Загальні властивості провідників

1. Класифікація провідникових матеріалів.

2. Електричні характеристики провідникових матеріалів.

3. Чинники, що впливають на величину питомого опору.

1. Як провідники електричного струму можуть використовуватися як тверді тіла, так і рідини, а за відповідних умов і гази.

Механізм електропровідності в металах (у твердому і рідкому стані) обумовлений направленим рухом вільних електронів під впливом електричного поля, їх прийнято називати провідниками з електронною провідністю або провідниками 1-го роду. В провідниках 2-го роду або електролітах, до яких відносять розчини, у тому числі і водні, кислот, лугів і солей, проходження струму пов'язано з перенесенням разом з електричними зарядами іонів речовини відповідно до законів Фарадея. При цьому склад електроліту поступово змінюється, і на електродах виділяються продукти електролізу. Слід зазначити, що іонні кристали в розплавленому стані також є провідниками 2-го порядку.

Серед твердих провідникових матеріалів найбільш часто застосовують метали і їх сплави.

За питомим електричним опором r металеві провідникові матеріали можна розділити на такі групи:

- метали високої провідності, у яких r при нормальній температурі складає не більше 0,05 мкОм м (обмотувальні, монтажні дроти, жили кабелів різного призначення, шини);

- метали високого опору, щомають за тих же температурних умов r не менше 0,3 мкОм м (резистори, електронагрівальні прилади, нитки ламп розжарювання і т.п.);

- надпровідники і кріопровідники матеріали, що мають дуже малий питомий опір при температурах, близьких до абсолютного нуля.

До рідких провідниківналежать, як правило, розплавлені метали і різні електроліти. Більшість металів має достатньо високу температуру плавлення і тому є рідкими провідниками при підвищених температурах. Серед металів тільки ртуть, що має температуру плавлення (-39°С), може бути використана як рідкий провідник при нормальній температурі.

Всі гази і пари, у тому числі і пари металів, при низьких значеннях напруженості електричного поля не є провідниками. Досягши деякого критичного значення напруженості електричного поля, що обумовлює початок ударної і фотоіонізації, газ стає провідником з електронною і іонною електропровідністю. Якщо газ сильно іонізований, то при рівності в одиниці об'єму числа негативно заряджених електронів до числа позитивних іонів спостерігається особливий стан речовини, що отримав назву плазма.

2. До електричних характеристик провідникових матеріалів можна віднести: питому провідність s і зворотню їй величину - питомий опір r; контактну різницю потенціалів і термоелектрорушійну силу (термоЕРС); роботу виходу електронів з металу.

Через наявність значної кількості вільних електронів провідникові матеріали мають високу провідність, яка виражається в сіменсах на метр (См/м) і може бути визначена за формулою

s = q² n l /2m Vт

де q – заряд електрона (1.6 10^-19 Кл);

n – число вільних електронів в одиниці об'єму металу;

l - середня довжина вільного пробігу електрона між двома зіткненнями з вузлами граток;

m – маса електрона;

Vт – середня швидкість теплового руху вільного електрона.

Концентрація вільних електронів і швидкість хаотичного руху для різних металів при певній температурі відрізняються не значно. У зв'язку з цим значення питомої провідності залежить в основному від середньої довжини вільного пробігу електронів у конкретному провіднику. Теплова швидкість, у свою чергу, визначається структурою провідникового матеріалу. Так, наприклад, для чистих металів з найбільш правильними кристалічними гратками значення питомого опору є мінімальними. І навпаки, наявність домішок і дефектів у гратках приводить до збільшення питомого опору.

Разом з тим питома провідність металів практично не залежить від напруженості електричного поля, значення якого може змінюватися в досить широких межах, що повністю відповідає закону Ома (диференціальна форма запису)

j = s Е

де j - густина струму, А/м2; Е - напруженість електричного поля, В/м.

Питомий опір провідника з опором R, перетином S і завдовжки L може бути розрахований за формулою

r = R S/ L

При цьому r виражається в Ом мм²/м, така позасистемна одиниця часто використовується на практиці, оскільки довжину провідника зручніше виражати в метрах, а площу поперечного перетину – в квадратних міліметрах. Для переведення позасистемної одиниці r в СІ можна використовувати співвідношення

1 Ом м = 106 мкОм м = 106 Ом мм²/м.

Між двома різними провідниками (або напівпровідниками) при їх зіткненні виникає контактна різниця потенціалів, яка обумовлена різницею значень роботи виходу електронів з різних металів (рис. 4.1). Відповідно до електронної теорії металів контактна різниця потенціалів між провідниками 1 і 2 може бути визначена як

	U1-2 = U2 -U1 + (kT/q) ln (n01/n02) де U1 і U2- потенціали металів, що зіткнені; n01 і n02 - концентрація електронів у провідниках 1 і 2; k = 1.38 10-23 Дж/К - постійна Больцмана; q - абсолютна величина заряду електрона.

1 Тх

mV

Tг

Рисунок 4.1

Якщо температури «спаїв» однакові, то в замкнутому колі сума різниці потенціалів дорівнює нулю. Коли ж рівність температур не спостерігається, між провідниками виникає термоЕРС, яку можна розрахувати за формулою

Е = U_1-2 - U_2-1 = С (Т_г - Т_х)

де С = (k/q) ln(n₀₁/n₀₂) - коефіцієнт, що характеризує дану пару (мкВ/К).

Залежність термоЕРС від різниці температур спаїв не завжди лінійна і, отже, необхідно коректувати коефіцієнт С відповідно до значень температур Т_г і Т_х.

Два ізольовані провідники, сполучені між собою за допомогою паяння або зварювання, називаються термопарою і застосовуються для вимірювання температури. Для виготовлення термопар використовуються провідники, що мають великий і стабільний коефіцієнт термоЕРС.

3. Питомий опір металів пов'язаний в основному з розсіюванням енергії вільних електронів на дефектах кристалічних граток, до яких відносяться впроваджені атоми домішок, вакансії, дислокації і теплові коливання власних атомів. Тому питомий опір r можна представити як

r = r_тепл + r_ост

де r_тепл - питомий опір, обумовлений в основному тепловими коливаннями граток;

r_ост - питомий опір, викликаний наявністю дефектів кристалічних граток.

Характерна для металів залежність питомого опору від температури приведена на рисунку 4.2.

r

r_ост

Рисунок 4.2

Т= Q Т

Наочно видно, що при температурах, перевищуючих температуру Дебая Q, яка для металів знаходиться в межах 400 - 800°С, питомий опір зростає практично лінійно і обумовлений в основному посиленням теплових коливань граток. При цьому зменшується середня довжина вільного пробігу електронів, їх рухливість, а отже, зменшується і провідність металу.

В області низьких температур значення r майже не залежить від температури і визначається тільки опором r_ост.

Зміну питомого опору металевого провідника з температурою прийнято характеризувати коефіцієнтом питомого опору a (К). Якщо температура металу змінюється у вузьких межах, то для практичної мети зручно використовувати шматково-лінійну апроксимацію залежності r = ¦(Т), яка дозволяє визначити середній температурний коефіцієнт питомого опору

a = r₁- r₀/ r₀(Т1-Т0)

де r₀ - питомий опір при температурі Т0, прийнятій за початкову, а r₁ - при температурі Т1. Температура Т0 звичайно приймається рівною 20°С, тому значення a часто приводиться при 20°С.

Використовуючи значення коефіцієнта a, визначене для інтервалу температур (Т1-Т0), можна достатньо точно визначити питомий опір r₂ для будь-якої температури Т2 усередині цього інтервалу

r₂ =r₀ (1 + a (Т2-Т1)).

Для металів значення a достатньо велике (4 10^-3 К^-1), а у більшості сплавів - значно менше (10^-4 – 10^-6 К^-1)

До числа факторів, що впливають на питомий опір металевих провідників, належить і магнітне поле, під дією якого відбувається викривлення траєкторії руху електронів, що приводить до зміни електропровідності.

Як відомо, металеві провідники і сплави застосовуються в електротехніці звичайно у вигляді дроту різної форми і перетину, який виготовляється в процесі його протягування або волочіння. При деформації металу в холодному стані спостерігається викривлення кристалічних граток, що приводить так само до збільшення питомого опору. Усунути дане явище дозволяє відпал, у ході якого метал і сплав спочатку нагріваються до високої температури, а потім поволі охолоджуються. В результаті процесу рекристалізації відбувається відновлення викривленої структури і питомий опір зменшується.