Металлы проводящие электрический ток – Лучшие проводники электрического тока: характеристики веществ, пропускающих электричество

Содержание

Лучшие проводники электрического тока: характеристики веществ, пропускающих электричество

При использовании электроприборов человек постоянно сталкивается с веществами, которые являются проводниками, полупроводниками и диэлектриками, не проводящими ток. Эти материалы отличаются степенью электропроводности. Для того чтобы работать с бытовой техникой, необходимо знать все их особенности и характеристику. Выбрать лучший проводник электрического тока можно из металлов.

Особенности понятия

Проводниками тока называют те вещества, в которых количество свободных электрических зарядов превышает число связанных. Они могут начинать двигаться под влиянием внешней силы. Состояние материалов может быть газообразным, твёрдым и жидким. Электричество может протекать по металлической проволоке, если её подключить между двумя проводниками с разными потенциалами.

Ток переносят электроны, не связанные между собой атомами. Именно они способны охарактеризовать способность предмета пропускать через себя электрические заряды, или величину проводимости тока. Её значение обратно пропорционально сопротивлению, она измеряется в сименсах: См = 1/Ом.

Основные носители электричества в природе — это ионы, дырки и электроны. Поэтому способность к проводимости делят на три вида:

  • ионную;
  • электронную;
  • дырочную.

Приложенное напряжение даёт возможность оценить качество проводника. Эту способность вещества называют ещё вольт-амперной характеристикой.

Первый и второй род

После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными — металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

  • первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
  • второй вид — на основе ионов.

К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы — электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов. Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока — это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток — ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях. В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама. Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

Процессы в электропроводниках

Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы. Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция. Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником. На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше — температуре, превышающей отметку кипения азота.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

220v.guru

Удельное сопротивление: характеристики, особенности, материалы

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

Характеристики электротехнических материалов

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

Рассматриваемое понятие сохраняет актуальность не только для твёрдых сред. К примеру, ток проводят жидкости-электролиты и ионизированные газы. Следовательно, в каждом случае допустимо ввести понятие удельного сопротивления, ведь через среду проходит электрический заряд. Найти в справочниках значения, к примеру, для сварочной дуги сложно по простой причине — подобными задачами не занимаются в достаточной степени. Это не востребовано. С момента обнаружением Дэви накала платиновой пластины электрическим током до внедрения в обиход лампочек накала прошло столетие – по схожей причине не сразу осознали важность, значимость открытия.

Свойство материала

В зависимости от значения величины удельного сопротивления материалы делятся:

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

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

Как образуется в материале проводимость

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

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

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

Расчёт уд. сопротивления

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

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

Энергия Ферми

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

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

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

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

Материалы с низким удельным сопротивлением

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

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

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

Формула для расчётов

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

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

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

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

Объёмное представление свойства

Материалы с высоким удельным сопротивлением

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

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

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

Вещества, не проводящие электрический ток

Диэлектрики характеризуются впечатляющим удельным сопротивлением. Это не ключевая черта. К диэлектрикам относят материалы, способные перераспределять заряд под действием электрического поля. В результате происходит накопление, что используется в конденсаторах. Степень перераспределения заряда характеризуется диэлектрической проницаемостью. Параметр показывает, во сколько раз возрастает ёмкость конденсатора, где вместо воздуха использован конкретный материал. Отдельные диэлектрики способны проводить и излучать колебания под действием переменного тока. Известно сегнетоэлектричество, обусловленное сменой температур.

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

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

vashtehnik.ru

почему металлы проводят электрический ток



В разделе Естественные науки на вопрос Почему металлы хорошо проводят ток и теплоту? заданный автором Docker Live лучший ответ это Потому что у них такая вот кристаллическая решетка.
Электронны на внешних слоях не так сильно притягиваются к ядру и отлекают от одного ядра к другому

Ответ от 22 ответа[гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Почему металлы хорошо проводят ток и теплоту?

Ответ от электросварщик[гуру]
Электрический ток - это направленный поток электронов, а в металлах этих СВОБОДНЫХ электронов больше.
Осталось выяснить, почему в металлах их больше. Взгляните в таблицу Менделеева, номер группы - это количество электронов в атоме на ВНЕШНЕЙ оболочке. Как известно из школьного курса химии, атомы стремятся к тому, чтобы электронов на внешней орбите было 8. У металлов их там меньше половины и им проще "отдать" эти самые электроны, ежели забрать недостающие у соседей. Таким образом, металлы являются расточителями электронов - эти электроны и придают им хорошую электропроводность.

Ответ от Влад зозуля[новичек]
метал - проводник.
имеет достаточное количество свободный ел. зарядов.

Ответ от Косоглазие[новичек]
в википедии посмотри

Ответ от шеврон[гуру]
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.

Ответ от Наталья Мельникова[новичек]
Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов.
В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

Ответ от Diам[гуру]
Такова их внутренняя структура. Жесткая крист. решетка и электронный газ.


Ответ от 2 ответа[гуру]

Привет! Вот еще темы с нужными ответами:

 

Ответить на вопрос:

22oa.ru

Электрический ток в неметаллах

Министерство общего и профессионального образования

РФ Каменск – Уральский

Филиал Уральского Государственного технического Университета

Кафедра физики

Реферат на тему: «Электрический ток в неметаллах»

Каменск – Уральский

2002

Содержание

Электролиты. Электролиз.

Законы электролиза

Электролиты - вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Электролиты - класс проводников, в которых электрический ток всегда сопровождается их химическими изменениями. К электролитам относят, например, растворы солей, кислот и щелочей. Электролитами также являются в ряде случаев расплавы каких-либо веществ или соединений.

Электролиз - выделение вещества на электродах при прохождении через раствор (электролит) электрического тока.

Законы электролиза.

Законы электролитической проводимости были экспериментально установлены Фарадеем в 1836 г. этих законов два.

Первый закон Фарадея относится к связи между количеством выделившегося вещества на электроде, силой тока и временем прохождения тока через электролит. Этот закон имеет следующий смысл: масса выделившегося на электроде вещества M пропорциональна силе тока I и временем его прохождения через электролит t.

,

где k- коэффициент пропорциональности, зависящий только от рода выделившегося вещества и электролита.

Произведение силы тока I на время t представляет собой количество вещества Q , прошедшее через электролит:

It=Q,

откуда первому закону Фарадея можно придать вид:

M= kQ,

т.е. масса выделившегося вещества M пропорциональна прошедшему через электролит количеству электричества Q. Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом выделяемого вещества.

Так как при Q=1 численно имеем:

M= k,

то, следовательно, электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы количества вещества.

Второй закон Фарадея определяет величину электрохимического эквивалента k.

Химическим эквивалентом элементаназывается безразмерная величина, численно равная массе данного элемента, выраженная в граммах, которая замещает в химических соединениях 1,0078 г водорода.

Второй закон Фарадея состоит в том, что электрохимические эквиваленты элементов пропорциональны их химическим эквивалентам.

,

где А – атомный вес вещества

п – его валентность

С – коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех элементов.

Обычно вместо коэффициента С вводят величину, обратную:

тогда второй закон Фарадея примет вид:

Величина F называется числом Фарадея . Подставляя значение электрохимического эквивалента k из этой формулы в выражение для первого закона Фарадея, получим формулу, объединяющую оба закона Фарадея:

отсюда следует, что если выделяется один грамм-эквивалент вещества, т.е. масса М , численно равная А/п, то Q должно численно равняться F.

Таким образом, число Фарадея F численно равно количеству электричества Q, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется один грамм-эквивалент вещества.

1.2. Применение электролиза

Как известно, два одинаковых металлических электрода, погруженных в электролит, после прохождения через них электрического тока поляризуются и образуют гальванический элемент, который сам некоторое время может служить источником электрического тока. Таким образом, создавая систему из двух одинаковых проводников первого рода (электролита), мы получим аккумулятор.

Однако чтобы аккумулятор оказался практически ценным, он должен удовлетворять двум условиям:

а) поляризация электродов должна быть устойчива,

б) процессы, происходящие в аккумуляторе, должны быть обратимы.

Первый технический аккумулятор представлял собой две свинцовые пластины, погруженные в водяной раствор серной кислоты

(НSO). Свинцовые пластины, вступая в реакцию с серной кислотой, покрываются слоем сернокислового свинца PbSO. При пропускании через него ток от внешнего источника (зарядка) отрицательные ионы SO перемещаются к аноду и превращают сульфат в перекись свинца:

PbSO

+SO+2HO = PbO+2HSO+2e

Положительные водородные ионы перемещаются к катоду и восстанавливают сульфат в металлический синец:

PbSO

+2H +2e = Pb + HSO.

Таким образом, создается резкая несимметрия электродов: один из них свинцовый, другой – из перекиси свинца. Аккумулютор «заряжен», и представляет собой гальванический элемент, способный служить источником тока.

Давая ток во внешнюю цепь, аккумулятор разряжается, процессы протекают в нем в обратном порядке. В конце разряжения обе пластины оказываются покрытыми одинаковыми слоями сульфата свинца, и Э.Д.С. аккумулятора спадает до нуля.

Электрический ток в газах

2.1. Ионизация газов

Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов .

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.

mirznanii.com

Электрический ток проводимости. Ток в металлах

Когда в обыденной жизни, мы слышим выражение электрический ток, то в первую очередь подразумевается под этим именно ток проводимости. Это всего лишь один из видов токов для среды, называемой проводниками.

Природа тока проводимости обусловлена свойством вещества под названием — проводники. Давайте разберёмся с тем, что такое проводники, как в них существует электрический ток и какие явления при этом происходят.

Начнём с того, что электрический ток определяется как поток электричества, а значит это поток зарядов, которые и несут то самое электричество в количественном измерении в кулонах (Кл).

Элементарный электрический заряд

Пожалуй самый трудный и в то же время простой вопрос. Что такое электричество? Есть у материи одно фундаментальное свойство — это электрический заряд. Фундаментальное — значит основное, базовое, неотъемлемое, практически догматическое, как аксиома в геометрии.

Электрические заряды имеют количественное измерение. Каждый заряд состоит из элементарных, а значит общее количество складывается ступенчато, дискретно. Элементарные частицы, а прежде всего электроны, которые нас интересуют больше всего — имеют электрический заряд, который выражается количественно и измеряется в кулонах (Кл). Какое бы ни было количество заряда, оно всегда кратно элементарному заряду.

Элементарный заряд электрона равен:

Кроме электрона существуют ещё и протоны, которые имеют такое же количество заряда как и электрон, но они нас сейчас мало интересуют так как не являются свободными носителями заряда в проводниках.

Свободные и не свободные заряды

Самый простой ответ на вопрос. Что такое электричество? Это природа и поведение электрических зарядов. Заряды могут быть свободными и связанными, как и всё в природе, они также пребывают в движении. Вот такое движение электрических зарядов и есть электрический ток, или поток электричества.

Чем отличается свободный заряд от не свободного, то есть связанного? Свободные заряды под действием внешних электрических полей, или иных механических и прочих сил, могут изменять траекторию своего движения, скорость, характер движения, тормозится и ускорятся, увеличивать и уменьшать свою кинетическую энергию. Иначе говоря, свободные заряды под действием внешних сил меняют характер своего движения, то есть кинематику.

Как обстоят дела с несвободными зарядами? Раз существуют свободные заряды, тогда должны быть и несвободные. Это связанные заряды, которые под действием внешних сил, любых, или кулоновских, или механических и прочих, не могут изменить кинетическую энергию.

Эти заряды не меняют характер своего движения, а действующие на них силы испытывают противодействие, что имеет свой предел. Если взять кристалл соли, например, NaCl (поваренная соль), то в ней атомы натрия и хлора связаны, каждый атом в отдельности обладает своим электрическим зарядом, но в кристалле они связаны и как бы держат друг друга на привязи. Воздействие внешнего электрического поля может только повернуть кристаллы, но по мере роста напряжённости электрического поля оба атома будут взаимно противодействовать кулоновским силам. Такое противодействие имеет свой предел, свои границы, и как только напряжённость поля превысит определённый порог, молекула вещества NaCl разорвётся и каждый атом станет свободным зарядом. Такие заряды в виде атомов носят название ионов. До разрыва молекулы, силы поля будут совершать работу, которая приведёт к нагреву и расплавлению кристаллов соли.

Идеальный проводник электричества

Давайте представим идеальный проводник электричества, где имеются одни только свободные заряды — электроны. В реальности такого проводника не существует, есть лишь приближения к нему, но представить такой провайдер электричества вполне возможно.

Что же мы имеем в качестве идеального проводника? Проще всего его представить как показано на рисунке в виде прямоугольного бруска, в котором существуют свободные электроны. Этот брусок имеет объем V3), длину, высоту и протяжённость в глубину. Внутри бруска имеются равномерно распределенные заряды — электроны. На объем бруска V, есть некоторая величина плотности заряда σ (сигма), которая показывает сколько свободных зарядов на единицу объёма. Иначе говоря это величина кратная элементарному заряду и показывает сколько кулонов электричества в единице объёма равного 1 м3.

Так как в природе всё движется, свободные заряды в таком идеальном проводнике будут пребывать в хаотическом движении. Каждый будет двигаться казалось бы случайным образом по пути наименьшего сопротивления. Если сквозь брусок провести секущую плоскость S, то в любой момент времени количество зарядов проскочивших сквозь плоскость в одном и другом направлении, справа и слева от неё, будет примерно одинаковое. В таком случае говорят, что поток электричества сквозь плоскость отсутствует, так как вошло столько же зарядов, сколько и вышло.

Площадь сечения S похожа на решето, сквозь которого проходят заряды. Количество зарядов dq прошедших за время dt сквозь такое решето и будет тем самым потоком электричества, которое называется электрическим током. Фактически это статистическая скорость электричества сквозь сечение проводника.

Что же произойдёт если появится внешнее электрическое поле? Что будет происходить с зарядами в объёме бруска V, когда с торцов появятся источники электрического поля?

Будет происходить следующее.

Под действием электрического поля источника свободные носители зарядов — электроны, начнут двигаться, потому как на них будет действовать кулоновская сила. Действие силы F приведёт к росту скорости движения зарядов, они начнут двигаться с ускорением, и с каждым моментом времени их скорость будет возрастать. Если бы наш брусок был очень большим, а электрическое поле неизменным, то за долгое время элементарные частицы разогнались бы до скорости близкой к скорости света. Такое возможно в идеальном проводнике, так как ничто не препятствует набору скорости электронами. Но в реальном проводнике из вещества, например, меди, такое не возможно так как электроны встретят на своём пути препятствие в виде кристаллической решётки.

Как только электроны проскочат сечение S, можно смело говорить о потоке электричества сквозь это сечение. В этом случае за промежуток времени dt, через сечение S пройдёт определённое количество электричества dq, а значит ток I будет иметь величину отличающуюся от нуля. Это и будет тот самый ток проводимости о котором говорилось в начале. Для идеального случая ток будет возрастать, так как скорость движения свободных зарядов возрастает. Величина тока в таком случае будет также расти как и скорость зарядов, но в реальном проводнике такого не происходит, так как электроны испытывают торможение при столкновении с электрическим полем кристаллической решётки.

От чего же зависит величина силы тока? От многих факторов. Один из них — это площадь сечения S, а на практике — это сечение провода. Другой фактор — это плотность свободных зарядов на единицу объёма, или иначе, концентрация зарядов в проводнике. Третий фактор — это величина напряжённости источника электрического поля, которая пропорциональна напряжению источника и его качеству. Четвёртый фактор — это различные преграды на пути движения свободных зарядов, например структура кристаллической решётки материала проводника.

Реальный проводник электричества

Практически все металлы являются проводниками электричества. Это обусловлено тем, что в них достаточная концентрация свободных электронов (второй фактор), чтобы быть хорошими проводниками электричества. Индивидуальные особенности кристаллической решётки металлов влияют на способность проводить ток (четвёртый фактор), а если выразится точнее препятствовать ему. Сечение проводника пропорционально улучшает проводимость (первый фактор). Третий фактор не упоминается, так как относится к источнику тока, а не к проводнику.

Электрическая проводимость материалов измеряется в сименсах (См). Величина в один сименс проводимости показывает какое количество электричества (Кл) пройдёт через сечение проводника за одну секунду при падении напряжения на этом участке в один вольт.

Величина проводимости у всех металлов разная. Самым распространенным материалом для изготовления проводников в электротехнических цепях является медь, но также применяется алюминий. Лучший показатель проводимости имеет серебро, а вот золото уступает меди. Особо в качестве проводника можно выделить неметалл — углерод.

Обычно классифицируют материалы как проводники (conductors) если их проводимость лежит в пределах от 10 до 104-108 сименс (См), всё что выше 108 — именуется сверхпроводниками (superconductors), материалы с проводимостью от 10 до 10-8 сименс — это чаще всего полупроводники (semiconductors), а всё что имеет проводимость меньше 10-8 — называется изоляторами (insulators).

Нагрев проводников при прохождении электрического тока

В реальном проводнике ток не нарастает до бесконечности, так как электроны разогнавшись ударяются о кристаллическую решётку материала и всю накопленную энергию отдают в виде кванта излучения. По этой причине происходит нагрев проводов под действием электрического тока.

Кристаллы решётки постоянно вибрируют, причём, чем больше температура материала проводника, тем сильнее колебания кристаллической решётки. С ростом температуры проводимость материала ухудшается, а прохождение тока ведёт к разогреву проводов.

Дата: 13.05.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

electricity-automation.com

Самый электропроводный металл в мире. Проводит ли железо электрический ток


Самый электропроводный металл в мире

Ценность металлов напрямую определяется их химическими и физическими свойствами. В случае с таким показателем, как электропроводимость, эта связь не так прямолинейна. Самый электропроводный металл, если измерять данный показатель при комнатной температуре (+20 °C), - серебро. Но высокая стоимость ограничивает применение деталей из серебра в электротехнике и микроэлектронике. Серебряные элементы в таких приборах применяются только в случае экономической целесообразности.

Физический смысл проводимости

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

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

Удельная проводимость

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

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

Проводимость металлов

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

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

Топ лучших проводников - металлов

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

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

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

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

Факторы, влияющие на проводимость металлов

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

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

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

fb.ru

Какие металлы лучше всего проводят электрический ток и где они используются

Какие металлы лучше всего проводят электрический ток и где они используются

Какой металл лучше всего проводит тепло и электрический ток? Металлы с наивысшей электропроводностью, а также назначение меди, серебра и других токопроводящих материалов.

какой металл лучше проводит, какой металл лучше проводит ток, какой металл лучше проводит электрический, какой металл лучше проводит тепло, какой металл лучше всего проводит электрический ток, какой металл лучше других проводит электрический ток

В этой статье мы рассмотрим, какой металл лучше всего проводит электрический ток. Сразу отметим, что чистые металлы являются более хорошим

szemp.ru

Электрический ток

Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Заряженные частицы в твердых веществах, например, металлах - это электроны, в жидких (электролитах) - ионы (анионы и катионы), в плазме и газах - электроны и положительные ионы, в полупроводниках - электроны и так называемые дырки.

Проводники, полупроводники и изоляторы.

Не все тела одинаково проводят электричество. Тела, хорошо проводящие электричество, называются ПРОВОДНИКАМИ, а плохо проводящими электричество – ИЗОЛЯТОРАМИ или ДИЭЛЕКТРИКАМИ. Существует и промежуточная группа тел, обладающая слабой способностью проводить электричество – ПОЛУПРОВОДНИКИ.

Поэтому абсолютно естественно, что провод, которым монтируется электрика в доме состоит из металлической части, как правило, меди или алюминия, обернутой в резиновое изоляционное покрытие, которое не проводит электрический ток. Классификация проводников показывает, что они бывают самые разные, но принцип их устройства будет всегда один: внутри проводящий материал, снаружи диэлектрик.

Проводники первого рода и проводники второго рода.

Проводники делятся на проводники первого рода и проводники второго рода. Проводники первого рода – металлы и их сплавы, а проводники второго рода - водные растворы кислот, солей и щелочей, сильно разряженные газы.

Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов (электронная проводимость). К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление r лежит в пределах 10–8 – 10–5 Ом×м. Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.

Вещества, прохождение через которые электрического тока вызывает передвижение вещества в виде ионов (ионная проводимость), называются проводниками второго рода. Типичными проводниками второго рода являются растворы солей, кислот и оснований в воде и некоторых других растворителях, расплавленные соли и некоторые твёрдые соли. Температурный коэффициент электропроводности положителен.

Деление проводников в зависимости от типа проводимости (электронная или ионная) является условным. Известны твёрдые вещества со смешанной проводимостью, например Ag2S, ZnO, Cu2O и др. В некоторых солях при нагревании наблюдается переход от ионной проводимости к смешанной (CuCl).

Какие электроны называются свободными?

Если мы обратимся к основам электротехники, то мы вспомним, что все тела состоят из атомов. Атом в свою очередь сам состоит из миниатирных частиц: нейтронов, протонов и электронов. В зависимости от того, насколько сильна связь электрона с атомным ядром, лучше или хуже выражена проводимость материала.

К диэлектрикам относятся резина, стекло, слюда, фарфор, смола и многие другие материалы. Физическая сущность этих явлений заключается в следующем. В диэлектриках все электроны прочно удерживаются ядрами атомов. В проводниках же, например в металлах, существуют электроны, слабо связанные с ядрами. Эти электроны наиболее удалены от ядер и под воздействием электрического поля соседних ядер отрываются, переходя с внешних орбит одних атомов к другим, при этом они свободно или почти свободно перемещаются по проводнику. Такие электроны называются СВОБОДНЫМИ ЭЛЕКТРОНАМИ.

Скорость движения электронов.

Движение свободных электронов в проводнике происходит беспорядочно, и скорость их движения определяется тепловым состоянием проводника. Но если на проводник подействовать силами внешнего электрического поля, создав на его концах разность потенциалов, то под действием этих сил движение электронов будет упорядочено – направлено в одну сторону. Такое движение свободных электронов в металлическом проводнике называется ЭЛЕКТРОННЫМ ТОКОМ, а способность проводника проводить электронный ток – ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

В проводнике второго рода имеет место ИОННЫЙ ТОК, который возникает также под влиянием сил электрического поля. Этот ток представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов. Способность проводников проводить ионный ток называется ИОННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ.

Направление электрического тока.

В диэлектриках имеет место так называемый ТОК СМЕЩЕНИЯ, который возникает в результате смещения электронов в атомах под действием сил внешнего электрического поля. В вакууме ток создается потоком электронов, вылетающих с поверхности металлического проводника, а в разряженных газах – потоком электронов и ионов. В обоих случаях направленное движение электронов и ионов также происходит под влиянием внешнего электрического поля. Таким образом, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК в проводящих средах есть направленное движение потока свободных заряженных частиц под действием сил внешнего электрического поля.

Направление движение свободных электронов можно получить, соединив, например, один конец металлической проволоки с металлическим шаром, заряженным отрицательно, а другой - с шаром, заряженным положительно. Электроны, имеющиеся в избытке на отрицательно заряженном шаре, направляются к положительно заряженному шару с недостатком электронов, т.е. по проволоке пройдет электрический ток. Он будет течь до тех пор, пока разность потенциалов между разноименно заряженными шарами не станет равной нулю. В нашем примере это произойдет почти мгновенно. Если же разность потенциалов между этими шарами поддерживать постоянно, то по проволоке будет идти электрический ток постоянный по величине и направлению.

Скорость распространения электрического поля.

Условно за направление электрического тока принято считать направление, обратное движению свободных электронов, т.е. направление тока от плюса к минусу. Скорость же распространения электрического тока по проводнику равна скорости распространения света в вакууме, т.е. 300 000 км/сек. Эту скорость электронов нельзя смешивать со скоростью поступательного движения электронов при электрическом токе, которая равна всего нескольким миллиметрам в секунду.

Как получить электрический ток?

Для получения электрического тока существуют специальные устройства, которые непрерывно поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Эти устройства обычно называются ИСТОЧНИКАМИ ТОКА или ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. Основными источниками тока являются:

  • Механические источники электрического тока – ЭЛЕКРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую.
  • Химические источники электрической энергии - ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И АККУМУЛЯТОРЫ. В них химическая энергия преобразуется в электрическую.
  • Тепловые источники электроэнергии – ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую.
  • В настоящее время также находят применение лучистые и атомные источники электрической энергии. Сначала в электрическую энергию преобразуется световая, а затем – ядерная энергия.

Независимо от того, по какому принципу работает тот или иной источник электрического тока, в каждом из них происходит процесс разделения электрических зарядов физических тел и вместе с тем процесс преобразования какого-либо вида энергии в электрическую.

Сегодня уже нет смысла рассуждать о пользе электричества. Оно используется повсеместно. Поэтому просто необходимо понимать природу этого явления, чтобы оно не причинило ущерб. Нужно принимать все меры предосторожности, чтобы не возникло короткого замыкания, вследствие которого может произойти пожар. И, конечно, надо быть крайне аккуратными, чтобы не получить удар электричеством, так как поражение электрическим током может быть смертельно опасным для жизни.

Во избежании неприятностей и опасных ситуаций для подключения или ремонта электропроводки вызывайте профессионального мастера. Созвонитесь с нашим оператором и закажите вызов электрика в Юбилейный или воспользуйтесь услугами электрика в городе Мытищи. А если нужен электромонтаж в Сергиевом Посаде в квартире или деревянном доме, то пригласите мастера-оценщика для составления сметы, а также посмотрите видео по электрике, выполненной нашими мастерами.

Если материал этой статьи был для вас интересен и полезен, поделитесь им со своими знакомыми в социальных сетях. Возможно, кому-то эта информация очень пригодится. C уважением, Королевский электрик в Щёлково.

elektrik-korolev.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о