Какой проводимостью обладают металлы: Какой проводимостью обладают металы???

Содержание

Электрическое сопротивление и проводимость металлов

К важнейшим характеристикам металлов относится их электрическая проводимость. Способность металлопроката проводить ток обуславливается электронным строением атомов элементов и температурными условиями эксплуатации. В зависимости от показателей проводимости тока различается и сфера применения конкретного вида металла.

Характеристики электрического сопротивления и проводимости металлов

Свойство материала противостоять прохождению сквозь него тока выражается в величине электрического сопротивления. Зависит оно от показателя удельного сопротивления металла. Параметр возрастает по мере увеличения температуры, что обуславливает интенсивное колебание атомов внутри кристаллической решетки и затрудняет тем самым движение заряда тока.

Обратной сопротивлению выступает величина удельной проводимости, характеризующая способность атомов пропускать заряженные частицы тока. Проводимость тока металлов обуславливается наличием в их атомах валентных электронов – свободных и подвижных частиц, расположенных на внешнем слое оболочки. Чем больше свободных электронов у металла, тем лучше его проводимость.

По характеристикам электропроводности металлы разделены на группы:

проводники – обладают высоким числом хаотично движущихся свободных электронов;
полупроводники – отличаются наличием пустых пространств в местах валентных электронов;

диэлектрики – характеризуются низким количеством свободных частиц и минимальной электропроводностью.

В применении металлопроката учитывается зависимость проводимости металлов от температуры. При нагревании проводника колебания атомов возрастают, что снижает электропроводность вещества. В полупроводниках и диэлектриках рост температуры приводит к увеличению числа заряженных частиц и пустых пространств, что отражается на повышении показателя проводимости. Изменение свойств металлов в зависимости от температуры отражает температурный коэффициент электросопротивления.

Таблица удельных сопротивлений и проводимости металлов и сплавов

Разновидность металла	Показатель удельного сопротивления, (Ом*мм²/2), t=20 С	Показатель удельной электропроводности, (См*м), t=20 С	Температурный коэффициент сопротивления α, (1/°С)*10^-3
Железо	0,098	9,93*10⁶	6
Сталь	0,103-0,137	1,36*10⁶	1-4
Медь	0,016	58*10⁶	4,3
Алюминий	0,028	37,7*10⁶	4,2
Никель	0,087	1,43*10⁷	6,5
Олово	0,121	9,11*10⁶	4,4
Цинк	0,059	1,69*10⁷	4,2
Молибден	0,054	18,7*10⁶	4,5
Титан	0,417	2,38*10⁶	3,5
Литий	0,928	1,08*10⁷	4,5
Свинец	0,192	4,55*10⁶	3,8
Вольфрам	0,053	19*10⁶	5
Золото	0,023	45,2*10⁶	4
Серебро	0,016	62*10⁶	4,1
Платина	0,107	9,43*10⁶	3,9
Висмут	1,2	0,77*10⁶	4,5
Иридий	0,047	21,2*10⁶	4,1
Латунь	0,029	15,5*10⁶	0,2
Ртуть	0,940	1,03*10⁶	1,0
Натрий	0,047	20,9*10⁶	5,4
Магний	0,045	22,8*10⁶	3,9
Чугун	0,5-1,0	1,5-4,0*10⁷	0,001
Хромель (сплав хром и никеля)	1,01	3,2*10⁸	0,0001
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)	1,1	9,9*10⁶	0,00016
Манганин (сплав меди марганца и никеля)	0,5	2,06*10⁶	0,00005
Константин (сплав никеля, меди, марганца)	0,49	2,04*10⁶	0,000005
Фехраль	1,2-1,3	0,83*10⁶	0,0008

Свойства проводников обладают первостепенным значением в электронной технике. Металлы широко применяются в изготовлении деталей приборов, служат покрытиями для диэлектриков и присадками в припоях. Элементы с высокой электропроводностью используются в производстве контактного оборудования – рубильников, реле, электрических выключателей. Отдельные виды металлов выступают компонентами красок и клеевых составов, обеспечивая их проводимость тока.

Проводниковые металлы и сплавы

Проводниковые металлы и сплавы должны обладать высокой электропроводностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемостью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии.

После серебра наиболее высокой электропроводностью обладают медь и алюминий. Они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди. Но плотность алюминия мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводимости 1 кг меди. Следовательно, алюминий экономически более выгоден для использования в качестве проводникового материала.

Применяемые в настоящее время проводниковые материалы можно разделить на следующие группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий, проводниковые сплавы, проводниковое железо, сверхпроводники.

Проводниковая медь

. При наличии в меди даже небольшого количества примесей ее электропроводность быстро уменьшается (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Влияние примесей на электропроводность меди

Для изготовления электрических проводов применяют электролитическую (катодную) медь, с суммарным содержанием примесей не более 0,05%. Катоды переплавляются в слитки, при этом содержание примесей в меди повышается. Проводниковая медь марки Ml должна содержать не более 0,1% примесей, в том числе не более, %: 0,001 Bi; 0,002 Sb; 0,002 As; 0,005 Fe; 0,002 Ni; 0,005 Pb; 0,002 Sn; 0,005 S; 0,05 O; 0,003 Ag. Фосфор для раскисления меди марки М1 не применяется.

Проводниковая медь имеет в отожженном состоянии имеет предел прочности 270 МПа. Предел прочности меди может быть повышен до 480 МПа путем холодной деформации, но при этом ее удельное сопротивление увеличивается (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Зависимость механических свойств и удельного электрического сопротивления меди марки М1 от степени деформации

Проводниковый алюминий. Недостатком алюминия является его срав-нительно низкая прочность. Отожженный алюминий почти в три раза менее прочен на разрыв, чем медь. Поэтому при изготовлении проводов его упрочняют путем холодной деформации. В этом случае предел прочности составляет 250 МПа, что является недостаточным для сопротивления сильному натяжению, которое испытывают провода в линиях электропередач. Поэтому для линий электропередач применяют провода со стальной сердцевиной.

Для кабельных и токопроводящих изделий применяют алюминий марок А00, А0, Al, A2. Проводниковый алюминий обычно содержит десятые доли процента примесей, из которых основными являются железо и кремний (таблица 3.1).

Термическая обработка проводникового алюминия для снижения его сопротивления обычно не применяется, так как холодная обработка алюминия мало снижает его электропроводность. Так при обжатии до 95 – 98% электропроводность уменьшается не более чем на 1,2% электропроводности стандартной меди.

Проводниковые сплавы. В тех случаях, когда требуется повышенная прочность или специальные свойства (например, повышенное сопротивление истиранию), применяют сплавы на алюминиевой и медной основе. Композицию сплавов подбирают таким образом, чтобы легирующий металл не растворялся в основном металле, а упрочнение сплавов достигалось за счет интерметаллических фаз.

Проводниковое железо. Удельное электрическое сопротивление железа в 7 – 8 раз выше, чем у меди. Тем не менее, железо применяют в промышленности, т.к. оно является недефицитным материалом и имеет повышенную механическую прочность. При использовании железа в качестве проводникового материала оно должно быть достаточно чистым. Обычно для этих целей применяют армко-железо.

Железо используют при изготовлении биметаллических проводов, в этом случае сердцевину провода изготовляют из железа, а поверхностный слой из материала, имеющего более высокую электрическую проводимость (медь, алюминий).

← Раздел 2.5
Раздел 3.2.1 →

Что такое проводимость 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 внутри решетки 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. Медь с покрытием из нержавеющей стали – еще один выбор.

Как и в большинстве других случаев, местный металлург может помочь принять экономичное решение по выбору сплава – по проводимости или практически по любым другим требуемым характеристикам.

Свойства металлов: проводимость

В предыдущих частях нашей серии статей о свойствах металлов мы обсуждали характеристики, которые отличают металлы друг от друга, а также те, которые отличают их от других неметаллических элементов. Электропроводность представляет собой набор основных характеристик, которые лежат в основе того, что определяет металл. В этой статье мы спросим: какие факторы влияют на проводимость металлов? Какие металлы являются наиболее тепло- и электропроводными, и почему проводимость важна для производителей?

Все материалы обладают некоторой степенью проводимости. Одной из основных характеристик металлов является их способность проводить тепло и электричество, поэтому все металлы обладают относительной проводимостью по сравнению с неметаллами. Однако даже в металлах вы найдете широкий диапазон уровней проводимости. Хорошее знание того, где в спектре находятся различные металлы, помогает производителям выбирать правильный сплав для каждого продукта.

Что такое определение проводимости?

Физика определяет пять различных типов проводимости: ионную, гидравлическую, акустическую, тепловую и электрическую. Большинство производителей в первую очередь заботятся о последних двух: электропроводности и теплопроводности.

Электропроводность — это мера того, насколько эффективно материал переносит единицу электрического потенциала (также известную как заряд). Вы можете думать об этом как о том, насколько легко материал позволяет электрическому заряду проходить через него, не замедляя его. Пока этот заряд проходит через материал, мы можем наблюдать различные аспекты этого электрического действия и измерять их независимо. Это позволяет нам получить более полное представление о проводимости заготовки.

Разница потенциальной энергии между двумя конкретными точками измеряется в вольтах (В)
Фактическое количество энергии, переносимой за заданный интервал времени, измеряется в кулонах (Кл)
И насколько эффективно конкретный кусок материала (с массой, длиной и шириной) проводит электрический ток, измеряется в сименсах (S)

Теплопроводность , с другой стороны, является мерой скорости, с которой тепло передается через материал. Теплопроводность регулируется правилами второго закона термодинамики, а именно, что тепло будет течь от горячей точки к холодной до тех пор, пока разница температур между ними не сравняется. Теплопроводность измеряется в Вт (Вт).

Между теплопроводностью и электропроводностью много общего, потому что атомарные строительные блоки, которые делают металлы такими особенными, являются теми же блоками, которые закладывают основу для их потрясающей проводимости.

Электропроводность и удельное сопротивление

Удельное сопротивление является обратной величиной проводимости, то есть это две стороны одной медали. Если ваш материал не проводит, значит, он сопротивляется. Если не сопротивляется, то проводит. Независимо от того, измеряете ли вы удельное сопротивление или проводимость, это вопрос приложения. Если вы строите изоляторы, вы измеряете удельное сопротивление. Если вы прессуете медную проволоку, вам нужно знать ее проводимость.

Понимание электропроводности на молекулярном уровне

Даже если вы давно не посещали уроки химии, вы, вероятно, помните два наиболее распространенных типа химических связей: ионную и ковалентную. На самом деле существует более двух типов химических связей, и металлы имеют свой собственный способ сборки атомов. Определяющим свойством металлов является то, что некоторые из их электронов очень слабо связаны с ядром. Они известны как валентных электрона и занимают самую внешнюю орбиту атома.

Справа: схема молекулы алюминия с валентными электронами, выделенными красным цветом.

Когда атомы металла начинают сближаться, эти валентные электроны настолько слабо связаны со своим «домашним» атомом, что начинают свободно плавать и перемещаться по всему металлу. Они становятся так называемыми «делокализованными» электронами. И их так много, так много, что становится невозможно узнать, какие электроны принадлежат каким атомам. Результат примерно такой, как на рисунке ниже — обратите внимание, как электроны отделяются от своего родного ядра, плавая в том, что ученые называют «электронным морем»:

Что позволяет валентным электронам в металлах так легко отрываться? Когда валентные электроны возбуждаются, они могут перепрыгнуть с орбиты своего атома в зону свободного полета общей структуры металла. На научном жаргоне мы говорим, что валентный электрон «превращается» в электрон проводимости. Это происходит очень легко в металлических элементах просто потому, что энергия, необходимая для продвижения атома, очень мала по сравнению с неметаллическими элементами. Термин для этого типа энергии называется энергией ионизации.

Теперь, когда электроны оторвались от своего родного атома, комбинация отрицательно заряженных делокализованных электронов и теперь положительно заряженных ядер создает электростатическую силу . И именно эта сила удерживает атомы вместе. Фактически, электростатическая сила делает возможным металлическое соединение.

Итак, что происходит, когда мы посылаем заряд через металл? Делокализованные электроны становятся кинетическими и несут заряд с поразительной скоростью. А поскольку они могут путешествовать куда угодно, а их число исчисляется миллиардами или даже триллионами, недостатка в доступных электронах для передачи электрического сообщения нет.

Понимание теплопроводности на молекулярном уровне

Теплопроводность и электропроводность тесно связаны, но действуют по-разному. Чтобы помочь вам визуализировать эту разницу, представьте, что вы стоите, держа руку на одном конце 20-футового медного провода диаметром около дюйма. Ваш друг на другом конце посылает через него электрический ток (будем надеяться, что он небольшой). Поток достигает вас почти мгновенно. Во втором раунде этого эксперимента ваш друг нагревает проволоку. Даже если тепло значительное, у вас, вероятно, есть несколько секунд, прежде чем ваша сторона металла нагреется выше допустимого уровня. Несмотря на разницу в скорости, за обоими типами проводимости стоят делокализованные электроны.

Помните, что при электропроводности атомы движутся вверх и вниз по металлу с поразительной скоростью. Однако когда металл нагревается, валентные электроны не двигаются; они трясутся и вибрируют. И как только они начинают вибрировать с достаточной интенсивностью, они начинают сталкиваться с другими электронами вокруг себя, передавая часть своей тепловой энергии своим соседям. Это приводит к более медленной передаче энергии по сравнению с электрической проводимостью.

Вам может быть интересно: теплопроводность и электропроводность в металлах дополняют друг друга или могут противоречить друг другу? Может ли металл иметь высокую электропроводность и низкую теплопроводность? Вы задаете правильные вопросы, но не всегда есть простые ответы. Среди металлов теплопроводность и электропроводность очень сильно коррелированы (см. таблицу ниже). Но в любом данном металле, если вы увеличите температуру и молекулы начнут достаточно вибрировать, их шаткое поведение ухудшит электропроводность. Почему? Потому что все вибрации создают множество случайных столкновений частиц, что ослабляет поступательный поток (ток) электронов.

Какие металлы обладают наибольшей электропроводностью? Каковы их приложения?

Металлы являются прекрасными проводниками из-за их атомной структуры, как мы только что исследовали. Металлы также широко доступны, что делает их экономичным сырьем для производства коммерчески полезных проводников. Когда дело доходит до коммерческого и промышленного применения, ключевой момент заключается в том, чтобы найти правильный материал по правильной цене, не ставя под угрозу производительность.

Хорошим примером применения теплопроводности является радиатор. Радиаторы — это маленькие вентиляторы внутри вашего компьютера, которые отводят тепло от электрических компонентов для их охлаждения, и они часто изготавливаются из алюминия. Несмотря на то, что теплопроводность алюминия намного ниже, чем у меди, его теплопроводность достаточна для этого применения, а рафинированный алюминий значительно дешевле, чем рафинированная медь.

Медь обладает электропроводностью. Морское дно проложено медными проводами для передачи данных с одного континента на другой. В вашем доме есть медная проводка, без которой у вас не было бы электричества. Но алюминий также широко используется для электрификации. Одним из примеров являются линии электропередач дальнего следования: поскольку алюминий легче, он предотвращает разрушение установок под собственным весом, как это было бы с медью.

Откуда мы знаем, какие металлы обладают наибольшей проводимостью? Это возвращает нас к концепции энергии ионизации, которую мы обсуждали выше: металлы, возглавляющие таблицы электропроводности, требуют наименьшего количества энергии ионизации. В иерархии большинства проводящих металлов серебро возглавляет заряд (каламбур). Но поскольку серебро экспоненциально дороже, чем медь и алюминий, оно используется только в очень специфических случаях, когда требуется экстремальная проводимость.

Наконец, вы можете спросить: является ли проводимость свойством только металлов? Нет, проводимость не ограничивается металлами или даже твердыми телами. Мы также можем измерять проводимость (или удельное сопротивление) жидкостей, газов и плазмы. Фактически, самые лучшие электрические проводники называются сверхпроводниками, и они обычно состоят из различных неметаллических элементов. И самым большим теплопроводником является алмаз. Интересно, однако, что алмазы имеют почти нулевую электропроводность! (рассказ на другой день). 98 Ом/м)

Теплопроводность

(Вт/м/К) Серебро 62,1 1,6 420 Медь 58,7 1,7 386 Золото 44,2 2,3 317 Алюминий 36,9 2,7 237 Молибден 18,7 5,34 138 Цинк 16,6 6,0 116 Латунь 15,9 6,3 150 Никель 14,3 7,0 91 Сталь 10,1 9,9 80 Бронза 67Cu33Sn 7,4 13,5 85 Углеродистая сталь 5,9 16,9 54 Нержавеющая сталь 316L EN1.

4404 1,32 76,0 15

Как электропроводность помогает производителям выбрать правильный сплав

Знание физических законов электропроводности помогает специалистам-производителям выбирать правильный материал для конечной продукции. Некоторые вопросы, которые следует иметь в виду:

Сколько электроэнергии будет проходить через деталь?
Является ли терморегуляция важным компонентом детали?
Требуется ли быстрое охлаждение или нагрев детали?
Будет ли деталь сварена?

Например, деталь можно использовать во влажной среде, где желательными свойствами являются коррозионная стойкость и низкая теплопроводность. Вам может потребоваться сильная проводимость, потому что ваша часть задействована в электрических установках. Если вы работаете в среде, где тепловая энергия часто колеблется, вам может понадобиться металл с высоким термическим сопротивлением. Детали, используемые для передачи тепла, такие как индукционные печи, имеют одни компоненты с высокой теплопроводностью, а другие — с низкой теплопроводностью.

Какой проводимостью обладают металлы: Какой проводимостью обладают металы??? — Спрашивалка