Реферат: Проводники, полупроводники и диэлектрики
Электрическое сопротивление проводников
Электрическое сопротивление обусловлено тем, что свободные электроны при дрейфе взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки металла. При повышении температуры учащаются соударения электронов с ионами, поэтому сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивление проводников зависит от материала проводника, т.е. строение его кристаллической решетки. Для однородного цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление определяется по формуле
R = ρ ٠l / S (1.)
где ρ=RS/l – удельное сопротивление проводника (сопротивление однородного цилиндрического проводника, имеющего единичную длину и единичную площадь поперечного сечения).
Единица сопротивления – Ом.
1 Ом: Ом – сопротивление проводника, по которому при напряжении 1 В течет ток 1 Ом=1 В/А.
Величина σ=1/ρ, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью проводника.
Единица электрической проводимости – сименс (См).
Сименс – электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом, т.е. 1 См=1 Ом־¹.Из формулы (1.1) следует, что единицей удельного сопротивления является Ом-метр (Ом ٠м).
Таблица 1.1 Удельное сопротивление наиболее распространенных проводников
Материал ρ, 10־ Ом∙м Характеристика материала |
|
Серебро 1,6 Наилучший проводник Медь 1,7 Применяется наиболее часто Алюминий 2,9 Применяется часто Железо 9,8 Применяется редко |
Удельное электрическое сопротивление проводника зависит не только от рода вещества, но и от его состояния. Зависимость удельного сопротивления ρ от температуры выражается формулой
ρ = ρ 0 (1+ α t ), (1.2)
где ρ0 – удельное сопротивление при 0°C; t – температура (по шкале Цельсия); α – температурный коэффициент сопротивления, характеризующий относительное изменение сопротивления проводника при нагревании его на 1°C или 1 K:
α = (ρ-ρ 0 )/ρ 0 t . (1.3)
Температурные коэффициенты сопротивления веществ различны при разных температурах. Однако для многих металлов изменение α с температурой не очень велико. Для всех чистых металлов α ≈ 1/273 K־¹ (или °C־¹).
Зависимость сопротивления металлов от температуры положена в основу устройства термометров сопротивления. Они используются как при очень высоких, так и при очень низких температурах, когда применение жидкостных термометров невозможно.
Из понятия о проводимости проводника следует, что чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость. При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.
В 1911 г. Голландский физик Камерлинг-Оннес провел опыты с ртутью, которую можно получить в чистом виде. Он столкнулся с новым, совершенно неожиданным явлением. Удельное сопротивление ртути при температуре 4,2 K (около -269°C) резко упало до такой малой величины, что его практически стало невозможно измерить. Это явление обращения электрического сопротивления в нуль Камерлинг-Оннес назвал сверхпроводимостью.
В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у более чем 25 металлических элементов, большого числа сплавов, некоторых полупроводников и полимеров. Температура Tкр перехода проводника в сверхпроводящее состояние для чистых металлов лежит в пределах от 0,14 K для иридия до 9,22 K для ниобия.
Движение электронов в металле, находящемся в состоянии сверхпроводимости, является до такой степени упорядоченным, что электроны, перемещаясь по проводнику, почти не испытывают соударений с атомами и ионами решетки. Полное объяснение явления сверхпроводимости можно дать с позиций квантовой механики.
Кроме чисто электротехнических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации, проводниковые материалы должны обладать достаточной нагревостойкостью, механической прочностью пластичностью.
1.2. Медь
Чистая медь по электрической проводимости занимает следующее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалом для проводов.
На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем окиси CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают сернистый газ SO2, сероводород H2S, аммиак NH3, окись азота NO, пары азотной кислоты и некоторые другие реактивы.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяют лишь две ее марки МО и М1.