Электропроводность металлов

Под термином «электропроводность металлов и сплавов» подразумевают характеристику, которую принимают во внимание при изготовлении различной продукции. Например, количественный фактор электропроводности требуется при выпуске кабелей или микросхем. На представленное свойство влияет множество условий, включая термический режим, давление, степень твердости объекта. Если брать металлы без примесей, то по мере повышения термического режима уровень их электропроводности снижается

Специфика феномена

Электропроводность – возможность объекта или субстанции проводить электрический ток. Под понятием понимают физический параметр, который указывает на данную опцию в числовом выражении. На феномен влияют свободные ионы, а их перемещение становится электрическим током. Значение выражено в сименсах. В общепринятой системе единиц для него введена литера «S».

По электропроводности металлы классифицируются на три основных категории:

• проводники;
• диэлектрики;
• полупроводники.

Четкого разделения между этими видами не существует. Высокое цифровое значение металлов-проводников предопределено значительным числовым показателем свободных ионов. В категории данных объектов идентифицируют две разновидности. Первый тип формируют металлы, обладающие проводимостью. Здесь ток перемещается за счет свободных электронов. Другой тип включает кислотно-щелочные или солевые растворы, плюс электролиты. Электропроводность здесь предопределена перемещением положительных и отрицательных ионов.

При рассмотрении диэлектриков понятно, что они располагают небольшим числовым значением свободных ионов. В результате объекты почти не пропускают ток. В качестве примеров таких материалов приведем древесину, ПВХ, стекло. Полупроводники по характеристикам электропроводности имеют промежуточный статус. Примерами материалов выступают кремний, селен, промышленно созданные сплавы.

Общеизвестно, что электропроводность меняется на основании термического режима. Параметр варьируется индивидуально, исходя из металла и типа сплава. Увеличение термического режима металла становится основным фактором снижения периода свободного прохождения электронов. Повышение температуры ведет к увеличению тепловых преобразований кристаллической решетки, по которой расходятся электроны. Это отрицательно сказывается на электропроводности.

Для полупроводников характерна иная зависимость электропроводности металлов от термического режима. Увеличение температуры становится основной причиной повышения этого показателя. Закономерность объясняется увеличившимися в количественном плане электронами и положительными компонентами заряда. Для диэлектриков характерна идентичная зависимость, но главным условием выступает электрическое напряжение.

Сопротивление металлов

Под электрическим сопротивлением подразумевается феномен, который считается компонентом закона Ома. В связи с этим явление измеряется в Омах (Ом). Электрический и удельный тип сопротивления значительно отличаются друг от друга, поэтому это абсолютно разные феномены. Первое явление считается свойством предмета, а второе – характеризует его. Например, на электрическое сопротивление резистора влияет конфигурация и удельное сопротивление сплава, который применен в цепи.

Предположим, что в качестве основного элемента изготовления проволочного резистора выступает тонкая проволока. Для нее характерен высокий показатель сопротивления при сопоставлении с идентичным компонентом, изготовленным из короткого проката большего сечения. Оба изделия произведены из общего металла. При соотнесении двух резисторов, произведенных из проволоки идентичной длины и сечения значительное электрическое сопротивление характерно для модели, скомпонованной из сплава со значительным удельным сопротивлением. Соответственно, когда сплав характеризуется низким удельным сопротивлением, то для прибора свойственно низкое электрическое сопротивление.

Здесь актуален принцип, который применим для гидравлической системы, проводящей жидкость по магистрали:

• чем длиннее магистраль и меньше показатель ее толщины, тем значительнее сопротивление для жидкой среды;
• для жидкости будет характерно меньшее сопротивление в незаполненной магистрали, чем в аналогичной трубе, но с песком.

Удельное сопротивление представляет способность объекта не проводить ток. Изучен и обратный феномен, которые носит обозначение «проводимость». Для нее действует специальная формула:

∑=1/p, где p – удельное сопротивление.

Электропроводность предопределена характеристиками носителей зарядов. Например, металлы насчитывают свободные электроны, общее количество которых достигает 3. В процессе химической реакции с веществами из правого сегмента таблицы Менделеева происходит их отделение от атома металла. Значение электропроводности металлов без примесей имеет ряд особенностей. В кристаллической решетке эти внешние электроны считаются общими, поэтому отдают заряд под влиянием поля. В растворах носителями заряда являются ионы.

Параметр электропроводности различных объектов

Аспекты электронной теории электропроводности исследовал немец Пауль Друде. Мир узнал о сопротивлении, которое формировалось при трансляции тока с помощью проводника. Итогом изучения стала классификация объектов на категории, исходя из уровня проводимости. Сведения являются актуальными, поскольку помогают решить множество задач. В качестве примера можно привести использование подходящего кабеля, который имеет ряд уникальных характеристик. Игнорирование факта электропроводности способно привести к перегреву материала под влиянием избыточного тока.

Отдельно обозначим серебро в качестве металла, для которого характерна высокая степень электропроводности. При стандартном термическом режиме окружающего воздуха (20 °С) значение составляет 63,3х104 см-1. Но изготовление проводов из серебра считается нерентабельным, поскольку исходное сырье является очень дорогим. Обычно материал применяется для выпуска ювелирных украшений.

В перечне неблагородных металлов наивысшая степень электропроводности присуща меди. Данное значение равно 57х104 см-1 при стандартном термическом режиме (20 °С). Медь отлично переносит небольшие температурные перепады, электрические нагрузки. Среди других преимуществ материала отметим надежность, износостойкость, длительный срок службы. Медь функционирует в нагретом состоянии. В результате она считается оптимальным компонентом для изготовления проводки.

Оптимально подходит для реализации электропроводности алюминий. Термический режим плавления в 2 раза меньше по сравнению с золотом, серебром или медью. Это отрицательно сказывается на стойкости алюминия к предельным нагрузкам. В результате материал задействуют в сетях с небольшим напряжением.

Проводимость любого сплава меньше, чем у чистого металла. Это предопределено совмещением структурной сетки, что отрицательно сказывается на электронах. Медная проводка выпускается только из металла, в котором количество примесей составляет до 0,1%. Для некоторых типов кабеля этот показатель не должен превышать 0,05%.

Факторы риска объектов с высокой электропроводностью

Для щелочных металлов характерна высокая степень электропроводности. Свойство предопределено отсутствием привязки электронов к ядру. Как следствие, их можно легко сформировать в требуемой последовательности. Специфика данной категории металлов заключается в низком термическом режиме плавления, а высокая химическая активность гарантирует опцию их применения для изготовления кабелей.

В неизолированном состоянии металлы, которые обладают высокой степенью электропроводности, являются крайне опасными для жизни и здоровья человека. Соприкосновение с оголенной частью провода ведет к ожогу. Прохождение тока через тело человека негативно влияет на органы, что зачастую является смертельным фактором.

Для снижения или исключения опасных факторов на электропроводящие кабели из металла наносят изоляцию. Она классифицируется на три категории: жидкую, твердую или газообразную. Определенное наименование материала используется на основании специфики применения продукции. Без привязки к агрегатному состоянию защиты основной ее задачей становится изоляция электрического тока, проходящего по цепи.

Электропроводность металлов и внешние условия: закономерности

Проводимость является переменным значением. Идеальные факторы для работы цепи складываются редко. Проводимость объекта предопределена следующими условиями:

• давление;
• световой поток;
• термический режим;
• агрегатное состояние;
• присутствие магнитных полей.

Преобразования рассматриваемого значения предопределены условиями окружающего пространства, характеристиками конкретного объекта. К группе ферромагнетиков относятся железо и никель. Их электропроводность повышается, если вектор электрического тока параллелен направлению силовых линий магнитного поля. Существует также зависимость электропроводности и теплопроводности. Она носит линейный характер. Специфика зависимости детерминирована определенным веществом. Например, для полупроводников присуще гиперболическое и обратное воздействие на электропроводность термического режима.

Интересно, что некоторые материалы составляют исключение из правил. В качестве примера можно привести ртуть. При снижении термического режима окружающей среды до 4°K она является сверхпроводимой. В результате удельное сопротивление ртути практически полностью утрачивается.

Если металл трансформируется в жидкий вид, показатель p увеличивается. Последующее преобразование свойств носит вариативный характер. Например, для висмута в жидком агрегатном состоянии присуще низкое удельное сопротивление при сопоставлении со значением, которое устанавливается в обычном термическом режиме. Для жидкой меди удельное сопротивление увеличивается в 10 раз. Никель может расходиться с линейным вектором, когда термический режим окружающей среды превысит 400°С, однако после этого значение p уменьшается.

Термическая зависимость вольфрама значительна. Она становится основной причиной перегорания ламп, поскольку ток раскаляет спираль, что приводит к многократному увеличению сопротивления.

Значение УС сплавов предопределено технологией их изготовления. Эта характеристика выводится как среднее значение ее элементов. Для сплава замещения этот параметр другой (обычно он больше). Под указанным термином подразумевается изделие, где несколько компонентов создают общую кристаллическую решетку. Специфика присуща, например, нихрому, который применяется для производства спиралей для электрической плиты. УС таких объектов, следовательно, и электропроводность, идентична значению проводников. При совмещении с сетью данные металлы быстро раскаляются докрасна.

Приведены основные теории, которые затрагивают физические характеристики металлов. В статье не рассматривалась квантовая теория проводимости Зоммерфельда. На основании вышесказанного приходим к умозаключению, что проводимость представляет комплексный феномен. Его невозможно понять на основании стандартного рассмотрения закона Ома. Для правильного понимания описанного явления необходим комплексный подход и использование знаний из других научных дисциплин.