Как изменить электропроводность металлов

Из этого материала вы узнаете:

• Природа электропроводности металлов
• Электрическое сопротивление металлов
• Степень электропроводности разных металлов и сплавов
• Опасность металлов с высокой электропроводностью
• Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность.

Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током.

Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

VT-metall предлагает услуги:

Порошковая покраска металла

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала.

Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов.

Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

• Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
• Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех.

Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе.

В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C.

Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии.

Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

• температурой;
• давлением;
• наличием магнитных полей;
• светом;
• агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала.

Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля.

Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Стоит пояснить, что под сплавом замещения понимают такой, в котором несколько элементов формируют одну кристаллическую решетку. Данная особенность прослеживается у нихрома, используемого для изготовления спиралей электроплит. Удельное сопротивление, а значит, и электропроводность этого металла совпадает с показателем проводников, а при подключении к сети он нагревается до красноты.

Выше были представлены только основные теории, касающиеся физических свойств металлов, а именно электропроводности, сопротивления. Например, не была затронута квантовая теория проводимости Зоммерфельда. Этого краткого знакомства вполне достаточно, чтобы понять, что сопротивление является сложным и комплексным понятием, которое невозможно полностью разобрать на основе простейшего закона Ома.

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Гарантируем лучшую цену. Пришлите чертеж или расчет проекта от других компаний,

и мы с вероятностью 96% предложим условия выгоднее

Электропроводность: объяснение, формулы, единица измерения, таблица

Почему медь проводит электричество лучше, чем вода? Прочитав эту статью, вы больше не будете задавать себе больше этот вопрос. Далее мы обсудим электропроводность и рассмотрим формулы, которые описывают это понятие. Наконец, вы можете проверить свои знания на двух примерах.

Простое объяснение.

Электропроводность – это физическая величина, которая описывает насколько хорошо определенный материал проводит электричество.

Формулы

Существует три различных формульных обозначения удельной электропроводности σ (греч. сигма), k (каппа) и γ (гамма). В дальнейшем мы будем использовать σ. Формула электропроводности, также называемой удельной электропроводностью, описывается формулой:

σ = 1 / ρ .

Здесь ρ называется удельным сопротивлением. Вы можете рассчитать электрическое сопротивление R проводника с учетом его параметров следующим образом: R = ( ρ * l ) / S .

Таким образом, сопротивление R равно удельному сопротивлению ρ , умноженному на длину проводника l, деленному на площадь поперечного сечения S. Если теперь вы хотите выразить эту формулу через удельную электропроводность σ = 1 / ρ , полезно знать, что электрическая проводимость G проводника выражается следующим образом: G = 1 / R .

• Если в верхнюю формулу подставить удельную электропроводность σ и электрическую проводимость G, то получится следующее: 1 / G = ( 1 / σ ) * ( l / S ) .
• Путем дальнейшего преобразования можно получить выражение: G = σ * S / l .
• С помощью электропроводности можно также описать важную зависимость между плотностью электрического тока и напряженностью электрического поля с помощью выражения: J = σ * E .

Единица измерения

Единицей удельной электропроводности σ в СИ является: [ σ ] = 1 См/м ( Сименс на метр ).

Эти единицы определяются по формуле G = σ * S / l . Если решить эту формулу в соответствии с σ, то получим σ = G * l / S .

1. Единица измерения электрической проводимости G задается как: [ G ] = 1 / σ = 1 См ( Сименс, международное обозначение: S ).
2. Если теперь ввести в формулу все единицы измерения, то получится:
3. [ σ ] = 1 См * 1 м / м2 = 1 См / м .

Вы также будете чаще использовать единицы измерения См / см , м / Ом * мм2 или См * м / мм2 . Вы можете преобразовать отдельные измеряемые переменные так: См / см = См / 10-2 м и так: м / Ом * мм2 = См * м / мм2 = См * м / 10-3 м * 10-3 м = 106 См / м .

Электропроводность металлов

В зависимости от количества свободно перемещающихся электронов один материал проводит лучше, чем другой. В принципе, любой материал является проводящим, но в изоляторах, например, протекающий электрический ток ничтожно мал, поэтому здесь мы говорим о непроводниках.

В металлических связях валентные электроны, т.е. крайние электроны в атоме, свободно подвижны. Они расположены в так называемой полосе проводимости. Находящиеся там электроны образуют так называемый электронный газ.

Соответственно, металлы являются сравнительно хорошими проводниками. Если теперь подать электрическое напряжение на металл, валентные электроны медленно движутся к положительному полюсу, потому что он их притягивает.

Рис. 1. Движение электронов в металле

На рисунке 1 видно, что некоторые электроны не могут быть притянуты непосредственно к положительному полюсу, потому что на пути стоит, так сказать, твердое атомное ядро. Там они замедляются и в некоторой степени отклоняются. Именно поэтому электроны не могут ускоряться в металле бесконечно, и именно так возникает удельное сопротивление или электропроводность.

Теперь вы также можете измерить удельную электропроводность в металле с помощью следующей формулы: σ = ( n * e2 * τ ) / m .

В этой формуле n означает число электронов, e – заряд электрона, m – массу электрона, а τ – среднее время полета электрона между двумя столкновениями.

Таблица удельной электропроводности

Для большинства веществ уже известны значения удельной электропроводности. Некоторые из них вы можете найти в следующей таблице ниже. Все значения в этой таблице действительны для комнатной температуры, т.е. 25°C.

Как изменить электрическую проводимость

Вам понадобится

• Учебник по физике, лист бумаги, простой карандаш, стакан воды, соль, лампа накаливания.

Инструкция

Откройте учебник физики на теме сопротивления материалов. Классическая теория утверждает, что в различных веществах способы организации электрической проводимости различны, однако у них у всех есть нечто общее – это свободные носители заряда. Таким образом, изменять проводимость возможно, в первую очередь, изменяя количество свободных носителей заряда.

Вспомните, что собой представляют полупроводниковые вещества и каким образом в них формируется электрическое сопротивление (проводимость). Как известно, в полупроводниковых веществах носителями заряда являются либо электроны, покинувшие по каким-либо причинам орбиту своего атома, либо «дырки», оставленные после ухода с их места электронов.

Таким образом, получается два вида носителей заряда. Следовательно, увеличив число электронов, можно увеличить проводимость тела. Основным способом, как это можно сделать, является нагрев тела.

Нагревая полупроводник, можно увеличить концентрацию как свободных электронов, которые вырываются со своих мест под действием тепла, так и «дырок», оставленных покинувшими их теперь уже свободными электронами.

Обратите внимание, что не во всех веществах электрическую проводимость осуществляют электроны. Существует ряд веществ, которые имеют достаточно хорошую проводимость, сравнимую с проводимостью металлов, за счет ионов какого-либо вещества.

Возьмите обычную лампу накаливания и включите ее в электрическую цепь, в которой вместо ключа используйте разрыв с двумя контактами, опущенными в стакан с дистиллированной водой. Вы обнаружите, что лампа не светится. Это говорит о том, что вода – это диэлектрик.

Теперь, не отключая лампу от источника тока, насыпьте соль в воду. Вы увидите, что яркость свечения лампы увеличивается, что говорит об увеличении проводимости воды.

Причина данного явления кроется в том, что при растворении соли в воде последняя становится электролитом, ибо атомы соли распадаются на ионы натрия и хлора, которые и обеспечивают проводимость вещества.

Стоит заметить, что проводимость металла нельзя увеличить или уменьшить вышеописанными способами, ибо нельзя изменить количество свободных электронов в металле. Основной способ изменить проводимость металла – это изменить его геометрические размеры. Для увеличения электрической проводимости металла можно уменьшить длину металлического проводника или увеличить площадь поперечного сечения. Таким способами можно просто уменьшить число столкновений свободных электронов с узлами кристаллической решетки металла, тем самым уменьшая его сопротивление.

Видео по теме

Электропроводность металлов и полупроводников. Эффект Холла

Рассмотрим поведение электронов проводимости в металле в неравновесном состоянии, когда они движутся под действием приложенных внешних полей. Такие процессы называются явлениями переноса.

Как известно, электропроводность (удельная электрическая проводимость) о — это величина, связывающая плотность электрического тока и напряженность в локальном законе Ома: j — оЕ (см. формулу (14.15) ч. 1). Все вещества по характеру электропроводности делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики.

Характерной особенностью металлов является их металлическая проводимость — уменьшение электропроводности при повышении температуры (при постоянной концентрации носителей тока). Физической причиной электрического сопротивления в металлах является рассеяние электронных волн на примесях и дефектах решетки, а также на фононах.

Наиболее существенной особенностью полупроводников является их способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий: температуры, электрического и магнитного полей, освещения и т.д. Например, собственная проводимость чистых полупроводников при их нагревании экспоненциально возрастает.

При Т > 300 К удельная проводимость о материалов, относящихся к полупроводникам, изменяется в широком интервале от 10~5 до 106 (Ом • м)-1, тогда как у металлов о составляет более 106 (Ом • м)-1.

Вещества, обладающие малой удельной проводимостью, порядка 10~5 (Ом • м)-1 и менее, относятся к диэлектрикам. Проводимость у них возникает при очень высоких температурах.

Квантовая теория приводит к следующему выражению для электропроводности металлов:

где п — концентрация свободных электронов; т — время релаксации; т* — эффективная масса электрона.

Время релаксации характеризует процесс установления равновесия между электронами и решеткой, нарушенного, например, внезапным включением внешнего поля Е.

Термин «свободный электрон» означает, что на электрон не действуют никакие силовые поля.

Движение электрона проводимости в кристалле под действием внешней силы F и сил со стороны кристаллической решетки в ряде случаев может быть описано как движение свободного электрона, на который действует только сила F (второй закон Ньютона, см. формулу (3.5) ч. 1), но с эффективной массой т*, отличной от массы те свободного электрона.

Расчеты с использованием выражения (30.18) показывают, что электропроводность металлов о~1/Т. Эксперимент подтверждает данный вывод квантовой теории, в то время как согласно классической теории

о ~ l/fr.

В полупроводниках концентрация подвижных носителей значительно ниже, чем концентрация атомов, и может изменяться при изменении температуры, освещения, при облучении потоком частиц, воздействии электрического поля или введении относительно малого количества примесей.

Носителями заряда в полупроводниках в зоне проводимости являются электроны (электроны проводимости), а в валентной зоне — положительно заряженные квазичастицы дырки. Когда в валентной зоне по какой-либо причине отсутствует электрон, то говорят, что в ней образовалась дырка (вакантное состояние).

Представления о дырках и электронах проводимости используются для описания электронной системы полупроводников, полуметаллов и металлов.

В состоянии термодинамического равновесия концентрации электронов и дырок в полупроводниках зависят как от температуры и концентрации электрически активных примесей, так и от ширины запрещенной зоны АЕ.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники (например, германий Ge, селен Se). Число электронов в них равно числу дырок. Проводимость таких полупроводников называется собственной.

В собственных полупроводниках при Т = О К валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости — свободна. Поэтому при Т= О К и отсутствии внешнего возбуждения собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики.

При повышении температуры вследствие термического возбуждения электроны с верхних уровней валентной зоны будут переходить в зону проводимости. Одновременно становится возможным переход электронов валентной зоны на ее освободившиеся верхние уровни.

Электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне будут давать вклад в электропроводность.

Необходимая для переброски электрона из валентной зоны в зону проводимости энергия называется энергией активации собственной проводимости.

При наложении на кристалл внешнего электрического поля электроны перемещаются против поля и создают электрический ток. Во внешнем поле, когда на вакантное место перемешается соседний валентный электрон, дырка «перемешается» на его место.

В результате дырка, так же как и перешедший в зону проводимости электрон, будет двигаться по кристаллу, но в направлении, противоположном движению электрона. Формально по кристаллу в направлении поля движется частица с положительным зарядом, равным абсолютной величине заряда электрона.

Для учета действия на элементарные заряды внутреннего поля кристалла для дырок вводят понятие эффективной массы ш*. Поэтому при решении задач можно считать, что дырка с эффективной массой движется только под действием одного внешнего поля.

Во внешнем поле направление скоростей движения электронов и дырок противоположны, но создаваемый ими электрический ток имеет одинаковое направление — направление электрического поля. Таким образом, плотность тока при собственной проводимости полупроводника складывается из плотности тока электронов уэ и дырок уд :

Электропроводность о пропорциональна числу носителей, значит, можно доказать, что для собственных полупроводников

и зависит от температуры по экспоненциальному закону. Вклад в о электронов и дырок различен, что объясняется различием их эффективных масс.

При сравнительно высоких температурах во всех полупроводниках преобладает собственная проводимость. Иначе электрические свойства полупроводника определяются примесями (атомами других элементов), и тогда говорят о примесной проводимости. Электропроводность будет слагаться из собственной и примесной проводимостей.

Примесными полупроводниками называются полупроводники, отдельные атомы которых замещаются примесями. Концентрация электронов и дырок в них значительно отличается. Примеси, являющиеся источниками электронов, называются донорами. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, называются акцепторами.

В результате введения примеси в запрещенной зоне возникают дополнительные разрешенные электронные уровни энергии, расположенные в запрещенной зоне близко или ко дну зоны проводимости (донорные уровни), или к потолку валентной зоны (акцепторные уровни). Это существенно увеличивает электропроводность полупроводников.

В полупроводниках я-типа (от англ, negative — отрицательный) с донорной примесью реализуется электронный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается избыточными электронами примеси, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов.

В полупроводниках р-типа (от англ, positive — положительный) с акцепторной примесью реализуется дырочный механизм проводимости. Проводимость в них обеспечивается дырками вследствие введения примеси, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов.

Убедительное доказательство реальности положительных дырок дает эффект Холла (1879).

Данный эффект заключается в возникновении в металле (или полупроводнике) с током плотностью у, помещенном в магнитное поле В, дополнительного электрического поля в направлении, перпендикулярном В и у.

Использование эффекта Холла (измерение коэффициента Холла, зависящего от вещества) позволяет определять концентрацию и подвижность носителей заряда в проводнике, а также устанавливать природу проводимости полупроводника (электронная или дырочная).

В настоящее время при разработке материалов для микроэлектроники создаются различные полупроводниковые материалы, в том числе с широкой запрещенной зоной. Полупроводниковые микросхемы считаются одним из перспективных направлений микроэлектроники, позволяя создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении интегральные схемы.

Влияние температуры металла на его электропроводность

При снижении температуры утихают колебания кристаллической решётки, это облегчает прохождение электронов и электропроводность металлических проводников возрастает, а сопротивление уменьшается.

Рассмотрим график типичной зависимости удельного электрического сопротивления проводника от температуры на примере меди (рисунок 2.2).

В широком диапазоне температур увеличение сопротивления пропорционально увеличению температуры, на графике это выглядит как прямолинейный наклонный участок.

Рост сопротивления представляет собой повышение рассеяния электронов из-за усиления тепловых колебаний ионов и связанной с ними флуктуации электростатического поля кристаллической решётки.

Относительное изменение удельного электрического сопротивления при изменении температуры на один градус Кельвина называют температурным коэффициентомудельного электрического сопротивления; обозначают какТКρ или αρ, у меди αρ = 4,33 · 10–3 К–1.

Для большинства металлов ТКρ составляет несколько тысячных долей на кельвин; от 0,9 · 10–3 К–1 у ртути, до 6,7 · 10–3 К–1 у никеля.

• В пределах прямолинейного участка температурной характеристики справедливо соотношение
• ρ2 = ρ1[1 + αρ(Т2– Т1)],
• где ρ1 и ρ2 – значения удельных электрических сопротивлений, соответству-
•                ющих значениям температуры Т1 и Т2;
•         αρ – температурный коэффициент удельного электрического
•                 сопротивления.

В особо чистых металлах при сверхнизких температурах наблюдается криопроводимость, при этом сопротивление стремится к значению ρ0, называемому остаточным сопротивлением (этот участок показан на рисунке 2.

2 в увеличенном виде). Остаточное сопротивление обусловленное примесями и дефектами структуры, в тысячи раз ниже, чем сопротивление при комнатной температуре. Правило Матиссена позволяет представить удельное электрическое сопротивление проводника ρ как сумму тепловой составляющей ρт и остаточного сопротивления ρ0,

1. ρ = ρт + ρ0,
2. где ρт – тепловая составляющая удельного электрического сопротивления;
3.   ρ0 – остаточное удельное электрическое сопротивление.

Тепловая составляющая сопротивления ρт растёт пропорционально значению температуры, на рисунке 2.2 она показана прямой наклонной линией. Остаточное сопротивление практически не зависит от температуры (на рисунке ρ0 – горизонтальная линия).

У некоторых металлов в области сверхнизких температур, ниже 10 К, возможна скачкообразная потеря сопротивления – сверхпроводимость.

Металлическую медь в сверхпроводящее состояние перевести не смогли, однако оксид меди является основой купратных сверхпроводников.

В правой части графика, при температурах, близких к плавлению, также возможно нарушение линейности, особенно у ферромагнитных материалов. Это связано с перегруппировками электронов в оболочках и изменением формы кристаллов, т. е. представляет собой проявление полиморфизма.

При плавлении меди, в результате уменьшения плотности и нарушения кристаллического порядка, её удельное сопротивление возрастает в 2,4 раза. Для большинства металлов такое увеличение происходит в пределах от 1,5 до 3 раз; исключение составляют галлий и висмут, плотность которых при плавлении возрастает, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Влияние примесей и других структурных дефектов на электропроводность металлов

Примеси снижают электропроводность в любом случае, даже если электропроводность металла примеси выше, чем у основного металла; это вызвано нарушением правильности структуры.

Степень снижения электропроводности зависит от количества и состава примеси. Если ввести в медь серебро в количестве 0,5 %, то её электропроводность уменьшится на 1 %.

Добавка в медь такого же количества кадмия снизит её электропроводность на 2 %, а цинка – на 5 %.

Примеси других элементов влияют на электропроводность меди гораздо заметнее.

Для снижения электропроводности меди вдвое достаточно присутствие любой из перечисленных добавок: 1,2 % никеля; 1,1 % олова; 0,8 % алюминия; 0,4 % бериллия; 0,2 % железа или кремния; 0,1 % фосфора.

Экспериментально установлено, что при малом содержании примесей удельное сопротивление металла возрастает пропорционально увеличению количества атомов каждой из примесей, таким образом, эффекты от влияния нескольких различных примесей складываются.

• Собственные дефекты структуры металла – вакансии, атомы внедрения, дислокации, границы зёрен – также увеличивают его удельное электрическое сопротивление.
• Для оценки химической чистоты и структурного совершенства металлов используют значение остаточного сопротивления ρ4,2, измеренное при температуре жидкого гелия (4,2 К), а также параметр β, равный отношению значений сопротивления при комнатной температуре (300 К) и при температуре жидкого гелия:
• β = ρ300 / ρ4,2.
• Для наиболее чистых металлов, получаемых в настоящее время (со степенью чистоты 99,99999 %), параметр β достигает порядка 105.

Заметное влияние на удельное сопротивление металлов и сплавов оказывают искажения, вызываемые напряжённым состоянием материала. Например, при всестороннем сжатии у большинства металлов удельное сопротивление уменьшается. Это объясняется сближением атомов и уменьшением амплитуды тепловых колебаний решётки.

При упругомрастяжении и кручении межатомные расстояния увеличиваются, что вызывает возрастание ρ.

Пластическая деформация и наклепвсегда повышают удельное сопротивление металлов и сплавов, однако это повышение, даже при значительном наклепе чистых металлов, составляет единицы процентов.

Термическая закалка приводит к повышению ρ, что связано с перестройкой кристаллической решётки и появлением внутренних напряжений. При рекристаллизации металлического изделия путём термической обработки (отжига) удельное электрическое сопротивление материала может быть снижено до первоначального значения за счёт снятия внутренних напряжений.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 1

Электрическая проводимость металлов обусловлена наличием РІ РёС… кристаллических решетках свободных электронов, движение которых РїСЂРё наложении электрического поля даже небольшого напряжения получает направленность. РЎ повышением температуры электрическая проводимость металлов уменьшается, так как РїСЂРё этом колебательные движения РёРѕРЅРѕРІ РІ узлах кристаллической решетки металлов усиливаются, что препятствует направленному движению электронов. Наоборот, СЃ понижением температуры электрическая проводимость увеличивается, Рё РІ области, близкой Рє абсолютному нулю, Сѓ РјРЅРѕРіРёС… металлов наблюдается сверхпроводимость. Значения электрической проводимости Сѓ различных металлов сильно расходятся. Р�С… сравнение, однако, затруднено, так как РїСЂРё одинаковой температуре амплитуда колебаний атомов, РѕС‚ которой зависит электрическая проводимость, Сѓ разных металлов различна.  [1]

Электрическая проводимость металла определяется произведением концентрации электронов на их подвижность.

Подвижность электронов ип есть скорость, измеренная в см / сек, в поле, градиент которого равен 1 в [ см.

Наряду СЃ шириной запрещенной Р·РѕРЅС‹ РђР•, продолжительностью жизни С‚ Рё концентрацией носителей зарядов РїСЂРё собственной проводимости, подвижность электронов РёРї представляет СЃРѕР±РѕР№ четвертую существенную величину, характеризующую полупроводник. Р’ случае беспримесных полупроводников Рє току, образуемому электронами, добавляется еще ток, образуемый дырками.  [2]

Электрическая проводимость металла зависит РѕС‚ числа Рё заряда электронов, участвующих РІ переносе тока, Рё среднего времени пробега между столкновениями. Эти же параметры РїСЂРё данной напряженности электрического поля определяют Рё скорость движения электрона.  [3]

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры.

РЎ повышением температуры колебательные движения РёРѕРЅРѕРІ РІ узлах решетки усиливаются, Р° это, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, очень препятствует направленному движению электронов.  [5]

Электрическая проводимость металлов сильно зависит от температуры.

С понижением температуры тепловые колебания ионов в узлах сильно уменьшаются и электрическая проводимость увеличивается.

РџСЂРё температурах, близких Рє абсолютному нулю, Сѓ большинства металлов проявляется сверхпроводимость.  [6]

РќР° электрическую проводимость металлов Рё сплавов влияют температура, концентрация примесей Рё атомы СЃ некомпенсированными электронами.  [7]

При изменении электрической проводимости немагнитных металлов от нуля, до бесконечности вносимое индуктивное сопротивление изменяется от нуля до некоторого предельного значения.

РџСЂРё контроле ферромагнитных материалов знак РІРЅРѕСЃРёРјРѕРіРѕ сопротивления зависит РѕС‚ частоты. РќР° РЅРёР·РєРёС… частотах РІРЅРѕСЃРёРјРѕРµ индуктивное сопротивление положительно, Р° РЅР° высоких — отрицательно.

[8]

Становится понятной Рё электрическая проводимость металлов.  [10]

В отличие от полупроводников электрическая проводимость металлов мало зависит от имеющихся в их структуре примесных дефектов.

Однако примесные дефекты могут оказывать существенное влияние на другие свойства металлов.

Так, механические характеристики металлов сильно зависят от наличия в их структуре междоузельных примесных дефектов.

С учетом плотнейшей упаковки металлических кристаллов в междоузлия способны попадать лишь микрочастицы небольших размеров, такие, как атомы водорода, углерода, кислорода, азота.

Кристаллы РјРЅРѕРіРёС… металлов часто поглощают большое количество указанных примесей. Например, количество РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, поглощенного палладием или цирконием, обычно настолько велико, что его атомы заполняют почти РІСЃРµ междоузлия РІ кристаллах указанных металлов.  [12]

РћС‚ чего зависит теплопроводность Рё электрическая проводимость металлов.  [13]

Р’ отличие РѕС‚ полупроводников, электрическая проводимость металлов понижается СЃ повышением температуры. Однако Рё РІ жидком ( расплавленном) состоянии металлы РїСЂРѕРІРѕРґСЏС‚ электрический ток.  [14]

Р’ настоящее время различия РІ электрической проводимости металлов, полупроводников Рё изоляторов РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏСЋС‚ РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ квантовой теории строения кристаллических веществ или так называемой теории энергетических Р·РѕРЅ. Сущность ее состоит РІ следующем. Электроны ближайших Рє СЏРґСЂСѓ энергетических уровней атомов полностью насыщают эти СѓСЂРѕРІРЅРё, находятся РІ устойчивых состояниях Рё образуют так называемую заполненную валентную Р·РѕРЅСѓ. Электрическая проводимость Рё теплопроводность вещества РЅРµ связаны СЃ электронами этой Р·РѕРЅС‹. Р’ электрической проводимости РјРѕРіСѓС‚ участвовать только электроны ненасыщенных энергетических уровней. РџСЂРё этом полосы основных Рё возбужденных ( периферических) энергетических уровней разделяются промежуточными свободными полосами, которые РЅРµ имеют возможных для электрона квантовых состояний. Эту энергетическую Р·РѕРЅСѓ, промежуточную между зонами основных Рё возбужденных уровней, называют запрещенной Р·РѕРЅРѕР№.  [15]

Страницы:      1    2    3    4