Проводниковые материалы классификация и основные свойства проводниковых материалов

Классификация. В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически при­меняемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материа­лами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выде­лены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротив­ление р при нормальной температуре не более 0,05 мкОм-м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие р при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм-м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электриче­ских машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электро­нагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных)

температурах материалы —сверхпроводники и криопроводники; они будут рассмотрены ниже.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и раз­личные электролиты. Для большинства металлов температура плавления высока (см. табл. 7-1, в которой приведены приблизи­тельные значения важнейших физических параметров металлов, представляющих интерес для электротехники); только ртуть, имею­щая температуру плавления около минус 39 °С, может быть исполь­зована в качестве жидкого металлического проводника при нормаль­ной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Механизм прохождения тока в металлах — как в твердом, так и в жидком состоянии — обусловлен движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электро­литами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменя­ется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются провод­никами второго рода. Примером могут служить соляные закален­ные ванны с электронагревом.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких на-пряженностях электрического поля не являются проводниками. Од­нако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропровод­ностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состоя­ние от каждого атома металла переходит от одного до двух электро­нов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при уско­рении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля—Ленца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов [см. формулу (7-7)]. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость тепло­вого движения свободных электронов увеличивается, и наиболее

быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверх­ностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появ­лению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоня­ется по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электро­нов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника.

Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они со­стояли в расхождении температурной зависимо­сти удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных зна­чений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не погло­щает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти про­тиворечия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положе­ния с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, как это показано на рис. 7-1, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состоя­ние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех ос­новных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей тепло­проводности и высокой электропроводности.

Свойства проводников. 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 сср, 3) коэффициент теплопроводности yt> 4) контактная раз­ность потенциалов и термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), 5) работа выхода электронов из металла, 6) предел прочности при растяжении стр и относительное удлинение перед разрывом ts.Ul.

Удельное сопротивление измеряется в ом-метрах. Для измерения р проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Оммм2/м; очевидно, что проволока из материала длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление в омах, чис­ленно равно р материала в Ом-мм2/м.

Для различных металлов скорости хаотического теплового дви­жения электронов vT (при определенной температуре) примерно оди­наковы. Незначительно различаются также и концентрации свобод­ных электронов п0 (например, для меди и никеля это различие меньше 10 %). Поэтому значение удельной проводимости у (или удельного сопротивления р) в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике К, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой харак­теризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению р. К такому же выводу можно прийти, исходя из волновой природы электронов. Рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристалличе­ской решетки, которые соизмеримы с расстоянием около четверти

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усилений колебаний узлов кристаллической ре­шетки с ростом температуры появляется все больше и больше пре­пятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона К, уменьшается подвижность электро­нов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 7-2). Иными словами, температурный коэффициент (см. стр. 39) удельного сопротивления металлов (кельвин в минус первой степени)

положителен. Согласно выводам электронной теории металлов значе­ния Кр чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т. е. 1/273 ж 0,0037 К"1 (см. табл. 7-1; повышенными значениями <хр обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные металлы — железо, никель и кобальт). При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппрокси­мация зависимости р (Т); в этом случае принимают, что

где pj и р2 — удельные сопротивления проводникового материала при температурах Т1 и Т2 соответственно (при этом Тг > 7\); ар — так называемый средний температурный коэффициент удель­ного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Ti до 7V

Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении. При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления р, как это видно, например для меди, из рис. 7-2; однако у некоторых металлов р при плавлении уменьшается.

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех метал­лов, у которых при плавлении увеличивается объем, т. е. уменьша­ется плотность; и, наоборот, у металлов, уменьшающих свой объем при плавлении, —галлия, висмута, сурьмы (аналогичным фазовому переходу лед—вода) р уменьшается

Если же сплав двух металлов создает раздельную кристаллиза­цию и структура застывшего спла­ва представляет собой смесь кри­сталлов каждого из компонентов (т. е. если эти металлы не образуют

твердого раствора и искажение кристаллической решетки каждого компонента не наблюдается), то удельная проводимость у сплава меняется с изменением состава приблизительно линейно, т. е. опре­деляется арифметическим правилом смещения (рис. 7-5).

Теплопроводность металлов. За передачу теп­лоты через металл в основном ответственны те же свободные элект­роны, которые определяют и электропроводность металлов и число которых в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности ут металлов намного больше, чем коэффициент теплопроводности диэлектриков (см. табл. 5-1). Очевидно, что щи прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость y металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности. Легко также видеть, что при по­вышении температуры, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость у уменьшаются, отноше­ние коэффициента

Термоэлектродвижущая сила. При соприкос­новении двух различных металлических проводников (или полупро­водников, см. гл. 8) между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности потенциалов за­ключается в различии значений работы выхода электронов из раз­личных металлов (см. табл. 7-1), а также в том, что концентрация электронов, а следовательно, и давление электронного газа у разных металлов и сплавов могут быть неодинаковыми. Из электронной тео­рии металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна

Фактически соотношение (7-11) соблю­дается не всегда и зависимость термо-ЭДС от разности температур спаев может быть не строго линейной (см. кривую 7 на рис. 7-27). Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов {тер­мопара), применяют для измерения тем­ператур. В термопарах используются про­водники, имеющие большой и стабильный

коэффициент термо-ЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных при­боров и резисторов стремятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-ЭДС относи­тельно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-ЭДС, которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Температурный коэффициент линейного расширения проводников. Этот коэффициент, вы­числяемый по тому же выражению (5-7), что и для диэлектриков, интересен не только при рассмотрении работы различных сопряжен­ных материалов в той или иной конструкции (возможность растре­скивания или нарушения вакуум-плотного соединения со стеклами, керамикой при изменении температуры и т. п.). Он необходим также и для расчета температурного коэффициента электрического сопротивления провода

Правда, для чистых металлов, как это видно из табл. 7-1, обычно а/ "С «р> так что в формуле (7-12) можно пренебречь аг по сравне­нию с ар и считать приближенно aR » ap. Однако для сплавов, имеющих малый ар (см. рис. 7-3, б и § 7-5), формула (7-12) может иметь существенное практическое значение. Значение а, металлов возрастает при повышении температуры и приближении к темпера­туре плавления (рис. 7-9). Поэтому, как правило, при нормальной температуре легкоплавкие металлы имеют сравнительно высокие, а тугоплавкие —сравнительно низкие значения аг (см, табл. 7-1). Механические свойства проводников характеризуют пределом прочности при растяжении стр и относительным удлинением перед разрывом А///, а также хрупкостью, твердостью и тому подобными свойствами. Механические свойства металлических проводников в большой степени зависят от механической и термической обработки, от наличия легирующих примесей и т. п. Влияние отжига приводит к существенному уменьшению стр и увеличению Al/l. Такие физиче­ские параметры проводниковых материалов, как температура плав­ления и кипения, удельная теплоемкость (см. табл. 7-1) и другие, не требуют особых пояснений

Вопрос 30