Что такое проводник электрического тока. И их основные свойства

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при ком натной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещени я. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность . Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с друг ом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

• серебро
• медь
• золото
• алюминий
• железо
• сталь
• латунь
• бронза
• ртуть
• графит
• грязная вода
• бетон

Диэлектрики:

• стекло
• резина
• нефть
• асфальт
• стекловолокно
• фарфор
• керамика
• кварц
• (сухой) хлопок
• (сухая) бумага
• (сухая) древесина
• пластмасса
• воздух
• алмаз
• чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов . Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко "пропускают" свет, называют "прозрачными", а те, которые его не пропускают, называют "непрозрачными ". Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают св ет. Оконное стекло - лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем "прозрачное" стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые - хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке "проводников", обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии - диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость ) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение "свободных" электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством , или электрическим током . Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как "поток".

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа . Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от длины труб ки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!! ! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала . Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут "течь" через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет "накапливаться" в ней, а со ответственно не будет и "потока". То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обе спечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические "Источник" и "Получатель" электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо ). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части . Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю . Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможе т. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения.

Если мы возьмем еще один провод и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электроно в. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:

Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов . Если рассматривать аналогию с водопроводом, то установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначени я. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой "износ" от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

• В проводниках , электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами .
  
• В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
• Все металлы являются электрически проводящими.
• Динамическое электричество , или электрический ток - это направленное движение электронов через проводник.
• Статическое электричество - это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
• Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник : Lessons In Electric Circuits

Проводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является высокая электропроводность. Их удельное сопротивление при нормальной температуре лежит в пределах от 0,036 до 300 мкОм·м. Эти материалы используют для изготовления токоведущих частей электроустановок. Чаще всего в качестве проводников электрического тока используют твердые тела, реже жидкости и газы в ионизированном состоянии.

Механизм прохождения тока в металлах - как в твердом, так и в жидком состоянии - обусловлен направленным движением (дрейфом) свободных электронов под воздействием электрического поля; поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода .

Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Основные свойства металлов приведены в табл 3.3.

Классификация металлических проводников. Металлические проводниковые материалы подразделяются на следующие основные группы:

Металлы высокой проводимости , имеющие удельное сопротивление ρ при нормальной температуре не более 0,05 мкОм∙м, Металлы высокой проводимости используются для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов.

Сверхпроводники – это материалы (чистые металлы и сплавы), удельное сопротивление которых при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю скачком уменьшается до ничтожно малой величины.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) – это проводники, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние выше 30К.

Криопроводники – это металлические проводники высокой проводимости, удельное сопротивление которых плавно снижается при понижении температуры и при криогенных температурах (Т<-395 0 С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.

Сплавы высокого сопротивления с ρ при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм ּ м. Металлы и сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т. п.

Металлы и сплавы различного назначения. К ним относятся тугоплавкие и легкоплавкие металлы, а также металлы и сплавы для контактов электрических аппаратов.

Классификация неметаллических проводников. К неметаллическим твердым проводникам относятся:

Угольные материалы - это материалы на основе углерода. Из углеродных материалов изготавливают щетки электрических машин, токосъемные вставки для токоприемников электровозов, электроды для прожекторов и дуговых электрических печей. Угольный порошок применяют в микрофонах.

Композиционные проводящие материалы – это искусственные материалы с электронным характером электрической проводимости, состоящие из проводящей фазы, связующего вещества и заполнителей с высокими диэлектрическими свойствами.

Классификация жидких и газообразных проводников. К жидким проводникам относятся:

Расплавленные металлы. В качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре может быть использована только ртуть (Hg), температура плавления которой около минус 39 °С. Другие металлы могут быть жидкими проводниками только при повышенных температурах, превышающих их температуру плавления.

Электролиты или проводники второго рода - это растворы кислот, щелочей и солей. Электропроводность в электролитах носит ионный характер , так как электрический ток в них обусловлен направленным движением анионов и катионов. Процесс прохождения электрического тока через электролит называют электролизом. В соответствии с законами Фарадея, при прохождении тока через электролиты вместе с переносом электрических зарядов происходит перенос ионов электролита, т. е. ионов проводящего вещества, вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода.

К газообразным проводникам относятся : все газы и пары, в том числе и пары металлов . При низких напряженностях электрического поля газы являются хорошими диэлектриками. Если же напряженность электрического поля превзойдет некоторое критическое значение, при котором начинается ударная ионизация, то в этом случае газ может стать проводником с электронной и ионной проводимостью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов в единице объема числу положительных ионов представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы .

Газы и пары металлов в качестве проводников используются в газоразрядных лампах освещения. Среди газоразрядных источников оптического излучения наиболее распространены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. Это люминесцентные лампы низкого давления (до 0,03МПа) и дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления (0,03-3МПа).

Рассмотрим подробнее механизмы проводимости и основные свойства металлических проводников, наиболее широко применяемых в технике. Они являются основным видом проводниковых материалов в электро- и радиотехнике.

Электропроводность металлов . Твердый металлический проводник представляет собой кристаллическую решетку, в узлах которой расположены положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами находятся свободные электроны, которые образуют так называемый электронный газ . Электронный газ и положительные ионы металла, взаимодействуя между собой, образуют прочную металлическую связь . При отсутствии электрического поля свободные электроны, находятся в состоянии хаотического теплового движения, сталкиваясь с колеблющимися атомами кристаллической решетки.

Для электронного газа, как и для обычных газов, используют законы статистики. Рассмотрим основные положения этих законов. Среднее расстояние, проходимое электронами между двумя столкновениями с узлами решетки, называют длиной свободного пробега . Средний промежуток времени между двумя столкновениями называют временем свободного пробега, которое определяют как:

где - средняя скорость теплового движения свободных электронов в металле. При Т =300К средняя скорость =30 5 м/с =300км/с.

Скорости хаотического теплового движения электронов (при определенной температуре) для различных металлов примерно одинаковы. Примерно одинаковы и концентрации свободных электронов n в разных металлах. Поэтому значение удельной проводимости (или удельного сопротивления) в основном зависит лишь от средней длины свободного пробега электронов λ в данном проводнике. Эта длина в свою очередь, определяется структурой проводникового материала. Поэтому все чистые металлы с идеальной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельного сопротивления; примеси же, искажая кристаллическую решетку, приводят к увеличению ρ .

Если в проводнике существует электрическое поле Е=const , то со стороны этого поля на электроны действует сила . Под действием этой силы электроны приобретают ускорение , пропорциональное напряженности электрического поля E, в результате чего возникает направленное движение электронов. Такое направленное движение называют дрейфом электронов. Скорость направленного движения или дрейфа значительно меньше скорости теплового движения. Во время свободного пробега электроны движутся равноускоренно, приобретая к концу свободного пробега максимальную скорость

, (3.2)

где - время свободного пробега.

В конце свободного пробега электрон, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, отдает им приобретенную в электрическом поле энергию, и скорость его становится равной нулю. Следовательно, средняя скорость направленного движения электрона будет равна:

, (3.3)

где e =3,602·30 -39 Кл – заряд электрона, m =9,3·30 -33 кг – масса электрона.

Направленное движение электронов создает электрический ток, плотность которого согласно классической теории металлов равна:

. (3.4)

Здесь n - концентрация свободных электронов в металле, т. е. число свободных электронов в единице объема металла,

- удельная электрическая проводимость металла, которая тем больше, чем больше концентрация n свободных электронов и средняя длина λ их свободного пробега, См/м (Сименс, деленный на метр),

- удельное электрическое сопротивление – величина, обратная удельной электрической проводимости, Ом∙м (Ом, умноженный на метр).

Удельная проводимость γ не зависит от напряженности электрического поля Е при изменении ее в широких пределах. Уравнение (3.4) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

где d- плотность вещества,

N A =6,022·30 23 моль -3 - число Авогадро – число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и др.) в единице количества вещества. (моле, равном грамм-атому) ,

A – атомная масса (ранее называлась атомным весом) – масса атома химического элемента, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомная единица массы равна 3/32 массы изотопа углерода с массовым числом 32 (≈3,6605402·30 -24 г).

При движении свободных электронов в металле под действием электрического поля, они приобретают дополнительную кинетическую энергию, которую отдают узлам кристаллической решетки при столкновении с ними. Отданная энергия превращается в тепловую, в результате чего температура металла повышается. Мощность удельных потерь p , выделяющихся в проводнике и нагревающих его, определяют по закону Джоуля-Ленца, который в дифференциальной форме имеет вид:

(3.6)

Отметим, что при температуре, равной 0 0 К скорость теплового движения электронов будет равна нулю. Они не будут сталкиваться с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. Длина свободного пробега λ электронов будет равна бесконечности, а удельное сопротивление ρ будет равно нулю (удельная проводимость равна бесконечности). Проводник в этом случае нагреваться не будет.

Пример 3.1 Вычислить концентрацию n свободных электронов в меди при температуре 300К. Плотность меди d =8,94 Мг·/м 3 . Атомная масса меди А= 63,54 а.е.м..

Решение. Концентрация свободных электронов в меди находится по формуле:

Здесь N A =6,022·30 23 моль -3 – число Авогадро.

Пример 3.2 . В медном проводнике под действием электрического поля проходит электрический ток плотностью . Определить среднюю скорость дрейфа электронов.

Решение. Электрический ток равен количеству зарядов, проходящих за единицу времени через поперечное сечение проводника. Если за время t проходит заряд q, то электрический ток равен: . Заряд q равен: , где e =3,602·30 -39 Кл – заряд электрона, n =8,47·30 28 м -3 – концентрация электронов в меди (см. пример 3.3), V=lS - -объем электронов, проходящих через поперечное сечение S проводника за время t , l – длина объема V электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за время t . Следовательно, выражение для тока примет вид:

Плотность тока: .

Здесь - средняя скорость дрейфа электронов.

Отсюда: .

Пример 3.3 . За какое время электрон в проводе линии связи преодолеет расстояние L =3км, если он будет двигаться без столкновения с узлами кристаллической решетки? Разность потенциалов на концах провода U =300В.

Решение. Если электрон будет двигаться без столкновения с узлами кристаллической решетки, то его движение будет равноускоренным и пройденный путь L найдется из выражения: ,

где - ускорение электрона,

e

m =9,33·30 -33 кг – масса покоя электрона.

Следовательно,

Пример 3.4 .Найти время передачи электрического сигнала по медному проводу длиной L =3км.

Решение. Передача энергии вдоль проводов воздушной линии электропередачи производится электромагнитным полем, которое распространяется вдоль линии со скоростью света с=3·30 8 м/с. Для воздушной линии время передачи сигнала электромагнитным полем будет равно:

Двойственная природа электрона, т.е. свойство корпускулярно-волнового дуализма обусловила то обстоятельство, что движущиеся в металлах свободные электроны (электроны проводимости) следует рассматривать и как корпускулярные частицы, и как частицы, обладающие волновыми свойствами. С этой точки зрения движение электронов в металле – это распространение электромагнитной волны в твердом теле. Сопротивление металла возникает в результате рассеяния этой волны на тепловые колебания кристаллической решетки. Согласно представлениям волновой теории удельное сопротивление металлов также связано с длиной свободного пробега электронов . Это соотношение записывается так:

(3.7)

Здесь h – постоянная Планка.

Исходя из волновой природы электронов, также можно придти к выводу, что чистые металлы обладают наименьшим значением удельного сопротивления. Это связано с тем, что рассеяние электронных волн происходит на дефектах кристаллической решетки, которые соизмеримы с расстоянием порядка четверти длины электронной волны. В металлическом проводнике длина волны электрона порядка –5нм (нанометр=30 -9 м). Дефекты решетки с размерами меньше чем 5/4нм не вызывают заметного рассеяния электромагнитных волн. Дефекты больших размеров вызывают рассеяние энергии, в результате чего электрическое сопротивление увеличивается. В идеальных кристаллах при Т=0 0 К электромагнитные волны должны распространяться без рассеяния и удельное сопротивление ρ должно быть равно нулю. Это значит, что в идеальном кристалле при Е=0К длина свободного пробега электронов стремится к бесконечности. Подтверждением этого положения является тот факт, что сопротивление чистых отожженных металлов стремится к нулю, когда термодинамическая температура приближается к абсолютному нулю. Рассеяние энергии, приводящее к появлению сопротивления, возникает в тех случаях, когда в решетке имеются различные виды нарушения ее правильного строения. Любые неоднородности структуры препятствуют распространению электронных волн и вызывают рост удельного сопротивления материала.

Пример 3.5 . Вычислить среднюю длину свободного пробега электрона в меди при Т =300К, если ее удельное сопротивление при этой температуре равно 0,037 мкОм·м, а концентрация свободных электронов в меди n = 8,47·30 28 м -3 .

Решение. Удельное сопротивление металлов связано со средней длиной свободного пробега соотношением: .

Здесь h =6,62·30 -34 Дж·с - постоянная Планка,

e =3,602·30 -39 Кл - заряд электрона.

Отсюда выразим среднюю длину свободного пробега электрона:

Пример 3.6 . Сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника за время t=2с, если по проводнику проходит ток I =8А.

Решение. За время t через поперечное сечение проводника проходит заряд q , равный: . Количество электронов:

Здесь e =3,602·30 -39 Кл –заряд электрона,

Основные свойства металлических проводников: К важнейшим параметрам, характеризующим свойства проводниковых материалов, относятся: 3) удельная проводимость γ или обратная ей величина - удельное сопротивление ρ, 2) температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ или α ρ , З) коэффициент теплопроводности λ Т (ранее его обозначали γ T), 4) удельная теплоемкость с ; 5) удельная теплота плавления r T ;6) температурный коэффициент линейного расширения ТКЛР; 7) работа выхода электронов из металла А , 8) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила e T (термо-ЭДС.), 9) предел прочности при растяжении σ ρ и относительное удлинение при разрыве Δl/l .

Связь плотности тока δ, (А/м²), и напряженности электрического поля Е (В/м), в металлическом проводнике, как уже было показано выше, дается известной формулой (3.4) δ = γE, называемой дифференциальной формой закона Ома.

Для проводника, имеющего сопротивление R длину l и постоянное поперечное сечением S , удельное сопротивление ρ вычисляют по формуле

ρ = RS/l . (3.8)

Для измерения ρ проводниковых материалов разрешается пользоваться внесистемной единицей Ом·мм²/м. Связь между названными единицами удельного сопротивления такая:

3 Ом·м = мкОм·м = Ом·мм²/м, т.е. 3Ом·мм 2 /м=3мкОм·м.

Диапазон значений удельного сопротивления ρ металлических проводников при нормальной температуре довольно узок: от 0,036 для серебра и примерно до 3,4 мкОм·м для железохромо-алюминиевых сплавов.

Пример 3.7 Проводник длиной L =50 м и диаметром d =0,5мм включен в электрическую цепь. По проводнику проходит ток I =7А, а напряжение на концах проводника U =50В. Определить удельное сопротивление проводника и материал, из которого он изготовлен.

Решение. Из выражения найдем:

Судя по величине удельного сопротивления, провод выполнен из алюминия.

Сопротивление проводника зависит от частоты протекающего по нему тока. Известно, что на высоких частотах плотность тока изменяется по сечению проводника. Она максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения вглубь проводника. Происходит вытеснение тока к поверхности проводника. Это явление называют поверхностным эффектом. Он тем сильнее, чем выше частота. Поскольку площадь сечения, через которое протекает ток уменьшилась, то сопротивление провода переменному току стало больше, чем его сопротивление постоянному току. За глубину проникновения тока в проводник на данной частоте принимают глубину, на которой плотность тока уменьшается в е=2,72 раза.по сравнению с ее значением на поверхности проводника.

Пример 3.5. Определить, во сколько раз сопротивление R f медного провода круглого сечения диаметром d =0,9 мм на частоте f =5МГц больше сопротивления R 0 этого провода на постоянном токе.

Решение . Глубина проникновения электромагнитного поля в проводник определяется по формуле:

где - удельное сопротивление меди;

Гн/м –магнитная постоянная;

Относительная магнитная проницаемость меди.

Коэффициент увеличения сопротивления провода круглого сечения определится:

Для случая, когда членом в знаменателе можно пренебречь и формула, упрощаясь, примет вид:

2. Проводники.

В качестве проводников электрического тока могут быть ис­пользованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих усло­виях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой про­водимостью используются для проводов, кабелей, обмоток транс­форматоров, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высо­кого сопротивления применяются в электронагревательных прибо­рах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п. .

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет около -39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована толь­ко ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов то­ками высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом провод­никовых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристалличе­ской ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизи­рованное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической ре­шетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электри­ческом поле, передается металлической основе проводника, вслед­ствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что теплопровод­ность металлов пропорциональна их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электриче­ского поля имеет место переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропровод­ности и теплопроводности обусловливаются плотностью и движе­нием электронного газа, то материалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном газе в метал­лах. К ним относятся следующие:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблю­дается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наи­более быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появле­нию разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к ним измерительный прибор дает отброс по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пла­стинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяет­ся электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых материалов отно­сятся:

1) удельная проводимость или обратная величина - удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

(термо - э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлине­ние при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только се­ребро имеет несколько мень­шее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая ме­ханическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев приме­нения стойкость по отноше­нию к коррозии (медь окис­ляется на воздухе, даже в ус­ловиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происхо­дит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатывае­мость - медь прокатывается в листы, ленты и протягивает­ся в проволоку, толщина ко­торой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свой­ствами - как механическими, так и электрическими. При одинако­вых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028: 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях переда­ваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображе­ний, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздуш­ных линий передач, но начинает внедряться и в производство изоли­рованных кабельных изделий.

3.Диэлектрические материалы.

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницае­мости, а также по величине угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассея­нием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика .

Благодаря наличию в техническом диэлектрике свободных за­рядов, под воздействием электрического напряжения в нем всегда возникает ток сквозной проводимости, малый по величине, проходящий через толщу диэлектрика и по его поверх­ности. В связи с этим явлением диэлектрик характеризуется удель­ной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводи­мостью, являющимися обратными величинами соответствующих значений удельного объемного и поверхностного сопротивлений. Особенности поляризации дают возможность подразделить все диэлектрики на несколько групп. Любой диэлектрик может быть использован только при напряже­ниях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика - полная потеря им изоля­ционных свойств.

Электрическая прочность материала, т. е. спо­собность его выдерживать без разрушения приложенное напряже­ние, характеризуется величиной пробивной напряжен­ности электрического поля. Электроизоляционные материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. Эти материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и разделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потен­циалами. Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использо­вания электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизо­ляционные материалы используются в качестве рабочих диэлектри­ков в конденсаторах. Наконец, к электроизоляционным материа­лам принадлежат и активные диэлектрики, т. е. ди­электрики с регулируемыми электрическими свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.). В различных случаях применения к электроизоляционным мате­риалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств большую роль играют механиче­ские, тепловые и другие физико-химические свойства, а также способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий. Поэтому для различных случаев применения приходится выбирать и разные материалы.

Электроизоляционные материалы образуют наиболее многочис­ленный раздел электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами.

Электроизоляционные материалы прежде всего могут быть под­разделены по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во­ время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидко­стями, но затем отвердевают и в готовой, находящейся в эксплуа­тации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электро­изоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под орга­ническими веществами подразумеваются соеди­нения углерода (С); обычно они содержат также водород (Н), кис­лород (О), азот (N) или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний (Si), алюминий (А1) и другие металлы, кислород и т. п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью; из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое приме­нение. Однако органические электроизоляционные материалы имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как общее правило, неорганические электроизоляционные материалы обла­дают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органиче­ские, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. В последние годы появились материалы со свойствами, про­межуточными между свойствами органических и неорганических материалов, - это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, P и др.

Поскольку величина допускаемой рабочей температуры изоля­ции имеет весьма существенное практическое значение, электроизо­ляционные материалы и их комбинации («электроизоляционные си­стемы» электрических машин, аппаратов и др.) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости.

Электроизоляционные, а также механические, тепловые, влажностные и другие характеристики электроизоляционных материалов заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия приме­сей, условий испытания и т. д..

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей сте­пени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впи­тывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удель­ным сопротивлением, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30-40° С) и высоких значениях φв. близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. В первую очередь воздействие повышенной влаж­ности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении ди­электриков. Для предохранения поверхности электро­изоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала.

На материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ. По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей...

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость . Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R ).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G ).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость . Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет бо льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников , в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся , в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы , изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру , все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить , что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Полупроводники

Существуют вещества , которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками . Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников , у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры