Природа проводимости и основные характеристики проводниковых материалов

Из проводниковых материалов - твердых тел, жидкостей и газов в электротехнике наиболее часто применяют металлы и сплавы. Согласно классической теории (Друде, Лоренц) металлы можно рассматривать как кристаллический остов, состоящий из положительных ионов, погруженный в среду из свободных коллективизированных электронов, называемую “электронным газом” или “электронной жидкостью”. Наличие свободных делокализованных электронов обусловливает высокую пластичность, характерный блеск металлов, высокую электро- и теплопроводность.

Если к проводнику приложить внешнее напряжение, то свободные электроны, совершающие тепловые колебания со средней скоростью порядка 10 м/с, приобретут некоторую добавочную скорость направленного движения (несколько мм в секунду), что вызывает протекание электрического тока. Плотность тока j связана с напряженностью электрического поля Е формулой

j = γE (1.1)

которая известна, как дифференциальная форма закона Ома. Здесь γ — удельная проводимость в сименсах на метр. Удельное сопротивление ρ=1/γ измеряется в Ом·м или во внесистемных единицах Oм·мм²/м. Предпочтительными являются единицы СИ—мкОм·м. Связь между единицами удельного сопротивления 1 Ом·м=10⁶ мкм·м=10⁶ Oм·мм²/м. Согласно классической теории металлов

γ=e²·n·1/(2·m·v_т), (1.2),

где е—заряд электрона, п— концентрация свободных электронов, 1 —

средняя длина свободного пробега между двумя соударениями с узлами решетки, т—масса электрона, v_т— средняя скорость теплового движения свободного электрона.

Квантово - механическое описание учитывает, что электрон обладает

свойствами, как частицы, так и волны, поэтому в идеальной периодической решетке электронные волны не рассеиваются. В реальных кристаллах строгая периодичность нарушается примесями, дефектами решетки и тепловыми колебаниями ионов.

Уточненное выражение для удельной проводимости выглядит так

g=у²·n²/3·1/h·(8p/3)^1/3, (1.3)

где h -постоянная Планка.

Основные характеристики проводниковых материалов:

1) удельная электрическая проводимость или удельное электросопротивление (ρ=1/g)

2) температурный коэффициент удельного сопротивления — Т_кр;

3) коэффициент теплопроводности l_т;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила;

5) предел прочности при растяжении d_пр и относительное удлинение при разрыве Δ1/1.