Какой металл лучше проводит электрический ток

Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик согласно Зонной теории

Какой металл лучше проводит электрический ток

В электроэнергетике можно выделить три главные группы материалов: проводник, полупроводник и диэлектрик. Основное их отличие в том, что у них различная проводимость электрического тока. В этой статье поговорим о различии таких материалов и их поведении в электрическом поле.

Что такое проводник

Итак, проводник это – материал (вещество, среда), отлично проводящий электрический ток. Присутствующие в веществе так называемые свободные заряженные частицы (электроны или ионы), способны свободно перемещаться по всему объему вещества, а при приложении электрического напряжения создают ток проводимости.

Главной характеристикой проводника является его «сопротивление» (R), измеряемое в Омах или же обратная величина под названием «проводимость», находится по формуле:

G = 1/R

И измеряется данная величина в Сименс.

К проводникам относится: большая часть металлов, углерод (уголь либо графит), разнообразные растворы солей и кислот.

Проводники, у которых перенос заряда выполняется преимущественно за счет движения электронов (электронная эмиссия), называются проводниками первого рода. Если в проводниках перемещение заряда выполняется за счет ионов (электролиты), то они называются проводниками второго порядка.

Наибольшее распространение получили металлы, так как они обладают самой лучшей проводимостью, а значит, имеют меньшее сопротивление протекающему электрическому току.

Так, например, жилы всех питающих проводов (шнуров) выполнены из металлов, являющихся проводниками.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют те вещества, которые обладают большим сопротивлением и не пропускают электрический ток либо проводят его в незначительных количествах.

Это обусловлено тем, что в подобных материалах крайне мало находится свободных носителей заряда по причине довольно крепкой атомарной связи. Поэтому при воздействии электрического поля ток в диэлектрике просто отсутствует.

К диэлектрикам относятся такие материалы как: стекло, фарфор, керамика, текстолит, карболит, вода дистиллированная (без солевых примесей), сухое дерево, каучук и т.п.

Диэлектрики так же крайне широко используются в быту. Изоляция проводов, корпуса электроприборов выполнены из диэлектрических материалов.

yandex.ru

Но если создать определенные условия, например, сильно повысить рабочее напряжение, то диэлектрик может стать проводником. Наверняка вы слышали такое выражение как «пробой изоляции».

Главной характеристикой любого диэлектрика считается электрическая прочность (данная величина равна напряжению пробоя).

Что такое полупроводник

Как видно даже из самого названия полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники в изначальном состоянии не пропускают электрический ток, но стоит приложить к полупроводниковому материалу энергию, то полупроводник из диэлектрика превращается в проводник.

Подобные элементы применяются в радиоэлектронике, из них производят транзисторы, тиристоры, диоды, светодиоды и т. д.

Разграничение веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики объясняются с помощью Зонной теории твердых тел. Она, конечно, не всеми принимается просто, но познакомиться с ней крайне желательно.

Зонная теория твердых тел

Итак, различие между диэлектриками, проводниками и полупроводниками можно объяснить зонной теорией. Она звучит так:

Как известно из модели атома Бора в атоме электроны размещены на определенных орбитах

yandex.ru

В кристаллической решетке твердого тела орбиты электронов изменяются под неизбежным влиянием соседних атомов и электронов. И по этой причине происходит смещение энергетических уровней удержания электронов.

С орбит близких к ядру атома электроны могут перейти на другой уровень чисто теоретически, а вот уже с внешних орбит, которые в твердом теле размываются на подуровни, переход электронов между ними может осуществляться довольно легко.

А при приложении электрического потенциала электроны, хаотично перескакивающие по внешним орбитам соседствующих атомов, обретают единый вектор движения и мы наблюдаем электрический ток.

Поэтому нижний слой, где имеются свободно перемещающиеся электроны, называют зоной проводимости.

Валентной зоной называется область разрешенных энергий и располагается она под зоной проводимости.

Для того, чтобы электрон перешел из валентной зоны в зону проводимости, он должен пересечь так называемую запрещенную зону.

Численно она выражается в электрон–вольтах. А энергетические уровни полупроводников, проводников и диэлектриков схематично можно представить следующим образом:

Как видно из рисунка выше у проводника нет запрещенной зоны, то есть валентная зона и зона проводимости имеет область перекрытия. Это значит, что в таком материале даже при незначительном приложении энергии электроны начинают активно перемещаться в пределах тела проводника.

У полупроводника между уровнями присутствует запрещенная зона. Ее ширина показывает, какую энергию нужно приложить к полупроводнику, чтобы электроны начали свое перемещение, то есть стал протекать ток.

А у диэлектрика запрещенная область настолько широка, что переход электронов из валентной области в проводимую практически исключен. Так как потребуется значительная энергия для преодоления этого барьера, которая вызовет разрушение диэлектрика.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать о диэлектриках, проводниках и полупроводниках. Если вам статья оказалась интересна и полезна, то оцените ее. И спасибо за ваше внимание!

Лучшие проводники электрического тока: характеристики веществ, пропускающих электричество

Какой металл лучше проводит электрический ток

При использовании электроприборов человек постоянно сталкивается с веществами, которые являются проводниками, полупроводниками и диэлектриками, не проводящими ток. Эти материалы отличаются степенью электропроводности. Для того чтобы работать с бытовой техникой, необходимо знать все их особенности и характеристику. Выбрать лучший проводник электрического тока можно из металлов.

  • Особенности понятия
  • Первый и второй род
  • Процессы в электропроводниках

Проводниками тока называют те вещества, в которых количество свободных электрических зарядов превышает число связанных. Они могут начинать двигаться под влиянием внешней силы. Состояние материалов может быть газообразным, твёрдым и жидким. Электричество может протекать по металлической проволоке, если её подключить между двумя проводниками с разными потенциалами.

Ток переносят электроны, не связанные между собой атомами. Именно они способны охарактеризовать способность предмета пропускать через себя электрические заряды, или величину проводимости тока. Её значение обратно пропорционально сопротивлению, она измеряется в сименсах: См = 1/Ом.

Основные носители электричества в природе — это ионы, дырки и электроны. Поэтому способность к проводимости делят на три вида:

  • ионную;
  • электронную;
  • дырочную.

Приложенное напряжение даёт возможность оценить качество проводника. Эту способность вещества называют ещё вольт-амперной характеристикой.

Первый и второй род

После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными — металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

  • первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
  • второй вид — на основе ионов.

К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы — электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов.

Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока — это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток — ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях.

В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама.

Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

Процессы в электропроводниках

Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы.

Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция.

Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником. На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше — температуре, превышающей отметку кипения азота.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

Проводники и непроводники электричества

Какой металл лучше проводит электрический ток

/ Слесарное дело / Комплексные работы / Электричество / Проводники и непроводники электричества

6 апреля 2012

Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества.

Хорошие проводники электричества — металлы, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит. Тело человека также проводит электричество.

Из металлов лучшие проводники электричества серебро, медь и алюминий, поэтому провода электрической сети чаще всего делают из меди или алюминия.

Вещества, по которым заряды не передаются, называют непроводниками (или изоляторами). К хорошим изоляторам относятся эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, керосин, масла. Изоляторы (например, резиновую оболочку кабеля) применяют для изоляции проводов, по которым течет ток, от внешних предметов.

Вопросы

  1. Какие вещества называют проводниками электричества?
  2. Какие вещества называют изоляторами?
  3. Назовите проводники и изоляторы электричества.

Электрическая цепь и ее составные части

Источником электрического тока может служить батарея (гальванический элемент).

На электростанции электрический ток вырабатывают генераторы, приводимые в действие от паровых и гидравлических турбин.

Электродвигатели, лампы, плитки, работающие от электрического тока, называют приемниками или потребителями. Электрическую энергию доставляют к приемнику по проводам.

Чтобы включать и выключать в нужное время приемники электричества, применяют выключатели. Источник тока, приемники и выключатели, соединенные между собой проводами, составляют электрическую цепь.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется или вместо него будет поставлен изолятор, ток в цели прекратится. Такую цепь называют разомкнутой.

Вопросы

  1. Какова роль источника тока в цепи?
  2. Из каких частей состоит электрическая цепь?
  3. Что такое замкнутая цепь? разомкнутая?
  4. Какие приемники или потребители вы знаете?

Электрические схемы

Изучая географию, вы пользуетесь планом и картой. На плане и карте при помощи условных топографических знаков нанесены леса, селения, горы и реки.

В электротехнике тоже применяют карту-чертеж. На таком чертеже условными обозначениями изображают источники, приемники, выключатели, провода и изделия, из которых состоит электрическая цепь, а также соединения между ними. Такой чертеж называют электрической схемой.

Зная условные обозначения (смотрите таблицу ниже), нетрудно разобраться в электрической схеме. Если на одной и той же схеме повторяются одинаковые обозначения, то около условных знаков ставят числа, а в прилагаемой к схеме табличке указывают размер, тип и назначение.

Вопросы

  1. Что представляет собой электрическая схема?
  2. Что изображают на электрической схеме?

Условные обозначения составных частей электрической цепи на схемах

НазваниеУсловное обозначение
Провод
Изгиб провода
Пересечение двух проводов без соединения их
Пересечение двух проводов с соединением их
Ответвление провода
Соединение провода с землей
Источник тока (батарея, аккумулятор)
Электрическая лампа
Выключатель
Электрический предохранитель
Штепсельная розетка
Штепсельная вилка
Зажим
Кнопка (кнопочный выключатель)
Электрический счетчик
Электрический генератор
Электрический двигатель

«Слесарное дело», И.Г.Спиридонов,
Г.П.Буфетов, В.Г.Копелевич

В штепсельную розетку при помощи штепсельных вилок включают в электрическую цепь переносные осветительные или соединительные шнуры электробытовых приборов.

В основании из изоляционного материала штепсельной розетки укреплены два латунных гнезда, к которым присоединяют провода от электрической сети. Штепсельная розетка Штепсельная вилка состоит из корпуса с отверстием для шнура.

В корпусе из изоляционного материала имеются металлические втулки…

В производственных помещениях, помимо выключателей, устанавливают общие рубильники. В больших домах рубильники позволяют отключить сразу целый участок электрической сети (например, этаж или группу квартир).

В школе рубильники устанавливают в распределительных закрытых щитах учебных мастерских, где они служат для включения электродвигателей различных станков. Рубильники бывают: одно-, двух- и трехполюсные.

Рубильники а — однополюсный; б — двухполюсный;…

Часто приходится присоединять провода электрического шнура к патрону, выключателю, штепсельной розетке и к зажимам электроприборов. Для этого концы подключаемых проводов чаще всего заделывают кольцом, если их надевают на болты, иногда — тычком, когда их вставляют в специальные втулки и крепят винтами. Заделка концов проводов а — кольцом; б — тычком. При заделке кольцом концы проводов…

Неисправности электробытовых приборов

Если прибор не работает, то следует: включением настольной или специальной контрольной лампы проверить, исправна ли штепсельная розетка; при исправной розетке проконтролировать включением той же лампы, не повреждены ли шнур прибора и контакты штепсельной вилки. Если штепсельные розетка и вилка, а также шнур исправны, поврежден сам прибор. Прибор может не действовать, если перегорел нагревательный элемент или…

Основные электрические величины и способы их измерения

К основным электрическим величинам электрической цепи относятся сила тока, напряжение и сопротивление.

Сила тока Под силой тока понимают электрический заряд, проходящий через поперечное сечение провода в единицу времени.

Пользуясь выражениями «сила тока», «сильный ток», «слабый ток», мы должны знать, что означают эти выражения. Выражение «сильный ток» означает, что по цепи в единицу времени протекает большой…

Самый электропроводный металл в мире

Какой металл лучше проводит электрический ток

Ценность металлов напрямую определяется их химическими и физическими свойствами. В случае с таким показателем, как электропроводимость, эта связь не так прямолинейна.

Самый электропроводный металл, если измерять данный показатель при комнатной температуре (+20 °C), – серебро. Но высокая стоимость ограничивает применение деталей из серебра в электротехнике и микроэлектронике.

Серебряные элементы в таких приборах применяются только в случае экономической целесообразности.

Физический смысл проводимости

Использование металлических проводников имеет давнишнюю историю. Ученые и инженеры, работающие в областях науки и техники, использующих электроэнергию, давно определились с материалами для проводов, клемм, контактов, печатных плат и т. д. Определить самый электропроводный металл в мире помогает физическая величина, называемая электрической проводимостью.

Понятие проводимости обратно электрическому сопротивлению. Количественное выражение проводимости связано с единицей сопротивления, которое в международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах.

Единица электрической проводимости в системе СИ – сименс. Русское обозначение этой единицы – См, интернациональное – S.

Электрической проводимостью в 1 См обладает участок электрической сети с сопротивлением в 1 Ом.

Удельная проводимость

Мера способности вещества проводить электроток называется удельной электропроводностью. Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл.

Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение.

Удельная электропроводность цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.

Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр – См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора – микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.

Проводимость металлов

Само понятие электрического тока как направленного потока заряженных частиц кажется более гармоничным для веществ, основанных на кристаллических решетках свойственных металлам.

Носителями зарядов при возникновении электрического тока в металлах являются свободные электроны, а не ионы, как это бывает в жидких средах.

Экспериментально установлено, что при возникновении тока в металлах не происходит переноса частиц вещества между проводниками.

Металлические вещества отличаются от других более свободными связями на атомарном уровне. Внутреннее устройство металлов отличается присутствием большого числа «одиноких» электронов. которые при малейшем воздействии электромагнитных сил образуют направленный поток.

Поэтому не зря именно металлы являются лучшими проводниками электрического тока, и именно такие молекулярные взаимодействия отличают самый электропроводный металл.

На особенностях структуры кристаллической решетки металлов основано еще одно их специфическое свойство – высокая теплопроводность.

Топ лучших проводников – металлов

4 металла, имеющие практическое значение для их применения в качестве электропроводников распределяются в следующем порядке относительно величины удельной проводимости, измеряемой в См/м:

  1. Серебро – 62 500 000.
  2. Медь – 59 500 000.
  3. Золото – 45 500 000.
  4. Алюминий – 38 000 000.

Видно, что самый электропроводный металл – серебро. Но подобно золоту, оно используется для организации электрической сети лишь в особых специфических случаях. Причина – высокая стоимость.

Зато медь и алюминий – самый распространенный вариант для электроприборов и кабельной продукции благодаря низкому сопротивлению электрическому току и ценовой доступности. Другие металлы применяются в качестве проводников редко.

Факторы, влияющие на проводимость металлов

Даже самый электропроводный металл снижает свою проводимость, если в нём присутствуют другие добавки и примеси. У сплавов иная, чем у «чистых» металлов, структура кристаллической решетки. Она отличается нарушением в симметрии, трещинами и другими дефектами. Снижается проводимость и при повышении температуры окружающей среды.

Повышенное сопротивление, присущее сплавам, находит применение в нагревательных элементах. Неслучайно для изготовления рабочих элементов электропечей, обогревателей применяют нихром, фехраль и другие сплавы.

Самый электропроводный металл – это драгоценное серебро, больше используемое ювелирами, для чеканки монет и т. д. Но и в технике и приборостроении его особые химические и физические свойства находят широкое применение.

Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления.

Уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение оправданным, несмотря на высокую стоимость.

Электрический ток в металлах

Какой металл лучше проводит электрический ток
Определение 1

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1.12.1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси.

Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда.

Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1.12.1. Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F=-mdυdt, называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е. F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил Eст  :

Eст=-medυdt.

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ, равной δ=Eстl=medυdtl, где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q:

q=∫Idt=1R∫δdt=melυ0R.

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда em в металлах производится, исходя из формулы:

em=lυ0Rq.

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e=1,60218·10-19 Кл, а обозначение его удельного заряда – em=1,75882·1011 Кл/кг.

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х.

Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1.12.2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1.12.2. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

Определение 2

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Определение 3

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

Теорема 1

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υт¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 105 м/с.

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υд¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме Sυд∆t.

Количество таких е равняется nSυд∆t, где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆t через сечение проводника проходит заряд ∆q=enSυд∆t.

Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0,6-6 мм/с для проводника с сечением 1 мм2 и проходящим током в 10 А.

Определение 4

Средняя скорость υд¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υт их теплового движения υд≪υт.

Рисунок 1.12.3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3. Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υд¯∆t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c=3·108 м/с. По прошествии времени lc (l – длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона.

Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

Определение 5

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю eE, в результате чего получает ускорение emE.

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υд=υдmax=eEmτ.

Время свободного пробега обозначается τ. Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υд равняется половине максимального значения:

υд=12υдmax=12eEmτ.

Если имеется проводник с длиной l, сечением S с концентрацией электронов n, тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I=enSυд=12e2τnSmE=e2τnS2mlU.

U=El – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R=2me2nτlS.

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ=2me2nτ; ν=1ρ=e2nτ2m.

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

12m(υд)max2=12e2τ2mE2.

Определение 6

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆t каждого электрона испытывается ∆tτ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет nSl электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆t равняется

∆Q=nSl∆tτe2τ22mE2=ne2τ2mSlU2∆t=U2R∆t.

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3R, где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ~T, а исходя из экспериментов – ρ~T. Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T. Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Теорема 2

Если имеется определенная температура Tкр, различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1.12.4.

Пример 1

Критической температурой для ртути считается значение 4,1 К, для алюминия – 1,2 К, для олова – 3,7 К. Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов.

Ниобий с оловом Ni3Snимеют критическую точку температуры в 18 К. Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются.

Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой Tкр=35 К. На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К, которая превышала Т жидкого азота (77 К).

Определение 7

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т, превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl-Ca-Ba-Cu-O соединение с критической Т, достигающей 125 К. На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями Tкр.

Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике.

До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Проводимость меди и алюминия: удельная проводимость

Какой металл лучше проводит электрический ток

Электрическая проводимость или электропроводность — это способность тела проводить электрический ток.

Это понятие крайне важно в электротехнике: металлы, хорошо проводящие ток, используются в проводах, плохие проводники или диэлектрики — для защиты людей от электричества.

Лучшим проводником является серебро, на втором месте стоит медь (она совсем немного уступает серебру), далее идут золото и алюминий.

Достоинства и недостатки медных проводов

Медь — это пластичный переходный металл. Имеет золотисто-розовый цвет, встречается в природе в виде самородков. Используется человеком с давних времен — в его честь была названа целая эпоха.

В таблице дано удельное электрическое сопротивление стали и других металлов

Сегодня медные провода часто используют в электронных устройствах. К их достоинствам относятся:

  • Высокая электропроводность (металл занимает второе место по этому показателю, уступая только серебру). По сравнению с алюминием медь эффективнее в 1,7 раза: при равном сечении медный кабель пропускает больше тока.
  • Сварку, пайку и лужение можно проводить без использования дополнительных материалов.
  • Провода обладают хорошей эластичностью и гибкостью, их можно сворачивать и сгибать без особого вреда.

Медь лишь немного уступает серебру

Однако до недавнего времени медные провода проигрывали алюминиевым из-за нескольких недостатков:

  • Высокая плотность: при разных размерах медный провод будет весить больше, чем алюминиевый;
  • Цена: алюминий в несколько раз дешевле;
  • Медь окисляется на открытом воздухе: впрочем, это не влияет на ее работу и легко устраняется.

Какое сопротивление меди и алюминия

Алюминий — это легкий металл, который легко поддается обработке и литью. Обладает высокой электропроводностью: он стоит на 4 месте после серебра, меди и золота.

Важно! Несмотря на ряд достоинств (невысокую стоимость, малый вес, простоту обработки и другие) в долгосрочной перспективе алюминиевые провода менее выгодны, чем медные.

В электротехнике значение имеют 2 термина:

  • Электропроводность: отвечает за передачу тока от одной точки к другой. Чем выше проводимость металла, тем лучше он передает электричество. При +20 градусах проводимость меди составляет 59,5 миллионов сименс на метр (См/м), алюминия — 38 миллионов См/м. Проводимость медного кабеля практически не зависит от температуры.
  • Электросопротивление: чем выше это понятие, тем хуже вещество будет пропускать ток. Удельное сопротивление меди составляет 0,01724-0,0180 мкОм/м, алюминия — 0,0262-0,0295.

Алюминиевые кабели востребованы не меньше медных

Иными словами, медь обладает более высокой проводимостью и меньшим сопротивлением, чем алюминий.

Какое удельное сопротивление стали

Сталь — это металлический сплав железа с углеродом и другими элементами. В ее состав входит не менее 45% железа, содержание углерода колеблется от 0,02% до 2,14%. В зависимости от точного состава сталь используется в строительстве, машиностроении и приборостроении, а также во многих областях, например, в транспорте, народном хозяйстве, при производстве бытовых приборов.

Стальные провода отличаются невысокой проводимостью

Проводимость стали составляет всего 7,7 миллионов См/м, удельное сопротивление — 0,13 мкОм/м, то есть оно довольно высоко. Сталь плохо проводит электричество и не применяется при производстве непосредственно кабелей.

Однако нередко можно встретить внешнюю оцинкованную стальную оплетку, которая защищает провода от механического растяжения.

Такая защита нужна, если кабель проходит под дорогой или на нестабильном грунте, если есть риск резко дернуть провод.

Также из стали делают ПНСВ — провод нагревательный со стальной жилой, имеющий изоляцию из винила. Его размещают внутри конструкции до заливания бетона и используют в дальнейшем для электрообогрева готового блока. Электричество кабель практически не проводит.

Из стали производят провод ПНСВ

Сравнение проводимости разных видов стали

Характеристики стали зависят от ее состава и температуры:

  • Для углеродистых сплавов сопротивление довольно низкое: оно составляет 0,13-0,2 мкОм/м. Чем выше температура, тем больше значение;
  • Низколегированные сплавы имеют более высокое сопротивление — 0,2-0,43 мкОм/м;
  • Высоколегированные стали отличаются высоким сопротивлением — 0,3-0,86 мкОм/м;
  • Благодаря высокому содержанию хрома сопротивление хромистых нержавеющих сплавов равняется 0,5-0,6 мкОм/м;
  • Хромоникелевые аустенитные стали являются нержавеющими и благодаря никелю имеют высокую сопротивляемость — 0,7-0,9 мкОм/м.

Из стали часто делают оцинкованную оплетку

Медь стоит на втором месте по степени электропроводимости: она отлично пропускает электрический ток и повсеместно используется при изготовлении проводов. Не реже применяют и алюминий: он слабее меди, но дешевле и легче.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.