Удельное сопротивление металла пропорционально

Обновлено: 20.05.2024

1. Влияние плотности упаковки кристаллической структуры. Металлы с плотноупакованными ГЦК и ГПУ решетками обладают большей проводимостью, чем металлы с менее плотноупакованной ОЦК решеткой. У металлов с плотноупакованной решеткой больше плотность электронного газа, т. е. концентрация свободных электронов.

Непереходные металлы. В I группе периодической системы щелочные металлы имеют ОЦК решетку, металлы подгруппы меди (Cu, Ag, Au) – ГЦК решетку. Металлы II группы с достроенными внутренними электронными оболочками (Be, Mg, Zn и Cd) – ГПУ решетку. В зависимости от соотношения ее параметров с/а (а – сторона шестигранника, с – высота призмы) кристаллические решетки могут сжиматься (с/а < 1,633), либо растягиваться (с/а > 1,633) вдоль гексагональной оси.

Переходные металлы имеют меньшую электропроводность, что связано с их электронным строением. Внутренние d- или f-оболочки этих элементов электронами заполнены не полностью. В электрическом поле часть валентных электронов из внешней s-оболочки переходит на свободные уровни внутренних оболочек. Это приводит к уменьшению числа свободных электронов, участвующих в проводимости. Особенности электронного строения переходных металлов являются причиной специфических свойств: тепловых, магнитных, склонности к полиморфизму, переменной валентности и др.

2. Влияние химического состава. Наличие примесей приводит к увеличению удельного сопротивления проводника. Во-первых, вблизи примеси происходит отклонение траектории движения электронов, скорость их движения в первоначальном направлении уменьшается. Во-вторых, примеси деформируют кристаллическую решетку, длина свободного пробега электрона уменьшается. При малых концентрациях примеси сопротивление растет линейно, больших (> 1 %) – нелинейно.

3. Влияние температуры. Все свойства материалов зависят от температуры. Это учитывается введением температурного коэффициента.Размерность любого коэффициента – 1/К. Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКr – величина, на которую изменится удельное сопротивление при изменении температуры на 1 К:

У многих металлов ТКр = 1/273 = 0,004 К -1 , исключение – Fe, Co, Ni, Na, K, Cr, у которых ТКr больше или меньше 0,004 в 1,5–2 раза.

При понижении температуры удельное сопротивление идеального проводника стремится к нулю (рис. 10.3, ветвь а). На участке I у технически чистого металлического проводника имеется «остаточное» удельное сопротивление r_ост, величина которого не зависит от температуры, но зависит от наличия примесей. Чем чище металл и уже участок I, тем меньше r_ост. Некоторые металлы переходят в состояние сверхпроводимости (ветвь б). На участке II сопротивление растет: r ~ Т n , где n с ростом температуры изменяется от 5 до 1. При нагревании возбуждаются новые частоты тепловых колебаний (фононов) кристаллической решетки, на которых рассеиваются электроны. При температуре Дебая Q (для большинства металлов 100–400 К), спектр колебаний возбуждается полностью. На участке III сопротивление растет пропорционально увеличению температуры; пропорционально увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов. При температуре плавленияэлектрическое сопротивление большинства жидких металлов (за исключением Ga, Hg, Sb, Bi) в 1,5–2 раза больше, чем твердых. Это объясняется нарушением строгого порядка атомов при плавлении, а также некоторым изменением межатомной связи.Например, у сурьмы при плавлении сопротивление уменьшается. В твердом состоянии сурьма имеет решетку с ковалентной связью. При плавлении эта связь разрушается и заменяется металлической. На участке IV удельное сопротивление изменяется резко вверх или вниз в зависимости от того, увеличивается или уменьшается объем металла при плавлении. У большинства металлов в расплавленном состоянии ТКr положительный (ветви д, е), у немногих – отрицательный (ветвь ж).

4. Влияние типа сплава. Правила Н.С. Курнакова. В зависимости от типа взаимодействия компонентов образуются основные типы сплавов: гетерогенные структуры (механические смеси), твердые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, химические (интерметаллические) соединения. Если известны свойства чистых компонентов и вид диаграммы состояния, то можно предсказать электрические свойства сплава.

1) В твердых растворах с неограниченной растворимостью компонентов свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Механические, электрические свойства сплавов и чистых компонентов отличаются (рис. 10.4,а). Кристаллическая решетка твердого раствора деформирована. Это приводит к рассеянию электронов. Сопротивление сплава также тем больше, чем больше разница в валентностях и размерах атомов. Зависимость удельного сопротивления от состава сплава имеет параболический характер.

Если металлы, образующие твердые растворы, принадлежат к одной группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, то зависимость удельного сопротивления от состава сплавов имеет примерно симметричный максимум. Если металлы принадлежат к разным группам – максимум имеет несимметричную форму, и сдвинут от середины диаграммы в сторону металла, удельное сопротивление которого при комнатной температуре больше.

2) В твердых растворах с ограниченной растворимостью компонентов свойства сплавов изменяются сложным образом: в однофазных областях – по криволинейному закону, в двухфазных – по линейному (рис. 10.4,в). При дисперсионном твердении сплавов уменьшается концентрация легирующего элемента, кристаллическая решетка становится менее деформированной. Выделившийся компонент формирует вторичные кристаллы твердого раствора или химического соединения. В сплаве увеличивается число фаз, т. е. суммарная поверхность. Структурные изменения приводят к уменьшению удельного сопротивления, но оно остается выше, чем у чистого металла основного элемента.

3) Свойства сплавов – механических смесей изменяются по линейному закону (рис. 10.4,б). Удельное сопротивление сплавов в первом приближении линейно изменяется с изменением состава, т. е. возрастает пропорционально содержанию металла с большим значением удельного сопротивления. Заметные отклонения от линейности могут быть вызваны размерами зерен, их формой, распределением.

4) Химическому соединению на диаграмме состояния соответствует вертикальная линия, которая разделяет диаграмму на две независимые части с эвтектикой (рис. 10.4,г). Компоненты образуют с химическим соединением механические смеси. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов. Различают химические соединения металл-неметалл и интерметаллиды.

Сопротивление химического соединения металл-неметалл выше, чем отдельных компонентов, поскольку образование ковалентных или ионных связей уменьшает число свободных электронов. При отклонении химического состава от формулы соединения решетка искажается, образуются новые носители тока (как в полупроводниках), и сопротивление падает.

В интерметаллидах сохраняется металлическая связь, для которой характерна высокая концентрация электронов проводимости. Однако скорость их направленного движения в электрическом поле намного меньше, чем в металлах, за счет более сильного взаимодействия с атомами. Удельное сопротивление интерметаллидов больше.

5. Влияние деформации. При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиваться, так и уменьшаться. При упругом растяжении и кручении увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов. Длина свободного пробега электрона уменьшается, удельное сопротивление увеличивается. При деформации сжатием амплитуды тепловых колебаний атомов, наоборот, уменьшаются. В результате длина свободного пробега носителей заряда увеличивается, а удельное сопротивление уменьшается.

При пластической деформации зерна деформируются, увеличивается плотность дислокаций и концентрация собственных точечных дефектов. Это приводит к увеличению предела прочности, твердости и износостойкости. Удельное сопротивление при этом увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов зерна укрупняются, концентрация дефектов уменьшается. Удельное сопротивление снижается до первоначального значения.

6. Влияние размеров проводника. Наиболее дефектной частью зерна является поверхность. Тонкие пленки, полученные, например, методами термического напыления в вакууме или химического осаждения, имеют большое удельное сопротивление. При кристаллизации в мелкозернистой пленке появляется много дефектов: вакансий, дислокаций, межблочных и межзеренных границ и др. Длина свободного пробега электрона уменьшается. Удельное сопротивление пленки тем больше, чем меньше ее толщина. Для оценки удельного сопротивления тонких пленок принято сопротивление квадрата R_□, через противоположные грани которого ток протекает параллельно поверхности:

где r_d – удельное сопротивление пленки толщиной d.

Сопротивление квадрата часто используют для определения сопротивления тонкопленочного резистора:

R = R_□ l / s,

где l – длина резистора; s – ширина пленки.

Особенностью электрических свойств тонких пленок является переход при определенной толщине знака TKr через нуль с изменением на противоположный. При увеличении толщины пленки TKr стремится к его значению в толстых слоях.

7. Влияние частоты тока. На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводника: плотность тока максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Это явление – скин-эффект. Неравномерное распределение тока объясняется действием магнитного поля того же проводника. В высокочастотных цепях проводники полые.

Скин-эффект характеризуется глубиной проникновения электромагнитного поля в проводник: чем выше его частота, тем на меньшую глубину оно проникает. Расстояние, на котором амплитуда напряженности поля (следовательно, и плотность тока) уменьшается в е раз от своего значения на поверхности – глубина проникновения поля D:

где w – частота; g – удельная электропроводность; μ – магнитная проницаемость; μ₀ – магнитная постоянная.

При высоких частотах плотность тока в остальных частях сечения проводника равна нулю, за исключением поверхностного слоя. Сопротивление проводника, вызванное скин-эффектом, можно оценить сопротивлением квадрата его поверхности R_s, аналогично R_□, заменив d на D:

Сопротивление R_s плоского проводника при скин-эффекте равно сопротивлению плоского проводника толщиной d при постоянном токе.

Зависимость электрического сопротивления от сечения, длины и материала проводника

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены.

Можно проверить это практически на следующем опыте.

Рисунок 1. Опыт, показывающий зависимость электрического сопротивления от материала проводника

Подберем два или три проводника из различных материалов, возможно меньшего, но одинакового поперечного сечения, например, один медный, другой стальной, третий никелиновый. Укрепим на планке два зажима а и б на расстоянии 1 —1,5 м один от другого (рис. 1) и подключим к ним аккумулятор через амперметр. Теперь поочередно между зажимами а и б будем на 1—2 сек включать сначала медный, потом стальной и, наконец, никелиновый проводник, наблюдая в каждом случае за отклонением стрелки амперметра. Нетрудно будет заметить, что наибольший по величине ток пройдет по медному проводнику, а наименьший — по никелиновому.

Из этого следует, что сопротивление медного проводника меньше , чем стального, а сопротивление стального проводника меньше , чем никелинового.

Таким образом, электрическое сопротивление проводника зависит от материала, из которою он изготовлен.

Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие о так называемом удельном сопротивлении.

Определение: Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной в 1 м и сечением в 1 мм 2 при температуре +20 С°.

Удельное сопротивление обозначается буквой ρ («ро») греческого алфавита.

Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает определенным удельным сопротивлением. Например, удельное сопротивление меди равно 0,0175 Ом*мм 2 /м, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм 2 обладает сопротивлением 0,0175 Ом.

Ниже приводится таблица удельных сопротивлений материалов, наиболее часто применяемых в электротехнике.

Удельные сопротивления материалов, наиболее часто применяемых в электротехнике

Любопытно отметить, что например, нихромовый провод длиною 1 м обладает примерно таким же сопротивлением, как медный провод длиною около 63 м (при одинаковом сечении).

Разберем теперь, как влияют размеры проводника , т. е. длина и поперечное сечение, на величину его сопротивления.

Воспользуемся для этого схемой, изображенной на рис. 1. Включим между зажимами а и б для большей наглядности опыта проволоку из никелина. Заметив показание амперметра, отключим от зажима б проводник, которой соединяет прибор с минусом аккумулятора, и освободившимся концом проводника прикоснемся к никелиновой проволоке на некотором удалении от зажима а (рис. 2). Уменьшив таким образом длину проводника, включенного в цепь, нетрудно заметить по показанию амперметра, что ток в цепи увеличился.

Рисунок 2. Опыт, показывающий зависимость электрического сопротивления от длины проводника

Это говорит о том, что с уменьшением длины проводника сопротивление его уменьшается. Если же перемещать конец проводника по никелиновой проволоке вправо, т. е. к зажиму б, то, наблюдая за показаниями амперметра, можно сделать вывод, что с увеличением длины проводника сопротивление его увеличивается.

Таким образом, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление..

Выясним теперь, как зависит сопротивление проводника от его поперечного сечения, т. е. от толщины.

Подберем для этого два или три проводника из одного и того же материала (медь, железо или никелин), но различного поперечного сечения и включим их поочередно между зажимами а и б, как указано на рис. 1.

Наблюдая каждый раз за показаниями амперметра, можно убедиться, что чем тоньше проводник, тем меньше ток в цепи, а следовательно, тем больше сопротивление проводника. И, наоборот, чем толще проводник, тем больше ток в цепи, а следовательно, тем меньше сопротивление проводника.

Значит, сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше уяснить эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов (рис. 3), причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой — толстая.

Рисунок 3. Вода по толстой трубке перейдет быстрее, чем по тонкой

Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой. Это значит, что толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Обобщая результаты произведенных нами опытов, можно сделать следующий общий вывод:

электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь его поперечного сечения..

Математически эта зависимость выражается следующей формулой:

где R—сопротивление проводника в Ом;

ρ — удельное сопротивление материала в Ом*мм 2 /м;

l — длина проводника в м;

S—площадь поперечного сечения проводника в мм 2 .

Примечание. Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле

где π —постоянная величина, равная 3,14;

Указанная выше зависимость дает возможность определить длину проводника или его сечение, если известны одна из этих величин и сопротивление проводника.

Так, например, длина проводника определяется по формуле:

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формула принимает следующий вид:

Решив это равенство относительно ρ, получим выражение для определения удельного сопротивления проводника:

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Определив по формуле удельное сопротивление проводника, можно найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Свойства проводниковых материалов и зависимость их от состава и внешних факторов

К основным свойствам проводниковых материалов относятся:

Удельная проводимость или обратная ей величина – удельное сопротивление;
Температурный коэффициент удельного сопротивления;
Удельная теплопроводность;
Контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;
Предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.

Удельное сопротивление проводников. Величину, обратную удельной проводимости g называют удельным сопротивлением r и для проводника с постоянным поперечным сечением определяют по формуле:

Единицей удельного сопротивления в СИ является Ом×м, однако в практике чаще пользуются внесистемной единицей мкОм×м.

Следует отметить, что в отличие от диэлектриков диапазон удельных сопротивлений металлических проводников достаточно мал – от 0,016мкОм×м. для серебра и примерно до 10 мкОм×м. для железо-хромо-кобальто-алюминиевых сплавов, т.е. занимает всего три порядка.

Температурная зависимость удельного сопротивления металлических проводников. Как было показано ранее в идеально чистых металлах единственной причиной, которая ограничивает длину свободного пробега, являются тепловые колебания узлов кристаллической решетки (фононы). Удельное сопротивление металла, обусловленное этим фактором, обозначим как ρ_Т_.. С ростом температуры возрастают амплитуды фононов и связанные с этим флюктуации периодического поля решетки. Это повышает рассеивание электронов, уменьшает длину свободного пробега и вызывает возрастание удельного сопротивления. Для упрощенной одномерной модели решетки длина свободного пробега электронов определяется как:

где λ_св - длина свободного пробега;

Δa - амплитуда фононов;

N - концентрация атомов в металле.

Потенциальная энергия атома, отклоненного на Δa от узла решетки:

где К_упр - коэффициент упругости связи.

Согласно классической статистике средняя энергия одномерного гармоничного осциллятора равняется КТ. Тогда:

½ · K_упр (Δa) 2 = КТ (4.6)

где К - постоянная Больцмана.

Тогда из (4.5), (4.6) получим:

Если подставить (4.7) в (4.2) получим:

То есть с ростом температуры удельное сопротивление чистых металлов должно возрастать линейно. В действительности эта зависимость является более сложной (рисунок 4.2)

На участке 3 при комнатных температурах зависимость ρ = ¦(Т) линейна, как это видно из (4.8). То есть с ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, что уменьшает длину свободного пробега электронов.

На участке 4 вблизи температуры плавления имеет некоторая нелинейность, что объясняется другими механизмами рассеивания электронов.

При переходе металла из твердого состояния в жидкое (температура плавления Т_пл) может иметь место как резкое возрастание удельного сопротивления (а), так и его уменьшение (б). Это связано с изменением структуры кристаллической решетки. Если при плавлении объем металла возрастает, что имеет место для большинства металлов, то расстояние между атомами тоже возрастает, металлическая связь уменьшается, а амплитуда фононов возрастает, что уменьшает длину свободного пробега электронов, следовательно, сопротивление металла возрастает. Для некоторых металлов (висмут, галлий) при плавлении объем металла уменьшается, что усиливает связи между атомами, амплитуда фононов уменьшается и удельное сопротивление тоже уменьшается.

На участке 5 металлы находятся в жидком состоянии и сохраняют кристаллическую решетку, поэтому зависимость удельного сопротивления от температуры поясняется аналогично участку 3.

На участке 2, ниже температуры Дебая (Т_Д) изменяется частота тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, поэтому зависимость ρ = ¦(Т) нелинейна и подчиняется закону:

ρ = A·T n (4.9)

где n - изменяется от 1 до 5.

На участке 1 некоторые металлы имеют конечное сопротивление (r_ост) даже при температуре Т=0 К. Это объясняется наличием в металле статических дефектов решетки, прежде всего примесей. Это позволяет оценивать чистоту металлов на основании отношения:

где ρ_300K , ρ_4K - соответственно удельное сопротивление металла при 300 К и 4,2 К (температура кипения жидкого гелия). Чем меньше это отношение, тем чище металл.

У некоторых металлов при температуре ниже Т_св наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления до нуля. Такое явление называют сверхпроводимостью.

Таким образом, согласно (4.9) металлические проводники в обычных условиях имеют линейную зависимость удельного сопротивления от температуры.

Влияние примесей на удельное сопротивление металлических проводников.Как уже говорилось, причинами рассеяния электронов в металлах являются не только тепловые колебания узлов кристаллической решетки, но и наличие статических дефектов, которые, прежде всего связанные с примесями. Рассеивание на статических дефектах не зависит от температуры. Поэтому при абсолютном нуле сопротивление реальных металлов остается конечным. Из этого следует правило Маттиссена об аддитивности удельного сопротивления:

где ρ_пр - полное сопротивление металла с примесью;

ρ_т - сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на фононах;

ρ_ост - остаточное сопротивление, обусловленное рассеиванием электронов на статических дефектах решетки.

Наибольший вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесных атомах, которые практически всегда имеются в металлах. Поэтому длина свободного пробега электронов в металлах с примесью состоит из:

где l_Т, l_Д - длина свободного пробега электронов, ограниченная фононами и примесями, соответственно.

Длина пробега l_Д:

где N_d - концентрация атомов примеси;

S_d – эффективная плоскость рассеивания электронов атомами примеси.

Тогда удельное сопротивление проводника с примесью:

То есть наличие примесь увеличивает удельное сопротивление металла, но его зависимости от температуры остается линейной (рис. 4.3)

Dρ_ост = а +b(DZ) 2 (4.14)

где Dρ_ост - изменение остаточного сопротивления при изменении примеси;

DZ - разность валентностей собственного атома и атома примеси;

а, b - константы.

Таким образом, на сопротивление металлов меньшее влияние оказывают примесные атомы металла, а большее – атомы металлоидов.

В технике очень широко используют металлические сплавы, имеющие значительную концентрацию атомов примеси, со структурой неупорядоченного твердого раствора. Статическое распределение атомов разного вида в узлах кристаллической решетки вызывает значительные флюктуации периодического поля кристалла, рассеивающего электроны. Но в неупорядоченных твердых растворах, преимущественно с добавкой примеси, изменяется только период решетки. Поэтому действителен закон Нордгейма:

де С - константа;

x_А, x_В - атомные доли компонентов в сплаве.

То есть в бинарных твердых растворах А-В остаточное сопротивление возрастает, как при добавлении атомов металла В к металлу А, так и при добавленные атомов металла А к металлу В (рис. 4.4). Остаточное сопротивление достигает максимума при x_А = x_В = 0,5.

Закон Нордгейма описывает изменение остаточного сопротивления для непрерывных неупорядоченных твердых растворов. Если сплав отжечь, то он может стать упорядоченным и, если при этом возникают интерметаллические соединения, которые имеют собственную кристаллическую решетку, то зависимость остаточного сопротивления разделяется на части, соответственно числу интерметаллических соединений. Таким образом, удельное сопротивление металлических сплавов всегда выше сопротивления чистых металлов. Это свойство используется для получения высокоомных проводниковых материалов.

Изменение удельного сопротивления при упругих деформациях объясняется изменением амплитуды колебания узлов кристаллической решетки металла. Увеличение амплитуды колебания узлов решетки металла приводит к уменьшению длины свободного пробега носителей заряда и удельное сопротивление возрастает. Пластическая деформация, как правило, повышает удельное сопротивление металлов вследствие искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) удельное сопротивление может вновь снижено до первоначальных значений.

Температурный коэффициент удельного сопротивления.В диапазоне температуры, где зависимость r от t близка к линейной (рис. 4.2, участок 3) допустима линейно-кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина удельного сопротивления в конце диапазона температуры t может быть подсчитана по формуле

где r₀—удельное сопротивление в начале диапазона.

Величину a_r из выражения (4.) называют средним температурным коэффициентом удельного сопротивления в данном диапазоне температуры:

Дифференциальное выражение для a_r имеет вид

Значения a_r чистых металлов в твердом состоянии близки друг к другу, и поэтому приближенно можно считать a_r » 0,004 , К -1 .

Исключение составляют элементы, относящиеся к ферромагнетикам — железо, никель, кобальт, гадолиний, а также натрий, калий, хром и др., однако и для них a_r отличается от приведенной величины только в 1,5—2 раза.

Наличие примесей уменьшает значение α_ρ. У некоторых сплавов α_ρ. даже может приобретать небольшие отрицательные значения (рис.4.5). Это объясняют тем, что при более сложных составе и структурax по сравнению с чистыми металлами сплавы нельзя рассматривать как классические металлы, т. е. изменение проводимости их обусловливается не только изменением подвижности носителей заряда но в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носителей при повышении температуры. Сплав, у которого уменьшение подвижности с увеличением температуры компенсируется возрастанием концентрации носителей заряда, имеет нулевой температурный коэффициент удельного сопротивления.

Это явление используется для изготовления термостабильных сплавов, например, константана, манганина ). Константан - сплав с 60% Ni и 40% Сu имеет большое сопротивление (~0,5 мкОм×м) и очень малый температурный коэффициент (меньше 10 -6 К -1 ), отсюда и его название.

Удельная теплопроводность металлов. Высокая теплопроводность металлов легко объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами. Так как механизм электропроводности и теплопроводности в металлах обусловлен одними и теми же факторами: движением электронного газа и его плотностью, очевидно, что металлы с высокой электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла, а диэлектрики обладают не только низкой электропроводностью, но и низкой теплопроводностью. Так, медь имеет удельную теплопроводность 406 Вт/К×м, серебро 453 Вт/К×м, алюминий 218 Вт/К×м, что значительно выше чем у диэлектриков. Удельная теплопроводность и электропроводность металлов связаны законом Видемана-Франца:

где l_Т - удельная теплопроводность.

σ - удельная электропроводность.

L₀ - число Лоренца.

Поскольку на участке комнатных температур удельная электропроводность падает пропорционально температуре, то согласно (4.19), удельная теплопроводность металлов не должна зависеть от температуры. Это следствие из закона Видемана-Франца выполняется для большинства металлов. Это свойство применяют в технике, при использовании металлов как радиаторов для охлаждения мощных полупроводниковых приборов.

Для этой цели необходимо использовать металлы с большим значением удельной теплопроводности. Чаще всего, это сплавы на основе алюминия (силумин), которые имеют хорошие тепловые, механические и антикоррозийные свойства. Медь нельзя использовать вследствие её плохой коррозионной стойкости, а серебро - вследствие высокой стоимости.

Контактные явления и термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с.)

При соприкосновении двух разных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов. Согласно квантовой теории причиной этого является различная энергия Ферми соприкасающихся металлов. Пусть в изолированном состоянии электронный газ в металлах А и В имеет энергию Ферми W_F A и W_F B , отсчитываемую от дна зоны проводимости (рис.4.6).

Термодинамическая работа выхода электронов из металла равняется, соответственно, c_А и c_В_. Поскольку кинетическая энергия электронов, которые находятся на уровне Ферми в разных металлах различна, то при контакте материалов возникает значительный переход электронов из металла В с большим значением энергии Ферми в металл, где эта энергия меньше. Например, из металла В в металл А. Вследствие этого металл В заряжается положительно, а металл А - отрицательно. Между ними возникает разность потенциалов, которая блокирует дальнейший переход носителей заряда. Равновесие наступит, если:

где U_K - контактная разность потенциалов.

контактная разность потенциалов достигает несколько вольт.

Термоэлемент, который построен из двух различных металлических проводников с замкнутой цепью, называют термопарой (рис.4.7).

Вольтметр в такой цепи будет показывать разность потенциалов, которую называют термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.). Термо-э.д.с. равняется:

где a_T — относительная удельная термо-э.д.с.

Значение a_T зависит от природы материалов и температуры и включает в себя три составляющих. Первая обусловлена температурной зависимостью контактной разности потенциалов, поскольку с ростом температуры уровень Ферми в металлах незначительно, но смещается.

Вторая составляющая обусловлена диффузией носителей заряда от горячих спаев к холодным. Поскольку существует градиент температуры от контакта к контакту, то возникает диффузия электронов от горячего контакта к холодному, что дает некоторый вклад в возникающую разность потенциалов.

Третья составляющая возникает вследствие захвата электронов квантами тепловой энергии. Их поток тоже передвигается к холодному контакту. Значение a_T приблизительно равняется нескольким мкВ/К.

Термопары часто используют для измерения температуры. Если температуру холодного контакта поддерживать 0 О С, то вольтметр будет показывать напряжение пропорциональное температуре горячего контакта. Достоинством термопар является высокая линейность, возможность измерения температуры в широком интервале температур, независимость значения термо-э.д.с. от длины проводников.

Вследствие того, что значение a_T зависит от состава материала и незначительно от температуры, термопары градуируют, используя точки плавления металлов: свинца, олова, серебра и других.

Наиболее распространенными термопарами являются:

· Хромель- копель (типа ХК). Она позволяет измерять температуры до 600 О С и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 50 мВ.

· Хромель-алюмель (типа ХА). Она используется к температурам 1000 О С и имеет при этой температуре термо-э.д.с. приблизительно 40 мВ.

· Медь-константан. Ее используют при низких температурах до 350 О С. При этой температуре термо-э.д.с. достигает 15 мВ.

· Платинородий-платина (типа ПП или ППР). Ее применяют до температуры 71600 О С. Термо-э.д.с. у этой термопары невелика (приблизительно 14 мВ при 1600 О С). Но она позволяет обеспечить наиболее точные и стабильные измерения температуры.

Однако явление термо-э.д.с. имеет и отрицательные стороны. В реальных условиях исключить градиенты температур практически невозможно. Поэтому, если контактируют различные металлы, то возможно возникновение паразитной термо-э.д.с. Для устранения этого в цепях (прежде всего электроизмерительных устройств), надо подбирать контактирующие металлы с малыми значениями термо-э.д.с. Такой парой, например, является медь-манганин.

Удельное сопротивление и сверхпроводимость

На опыте установлено, что сопротивление R металлического проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади его поперечного сечения А:

R = ?L/А (26.4)

где коэффициент ? называется удельным сопротивлением и служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник. Это соответствует здравому смыслу: сопротивление толстого провода должно быть меньше, чем тонкого, поскольку в толстом проводе электроны могут перемещаться по большей площади. И можно ожидать роста сопротивления с увеличением длины проводника, так как увеличивается количество препятствий на пути потока электронов.

Типичные значения ? для разных материалов приведены в первом столбце табл. 26.2. (Реальные значения зависят от чистоты вещества, термической обработки, температуры и других факторов.)

Таблица 26.2. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (при 20 °С)
Вещество	Удельное сопротивление ?,Ом·м	ТКС ?,°C -1
Проводники
Серебро	1,59·10 -8	0,0061
Медь	1,68·10 -8	0,0068
Алюминий	2,65·10 -8	0,00429
Вольфрам	5,6·10 -8	0,0045
Железо	9,71·10 -8	0,00651
Платина	10,6·10 -8	0,003927
Ртуть	98·10 -8	0,0009
Нихром (сплав Ni, Fe, Сг)	100·10 -8	0,0004
Полупроводники 1)
Углерод (графит)	(3-60)·10 -5	-0,0005
Германий	(1-500)·10 -5	-0,05
Кремний	0,1 - 60	-0,07
Диэлектрики
Стекло	10 9 - 10 12
Резина твердая	10 13 - 10 15
1) Реальные значения сильно зависят от наличия даже малого количества примесей.

Самым низким удельным сопротивлением обладает серебро, которое оказывается, таким образом, наилучшим проводником; однако оно дорого. Немногим уступает серебру медь; ясно, почему провода чаще всего изготовляют из меди.

Удельное сопротивление алюминия выше, чем у меди, однако он имеет гораздо меньшую плотность, и в некоторых случаях ему отдают предпочтение (например, в линиях электропередач), поскольку сопротивление проводов из алюминия той же массы оказывается меньше, чем у медных. Часто пользуются величиной, обратной удельному сопротивлению:

? = 1/? (26.5)

? называемой удельной проводимостью. Удельная проводимость измеряется в единицах (Ом·м) -1 .

Удельное сопротивление вещества зависит от температуры. Как правило, сопротивление металлов возрастает с температурой. Этому не следует удивляться: с повышением температуры атомы движутся быстрее, их расположение становится менее упорядоченным, и можно ожидать, что они будут сильнее мешать движению потока электронов. В узких диапазонах изменения температуры удельное сопротивление металла увеличивается с температурой практически линейно:

где ? _T - удельное сопротивление при температуре Т, ?₀ - удельное сопротивление при стандартной температуре Т₀, а ? - температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Значения а приведены в табл. 26.2. Заметим, что у полупроводников ТКС может быть отрицательным. Это очевидно, поскольку с ростом температуры увеличивается число свободных электронов и они улучшают проводящие свойства вещества. Таким образом, сопротивление полупроводника с повышением температуры может уменьшаться (хотя и не всегда).

Значения а зависят от температуры, поэтому следует обращать внимание на диапазон температур, в пределах которого справедливо данное значение (например, по справочнику физических величин). Если диапазон изменения температуры окажется широким, то линейность будет нарушаться, и вместо (26.6) надо использовать выражение, содержащее члены, которые зависят от второй и третьей степеней температуры:

? _T = ?₀(1+?Т+ + ?Т 2 + ?Т 3 ),

где коэффициенты ? и ? обычно очень малы (мы положили Т₀ = 0°С), но при больших Т вклад этих членов становится существенным.

При очень низких температурах удельное сопротивление некоторых металлов, а также сплавов и соединений падает в пределах точности современных измерений до нуля. Это свойство называют сверхпроводимостью; впервые его наблюдал нидерландский физик Гейке Камер-линг-Оннес (1853-1926) в 1911 г. при охлаждении ртути ниже 4,2 К. При этой температуре электрическое сопротивление ртути внезапно падало до нуля.

Сверхпроводники переходят в сверхпроводящее состояние ниже температуры перехода, составляющей обычно несколько градусов Кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Наблюдался электрический ток в сверхпроводящем кольце, который практически не ослабевал в отсутствие напряжения в течение нескольких лет.

В последние годы сверхпроводимость интенсивно исследуется с целью выяснить ее механизм и найти материалы, обладающие сверхпроводимостью при более высоких температурах, чтобы уменьшить стоимость и неудобства, обусловленные необходимостью охлаждения до очень низких температур. Первую успешную теорию сверхпроводимости создали Бардин, Купер и Шриффер в 1957 г. Сверхпроводники уже используются в больших магнитах, где магнитное поле создается электрическим током (см. гл. 28), что значительно снижает расход электроэнергии. Разумеется, для поддержания сверхпроводника при низкой температуре тоже затрачивается энергия.

От чего зависит удельное сопротивление проводника

Удельное сопротивление и обратная ей величина — электропроводность — для проводников из химически чистых металлов являются характерной физической величиной, но, несмотря на это, величины удельного сопротивления их известны сравнительно с малой точностью.

Объясняется это тем, что на величину удельного сопротивления металлов сильно влияют различные случайные, трудно контролируемые обстоятельства.

Прежде всего часто ничтожные примеси к чистому металлу увеличивают его удельное сопротивление.

Наиболее важный для электротехники металл — медь, из которого изготовливаются провода и кабели для распределения электрической энергии, оказывается особенно чувствительным в этом отношении.

Ничтожная примесь углерода в 0,05% повышает сопротивление меди на 33% сравнительно с сопротивлением химически чистой меди, примесь 0,13% фосфора увеличивает сопротивление меди на 48%, 0,5% железа — на 176%, следы цинка в количестве, трудно измеримом по своей малости, на 20%.

Влияние примесей на сопротивление других металлов менее значительно, чем в случае меди.

Удельное сопротивление металлов, химически чистых или вообще имеющих определенный химический состав, зависит от способа термической и механической обработки их.

Прокатка, протягивание, закалка и отжиг могут изменить удельное сопротивление металла на несколько процентов.

Объясняется это тем, что расплавленный металл при отвердевании кристаллизуется, образуя многочисленные и беспорядочно распределенные небольшие одиночные кристаллы.

Всякая механическая обработка частично разрушает эти кристаллы и сдвигает группы их одну относительно другой, вследствие чего общая электропроводность куска металла изменяется обычно в сторону увеличения сопротивления.

Длительный отжиг при благоприятной температуре, различной для различных металлов, сопровождается восстановлением кристаллов и обычно уменьшает сопротивление.

Существуют приемы, дающие возможность получать при застывании расплавленных металлов более или менее значительные одиночные кристаллы (монокристаллы).

Если металл дает кристаллы правильной системы, то удельное сопротивление одиночных кристаллов такого металла одинаково по всем направлениям. Если же кристаллы металла принадлежат к гексагональной, тетрагональной или тригональной системе, то величина удельного сопротивления монокристалла зависит от направления тока.

Предельные (экстремальные) значения получаются в направлении оси симметрии кристалла и в направлении, перпендикулярном оси симметрии, во всех других направлениях удельное сопротивление имеет промежуточные значения.

Куски металла, получаемые обычными способами, с беспорядочным распределением мелких кристаллов имеют удельное сопротивление, равное некоторой средней величине, если при затвердевании не устанавливается более или менее упорядоченное распределение кристаллов.

Из этого ясно, что удельное сопротивление образцов далее химически чистых металлов, кристаллы которых не принадлежат к правильной системе, не может иметь вполне определенных значений.

Значения удельных сопротивлений наиболее распространенных проводниковых металлов и сплавов при 20° С: Удельное сопротивление и электропроводность веществ

Влияние температуры на величину удельного сопротивления у различных металлов было предметом многочисленных и тщательных исследований, так как вопрос об этом влиянии имеет большое теоретическое и практическое значение.

У чистых металлов температурный коэффициент сопротивления, по большей части близок к температурному коэффициенту теплового линейного расширения газов, т. е. не очень отличается от 0,004, поэтому в промежутке от 0 до 100°С сопротивление приблизительно пропорционально абсолютной температуре.

При температурах ниже 0° сопротивление убывает быстрее, чем абсолютная температура, и тем быстрее, чем ниже температура. При температурах, близких к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов делается практически равным нулю. При высоких температурах выше 100° у большинства металлов температурный коэффициент медленно растет, т. е. сопротивление увеличивается несколько быстрее, чем температура.

У так называемых ферромагнитных металлов (железо, никель и кобальт) сопротивление растет гораздо быстрее, чем температура. Наконец у платины и палладия наблюдается увеличение сопротивления, несколько отстающее от увеличения температуры.

Для измерения высоких температур применяют так называемый платиновый термометр сопротивления, состоящий из куска тонкой проволоки чистой платины, намотанный в виде спирали на трубку изолирующего вещества или даже вплавленную в стенки кварцевой трубки. Измеряя сопротивление проволоки, можно определить ее температуру по таблице или по кривой для промежутка температур от -40 до 1000°С.

Из других веществ, обладающих металлической проводимостью, следует отметить уголь, графит, антрацит, которые отличаются от металлов отрицательным температурным коэффициентом.

Сопротивление селена в одной из его модификаций (металлический, кристаллический селен, серый) изменяется в сторону значительного уменьшения при действии на него лучей света. Явление это относится к области фотоэлектрических явлений.

В случае селена и многих других, ему подобных, электроны, отрывающиеся от атомов вещества при поглощении им лучей света, не вылетают через поверхность тела наружу, а остаются внутри вещества, вследствие чего электропроводность вещества естественно возрастает. Явление носит название внутреннего фотоэлектрического явления.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: