Физические процессы в проводниковых материалах и их свойства

РАЗДЕЛ II

Проводниковые материалы

ТЕМА 9

Физические процессы в проводниковых материалах и их свойства

Основные обозначения

l – коэффициент теплопроводности

g – удельная электрическая проводимость

Т – термодинамическая температура, температура спая

u – подвижность электронов

n_ср – средняя скорость переноса электронов

Е – напряженность электрического поля

I – ток

n – концентрация свободных электронов в металле

е – заряд электрона

S – поперечное сечение проводника

m – масса электрона

n_ср.т – средняя скорость теплового движения электрона

k – теплопроводность металлов

r₀ – остаточная составляющая удельного сопротивления, пропорциональная концентрации примесей и зависящая от температуры

r_т – составляющая удельного сопротивления, зависящая только от температуры

a_r – темпетратурный коэфициент удельного сопротивления

Dt – изменение температуры

U_А и U_В – потенциалы соприкасающихся металлов

В₀, В_кр.т. – критическая индукция соответственно при температуре Т=0 и при термодинамической температуре

Т_кр – критическая термодинамическая температура сверхпроводника

L – индуктивность соленоида

W – энергия

9.1. Классификация проводниковых материалов

Все материалы обладают способностью в разной степени проводить электрический ток. Основными материалами, хорошо проводящими элек-трический ток, являются проводниковые материалы. Параметр материала, который является мерой этой способности, называется удельной элек-трической проводимостью или обратная этому показателю величина – удельное электрическое сопротивление.

Удельная проводимость различных электротехнических материалов изменяется в очень широких пределах (от 10²⁰ см/м для сверхпроводников в сверхпроводящем состоянии до 10^-22 см/м для лучших электроизоляцион-ных материалов).

Относительно удельной проводимости электротехнические материалы можно распределить следующим образом:

1)  сверхпроводники;

2)  криопроводники;

3)  металлы;

4)  сплавы металлов;

5)  электролиты;

6)  полупроводники;

7)  электроизоляционные материалы.

Различие между отдельными материалами заключается не только в значении удельной проводимости, но и в механизме электропроводности. Для многих материалов характерна электронная электропроводность, но в электролитах, большинстве электроизоляционных материалов, а также в некоторых полупроводниках проявляется ионная электропроводность. В жидких электроизоляционных материалах иногда имеет место особенный механизм электропроводности, вызываемый движением коллоидных частиц.

Проводники обладают удельным электрическим сопротивлением в пределах 10^-8…10^-5 Ом·м, с ростом температуры ρ увеличивается. Во многих случаях наблюдаются одновременно два различных механизма электропроводности.

Проводниковыми называются материалы, которые в электротехнической практике применяются там, где используется их высокая удельная проводимость. Типичным примером являются проводящие жилы проводов и кабелей самых разных типов. К проводниковым материалам относят также материалы для изготовления контактов, термоэлементов, припоев, плавких вставок предохранителей и т. п.

Кроме больших значений удельной проводимости от проводниковых материалов, как правило, требуются и другие специальные свойства. Эти свойства зависят от вида применения материала. Так, от материалов для контактных проводов электрифицированного транспорта требуется высокая стойкость к действию электрической дуги (дугостойкость), от материалов для припоев и для плавких вставок – относительно низкая температура плавления.

К проводниковым материалам относят и сплавы высокого электрического сопротивления (резистивные сплавы),  которые используются для преобразования электрической энергии в теплоту в электрических нагревательных элементах, сушилках, утюгах и т. п. Часто они используются и для изготовления резисторов.

К проводниковым материалам относится и обладающий относительно низкой удельной проводимостью графит (уголь).

Особые группы проводниковых материалов образуют криопроводники и сверхпроводники. Достижение больших токов в сверхпроводниках часто является лишь средством для получения других эффектов, например, сильного магнитного поля. В сверхпроводниковых магнитах проводниковый материал выполняет, собственно