Электропроводность металла: Электропроводность - Что такое Электропроводность?

Содержание

от чего зависит и как используется в производстве

Из этого материала вы узнаете:

Природа электропроводности металлов
Электрическое сопротивление металлов
Степень электропроводности разных металлов и сплавов
Опасность металлов с высокой электропроводностью
Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Электропроводность металлов и сплавов – физическое свойство, которое учитывается при производстве разных видов изделий. Например, для изготовления электрических кабелей, микросхем используют металлы с высокими показателями электропроводности.

Данный параметр зависит от факторов окружающей среды: температуры, давления, агрегатного состояния, наличия магнитных полей и т. д. Если говорить о чистых металлах и влиянии температуры на их электропроводность, то с ростом она падает. Подробнее о том, что собой представляет электропроводность металлов, вы узнаете из нашего материала.

Природа электропроводности металлов

Электропроводностью называют способность тела, вещества проводить ток. Кроме того, этим термином обозначается физическая величина, которая численно характеризует данную способность. Электропроводность металла определяется числом свободных ионов в проводнике – их движение и является электрическим током. Данный показатель исчисляется в сименсах, а в международной системе единиц для его обозначения используется буква «S».

В зависимости от того, какой электропроводностью обладают металлы и иные вещества, среди них выделяют проводники, диэлектрики и полупроводники. Правда, между данными группами практически не существует четкого разграничения.

Чем обусловлена высокая электропроводность металлов-проводников? Они имеют большое количество свободных ионов. Среди веществ этой группы выделяют два рода, исходя из физической природы протекания тока. К первому относятся металлы с электронной проводимостью, по которым ток проходит благодаря движению свободных электронов.

Ко второму причисляют растворы кислот, щелочей, солей или электролиты, имеющие ионную проводимость. Иными словами, здесь интересующий нас процесс связан с движением положительных и отрицательных ионов. Уровень электропроводности проводников превышает 106(Ом·м)-1.

VT-metall предлагает услуги:

Диэлектрики обладают малым числом свободных ионов, поэтому отличаются низкой электропроводностью, практически не проводят ток. Такими материалами являются дерево, смолы, пластмассы, стекло, пр. Для них данный показатель составляет менее 106(Ом·м)-1.

По своим проводящим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между материалами описанных выше групп. К ним относятся германий, кремний, селен, прочие соединения, получаемые искусственно.

Существует зависимость электропроводности металлов и иных веществ от температуры, но она является индивидуальной для каждого материала. Повышение степени нагрева металлов приводит к сокращению времени свободного пробега электронов. Увеличение температуры влечет за собой возрастание тепловых колебаний кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, что вызывает уменьшение электропроводности.

Полупроводникам свойственна другая зависимость электропроводности металлов от температуры: ее повышение провоцирует рост электропроводности, поскольку увеличивается число электронов проводимости и положительных носителей заряда. У диэлектриков электропроводность тоже может возрастать, однако для этого требуется очень высокое электрическое напряжение.

Металлы способны проводить ток, поскольку воздействие электромагнитного поля вызывает потерю связи между электроном и атомом из-за высокой степени ускорения.

Электрическое сопротивление металлов

Электрическое сопротивление является частью закона Ома и исчисляется в омах (Ом). Нужно понимать, что электрическое и удельное сопротивление являются разными явлениями. Если первое представляет собой свойство объекта, то второе характеризует материал.

Так, электрическое сопротивление резистора зависит от формы и удельного сопротивления материала, использованного для изготовления данного элемента электрической цепи.

Допустим, проволочный резистор состоит из длинной тонкой проволоки и обладает более высоким сопротивлением, чем аналогичный элемент, но выполненный из короткой и толстой проволоки. При этом оба они сделаны из одного металла.

Если сравнить два резистора из проволоки одинаковой длины и диаметра, то большим электрическим сопротивлением будет обладать тот, который состоит из материала с высоким удельным сопротивлением. А его аналогу из материала с низким удельным сопротивлением будет свойственно меньшее электрическое сопротивление.

В этом случае работает тот же принцип, что и в гидравлической системе, прокачивающей воду по трубам:

Чем больше длина трубы и меньше ее толщина, тем с более высоким сопротивлением сталкивается жидкость.
Вода будет испытывать на себе меньшее сопротивление в пустой трубе, чем в заполненной песком.

Под удельным сопротивлением понимают способность материала препятствовать прохождению электрического тока. В физике существует и обратная величина, известная как проводимость. Она выглядит таким образом:

Σ = 1/ρ, где ρ – удельное сопротивление вещества.

Электропроводность металлов и других веществ зависит от свойств носителей зарядов. В металлах присутствуют свободные электроны – на внешней оболочке их число доходит до трех. Во время химических реакций с элементами из правой части таблицы Менделеева атом металла отдает их. С электропроводностью чистых металлов все несколько иначе. В их кристаллической структуре эти наружные электроны общие и переносят заряд под действием электрического поля.

В случае с растворами в качестве носителей заряда выступают ионы.

Степень электропроводности разных металлов и сплавов

Развитием электронной теории электропроводности металлов занимался немецкий физик Пауль Друде. Именно благодаря его исследованиям стало известно о сопротивлении, наблюдаемом при прохождении электрического тока через проводник. В результате удалось разделить вещества на группы, исходя из степени их проводимости.

Данная информация необходима, например, чтобы выбрать наиболее подходящий металл для производства кабеля, обладающего определенным набором свойств. Ошибка в этом случае чревата перегревом под действием тока избыточного напряжения и последующим возгоранием.

Серебро – это металл, обладающий самой высокой электропроводностью. При +20 °C этот показатель равен 63,3×104 см-1. Тем не менее, производство серебряной проводки является нерентабельным, поскольку речь идет о достаточно редком металле. В большинстве случаев он идет на изготовление ювелирных изделий, украшений, монет.

Среди неблагородных цветных металлов самая высокая электропроводность характеризует медь – она составляет 57×104 см-1 при +20 °C. Помимо этого, медь хорошо справляется с постоянными электрическими нагрузками, долговечна, надежна, имеет высокую температуру плавления, поэтому может долго работать в нагретом состоянии. Все названные свойства позволяют активно применять данный металл для бытовых целей и на производстве.

Не реже меди используется алюминий, ведь по электропроводности он уступает только серебру, меди и золоту. Его температура плавления практически в два раза ниже, чем у меди, из-за чего алюминий не может выдерживать предельные нагрузки. По этой причине его применяют в сетях с невысоким напряжением. Узнать электропроводность остальных металлов можно в соответствующей таблице.

По проводимости любой сплав значительно уступает чистому металлу, что объясняется слиянием структурной сетки, вызывающим нарушение нормального функционирования электронов. Так, медные провода изготавливают только из металла с максимальной долей примесей 0,1 % или даже 0,05 %, если речь идет об отдельных разновидностях кабеля.

Приведенные показатели – это удельная электропроводность металлов, которая представляет собой отношение плотности тока к величине электрического поля в проводнике.

Опасность металлов с высокой электропроводностью

Щелочные металлы имеют крайне высокую электропроводность, объясняют этот факт тем, что в них электроны практические не привязаны к ядру и могут быть без труда выстроены в требуемой последовательности. Еще одна особенность этих металлов состоит в низкой температуре плавления в сочетании со значительной химической активностью, что обычно не позволяет использовать их в качестве материалов для кабелей.

Находясь в незащищенном виде, металлы с высокой электропроводностью несут в себе большую опасность. Прикосновение к оголенным проводам вызывает электрический ожог, разряд воздействует на внутренние органы, что нередко становится причиной мгновенной смерти человека.

Поэтому металл закрывают специальными изоляционными материалами, которые могут быть жидкими, твердыми, газообразными – конкретный тип подбирается в соответствии со сферой использования изделия. Вне зависимости от агрегатного состояния защиты она призвана изолировать электрический ток в цепи, чтобы не допустить его воздействия на окружающую среду.

Зависимость электропроводности металлов от факторов внешней среды

Проводимость не является постоянной величиной. В таблицах приведены сведения, характерные для нормальных условий или при температуре +20 °С. В реальной жизни сложно обеспечить идеальные условия для работы цепи. Удельное сопротивление, а значит, и проводимость, определяется такими характеристиками:

температурой;
давлением;
наличием магнитных полей;
светом;
агрегатным состоянием вещества.

Изменения интересующего нас параметра зависят от условий среды и свойств конкретного материала. Электропроводность ферромагнетиков, в число которых входят железо и никель, увеличивается при совпадении направления тока с направлением силовых линий магнитного поля. Зависимость электропроводности от теплопроводности металлов и окружающей температуры практически линейная, даже есть понятие температурного коэффициента сопротивления – данную величину можно уточнить в таблицах.

Правда, направление зависимости определяется конкретным веществом: у металлов оно при увеличении температуры повышается, у редкоземельных элементов и растворов электролитов увеличивается в пределах одного агрегатного состояния.

Полупроводники характеризуются гиперболической и обратной зависимостью электропроводности от температуры: рост степени нагрева приводит к повышению электропроводности металлов. Данная особенность качественно отличает проводники от полупроводников. Зависимость ρ проводников от температуры выглядит следующим образом:

На графике отображено удельное сопротивление меди, платины, железа. Некоторые металлы характеризуются иначе: ртуть при понижении температуры до 4°K становится сверхпроводимой, почти полностью теряя удельное сопротивление.

У полупроводников зависимость будет представлена так:

Когда металл переходит в жидкое агрегатное состояние, его ρ повышается, а дальнейшее изменение свойств может быть разным. Так, висмут в расплавленном виде имеет более низкое удельное сопротивление, чем при комнатной температуре, а у жидкой меди оно повышается в десять раз. Никелю свойственно выходить из линейного графика уже при достижении температуры +400 °C, но далее ρ падает.

Температурная зависимость вольфрама так высока, что приводит к перегоранию ламп накаливания: ток нагревает спираль, из-за чего ее сопротивление многократно возрастает.

Удельное сопротивление сплавов зависит от задействованной при производстве технологии. Данное свойство простой механической смеси определяется как средний показатель ее компонентов. Тогда как для сплава замещения оно окажется иным и обычно отличается в большую сторону.

Рекомендуем статьи

Сплав железа и меди: область применения
Углерод в металле и его влияние на свойства материала
Легированные конструкционные стали: характеристики и применение

Стоит пояснить, что под сплавом замещения понимают такой, в котором несколько элементов формируют одну кристаллическую решетку. Данная особенность прослеживается у нихрома, используемого для изготовления спиралей электроплит. Удельное сопротивление, а значит, и электропроводность этого металла совпадает с показателем проводников, а при подключении к сети он нагревается до красноты.

Выше были представлены только основные теории, касающиеся физических свойств металлов, а именно электропроводности, сопротивления. Например, не была затронута квантовая теория проводимости Зоммерфельда. Этого краткого знакомства вполне достаточно, чтобы понять, что сопротивление является сложным и комплексным понятием, которое невозможно полностью разобрать на основе простейшего закона Ома.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Электропроводность — металл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Cтраница 2

Электропроводность металлов обусловлена наличием в — их кристаллических решетках свободных электронов. Последние при наложении электрического поля даже небольшого напряжения получают направленное движение, которое с повышением температуры ослабевает, так как усиливаются колебательные движения ионов в узлах решетки, что препятствует направленному движению электронов. [16]

Электропроводность металлов с повышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании колебательные движения атомов и ионов металлов усиливаются и это движение мешает направленному движению электронов. [17]

Электропроводность металлов

обусловливается направленным перемещением электронов под влиянием разности потенциалов, приложенной к металлу. В отличие от электропроводности растворов электролитов она не связана с переносом вещества: электропроводность металлов носит название электронной или металлической и является характерным свойством металла. [18]

Электропроводность металлов объясняется присутствием в кристаллах свободных электронов, которые могут перемещаться j том или ином направлении. При нагревании в кристалле усили-шются колебательные движения ионов, что затрудняет передвижение электронов, ведет к понижению электропроводности. Но гри охлаждении металла происходит обратный процесс. [19]

Электропроводность металлов при 20 С лежит в пределах от примерно ЫО4 Ом-1 — см 1 в случае плохих проводников, таких, как барий — ( т1 7 — 104) и гадолиний ( а0 7 — 104), до 0 7 — 106 для наилучшего проводника — серебра. [20]

Электропроводность металлов в значительной степени зависит от температуры: при повышении температуры электропроводность уменьшается, при понижении — увеличивается. [21]

Электропроводность металлов падает с повышением температуры. [22]

Электропроводность металлов имеет электронный ха-ракте Г:::: гпгтлгге ан е в вдгтйЖ определяется направленным движением электронов. Нагревание металлического протддни ка при — протекании через него электрического тока может быть объяснимо передачей части энергии направленно двигающихся электронод узлам кристаллической решетки при столкновении с ними. [23]

Электропроводность металлов при повышении их температуры -, падает, а при понижении температуры — увеличивается. [24]

Электро — и теплопроводность металлов. [25]

Электропроводность металлов, как показывает табл. 8.7, — наиболее отличительная особенность, которая объясняется природой химических связей в металлах. [26]

Схематическое изображение структуры кристаллической. [27]

Электропроводность металлов обусловлена тем, что атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, обмениваются-друг с другом валентными электронами. Эти свободные электроны непрерывно и беспорядочно перемещаются в кристаллической решетке, вследствие чего тот или иной атом решетки остается без одного или нескольких электронов. [28]

Электропроводность металлов мало изменяется в зависимости от температуры, поскольку увеличение заселенности их зоны проводимости компенсируется возрастающими при повышении температуры колебаниями кристаллической решетки, которые мешают продвижению электронов. В отличие от этого электропроводность полупроводников зависит от появления в их зоне проводимости даже небольшого числа электронов. Такая электропроводность быстро увеличивается при повышении температуры в результате возрастания заселенности зоны проводимости и одновременного образования вакансий, или дырок, в валентной зоне. В дефектных кристаллах ( см. разд. [29]

Удельное электрическое сопротивление некоторых металлов. [30]

Страницы: 1 2 3 4

Что такое проводимость? Электропроводность металлов, воды и других материалов.

2022-03-21

Электропроводность — это мера способности материала проводить электрический ток. Электропроводность также известна как удельная проводимость. Электропроводность – это внутреннее свойство материала.

Электропроводность и ее единицы

Электропроводность обозначается символом σ и имеет единицы СИ сименс на метр. Блок назван в честь Вернера Сименса, известного конструктора и изобретателя в области электротехники.

Формула проводимости: :

где:

σ – удельная проводимость

ρ – удельное сопротивление

В случае водных растворов проводимость часто указывается как удельная проводимость, которая является мерой по сравнению с чистой водой при 25°C. Электропроводность питьевой воды будет иметь другое значение.

Связь между электропроводностью и удельным сопротивлением

Электропроводность является обратной величиной удельного сопротивления. Единицей удельного электрического сопротивления в системе СИ является ом-метр (Ом⋅м). 1 Ом·м определяется как единица удельного сопротивления проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м². Удельное сопротивление – это величина, характеризующая данный материал. Однако на его размер влияет температура. Удельное сопротивление обычно обозначается греческой буквой ρ (ро). Следует подчеркнуть, что удельное сопротивление и сопротивление — это два разных понятия, хотя и тесно связанных между собой. Поэтому не путайте термины удельное сопротивление (удельное сопротивление) и сопротивление (электрическое сопротивление).

Связь между сопротивлением и удельным сопротивлением определяется по следующей формуле:

где:

ϱ – удельное сопротивление (удельное сопротивление) [1Ом⋅м]
R – сопротивление (электрическое сопротивление) [Ом]
S – площадь поперечного сечения материала [м²] l – длина рассматриваемого материала [м]

Эта формула применяется к материалам, удовлетворяющим закону Ома.

Твердые тела можно разделить на три группы:

металлы, которые являются очень хорошими проводниками (удельное сопротивление 10 ⁻⁸ Ом·м),
полупроводники (10 ⁻⁶ Ом·м)* и изоляторы (10 ¹⁰ – 10 ¹⁶ Ом·м).

Электропроводность металлического проводника постепенно увеличивается по мере снижения температуры. Ниже критической температуры сопротивление в сверхпроводниках падает до нуля. Таким образом, электрический ток через петлю из сверхпроводящего провода может сохраняться бесконечно долго без источника питания. В электролитах движутся целые ионы, неся свой суммарный электрический заряд. В растворах электролитов концентрация ионов является ключевым фактором проводимости материала.

Электропроводность металлов и других материалов

Металлы и плазма являются примерами материалов с высокой электропроводностью. Элемент, который является лучшим проводником электричества, — это серебро. Электрические изоляторы, такие как стекло и чистая вода, имеют плохую электропроводность. Большинство неметаллов являются плохими проводниками тепла и электричества. Электропроводность полупроводников занимает промежуточное положение между диэлектриками и проводниками.

Примеры превосходных проводников: серебро, медь, золото, алюминий, цинк, никель и латунь.

Примеры плохих электрических проводников включают, например, резину, стекло, пластмассу, сухую древесину, алмаз или воздух. В проводниках это движение свободных электронов, в полупроводниках — электронов и дырок, в электролитах — ионов, а в ионизированных газах — ионов и электронов. Электропроводность в металлах является результатом движения электрически заряженных частиц. Атомы металлических элементов характеризуются наличием валентных электронов, представляющих собой электроны внешней оболочки атома, которые могут свободно перемещаться. Именно эти «свободные электроны» позволяют металлам проводить электрический ток.

Факторы, влияющие на электрическую проводимость

Температура: Изменение температуры серебра или другого проводника влияет на его проводимость. Как правило, повышение температуры вызывает тепловое возбуждение атомов и снижает проводимость при одновременном увеличении удельного сопротивления. Зависимость линейна, но нарушается при низких температурах.

Примеси: Примеси снижают проводимость. Окисленное серебро не является таким хорошим проводником, как чистое серебро. Примеси препятствуют потоку электронов. Структура и кристаллические фазы: если в материале присутствуют разные фазы, проводимость на границе раздела фаз будет немного медленнее и может отличаться от одной структуры к другой. Способ обработки материала может повлиять на то, насколько хорошо он проводит электричество.

Электромагнитные поля: Проводники генерируют свои электромагнитные поля, когда через них проходит электричество с магнитным полем, перпендикулярным электрическому полю. Генерация внешних электромагнитных полей может замедлить ток.

Частота: Частота сигнала переменного тока — это количество циклов в одну секунду (измеряется в Герцах). Выше определенного уровня высокая частота может привести к тому, что ток будет течь вокруг проводника, а не через него (скин-эффект). Поскольку нет колебаний и, следовательно, нет частоты, скин-эффект не возникает при постоянном токе.

Проводимость других веществ

Ученые изучают проводимость очень разных веществ для самых разных целей. В 2007 году группа исследователей из Университета штата Огайо изучила электрическую проводимость шести различных свежих фруктов (красное яблоко, золотое яблоко, персик, груша, ананас и клубника) и нескольких различных нарезок трех видов мяса (курица, свинина, и говядина) при температуре от 25 до 140°C. Во всех случаях электропроводность увеличивалась линейно с температурой. В целом, фрукты были менее электропроводны, чем образцы мяса. Среди фруктов персик и клубника обладали большей проводимостью, чем яблоки, груши и ананасы. Измерения электропроводности мясных отрубов показали, что постное мясо обладает гораздо большей электропроводностью, чем жир. Это интересно, потому что один из самых известных экспериментов с электроникой для детей включает в себя изготовление батареек из фруктов; и, как вы можете видеть, тип используемых фруктов также может играть роль в этом эксперименте. Электропроводность также используется как параметр при изучении других явлений, например, электропроводность океана является фундаментальным параметром в электродинамике Земной системы.

Вас интересует электроника? Посетите Tech Master Event

Если вы делаете первые шаги в мире электроники и создаете свои первые руки, Tech Master Event — это услуга, которую вы ищете. Вы можете размещать на платформе собственные проекты и искать вдохновение в работах других.

Tech Master Event — это также место, где вы найдете множество соревнований для молодых инженеров-электронщиков со всего мира.

[Посетить мероприятие Tech Master](https://techmasterevent. com «» target=»_blank» «» target=»_blank»){.cs-btn-primary}

Поделитесь этой статьей

Что такое электропроводность металлов?

Проводимость металла — это мера способности материала передавать тепло или электричество (или звук). Обратной величиной проводимости является сопротивление или способность уменьшать поток тех.

Понимание склонности материала к проводимости может быть решающим фактором при выборе этого материала для данного применения. Очевидно, что некоторые материалы выбраны потому, что они легко проводят электричество (например, провод) или тепло (например, ребра или трубки в радиаторе или теплообменнике). Для других применений (таких как изоляция) материалы выбираются потому, что они не очень хорошо проводят ток.

Чистые металлы обеспечивают наилучшую проводимость. В большинстве металлов наличие примесей ограничивает поток электронов. Таким образом, по сравнению с чистыми металлами элементы, добавляемые в качестве легирующих добавок, можно считать «примесями». Таким образом, сплавы имеют меньшую электропроводность, чем чистый металл. Если требуются другие свойства, обеспечиваемые легированием (например, дополнительная твердость или прочность), важно выбрать добавки в сплав, которые не оказывают существенного влияния на проводимость, если это также важно.

Металлы проводят электричество, позволяя свободным электронам перемещаться между атомами. Эти электроны не связаны ни с одним атомом или ковалентной связью. Поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, движение одного свободного электрона в решетке вытесняет электроны в следующем атоме, и процесс повторяется — движение в направлении тока, к положительно заряженному концу.

Теплопроводность похожа на электрическую в том смысле, что возбуждение атомов в одной секции приводит к возбуждению и вибрации соседних атомов. Это движение или кинетическая энергия — мало чем отличающаяся от трения рук друг о друга, чтобы согреться — позволяет теплу проходить через металл. Сплавы, представляющие собой комбинацию различных металлических элементов, имеют более низкий уровень теплопроводности, чем чистые металлы. Атомы разного размера или атомного веса будут вибрировать с разной скоростью, что меняет характер теплопроводности. Чем меньше передача энергии между атомами, тем меньше проводимость.

Чистое серебро и медь обеспечивают самую высокую теплопроводность, а алюминий – меньшую. Нержавеющие стали обладают низкой теплопроводностью. Некоторые материалы, в том числе медь, легко проводят как тепло, так и электричество. В то время как другие, такие как стекло, проводят тепло, но не электричество.

Как мы уже отмечали ранее, выбор металла для любого применения, вероятно, сопряжен с компромиссами. Например, рассмотрим выбор металла для посуды. В то время как алюминий является приличным проводником тепла, медь лучше проводит тепло и обеспечит более быстрое и равномерное приготовление пищи — если вы ищете эту быструю еду. Но медь намного дороже. Вот почему вся кухонная посуда, кроме самой дорогой, сделана из алюминия или алюминия с покрытием или оболочкой (алюминий реагирует на соленые и кислые продукты), а не из более дорогой меди.

Электропроводность металла: Электропроводность — Что такое Электропроводность?