Закрыть

Свойства проводников: 2.3. Свойства проводников. 2. Проводниковые материалы. Химия радиоматериалов. Курс лекций

Содержание

4.3. Свойства проводников.▲

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся:

– удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ,

– температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ,

– теплопроводность γт,

– контактная разность потенциалов и термо-э.д.с.,

– работа выхода электронов из металла,

– предел прочности при растяжении σρи относительное удлинение при разрыве ∆l/l.

4.3.1. Удельная проводимость и удельное сопротивление проводников.▲

Связь плотности тока J, А/м2, и напряженности электрического поля Е, В/м, в проводнике дается известной формулой:

J=Eγ(4.1)

Здесь γ, См/м – параметр проводникового материала, называемый его удельной проводимостью; в соответствии с законом Ома γ не зависит от напряженности электрического поля при изменении последней в весьма широких пределах. Величина ρ=1/γ, обратная удельной проводимости и называемаяудельным сопротивлением, для имеющего сопротивлениеRпроводника длинойlс постоянным поперечным сечениемSвычисляется по формуле:

ρ = R·S/l. (4.2)

Единица СИ для удельного сопротивления - Ом·м. Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0.016 для серебра и до примерно 10 мкОм·м для железохромоалюминиевых сплавов, т.е. он занимает всего три порядка. Значение удельной проводимости γ в основном зависит от средней длины свободного пробега электронов в данном проводнике, которая, в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси, искажая решетку, приводят к увеличению ρ. И с точки зрения волновой теории, рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. Нарушения меньших размеров не вызывают заметного рассеяния волн.

4.3.2. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.▲

Число носителей заряда в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменным. Однако вследствие колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного под действием электрического поля движения свободных электронов, т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов, и увеличивается удельное сопротивление. Иными словами, температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.

4.3.3.Изменение удельного сопротивления металлов при плавлении.▲

При переходе из твердого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления, как это видно из рис.3.1; однако некоторые металлы при плавлении повышают ρ.

Рис.4.1. Зависимость удельного сопротивления меди от температуры.

Скачок соответствует температуре плавления меди 1083°С.

Удельное сопротивление увеличивается при плавлении у тех металлов, которые при плавлении увеличивают объем, т.е. уменьшают плотность; у металлов с противоположным характером изменения объема при плавлении (аналогичным фазовому переходу лед-вода) ρ уменьшается.

Электрическое свойство - проводник - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электрическое свойство - проводник

Cтраница 1

Электрические свойства проводников в условиях электростатики определяются поведением электронов проводимости во внешнем электростатическом поле. В отсутствие внешнего поля электрические поля электронов проводимости и атомных остатков - положительных ионов металла - взаимно компенсируются. Если металлический проводник внесен во внешнее электростатическое поле, то под действием этого поля электроны проводимости перераспределяются в проводнике таким образом, чтобы в любой точке внутри проводника электрическое поле электронов проводимости и положительных ионов скомпенсировало внешнее поле.  [1]

Если электрические свойства объемного проводника во всех возможных направлениях от пункта измерения одинаковы, то он называется изотропным и в противоположном случае - анизотропным.  [2]

Только при постоянном токе распределение тока при

заданных электрических свойствах проводника однозначно определяется геометрической формой проводника. Соответственно только при постоянном токе такой важнейший параметр электрической цепи, как ее индуктивность, вполне определяется при заданных магнитных свойствах среды геометрическими размерами и формой контура цепи. При изменении тока во времени изменяется распределение тока по сечению проводников, образующих контур тока, и соответственно изменяется распределение в пространстве магнитного потока, сцепленного с контуром, а следовательно, изменяется и индуктивность контура. Так, при периодических процессах, как мы имели возможность убедиться в этой главе, электрический ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, что ведет к ослаблению магнитного поля внутри проводника и к уменьшению индуктивности цепи. При синусоидальном токе индуктивность является функцией угловой частоты тока. При несинусоидальном периодическом токе она, очевидно, будет являться функцией также формы кривой тока. При непериодических изменениях тока индуктивность, строго говоря, будет являться, хотя бы по одной только указанной причине - неравномерности распределения тока в проводнике - сложной функцией времени.  [3]

Только при постоянном токе распределение тока при заданных электрических свойствах проводника однозначно определяется геометрической формой проводника. Соответственно, только при постоянном токе такой важнейший параметр электрической цепи, как ее индуктивность, вполне определяется при заданных магнитных свойствах среды геометрическими размерами и формой контура цепи. При изменении тока во времени изменяется распределение тока по сечению проводников, образующих контур тока, и соответственно изменяется распределение в пространстве магнитного потока, сцепленного с контуром, а следовательно, изменяется и индуктивность контура. Так, при периодических процессах, как мы имели возможность убедиться в этой главе, электрический ток распределяется преимущественно в поверхностном слое проводника, что ведет к ослаблению магнитного поля внутри проводника и к уменьшению индуктивности цепи. При синусоидальном токе индуктивность является функцией угловой частоты тока. При несинусоидальном периодическом токе она, очевидно, будет являться функцией также формы кривой тока. При непериодических изменениях тока индуктивность, принципиально говоря, будет являться, хотя бы по одной только указанной причине - неравномерности распределения тока в проводнике - сложной функцией времени.  [4]

При наличии даже небольшого количества примесей определенного вида электрические свойства чистого проводника резко меняются. Примеси одного вида приводят к появлению свободных электронов. Такой полупроводник называется донорным, или полупроводником п-тшга.  [6]

При наличии даже небольшого количества примесей определенного вида электрические свойства чистого проводника резко меняются. Примеси одного вида приводят к появлению свободных электронов. Такой полупроводник называется донорным, или полупроводником п-типа.  [8]

Гальваномагнитными называют явления, связанные с воздействием магнитного поля на электрические свойства проводников и полупроводников с электрическим током. Техническое применение получили три гальваномагнитных явления: эффект Холла, магниторезистивный и магнитодиодный эффекты.  [10]

Поэтому, измеряя параметры поля в процессе распространения его, можно вычислить электрические свойства объемного проводника.  [12]

Амплитуда, направление и фаза высокочастотного поля Герца, распространяющегося вдоль поверхности земли, определяется электрическими свойствами проводника.  [13]

Последующее развитие квантовой теории электропроводности позволило с единой точки зрения ( на основе представления об энергетических зонах) объяснить разнообразные электрические свойства проводников, изоляторов и полупроводников.  [15]

Страницы:      1    2

Факторы, влияющие на свойства проводников | Электроматериаловедение | Архивы

Страница 4 из 59

§ 5. Факторы, влияющие на электрические и механические свойства проводниковых материалов
На величину удельного электрического сопротивления р и удельной проводимости у металлов оказывают большое влияние примеси. На рис. 13 показана зависимость величины удельной проводимости меди от количества введенных в нее примесей.


Процент примесей Рис. 13. Влияние примесей на удельную проводимость меди
Как видно, некоторые примеси (марганец Mn и алюминий Al) сильно снижают проводимость чистой меди даже при малом их содержании (4—6%). Золото (Аи) и цинк (Zn) снижают проводимость меди в меньшей степени, чем марганец, и алюминий.
На величину проводимости оказывает также влияние наклеп, т. е. пластическая деформация металла в результате его механической обработки (прокатка, волочение). С увеличением пластической деформации металла его проводимость падает (рис. 14). Наклепанная медная проволока, следовательно, имеет более высокое удельное электрическое сопротивление по сравнению с ненаклепанной медной проволокой. Устранить этот дефект молено отжигом металла при определенной температуре. Электрическое сопротивление металла при этом восстанавливается до прежней величины.
Следует учитывать, что излишне высокие температуры отжига могут ухудшить механические свойства отожженного металла.

Рис. 14. Влияние наклепа на удельную проводимость меди
Поэтому отжиг проводника производят при оптимальной температуре, например, проводниковую медь отжигают при температуре 450—500° С, а проводниковый алюминий — при температуре 300—350° С. Однако в тех случаях, когда необходимо повысить механическую прочность .на разрыв или твердость металлических проводниковых изделий, например проводов для воздушных линий, контактных проводов и др., используют холодную прокатку или холодное волочение этих металлов. Такие провода называются твердотянутыми.
Большое техническое и научное значение приобрели диаграммы, показывающие зависимость изменения электрических, механических и других свойств сплавов от их химического состава. Эти диаграммы получили название диаграмм «состав — свойство».
С помощью таких диаграмм можно установить желательные по свойствам сплавы определенного состава. Для проводниковых сплавов значительный интерес представляет изменение величины удельной проводимости в зависимости от процентного содержания сплавляемых металлов. В случае механической смеси двух металлов, когда в сплаве металлы находятся отдельно в виде зерен, проводимость сплавов будет изменяться по прямой линии.
На рис. 15 представлена в общем виде такая диаграмма для двойного сплава металлов А и В. На левой вертикальной оси нанесена величина удельной проводимости ул чистого металла А, а на правой вертикальной оси — величина ув чистого металла В, причем yа меньше ув. С увеличением в смеси количества металла В удельная проводимость ее будет нарастать, так как металл В с большей проводимостью будет постепенно вытеснять металл А с меньшей проводимостью. Это увеличение будет прямо пропорционально изменению состава и на диаграмме оно выразится прямой линией, соединяющей точки и ув.
В случае сплавов типа твердых растворов с неупорядоченной структурой диаграмма «состав — свойство» будет иной (рис. 16). Сплав состоит из двух металлов С и А. Металл С в чистом виде обладает удельной проводимостью ус, значение которой нанесено на левой вертикальной оси. Второй металл D имеет удельную проводимость уи, значение которой нанесено на правой вертикальной оси. При незначительном содержании в сплаве металла D величина
удельной проводимости сплава резко падает, а следовательно, удельное сопротивление его увеличивается. Это повышение р объясняется падением проводимости чистого металла в результате добавления в него примеси даже с проводимостью большей, чем проводимость исходного металла. Следовательно, всякая примесь какого-либо металла, введенная в другой металл, уменьшает проводимость твердого раствора этих металлов.

Рис. 15. Диаграмма изменения удельной пронодимостн сплава двух металлов в случае механической смеси в зависимости от процентного содержания металлов

Рис. 16. Диаграмма изменения удельной проводимости сплава двух металлов в случае твердого раствора в зависимости от их процентного содержания
При последующем увеличении содержания второго металла (на диаграмме от точки а до точки b) проводимость твердых растворов остается почти постоянной. В точке же b и далее проводимость сплава начинает увеличиваться до величины yD, соответствующей чистому металлу D. Таким образом с уменьшением примеси металла С проводимость сплава начинает повышаться, так как сплав приближается к чистому металлу D.
Сплавы типа твердых растворов с неупорядоченной структурой широко применяются для изготовления проводников с повышенными значениями удельного сопротивления (р = 0,42—1,5 ом-мм2/м). Эти проводники в виде изолированной или неизолированной (голой) проволоки применяются для изготовления реостатов, добавочных сопротивлений и нагревательных приборов, где в ограниченном объеме необходимо создать большое электрическое сопротивление. Некоторые из сплавов типа твердых растворов обладают очень малым температурным коэффициентом электрического сопротивления (а = 0-8-10~51/° С). Это позволяет их использовать в сопротивлениях, малоизменяющихся от температуры, например, в точных сопротивлениях для электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлениях и др.
Сплавы металлов отличаются от чистых металлов повышенной механической прочностью, твердостью и большей стойкостью к окислению на воздухе (коррозионная стойкость).

§ 6. Классификация проводниковых материалов

В качестве проводниковых материалов используют чистые металлы, а также сплавы металлов. Наибольшей проводимостью обладают чистые металлы. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление велико: р = 0,95 ом-мм2/м (при 20° С).
Чистые металлы составляют группу проводниковых материалов с малым удельным сопротивлением: р = 0,0150-0,108 ом-мм2/м (при 20° С). Из этих материалов (медь, алюминий) изготовляют обмоточные, монтажные и установочные провода и кабели.
Кроме материалов с малым удельным сопротивлением, в электротехнике применяются материалы с большим удельным сопротивлением * р = 0,42-М,5 ом-мм2/м. Это преимущественно сплавы на основе меди и никеля; никеля и хрома и других металлов. Изделия из этих сплавов (проволока, ленты) применяются в реостатах, добавочных и образцовых сопротивлениях. Изготовлять эти приборы из медной или алюминиевой проволоки, обладающей малым удельным сопротивлением, нерационально, так как получились бы очень большие по размерам реостаты и добавочные сопротивления. Кроме того, медь, алюминий и другие чистые металлы имеют сравнительно большой температурный коэффициент сопротивления (а = 0,00400--0,00423 1/°С), вследствие чего реостаты резко изменяли бы свое сопротивление при колебаниях температуры.

*Их также называют проводниковыми сплавами высокого удельного сопротивления.

Проводниковые же сплавы, представляющие собой твердые растворы металлов с неупорядоченной структурой, обладают большим удельным сопротивлением и малыми значениями температурного коэффициента сопротивления (а=0,00003--0,00015 1/°С). Это обеспечивает большую стабильность величины электрического сопротивления изготовленных из них реостатов и других приборов при колебаниях температуры.
Большинство проводниковых сплавов могут длительно работать при температурах до 300—500° С. В то же время отдельные области электротехники (электротермия) нуждаются в сплавах высокого электрического сопротивления, которые могли бы длительно работать при 800—1200° С. Такие сплавы называются жаростойкими сплавами. Изготовляемые из жаростойких сплавов проволока и ленты применяются в электронагревательных приборах, печах сопротивления и термостатах. К жаростойким проводниковым сплавам относятся нихром, фехраль и др.

Основные свойства металлических проводников

К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 1) удельная проводимость γ или обратная ей величина – удельное сопротивление ρ, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или αρ, 3) коэффициент теплопроводности λТ (ранее его обозначали γT), 4) удельная теплоемкость с; 5) удельная теплота плавления rT .

Связь плотности тока δ, (А/м²), и напряженности электрического поля Е (В/м), в металлическом проводнике, как уже было показано выше, дается известной формулой δ = γE, называемой дифференциальной формой закона Ома.

Для проводника, имеющего сопротивление R длину l и постоянное поперечное сечением S, удельное сопротивление ρ вычисляют по формуле

ρ = RS/l.

Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом·мм²/м. Связь между названными единицами удельного сопротивления такая:

Ом·мм2/м=мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,036 для серебра и примерно до 3,4 мкОм·м для железо-хромо-алюминиевых сплавов.

Сопротивление проводника зависит от частоты протекающего по нему тока. Известно, что на высоких частотах плотность тока изменяется по сечению проводника. Она максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Происходит вытеснение тока к поверхности проводника. Это явление называют поверхностным эффектом. Он тем сильнее, чем выше частота. Поскольку площадь сечения, через которое протекает ток уменьшилась, то сопротивление провода переменному току стало больше, чем его сопротивление постоянному току. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в е=2,72 раза .по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов.

Концентрация свободных электронов n в металлическом проводнике при повышении температуры остается практически неизменной, но возрастает их средняя скорость теплового движения. Усиливаются и колебания узлов кристаллической решетки. Квант упругих колебаний среды принято называть фононом. Малые тепловые колебания кристаллической решетки можно рассматривать как совокупность фононов. С ростом температуры увеличиваются амплитуды тепловых колебаний атомов, т.е. увеличивается сечение сферического объема, который занимает колеблющийся атом.

Таким образом, с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути дрейфа электронов под действием электрического поля. Это приводит к тому, что уменьшается средняя длина свободного пробега электрона λ, уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление. Изменение удельного сопротивления проводника при изменении его температуры на 3К, отнесенное к величине удельного сопротивления этого проводника при данной температуре, называют температурным коэффициентом удельного сопротивления TKρили . Температурный коэффициент удельного сопротивления измеряется в К-3. Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен. Как следует из данного выше определения, дифференциальное выражение для TKρ имеет вид:

.

Теплоемкость характеризует способность вещества поглощать теплоту Q при нагреве. Теплоемкостью С какого-либо физического тела называют величину, равную количеству тепловой энергии, поглощаемой этим телом при нагреве его на 3К без изменения его фазового состояния. Теплоемкость измеряют в Дж/К. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры. Поэтому величину теплоемкости С определяют при бесконечно малом изменении его состояния:

Отношение теплоемкости С к массе тела m называют удельной теплоемкостью с:

.

Удельная теплоемкость измеряется в Дж/(кг∙К). Тугоплавкие материалы характеризуются низкими значениями удельной теплоемкости, легкоплавкие же материалы, напротив, характеризуются высоким значением удельной теплоемкости.

Теплопроводностью называют перенос тепловой энергии Q в неравномерно нагретой среде в результате теплового движения и взаимодействия составляющих ее частиц. Перенос теплоты в любой среде или каком-либо теле происходит от более горячих частей к холодным. В результате переноса теплоты происходит выравнивание температуры среды или тела. В металлах перенос тепловой энергии осуществляется электронами проводимости. Количество свободных электронов в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, теплопроводность металлов намного больше, чем теплопроводность диэлектриков. Чем меньше примесей содержат металлы, тем выше их теплопроводность. С увеличением примесей их теплопроводность уменьшается.

Как известно, процесс переноса теплоты описывается законом Фурье:

.

Здесь – плотность теплового потока, т. е. количество тепла, проходящее вдоль координаты x через единицу площади поперечного сечения за единицу времени, Дж/м2∙с,

– градиент температуры вдоль координаты x, К/м,

– коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности (ранее обозначался ), Вт/К∙м.

Таким образом, термину теплопроводность соответствуют два понятия: это и процесс переноса тепла и коэффициент пропорциональности, характеризующий этот процесс.

Температура и теплота плавления.Теплота, поглощаемая твердым кристаллическим телом при переходе его из одной фазы в другую, называется теплотой фазового перехода. В частности, теплота, поглощаемая твердым кристаллическим телом при переходе его из твердого состояния в жидкое, называют теплотой плавления, а температура, при которой происходит плавление (при постоянном давлении), называют температурой плавления и обозначают ТПЛ.. Количество тепла, которое нужно подвести к единице массы твердого кристаллического тела при температуре ТПЛ для его перевода в жидкое состояние, называют удельной теплотой плавления rПЛи измеряют в МДж/кг или в кДж/кг. В зависимости от температуры плавления различают тугоплавкие металлы, имеющие температуру плавления выше чем у железа, т.е. выше чем 35390С и легкоплавкие с температурой плавления меньше чем 5000С. Диапазон температур от 5000С до 35390С относится к средним значениям температур плавления.

Работа выхода электрона из металла. Опытпоказывает, чтосвободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Это связано с тем, что в поверхностном слое металла создается удерживающее электрическое поле. Это электрическое поле можно представить как потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Удерживающий потенциальный барьер создается за счет двух причин. Во-первых за счет сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникшего в металле в результате вылета из него электронов, и, во-вторых, за счет сил отталкивания со стороны ранее вылетевших электронов, образовавших вблизи поверхности металла электронное облако. Это электронное облако вместе с наружным слоем положительных ионов решетки образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (30-30-30-9м). Он не создает электрическое поле во внешнем пространстве, но создает потенциальный барьер, препятствующий выходу свободных электронов из металла.


Узнать еще:

Свойства и применение проводников

Среди списка проводниковых материалов обладающих таким свойством как высокая проводимость находятся алюминий, медь и кое-какие сплавы: фосфористая бронза, латунь и много других. Эти материалы нашли широкое применение в изготовлении катушек использующихся в электромашинах, аппаратах и приборах. Чем больше механическая прочность и меньше удельное сопротивление проводника, тем он считается лучше. В разных случаях использования, требования к этим свойствам меняются. К примеру, для кабеля, натягиваемого между столбами линии электропередачи или контактной сети, необходим проводник с определенной механической прочностью на разрыв. А при создании катушки электромашин или аппаратов нужен проводник с как можно меньшим значением удельного сопротивления, в том числе, если из-за этого будет снижаться механическая прочность.

В целях того, чтобы достичь наименьшего удельного сопротивления металл должен быть абсолютно без примесным. Потому как показатель удельного сопротивления увеличивается при добавлении любой примеси. Даже если к основному металлу добавить другой с меньшим удельным сопротивлением, все равно общий показатель сопротивления будет повышаться. Происходит это вследствие того, что если добавить любое, самое малое количество примеси происходит искажение кристаллической решетки металла. Кроме того, это проявляется и при механической деформации. Поэтому при обработке металлов давлением у него увеличивается удельное сопротивление. Тот же эффект имеет место и при производстве проволоки для проводов.

Латунь и медь применяется в изготовлении разных деталей проводящих ток. Провода из меди получаются с помощью прокатки или протяжки. Изделие обладает свойствами высокой механической прочности и твердости. Эта медь имеет марку МП. Применяется в производстве проводов без изоляции, распределительных шин, пластин коллекторов и другие. Если твердотянутую медь пропустить через термическую обработку с температурой отжига 330-350 °С, получится мягкая медь марки ММ. Данный продукт получается гибким и способен к существенному вытягиванию. Это происходит вследствие того, что во время такого нагрева структура меди рекристаллизируется, исчезают внутренние напряжения, появившиеся при протяжке. Материал получается «вязким», а электропроводность тоже возрастает. Такая медь используется в производстве кабеля, провода с изоляцией и прочее.

Бронза (сплав меди с иными металлами) тоже применяется как проводник. Бронза обладает большой механической прочностью и большим удельным сопротивлением. Кадмиевая бронза применяется в производстве пластин для коллекторов, кабелей. Бериллиевая бронза идет на пружины, щеткодержатели, скользящие контакты, ножи рубильников. Латунь, при тех же свойствах, хорошо сопротивляется истиранию и удобна в штамповке, вытягивании. Ее можно паять и сваривать.

Следующим по популярности проводником можно назвать алюминий. При волочении готовый продукт выходит достаточно твердый, а при последующей термообработке приобретает гибкость. Широкое распространение получила технология добавления в алюминиевый сплав такие элементы как медь, марганец, кремний и магний с целью увеличения прочностных и механических свойств. В итоге таких добавлений получаются разные сплавы алюминия, такие как дюралюминиевый, силуминовый и прочие.

Бывает два вида твердости алюминия : АТ – твердый алюминий и АМ – мягкий алюминий. Провода и другие детали из алюминия на стыках скрепляют при помощи заклепок и сварки , потому что паять алюминий обычным методом затруднительно по причине наличия на поверхности деталей алюминиевой окиси. Ее температура плавления примерно равна 2000 °С.

В нашем рассказе о свойствах материала мы ушли в теорию, а с практичной точки зрения данные материалы никак не поддаются профессиональной видеосъемке, даже на самую мощную профессиональную видеокамеру, поскольку частицы составляющие материал слишком малы. Даже профессиональные видеооператоры не смогут снять частицы на профессиональную технику с применением мощных прожекторов - источников света. Зато профессиональная видеосъёмка отлично подойдёт и будет уместна при торжествах и других праздничных событиях. .

Электростатические свойства проводников

Свойство 1. Напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю.

Поместим проводник в электростатическое поле. Под действием электрических сил движение свободных электронов станет направленным. Определенный участок на поверхности проводника приобретает отрицательный заряд, а противоположная — положительного.

Таким образом, на поверхности проводника появляются приведены (индуцированные) электрические заряды, при этом суммарный заряд проводника остается неизменным. Описанное явление называется электростатической индукцией.

? Электростатическая индукция — это явление перераспределения электрических зарядов в проводнике, помещенном в электростатическое поле, в результате чего на поверхности проводника возникают электрические заряды.

Индуцированные заряды, возникающие создают свое электрическое поле напряженностью ‘, направлено в сторону, противоположную напряженности 0 внешнего поля. Процесс перераспределения зарядов в проводнике будет продолжаться до тех пор, пока создаваемое индуцированными зарядами поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее поле. Напряженность = 0 + ‘ результирующего поля внутри проводника равна нулю.

Свойство 2. Поверхность проводника является эквипотенциальной.

Это утверждение является следствием соотношения между напряженностью поля и разностью потенциалов:

Если напряженность поля внутри проводника равна нулю, то разность потенциалов также равна нулю, поэтому потенциалы во всех точках проводника одинаковы, т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной.

Свойство 3. Весь статический заряд проводника сконцентрирован на его поверхности.

Это свойство является следствием закона Кулона и свойства одноименных зарядов отталкиваться.

Свойство 4. Вектор напряженности электростатического поля проводника направлен перпендикулярно к его поверхности.

Предположим, что в некоторой точке поверхности проводника вектор напряженности электростатического поля направлен под углом к поверхности проводника. Разложим этот вектор на две составляющие: нормальная n, перпендикулярная к поверхности, и тангенциальная, направлена по касательной к поверхности.

Под действием электроны направлено двигаться по поверхности, но это не означает, что по поверхности проводника протекает ток, а это, в свою очередь, противоречит електростатичности. Следовательно, в случае равновесия зарядов = 0, а = n.

Свойство 5. Электрические заряды распределяются на поверхности проводника так, что напряженность электростатического поля проводника оказывается больше на выступлениях проводника и меньше на его впадинах.

Рассмотрим проводник неправильной формы. Любое заряженное тело на больших расстояниях от него можно считать точечным зарядом, эквипотенциальные поверхности которого имеют вид концентрических сфер. Таким образом, по мере удаления от проводника эквипотенциальные поверхности вблизи проводника, повторяющие форму его поверхности, должны постепенно и плавно приобретать вид сферы. Но это возможно только в том случае, если эквипотенциальные поверхности будут сгущенные у выступлений проводника и разреженные у впадин.

Там, где эквипотенциальные поверхности расположены гуще, напряженность поля, перпендикулярная к поверхности проводника, больше, а там, где расположены реже, — напряженность поля меньше.

категория: Физика

Проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» – это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Свойства проводника - MDARC



Свойства проводника

Медь отожженная

Размер Диаметр Площадь поперечного сечения
Сопротивление Инд. Пряди
AWG мм мил Квадрат
мм

Квадрат
дюйм.
Круглый
Мил
Ом /
км
Ом /
1000 футов
Диаметр.
дюйма
4/0 13,4112 528 107,219 0,1662 211 600 0,1996
0,0608 19 0,1055
3/0 11.9380 470 85.025 0,1318 167 800 0,2512
0,0766
19 0,0940
2/0 10,6426 419 67,443
0,1045 133,100 0,3170
0,0967
19 0,0837
1/0 9,4742 373 53,458
0,08286 105 500 0.399
0,122
19 0,0745
1 8.4328 332 42,406
0,06573 83 690 0,505
0,154
19 0,0664
2 7,4168 292 33,630
0,05213 66 370 0,634
0,194
7 0.0974
3 6.6040 260 26.673
0,04134 52 640 0.802
0,245
7 0,0867
4 5,8928 232 21.150
0,03278 41740 1.010
0,308 7 0,0772
6 4.6736 184 13.301
0,02062 26 250 1.608
0,491 7 0,0612
8 3.7084 146 8,366
0,01297 16 510 2,551
0,778 7 0,0486
8 3,2636
128
8.366
0,01297
16 510
2,506
0,764
1

10 2,9464 116 5,260
0,008152 10,380 4.070
1,24 7 0,0385
10 2,588
102
5.260
0,008152
10 308
3.984
1,21 1

12 2,3241 91,5 3.309
0,005129 6 530 6.50
1,98 7 0,0305
12 2,05
81
3.309
0.005129
6 530
6,34
1,93
1
14 1.8440 72,6 2,081
0,003226 4,107 10,3
3,14
7 0,0242
14 1,63
640 2,081
0,003226
4,107
10.1
3,07
1

16 1.4630 57,6 1,309
0,002029 2 583 16,4
4,99 7 0,0192
16
1,29
510
1,309
0,002029
2,583
16.0
4,89
1

18 1,1582 45,598 0,823
0,001275 1,624 26,1
7,95
7 0,0152
18
1.02
40,157
0,823
0,001275
1,624
25.5
7,77
1

20 0,9220 36,299 0,518
0,0008027 1 022 34,58
10,54
7 0,0121
22
0,6438
25,347
0,326
0,00050458
642.328
52.99
16,15
1

23
0,573
22,559
0,258
0,0003999
509.034
66,79
20,36
1

24
0,5106
20.101
0,205
0.00031733
403,964
84,19
25,66
1

26
0,4049
15.941
0,129
0,00019957
254,056
133,99
40,84
1


Примечания:
  1. Данные Национального электрического кодекса (NFPA 70-2014), глава 9, таблица 8; и другие источники.
  2. AWG = американский калибр проводов. См. Википедию.
  3. 1 мил = 0,001 дюйма.
  4. Круглый мил - это площадь поперечного сечения проволоки диаметром один мил.
  5. Сопротивление - это сопротивление постоянному току при 75 o C (167 o F).

Свойства электропроводника | Electrical4U

Проводник электричества - это материал или вещество, которое позволяет протекать электрическому току при воздействии разности потенциалов.Этот электрический ток продолжает течь до тех пор, пока не появится потенциальное почтение. Для данной разности потенциалов плотность электрического тока в проводнике показывает, насколько эффективен проводник. По удельному сопротивлению проводники можно разделить на две категории: материалы с низким удельным сопротивлением / высокой проводимостью и материалы с высоким удельным сопротивлением / низкой проводимостью.

Общие свойства проводника перечислены ниже -
В состоянии равновесия проводник проявляет следующие свойства -

  1. Сопротивление
  2. Индуктивность
  3. Электрическое поле внутри проводника равно нулю
  4. Плотность заряда внутри проводника равен нулю
  5. Свободный заряд существует только на поверхности проводника
  6. На поверхности проводника электрическое поле перпендикулярно поверхности.

Сопротивление электрического проводника

Электропроводники обычно обладают очень низким сопротивлением потоку электричества. В идеале сопротивление идеального проводника равно нулю. Однако практически удельное сопротивление проводников варьируется от низкого до высокого. Проводник с низким удельным сопротивлением / высокой проводимостью используется в качестве проводника для обмотки электрических машин, для линий передачи, для электрического контакта, заземляющего провода и т. Д. Проводящие материалы с высоким удельным сопротивлением / низкой проводимостью используются для изготовления нитей накаливания лампы накаливания и нагревательных элементов для электронагреватели, Духовки, топки.

Индуктивность электрического проводника

Когда проводник используется в сети переменного тока, создается магнитный поток. Которая состоит из двух частей. Внутренний поток и внешний поток. Значение внутреннего потока очень низкое по сравнению с внешним потоком. Из-за этой магнитной связи с самим проводником появляется индуктивность. Эта индуктивность приводит к дополнительному падению напряжения в проводнике. Кроме того, эта индуктивность также влияет на распределение тока по площади поперечного сечения проводника.Из-за этого ток предпочитает протекать через внешнюю часть площади поперечного сечения. Этот эффект называется скин-эффектом. На это распределение тока по площади поперечного сечения также влияет магнитная связь с проводником из-за тока, протекающего через соседний проводник. Это называется эффектом близости, оба этих эффекта - скин-эффектом, и эффект близости существует только для источника переменного тока. Эти эффекты не существуют для источника постоянного тока, поскольку поток, создаваемый источником постоянного тока, остается постоянным с течением времени.

Электрическое поле внутри проводника равно нулю

Электрическое поле внутри идеального проводника равно нулю.Если внутри проводника существует электрическое поле, оно воздействует на электроны и ускоряет их. Но в состоянии равновесия результирующая сила, действующая на электрон, равна нулю. Следовательно, внутри проводника отсутствует электрическое поле. Означает, что электрическое поле должно быть внешним по отношению к проводнику. Это свойство проводника позволяет использовать его для электростатической защиты электрического оборудования.

Плотность заряда внутри проводника равна нулю

Этот электрический заряд не существует внутри проводника.Сила взаимного электростатического отталкивания между одинаковыми зарядами, то есть электронами, требует, чтобы электроны находились как можно дальше. Эта сила электростатического отталкивания толкает электроны к поверхности проводника. Из-за отсутствия электрического заряда внутри проводника плотность заряда внутри проводника равна нулю.

Свободный заряд существует только на поверхности проводника

Как обсуждалось выше, заряженная частица не существует внутри проводника. За счет силы электростатического отталкивания электроны перемещаются к внешней поверхности проводника.Благодаря этому внутри проводника отсутствует электрический заряд. Следовательно, свободный электрический заряд выходит только на поверхность проводника.

Поверхность проводника, электрическое поле перпендикулярно поверхности

Если мы пройдем через граничное условие между диэлектриком и проводником, электрическое поле будет нормальным к поверхности проводника, а касательная часть электрического поля к поверхности равна нулю. Значит, напряженность электрического поля нормальна к поверхности проводника, а тангенциальная часть напряженности электрического поля равна нулю.

Свойства, принцип, типы и проводимость

В период 18 и 19 веков возникло понятие электропроводности. А в области электротехники и физической инженерии проводники наиболее необходимы для генерации тока. Концепции проводников, изоляторов и электрического поля возникли в результате мыслей и экспериментов, проведенных многими учеными, и человеком, стоявшим за их изобретением, был Стивен Грей в 1734 году.С тех пор были известны такие теории, как электрическая проводимость, проводимость металлов и классификация проводников. Итак, давайте обсудим концепцию дирижера и его принцип.

Что такое электрический проводник?

Проводник - это своего рода металл, через который проходит электричество. Металлы, которые пропускают через них электрическую проводимость, называются проводниками, и это алюминий, медь и некоторые другие сплавы. При приложении разности потенциалов между атомами через них течет электрический заряд.Металлы считаются проводниками в зависимости от различных параметров, таких как атмосферные условия, прочность на разрыв, проводимость, усталостная прочность и многие другие. На поверхности проводников есть свободные электроны, которые обеспечивают прохождение тока и, таким образом, обладают способностью генерировать электричество.

образцы проводов

И проводники, которые используются для силового вещания, обычно многожильные, и они обладают большой механической прочностью и гибкостью.Как правило, в этих многожильных проводниках центральный провод заключен в множество слоев проводов, и слои могут варьироваться в диапазоне от 6 до 24 проводов и т. Д. Хотя размер проводника известен по соответствующей площади поперечного сечения меди, по размерам каждой жилы.

Поток электронов в электрическом проводнике

Как мы знаем, проводники состоят из подвижных или нестатических электрических зарядов, а электрический ток называется потоком электрически заряженных элементов.Итак, когда в проводнике есть движение тока, он имеет движение, подобное движению свободных электронов в металле. Итак, перейдем к обсуждению движения электронов в проводниках.

С помощью свободных электронов будет производиться электроэнергия. Без каких-либо внешних сил свободные электроны совершают беспорядочное движение, которое падает на металл, генерируя нулевой ток. В то время как при подключении батареи эти свободные электроны ускоряются из-за электрического поля, а электроны получают энергию.

проточный

Хотя нет плавного движения, потому что электроны и ионы решетки сталкиваются друг с другом, где ион становится последним в получении энергии. Потери энергии электронами при столкновении и увеличение их скорости электрическим полем, наконец, показывают результат потока электронов только в одном направлении.

Итак, движение электронов - это состав движения из-за неразборчивых столкновений. Когда рассматриваются все свободные электроны, их произвольное движение равно нулю, и они не влияют на дрейфовое движение.Таким образом, дрейфовое движение происходит только из-за генерации электрического поля в электронах. Схема электрических проводов обозначена как

.

Как проводник проводит ток?

Для проведения тока в проводниках не должно быть места между валентной зоной и зоной проводимости. Будет предварительное присоединение внешних электронов к атому в валентной зоне. При приложении внешней ЭДС или других сил электроны переходят из валентности в зону проводимости.Здесь электрон получает импульс течь куда-нибудь внутри проводника. Таким образом, как и в дырке, зона проводимости имеет максимум электронов.

В зависимости от структуры положительных ионов металлов в проводниках существуют металлические связи, и все структуры покрываются электронным облаком. Когда есть разность потенциалов на обоих краях, электроны получают достаточную энергию для передачи от меньшей энергии к более высокой энергии в зоне проводимости, противодействуя крошечному сопротивлению, создаваемому материалом проводника.Таким образом, это направление тока противоположно направлению движения электронов.

токопроводящий

Типы электрических проводников

Наиболее распространенными типами электрических проводников, используемых для производства электроэнергии, являются алюминий со стальной сердцевиной, твердотянутая медь и твердотянутый алюминий. Некоторые из типов, которые следует обсудить, следующие:

Тяжелая медь

Этот тип проводов имеет повышенную прочность на разрыв, большую ломкость и длительный срок службы.В основном они используются для распределительных операций, связанных с мостами и ответвлениями.

медная жила

Тянутый алюминий

Поскольку медные проводники немного дороже алюминиевых, они заменяются медными. Обслуживание, транспортировка и производство алюминиевых проводов также просты, и они используются в распределительных линиях и минимальных линиях передачи, имеющих меньшее напряжение.

Электропроводники из алюминиевого сплава

Проводник из оцинкованной стали

Эти проводники обладают повышенной прочностью на разрыв.Они применяются для операций, требующих большего срока службы и при минимальной нагрузке. В таких ситуациях стальные проводники заменяются проводниками со стальным сердечником для управления дополнительными нагрузками. У них больше сопротивления; падение напряжения и увеличение индуктивности.

В зависимости от материала покрытия существуют различные типы проводников, а именно:

  • Чистая медь
  • Медь луженая
  • Медь с серебряным покрытием
  • Медь с никелевым покрытием

И в зависимости от используемых металлов типы

  • Сталь, покрытая медью
  • Сплавы повышенной прочности
  • Нержавеющая сталь

Свойства электрических проводников

Свойства электрического проводника для хорошего движения тока следующие:

Свойства проводимости

Типичные электрические проводники с минимальным сопротивлением при хорошем протекании тока.Идеальный проводник имеет нулевую проводимость. На практике удельное сопротивление отличается от минимального до максимального значения. Проводники с меньшим сопротивлением и высокой проводимостью в основном используются для линий электропередачи, заземляющих проводов и электрических машин.

Свойства индуктивности

Когда источником питания является переменный ток, проводник генерирует магнитный поток, который имеет как внешний, так и внутренний поток. Индуктивность проводника показывает результат уменьшения дополнительного напряжения. Кроме того, он показывает влияние на циркуляцию мощности по всей площади проводника.Этот сценарий называется эффектом кожи. На него также влияет магнитное соединение с проводником из-за протекания тока через ближний проводник. В то время как, когда источником питания является постоянный ток, все эти эффекты не будут присутствовать, поскольку магнитный поток, создаваемый постоянным током, остается постоянным все время.

Электрическое поле равно нулю

Внутри хорошего проводника электрическое поле равно «0». Это создает ускорение в электроне, в то время как в состоянии равновесия чистая сила электрона равна 0 '.Этот сценарий позволяет использовать проводники для электростатической защиты электрического оборудования.

  • Внутри проводника плотность заряда «0»
  • Поток свободных зарядов на поверхности проводников
  • Хорошие проводники обладают высокой вязкостью
  • Экологичность
  • Обладают высокой теплопроводностью
  • Хорошая пластичность

Часто задаваемые вопросы

1). Каковы примеры электрических проводников?

Несколько общих примеров проводников: медь, серебро, алюминий и золото.Остальные - пластик, воздух, дерево и стекло.

2). Какой самый лучший электрический проводник?

Серебро - лучший проводник, а остальные элементы после серебра - это медь и золото.

3). Какой элемент самый проводящий?

Серебро является наиболее проводящим элементом, а затем золото и медь, так как они обладают повышенной теплопроводностью.

4). Какие бывают 3 типа проводников?

Типы проводников: металлы, полупроводники и неметаллы.

5). Дерево - хороший проводник электричества?

Дерево не является хорошим проводником электричества.

Итак, чтобы быть идеальным электрическим проводником, он должен удовлетворять нескольким свойствам, таким как проводимость, сопротивление и изоляция. Кроме того, проводимость зависит от формы, толщины, температуры, размера и энергии электронов. Существуют различные типы проводов, которые подходят для любого диапазона требований и для любой отрасли. Многие металлы обладают хорошими проводящими свойствами.Похоже, это является причиной того, почему части приложений, требующих передачи электричества, разрабатываются из металлов. Пластиковая оболочка, закрывающая электрический проводник, называется изолятором. Это предохраняет нас от поражения электрическим током. Итак, знаете больше о том, какие металлы обладают хорошими проводящими свойствами и как они генерируют электричество?

Блестящая вики по математике и науке

Самый простой способ описать проводники в электростатических терминах - воспользоваться следующим фундаментальным свойством.

Собственность проводника 1.

Внутри материала проводника в состоянии равновесия электрическое поле всегда равно нулю.

Поскольку заряд всегда может течь свободно, пока не достигнет равновесия, электрическое поле должно быть нулевым по очень простой причине: если бы электрическое поле было ненулевым , заряд мог бы двигаться. Теперь, если на проводник воздействует внешнее поле (предположим, что к нему был подведен внешний электрический заряд), заряды в проводнике будут двигаться, но через короткий момент заряды переориентируются в стабильную равновесную конфигурацию, в которой электрическое поле равно нулю.В общем, переориентация происходит довольно быстро, поэтому в хорошем приближении можно представить, что заряды внутри проводника движутся практически мгновенно.

Из свойства 1. сразу следует несколько следствий.

Поскольку электрическое поле равно нулю, электрический потенциал должен быть постоянным. Другими словами, проводник - это эквипотенциальная поверхность . Напомним, что

ΔV = E⋅dl, \ Delta V = \ int \ textbf {E} \ cdot d \ textbf {l}, ΔV = ∫E⋅dl,

, но E = 0 \ textbf {E} = 0 E = 0, поэтому ΔV = 0 \ Delta V = 0 ΔV = 0.

Собственность проводника 2.

Внутри материала проводника в состоянии равновесия разность потенциалов между любыми двумя точками равна нулю.

Поскольку электрическое поле внутри проводника равно нулю (E = 0 \ mathbf {E} = 0 E = 0, из дифференциальной формы закона Гаусса непосредственно следует, что также не может быть чистого заряда ρ = 0 \ rho = 0 Внутри проводника ρ = 0. Тем не менее, некоторый заряд может находиться на поверхности проводника, где заряды удерживаются для полного выхода из материала.

Собственность проводника 3.

Внутри материала проводника в состоянии равновесия нет никакого чистого заряда в любой точке внутри проводника. Весь чистый заряд (если таковой имеется) находится на поверхности или поверхностях проводника.

Хотя на поверхности проводника есть заряд, он заблокирован в статической конфигурации в состоянии равновесия. В результате электрическое поле на поверхности проводника должно быть перпендикулярно поверхности.Если бы электрическое поле имело какую-либо составляющую, параллельную поверхности, то заряд тек бы по поверхности, что противоречило бы предположению, что оно находится в равновесии.

Собственность проводника 4.

Электрическое поле на поверхности проводника в состоянии равновесия перпендикулярно поверхности.

Хотя распределение индуцированного заряда не всегда легко вычислить напрямую, можно установить некоторые общие принципы взаимодействия проводников и внутренних и внешних зарядов.

Набор объектов с общим зарядом Q Q Q помещается внутри полого проводника, который изначально является нейтральным. Каков суммарный заряд (а) внутренней и (б) внешней поверхностей проводника?


Между двумя поверхностями проводника электрическое поле равно нулю, поэтому закон Гаусса гласит, что общий заряд, содержащийся внутри гауссовой поверхности, охватывающей внутреннюю поверхность и заряженные объекты, должен быть равен нулю. Следовательно, внутренняя поверхность должна содержать заряд −Q - Q −Q.Поскольку проводник изначально нейтральный, внешняя поверхность должна содержать заряд Q Q Q.

Совокупность объектов с общим зарядом Q Q Q помещается внутри сферического полого проводника , изначально нейтрального. Какое поле вне проводника?


Как и в предыдущем примере, внутренняя поверхность приобретает индуцированный заряд -Q -Q -Q, а внешняя поверхность приобретает индуцированный заряд Q Q Q. Но каково распределение индуцированного заряда? Подумайте, что бы произошло, если бы мы каким-то образом смогли удалить внешний поверхностный заряд Q Q Q - сам по себе заряд от внутренней поверхности, индуцированный заряд, компенсируется зарядом от заряженных объектов во всех точках вне полости.Таким образом, заряд Q Q Q во внешней полости просто перераспределяется равномерно, как на однородно заряженной сфере. Следовательно, поле вне проводника просто выглядит как поле однородно заряженной сферы с зарядом Q Q Q. [1]

Обратите внимание, что геометрия внутренней поверхности и положения заряженных объектов не имели значения. Другими словами, полый проводник «скрывает» геометрию чего-либо внутри сферы. Вы могли бы определить только внешнюю геометрию из-за внешнего поля, образованного зарядом Q Q Q на сферической внешней поверхности, но вы не смогли бы определить что-либо о зарядах, содержащихся на внутренней поверхности и в полости.

Свойства проводников ~ Электрическое ноу-хау


В предыдущей статье « Введение в проверку проводников » я перечислил все важные термины и их определения в одном полном глоссарии.

Сегодня я объясню различные свойства проводников следующим образом.

3- Свойства проводников



Фундаментальной задачей кабельной техники является экономичная и эффективная передача тока (мощности).При выборе материала, размера и конструкции проводника необходимо учитывать такие параметры, как:
  1. Ampacity (допустимая нагрузка по току),
  2. Напряжение напряжения на проводнике,
  3. Регулировка напряжения,
  4. Потери в проводнике,
  5. Радиус изгиба и гибкость,
  6. Общая экономика,
  7. Соображения по материалам,
  8. Механические свойства.

Как электротехнический инспектор, вы должны убедиться, что проводники имеют надлежащий размер, номинал, изоляцию и правильно подключены.

3.1 Тип материала



Не все материалы одинаково хорошо проводят ток. В электричестве представляют интерес два материала:
  1. Проводники: они пропускают ток,
  2. Изоляторы: они препятствуют прохождению тока.

Легкость, с которой металл пропускает ток, описывается как проводимость .
Электропроводность: это мера способности данного материала проводить электрический ток.
  • Всем металлам присваивается рейтинг проводимости, который показывает, насколько хорошо они проводят электричество по сравнению с медью. Лучший проводник - серебро, но медь используется чаще, потому что она дешевле. Золото - лучший проводник, чем алюминий, но, опять же, его редко используют.
  • Тип материала, используемого в качестве проводника, влияет на его допустимую нагрузку по току. Это связано с тем, что элементы из различных материалов различаются по величине проводимости или удельному сопротивлению .
Удельное сопротивление: Он определяет, насколько сильно данный материал противодействует прохождению электрического тока. Это величина, обратная проводимости.

Удельное сопротивление металла (проводника) основано на 1 круговом миле и длине одного фута.

Чтобы вычислить сопротивление проводника из любого металла, используйте значение, данное для сопротивления кругового милфута материала, и используйте следующую формулу.

Пример № 1:
Если сопротивление 1 см / фут меди при 23 ° C составляет 10,5, каково сопротивление 500 футов медного провода диаметром 0,292?

Решение:

Для приблизительных расчетов сопротивления круглого медного провода в омах на тысячу футов разделите 10 500 на размер провода в круглых милах.

Таблица-1 представляет собой список элементов материала и их удельных значений сопротивления.Например, медный провод пропускает больше тока, чем алюминиевый провод того же диаметра и такой же длины. Медный провод имеет более низкое значение удельного сопротивления.

Таблица-1: Удельные сопротивления проводящих элементов. (Сопротивление равно 1 милю-футу в Ом)

3,2 Медь VS Алюминиевые проводники



  • Хотя серебро является лучшим проводником, его стоимость ограничивает его использование специальными схемы.Серебро используется там, где требуется вещество с высокой проводимостью или низким удельным сопротивлением.
  • Два наиболее часто используемых проводника - медный и алюминиевый. У каждого есть положительные и отрицательные характеристики, которые влияют на его использование в различных обстоятельствах. Сравнение некоторых характеристик меди и алюминия приведено в Таблица-2.

Предел прочности на разрыв (фунт / дюйм2)
Предел прочности при растяжении для того же 4 0 такая же проводимость (фунты)
Поперечное сечение для одинаковой проводимости (C.M.)
Таблица 2: Сравнительные характеристики меди и алюминия
  • Медь имеет более высокую проводимость, чем алюминий. Он более пластичный (может вытягиваться). Медь обладает относительно высокой прочностью на разрыв (наибольшее напряжение, которое вещество может выдержать по своей длине, не разрываясь). Его также можно легко паять. Однако медь дороже и тяжелее алюминия.
  • Хотя алюминий имеет только около 60 процентов проводимости меди, его легкость делает возможными большие пролеты.Его относительно большой диаметр для данной проводимости снижает коронный разряд. Корона - это разряд электричества из провода, когда он имеет высокий потенциал. Разряд больше при использовании проволоки меньшего диаметра, чем при использовании проволоки большего диаметра. Однако относительно большой размер алюминия для данной проводимости не позволяет экономично использовать изоляционное покрытие.
  • При выборе между медными и алюминиевыми проводниками следует внимательно сравнивать свойства двух металлов, поскольку каждый из них имеет преимущества, которые перевешивают другие при определенных условиях.
Наиболее важными для разработчика кабеля свойствами являются:

Сопротивление постоянному току



Электропроводность алюминия составляет примерно 6 от 1,2 до 62 процентов от проводимости меди. Следовательно, алюминиевый проводник должен иметь площадь поперечного сечения примерно в 1,6 раза больше, чем медный проводник, чтобы иметь эквивалентное сопротивление постоянному току. Эта разница в площади примерно равна двум размерам AWG.

B- Вес



  • Одним из важнейших преимуществ алюминия помимо экономичности является его низкая плотность.Единица длины неизолированного алюминиевого провода весит всего 48 процентов от такой же длины медного провода, имеющего эквивалентное сопротивление постоянному току.
  • Однако часть этого преимущества в весе теряется, когда проводник изолирован, поскольку для покрытия большей окружности требуется больший объем изоляции по сравнению с эквивалентным алюминиевым проводом.

C-Ampacity



Токовую нагрузку алюминиевых и медных проводников можно сравнить с помощью многих документов.См. Подробности и ссылки в главе 9, но очевидно, что для пропускания того же тока, что и медный проводник, требуется большее поперечное сечение алюминия, как это видно из Таблица-1 .

D- Регулирование напряжения



  • В цепях переменного тока с небольшими (до # 2/0 AWG) проводниками и во всех цепях постоянного тока влияние реактивного сопротивления незначительно. Эквивалентные падения напряжения возникают в случае алюминиевого проводника, площадь поперечного сечения которого примерно в 1,6 раза больше, чем у медного проводника.
  • Однако в цепях переменного тока с более крупными проводниками скин-эффект и эффект близости влияют на значение сопротивления (отношение переменного тока к постоянному току, позже обозначаемое как отношение переменного / постоянного тока), и влияние реактивного сопротивления становится важным. В этих условиях коэффициент преобразования немного снижается, достигая значения примерно 1,4.

E- Короткие замыкания



Примите во внимание возможные условия короткого замыкания, поскольку медные проводники имеют более высокие возможности при работе с коротким замыканием.

F- Прочие важные факторы



  • При выполнении соединений с алюминиевыми проводниками необходимо соблюдать особую осторожность. Они не только склонны к ползучести, но и быстро окисляются. Когда алюминий подвергается воздействию воздуха, быстро образуется тонкая коррозионно-стойкая пленка с высокой диэлектрической прочностью.
  • Когда медные и алюминиевые проводники соединяются вместе, требуются специальные методы для обеспечения удовлетворительного соединения.
  • Алюминий не широко используется в кабелях для электростанций, подстанций или переносных кабелей, поскольку меньший срок службы изгиба небольших жил из алюминия не всегда соответствует механическим требованиям, предъявляемым к этим кабелям. Тем не менее, это подавляющий выбор для воздушных проводников из-за его высокого отношения проводимости к весу и для подземного распределения в целях экономии, когда пространство не является важным.
  • Экономическая стоимость двух металлов, конечно, должна приниматься во внимание, но всегда взвешиваться после стоимости вышележащих материалов.

В следующей статье я объясню единицы измерения размеров проводников . Пожалуйста, продолжайте следить.

Проводники | Введение в химию

Цель обучения
  • Примените концепцию зонной теории для объяснения поведения проводников.

Ключевые моменты
    • Проводник - это материал, содержащий подвижные электрические заряды.
    • В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижные заряженные частицы являются электронами, хотя в других случаях они могут быть ионами или другими положительно заряженными частицами.
    • Зонная теория, в которой молекулярные орбитали твердого тела превращаются в серию непрерывных энергетических уровней, может быть использована для объяснения поведения проводников, полупроводников и изоляторов.
    • Большинство знакомых проводников металлические.

Условия
  • металл: Любой из ряда химических элементов в периодической таблице, которые образуют металлическую связь с другими атомами металлов; обычно блестящие, несколько податливые и твердые, часто проводящие тепло и электричество.
  • молекулярная орбиталь - квантово-механическое поведение электрона в молекуле, описывающее вероятность определенного положения и энергии электрона; аппроксимируется линейной комбинацией атомных орбиталей.
  • напряжение - величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.

Проводники и изоляторы

Проводник - это материал, содержащий подвижные электрические заряды. В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны.Положительные заряды также могут быть подвижными, такими как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента. Изоляторы - это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов; они несут лишь незначительные электрические токи.

При описании проводников с использованием концепции зонной теории лучше всего сосредоточиться на проводниках, которые проводят электричество с помощью мобильных электронов. Согласно теории зон, проводник - это просто материал, валентная зона которого перекрывается с зоной проводимости, что позволяет электронам проходить через материал с минимальным приложенным напряжением.

Теория полос

В физике твердого тела зонная структура твердого тела описывает те диапазоны энергии, которые называются энергетическими зонами, которые может иметь электрон в твердом теле («разрешенные зоны»), и диапазоны энергии, называемые запрещенными зонами («запрещенные зоны»). , которого может и не быть. Теория зон моделирует поведение электронов в твердых телах, постулируя существование энергетических зон. В нем успешно используется ленточная структура материала для объяснения многих физических свойств твердых тел. Полосы также можно рассматривать как крупномасштабный предел теории молекулярных орбиталей.

Электроны одиночного изолированного атома занимают атомные орбитали, которые образуют дискретный набор уровней энергии. Если несколько атомов объединяются в молекулу, их атомные орбитали разделяются на отдельные молекулярные орбитали, каждая с разной энергией. Это создает количество молекулярных орбиталей, пропорциональное количеству валентных электронов. Когда большое количество атомов (10 20 или больше) объединяются в твердое тело, количество орбиталей становится чрезвычайно большим.Следовательно, разница в энергии между ними становится очень маленькой. Таким образом, в твердых телах уровни образуют непрерывные энергетические полосы, а не дискретные энергетические уровни отдельных атомов. Однако некоторые энергетические интервалы не содержат орбиталей, образуя запрещенные зоны. Эта концепция становится более важной в контексте полупроводников и изоляторов.

Проводники, полупроводники и изоляторы Слева проводник (описанный здесь как металл) имеет перекрывающиеся пустые и заполненные зоны, позволяя возбужденным электронам проходить через пустую зону с небольшим толчком (напряжением).Полупроводники и изоляторы имеют все большую и большую разницу в энергии между валентной зоной и зоной проводимости, что требует большего приложенного напряжения для прохождения электронов.

Внутри энергетической зоны уровни энергии можно рассматривать как почти континуум по двум причинам:

  1. Разделение уровней энергии в твердом теле сравнимо с энергией, которой электроны постоянно обмениваются с фононами (колебаниями атомов).
  2. Это разделение сравнимо с неопределенностью энергии из-за принципа неопределенности Гейзенберга для достаточно длинных интервалов времени.В результате разделение между уровнями энергии не имеет значения.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые будут двигаться, когда разность электрических потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на материале. Этот поток заряда (измеряется в амперах) и называется электрическим током. В большинстве материалов постоянный ток пропорционален напряжению (как определено законом Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии.

Большинство известных проводов металлические. Медь - самый распространенный материал, используемый для электропроводки. Серебро - лучший дирижер, но он стоит дорого. Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для высококачественных контактов между поверхностью. Однако есть также много неметаллических проводников, в том числе графит, растворы солей и всякая плазма. Есть даже проводящие полимеры.

Теплопроводность и электропроводность часто идут рука об руку. Например, море электронов заставляет большинство металлов действовать как проводники электричества и тепла.Однако некоторые неметаллические материалы являются практическими электрическими проводниками, но не являются хорошими проводниками тепла.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Проводники и их свойства

Электропроводниками могут быть твердые тела, жидкости и даже газы. Твердые проводники - это металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.Металлы - это пластмассы, обладающие характеристиками, которые проводят электрический ток и тепло.

Жидкие соединения - это расплавленные металлы и электролиты. Металлы с самыми низкими температурами плавления - это ртуть и галлий, -39 ° C и + 29,8 ° C соответственно. Все остальные металлы имеют гораздо более высокие температуры плавления.

Механизм переноса электронов в твердых и жидких металлах обусловлен свободными электронами, поэтому их называют соединениями электронной проводимости или проводниками первого сорта .

Электролиты, или проводники второго сорта, представляют собой растворенные вещества кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Ток через эти проводники происходит за счет заряженных частей молекул (ионов). В результате меняется состав электролита, и на электродах появляются продукты электролиза.

Все газы и пары не проводят ток с низкими электромагнитными полями. Однако, если электромагнитное поле превышает некоторый критический уровень, вызывая удар и фотоионизацию, газ может стать проводником с электронным или ионным типом проводимости.Сильно ионизированный газ с равным количеством электронов и положительных зарядов в единице объема называется плазмой .

Характер проводимости металлов

Классическая теория электронных металлов, разработанная Друде и Лоренцем, - это идея электронного газа , состоящего из свободных электронов. Электронный газ обладает свойствами идеального газа. Учитывая, что атомы в металле после ионизации, концентрация свободных электронов составляет:

n = dAN0, где d - плотность соединения, A - атомная масса, N0 - число Авогадро.

Согласно атомно-кинетической теории идеальных газов, средняя кинетическая энергия электронов, движущихся хаотически, линейно растет с температурой:

m0u22 = 32kT, где u составляет около 105 м / сек при 300K

При приложении внешнего электрического поля электроны получают дополнительный вектор, если скорость, ориентированная полем, стимулирует электрический ток. Плотность тока:

undefined

В этом объяснении мы обсудили отдельные свободные электроны, но разумно обнаружить все электроны в электрическом поле.Суммарный импульс электронов изменяется в поле и происходит из-за столкновений с атомами решетки, поэтому скорость будет в два раза больше. И:

γ = e2nElm0u˙, - проводимость.

Это видение свободных электронов приводит нас к теории Уайдмана-Франца, которая устанавливает связь между электропроводностью и теплопроводностью. Электроны переносят электрический заряд и тепло в проводниках.

Хорошие проводники также являются хорошими проводниками тепла. В процессе поглощения энергии участвуют как свободные электроны, так и атомы решетки.Тогда у металлов теплоемкость должна быть выше, чем у изоляторов. Однако в действительности теплоемкость металлов почти такая же, как теплоемкость изоляторов. Однако есть некоторые противоречия, которые разрешает квантовая теория. Главный недостаток классической теории электронов в проводниках - это применение классической статистики (статистики Максвелла-Больцмана), где распределение электронов по энергиям является экспоненциальной функцией:

F (E) = Aexp (–EkT)

Квантовая статистика основана на принципе Паули, который гласит, что каждое энергетическое состояние может содержать только один электрон.В квантовой теории возможность занять энергетические уровни электронами такова:

F (E) = (1 + exp - (E – EF) kT) –1

Где E F - энергия Ферми, характеристический уровень энергии находится там, где кривая вероятности симметрична. Он учитывает максимальную энергию электрона в металле при T = 0K. Энергия Ферми соответствует члену электрохимического потенциала:

ψF = EFe

E F относится к объему соединения, но зависит от концентрации свободных электронов.Наиболее частое значение энергии Ферми составляет 3-15 e В. При нагревании металл получает энергию, пропорциональную k Тл, однако этот избыток энергии намного меньше энергии Ферми. Это приводит нас к выводу, что металлы обладают низкой теплоемкостью и высокой проводимостью.

Системы микрочастиц, описываемые статистикой Ферми-Дирака, называются вырожденными . Средняя энергия электронного газа не зависит от температуры. Электронный газ превращается в металл, в то время как электроны не могут обмениваться своей энергией с атомами решетки.Температура вырождения металлов составляет около 10 4 К, что выше температуры плавления металлов.

Проводимость металлов, рассчитанная по статистике Ферми-Дирака, зависит от длины свободного пробега электронов:

γ = e2n23lh (8π3) 1/3

Можно сделать вывод, что концентрация свободных электронов в металлах существенно не различается. Концентрация электронов n также существенно не различается с температурой. Это означает, что проводимость металла зависит только от длины свободного пробега электронов, симметрии решетки и природы атома.

Теория Видемана-Франца

В проводниках электронная теплопроводность преобладает над другими типами теплопроводности из-за количества свободных электронов в металле. Согласно кинетической теории теплопроводность составляет:

λτ = 12knul λτγ = 3k2e – 2T = LT

Это означает, что соотношение теплопроводности и проводимости по току является постоянным при данной температуре. А хорошие проводники тока являются хорошими проводниками тепла.

Константа L = 3k2e2 - постоянная Лоренца. Согласно квантовой статистике L = λTγT = π23k2e

Эти результаты более или менее соответствуют друг другу.

Температурная зависимость электропроводности металла

Элементарные частицы характеризуются двухволновой дуальностью. Это означает, что движение электронов в кристалле можно описать как плоские волны с длиной волны, описываемой уравнением де Бройля:

λ = hm0u = h3m0E

Эта плоская волна распространяется через потенциальное поле идеальной кристаллической решетки без потерь энергии. Тогда для идеального кристалла свободный пробег бесконечен, а сопротивление равно нулю. Таким образом, сопротивление «технически чистых» металлов, таких как Au, Pb, Cu, Ag и некоторых других, стремится к нулю, когда температура стремится к нулю.Когда в идеальной кристаллической структуре есть недостатки, электроны рассеиваются на кристаллической решетке. Диссипация возникает, когда размер дефекта превышает четверть длины волны электрона. В металлах энергия электронов в полосе проводимости составляет порядка 3-15, что соответствует длине волны 3-7 А. Это означает, что любые примеси в кристаллической структуре препятствуют распространению электронных волн. Это означает, что сопротивление кристалла увеличивается.

Для чистых металлов единственная причина, которая может препятствовать распространению электронных волн, - это нагревательные колебания атомов решетки.ρ T - термическое электрическое сопротивление металла. При повышении температуры увеличиваются амплитуды колебаний атомов и флуктуации потенциального поля. Это также увеличивает рассеяние электронов и сопротивление металлов.

Свободный пробег электронов в этих условиях обратно пропорционален температуре:

l = ke2πNkT

Где k e - коэффициент упругости (для атома, стремящегося вернуть его в исходное положение). Следует помнить, что эта формула не работает при низких температурах, потому что колебания нагрева в этом случае становятся незначительными (амплитуда и частота колебаний уменьшаются).Взаимодействие электрона и колеблющегося атома незначительно меняет импульс электрона. В теории колебаний атомов температура решетки рассматривается около некоторой характеристической температуры ϴ D , называемой температурой Дебая. Температура Дебая учитывает максимальную частоту колебаний нагрева атомов в решетке:

θD = hvmaxk

Температура Дебая зависит от связи между атомами в решетке. Когда T> ϴ D , удельное сопротивление для проводников отображается следующим образом:

ρT = 1γ = 2πmn * kuFε2keT = aT

Эта линейная температурная функция удельного сопротивления работает для температур выше:

23θD

Для наиболее распространенных металлов температура Дебая составляет около 400K-450K, тогда приведенная выше формула действительна для комнатной температуры и выше.Для более низких температур ρ T ~ T 5 . На рисунке 11 показана температурная зависимость сопротивления большинства материалов.

Рис. 11. Примесь Al в решетке Si

Относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1 Кельвин называется температурным коэффициентом сопротивления , который отображается следующим образом:

αρ = 1ρdρdT, αT является функцией температуры: ρ = ρ0 [1 + αp (T – T0)]

Положительный знак α ρ означает, что ρ растет. α ρ для чистых металлов обычно имеет температурную зависимость 1 / T .А для большинства металлов при комнатной температуре α ρ ~ 0,004K -1 .

Влияние примесей и других дефектов конструкции на стойкость металла

Электронные волны рассеиваются на атомах решетки и на примесях твердой структуры, которые нарушают потенциальное поле кристалла. Рассеяние электронной волны на статических дефектах не зависит от температуры, поэтому, когда температура стремится к нулю, сопротивление стремится к некоторой рассматриваемой величине, называемой остаточным сопротивлением .

Правило Матиссена об сопротивлении металлического соединения: импеданс проводника складывается из сопротивления из-за рассеяния тепловыми колебаниями атомов решетки и дефектов структуры импеданса соединения, которое складывается из сопротивления из-за рассеяния на тепловых колебаниях атомов решетки и на дефектах структуры соединения.

ρ = ρT + ρres

Исключением из этого правила являются сверхпроводники, в которых сопротивление исчезает после определенной критической температуры.

Наибольшее влияние на сопротивление металла оказывает диссипация электронов на дефектах соединения, которые могут быть примесью или легированием. Любая добавка примесей увеличивает сопротивление соединения, даже если оно имеет более высокую проводимость, чем растворители.

Экспериментально установлено, что сопротивление изменяется пропорционально концентрации дефектов, когда концентрация дефектов мала.

Различные примеси по-разному влияют на остаточное сопротивление.Влияние диссипации на примеси зависит от возбуждающего потенциала в решетке. Этот потенциал тем выше, чем больше разница между валентностью примеси и валентностью атома растворителя.

За исключением примесей, на остаточное сопротивление влияют внутренние дефекты соединения - вакансии, дислокации, границы зерен и т. Д. Концентрация точечных дефектов экспоненциально растет с температурой. Вакансии и междоузлия появляются при воздействии на металл излучением высокой энергии.Сопротивление соединения может сказать вам о скорости радиационного облучения решетки.

Стресс сильно влияет на стойкость компаунда. Скорость этого аффекта зависит от характера стресса.

Электрические свойства металлических сплавов

Широко используются металлические сплавы с неупорядоченной структурой. Эти металлические сплавы характеризуются кристаллической решеткой растворителя, но период решетки различен. Многие металлы, имеющие подобный тип кристаллической решетки, смешиваются в любых пропорциях и образуют непрерывный ряд твердых тел.Статистическое распределение различных типов атомов в кристаллической решетке вызывает флуктуации периодического поля решетки, что приводит к сильной диссипации электронов.

ρ al = ρ h + ρ res , где ρ h - диссипация электрона на колебаниях нагрева атома, ρ res - остаточное сопротивление из-за примеси в кристаллической структуре.

Особенностью металлических сплавов является то, что ρ res может быть выше ρ h .Для многих двухкомпонентных сплавов остаточное сопротивление можно описать следующим выражением - ρ res = Cab = Cb (1 - b) , где a и b - атомные доли компонентов в сплаве. , C - характеристическая константа. Это выражение является законом Нордхейма.

Стойкость сплава тем больше, чем дальше он по консистенции от чистых металлов. Если остаточное сопротивление имеет максимальное значение при равном количестве обоих компонентов в сплаве, т.е.е. а = б. Закон Нордхейма работает именно тогда, когда в сплаве отсутствуют фазовые переходы или он не содержит переходных или редких металлов. Примерами являются Au-Ag, Au-Cu и Cu-Ag.

Сопротивление высокочастотных металлов

В условиях высокой частоты электрический ток неравномерно распределяется по металлическому сечению. Плотность тока максимальна на поверхности проводника и уменьшается глубоко в проводнике. Это явление называется поверхностным эффектом (или скин-эффектом ).Неравномерное распределение тока объясняется полем проводника. Магнитный поток для проводника ϕ = Li, где - индуктивность проводника. Изменения магнитного потока провоцируют ЭДС самоиндукции:

eL = –Ldidt

Если ток изменяется синусоидально, то ЭДС будет следующей:

eL = –wLIm cos et

ЭДС самоиндукции противоположна направлению тока и замедляет его. Когда по проводнику проходит переменный ток, переменный магнитный поток появляется внутри и снаружи проводника, и разные части сечения проводника находятся в разных условиях.ЭДС имеет максимальное значение для центральных частей проводника и минимальное для его поверхностной части. Причем плотность тока ослабляется больше всего в центре проводника и меньше всего - на поверхности. Экструзия тока на поверхность проводника тем сильнее, чем выше частота. Если текущее направление рассматривается как следующее выражение, то верно:

Jx = J0exp (–z∆)

где J 0 - плотность тока на поверхности, ∆– - глубина проникновения магнитного поля в проводник.Связь проникновения поля с физическими характеристиками соединения следующая:

∆ = 2ωγμ0μ

Где µ 0 = 4π10 -7 , Hn / m - постоянная магнита. При высоких частотах ток равен нулю для всего сечения проводника, кроме тонкого поверхностного слоя.

Устойчивость тонкой металлической пленки - поверхностные эффекты

Металлические тонкие пленки используются в микроэлектронике в качестве межкомпонентных соединений, контактных площадок, обкладок конденсаторов, магнитных и резистивных элементов интегральных схем.Электрические свойства тонкой металлической пленки могут существенно отличаться от свойств массивных металлов и сплавов. Первая причина - разнообразие структурных характеристик тонких пленок, полученных методом конденсации молекулярных пучков в атмосфере высокого вакуума. В различных условиях конденсации структура тонкой пленки может изменяться от абсолютно неупорядоченного мелкодисперсного состояния (аморфный конденсат) до идеальных монокристаллических слоев (эпитаксиальных пленок).

Вторая причина изменения свойств тонких металлических пленок - это поверхностные эффекты (роль поверхностных воздействий преобладает над объемными).Поверхностный эффект в нашем случае возникает, когда ширина тонкой пленки соизмерима с длиной свободного пробега электронов. В этом случае свойства пленки зависят от геометрических характеристик проводника. Это сопротивление пленки описывается формулой:

ρδ = ρ (1 + lδ)

Где ρ - объемное сопротивление металла, l - длина свободного пробега электронов для объемного металла, δ - ширина тонкой пленки.

Поверхностная диссипация электронов при комнатной температуре для тонких пленок становится значительной, когда толщина тонкой пленки составляет 200–300 °.Однако при низких температурах, когда длина свободного пробега электрона увеличивается, поверхностное воздействие становится значительным при большей ширине тонкой пленки.

Контактные явления и термо-ЭДС

При контакте двух разных металлов между ними возникают контактные разности потенциалов. Это явление было открыто А. Вольта в 1797 году. Согласно квантовой теории, контактные разности потенциалов возникают между двумя материалами пропорционально разнице их энергий Ферми.

eU = E1F – E2F

Система, состоящая из двух разных проводников, образует замкнутый контур, который называется термопарой. (Рисунок 11). Когда контакт имеет другую температуру в замкнутом контуре, через цепь течет ток. Этот ток называется термоэлектрическим током . Если шлейф разорван, значит у нас есть разность потенциалов на контактах цепи. Эта разность потенциалов называется термо-ЭДС .

U ~ αT (T2 – T1)

α T - относительная термо-ЭДС.α T зависит от природы металлов и их температуры. Термо-ЭДС состоит из трех компонентов. Первый связан с температурной зависимостью контактной разности потенциалов. Когда температура металла увеличивается, его энергия Ферми также уменьшается. Это означает, что горячий контакт термопары должен иметь большую энергию Ферми, чем холодный. Следовательно, в термопаре появляются контактные составляющие термо-ЭДС. Вторая составляющая термо-ЭДС связана с диффузией носителей заряда от горячего контакта к холодному.

Средняя энергия электронов в металле изменяется с температурой. Электроны на горячем контакте имеют большую кинетическую энергию, большую скорость и быстрее диффундируют. Этот диффузионный поток в направлении температурного градиента создает компоненты термо-ЭДС. Третья составляющая термо-ЭДС возникает в петле из-за движения электрона фононами (квантами тепловой энергии). Их поток также движется к холодному контакту. Все составляющие термо-ЭДС учитываются небольшой концентрацией электронов, расположенных близко к уровню Ферми.Термо-ЭДС для металлов относительно невелика и считается выражением:

αT≈π2kekTEF

Для контура термопары относительной термо-ЭДС является разность термо-ЭДС обоих контактов:

αT≈α1T – α2T

α 1 T и α 2 T - суммарные относительные термо-ЭДС обоих контактов.

Для расчета общей относительной термо-ЭДС Plumbum используется в качестве стандарта, поскольку его термоэлектрические свойства очень слабые. Сверхпроводники - очень хорошие стандарты для рассмотрения термо-ЭДС при низких температурах, потому что их термо-ЭДС всегда равна нулю.Термо-ЭДС имеет отрицательный знак, если горячий контакт термопары является положительным знаком, что естественно для большинства простых металлов. Абсолютная термо-ЭДС сильно зависит от температуры и может менять знак при нагревании.

Классификация материалов проводников - Материалы с высокой проводимостью

Эти материалы представляют собой металлы с электропроводностью менее 0,1 мОм * м.

Cuprum. Преимущества Cuprum следующие:

  1. малое сопротивление;
  2. высокая механическая прочность;
  3. нормальная устойчивость к коррозии;
  4. хорошая технологичность - прокатка на листы, полосы и проволоку;
  5. Паять легко.

Его сопротивление чувствительно к примесям. При 0,5% Zn, Cd или Ag сопротивление снижается на пять процентов. При 0,5% Ni, Sn или Al сопротивление снижается на 40%. Be, As, Fe и Si снижает сопротивление до 55% и более. Недостатком меди является атмосферная коррозия при образовании пленок оксидов и серы. Скорость окисления растет с температурой. Медь не подходит для слаботочных контактов из-за окисления.

Cuprum используется в электронике для проводов, кабелей, шин распределительных устройств, катушек трансформаторов, токоведущих элементов и др.Твердая медь используется, когда важно обеспечить механическую прочность, жесткость и устойчивость к истиранию. Мягкая медь используется, когда важны гибкость и пластичность. Специальные электровакуумные виды меди используются для изготовления клистронов, магнетронов, ВЧ компонентов, волноводов и резонаторов.

Алюминий. Второстепенное значение после меди и металла с высоким сопротивлением является алюминий. Его стойкость в 1,5 раза выше, чем у меди. А алюминий в 3,5 раза легче меди.Алюминий обеспечивает большую удельную проводимость на единицу массы из-за своей низкой плотности. Недостаток алюминия - низкая механическая прочность. Алюминий окисляется и покрывается тонкой пленкой оксида на своей поверхности с высоким электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от коррозии, но создает большое переходное сопротивление в точках контакта алюминиевых проводов. Это затрудняет стандартную пайку. Тонкие алюминиевые пленки используются в интегральных схемах в качестве контактов и соединений. Алюминий создает очень хороший контакт с кремнием.Недостатком алюминия является его подверженность электромиграции, что приводит к росту сопротивления и разрыву соединений.

Сверхпроводящие металлы и сплавы

Многие металлы и сплавы обладают сильным сопротивлением, которое ухудшается, когда температура стремится к абсолютному нулю. Это явление называется сверхпроводимостью , а температура перехода в сверхпроводимость составляет критическая температура T sup . Первое явление сверхпроводимости было обнаружено у ртути Hg (T sup = 4.2К) нидерландского физика Х. Каммерлинг-Оннеса.

Если мы индуцируем электрический ток в сверхпроводящей петле, он не просуществует долго. Сопротивление учитывалось деградацией магнитного потока, индуцированной током в петле. Это 10 -25 м0м * м.

Явление сверхпроводимости возникает, когда электроны притягиваются друг к другу. Это возможно в области положительно заряженных ионов, что снижает силы притяжения электронов Колумба. Только электроны, участвующие в процессе проводимости, расположенные близко к уровню Ферми, могут притягиваться друг к другу.Эти электроны с противоположно направленными импульсными векторами соединяются в пары, называемые парами Couper . Электроны взаимодействуют с греющими колебаниями решетки, фононами и играют решающую роль в создании куперовских пар. Электроны могут создавать и поглощать фононы в твердом соединении.

Переход металла в состояние сверхпроводимости происходит в очень небольшом диапазоне температур. Вакансии, примеси, структурное разнообразие, границы зерен и другие дефекты расширяют температурный диапазон сверхпроводимости.Электроны, ответственные за переход в сверхпроводимость, не производят энергообмена с решеткой. Поэтому сверхпроводники обладают низкой теплопроводностью.

Важной особенностью сверхпроводников является то, что магнитное поле не проникает в сверхпроводник, а ослабляется на поверхности сверхпроводника. Это явление называется эффектом Мейзенера и происходит потому, что магнитное поле создает круговой ток на поверхности сверхпроводника, который создает магнитное поле, компенсирующее внешние магнитные поля.Глубина проникновения магнитного поля порядка 10 -6 -10 -7 м. Это означает, что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками с проницаемостью мкм = 0,. Сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля, как любой другой диамагнетик.

Состояние сверхпроводимости может быть нарушено, если магнитное поле больше некоторой критической точки H sup . Существует два типа сверхпроводников: тип I и тип II, и их можно рассматривать как переходные в состояние сверхпроводимости.В сверхпроводниках типа I переход происходит внезапно, как только магнитное поле достигает критической точки H sup . Сверхпроводники типа II переходят в состояние сверхпроводимости постепенно и характеризуются низкой H низкой и высокой H высокой критическими точками магнитного поля. Между этими двумя точками материал находится в переходном гетерогенном состоянии с нормальной и сверхпроводящей фазой. Скорость их объема зависит от магнитного поля и проникает в соединение постепенно.

Hsup (T) = Hsup (0) (1 – T2Tsup)

H sup (0) - магнитное поле при 0K.

Сверхпроводимость также может быть нарушена током через сверхпроводник I sup . Для сверхпроводников типа I плотность тока останавливается на уровне точки критического магнитного поля на поверхности сверхпроводника. В случае длинного провода круглого сечения критический ток составляет I sup = 2πrH sup (T). Двадцать шесть металлов обладают сверхпроводимостью с температурами перехода менее 4.2К. Тринадцать элементов могут переходить в состояние сверхпроводимости в условиях высокого давления, например Si, Ge, Te, Su и некоторые другие. Некоторые интерметаллические соединения и сплавы также могут переходить в сверхпроводники. Общее количество сверхпроводников около 2000.

Основное применение сверхпроводников - получение чрезвычайно сильных магнитных полей. Сверхпроводящие соленоиды позволяют получать сверхсильные магнитные поля выше 10 7 А / м. Для обычных соленоидов с железной катушкой максимальное магнитное поле составляет 10 6 А / м.

Сплавы с высоким сопротивлением

Сплавы с высоким сопротивлением - это токопроводящие сплавы с удельным сопротивлением не менее 0,3 мОм * м. Эти сплавы используются для производства электрооборудования, стандартных резисторов, электронагревательного оборудования и др. Эти сплавы должны характеризоваться не только высоким сопротивлением, но и небольшой термо-ЭДС α T . Проводники в электронагревательном оборудовании должны работать на воздухе с температурой до 1000 ° C.

Манганин - основной сплав на основе меди, используется для изготовления электроизмерительной аппаратуры и стандартных резисторов.

Константан - сплав Cu-Ni, консистенция ni соответствует наибольшему значению ρ и наименьшему значению α ρ . Константан хорош с обработкой. α ρ обычно отрицательная и близка к нулю.

Сплав

Хромоникель используется для производства отопительного электрооборудования.

Драгоценные металлы

Драгоценные металлы - самые стабильные металлы - золото, серебро, платина и палладий. Их можно найти в виде самородков или разных руд.Очень чистые металлы можно получить с помощью химической, электролитной, металлургической и другой обработки.

Золото. Этот металл используется в качестве материала контактных площадок, антикоррозийной наплавки ВЧ резонаторов, внутренних поверхностей волноводов. Основным преимуществом золота является его устойчивость к окислению и образованию серы при комнатной и более высоких температурах.

Предел прочности золотой проволоки 150 МПа, относительное удлинение около 40%.

Серебро. Этот металл устойчив к окислению и имеет самую низкую стойкость среди других драгоценных металлов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *