ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ

метки: Проводимость, Металл, Электронный, Электрический, Сопротивление, Вещество, Провод, Таблица

В настоящей работе будет рассмотрено такое важное свойство веществ как электрическая проводимость.

Каждое вещество обладает определенными свойствами. В настоящей работе рассмотрена одно из наиболее важных свойств вещества – электрическая проводимость. Это явление описывается большим числом физических законов.

Электрическая проводимость – это способность вещества проводить электрический ток ¹ . В данной работе была рассмотрена ионная электрическая проводимость. Этот выбор связан с уникальным механизмом этой проводимости, которая свойственна как растворам и расплавам электролитов, так и удивительным веществам – ионным кристаллам.

Научное знание об электрической проводимости различных веществ позволяет ученым и специалистам грамотно и максимально точно подбирать материалы для изготовления проводов, громоотводов, обширного спектра утилитарной электротехники, в том числе и домашней (утюги, пылесосы), и больших механизмов (электромобиль).

В связи с тем, что человеческое тело является отличным проводником электрического тока, при работе с электрическими приборами надо строго соблюдать технику безопасности, и для защиты участков кожи, контактирующих с используемыми в экспериментах средами, необходимо использовать непроводящие электрический ток материалы (резиновые перчатки).

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРОВОДИМОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Электрическая проводимость вещества зависит от концентрации в нём свободных зарядов, их вида, а также от условий внешней среды, в которой вещество находится.

Электрический ток может протекать через все тела – твёрдые, жидкие газообразные и даже через вакуум. Электрической проводимостью вещества называют его способность проводить электрический ток под действием электрического поля. Чем больше концентрация свободных зарядов в веществе, тем меньше величина его удельного сопротивления и тем больше его электрическая проводимость. Вещества, обладающие большой проводимостью называют проводниками, а вещества с малой электрической проводимостью – диэлектриками.

Однако такое деление веществ на проводники и диэлектрики весьма условно, т.к. изменение напряжённости электрического поля, температуры, давления и других факторов может значительно изменять проводимость веществ. Например, воздух, являющийся диэлектриком в обычных условиях, становится проводником, когда между грозовым облаком и землёй напряжённость электрического поля увеличивается до 3000 кВ/м, в результате чего и происходит разряд молнии.

Электрический ток в газах (2)

... внешнего фактора или вводятся в газ извне - несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами - самостоятельная проводимость. Гальванометр в цепи показывает отсутствие ... и следов радиоактивных веществ, имеющихся в земной коре, в 1 см 3 атмосферного воздуха возникает в среднем несколько пар ионов в секунду. Коэффициент r ...

Носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны, и поэтому такую проводимость называют электронной. Металлы имеют наибольшую проводимость среди проводников. Так как работа тока пропорциональна сопротивлению проводника, то для минимизации потерь при передаче электрической энергии всегда используют металлические провода. По той же причине из металлической проволоки изготовляют обмотки различных электромоторов, генераторов, трансформаторов и электроизмерительных приборов.

Сопротивление металлических проводников увеличивается с ростом температуры. Это явление можно объяснить тем, что при нагреве возрастает амплитуда хаотических (тепловых) колебаний атомов, а значит, увеличивается число столкновений этих атомов со свободными электронами, которые упорядоченно движутся под действием электрического поля. Зависимость сопротивления R проводника от температуры имеет следующий вид (см. рис. 43а):

R = R ₀ ^. {1+a(T-T₀ )} , (43.1)

где R и R ₀ – сопротивление проводника при температурах T и T₀ , соответственно, а a — постоянная, называемая температурным коэффициентом сопротивления данного вещества. Если в качестве R₀ взять сопротивление проводника при T₀ =273 К, то у всех чистых металлов a » 1/273 K^-1 . Например, у вольфрама a = 4,8^. 10^-3 K^-1 . Это значит, что сопротивление вольфрамовой нити лампы накаливания, раскалённой до 2700 К, более чем в 10 раз превышает её сопротивление при комнатной температуре.

При очень низких температурах наблюдается замечательное явление – сопротивление многих металлов скачком обращается в нуль. Это явление, названное сверхпроводимостью, было открыто голландским физиком Камерлинг-Оннесом в 1911 году, когда он измерял сопротивление ртути при охлаждении её в жидком гелии. Оказалось, что сопротивление ртути при охлаждении сначала плавно уменьшалось, но когда её температура достигала 4 К, сопротивление скачком падало до нуля (рис. 43б).

Температура, при которой сопротивление резко падает до нуля, называют критической. В настоящее время известно много сверхпроводников с самыми разными критическими температурами – от долей градуса К до примерно 100 К.

Объяснение физических процессов, лежащих в основе сверхпроводимости, было дано советским учёным Н.Н. Боголюбовым и американскими учёными Д. Бардиным, Л. Купером и Д. Шриффером на основе квантовой теории. Большой вклад в развитие теории сверхпроводников внесли также российские учёные А.А. Абрикосов и В.Л. Гинзбург.

Очевидно, что в будущем применение сверхпроводников позволит передавать электроэнергию на большие расстояния с гораздо меньшими потерями или вообще без них. Кроме того, использование сверхпроводящих материалов даст возможность создавать огромные магнитные поля в генераторах и электромоторах, благодаря чему эти устройства станут значительно более мощными, чем сейчас. Колоссальные магнитные поля, созданные с помощью сверхпроводников, позволят конструировать поезда на магнитной подвеске, двигающиеся плавно, без трения и с огромными скоростями.

Рис. 43. (а) – зависимость сопротивления металлического проводника от температуры; (б) – зависимость сопротивления ртути вблизи критической температуры.

1.1. Электрические свойства металлов при 20 °С

Свойства
р, мкОм м ар. С-	0,006 0,004	0,017 0,004	0,022 0,004	0,028 0,004	0,098 0,006	0,120 0,004	0,059 0,004	0,055 0,005

Cопротивления и применения

Проводниковые материалы подразделяют

1) металлы и сплавы высокой проводимости;

2) припои;

3) сверхпроводники;

4) контактные материалы;

5) сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимости. Проводниковые металлы кроме высокой электрической проводимости (малое электрическое сопротивление) должны иметь достаточную прочность, пластичность, которая определяет технологичность, а также коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую износостойкость. Кроме того, металл должен хорошо свариваться и подвергаться пайке для получения соединения высокой надежности и электрической проводимости.

Практическое применение имеют химически чистые металлы: Си, А1, Fe.

Эти металлы обладают высокой электрической проводимостью при минимальном содержании примесей и дефектов кристаллической решетки. В связи с этим такие металлы (табл. 17.1) используют в технически чистом виде и, для достижения максимальной электрической проводимости, в отожженном состоянии.

Медь проводниковый материал

Наиболее чистая бескислородная медь МООб имеет суммарное содержание примесей 0,01%, МОб — 0,03% и Ml-0,1%.

Наиболее вредная примесь в меди- кислород. Помимо ухудшения проводимости кислород при отжиге полуфабрикатов и изделий из чистой меди в водороде вызывает растрескивание и потерю прочности, поэтому содержание кислорода в меди строго ограничено.

Наибольшей электрической проводимостью обладает бескислородная медь МООб. Электрическое сопротивление такой меди близко к значению, приведенному в табл. 17.1. Такую медь получают переплавом электролитически очищенной меди в вакууме или переработкой катодной меди методами порошковой металлургии.

Медь указанных марок используют в виде проката: проволок разных диаметров, шин, полос и прутков.

Прокат из меди Ml поставляется либо в отожженном , либо нагартованном состоянии. Отожженная медь имеет более высокую проводимость, нагартованная большую прочность (табл. 17.2).

Механические свойства меди зависят от диаметра провода. Малым диаметрам соответствуют большая прочность и меньшая пластичность как в нагартованном, так и в отожженном состояниях. Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных изделий, нагартованную медь для подвесных токонесущих и контактных проводов, коллекторных пластин.

ТАБЛИЦА 17.2. Механические свойства и удельное электрическое сопротивление меди и алюминия

Свойства	Медь		Алюминий
	отожженная	нагарто-ванная	отожженный	нагарто-ваниый
р. мкОмм	0,0175	0,0182	0,0295	0,0295
С7в, МПа	250-	340-
б, %	20-30	0,5-2,0

Для изделий, от которых требуется прочность выше 400 МПа, используются латуни и бронзы с кадмием и бериллием, обеспечивающими большие прочность и износостойкость, чем медь, при некоторой потере электрической проводимости.

Алюминий высокой чистоты АДОч, в котором общее содержание примесей составляет 0,02%, и алюминий технической чистоты АДООО, АДОО, АДО, в котором примесей соответственно 0,2; 0,3; 0,5%, используют в электротехнике (ГОСТ 4784-74).

Все примеси, так же как и в меди, снижают проводимость алюминия, которая несколько ниже, чем у меди (см. табл. 17.1).

Алюминий высокой чистоты обладает хорошей пластичностью, поэтому из него изготовляют конденсаторную фольгу толщиной 6-7 мкм. Технически чистый алюминий используют в виде проволоки в производстве кабелей и токонесущих проводов.

Алюминий уступает меди в электрической проводимости и прочности, но он значительно легче, больше распространен в природе. При замене медного провода алюминиевым последний должен иметь диаметр в 1,3 раза больше, но масса его и в этом случае будет в 2 раза меньше. Так же, как и медь, алюминий используют или в отожженном, или нагартованном состоянии (см. табл. 17.2).

Для токонесущих проводов воздушных линий электропередачи с большими расстояниями между опорами используют алюминиевые сплавы (Al-Mg-Si) более прочные, чем чистый алюминий (см. п. 12.1).

Легирование алюминия магнием и кремнием в небольших количествах (менее 1% каждого) несколько ухудшает электрическую проводимость, но упрочняет сплав, практически не ухудшая пластичность и коррозионную стойкость: ав = 350 МПа при р = = 0,032 мкОмм.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности защитной оксидной пленки AI2O3. Эта пленка затрудняет пайку алюминиевых проводов обычными методами. Необходим специальный припой или ультразвуковые паяльники. Места контакта алюминиевого провода с медным следует покрывать лаком для защиты от атмосферной коррозии. Во влажной атмосфере алюминий в контакте с медью быстро разрушается вследствие электрохимической коррозии.

Железо значительно уступает меди и алюминию по проводимости, но имеет большую прочность; что в некоторых случаях оправдывает его применение как проводникового материала.

В таких случаях используют низкоуглеродистые качественные стали с содержанием углерода 0,1-0,15%, а также стали обыкновенного качества (см. п. 8.3).

Эти стали обеспечивают достаточно высокую прочность ав = = 300-:-700 МПа и идут на изготовление шин, трамвайных рельсов, рельсов метро и железных дорог с электрической тягой. Сечение провода определяется не электрической проводимостью, а механической прочностью материала.