ЛЕКЦИЯ №13
Классификация проводниковых материалов. Жидкие проводники. Твердые проводники Основные свойства проводников. Проводники в электрическом поле. Зависимость удельного электрического сопротивления металлических проводников от их строения и внешних факторов.
Проводниковые изделияМатериалы высокой проводимости. Свойства и применение. материалов высокой проводимости. Медь и ее сплавы. Алюминий и его сплавы. Биметаллические проводники
Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле отсутствует. Некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечном, тонком поверхностном слое. Если электрическое поле отлично от нуля, в проводнике возникает электрический ток. Проводниками электрического тока могут быть твёрдые тела, жидкости, а при особых условиях и газы. Из твёрдых проводников широко применяются металлы и их сплавы.
По удельному сопротивлению материалы делятся на группы:
— металлы и сплавы высокой проводимости при нормальной температуре ≤0,05 мкОм·м;
— металлы и сплавы высокого сопротивления при нормальной температуре ≥0,3 мкОм·м.
Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электрических нагревательных приборов, нитей ламп накаливания.
Особую группу составляют криопроводникии сверхпроводники. Это металлы, обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при низких криогенных температурах.
Классификация по агрегатному состоянию. К жидким проводникам относят расплавленные металлы и электролиты. Механизм прохождения тока в металлах как в твёрдом, так и в жидком состояние обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля. Поэтому металлы называются проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. Проводниками второго рода или электролитами называются растворы кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти вещества связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов, вследствие чего состав электролита постепенно меняется (закон Фарадея).
Все газы и пары при низких напряжениях не являются проводниками, при достаточной напряжённости поля Е, при которой начинается ионизация газа, газ становится проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ превращается в плазму.
Электрические и механические свойства проводников.
1. Удельная проводимость () или удельное сопротивление ().
2. Температурный коэффициент удельного сопротивления TK
3. Коэффициент теплопроводности.
4. Контактная разность потенциалов.
5. Работа выхода электронов из металлов
6. Предел прочности на растяжение.
7. Относительное удлинение перед разрывом.
Удельная проводимость, связь с плотностью тока. Основные соотношения: ток в проводнике I [A] связан с напряженностью поля E [В/м] выражением I=·E, где 
[См/м] – удельная проводимость.
[Ом·м]
— для проводникового сопротивления R, длиной l и сечением S.
Удельная проводимость 
,
где e — заряд электрона, n0 — число свободных электронов, — длина среднего пробега между двумя узлами кристаллической решётки, m — масса электронов, vT — средняя скорость теплового движения электронов. Для различных металлов vT и n0 различны, поэтому удельная проводимость зависит от , которая определяется структурой металла. Чистые металлы с правильной кристаллической решёткой характеризуются наименьшими значениями. Микродефекты кристаллической решётки уменьшают подвижность электронов.
Температурный коэффициент удельного сопротивления. С ростом температуры вследствие изменения колебаний узлов кристаллической решётки увеличивается число препятствий на пути движения свободных электронов, то есть уменьшается . Следовательно, увеличивается удельное сопротивление, так как уменьшается проводимость. Температурный коэффициент при этом будет положительным, так как 
.
При переходе из твёрдого состояния в жидкое у большинства металлов наблюдается увеличение удельного сопротивления – это справедливо только для тех металлов, у которых при плавление увеличивается объём, то есть уменьшается плотность, у металлов уменьшающих объём, удельное сопротивление уменьшается.
Удельное сопротивление сплавов. Примеси и нарушение структуры металла увеличивают удельное сопротивление. Значительное увеличение удельного сопротивления наблюдается у твёрдых растворов при совместной кристаллизации.
Теплопроводность металлов. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют электропроводность. Поэтому коэффициент теплопроводности T у металлов выше чем у диэлектриков. Чем выше удельная проводимость, тем больше коэффициент теплопроводности. При повышении температуры отношение T/ растёт. Математически это выражается законом Видемана-Франца-Лоренца:
,
где L0 – число Лоренца, T – термодинамическая температура.
.
Значение постоянной Больцмана k=1,38·10-23 Дж/К, заряда электрона e=1,6·10-19 Кл.
Термоэлектродвижущая сила. При соприкосновении двух разных проводников (или полупроводников) между ними возникает контактная разность потенциалов (термопара). Причина — различные значения работы выхода электронов из различных металлов.
,
где n0 — концентрация электронов, UA,UB — потенциалы соприкасающихся металлов, k – постоянная Больцмана.
Если температуры спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи = 0. Если один из спаев имеет температуру Т1, а другой Т2, то
;
или 
, где 
— постоянный для данной пары проводников коэффициент термо-ЭДС. Таким образом термо-ЭДС пропорциональна разности температур спаев.
Температурный коэффициент линейного расширения. Температурный коэффициент линейного расширения проводников вычисляется так же, как и для диэлектриков. 
.
Также как и для диэлектриков, используется при рассмотрении работы разнородных сопряжённых материалов в конструкциях аппаратов, изоляторов, для предотвращения растрескивания.
Коэффициент l необходим также для расчёта температурного коэффициента электрического сопротивления провода
. Для чистых металлов 
, однако для сплавов с малым значением формула имеет практическое значение.
К материалам высокой проводимостипринято относить материалы с удельным сопротивлением r
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10617 — 
| 7341 — 
или читать все.
91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.
Что представляют собой проводники?
Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.
Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.
Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.
Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
- показатель сопротивления;
- показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.
Что представляют собой диэлектрики?
Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.
Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.
Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.
Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.
Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.
Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.
Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.
Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.
Что такое полупроводник?
Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводниками являются кремний и германий.
При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:
Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.
Проводники
Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.
Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.
Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.
Полупроводники
Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.
К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, гр афен, индий и т.д.
Диэлектрики
Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.
Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.
Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.
