Металлы плохо проводят электрический ток

Обновлено: 18.05.2024

В этом листке мы приступаем к подробному изучению того, как осуществляется прохождение электрического тока в различных проводящих средах — твёрдых телах, жидкостях и газах.

Напомним, что необходимым условием возникновения тока является наличие в среде достаточно большого количества свободных зарядов, которые могут начать упорядоченное движение под действием электрического поля. Такие среды как раз и называются проводниками электрического тока.

Наиболее широко распространены металлические проводники. Поэтому начинаем мы с вопросов распространения электрического тока в металлах.

Мы много раз говорили о свободных электронах, которые являются носителями свободных зарядов в металлах. Вам хорошо известно, что электрический ток в металлическом проводнике образуется в результате направленного движения свободных электронов.

Свободные электроны

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическую структуру: расположение атомов в пространстве характеризуется периодической повторяемостью и образует геометрически правильный рисунок, называемый кристаллической решёткой.

Атомы металлов имеют небольшое число валентных электронов, расположенных на внешней электронной оболочке. Эти валентные электроны слабо связаны с ядром, и атом легко может их потерять.

Когда атомы металла занимают места в кристаллической решётке, валентные электроны покидают свои оболочки — они становятся свободными и отправляются «гулять» по всему кристаллу (а именно, свободные электроны перемещаются по внешним орбиталям соседних атомов. Эти орбитали перекрываются друг с другом вследствие близкого расположения атомов в кристаллической решётке, так что свободные электроны оказываются «общей собственностью» всего кристалла). В узлах кристаллической решётки металла остаются положительные ионы, пространство между которыми заполнено «газом» свободных электронов (рис. 1 ).

Рис. 1. Свободные электроны

Свободные электроны и впрямь ведут себя подобно частицам газа (другой адекватный образ — электронное море, которое «омывает» кристаллическую решётку) — совершая тепловое движение, они хаотически снуют туда-сюда между ионами кристаллической решётки. Суммарный заряд свободных электронов равен по модулю и противоположен по знаку общему заряду положительных ионов, поэтому металлический проводник в целом оказывается электрически нейтральным.

Газ свободных электронов является «клеем», на котором держится вся кристаллическая структура проводника. Ведь положительные ионы отталкиваются друг от друга, так что кристаллическая решётка, распираемая изнутри мощными кулоновскими силами, могла бы разлететься в разные стороны. Однако в тоже самое время ионы металла притягиваются к обволакивающему их электронному газу и, как ни в чём не бывало, остаются на своих местах, совершая лишь тепловые колебания в узлах кристаллической решётки вблизи положений равновесия.

Что произойдёт, если металлический проводник включить в замкнутую цепь, содержащую источник тока? Свободные электроны продолжают совершать хаотическое тепловое движение, но теперь — под действием возникшего внешнего электрического поля — они вдобавок начнут перемещаться упорядоченно. Это направленное течение электронного газа, накладывающееся на тепловое движение электронов, и есть электрический ток в металле (поэтому свободные электроны называются также электронами проводимости). Скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, как нам уже известно, составляет приблизительно 0,1мм/с.

Опыт Рикке

Почему мы решили, что ток в металлах создаётся движением именно свободных электронов? Положительные ионы кристаллической решётки также испытывают на себе действие внешнего электрического поля. Может, они тоже перемещаются внутри металлического проводника и участвуют в создании тока?

Упорядоченное движение ионов означало бы постепенный перенос вещества вдоль направления электрического тока. Поэтому надо просто пропускать ток по проводнику на протяжении весьма длительного времени и посмотреть, что в итоге получится. Такого рода эксперимент и был поставлен Э.Рикке в 1901 году.

В электрическую цепь были включены три прижатых друг к другу цилиндра: два медных по краям и один алюминиевый между ними (рис. 2 ). По этой цепи пропускался электрический ток в течение года.

Рис. 2. Опыт Рикке

За год сквозь цилиндры прошёл заряд более трёх миллионов кулон. Предположим, что каждый атом металла теряет по одному валентному электрону, так что заряд иона равен элементарному заряду Кл. Если ток создаётся движением положительных ионов, то нетрудно подсчитать (сделайте это сами!), что такая величина прошедшего по цепи заряда соответствует переносу вдоль цепи около 2кг меди.

Однако после разъединения цилиндров было обнаружено лишь незначительное проникновение металлов друг в друга, обусловленное естественной диффузией их атомов (и не более того). Электрический ток в металлах не сопровождается переносом вещества, поэтому положительные ионы металла не принимают участия в создании тока.

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси. Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции.

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод

С — углерод. Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения

Компонент резисторов. В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.

Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.

Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.

Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.

Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0.7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал	Температурный коэффициент α
Кремний	-0,075
Германий	-0,048
Манганин	0,00002
Константан	0,00005
Нихром	0,0004
Ртуть	0,0009
Сталь 0,5% С	0,003
Цинк	0,0037
Титан	0,0038
Серебро	0,0038
Медь	0,00386
Свинец	0,0039
Платина	0,003927
Золото	0,004
Алюминий	0,00429
Олово	0,0045
Вольфрам	0,0045
Никель	0,006
Железо	0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово

Sn — Олово. Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует эвтектику, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове

Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший список сплавов есть в Википедии.

Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники

Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про термопары можно прочитать в соответствующей литературе.

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:

Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.

На просвет проводящая пленка не видна

На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

Электрический ток в металлах

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.

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: