Характеристики проводниковых материалов.

Лекция 15.

Классификация материалов ЭТ

Материалы, используемые в электрической технике подразделяются на:

1. Электротехнические (электрорадиоматериалы).

2. Конструкционные

3. Спец. назначения

Из конструкционных материалов изготавливают вспомогательные деталии элементы радиоприборов, выполняющих в основном роль механических нагрузок – корпусы, шасси, шкалы, элементы управления и др.

Электротехнические материалы - характеризуется определёнными свойствами по их отношению к электромагнитному полю и применимы в технике исходя из этих свойств. необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, электродвигателей и генераторов, магнитов, диодов и транзисторов, электронных ламп, электромеханических преобразователей, лазеров, мазеров, приёмников света, запоминающих устройств и т.д. От свойств Электротехнические материалы зависит работа электрической схемы прибора; генерация, выпрямление, передача, усиление и модуляция электричесокго тока, образование электрической изоляции и др.

В различных случаях при работе приборов на Электротехнические материалы воздействуют электрические и магнитные поля, как отдельно, так и в совокупности. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяются на три класса: проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические, а поведению в магнитном поле - на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные.

Проводники обладают сильновыраженной электропроводимостью, имеют высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводники являются промежуточными по проводимости материалами между диэлектриками и проводниками. И для них особенно характерно:

• сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей;
• зависимость, в большинстве случаев, от внешних энергетических воздействий (температура, освещенность и т.д.)

Диэлектрики - их основное свойство - способность к поляризации и возможность существования в них за счет этого электростатического поля.

Реальный (технический) диэлектрик тем ближе к идеальному, чем меньше у него удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделении теплоты.

Магнитными называют материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитные свойства, что обусловлено их строением. Магнитные материалы способны концентрировать магнитную энергию. К магнитным материалам относятся некоторые металлы, их сплавы, а также ферриты, которые не являются металлическими материалами. Большинство электротехнических материалов слабомагнитные или практически немагнитные. Однако среди магнетиков различают проводящие, полупроводящие практически непроводящие (что и определяет частотный диапазон их применения).

В зависимости от структурных особенностей твёрдых тел принято различать:

• аморфные вещества, не имеющие какой-либо определённой структуры;
• поликристаллические вещества, состоящие из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольны;
• монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трёхмерную периодическую структуру, называемою кристаллической решёткой.

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. В квантовой механике движение электронов описывается волновой функцией, обладающей в изолированном атоме водорода сферической симметрией, так что заряд электрона как бы диффузно распределён, образуя размытое облако.

В зависимости от того, как расположены энергетические зоны ( рис.15.2), твердые тела принято делить

• диэлектрики
• полупроводники
• металлы

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния.

Рис. 15.2.

Очевидно, что такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни.

В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы хорошие проводники электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0⁰К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.

Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления этого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.

Чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов.

У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.

Выводы

1. Твердое тело является металлом, т.е. проводником, в том случае, если валентные электроны одновременно принадлежат всем атомам

2. Твердое тело, в котором валентные электроны прочно связаны со своими атомами, является диэлектриком.

3. Если каждый атом имеет, например, 4 валентных электрона, являющихся общими для 4 ближайших атомов (конфигурация валентных связей), то такое твердое тело является полупроводником.

Проводниковые материалы.

Тела, проводящие эл. ток, называются проводниками. Проводники всегда содержат свободные носители заряда – электроны, ионы, направленное движение которых и есть эл. ток .

Проводниками могут быть:

твердые тела - металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода,

жидкости - расплавленные металлы и различные электролиты, но т.к. температура плавления металлов высока, то при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника используется только ртуть. (t_плавл=-39⁰С).

газы в соответствующих условиях (плазма).

Проводники подразделяют на:

• проводники с электронной проводимостью (проводники I рода)
• электролиты (проводники II рода), в которых прохождение тока связано с переносом вместе с заряженными частицами еще и молекул (ионов) в результате чего состав электролита постепенно меняется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

К проводниковым материалам относятся чистые материалы ( металлы), сплавы, химические соединения, области применения которых связаны с особенностями протекания электрического тока.

Важнейшими применяемыми в электротехнике проводниковыми (твёрдыми) материалами являются металлы и сплавы. В металлах как в твёрдом , так и в жидком состояниях, имеется весьма большое количество свободных электронов ( электронов проводимости), которые являются носителями заряда при прохождении через металл эл. тока. Так при нормальной температуре концентрация электронов проводимости N в серебре составляет 5,9 *10²⁸, в меди 8,5 *10 ²⁸, в алюминии 8,3 * 10²⁸м ^-3. Эл. ток обусловлен дрейфом св. электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле извне напряжением.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,1 мкОм*м, и сплавы высокого сопротивления с уд. сопротивлением не менее 0,3 мкОм*м. Металлы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.д. Сплавы высокого сопротивления применяют для изготовления резисторов, электронагревательных элементов и т.п.

Особый интерес представляют материалы, обладающие малым уд. сопротивлением при весьма низких ( криогенных) температурах - сверхпроводники и криопроводники.

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

Теплопроводность металлов

Тепло через металл передается в основном теми же свободными электронами, которые определяют и электропроводность металлов;

количество их в единице объема металла весьма велико. Поэтому, как правило, коэффициент теплопроводности λ металлов много боль­ше, чем λ диэлектриков. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость γ металла, тем больше его коэффициент теплопроводности λ . При повышении тем­пературы, когда подвижность электронов в металле и соответственно его удельная проводимость у уменьшаются, отношение коэффициента теплопроводности металла к его удельной электрической проводи­мости λ /у должно возрастать. Автоматически это выражается зако­ном Видемана—Франца—Лорентца:

λ /у = L_oT (1.5)

где T — абсолютная температура, К; L_о — число Лорентца, равное

L_о = π²/3 ∙ k²/e² ( 1.6)

Подстановка в (1,6) значений постоянной Больцмана к = 1,38 ∙ 10^-23 Дж/К и заряда электрона е = -1,6∙10 ^-19Кл даёт L_o = 2,45∙ 10^-8 В²/K².

Закон Видемана — Франца — Лорентца для большинства металлов хорошо подтверждается при температурах, близких к нормальной или несколько повышенных.

Однако в области низких температур коэффициент при Т в урав­нении (1.5) уже не остается неизменным: так, для меди при охлажде­нии он проходит через минимум, а при приближении к абсолютному нулю вновь близок к теоретическому значению L_o.

Термоэлектродвижущая сила

При соприкосновении двух различных металлов (или полупровод­ников, см. часть II) между ними возникает контактная разность потенциалов, обусловленная различием значений работы выхода элект­ронов и различием значений концентрации свободных электронов соприкасающихся металлов.

Если температуры точек соприкосновения («спаев», как часто гово­рят, имея в виду применение рассматриваемого явления в термопарах) различны, то сумма разностей потенциалов в замкнутой цепи из двух (или большего числа) металлов равна нулю. Если же один из спаев (для случая цепи из двух металлов А и B) имеет температуру T₁, а другой Т₂, причем T₁ ≠Т₂, между спаями возникает термо-э. д. с.

U = k/e (T₁ -Т₂ ) ln n_A/n_B (1.7)

где n_A и n_B — концентрации свободных электронов в металлах А и В соответственно; к и е — постоянная Больцмана и заряд электрона. Формулу (1.7) можно записать в виде

U = K (T₁ -Т₂ ), 1.8)

где К. — постоянный для данной пары проводников коэффициент («коэффициент термо-э. д. с.»), т. е. термо-э. д. с. должна быть про­порциональна разности температур спаев (см. рис. 5.1).

Провод, составленный из двух изолированных по длине друг от друга проволок из различных металлов или сплавов («термопара»), может быть использован для измерения температур, В термопарах используют проводники, имеющие большой по величине и стабильный коэффициент термо-э. д. с. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стремятся применять проводнико­вые металлы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-э. д. с. относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо-э. д. с., которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

Медь.

Первым по значению проводниковым материалом является медь марок М1 (содержание примесей не более 0,1%) и МО(содержание примесей менее 0.5%). Электросопротивлениестандартной проводниковой меди составляет 0,0172 мкОм-м. Примеси существенно ухудшают проводимость меди(см. рис, 4.1 ). Особенно нежелательны примесиА1, Ве, Ре, Si и Р, содержание которых около 0,5% приводит к повышению р на 40... 50%.

Высокая проводимость меди сочетается с хорошей деформируемостью, достаточно высокими механическими свойствами, удовлетворительной технологичностью при сварке и пайке.

Существенным недостатком меди является склонность к атмосферной коррозии и чувствительность к водородному охрупчиванию ("водородная болезнь» меди). Медь применяется для изготовления проводников (проводов, кабелей, шин),токоведущих деталей приборов и аппаратов.

Бронза

Литейный сплав меди с кадмием, бериллием, алюминием, фосфором и другимиэлементами.

Кадмиевая бронза содержат кадмия 0,9%. Удельное сопротивление ее 0,019 ом∙мм² /м. Прочность на разрыв до 48 кг/мм", относительное удлинение 5-50%. Кадмиевая бронза применяется для изготовления коллекторных пластин, токопроводящих пружин, контактов.

Бериллиевая бронза содержит до 2% бериллия. После термической обработки ее прочность на разрыв достигает 135 кг/мм² при твердости по Бринелю 370. Бериллиевая бронза применяется для скользящих контактов, токопроподящих пружин, ножей выключателей и переключателей.

Латунь .Сплав меди с цинком. В электронике применяются следующие марки: Л62, "168, ЛС59-1. Прочность латуни изменяется от 30 до 70 кг/мм². Отн. удлинение от 5 до 70%. Изделия из латуни изготовляют обработкой давлением. В электронике латунь применяется для волноводов (с серебрением внутренней поверхности), экранов, кожухов, штепсельных вилок, контактных лепестков, деталей шасси.

Алюминий

Лёгкий металл, удельный вес 2,7. Наиболее чистый алюминий содержит не более 0,05% примесей. Прочность алюминия невысокая 7,5-18 кг/мм2. Удельное сопротивление р = 0,028 ом∙мм2/м. Алюминий уступает меди по проводимости, его удельное электросопротивление в 1,65 раза выше, чем у меди. Однако у алюминия имеется ряд положительных качеств. Благодаря меньшей плотности алюминиевый проводник при равных длине и электросопротивлении, вдвое легче медного. Алюминий дешевле и больше распространён в природе. Оксидная пленказащищает

алюминий от атмосферной коррозии и является электроизоляционной.

Примеси снижают проводимость адюминия. В этом отношении нежелательны медь, магний, титан, марганец, ванадий.

Для проводников используют алюминий с содержанием других элементов не более 0,5% в том числе меди, марганца и магния менее 0,015; 0,01; 0,02%, соответственно.

Удельное электросопротивление алюминия прмышленных марок А5 и АЕ 0,028 – 0,0283мкОм∙м.

Необходимо отметить, что при низких температурах разница удельного электросопротивления алюминия и меди сокращается, а при температурах менее 75К проводимость алюминия_становится_ лучше.

Области применения проводникового алюминия: провода, обкладки конденсаторов, тонкие (напыляемые) пленки в полупроводниковых интегральных микросхемах.

При разработке приборов следует учитывать возможность коррозионного поражения контактных участков алюминий-медь, во избежание чего требуется тщательная зашита от влаги подобных участков электросхем.

Алюминий с содержанием примесей от 0,03 до до 0.07% применяется в качестве фольги для бумажных и электролитических конденсаторов. Алюминий с содержанием примесейот 0,2 до 0,3% применятся для проводников и фольги, а с содержанием примесей 0,5% применяется для изготовления кабелей и электропроводов. Алюминий активно окисляется с образованием тонкой пленки А1₂0₃ толщиной 0,04 мм с пробивным напряжением 250 в. Из алюминия можно изготовлять катушки индуктивности.

Для защиты одного контура от воздействия другого при высоких частотах лучшее экранирование магнитных полей дают экраны из меди и алюминия. Магнитный поток катушки индуктирует в экране токи, которые по закону Ленца создают свой магнитный поток противоположного направления, уничтожающий основной магнитный поток за пределами экрана.

Для повышения прочности в алюминии вводят медь (до 4%), магний (0,5-1,8%),марганец (0,4-1,0%). Получают сплавы – дуралюмина: Д1Т; Д6Т и Д16Т. После термообработки сплавових прочность достигает 60 кг/мм2. Дуралюмин применяется для изготовления экранов, рефлекторов, деталей разъёмов, панелей, роторов магнитных барабанов, вычислительных машин. Детали изготовляют путем штамповки и прессования.

Для деталей, изготавливаемых методом литья применяют высококремнистые силумины (АЛ2, АЛ4 и АЛ9), сплавына основе алюминий- медь, алюминий-цинк. Сплав АЛ9 применяется в вычислительных машинах для_изготовления станин, кронштейнов, корпусов блоков магнитных головок.

Железо

Имеет удельное сопротивление 0,1-0,13 ом∙мм2/м. Прочность на разрыв - 15 кг/мм2. Применяется для изготовления шин и проводов. При переменном токе в железных проводниках возникают потери мощности на гестерезис. Железо также применяется для экранирования при низких частотах, т. к магнитные линии втягивает и замыкает. Железная проволока применяется для бареттеров-стабилизаторов тока электронных ламп.

В электронном приборостроении находят широкое применение олово, свинец, вольфрам, серебро, платина, никель, цинк, молибден и индий.

Криопроводники

Помимо сверхпроводимости в ряде случаев успешно используют явление криопроводимости, т. е. достижение некоторыми металлами при криогенных температурах (но при температурах выше Ткр, если данный металл принадлежит к сверхпроводникам) весьма малого значения р, в сотни и тысячи раз меньшего, чем р при нормальной температуре. Материалы, обладающие особо благоприятными характеристиками для использования их криопроводимости, называют криопроводниками (гиперпроводниками). Важно понимать, что с физи­ческой точки зрения явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Конечное значение р криопроводника при его рабочей темпе­ратуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плот­ность может быть намного выше, чем в обычных проводниках при нор­мальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах значение р изменяется плавно (без скачков) нельзя использовать в ряде устройств, основан­ных на триггерном эффекте появления и нарушения сверхпроводи­мости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т. п. имеет существенные преимущества. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, рабочая температура криопровод­ников достигается за счет более высококипящих и дешевых хладоагентов — жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства.

Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электро­магните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большое количество энергии магнитного поля. Если случайно повысится температура или же магнитная индукция, хотя бы в малом участке сверхпроводящего кон­тура, сверхпроводимость будет нарушена, внезапно освободится боль­шое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повыше­ние температуры может вызвать лишь постепенное возрастание сопротивле­ния этой цепи без эффекта «взрыва».

На рис. 3.6 в билогарифмическом масштабе дана зависимость удельного сопротивления р меди, алюминия, бе­риллия и натрия от температуры. Значительный интерес для использо­вания в качестве криопроводника по­мимо обычных проводниковых мате­риалов — алюминия и меди — пред­ставляет бериллий. Срав­нительно более распространенные и дешёвые алюминий и медь могут ра­ботать в качестве криопроводников при охлаждении жидким водородом, что требует преодоления определен­ных технических трудностей и, в ча­стности, учета взрывоопасности сме­сей водорода с воздухом в некоторых пределах соотношения компонентов смеси. Бериллий и его соединения то­ксичны; но бериллий при охлаждении жидким азотом имеет наименьшее возможное значение р, а работа с жидким азотом значительно проще, чем работа с жидким водородом.

Во всех случаях для получения криопроводников требуются высокая чистота металла и отсутствие наклепа (отожженное состояние). Вредное влияние примесей и на­клепа на р металлов при криогенных температурах сказываются на­много сильнее, чем при нормальной температуре.

Сплавы - проводники с высоким сопротивлением ( ρ > 0,3 мкОм∙м)

Сплавы-проводники с высоким сопротивлением находят применение в приборостроении для изготовления образцовых сопротивлений, реостатов и нагревательных приборов.

В зависимости от назначения они должны иметь:

- высокое удельное сопротивление,

- малый температурный коэффициент удельного сопротивления;

- высокую жаростойкость при температурах до 1270°К;

- малый температурный коэффициент линейного расширения;

- высокие технологические свойства, легкость пайки и сварки, возможность получения проволок малых сечений.

Материалы резисторов

Резистивные материалы, предназначенные для сопротивлений электрических и электронных схем, должна обладать следующим комплексом свойств:

- высокое удельное электросопротивление и его стабильность во времени;

- низкий температурный коэффициент электросопротивления (в пределе стремящийся к нулю) ;

- малая ТермоЭДС в контакте с медью;

- высокая износостойкость и низкое контактное сопротивление_для переменных сопротивлений;

Этим требованиям удовлетворяют некоторые сплавымеди, марганца, и благородных металлов.

Константан - сплав системы Сu - 39-41Ni - 1-2Мn. Состав сплава соответствует сочетанию максимального значения р и минимального значения α_ρ (рис-4.5 ). Гарантируемые характеристики сплава р ==0,45.. -0,52 мкОм-м, α_ρ = -2...+6∙10^-5 1/К для диапазона 293... 373К. Оба указанных свойства константана имеют сложную температурную зависимость (рис» 4.6 ), что необходимо учитыватъ при анализе условий работы. Недостатком константана является высокая ТДЭС с медью, составляющая 40-50 мкВ/К.

Константан применяется для проволочных резисторов с рабочей температурой до 650 град.К и компенсационных проводов термопар. Манганин- сплав (марка МНМц12-3 имеет состав: 85%Сu, 12%Мп, 3%Ni) со структурой_твердого раствора. В отожженном состоянии прочность на разрыв 45-50 кг/мм2, относительное удлинение 10-20%, удельное сопротивление 0,40-0,50 ОМ.мм2/м, температурный коэффициент сопротивления 4-10 ^-6/^оС. Малая зависимость сопротивления от температуры и незначительная термоэ.д.с. в контакте с медью - 0,9-1,0 мкв/градус обеспечивают постоянство величины сопротивления в точных измерительных устройствах из манганина. Для стабилизации свойств манганиновую проволоку подвергают термообработке - искусственному старению. Из манганина изготовляют точные сопротивления с рабочей температурой до 60^оС для электроизмерительных приборов.

Изабеллин

Не содержит дефицитного никеля (Сu - 13Мn - ЗА1) и имеет исключительно низкие значения α = 0,1∙ 10^-5 1/К и ТДЭС с медью (-0,2 мкВ/К при высоком абсолютном значении р = 0,5 мкОм∙м. Изабеллин термически обрабатывают аналогично манганину… только при температуре 800градС. Недостатком

Лекция 15.

Классификация материалов ЭТ

Материалы, используемые в электрической технике подразделяются на:

1. Электротехнические (электрорадиоматериалы).

2. Конструкционные

3. Спец. назначения

Из конструкционных материалов изготавливают вспомогательные деталии элементы радиоприборов, выполняющих в основном роль механических нагрузок – корпусы, шасси, шкалы, элементы управления и др.

Электротехнические материалы - характеризуется определёнными свойствами по их отношению к электромагнитному полю и применимы в технике исходя из этих свойств. необходимы для изготовления проводов, кабелей, волноводов, антенн, изоляторов, конденсаторов, резисторов, катушек индуктивности, трансформаторов, электродвигателей и генераторов, магнитов, диодов и транзисторов, электронных ламп, электромеханических преобразователей, лазеров, мазеров, приёмников света, запоминающих устройств и т.д. От свойств Электротехнические материалы зависит работа электрической схемы прибора; генерация, выпрямление, передача, усиление и модуляция электричесокго тока, образование электрической изоляции и др.

В различных случаях при работе приборов на Электротехнические материалы воздействуют электрические и магнитные поля, как отдельно, так и в совокупности. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяются на три класса: проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические, а поведению в магнитном поле - на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные.

Проводники обладают сильновыраженной электропроводимостью, имеют высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводники являются промежуточными по проводимости материалами между диэлектриками и проводниками. И для них особенно характерно:

• сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей;
• зависимость, в большинстве случаев, от внешних энергетических воздействий (температура, освещенность и т.д.)

Диэлектрики - их основное свойство - способность к поляризации и возможность существования в них за счет этого электростатического поля.

Реальный (технический) диэлектрик тем ближе к идеальному, чем меньше у него удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделении теплоты.

Магнитными называют материалы, которые под действием внешнего магнитного поля способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитные свойства, что обусловлено их строением. Магнитные материалы способны концентрировать магнитную энергию. К магнитным материалам относятся некоторые металлы, их сплавы, а также ферриты, которые не являются металлическими материалами. Большинство электротехнических материалов слабомагнитные или практически немагнитные. Однако среди магнетиков различают проводящие, полупроводящие практически непроводящие (что и определяет частотный диапазон их применения).

В зависимости от структурных особенностей твёрдых тел принято различать:

• аморфные вещества, не имеющие какой-либо определённой структуры;
• поликристаллические вещества, состоящие из отдельных гранул или малых областей. Каждая гранула имеет четко выраженную структуру, однако размеры и ориентация гранул в соседних областях совершенно произвольны;
• монокристаллические вещества, атомы которых пространственно упорядочены и образуют трёхмерную периодическую структуру, называемою кристаллической решёткой.

Основную роль в процессе объединения атомов в кристалл играют электроны. В квантовой механике движение электронов описывается волновой функцией, обладающей в изолированном атоме водорода сферической симметрией, так что заряд электрона как бы диффузно распределён, образуя размытое облако.

В зависимости от того, как расположены энергетические зоны ( рис.15.2), твердые тела принято делить

• диэлектрики
• полупроводники
• металлы

Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния.

Рис. 15.2.

Очевидно, что такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни.

В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы хорошие проводники электрического тока.

В полупроводниках и диэлектриках при температуре 0⁰К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.

Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления этого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.

Чем выше температура и меньше запрещенная зона, тем выше интенсивность межзонных переходов.

У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.

Выводы

1. Твердое тело является металлом, т.е. проводником, в том случае, если валентные электроны одновременно принадлежат всем атомам

2. Твердое тело, в котором валентные электроны прочно связаны со своими атомами, является диэлектриком.

3. Если каждый атом имеет, например, 4 валентных электрона, являющихся общими для 4 ближайших атомов (конфигурация валентных связей), то такое твердое тело является полупроводником.

Проводниковые материалы.

Тела, проводящие эл. ток, называются проводниками. Проводники всегда содержат свободные носители заряда – электроны, ионы, направленное движение которых и есть эл. ток .

Проводниками могут быть:

твердые тела - металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода,

жидкости - расплавленные металлы и различные электролиты, но т.к. температура плавления металлов высока, то при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника используется только ртуть. (t_плавл=-39⁰С).

газы в соответствующих условиях (плазма).

Проводники подразделяют на:

• проводники с электронной проводимостью (проводники I рода)
• электролиты (проводники II рода), в которых прохождение тока связано с переносом вместе с заряженными частицами еще и молекул (ионов) в результате чего состав электролита постепенно меняется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

К проводниковым материалам относятся чистые материалы ( металлы), сплавы, химические соединения, области применения которых связаны с особенностями протекания электрического тока.

Важнейшими применяемыми в электротехнике проводниковыми (твёрдыми) материалами являются металлы и сплавы. В металлах как в твёрдом , так и в жидком состояниях, имеется весьма большое количество свободных электронов ( электронов проводимости), которые являются носителями заряда при прохождении через металл эл. тока. Так при нормальной температуре концентрация электронов проводимости N в серебре составляет 5,9 *10²⁸, в меди 8,5 *10 ²⁸, в алюминии 8,3 * 10²⁸м ^-3. Эл. ток обусловлен дрейфом св. электронов под воздействием электрического поля, создаваемого в металле извне напряжением.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,1 мкОм*м, и сплавы высокого сопротивления с уд. сопротивлением не менее 0,3 мкОм*м. Металлы высокой проводимости используют для проводов, токопроводящих жил, обмоток электрических машин и трансформаторов и т.д. Сплавы высокого сопротивления применяют для изготовления резисторов, электронагревательных элементов и т.п.

Особый интерес представляют материалы, обладающие малым уд. сопротивлением при весьма низких ( криогенных) температурах - сверхпроводники и криопроводники.

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

Характеристики проводниковых материалов.

Основными характеристиками проводниковых материалов являются : удельная электропроводность или обратная ей величина – удельное сопротивление; теплопроводность; контактная разность потенциалов; термоэлектродвижущая сила; волновое сопротивление; механическая прочность и относительное удлинение.

Удельное сопротивление и удельная проводимость проводников.

Наиболее важной характеристикой проводниковых материалов является удельное сопротивление. Данное свойство относится к структурно-чувствительным и меняется в широком диапазоне в зависимости от химического состава и нарушений кристаллического строения и таких термодинамических факторов, как температура и давление.

Какова же проводимость проводников (типичным при­мером которых служат металлы) и какова проводимость у изоляторов (диэлектриков; примером может служить кристалл каменной соли)? Во сколько раз проводимость вторых меньше проводимости первых? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить, в каких единицах измеряется проводимость.

С этой целью обратимся к хорошо знакомому закону Ома. Предположим, что перед нами кусок проволока длины L с площадью поперечного сечения S. Предполо­жим, что к концам проволоки приложена разность потен­циалов V (V называют еще иначе электрическим напря­жением). При этом через проволоку будет течь ток, силу которого обозначим через I. Через R обозначим сопротивление проволоки. Согласно закону Ома

I = V/R, откуда R = V/I. (1)

Если V измерять в вольтах, а I — в амперах, то R будет измеряться в омах. Величина, обратная R (т.е. 1/R), на­зывается проводимостью. Она измеряется, следовательно, в обратных омах (Ом ^-1). Из опыта известно, что проводи­мость проволоки тем меньше, чем больше ее длина и чем меньше площадь ее поперечного сечения:

1/R = σ S/L . (2)

Здесь коэффициент σимеет то или иное значение в зави­симости от материала, из которого сделана проволока . Этот коэффициент называется удельной проводимостью. Мы в дальнейшем для краткости будем называть удель­ную проводимость просто пр