2. Проводниковые материалы

Это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное электрическое сопротивление мало, и составляет от 10^-8 до 10^-4 Ом∙м. Проводники могут быть твердыми веществами: кристаллические металлы и сплавы, углерод – это проводники 1 рода; жидкими – электролиты – это проводники 2 рода; газообразными – газоразрядная плазма – проводники 3 рода.

Рассмотрим проводники 1 рода, которые практически не имеют запрещенной зоны, так как зоны валентная и проводимости у них перекрываются.

Металлы обладают металлическим типом химической связи, при которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах (междуузлиях) кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами, так как они отдали свои электроны «в общее пользование». В такой системе имеет место большое количество свободных носителей заряда – электронов.

Основные электрические параметры проводников, отражающие их свойства, приводятся в справочных таблицах (см. табл. в конце раздела).

Рис. 2. 1. Структурная схема проводников

2. 1. Электропроводность проводниковых материалов

В металлических проводниках имеется большое количество свободных носителей заряда – электронов, поэтому их электропроводность велика. Формула электропроводности проводников:

γ = q∙N∙u

где N - концентрация свободных носителей заряда, м^-3;

u - подвижность носителей заряда, м²/В∙с;

q - величина заряда носителя, Кл.

При большом количестве электронов (это ~ 10²⁸ в одном кубическом метре) их число практически не зависит от содержания примесей или от температуры, но на подвижность примеси оказывают большое влияние, создавая своим присутствием дополнительные препятствия направленному движению электронов в электрическом поле. Повышение температуры также уменьшает электропроводность, так как уменьшается подвижность электронов в результате тепловых колебаний кристаллической решетки и увеличения хаотического движения электронов.

Температурный коэффициент ТКR (ТКρ) проводников (чистых металлов) положителен и составляет величину (3∙10^-3...4∙10^-3) 1/град. На рис. 2.2. приведены зависимости удельного электрического сопротивления (ρ) и температурного коэффициента сопротивления – ТКρ от процентного содержания никеля (Ni) и меди (Сu) в сплаве Cu-Ni.

Рис. 2. 2. Зависимость ТК_ρ и ρ для спалава Ni – Cu

Из рис. 2. 2. видно, что увеличение в сплаве каждого из компонентов, значительно увеличивает сопротивление сплава по сравнению с исходными металлами: Сu - 0,0175 Ом∙мм²/м. а сплав, содержащий 60% Сu и 40% Ni, - 0,58 Ом∙мм²/м имеет сопротивление почти в 30 раз большее. При этом ТКρ этого сплава отрицателен или очень мал: - (5...20)∙10^-6 1/град;

С увеличением температуры удельное сопротивление обычно растет. При инженерных расчетах пользуются формулой:

ρ_t = ρ₀∙[1 + α_ρ∙(t – t₀)], (2.1)

где ρ_t - удельное сопротивление при температуре t;

ρ₀ - удельное сопротивление при комнатной температуре (обычно t = 20 °С);

α_ρ - средний температурный коэффициент удельного сопротивления.

Механическая обработка металлов вызывает искажение кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного сопротивления.