Какие металлы не проводят электрический ток?

Содержание

Электропроводность в металлах 2019

Какие металлы не проводят электрический ток?

Электропроводность в металлах является результатом движения электрически заряженных частиц.

Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов — электронов во внешней оболочке атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Поскольку валентные электроны свободны в движении, они могут проходить через решетку, которая образует физическую структуру металла.

Под электрическим поле свободные электроны движутся по металлу так же, как бильярдные шарики, сбивающиеся друг с другом, пропуская электрический заряд по мере их перемещения.

Передача энергии сильней, когда сопротивление мало. На бильярдном столе это происходит, когда мяч ударяет по другому одиночному шару, передавая большую часть своей энергии на следующий мяч. Если один мяч ударяет по нескольким другим шарам, каждый из них будет нести только часть энергии.

К тому же наиболее эффективными проводниками электричества являются металлы, которые имеют один валентный электрон, который свободно перемещается и вызывает сильную реакцию отталкивания в других электронах. Это имеет место в наиболее проводящих металлах, таких как серебро, золото и медь, каждый из которых имеет единственный валентный электрон, который движется с небольшим сопротивлением и вызывает сильную отталкивающую реакцию.

Полупроводниковые металлы (или металлоиды) имеют большее количество валентных электронов (обычно четыре или более), поэтому, хотя они могут проводить электричество, они неэффективны в задаче.

Однако при нагревании или легировании другими элементами полупроводники, такие как кремний и германий, могут стать чрезвычайно эффективными проводниками электричества.

Проводимость в металлах должна следовать закону Ома, который утверждает, что ток прямо пропорционален электрическому полю, приложенному к металлу. Ключевой переменной при применении Закона Ома является удельное сопротивление металла.

Сопротивление противоположно электропроводности, оценивая, насколько сильно металл выступает против потока электрического тока. Это обычно измеряется через противоположные поверхности однометрового куба материала и описывается как омметр (Ω⋅m). Сопротивление часто представлено греческой буквой rho (ρ).

Электропроводность, с другой стороны, обычно измеряется сименсами на метр (S⋅m -1 ) и представлена ​​греческой буквой сигма (σ). Один сименс равен обратному одному ому.

Проводимость и сопротивление в металлах

Серебро 1. 59×10 -8 6. 30×10 7
Медь 1. 68×10 -8 5. 98×10 7
Отжиг меди 1. 72×10 -8 5. 80×10 7
Золото 2.44×10 -8 4. 52×10 7
Алюминий 2. 82×10 -8 3. 5×10 7
Кальций 3. 36×10 -8 2. 82×10 7
Бериллий 4. 00×10 -8 2. 500×10 7
Родий 4. 49×10 -8 2. 23×10 7
Магний 4. 66×10 -8 2. 15×10 7
Молибден 5. 225×10 -8 1. 914×10 7
Иридий 5. 289×10 -8 1. 891×10 7
Вольфрам 5. 49×10 -8 1. 82×10 7
Цинк 5. 945×10 -8 1. 682×10 7
Кобальт 6. 25×10 -8 1. 60×10 7
Кадмий 6. 84×10 -8 1. 46 7
Никель (электролитический) 6. 84×10 -8 1. 46×10 7
рутений 7. 595×10 -8 1. 31×10 7
Литий 8. 54×10 -8 1. 17×10 7
Железо 9. 58×10 -8 1. 04×10 7
Платина 1. 06×10 -7 9. 44×10 6
Палладий 1. 08×10 -7 9. 28×10 6
Олово 1. 15×10 -7 8. 7×10 6
Селен 1. 197×10 -7 8. 35×10 6
Тантал 1. 24×10 -7 8. 06×10 6
Ниобий 1. 31×10 -7 7. 66×10 6
Сталь (Cast) 1. 61×10 -7 6. 21×10 6
Хром 1. 96×10 -7 5. 10×10 6
Свинец 2. 05×10 -7 4. 87×10 6
Ванадий 2. 61×10 -7 3. 83×10 6
Уран 2. 87×10 -7 3. 48×10 6
Сурьма * 3. 92×10 -7 2. 55×10 6
Цирконий 4. 105×10 -7 2. 44×10 6
Титан 5. 56×10 -7 1. 798×10 6
Ртуть 9. 58×10 -7 1. 044×10 6
Германий * 4. 6×10 1 2. 17
кремния * 6. 40×10 2 1. 56×10 -3

* Примечание: удельное сопротивление полупроводников (металлоидов) сильно зависит от присутствия примесей в материале.

Исходные данные диаграммы

Eddy Current Technology Inc. URL: // вихревые токи. com / проводимость-металлов-сортировка по удельному сопротивлению / Википедия: Электропроводность

URL: // ru. википедия. орг / вики / Electrical_conductivity

Источник: https://ru.routestofinance.com/electrical-conductivity-in-metals

Электрический ток в металлах

Какие металлы не проводят электрический ток?
Определение 1

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1.12.1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1.12.1. Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F=-mdυdt, называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е. F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил Eст  :

Eст=-medυdt.

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ, равной δ=Eстl=medυdtl, где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q:

q=∫Idt=1R∫δdt=melυ0R.

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда em в металлах производится, исходя из формулы:

em=lυ0Rq.

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e=1,60218·10-19 Кл, а обозначение его удельного заряда – em=1,75882·1011 Кл/кг.

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х.

Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1.12.2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1.12.2. Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

Определение 2

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Определение 3

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

Теорема 1

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υт¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 105 м/с.

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υд¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме Sυд∆t.

Количество таких е равняется nSυд∆t, где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆t через сечение проводника проходит заряд ∆q=enSυд∆t.

Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0,6-6 мм/с для проводника с сечением 1 мм2 и проходящим током в 10 А.

Определение 4

Средняя скорость υд¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υт их теплового движения υд≪υт.

Рисунок 1.12.3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3. Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υд¯∆t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c=3·108 м/с. По прошествии времени lc (l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Читайте также  Как определить коэффициент трансформации трансформатора тока?

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

Определение 5

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю eE, в результате чего получает ускорение emE.

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υд=υдmax=eEmτ.

Время свободного пробега обозначается τ. Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υд равняется половине максимального значения:

υд=12υдmax=12eEmτ.

Если имеется проводник с длиной l, сечением S с концентрацией электронов n, тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I=enSυд=12e2τnSmE=e2τnS2mlU.

U=El – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R=2me2nτlS.

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ=2me2nτ; ν=1ρ=e2nτ2m.

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

12m(υд)max2=12e2τ2mE2.

Определение 6

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆t каждого электрона испытывается ∆tτ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет nSl электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆t равняется

∆Q=nSl∆tτe2τ22mE2=ne2τ2mSlU2∆t=U2R∆t.

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3R, где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ~T, а исходя из экспериментов – ρ~T. Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T. Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Теорема 2

Если имеется определенная температура Tкр, различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1.12.4.

Пример 1

Критической температурой для ртути считается значение 4,1 К, для алюминия – 1,2 К, для олова – 3,7 К. Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni3Snимеют критическую точку температуры в 18 К. Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1.12.4. Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой Tкр=35 К. На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К, которая превышала Т жидкого азота (77 К).

Определение 7

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т, превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl-Ca-Ba-Cu-O соединение с критической Т, достигающей 125 К. На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями Tкр. Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/elektricheskij-tok-v-metallah/

Какой металл лучше проводит ток? — Полезная информация для всех

Какие металлы не проводят электрический ток?

Размышлять о практическом применении такого свойства как электропроводность металлов (а также поиск наиболее электропроводного металла) стали относительно недавно — в начале ХХ века учеными было совершено весомое открытие: путем проведения ряда опытов было установлено, что в структуру металлов входят мельчайшие заряженные частицы под названием электроны.

После этого открытия целью ученых было лишь одно — найти самый электропроводный металл на Земле (стало понятно, что именно электроны руководят процессом переноса электричества в металлах). Этот важный факт лег в основу теории электропроводности металлов и помог в поиске самого электропроводного металла в химии.

В результате исследований учёные и инженеры, которые трудились над поставленной задачей и проводили исследования в области использования электроэнергии, смогли прийти к единому решению и общему знаменателю относительно своих поисков самого электропроводного металла в мире.

Почему именно металлы можно назвать наилучшим материалом для проведения электрического тока? Практические испытания показали их существенное отличие от всех других элементов. Суть заключается в особенностях структуры — в их составе присутствует достаточно большое число «одиноких» электронов, хаотично вращающихся вокруг ядра.

Однако, как только выбранный металл оказывается в поле воздействия электромагнитных сил, эти «одинокие» элементы соединяются в один направленный поток и автоматически становятся главными носителями электрического заряда. Именно такое взаимодействие на молекулярном уровне структуры и отличает все металлы от других элементов. Именно благодаря этому процессу ученым удалось определить самый электропроводный металл в мире — серебро.

Лидера среди металлов помогает определить физическая величина, называемая удельной электропроводностью.

Ученые смогли выделить группу, состоящую из четырех металлов лидеров, которые наиболее всего подходят для применения их в качестве электропроводников (относительно величины их удельной электропроводности, измеряемой при 20 градусах Цельсия):

— серебро — 62,5 миллиона;

— медь- 59,5 миллиона;

— золото — 45,5 миллиона;

— алюминий — 38 миллионов.

Из вышеприведенных данных следует вывод: серебро имеет наивысшее значение удельной электропроводности и, соответственно, признано самым электропроводным металлом в мире. И хотя это достаточно дорогостоящий металл (как и золото), уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение экономически целесообразным. Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления.

Зато медь и алюминий — самые распространенные металлы в производстве. Такими востребованными их делают низкое сопротивление электрическому току и доступность по цене. Что касается меди, то этот металл особенно хорош при постоянных электрических нагрузках. Она отличается долговечностью и надежностью — ей не страшны ни перепады напряжения, ни длительная эксплуатация в условиях высоких температур.

Вот так, благодаря тому, что люди всегда жаждали новых открытий в науке и познания окружающего мира, человечество сегодня не мыслит себя без современной бытовой техники, электронных устройств, сверхточных станков и всех благ техники, существованию и работе которых, мы обязаны такому физико-химическому явлению как электропроводость металлов.

Физический смысл проводимости

Использование металлических проводников имеет давнишнюю историю. Ученые и инженеры, работающие в областях науки и техники, использующих электроэнергию, давно определились с материалами для проводов, клемм, контактов, печатных плат и т. д. Определить самый электропроводный металл в мире помогает физическая величина, называемая электрической проводимостью.

Понятие проводимости обратно электрическому сопротивлению. Количественное выражение проводимости связано с единицей сопротивления, которое в международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах. Единица электрической проводимости в системе СИ – сименс. Русское обозначение этой единицы – См, интернациональное – S. Электрической проводимостью в 1 См обладает участок электрической сети с сопротивлением в 1 Ом.

Удельная проводимость

Мера способности вещества проводить электроток называется удельной электропроводностью. Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. Удельная электропроводность цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.

Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр – См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора – микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.

Проводимость металлов

Само понятие электрического тока как направленного потока заряженных частиц кажется более гармоничным для веществ, основанных на кристаллических решетках свойственных металлам. Носителями зарядов при возникновении электрического тока в металлах являются свободные электроны, а не ионы, как это бывает в жидких средах. Экспериментально установлено, что при возникновении тока в металлах не происходит переноса частиц вещества между проводниками.

Металлические вещества отличаются от других более свободными связями на атомарном уровне. Внутреннее устройство металлов отличается присутствием большого числа «одиноких» электронов. которые при малейшем воздействии электромагнитных сил образуют направленный поток. Поэтому не зря именно металлы являются лучшими проводниками электрического тока, и именно такие молекулярные взаимодействия отличают самый электропроводный металл. На особенностях структуры кристаллической решетки металлов основано еще одно их специфическое свойство — высокая теплопроводность.

Читайте также  Как определить постоянный или переменный ток?

Топ лучших проводников — металлов

4 металла, имеющие практическое значение для их применения в качестве электропроводников распределяются в следующем порядке относительно величины удельной проводимости, измеряемой в См/м:

  1. Серебро — 62 500 000.
  2. Медь – 59 500 000.
  3. Золото – 45 500 000.
  4. Алюминий — 38 000 000.

Видно, что самый электропроводный металл – серебро. Но подобно золоту, оно используется для организации электрической сети лишь в особых специфических случаях. Причина – высокая стоимость.

Зато медь и алюминий – самый распространенный вариант для электроприборов и кабельной продукции благодаря низкому сопротивлению электрическому току и ценовой доступности. Другие металлы применяются в качестве проводников редко.

Факторы, влияющие на проводимость металлов

Даже самый электропроводный металл снижает свою проводимость, если в нём присутствуют другие добавки и примеси. У сплавов иная, чем у «чистых» металлов, структура кристаллической решетки. Она отличается нарушением в симметрии, трещинами и другими дефектами. Снижается проводимость и при повышении температуры окружающей среды.

Повышенное сопротивление, присущее сплавам, находит применение в нагревательных элементах. Неслучайно для изготовления рабочих элементов электропечей, обогревателей применяют нихром, фехраль и другие сплавы.

Самый электропроводный металл — это драгоценное серебро, больше используемое ювелирами, для чеканки монет и т. д. Но и в технике и приборостроении его особые химические и физические свойства находят широкое применение. Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления. Уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение оправданным, несмотря на высокую стоимость.

Как отличается электропроводность разных металлов?

Электронная теория электропроводности металлов получила развитие в исследованиях Паулю Друде. Он сумел открыть такое свойство как сопротивление, которое наблюдается при прохождении электрического тока через проводник. В дальнейшем это позволит классифицировать разные вещества по уровню проводимости. Из полученных результатов легко понять, какой металл подойдет для изготовления того или иного кабеля. Это очень важный момент, так как неправильно подобранный материал может стать причиной возгорания в результате перегрева от прохождения тока избыточного напряжения.

Наибольшей электропроводностью обладает металл серебро. При температуре +20 градусов по Цельсию она составляет 63,3*104 сантиметров-1. Но изготавливать проводку из серебра очень дорого, так как это довольно редкий металл, который используется в основном для производства ювелирных и декоративных украшений или инвестиционных монет.

Металл, обладающий самой высокой электропроводностью среди всех элементов неблагородной группы — медь. Ее показатель составляет 57*104 сантиметров-1 при температуре +20 градусов по Цельсию. Медь является одним из наиболее распространенных проводников, которые используются в бытовых и производственных целях. Она хорошо выдерживает постоянные электрические нагрузки, отличается долговечностью и надежностью. Высокая температура плавления позволяет без проблем работать долгое время в нагретом состоянии.

По распространенности с медью может конкурировать только алюминий, который занимает четвертое место по электропроводности после золота. Он используется в сетях с невысоким напряжением, так как имеет почти вдвое меньшую температуру плавления, чем медь, и не способен выдерживать предельные нагрузки. С дальнейшим распределением мест можно ознакомиться, взглянув на таблицу электропроводности металлов.

Стоит отметить, что любой сплав обладает гораздо меньшей проводимостью, чем чистое вещество. Это связано со слиянием структурной сетки и как следствие нарушением нормального функционирования электронов. Например, при производстве медного провода используется материал с содержанием примесей не более 0,1%, а для некоторых видов кабеля этот показатель еще строже — не более 0,05%. Все приведенные показатели являются удельной электропроводностью металлов, которая рассчитывается как отношение между плотностью тока и величиной электрического поля в проводнике.

Классическая теория электропроводности металлов

Основные положения теории электропроводности металлов содержат шесть пунктов. Первый: высокий уровень электропроводности связан с наличием большого числа свободных электронов. Второй: электрический ток возникает путем внешнего воздействия на металл, при котором электроны из беспорядочного движения переходят в упорядоченное.

Третий: сила тока, проходящего через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертый: различное число элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к неодинаковому сопротивлению металлов. Пятый: электрический ток в цепи возникает мгновенно после начала воздействия на электроны. Шестой: с увеличением внутренней температуры металла растет и уровень его сопротивления.

Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом положений. В спокойном состоянии все свободные электроны хаотическим образом вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но стоит лишь подключить внешний источник воздействия, как электроны мгновенно выстраиваются в структурированной последовательности и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.

Это связано с тем, что слабеют молекулярные связи в кристаллической решетке, элементарные частицы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепь усложняется. Поэтому необходимо принимать меры по недопущению перегрева проводников, так как это негативно сказывается на их эксплуатационных свойствах. Механизм электропроводности металлов невозможно изменить ввиду действующих законов физики. Но можно нивелировать негативные внешние и внутренние воздействия, которые мешают нормальному протеканию процесса.

Металлы с высокой электопроводностью

Электропроводность щелочных металлов находится на высоком уровне, так как их электроны слабо привязаны к ядру и легко выстраиваются в нужной последовательности. Но эта группа отличается невысокими температурами плавления и огромной химической активностью, что в большинстве случаев не позволяет использовать их для изготовления проводов.

Металлы с высокой электропроводностью в открытом виде очень опасны для человека. Прикосновение к оголенному проводу приведет к получению электрического ожога и воздействию мощного разряда на все внутренние органы. Зачастую это влечет мгновенную смерть. Поэтому для безопасности людей используются специальные изоляционные материалы.

В зависимости от сферы применения они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Но все типы предназначены для одной функции — изоляции электрического тока внутри цепи, чтобы он не мог оказывать воздействие на внешний мир. Электропроводность металлов используется практически во всех сферах современной жизни человека, поэтому обеспечение безопасности является первоочередной задачей.

Источник: https://novoevmire.biz/obshhestvo/nauka/kakoj-metall-luchshe-provodit-tok.html

Что такое проводимость

Основой любого твердого химического элемента является кристаллическая решетка, состоящая из атомов вещества, вокруг которых вращаются связанные электроны. И, если решетка стабильна, то возникает вопрос: какие частицы создают электрический ток в металлах, а точнее – участвуют в его переносе? Помимо атомов вещества со связанными заряженными частичками, межатомное пространство заполнено и свободными электронами. Именно эти заряженные частицы, при воздействии на них электрического поля, начинают двигаться определенным образом, и обеспечивают тем самым, протекание тока.

Важно, что суммарный заряд всех свободных электронов равен суммарному заряду ионов, которые находятся в узлах решетки, но отличен по знаку (ионы – положительно заряжены, а электроны – отрицательно) – именно поэтому структура и стабильна. Если бы не было этих самых свободных заряженных частиц, то кулоновские силы разорвали бы кристаллическую решетку. Однако электроны уравновешивают действие этих сил, и вся «конструкция» остается в покое.

Чем больше таких свободных частиц присутствуют между атомами, тем сильнее проводимость материала. К примеру, медь проводит ток лучше железа именно из-за того, что в межатомном пространстве меди находится очень много свободных зарядов, способных проводить ток.

Электрический ток движется по проводам со скоростью, приближенной к скорости света, хотя сами свободные заряженные частицы двигаются значительно медленнее, и не покидают пределы проводника. Это означает, что ток в металлических проводниках создается электронами, которые принимают участие в переносе заряда, но не «расходуются» при этом процессе.  Таким образом, получается, что электрический ток в металлах представляет собой лишь упорядоченное движение заряженных частиц под действием поля, и не может накапливаться в проводнике.

Сопротивление проводника

Абсолютно любой элемент, каким бы проводимым он ни был, обладает сопротивлением. При воздействии электрического поля на свободные заряженные частицы, они начинают двигаться, условно говоря, от плюса к минусу. В процессе движения, электроны рассеиваются на так называемых неоднородностях решетки: дефектах, примесях и нарушениях строения. Это вызывает нагрев проводника, и характеризуется таким понятием, как сопротивление металлов.

Чем больше электронов теряется по пути от начала проводника до его конца, тем выше сопротивление данного участка проводимости. Помимо физических характеристик самого материала (удельного сопротивления, являющегося справочной величиной), из которого изготовлен проводник, на сопротивление имеют влияние форма, а также площадь сечения проводника.

Если участок проводимости однороден по составу, то его сопротивление можно узнать, применив формулу: R = p*l/S, где p — удельное сопротивление материала,  l – длинна проводника, а S – площадь сечения.

Удельное сопротивление основных материалов, используемых в электротехнике, представлено ниже, в сводной таблице электрического сопротивления металлов:

Интересная особенность металлических проводников: при уменьшении температуры, сопротивление материала падает, а при достижении температур порядка нескольких Кельвинов – снижается практически до нуля. На этом эффекте основано явление сверхпроводимости.

Электрохимический ряд напряжений металлов

Помимо сопротивления, металлические проводники имеют такую характеристику как электрохимический потенциал. Если говорить просто, то это значение характеризует сравнительную активность вещества при протекании реакций окисления и восстановления в условиях водного раствора.

Электрический ряд напряжений металлов был известен еще средневековым ученым-алхимикам, однако к современному виду его привел Алессандро Вольта в 1793 году. При конструировании своего гальванического столба, он установил соотношение активности известных ему металлов Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au, которое зависит от положения элемента в этом ряду.

Чем дальше находятся элементы друг от друга по списку, тем выше будет степень их взаимодействия.

Уже в 1798 году Иоганн Риттер указал на схожесть ряда Вольта с рядом окисления металлов (уменьшение их активности взаимодействия с кислородом). По его гипотезе, в результате протекания химической реакции возникает электричество. А вот его качественные показатели как раз и зависят от того, какие металлы взаимодействуют. Таким образом, был сформирован ряд напряжений, который дополнялся вновь открываемыми химическими элементами:

Читайте также  Что делает трансформатор тока?

На практике электрохимический ряд напряжений металлов используется при подборе катода и анода для наиболее эффективного восстановления металла из раствора, или же наоборот – наиболее активного взаимодействия для получения электроэнергии.

Для более подробного изучения вопроса, а также понимания того, как движется электрический ток в металлах, советуем вам посмотреть это видео:

Источник: https://electroadvice.ru/eto-interesno/elektricheskij-tok-v-metallax/

Удельное сопротивление

Какие металлы не проводят электрический ток?

Удельное сопротивление – это свойство материала, характеризующее его способность препятствовать прохождению электрического тока.

Характеристики электротехнических материалов

Главной характеристикой в электротехнике считается удельная электропроводность, измеряемая в См/м. Она служит коэффициентом пропорциональности между вектором напряжённости поля и плотностью тока. Обозначается часто греческой буквой гамма γ. Удельное сопротивление признано величиной, обратной электропроводности. В результате формула, упомянутая выше, обретает вид: плотность тока прямо пропорциональна напряжённости поля и обратно пропорциональна удельному сопротивлению среды. Единицей измерения становится Ом м.

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд.

Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине – подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано.

С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

  1. У проводников – менее 1/10000 Ом м.
  2. У диэлектриков – свыше 100 млн. Ом м.
  3. Полупроводники по значениям удельного сопротивления находятся между диэлектриками и проводниками.

Эти значения характеризуют исключительно способность тела сопротивляться прохождению электрического тока и не влияют на прочие аспекты (упругость, термостойкость). К примеру, магнитные материалы бывают проводниками, диэлектриками и полупроводниками.

Как образуется в материале проводимость

В современной физике сопротивление и проводимость принято объяснять зонной теорией. Она применима для твёрдых кристаллических тел, атомы решётки которого принимаются неподвижными. Согласно указанной концепции энергия электронов и прочих типов носителей заряда определяется установленными правилами. Выделяют три основные зоны, присущие материалу:

  • Валентная зона содержит электроны, связанные с атомами. В этой области энергия электронов градируется ступенями, а число уровней ограничено. Внешняя из слоёв атома.
  • Запрещённая зона. В этой области носители заряда находиться не вправе. Служит границей раздела двух других зон. У металлов часто отсутствует.
  • Свободная зона расположена выше двух предыдущих. Здесь электроны участвуют свободно в создании электрического тока, а энергия любая. Нет уровней.

Диэлектрики характеризуются высочайшим расположением свободной зоны. При любых мыслимых на Земле естественных условиях материалы электрический ток не проводят. Велика ширина и запрещённой зоны. У металлов масса свободных электронов. А валентная зона одновременно считается областью проводимости – запрещённых состояний нет. В результате подобные материалы обладают малым удельным сопротивлением.

Расчёт уд. сопротивления

На границе контактов атомов образуются промежуточные энергетические уровни, возникают необычные эффекты, используемые физикой полупроводников. Неоднородности создаются намеренно внедрением примесей (акцепторов и доноров). В результате образуются новые энергетические состояния, проявляющие в процессе протекания электрического тока новые свойства, которыми не владел исходный материал.

У полупроводников ширина запрещённой зоны невелика. Под действием внешних сил электроны способны покидать валентную область. Причиной становится электрическое напряжение, нагрев, облучение, прочие типы воздействий. У диэлектриков и полупроводников по мере понижения температуры электроны переходят на пониженные уровни, в результате валентная зона заполняется, а зона проводимости остаётся свободна. Электрический ток не течёт. В соответствии с квантовой теорией класс полупроводников характеризуется как материалы с шириной запрещённой зоны менее 3 эВ.

Энергия Ферми

Важное место в теории проводимости, объяснениях явлений, происходящих в полупроводниках, занимает энергия Ферми. Скрытности добавляют туманную определения термина в литературе. В зарубежной литературе говорится, что уровень Ферми – некое значение в эВ, а энергия Ферми – разница между ним и наименьшим в кристалле. Приведём избранные общие и понятные предложения:

  1. Уровень Ферми – максимальный из всех, присущих электрону в металлах при температуре 0 К. Следовательно, энергией Ферми считается разница между этой цифрой и минимальным уровнем при абсолютном нуле.
  2. Энергетический уровень Ферми – вероятность нахождения электронов составляет 50% при всех температурах, кроме абсолютного нуля.

Энергия Ферми определятся исключительно для температуры 0 К, тогда как уровень существует при любых условиях. В термодинамике понятие характеризует полный химический потенциал всех электронов. Уровень Ферми определяют как работу, затраченную на дополнение объекта единственным электроном. Параметр определяет проводимость материала, помогает понять физику полупроводников.

Уровень Ферми не обязательно существует физически. Известны случаи, когда место пролегания находилось в середине запрещённой зоны. Физически уровень не существует, там нет электронов. Однако параметр заметен при помощи вольтметра: разница потенциалов между двумя точками цепи (показания на дисплее) пропорциональна разнице уровней Ферми этих точек и обратно пропорциональна заряду электрона. Простая зависимость. Допустимо увязать эти параметры с проводимостью и удельным сопротивлением, пользуясь законом Ома для участка цепи.

Материалы с низким удельным сопротивлением

К проводникам относят большинство металлов, графит, электролиты. Такие материалы обладают низким удельным сопротивлением. В металлах положительно заряженные ионы образуют узлы кристаллической решётки, окружённые облаком электронов. Их принято называть общими за вхождение в состав зоны проводимости.

Хотя не до конца понятно, что такое электрон, его принято описывать как частицу, движущуюся внутри кристалла с тепловой скоростью в сотни км/с. Это намного больше, чем нужно, чтобы вывести космический корабль на орбиту. Одновременно скорость дрейфа, образующая электрический ток под действием вектора напряжённости, едва достигает сантиметра в минуту. Поле распространяется в среде со скоростью света (100 тыс. км/ с).

В результате указанных соотношений становится возможным выразить удельную проводимость через физические величины (см. рисунок):

Формула для расчётов

  • Заряд электрона, e.
  • Концентрация свободных носителей, n.
  • Масса электрона, me.
  • Тепловая скорость носителей,
  • Длина свободного пробега электрона, l.

Уровень Ферми для металлов лежит в пределах 3 – 15 эВ, а концентрация свободных носителей почти не зависит от температуры. Поэтому удельная проводимость, а значит, и сопротивление определяется строением молекулярной решётки и её близостью к идеалу, свободой от дефектов. Параметры определяют длину свободного пробега электронов, легко найти в справочниках, если требуется произвести вычисления (к примеру, с целью определения удельного сопротивления).

Лучшей проводимостью обладают металлы с кубической решёткой. Сюда относят и медь. Переходные металлы характеризуются гораздо большим удельным сопротивлением. Проводимость падает с ростом температуры и при высоких частотах переменного тока. В последнем случае наблюдается скин-эффект. Зависимость от температуры линейная выше некого предела, носящего имя нидерландского физика Петера Дебая.

Отмечаются и не столь прямолинейные зависимости. К примеру, температурная обработка стали повышает количество дефектов, что закономерно снижает удельную проводимость материала. Исключением из правила стал отжиг. Процесс снижает плотность дефектов, что за счёт чего удельное сопротивление уменьшается. Яркое влияние оказывает деформация. Для некоторых сплавов механическая обработка приводит к заметному повышению удельного сопротивления.

Объёмное представление свойства

Материалы с высоким удельным сопротивлением

Порой требуется специально удельное сопротивление повысить. Подобная ситуация встречается в случаях с нагревательными приборами и резисторами электронных схем. Вот тогда приходит черед сплавов с высоким удельным сопротивлением (более 0,3 мкОм м). При использовании в составе измерительных приборов предъявляется требование минимального потенциала на границе стыковки с медным контактом.

Наибольшую известность получил нихром. Нередко нагревательные приборы конструируют из дешёвого фехраля (хрупкий, но дешёвый). В зависимости от назначения в сплавы входит медь, марганец и прочие металлы. Это дорогое удовольствие. К примеру, резистор из манганина стоит 30 центов на Алиэкспресс, где цены традиционно ниже магазинных. Встречается даже сплав палладия с иридием. О цене материала не следует говорить вслух.

Резисторы печатных плат часто изготавливают из чистых металлов в виде плёнок методом напыления. Массово применяются хром, тантал, вольфрам, сплавы, среди прочего, нихром.

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах.

Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока.

Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

В процессе смены направления поля возникают потери. Подобно тому, как магнитная напряжённость частично преобразуется в тепло при воздействии на мягкую сталь. Диэлектрические потери зависят преимущественно от частоты. При необходимости в качестве материалов используют неполярные изоляторы, молекулы которых симметричны, без ярко выраженного электрического момента. Поляризация возникает, если заряды прочно связаны с кристаллической решёткой. Типы поляризации:

  1. Электронная поляризация возникает как результат деформации внешних энергетических оболочек атомов. Обратима. Характерна для неполярных диэлектриков в любой фазе вещества. Из-за малого веса электронов возникает почти мгновенно (единицы фс).
  2. Ионная поляризация распространяется на два порядка медленнее и характерна для веществ с ионной кристаллической решёткой. Соответственно, материалы применяются на частотах до 10 ГГц и обладают большим значением диэлектрической проницаемости (у двуокиси титана – до 90).
  3. Дипольно-релаксационная поляризация намного медленнее. Время совершения составляет сотые доли секунды. Дипольно-релаксационная поляризация характерна для газов и жидкостей и зависит, соответственно, от вязкости (плотности). Прослеживается влияние температуры: эффект образует пик при некотором значении.
  4. Спонтанная поляризация наблюдается у сегнетоэлектриков.

Источник: https://VashTehnik.ru/enciklopediya/udelnoe-soprotivlenie.html