Общие сведения о проводниковых материалах

В качестве проводниковых материалов могут использоваться твердые тела, жидкости и газы. Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы.

По удельному электрическому сопротивлению ρ металлические проводниковые материалы можно разбить на две основные группы: металлы высокой проводимости, у которых ρ при нормальной тем­пературе составляет не более 0,05 мкОм-м, и металлы и сплавы высокого сопротивления, имеющие при тех же условиях ρ не ме­нее 0,3 мкОм-М. Проводниковые материалы первой группы приме­няются в основном для изготовления обмоточных и монтажных про­водов, жил кабелей различного назначения. Проводни­ковые материалы второй группы используются при производстве резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накали­вания.

Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводни­ки – материалы, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсо­лютному нулю.

К жидким проводникам относятся так же расплавленные металлы и различные электролиты. Металла имеют высокую температуру плавления и являются жидкими проводниками при повышенных температурах и только ртуть, имеющая T_пл= -39°С может быть использована, как жидкий проводник при нормальной температуре. Как в твердых так и в жидких металлах электропроводность обусловлена направленным движением свободных электронов. В электрическом токе их принято называть проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. В электролитах ионная проводимость. В газах после критической напряженности электрического поля, обусловленная ударной и фотоионизацией, газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких значениях напряженности электрического поля не являются проводниками. При достижении некоторого критического значения на­пряженности электрического поля, обусловливающего начало удар­ной и фотоизонизации, газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Если газ сильно ионизирован, то при равенстве в единице объема числа отрицательно заряженных электронов к числу положительных ионов наблюдается особое со­стояние вещества, получившее название плазма (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Схема строения металлического проводника.

К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельную проводимость σ или обратную ей величи­ну – удельное сопротивление ρ; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода элек­тронов из металла.

Удельная проводимость и удельное сопротивление проводни­ков. Как указывалось выше, данные материалы обладают высокой проводимостью из-за наличия значительного количества свобод­ных электронов, которая выражается в сименсах на метр (См/м) и может быть определена по формуле

(6.1)

где q – заряд электрона (1,6·10^-19 Кл); п₀ – число свободных электронов в единице объема металла; λ – средняя длина свобод­ного пробега электрона между двумя соударениями с узлами ре­шетки; т – масса электрона; V_T -средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Концентрация свободных электронов п₀ и скорости их хаотиче­ского теплового движения V_T для различных металлов при определенной температуре отличаются незначительно.

Таблица 6.1