Что обеспечивает металлам высокую электропроводность

Обновлено: 18.05.2024

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. Более подробно об этом читайте далее в нашей статье.

Важно знать

Как известно, электрический ток – это упорядоченный поток носителей электрического заряда. Носители – это заряженные частицы, способные свободно перемещаться во всем объеме тела.

В случае металлов этими частицами являются электроны, которые высвобождаются при образовании связи между атомами металла.

Известно, что металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Частицы в кристаллах расположены в определенном порядке, образуя пространственную решетку (кристалл).

Наконец, кристаллическая решетка металла образована положительными ионами, погруженными в “облако” хаотически движущихся так называемых свободных электронов, также называемых электронами проводимости. В зависимости от валентности атомов металла, один атом может освободить от одного до трех электронов при образовании металлических связей. Число таких высвобожденных электронов непосредственно переводится в число носителей заряда. Это является одним из факторов, влияющих на способность металла проводить электрический ток.

Доказательством того, что ток в металлах вызывается электронами, послужили эксперименты наших отечественных физиков Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси, а также американских физиков Бальфура Стюарта и Роберта Толмана.

Способность металла проводить электрический ток может быть описана физической величиной, называемой удельным электрическим сопротивлением. Эта физическая величина обозначается греческой буквой ρ (читается как “ро”). Единицей измерения удельного сопротивления является Ом · м, т.е. произведение Ом на метр. Удельное сопротивление – это константа, которая характеризует материал и имеет различные значения для разных материалов. Например, удельное сопротивление меди составляет 1.72*10 -8 Ом · м. Это означает, что электрическое сопротивление медного проводника длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 м равно 1.72*10 -8 Ом . В целом, чем ниже удельное сопротивление материала, тем лучше он проводит электрический ток.

В таблице ниже приведены некоторые примеры удельного сопротивления часто используемых металлов.

Металл	Удельное сопротивление (Ом · м)
Серебро	1.59*10 -8
Медь	1.72*10 -8
Алюминий	2.82*10 -8
Вольфрам	5.6*10 -8
Железо	10*10 -8

Удельное электрическое сопротивление может быть связано с микроскопическими свойствами материала. В частности, он зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности.

Движение свободных электронов в металлах не является полностью “свободным”, поскольку во время их движении они взаимодействуют с другими электронами, и прежде всего с ионами кристаллической решетки. Специфика этого движения описывается так называемой классической моделью проводимости.

Основные предположения и выводы этой модели представлены в большом упрощении ниже.

Классическая модель проводимости

Без внешнего электрического поля электроны совершают тепловые хаотические движения, сталкиваясь друг с другом, а также сталкиваясь с ионами кристаллической решетки. В результате такого движения среднее положение электронов практически не меняется (см. рис. 1.).

Рис. 1. Пример траектории электрона во время его хаотического теплового движения в металле

Из-за квантовых эффектов, и в частности из-за принципа запрета Паули, который не позволяет всем электронам занимать самое низкое энергетическое состояние, средняя скорость электронов в металлах, связанная с их хаотическим тепловым движением, больше, чем скорость частиц в классическом идеальном газе той же температуры. Она составляет порядка 10 м/с.

Если электрическое напряжение U приложено к концам проводника длиной L в нем появится электрическое поле с напряженностью E = U / L

Под действием этого внешнего поля, согласно второму закону динамики, электроны ускоряются: a = F / m,

где F = e*E – сила, с которой электрическое поле действует на электрон с зарядом e. Таким образом, ускорение электрона составляет: a = e*E / m .

Ускоренное движение электрона длится лишь довольно короткое время, пока он не столкнется с ионом
кристаллической решетки. В результате такого столкновения электрон теряет практически всю свою кинетическую энергию. Однако замедленный электрон не остается в состоянии покоя – он снова ускоряется под действием электрического поля, снова сталкивается с одним из ионов из ионы кристаллической решетки и т.д. Этот эффект добавляет к скорости тепловых движений дополнительную направленную среднюю скорость u, которая из-за отрицательного заряда электрона имеет направление, противоположное напряженности внешнего электрического поля. Эта скорость называется средней скоростью дрейфа (рис. 2).

Рис. 2. Дрейф электрона под действием внешнего электрического поля

В проводнике начинает течь электрический ток с силой тока I (см. рисунок 3).

Рис. 3. Дрейфующие электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки

Предполагая, что движение электрона равномерно ускоряется между столкновениями с ионами решетки, с ускорением a = e*E / m , и предполагая, что в результате столкновения электрон передает всю свою кинетическую энергию кристаллической решетке, мы можем вычислить скорость, которую развивает электрон в своем свободном движении: v = a*τ . В этой формуле τ – средний интервал времени между последующими столкновениями дрейфующего электрона с ионами кристаллической решетки.

Поскольку при равномерно ускоренном движении без начальной скорости средняя скорость является средним арифметическим начальной (равной нулю) и конечной скоростью, то получаем: u = v / 2 = e*E*τ / 2*m .

Из полученной формулы следует, что скорость дрейфа, помимо внешнего электрического поля, определяется средним интервалом времени между столкновениями электронов с ионами решетки. Этот параметр зависит от многих факторов (включая температуру, кристаллическую структуру металла, дефекты кристаллической структуры, примеси) и, как выясняется, существенно влияет на электрическое сопротивление материала.

Средняя дрейфовая скорость электронов составляет порядка 10 -4 м/с. Она очень мала по сравнению со скоростью теплового движения, которая составляет порядка 10 6 м/с.

Классическая теория проводимости достаточно хорошо описывает явление электропроводности в металлах. Однако эта теория не может объяснить экспериментально наблюдаемую зависимость электрического сопротивления от температуры.

Причина упомянутой неудачи классической теории проводимости заключается в том, что она не учитывает влияние ионов решетки на движение электронов между столкновениями. Более близкие к реальности результаты дает квантовая теория проводимости, которая описывает электроны как частицы, подверженные квантовой статистике, движущиеся в периодическом электрическом поле, создаваемом положительными ионами решетки.

Выводы простым языком

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален. Свободные электроны в нём движутся беспорядочно. Но если в металле создать электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно под действием электрических сил. Возникнет электрический ток. Беспорядочное движение электронов при этом сохраняется, подобно тому как сохраняется беспорядочное движение в стайке мошкары, когда под действием ветра она перемещается в одном направлении.

« Скорость движения самих электронов в проводнике под действием электрического поля невелика – несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше. Но как только в проводнике возникает электрическое поле, оно с огромной скоростью, близкой к скорости света в вакууме (300 000 км/c), распространяетcя по всей длине проводника. »
Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010

Как пример, электрический сигнал, посланный, например, по проводам из Москвы во Владивосток (s = 8000 км), приходит туда примерно через 0,03 с.

Одновременно с распространением электрического поля все электроны начинают двигаться в одном направлении по всей длине проводника. Так, например, когда цепь электрической лампы замкнута, электроны в спирали лампы также движутся упорядоченно.

Сравнение электрического тока с потоком воды в водопроводной системе и распространения электрического поля с распространением давления воды поможет нам понять это. Когда вода поднимается в резервуар для воды, давление (напор) воды очень быстро распространяется по всей системе водоснабжения. Когда мы включаем кран, вода уже находится под давлением и сразу же начинает течь. Но вода, которая была в кране, течет, а вода из башни достигает крана гораздо позже, потому что вода движется с меньшей скоростью, чем распространяется давление.

Когда говорят о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения по проводнику электрического поля.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

К металлам относятся вещества, обладающие хорошей электрической проводимостью с удельным сопротивлением р 10 - 7 - - 10 - 8 ом-м, высокой теплопроводностью, вязкостью, ковкостью. Высокая электропроводность металлов объясняется тем, что валентные электроны принадлежат не отдельным атомам, а всей кристаллической решетке в целом. Эти электроны называют свободными. [31]

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебания ионов ( атомов), что затрудняет прямолинейное движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность резко возрастает. Около абсолютного нуля сопротивление многих металлов практически отсутствует. Высокая теплопроводность металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов ( атомов), вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. [32]

Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые перемещаются в потенциальном поле решетки. С повышением темпера гуры усиливаются колебания ионов ( атомов), образуются вакансии и нарушается правильная периодичность потенциального поля, что затрудняет движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность возрастает. У некоторых металлов в результате образования пар электронов, движущихся упорядоченно при очень низких температурах ( 20К), электропроводность обращается в бесконечное и, - явление сверхпроводимости. Высокая теплопроводность металлов обусловливается большой подвижностью свободных электронов и в меньшей степени колебательным движением ионов. [33]

В отличие от ионных и ковалентных соединений металлы отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью. Высокая электропроводность металлов указывает на то, что электроны свободно могут передвигаться во всем его объеме. Иными словами металл можно рассматривать как кристалл, в узлах решетки которого расположены ионы, связанные электронами, находящимися в общем пользовании, т.е. в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Совокупность электронов, обеспечивающих эту связь, называют электронным газом. [34]

Все металлы обладают высокой электропроводностью. Причина высокой электропроводности металлов заключается в слабой связи электронного газа с положительно заряженными ионами. Достаточно приложить небольшую разность электрических потенциалов к концам металлического тела, чтобы вызвать перемещение электронного газа - электрический ток. [36]

Положительно заряженные атомы валентная связи), окружены как бы электронным газом, который может свободно передвигаться. Этим объясняется высокая электропроводность металлов . [37]

Свободные электроны перемещаются по объему металла, как бы не замечая ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Этим и объясняется высокая электропроводность металлов . [38]

За счет обобществления электронов атомы становятся положительно заряженными ионами, которые обтекаются электронным газом, что и обусловливает связи между атомами ( ионами) в кристаллической решетке. Наличие электронного газа объясняет, в частности, высокую электропроводность металлов . [39]

Металлическая связь возникает при образовании из внешних ( относительно слабо связанных с ядром) электронов отрицательно заряженного электронного газа, в результате чего положительно заряженные ионы создают плотную, но пластичную кристаллическую решетку. Электроны, свободно перемещаясь между атомами, обеспечивают высокую электропроводность металлов . [40]

Металлическая связь осуществляется путем образования из внешних, относительно слабо связанных с ядром электронов отрицательно заряженного электронного газа, организующего положительно заряженные ионы в - плотную, но довольна пластичную кристаллическую решетку. Электроны легко перемещаются от атома к атому, обусловливая высокую электропроводность металла . Большинство металлов имеет одну из трех кристаллических решеток: гексагональную плотноупакованную, гранецентрированную кубическую или объ-емноцентрированную кубическую. Прочность металлической связи увеличивается с повышением концентрации электронного газа. [41]

Наличие свободных электронов во всех металлических структурах обусловливает существование некоторых общих свойств металлов. Так, со свободой перемещения электронов связаны хорошая теплопроводность и высокая электропроводность металлов . [42]

Таким образом, в металлах имеются положительно заряженные ионы, электроны и небольшое количество нейтральных атомов. Этот особый тип химической связи и обусловливает наличие определенных физических свойств. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием свободных электронов. В электрическом поле беспорядочное движение электронов становится направленным: они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. [43]

У металлов над полностью заполненными энергетическими зонами расположена зона, заполненная электронами частично. У Na частично заполненная зона образуется в результате расщепления наполовину заполненного уровня 3s, а в Mg - в результате расщепления заполненного уровня 3s и пустого уровня Зр. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием частично заполненной зоны. Носителями тока являются здесь электроны в этой зоне, поскольку в ней имеется много свободных энергетических состояний. [44]

Металлическая связь характеризуется взаимодействием положительных ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов, не связанных с определенными ионами и свободно перемещающихся в пределах кристаллической решетки. Электроны не связаны с определенными ионами и свободно перемещаются в металле. Этим определяется высокая электропроводность металлов . Неметаллы, такие, как кислород, сера, галогены, принимающие электроны от металла, являются окислителями. Легкость отдачи электронов их атомами определяет химическую активность металлов. По химической активности металлы различаются между собой. [45]

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Электропроводность – это свойство тела или вещества проводить ток, а также физическая величина, численно характеризующая эту способность. Электропроводность зависит от количества свободных ионов, содержащихся в проводнике, движение которых является электрическим током. В системе СИ электропроводность обозначается как S и измеряется в сименсах.

В зависимости от величины электропроводности вещества можно условно разделить на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Однако, провести четкие границы между группами невозможно.

Проводники имеют большое количество свободных ионов, а следственно и большую электропроводность. Они делятся на два рода, которые отличаются друг от друга физической природой протекания электрического тока. К первому роду относятся металлы с электронной проводимостью, то есть прохождение тока по ним обусловлено движением свободных электронов. К проводникам второго рода относятся растворы кислот, щелочей и солей, которые называют электролитами. Прохождение тока по электролитам обусловлено движением положительных и отрицательных ионов. Такие проводники имеют ионную проводимость. Электропроводность проводников больше 10 6 (ом·м) -1 . [3]

Диэлектрики имеют наоборот маленькое количество свободных ионов, что означает малую электропроводность и практически неспособность проводить электрический ток. К ним можно отнести дерево, смолы, пластмассы, стекло и т.п. Электропроводность диэлектриков меньше 10 6 (ом·м) -1 . [3]

Полупроводники имеют проводящие свойства средние между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся, например, германий, кремний, селен и другие искусственные соединения. [3]

На электропроводность вещества или тела влияет температура вещества. Однако, зависимость от температуры различная у разных веществ. У металлов данная зависимость определяется уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом температуры. При увеличении температуры происходит возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны и соответственно электропроводность уменьшается. Для полупроводников зависимость иная. При повышении температуры электропроводность увеличивается, так как увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. Диэлектрики также имеют увеличенную электропроводность, но при очень высоком электрическом напряжении. [2]

Металлы имеют свойство проводить ток. Это обусловлено тем, что электромагнитное поле воздействует на проводниковый металл, в следствие чего электрон ускоряется настолько, что теряет связь с атомом.

Электронная теория проводимости металлов создана П. Друде в 1900 г., которая далее получила развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения данной теории высокая электропроводность металлов обусловлена наличием очень большого числа носителей заряда – электронов проводимости, перемещающихся по всему объему проводника. При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Следуя из этого средняя длина свободного пробега электронов равна 10 -8 см. [1]

Плотность тока, проходящая через проводник будет равна общему заряду всех электронов, проходящих за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника.

Что обеспечивает металлам высокую электропроводность

Введение
1 Общие сведения об электроматериалах
- 1.2 Особенности строения твердых тел
- 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
- 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
- 2.2 Основные свойства металлических проводников
- 2.3 Металлы высокой проводимости
- 2.4 Тугоплавкие металлы
- 2.5 Благородные металлы
- 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
- 2.7 Некоторые другие металлы
- 2.8 Сплавы высокого сопротивления
- 2.9 Сплавы для термопар
- 2.10 Тензометрические сплавы
- 2.11 Контактные материалы
- 2.12 Припои и флюсы
- 2.13 Неметаллические проводящие материалы
- 3.1 Электропроводность полупроводников
- 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
- 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
- 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
- 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
- 3.6 Электрические переходы
- 3.7 Основные полупроводниковые материалы
- 4.1 Поляризация диэлектриков
  - 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
  - 4.1.2 Механизмы поляризации
  - 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
  - 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
  - 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
  - 4.2.3 Электропроводность газов
  - 4.3.1 Потери на электропроводность
  - 4.3.2 Релаксационные потери
  - 4.3.3 Резонансные потери
  - 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
  - 4.4.1 Пробой газов
  - 4.4.2 Пробой жидкостей
  - 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
  - 4.5.1 Газообразные диэлектрики
  - 4.5.2 Жидкие диэлектрики
  - 4.5.3 Твердые диэлектрики
  - 4.6.1 Сегнетоэлектрики
  - 4.6.2 Пьезоэлектрики
  - 4.6.3 Пироэлектрики
  - 4.6.4 Электреты
  - 4.6.5 Жидкие кристаллы
  - 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
  - 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
  - 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
    - 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
    - 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
    - 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
    - 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
    - 5.5.3 Магнитные потери
    - 5.6.1 Постоянные магниты
    - 5.6.2 Пермаллои
    - 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
    - 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
      - 6.2.1 Классификация резисторов
      - 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
      - 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
      - 6.2.4 Магниторезисторы
      - 6.2.5 Фоторезисторы
      - 6.3.1 Классификация конденсаторов
      - 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
      - 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
      - 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
      - 6.4.2 Классификация диодов
      - 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
      - 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
      - 7.1 Краткие сведения о датчиках
      - 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
      - 7.3 Электротермический эффект Пельтье
      - 7.4 Эффект Холла
      - 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
      - 7.6 Магнитоупругий эффект
      - 7.7 Фотоэффект
      - 7.8 Терморезистивный эффект
      - 7.9 Тензорезистивный эффект
      - 7.10 Пьезоэлектрический эффект
      - 7.11 Пироэлектрический эффект
      2.3 Металлы высокой проводимости
      
      В эту группу входят материалы с удельным электрическим сопротивлением до 0,1 мкОм*м – медь, алюминий, железо и некоторые сплавы.
      
      ► Медь
      
      Медь занимает III место в мире по производству и потреблению. Как ЭТМ, она обладает целым рядом ценных свойств:
      1. малое удельное сопротивление (из всех металлов только серебро обладает несколько меньшим ρ);
      2. достаточно высокая механическая прочность;
      3. удовлетворительная коррозионная стойкость – на воздухе даже в условиях повышенной влажности медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;
      4. хорошая обрабатываемость – медь прокатывается в листы и ленты толщиной до 0,005 мм и протягивается в проволоку;
      5. легкость пайки и сварки.
      Медь встречается в природе в самородном состоянии, а также в виде медных руд. Ее содержание в земной коре составляет 3*10 -3 %, поэтому медь относится к сравнительно дорогим и дефицитным материалам. Медь выпускается в виде слитков, прутков, труб и трубок катанки, листов и лент, проволоки и проводов различных видов, катодов, профилей для коллекторных пластин и других фасонных изделий. Производство меди основано на переработке сульфидных и оксидных соединений. После обогащения медной руды флотационным способом и получения медного концентрата он плавится, после чего медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке – так называемому рафинированию. Полученные в результате электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80 – 90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия требуемого поперечного сечения (рисунок 2.12).
      
      Рисунок 2.13 – Технологические стадии производства электротехнической меди
      
      В качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0, отличающихся степенью чистоты, т.е. содержания Cu. Медь марки М1 содержит 99,9% Cu, а в общем количестве примесей (0,1%) регламентируется доля кислорода – она не должна превышать 0,08% (кислород ухудшает механические свойства меди). Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержание Cu составляет 99,95%, а кислорода – не более 0,02%. Из меди марки М0 может быть изготовлена особо тонкая проволока (диаметром 0,01 мм).
      
      При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря наклепу имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинения перед разрывом, а также твердость и упругость; при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит.
      
      Если же медь подвергнуть отжигу, т.е. нагреву до нескольких сотен градусов без доступа воздуха с последующим медленным охлаждением, то получается мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет пониженную твердость и небольшую прочность, но весьма большое удлинение при разрыве и более высокую удельную проводимость (на 3 – 5% больше, чем у марки МТ).
      
      Твердую медь марки МТ используют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин. Мягкую медь применяют главным образом в качестве токопроводящих элементов (жил кабелей, проводов и т.п.), т.е. там, где важны хорошая электропроводность, гибкость и пластичность, а прочность не имеет существенного значения. Ленточная мягкая медь используется для экранирования радиочастотных кабелей и т.п. изделий.
      
      Кроме того, несмотря на большой коэффициент линейного расширения по сравнению с коэффициентом расширения стекол, медь применяется в спаях с ними благодаря следующим своим свойствам: низкому пределу текучести, мягкости и высокому коэффициенту теплопроводности. Для впаивания в стекло медному электроду придается специальная форма в виде тонкого рантика (т.н. рантовые спаи).
      
      Удельное сопротивление меди существенно зависит от примесей, причем не только от их содержания, но и от вида примеси: например, примесь цинка, кадмия, серебра в количестве 0,5% изменяет удельное сопротивление на 5% (по сравнению с чистой медью), а аналогичное количество бериллия или фосфора – больше чем на 55%.
      
      В тех случаях, когда проводник должен обладать повышенными механическими характеристиками и не предъявляются высокие требования к его электропроводности, используются сплавы меди с другими металлами.
      
      Сплавы меди с цинком называются латуни. Они маркируются буквой Л и числами, характеризующими среднее значение основного и легирующих элементов, – например, латунь Л80 содержит 80% меди и 20% цинка. Если латунь легирована, помимо цинка, другими элементами, после буквы Л указывается условное обозначение этих элементов: С – свинец; О – олово; Ж – железо; А – алюминий; К – кремний; Мц – марганец; Н – никель. Цифры после букв указывают среднее содержание каждого легирующего элемента в латуни, кроме цинка, – его содержание определяется по разности от 100%. Например, в латуни ЛАН-59-3-2 содержится 59% Cu, 3% Al, 2% Ni и 36% Zn. Латуни обладают большим коэффициентом линейного удлинения при разрыве и большим значением σ_р, что обеспечивает технологические преимущества при производстве деталей штамповкой.
      
      Медно-никелевыми называются сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является никель, образующий с медью непрерывный ряд твёрдых растворов. При добавлении никеля к меди возрастают её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, сильно повышается стойкость против коррозии. Медно-никелевые сплавы хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии – из них получают листы, ленты, проволоку, прутки, трубы, штампуют различные изделия. Медно-никелевые сплавы подразделяются на конструкционные и электротехнические. Конструкционные медно-никелевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью и красивым серебристым цветом, к ним относятся мельхиор и нейзильбер. Электротехнические медно-никелевые сплавы имеют высокое электросопротивление и значительную термоЭДС в паре с другими металлами. Их применяют для изготовления резисторов, реостатов, термопар. К электротехническим медно-никелевым сплавам относятся константан, копель и другие сплавы.
      
      Сплавы меди со всеми остальными элементами (оловом, алюминием, кремнием, бериллием и т.д.) называются бронзами. При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более высокие механические свойства по сравнению с чистой медью; σ_р бронз может доходить до 800 – 1350 МПа (бериллиевая бронза). Электропроводимость бронз составляет 10 – 30% от значения для чистой меди (за исключением кадмиевой бронзы, у которой удельная электропроводимость снижается сравнительно мало). Бронзы маркируются Бр, а затем, также как у латуней, указываются основные легирующие элементы и их среднее содержание в сплаве. При этом цинк обозначается Ц, фосфор – Ф, бериллий – Б, хром – Х. Например, бронза БрО10 – сплав 90% Cu и 10% Sn.
      
      ► Алюминий
      
      Алюминий – важнейший представитель так называемых легких металлов, к которым относятся металлы с плотностью до 5000 кг/м 3 ; его плотность составляет 2600 – 2700 кг/м 3 , т.е. он примерно в 3,5 раза легче меди. Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом с высокой электро- и теплопроводностью. По значению удельного сопротивления алюминий занимает третье место. Поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике. Что же касается проводов, то, если сравнить отрезки алюминиевого и медного провода одинаковой длины и сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод, хоть и толще медного примерно в 1,3 раза, будет, тем не менее, легче в 2 раза.
      
      Алюминий дешевле и доступнее меди, т.к. он является самым распространенным в природе металлом. Его содержание в земной коре – не менее 8%. Технология получения алюминия схожа с технологией производства меди: его получают путем электролиза глинозема и электролитического рафинирования, с помощью которого можно довести его чистоту до 99,99%. Из слитков алюминия изготавливают алюминиевую проволоку и катанку диаметром 9 – 23 мм. При этом, хотя температура плавления алюминия почти в 2 раза меньше, чем у меди, для его расплавления требуется большая затрата тепла. Это связано с тем, что алюминий имеет более высокие значения температурного коэффициента расширения, удельной теплоемкости и теплоты плавления. В результате холодной прокатки получают твердый алюминий (АТ), который имеет повышенную механическую прочность, твердость и удельное сопротивление; относительное удлинение перед разрывом составляет для него 12 – 14%. После отжига получают мягкий (отожженный) алюминий (АМ), для которого относительное удлинение составляет 30 – 33%.
      
      Маркировка алюминия состоит из буквы А и цифры, обозначающей сотые или тысячные доли процента (после 99%) содержания алюминия. Например, особо чистый алюминий А999 содержит не менее 99,999% алюминия, остальное – примеси. Для электротехнических целей используются также марки А1 (содержание примесей менее 0,5%), АВ00 (≤ 0,03%) – для изготовления тонкой фольги (до 6 – 7 мкм), применяемой в качестве обкладок в бумажных и пленочных конденсаторах, и АВ0000
      (≤ 0,004%) – специального назначения.
      
      Алюминий весьма активно окисляется на воздухе и покрывается тонкой (порядка 0,0001 мм) оксидной пленкой Al₂O₃ с большим электрическим сопротивлением (порядка 10 14 Ом*м), предохраняющей алюминий от дальнейшей коррозии. С одной стороны, эта пленка создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами (используются ультразвуковые паяльники и специальные пасты – припои); с другой стороны, она служит естественной межвитковой изоляцией (при небольших напряжениях) и используется в этом качестве в производстве электролитических конденсаторов и микросхем.
      
      В местах контакта алюминия и меди, особенно на открытом воздухе в присутствии влаги, возникает довольно значительная гальваническая ЭДС, вызывающая коррозию металла. На поверхности контакта ток идет от алюминия к меди, и алюминий сильно разрушается коррозией. Поэтому в местах соединения алюминиевых и медных проводников устанавливаются стальные шайбы.
      
      Алюминиевые сплавы, также как и медные, обладают повышенной механической прочностью и твердостью, и тоже делятся на электротехнические и конструкционные. Из электротехнических сплавов наиболее известен альдрей, в который, кроме алюминия, входят 0,3 – 0,5% Mg, 0,4 – 0,7% Si и 0,2 – 0,3% Fe. Выпускается в виде проволоки, которая сохраняет легкость алюминия при небольшом увеличении удельной проводимости. А по механической прочности этот сплав близок к твердотянутой меди.
      
      Еще одним изделием из алюминия, получившим широкое применение в качестве ЭТМ, является сталеалюминиевый провод. Он представляет собой сердечник, свитый из стальных оцинкованных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. Прочность этого провода определяется стальным сердечником, а электрическая проводимость – алюминием.
      
      ► Железо
      
      Железо (в виде стали) является наиболее дешевым и доступным металлом (содержание в земной коре около 5%), поэтому оно часто используется в качестве проводникового и конструкционного материала. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк. Чистое железо имеет значительно более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное сопротивление; значение ρ стали, т.е. сплава железа с углеродом и другими элементами, еще выше, но зато эти сплавы обладают высокой механической прочностью.
      
      Поскольку сталь является хорошим ферромагнетиком, то на переменном токе в ней сильно проявляется поверхностный эффект, из-за чего активное сопротивление стальных проводников переменному току больше, чем постоянному. Кроме того, на переменном токе возникают дополнительные потери на гистерезис.
      
      В качестве проводникового материала обычно используется мягкая сталь с содержанием углерода 0,1 – 0,15%.
      
      Недостатком стали является малая коррозионная стойкость.
      
      В промышленности широко используется так называемый проводниковый биметалл – стальной провод, покрытый снаружи слоем меди или алюминия. Для его производства используется два способа – горячий и холодный. При горячем способе стальную болванку помещают в форму, промежуток заливают расплавленной медью, затем прокатывают и протягивают до нужного диаметра. Холодный способ – электролитический: стальная проволока пропускается через ванну с медным купоросом. В этом случае получается более равномерное покрытие, но менее прочное сцепление; этот способ более дорогой.
      
      Наиболее широко железо используется в сплавах высокого сопротивления.
      
      © ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
      Редакционно-издательский центр
      Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
      Уфа 2014
      
      Электропроводность металлов
      
      Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.
      
      Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.
      
      Природа электропроводности металлов
      
      Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».
      
      В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.
      
      Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.
      
      Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.
      
      VT-metall предлагает услуги:
      
      Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы
      
      Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.
      
      По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.
      
      Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.
      
      Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.
      
      Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.
      
      Электрическое сопротивление металлов
      
      Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.
      
      Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.
      
      Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.
      
      Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.
      
      В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:
      - Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
      - Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.
      Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:
      
      Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.
      
      Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.
      
      В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.
      
      Степень электропроводности разных металлов и сплавов
      
      Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.
      
      Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.
      
      Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.
      
      Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.
      
      Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.
      
      По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.
      
      Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.
      
      Опасность металлов с высокой электропроводностью
      
      Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.
      
      Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.
      
      Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.
      
      Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды
      
      Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:
      - температурой;
      - давлением;
      - наличием магнитных полей;
      - светом;
      - агрегатным состоянием вещества.
      Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.
      
      Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.
      
      Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:
      
      На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.
      
      У полупроводников зависимость будет представлена так:
      
      Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.
      
      Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.
      
      Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.
      
      Рекомендуем статьи
      
      Стоит пояснить, что под сплавом замещения понимают такой, в котором несколько элементов формируют одну кристаллическую решетку. Данная особенность прослеживается у нихрома, используемого для изготовления спиралей электроплит. Удельное сопротивление, а значит, и электропроводность этого металла совпадает с показателем проводников, а при подключении к сети он нагревается до красноты.
      
      Выше были представлены только основные теории, касающиеся физических свойств металлов, а именно электропроводности, сопротивления. Например, не была затронута квантовая теория проводимости Зоммерфельда. Этого краткого знакомства вполне достаточно, чтобы понять, что сопротивление является сложным и комплексным понятием, которое невозможно полностью разобрать на основе простейшего закона Ома.
      
      Почему следует обращаться именно к нам
      
      Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
      
      Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
      - цветные металлы;
      - чугун;
      - нержавеющую сталь.
      При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
      
      Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
      
      Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
      
      Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
      
      Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
      
      Читайте также: