Билет № 21. Природа электропроводности металлов. Удельное сопротивление чистых металлов и его зависимость от температуры.
В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости и при соответствующих условиях – газы.
Твердыми проводниками являются металлы и их сплавы, а также некоторые модификации углерода. Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля. Следовательно, металлы в твердом и жидком состоянии обладают электронной электропроводностью и называются проводниками I рода.
К жидким проводникам относят расплавленные металлы, а также водные растворы солей, кислот, щелочей (электролиты). Механизм прохождения тока через электролиты обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов. Следовательно, электролиты обладают ионной электропроводностью и называются проводниками II рода. Прохождение тока через них связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов в соответствии с законами Фарадея, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.
К газообразным проводникам относятся все газы и пары, в том числе и пары металлов. Газы при сравнительно низких температурах и достаточно малых значениях напряженности электрического поля являются хорошими диэлектриками. Однако при очень высоких температурах и при высоких напряженностях электрического поля в газах начинаются ионизационные процессы, и газ переходит в особую проводящую среду - плазму. В этом случае газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью.
С точки зрения использования в технике, наибольший интерес представляют электронные (металлические) проводники. Металлические проводники являются основным типом проводниковых материалов, применяемых в электро- и радиотехнике. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм∙м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.
Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы – сверхпроводники.
Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры
Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, т. е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона , уменьшается подвижность электронов и, как следствие, уменьшается удельная проводимость металлов и возрастает удельное сопротивление (рис. 6.3).
Рис 6.3 Зависимость удельного сопротивления меди от температуры
(скачок соответствует температуре плавления меди 1083оС)
Зная значение удельного сопротивления материала о при температуре То и его температурный коэффициент ТК, удельное сопротивление проводника при температуре Т можно определить по формуле:
= о1+ТК(ТТо). (6.1)
Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов определяется формулой:
(6.2)
Согласно классической теории, ТК чистых металлов в твердом состоянии должен быть близок к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т. е. 1/273 = 0,00367 K 1.
У некоторых сплавов ТК может приобретать нулевые, и даже небольшие отрицательные значения. Такое изменение ρ можно объяснить тем, что вследствие более сложной структуры сплава по сравнению с чистыми металлами его уже нельзя рассматривать как классический металл, т. е. изменение удельной проводимости у сплава обусловливается не только изменением подвижности носителей заряда, но в некоторых случаях и частичным возрастанием концентрации носителей заряда при повышении температуры.