Основні властивості металевих провідників

До найважливіших параметрів, що характеризують властивості провідникових матеріалів, відносяться: 1) питома провідність # 947; або зворотна їй величина - питомий опір # 961 ;, 2) температурний коефіцієнт питомого опору ТК # 961; або # 945; # 961; , 3) коефіцієнт теплопровідності # 955; Т (раніше його позначали # 947; T), 4) питома теплоємність с; 5) питома теплота плавлення rT.

Зв'язок щільності струму # 948 ;, (А / м²), і напруженості електричного поля Е (В / м), в металевому провіднику, як вже було показано вище, дається відомою формулою # 948; = # 947; E, званої диференціальної формою закону Ома.

Для провідника, що має опір R довжину l і постійний поперечний перетином S. питомий опір # 961; обчислюють за формулою

Для виміру # 961; провідникових матеріалів дозволяється користуватися позасистемної одиницею Ом # 903; мм² / м. Зв'язок між названими одиницями питомої опору така:

Діапазон значень питомого опору # 961; металевих провідників при нормальній температурі досить вузький: від 0,036 для срібла і приблизно до 3,4 мкОм # 903; м для залізо-хромо-алюмінієвих сплавів.

Опір провідника залежить від частоти протікає по ньому струму. Відомо, що на високих частотах щільність струму змінюється по перетину провідника. Вона максимальна на поверхні і зменшується в міру проникнення вглиб провідника. Відбувається витіснення струму до поверхні провідника. Це явище називають поверхневим ефектом. Він тим сильніше, чим вище частота. Оскільки площа перетину, через яке протікає струм зменшилася, то опір проводу змінним струмом стало більше, ніж його опір постійному струму. За глибину проникнення струму в провідник на даній частоті приймають глибину, на якій щільність струму зменшується в е = 2,72 рази .по порівнянні з її значенням на поверхні провідника.

Температурний коефіцієнт питомого опору металів.

Концентрація вільних електронів n в металевому провіднику при підвищенні температури залишається практично незмінною, але зростає їхня середня швидкість теплового руху. Посилюються і коливання вузлів кристалічної решітки. Квант пружних коливань середовища прийнято називати фонони. Малі теплові коливання кристалічної решітки можна розглядати як сукупність фононів. З ростом температури збільшуються амплітуди теплових коливань атомів, тобто збільшується перетин сферичного об'єму, який займає коливається атом.

Таким чином, з ростом температури з'являється все більше і більше перешкод на шляху дрейфу електронів під дією електричного поля. Це призводить до того, що зменшується середня довжина вільного пробігу електрона # 955 ;, зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність металів і зростає питомий опір. Зміна питомого опору провідника при зміні його температури на 3К, віднесене до величини питомого опору цього провідника при даній температурі, називають температурним коефіцієнтом питомої опору TK # 961; або. Температурний коефіцієнт питомого опору вимірюється в До -3. Температурний коефіцієнт питомого опору металів позитивний. Як випливає з даного вище визначення, диференціальне вираз для TK # 961; має вигляд:

Теплоємність характеризує здатність речовини поглинати теплоту Q при нагріванні. Теплоємністю С будь-якого фізичного тіла називають величину, рівну кількості теплової енергії, що поглинається цим тілом при нагріванні його на 3К без зміни його фазового стану. Теплоємність вимірюють у Дж / К. Теплоємність металевих матеріалів зростає з підвищенням температури. Тому величину теплоємності С визначають при нескінченно малій зміні його стану:

Ставлення теплоємності С до маси тіла m називають питомою теплоємністю з:

Питома теплоємність вимірюється в Дж / (кг # 8729; К). Тугоплавкі матеріали характеризуються низькими значеннями питомої теплоємності, легкоплавкі ж матеріали, навпаки, характеризуються високим значенням питомої теплоємності.

Теплопровідністю називають перенесення теплової енергії Q в нерівномірно нагрітої середовищі в результаті теплового руху і взаємодії складових її частинок. Перенесення теплоти в будь-якому середовищі або будь-якому тілі походить від більш гарячих частин до холодних. В результаті перенесення теплоти відбувається вирівнювання температури середовища або тіла. В металах перенесення теплової енергії здійснюється електронами провідності. Кількість вільних електронів в одиниці об'єму металу дуже велике. Тому, як правило, теплопровідність металів набагато більше, ніж теплопровідність діелектриків. Чим менше домішок містять метали, тим вище їх теплопровідність. Зі збільшенням домішок їх теплопровідність зменшується.

Як відомо, процес перенесення теплоти описується законом Фур'є:

Тут - щільність теплового потоку, т. Е. Кількість тепла, що проходить уздовж координати x через одиницю площі поперечного перерізу за одиницю часу, Дж / м 2 # 8729; с,

- градієнт температури вздовж координати x. К / м,

- коефіцієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом теплопровідності (раніше позначався), Вт / К # 8729; м.

Таким чином, терміну теплопровідність відповідають два поняття: це і процес перенесення тепла і коефіцієнт пропорційності, що характеризує цей процес.

Температура і теплота плавлення. Теплота, що поглинається твердим кристалічним тілом при переході його з однієї фази в іншу, називається теплотою фазового переходу. Зокрема, теплота, що поглинається твердим кристалічним тілом при переході його з твердого стану в рідке, називають теплотою плавлення, а температура, при якій відбувається плавлення (при постійному тиску), називають температурою плавлення і позначають ТПЛ. Кількість тепла, яке потрібно підвести до одиниці маси твердого кристалічного тіла при температурі ТПЛ для його перекладу в рідкий стан, називають питомою теплотою плавлення rпл і вимірюють в МДж / кг або в кДж / кг. Залежно від температури плавлення розрізняють тугоплавкі метали, що мають температуру плавлення вище ніж у заліза, тобто вище ніж 3539 0 С і легкоплавкі з температурою плавлення менше ніж 500 0 С. Діапазон температур від 500 0 С до 3539 0 С відноситься до середніх значень температур плавлення.

Робота виходу електрона з металу. Опитпоказивает, чтосвободние електрони при звичайних температурах практично не залишають метал. Це пов'язано з тим, що в поверхневому шарі металу створюється утримує електричне поле. Це електричне поле можна представити як потенційний бар'єр, що перешкоджає виходу електронів з металу в навколишній вакуум. Утримує потенційний бар'єр створюється за рахунок двох причин. По-перше за рахунок сил тяжіння з боку надлишкового позитивного заряду, що виник в металі в результаті вильоту з нього електронів, і, по-друге, за рахунок сил відштовхування з боку раніше вилетіли електронів, що утворили поблизу поверхні металу електронну хмару. Це електронне хмара разом з зовнішнім шаром позитивних іонів решітки утворює подвійний електричний шар, електричне поле якого подібно полю плоского конденсатора. Товщина цього шару дорівнює кільком міжатомним відстаням (30 -30 -30 -9 м). Він не створює електричне поле в зовнішньому просторі, але створює потенційний бар'єр, що перешкоджає виходу вільних електронів з металу.