Clasificarea materialelor conductoare
Și proprietățile lor de bază
Mecanismul fluxului de curent în metale - atât în stare solidă și în stare lichidă - mișcarea direcțională datorată (deplasare) de electroni liberi sub influența unui câmp electric; așa-numitele conductori metalici, cu o conductivitate electronică sau conductori de primul tip.
Cel mai important, practic, aplicat în materiale solide conductoare electrice sunt metale și aliajele lor. Proprietățile de bază ale metalelor enumerate în tabelul 3.3.
Clasificarea conductorilor metalici. Materiale metalice conductoare sunt împărțite în următoarele grupe:
metale cu conductivitate ridicată. având o rezistivitate # 961; la temperatura normală de cel mult 0,05 mO # 8729; m, metale de conductibilitate sunt utilizate pentru fabricarea de fire, cabluri, fire conductoare, înfășurări de mașini electrice și transformatoare.
Supraconductori - un material (metale pure și aliaje), rezistivitatea care la temperaturi foarte scăzute apropiate de zero absolut scade brusc la valori neglijabile.
supraconductori la temperaturi înalte (HTSC) - un conductor având o temperatură de tranziție supraconductoare peste 30K condiție.
Cryo - o înaltă conductivitate conductori metalici, a căror rezistivitate descrește continuu cu scăderea temperaturii și la temperaturi criogenice (T<-395 0 С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.
Aliaje cu rezistență ridicată # 961; la temperatura normală de cel puțin 0,3 microohm # 1468; m. Metale și rezistență mare la aliaje utilizate pentru fabricarea de rezistoare încălzitoare electrice, filamentele incandescente și m. p.
Metale și aliaje pentru diferite scopuri. Acestea includ topire înaltă și joasă de topire a metalelor, precum metale și aliaje pentru dispozitive contacte electrice.
Clasificarea conductorilor nemetalice. Pentru nemetalice conductoarele rigide includ:
Materiale de carbon - un material pe bază de carbon. Deoarece pensula realizat din materiale de carbon de mașini electrice, conectorii de colectare curent pentru colectoare de curent electric, electrozi pentru spoturi luminoase și cuptoare cu arc electric. Pulbere de carbon utilizat în microfoane.
Materiale compozite - conductoare sunt materiale artificiale cu caracter electronic conductivitate electrică constând dintr-o fază de conductoare, liant și umplutură cu proprietăți dielectrice ridicate.
Clasificarea conductorilor lichizi și gazoși. Pentru conductori lichizi includ:
metale topit. Deoarece conductorul metalic lichid la temperatura normală poate fi utilizat numai mercur (Hg), în care punctul de topire de aproximativ minus 39 ° C Alte metale pot fi conductori lichizi numai la temperaturi ridicate, peste punctul lor de topire.
Electrolitii sau conductorilor de al doilea tip - sunt soluții de acizi, baze și săruri. Conductivitatea electrică a electroliților este ionic. deoarece curentul electric în ele datorită mișcării direcțională a anioni și cationi. Procesul de trecerea unui curent electric prin electrolit numit electroliza. În conformitate cu legea lui Faraday, la trecerea curentului prin electroliți, împreună cu transferul sarcinilor electrice asupra transferului de ioni de electroliți, substanță conductive T. E. Ionov, în care compoziția de electrolit se schimbă treptat, iar electrozii sunt alocate produse de electroliză. cristale ionice în stare topită sunt, de asemenea, conductorii celui de al doilea tip.
Prin conductori gazoși. toate gazele și vaporii, inclusiv o pereche de metale. La punctele forte mici de câmp electric gaze sunt izolatoare bune. În cazul în care câmpul electric depășește o valoare critică la care începe ionizarea impact, atunci gazul poate fi un canal cu conductivitate electronică și ionic. de gaz puternic ionizat cu un număr egal de electroni per unitate de volum și numărul de ioni pozitivi este un anumit mediu conductor, poartă numele plasmei.
Gaze și vapori de metale conductorilor utilizate pentru lămpi cu descărcare de iluminat. Printre sursele de descărcare de radiații optice lămpi cele mai comune care utilizează o descărcare în vapori de mercur. Această lampă fluorescentă de joasă presiune (până la 0,03MPa) și o lampă cu arc de mercur (DRL) cu presiune ridicată (0,03-3MPa).
Să luăm în considerare mecanismele de conducție și proprietățile principale ale conductorilor metalici cel mai frecvent utilizate în domeniu. Acestea sunt principalul tip de materiale conductoare de electricitate în inginerie electrică și de radio.
Conductivitatea electrică a metalelor. Firul metalic solid este un grilaj cristalin în care nodurile sunt aranjate ionii încărcați pozitiv. In spațiul dintre ionii sunt electroni liberi, care formează un gaz de electroni așa-numitul. Ionii electronice de gaz și metal pozitiv, interacționează unele cu altele pentru a forma o legătură metalică puternică. În absența unui câmp electric, electronii sunt într-o stare de mișcare termică aleatoare, ciocnesc cu atomii cu zăbrele oscilante.
Pentru gaz de electroni, ca de gaz convențional utilizând legi statistice. Luați în considerare prevederile de bază ale acestor legi. Distanța medie parcursă de electroni între ciocnirile cu site-uri cu zăbrele, numit lungimea căii libere. Timpul mediu între ciocniri se numește timp liber mediu, care este definit ca:
în care: - viteza medie a mișcării termice a electronilor liberi în metal. La T = 300 K = 30 viteza medie de 5 m / s = 300 km / s.
Viteza de mișcare termică aleatorie a electronilor (la o temperatură dată) pentru diferite metale sunt aproximativ aceleași. Aproximativ egale și concentrația liberă de electroni în n diferite metale. Prin urmare, valoarea conductivității (sau rezistivitatea) depinde în principal, numai pe calea medie liberă de electroni # 955; în acest conductor. Această lungime, la rândul său este determinată de structura materialului conductor. Prin urmare, toate metalele pure, cu rețea cristalină perfectă caracterizate prin cele mai mici valori ale rezistivității; impuritate același distorsionează rețeaua cristalină, duce la o creștere # 961; .
În cazul în care există un conductor electric de câmp E = const. apoi partea din acest domeniu privind actele electroni de forță. Sub influența acestei forțe electronii dobândesc accelerație. proporțională cu intensitatea câmpului electric E, rezultând într-o mișcare direcționată a electronilor. O astfel de mișcare direcțională numită derivă de electroni. Viteza de deplasare direcțională sau derivă în mod semnificativ mai mică decât rata de mișcare termică. În timpul de electroni liberi se deplasează cu accelerație uniformă, câștigând viteza maximă până la sfârșitul căii libere
în cazul în care - valoarea medie a timpului liber.
La sfârșitul electronului înseamnă cale liberă, cu care se confruntă ionii cu zăbrele, le face dobândite în energia câmpului electric, iar rata devine zero. Prin urmare, viteza medie a mișcării direcționată a electronului este egal cu:
unde e = 3602 # 903; 30 -39 Cl - taxa de electroni, m = # 903 9,3; -33 kg 30 - masa de electroni.
mișcarea direcțională a electronilor genereaza un curent electric a cărui densitate conform teoriei clasice a metalelor este:
În cazul în care n -. Densitatea de electroni liberi în metal, adică numărul de electroni liberi pe unitatea de volum a metalului,.
- conductivitate electrică specifică a metalului, care este mai mare cu atât mai mare concentrația de electroni liberi și n lungime medie # 955; calea lor liber mediu, S / m (Siemens, împărțit la metru)
- rezistivitate electrică - inversul conductivității, Ohm # 8729; m (ohmi, înmulțită cu contorul).
conductibilitate # 947; Aceasta nu depinde de intensitatea câmpului electric E atunci când schimbă într-o gamă largă. Ecuația (3.4) reprezintă legea lui Ohm în formă diferențială.
Dacă presupunem că concentrația de electroni liberi este concentrația atomilor, aceste concentrații pot fi găsite prin formula:
d- unde densitatea materiei,
NA = 6022 # 903; 30 23 -3 mol - numărul lui Avogadro - numărul de elemente structurale (atomi, molecule, ioni, etc.) per unitate de cantitate de substanță. (Mole egal cu gram-atom),
A - masa atomica (numite anterior greutate atomică) - masa atomului elementului chimic, exprimată în unități atomice de masă (uam). Unitatea de masă atomică egală cu 3/32 din masa unui izotop de carbon, cu un număr de masă 32 (≈3,6605402 · 30 -24 g).
Atunci când mișcarea de electroni liberi din metal sub acțiunea câmpului electric, capătă mai multă energie cinetică, care este dat la site-urile cu zăbrele asupra coliziune cu ei. A dat energie este transformată în căldură, în care temperatura crește de metal. Putere pierderi specifice p. eliberat în conductorul de încălzire și este determinată de Joule-Lenz, care în formă diferențială este:
De notat că, la o temperatură de 0 0 K Viteza termică a electronilor mișcării este zero. Ei nu se vor ciocni cu ionii într-o rețea cristalină. Calea medie liberă # 955; electroni va fi egal cu infinit, iar rezistivitatea # 961; Acesta va fi zero (conductivitate egală cu infinit). Conductorul în acest caz, nu va fi încălzită.
Natura duală a electronilor, de exemplu, proprietatea dualitatea undă-particulă a condus la faptul că deplasarea electronilor liberi în metale (electroni de conducție) trebuie privite ca particule corpusculare și particule având proprietăți de undă. Din această perspectivă, mișcarea electronilor în metal - este undă electromagnetică de propagare în solide. rezistență metalică este rezultatul împrăștiind undelor asupra vibrațiilor termice ale rețelei. Conform conceptelor teoriei valurilor metalelor rezistivitate este, de asemenea asociat cu electroni înseamnă cale liberă. Această relație este scris după cum urmează:
În cazul în care h - constanta lui Planck.
În funcție de natura val de electroni, așa cum se poate concluziona că metalele pure au cea mai mică valoare a rezistivității. Acest lucru se datorează faptului că împrăștierea undelor de electroni are loc în defectele de cristal cu zăbrele, care sunt proporționale cu distanța de ordinul unui sfert din lungimea de undă a electronilor. Conductorul de metal de ordinul a -5nm lungime de undă de electroni (nanometri = 30 -9 m). defecte cu zabrele dimensiune mai mică de 5/4 nm nu provoacă împrăștierea semnificativă a undelor electromagnetice. Defecte provoca mari de disipare a energiei, prin care rezistența electrică crește. Într-un cristal ideală la T = 0 K 0, unde electromagnetice trebuie să se propage fără împrăștiere și rezistivitate # 961; Ar trebui să fie zero. Aceasta înseamnă că în cristal ideală la E = 0K înseamnă cale liberă a electronilor tinde la infinit. Confirmarea acestei situații este faptul că rezistența metalelor pure alipiți tinde la zero ca temperatura termodinamică se apropie de zero absolut. disiparea de putere, ceea ce duce la apariția rezistenței, apare în cazurile în care zăbrele există diferite tipuri de încălcări ale structurii sale corecte. Orice neomogenitati structurale împiedică răspândirea undelor de electroni și determină creșterea rezistivității materialului.
Relația dintre densitatea de curent # 948; (A / m), iar intensitatea câmpului electric E (V / m), un conductor metalic, așa cum sa menționat deja mai sus, este dată de formula cunoscută (3.4) # 948; = # 947; E, numită forma diferențială a legii lui Ohm.
Pentru un conductor având o rezistență R o lungime l și o secțiune transversală constantă S. rezistivitate # 961; se calculează cu formula
pentru a măsura # 961; materiale conductoare sunt autorizate să folosească unități comune Om # 903; mm² / m. Comunicarea între aceste unități rezistivității este după cum urmează:
3 Ohm # 903; m = mO # 903; m # = 903 ohmi; mm² / m, adică, 3Om · mm2 / m = 3mkOm · m.
Intervalul valorilor rezistivității # 961; conductorilor metalici la temperatura normală este destul de îngust: de la 0.036 de argint la aproximativ 3,4 micromhos # 903; m pentru aliaje zhelezohromo-aluminiu.
Rezistența conductorului depinde de frecvența curentului care curge prin ea. Este cunoscut faptul că la frecvențe înalte densitatea curentului variază în secțiunea transversală a conductorului. Este maximal la suprafață și scade pe măsură ce adâncimea de penetrare a conductorului. Deplasarea curentului la suprafața conductorului. Acest fenomen se numește efect de piele. El este mai puternic, cu atât mai mare frecventa. Deoarece aria secțiunii transversale prin care circulă curentul scăzut, AC sârmă de rezistență a fost mai mult decât rezistența DC. Pentru adâncimea de penetrare a curentului în conductorul la frecvența luând adâncimea la care densitatea de curent scade cu un factor e = 2,72 .po, comparativ cu valoarea sa la suprafața conductorului.
5. Subiect SEMICONDUCTOR