Электропроводность металлов

Классическая электронная теория металлов представляет проводник в виде системы, состоящей из узлов ионной кристаллической решетки, внутри которой находится электронный газ из свободных электронов. В свободное состояние от каждого атома переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. Рассматривая тепловое и направленное под действием электрического поля движение электронов, получили выражение закона Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводника, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого процесса привело к выводу закона Джоуля-Ленца. Т.о., электронная теория металлов дала возможность теоретически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить связь между электро- и теплопроводностью металлов.

Однако появились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении кривых температурной зависимости удельного сопротивления, в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным.

Эти трудности удалось преодолеть, встав на позиции квантовой механики. В отличие от классической электронной теории квантовая механика полагает, что электронный газ в металлах при обычных температурах нахо дится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т.е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов. Поэтому теплота не затрачивается на нагрев электронного газа, что и обнаруживается при измерениях теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температурах порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

 

СПЛАВ Удельное сопротивление, мкОм×м Температурный коэффициент удельного сопротивления,106, К-1 Терм-э.д.с. относительно меди, мкВ/К Предельная рабочая температура,0С
Магнанин (86%Cu, 12%Mn, 2%Ni)   0.42-0.48 5-30 1-2 100-200
Константан (60%Cu, 40%Ni)   0.48-0.52 -(5-25) 40-50 450-500
Нихром Х15Н60 (55-61%Ni, 15-18%Cr, 1.5%Mn, остальное Fe)   1.0-1.2 100-200 --
Нихром Х20Н80 (75-78%Ni, 20-23%Cr, 1.5%Mn, остальное Fe) 1.0-1.1 100-200 --

 

Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет —39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий. Другие металлы являются жидкими проводниками лишь при повышенных или высоких температурах.

Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода.

Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекул (ионов), в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля выше некоторого критического значения, обеспечивающего начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую равновесную проводящую среду, называемую плазмой.

Распределение электронов в частично заполненной зоне (а) и функция вероятности заполнения электронами уровней (б): I — уровни, почти заполненные; II — интервал размывания; III — уровни, почти полностью свободные

 

Распределение электронов по энергиям в металле: 1 – Т=0 K; 2 – Т>0 K

 

Распределение электронов в металле по скоростям: а – в отсутствие электрического поля; б – при воздействии поля

Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры в широком диапазоне температур: a, б, в — варианты изменения удельного сопротивления у различных расплавленных металлов

 

Зависимости удельного сопротивления от температуры в широком интервале температур для меди (а) и при низких температурах для меди и алюминия (б)

 

Остаточное сопротивление меди на 1 ат. % концентрации примеси: 1 — верхний ряд элементов; 2 — нижний ряд элементов;

 

Зависимость удельного сопротивления от состава сплавов Аu—Сu: а—для неупорядоченных сплавов (после закалки); б—для упорядоченных сплавов (после отжига); 1 — соответствует сплаву Cu3Au; 2—CuAu

 

Зависимость удельного сопротивления (1) и температурного коэффициента удельного сопротивления (2) медно-никелевых сплавов от процентного содержания компонентов

 

Зависимости удельного сопротивления (a) и температурного коэффициента удельного сопротивления (б) тонкой металлической пленки от ее толщины

Энергетическая диаграмма контакта двух металлов

 

Схема устройства термопары

 

Объяснение сверхпроводимости: а – образование электронных (куперовских) пар в сверхпроводящем металле; б – распределение электронов в металле в состоянии сверхпроводимости.

 

Зависимости параметров сверхпроводников I и II рода от внешних условий: а – магнитной индукции от напряженности магнитного поля; б – напряженности магнитного поля от температуры. (св – сверхпроводящие, см – смешанное, п - проводящее состояние).

 

Схема пленочного криотрона: 1 – управляющая пленка свинца, 2 – вентильная пленка свинца,3 – сверхпроводниковый слой олова, 4 – подложка.