинства чистых металлов в твердом состоянии близок к коэффициенту расширения идеальных газов и составляет примерно 0.004 град^-1.

Удельное сопротивление металлов при плавлении

Когда металл переходит из твердого состояния в жидкое, его удельное сопротивление в большинстве случаев увеличивается, как это можно наблюдать на примере меди (см. рисунок 5).

Для металлов, у которых объем в расплавленном состоянии больше, чем в твердом, наблюдается повышение удельного сопротивления при плавлении. В противоположности этому, для тех металлов, у которых объем уменьшается при плавлении (например, как в случае льда, превращающегося в воду), происходит снижение сопротивления (например, для Bi и Ga).

Сопротивление металлов при деформациях

При растяжении или сжатии материалов, в которых происходят упругие деформации, сопротивление можно вычислить по следующей формуле:

1±φσ,

где σ — это механическое напряжение, которое действует в сечении металла;

φ — коэффициент механического напряжения.

При этом знак плюс обозначает предел прочности на растяжение, а минус — предел прочности на сжатие.

Изменение сопротивления при различных упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебаний кристаллической решетки. При растяжении решетка расширяется, а при сжатии — сужается. Когда амплитуда колебаний решетки увеличивается, это способствует повышению подвижности носителей заряда, что снижает электропроводность γ и, следовательно, увеличивает удельное сопротивление.

Что касается пластической деформации, то она также ведет к увеличению удельного сопротивления металлов, так как она вызывает искажения кристаллической решетки.

Термо Э.Д.С.

Когда два металла находятся в непосредственном контакте, между ними возникает разность потенциалов. Согласно электронной теории металлов, разность потенциалов между металлами А и В может быть вычислена по формуле:

(4)

где U_А, U_В — потенциалы материалов А и В;

n_оА/n_оВ — концентрации электронов в этих металлах.

Когда температуры спаев одинаковы, разность потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Однако, если температура контактов различается, например Т₁ и Т₂, возникает термо Э.Д.С.

(5)

Таким образом, можно выразить термо Э.Д.С. следующим образом:

(6)

Если выбрать два металла с высокой контактной разностью потенциалов, и если между ними существует линейная зависимость напряжения от температуры, их можно использовать для создания термопары, которая применяется для точных измерений температуры.

Рисунок 6 – Схема термопары

Термопары востребованы в местах, где невозможно использовать другие способы измерения температуры, например, в магнитопроводах электрических машин и трансформаторах.

Механические свойства проводников

Механические свойства проводников зависят от нескольких факторов, включая предел прочности на растяжение σ_p, относительное удлинение при разрыве Δl/l, хрупкость, твердость и другие параметры. Эти свойства значительно изменяются в зависимости от термической и механической обработки материалов, а также от наличия легирующих примесей.

Одним из важных факторов является отжиг, который приводит к снижению σ_р и увеличению Δl/l. Также стоит отметить, что параметры проводниковых материалов, такие как температура плавления и кипения, удельная теплоемкость, не требуют дополнительного пояснения.

3. Проводниковые материалы с высокой проводимостью

К числу металлов с высокой проводимостью относятся такие материалы, как медь и алюминий, которые широко применяются в электротехнике.

Медь добывают из сульфидных руд промышленным способом. Она используется в тех случаях, когда требуется высокая прочность, например, для контактных проводов электротранспорта, коллекторных пластин электрических машин и шин распределительных устройств. Медь является дорогим материалом, и ее доля в земной коре составляет лишь 0.01%. Ее используют в ограниченном количестве для изготовления коллекторных пластин, обмоточных проводов, проводников гибких кабелей и монтажных проводов в радиотехнике, электротехнике и связи.

Алюминий (Al) — широко распространенный элемент, составляющий до 8.8% по массе земной коры. Он встречается в виде окиси Al₂O₃ в различных минералах. Алюминий в чистом виде представляет собой серебристо-белый металл. Его считают технически чистым, если содержание Al составляет 99.5–99.7%. Удельное сопротивление алюминия r_Al составляет 0.0286 мкОм·м, что на 60% больше, чем у меди. Однако алюминий в 3 раза легче меди, а его электропроводность в 2 раза выше по массе. В электротехнике алюминий используется для производства проводов воздушных линий электропередачи, обмоток трансформаторов, сборных шин и защитных оболочек кабелей.

Железо (Fe) — дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью. Железо иногда используется в качестве проводникового материала, хотя его удельное сопротивление равно 0.098, что довольно высоко по сравнению с другими материалами.

Заключение

Интересные факты:

1. Ртуть – единственный металл, который остается жидким при комнатной температуре. Благодаря этому свойству она используется в различных устройствах, таких как термометры и переключатели.

2. Медь – один из самых древних проводников. Она использовалась человечеством в различных изделиях с древнейших времен. Уже в III тысячелетии до н.э. люди начали использовать медные провода для электропередачи.

3. Алюминий является менее проводящим, чем медь, но гораздо дешевле и легче. Это делает его более подходящим для применения в проводах электросетей, несмотря на его несколько худшие проводниковые характеристики.

4. Кривая зависимости сопротивления меди от температуры демонстрирует резкий скачок при температуре плавления, что обусловлено физическими процессами перехода металла в жидкое состояние.

5. Железо используется как проводник в тех случаях, когда важно не только проводить электрический ток, но и обеспечить высокую механическую прочность, как, например, в железных шинах электропередач.

Проводниковые материалы остаются основой для разработки современных электрических устройств и систем. Их свойства и возможности влияют на эффективность работы различных технологий, от бытовых электроприборов до сложных промышленных установок. Понимание характеристик и применения проводниковых материалов позволяет создать более эффективные и надежные системы, которые играют важную роль в повседневной жизни и промышленности.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в НПФ 'Современные технологии производства'

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.

Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Системы искусственного интеллекта ИИ для оптимизации производственных цепочек - 26.06.2025
• Получение электроэнергии из биогаза: технологии и перспективы - 23.06.2025
• Типы и технологии солнечных электростанций: от фотомодулей до аэростатов - 23.06.2025