Классификация и физико-химические свойства проводниковых материалов

В качестве проводников электрического тока используют твердые тела, жидкости, а при некоторых условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода. Важнейшими применяемыми в РЭС твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов можно выделить металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление r при нормальной температуре не более 0,1 мкОм·м, и сплавы высокого сопротивления с r при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм·м. Особый интерес представляют материалы, обладающие очень малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах. Они получили название сверхпроводники и криопроводники.

    К жидким проводникам относятся расплавленные металлы, а также различные электролиты.

Для большинства металлов температура плавления высока. Только ртуть, имеющая температуру плавления Т_пл=−39 ° С), а также некоторые специальные сплавы (например, сплавы системы индий - галлий) могут быть использованы в качестве жидких проводников при нормальной температуре.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при достаточно малых значениях напряженности электрического поля являются диэлектриками и обладают очень высоким удельным сопротивлением r. Однако если напряженность поля превысит некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ионизации, то газ может стать проводником с электронной или ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве количества электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, называемую плазмой.

Механизм прохождения тока через твердые и жидкие металлы обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле приложенным извне напряжением. Поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Проводниками второго рода или электролитами, являются растворы (в частности, водные) солей, кислот, щелочей и расплавы ионных соединений. Прохождение тока через электролиты связано с явлением электролиза.

При этом электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита и на электродах, в соответствии с законом Фарадея, выделяются продукты электролиза, а состав электролита при прохождении через него тока изменяется (в то время как в металлах при прохождении через них тока изменений массы металла и его химического состава не наблюдается).

 

Электрофизические параметры и характеристики проводниковых материалов

Удельное сопротивление и удельная проводимость проводников.

В системе СИ за удельное сопротивление данного материала принимается сопротивление вырезанного из этого материала куба с ребром 1 м, если ток проходит от одной грани к другой.

Если известно сопротивление проводника R, то его удельное сопротивление r вычисляется по формуле

,                                                                       (2.1)

где S - площадь проводника; l - его длина.

    За единицу измерения r проводниковых материалов в системе СИ принят Ом × м. В практических расчетах часто пользуются одной миллионной долей единицы удельного сопротивления 1 мкОм × м = 10^-6 Ом × м.

    Диапазон значений удельного сопротивления металлических проводников при нормальной температуре довольно узок от 0,016 мкОм × м для серебра до 10 мкОм × м для некоторых сплавов.

    Для различных металлов r в основном определяется длиной свободного пробега электрона внутри кристаллической решетки. Чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями r. Следовательно, искажения кристаллической решетки и дефекты структуры, приводящие к рассеиванию электронов, приводят к росту r.

С ДРУГОЙ СТОРОНЫ

Удельное электрическое сопротивление в соответствии с классической электронной теорией металлов имеет вид

    (2.2)

 

Где:

  т _e = 0,91·10^-30 кг – масса электрона;

l ср – средняя длина свободного пробега электронов, м;

n- концентрация электронов:

υ _T – средняя скорость теплового движения электронов, м·с^-1, которая определяется из соотношения

        (2.3)

 

Где:

k = 1,38·10^-23 Дж·К^-1 – постоянная Больцмана,

Т – температура, К.

В соответствии с квантовой теорией удельное электрическое сопротивление маталлов определяется по формуле:

ρ =                                                              (2.4)

 

Где:

h = 6,63*10^-34 Дж*с - постоянная Планка

 Если атомы в металле ионизированы однократно, то концентрация

свободных электронов п будет равна концентрации атомов N и может быть рассчитана по формуле

 

          (2.5)

 

Где:

d – плотность вещества, кг·м^-3;

М – молярная масса, кг·моль-1;

N _A = 6,02·10²³ моль-1 – постоянная Авогадро.